水利信息化技術(shù)在灌區(qū)節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用分析

武 建，金幫琳，張小青，于淼淼

(山東水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

1 概述

水利部部長(zhǎng)陳雷同志在2012年“學(xué)習(xí)貫徹黨的十八大精神，加快推進(jìn)水利改革發(fā)展”黨組中心組(擴(kuò)大)學(xué)習(xí)班上的動(dòng)員講話(huà)中著重提到了“緊緊圍繞‘四化同步發(fā)展’，加快利用信息技術(shù)對(duì)水利行業(yè)進(jìn)行改造提升，推動(dòng)信息化與水利規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)的深度融合，以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化”。可以看出水利現(xiàn)代化的核心內(nèi)容——水利信息化的全面推廣和應(yīng)用應(yīng)已提到緊要日程。

2 水利信息化在灌區(qū)節(jié)水灌溉中的作用

2.1 提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息和技術(shù)支持

灌區(qū)工程的主要特點(diǎn)集中體現(xiàn)在線(xiàn)長(zhǎng)、點(diǎn)多、面廣，而且南北方灌區(qū)存在差異，南方灌區(qū)具有暴雨雨量超常，洪水組合惡劣的特點(diǎn);而北方灌區(qū)則有暴雨突發(fā)性強(qiáng)、區(qū)域性明顯的特點(diǎn)。目前，很多灌區(qū)依然無(wú)法擺脫傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)、電話(huà)信息傳送等相對(duì)落后的手段，在數(shù)據(jù)傳遞及時(shí)性、準(zhǔn)確性上均無(wú)法達(dá)到現(xiàn)代化的要求;而灌區(qū)信息化系統(tǒng)的建設(shè)獎(jiǎng)有效解決上述短板，特別是在發(fā)生特大暴雨、洪澇等自然災(zāi)害中，灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)的重要性將更為突出。要落實(shí)水資源優(yōu)化配置方案離不開(kāi)先進(jìn)的水利信息化技術(shù)的支撐與引導(dǎo)。在當(dāng)前水資源優(yōu)化配置、高效利用的現(xiàn)代水利建設(shè)中依據(jù)國(guó)家和地區(qū)跨越式發(fā)展的總體部署，以政策研究、制度創(chuàng)新、機(jī)制靈活為保障建設(shè)灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握水情、工情，提高設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，為灌區(qū)工程防訊抗旱及指揮調(diào)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息和有力的技術(shù)支撐與保障。

2.2 提高灌溉效率，節(jié)約水資源

水利信息化技術(shù)在灌區(qū)節(jié)水灌溉工作的有效實(shí)施，將極大程度上提升機(jī)組優(yōu)化程度，提高裝置工作效率，優(yōu)化灌區(qū)水資源調(diào)度，提高用水、配水效率，有效做到級(jí)間流量的配合，減少了溢流棄水，降低畝次灌溉用水量，提高灌溉水利用系數(shù);此外，信息化系統(tǒng)的運(yùn)用，不僅可以確保直觀、有效觀測(cè)水位的準(zhǔn)確度，同時(shí)對(duì)農(nóng)田尾灌區(qū)的需水要求予以滿(mǎn)足，最終達(dá)到均衡收益，促進(jìn)了灌區(qū)水資源綜合利用率的提高，達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

2.3 提高管理水平，轉(zhuǎn)變工作理念，增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)

水利信息化技術(shù)在灌區(qū)的實(shí)現(xiàn)，可加大管理力度，增強(qiáng)管理水平，提高管理效率，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:

(1)灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)，具有即時(shí)采集、優(yōu)化調(diào)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控等先進(jìn)實(shí)用手段，保障水情的及時(shí)反應(yīng)和配水的科學(xué)合理，改善了供水相應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了水量量化管理的水資源的優(yōu)化配置，從而使用水戶(hù)灌溉工作適時(shí)適量，受益均衡，消費(fèi)透明，計(jì)量準(zhǔn)確;同時(shí)，將管理“公開(kāi)化”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用水戶(hù)灌溉的流量公開(kāi)、水價(jià)公開(kāi)、開(kāi)停時(shí)間公開(kāi)、服務(wù)制度公開(kāi)等，既便于監(jiān)督又能提高群眾用水積極性，減少了不必要的水事糾紛。

(2)采用灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)，從水量分配和調(diào)度方面嚴(yán)把精細(xì)關(guān)，杜絕因管理細(xì)節(jié)的缺失造成廢水、棄水，從而提高用水效率。

(3)局域網(wǎng)作為信息化的平臺(tái)已經(jīng)得到普及，可以為灌區(qū)工作人員提供學(xué)習(xí)和應(yīng)用新技術(shù)的平臺(tái)，提升工作效率、改變工作理念、對(duì)新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

另外，灌區(qū)信息化可以使灌區(qū)管理流程更加科學(xué)、高效;使計(jì)量工作和核算工作精細(xì)化、智能化，增強(qiáng)用水戶(hù)對(duì)水量計(jì)算的信任度和群眾的節(jié)水意識(shí)，為水費(fèi)征收提高效率。

2.4 降低灌區(qū)的運(yùn)行成本

灌區(qū)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)的建立與健全可促成數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)共享，節(jié)省辦公支出;同時(shí)，減少運(yùn)行管理人員投入，提高人力資源集成度。從而達(dá)到降低了灌區(qū)運(yùn)行成本的目的。

2.5 改進(jìn)工作方法，注重工作效率的提高

灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)的應(yīng)用，促成了計(jì)劃用水、合同供水、合理收費(fèi)的良好局面?；鶎痈鲉挝豢筛鶕?jù)實(shí)際情況為供水方案的修改做到及時(shí)響應(yīng)，切實(shí)做到節(jié)約用水、杜絕浪費(fèi)，從而讓灌區(qū)得到均衡受益。另外，由于工作方法的改進(jìn)，調(diào)度人員可以及時(shí)了解到有價(jià)值的水情、雨情等數(shù)據(jù)，依靠自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控閘門(mén)，提高工作效率的同時(shí)可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度和工作壓力。

3 灌溉節(jié)水信息化系統(tǒng)的主要建設(shè)內(nèi)容

節(jié)水灌溉，科學(xué)用水是以正確的灌溉用水信息為依據(jù)，因此，灌溉用水的信息化管理就是利用先進(jìn)的水利信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理上的自動(dòng)化，其核心為節(jié)水灌溉的有效實(shí)施，其主要建設(shè)內(nèi)容包括四部分:

(1)數(shù)據(jù)采集。主要建成以河、渠水位測(cè)量，田間墑情采集、雨水利用及雨量觀測(cè)，計(jì)量供水為主的信息采集系統(tǒng)。

(2)泵站、閘門(mén)控制。對(duì)重要部門(mén)的重要部位實(shí)現(xiàn)有人值守的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制及無(wú)人值守的自動(dòng)化控制。

(3)水量調(diào)度管理等應(yīng)用系統(tǒng)。包括灌區(qū)需配水計(jì)算及模擬、水量調(diào)度、決策支持。

(4)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、會(huì)商等基礎(chǔ)信息平臺(tái)建設(shè)。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)

突出建設(shè)灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)是灌區(qū)信息化建設(shè)的重點(diǎn)，建成以計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、集成化控制技術(shù)、測(cè)量自控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)溶一身的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)首先依據(jù)用水量需求數(shù)據(jù)采集，由數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳至灌區(qū)用水信息數(shù)據(jù)中心并根據(jù)預(yù)置好的程序和策略進(jìn)行預(yù)處理，依據(jù)相關(guān)規(guī)程，作出用水信息管理決策，從而達(dá)到節(jié)約用水、科學(xué)灌溉的目的。

灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括:監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息組網(wǎng)設(shè)計(jì);灌區(qū)用水?dāng)?shù)據(jù)采集及傳輸;數(shù)據(jù)采集總線(xiàn)路徑規(guī)劃和設(shè)計(jì);中心數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì);水位、田間監(jiān)測(cè)要素觀測(cè)設(shè)計(jì);供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì);監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)計(jì);節(jié)水灌溉決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

4 建成的信息化系統(tǒng)應(yīng)具備的功能

通常情況下，一個(gè)良好的灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)的建成，應(yīng)該包括兩個(gè)子系統(tǒng)，即“灌區(qū)用水信息采集系統(tǒng)”和“灌區(qū)用水決策支持系統(tǒng)”，其組成示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)建立后將全面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量式化、決策化以及用水監(jiān)管自動(dòng)化，從而對(duì)灌區(qū)水情、雨情、田間水層的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，最終實(shí)現(xiàn)灌溉節(jié)約化。具體功能包括如下幾方面:

圖2 灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)組成

(1)灌區(qū)的用水戶(hù)信息和渠系數(shù)據(jù)的管理實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化;

(2)灌區(qū)配水計(jì)劃的制定實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化;

(3)灌溉計(jì)劃、進(jìn)度、水費(fèi)收繳的顯示實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化;

(4)灌區(qū)需水量的計(jì)算、用水統(tǒng)計(jì)及分類(lèi)匯總實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化;

(5)灌區(qū)地理信息系統(tǒng)的管理實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化;

(6)灌區(qū)各單位利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為水戶(hù)提供灌溉量統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量到戶(hù)、統(tǒng)計(jì)到人;

(7)利用網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)習(xí)最新的灌溉技術(shù)、了解未來(lái)的發(fā)展方向、查詢(xún)當(dāng)前較為普及的灌溉產(chǎn)品、總結(jié)并積累灌區(qū)管理的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)等;

(8)實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化。使灌區(qū)管理工作正統(tǒng)化、高效化、節(jié)約化。

此外，為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)渠系量水、動(dòng)態(tài)配水以及水費(fèi)征收等用水管理信息自動(dòng)化，首先需要利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分析采集到的土壤、氣象、作物需用水狀況等信息，結(jié)合灌區(qū)蓄水、配水、輸水能力等方面，制定作物灌溉制度和用水計(jì)劃。在實(shí)施灌溉的過(guò)程中，管理系統(tǒng)還應(yīng)該根據(jù)采集到的各項(xiàng)信息的變化及時(shí)調(diào)整用水計(jì)劃。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)水源及土壤分布、作物需水量、渠系配水結(jié)構(gòu)等進(jìn)行合理配置，優(yōu)化調(diào)度。

由于許多灌區(qū)設(shè)施安裝在野外，地理環(huán)境、氣象環(huán)境對(duì)設(shè)備的要求較高，尤其對(duì)防雨、防雷、防冰、防沙等環(huán)節(jié)尤為多加考量。所以，設(shè)備需要簡(jiǎn)潔、實(shí)用、抗破壞等特性。例如，對(duì)大量偏遠(yuǎn)測(cè)流點(diǎn)，需實(shí)現(xiàn)水位的采集與存儲(chǔ)，考慮環(huán)境的限制(主要包括交通和能源等方面)，記錄儀表需具備無(wú)電工作狀態(tài)，以便完成長(zhǎng)時(shí)間對(duì)灌溉用水計(jì)量統(tǒng)計(jì)的工作;對(duì)有電力供應(yīng)的重要閘口，需實(shí)現(xiàn)渠道過(guò)流量的實(shí)時(shí)傳送，根據(jù)實(shí)際部署，多利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、VPN技術(shù)、加密防病毒技術(shù)等，使系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)、安全、開(kāi)放、可靠、易擴(kuò)展等特點(diǎn)。

5 總結(jié)

建立灌區(qū)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)的成效主要包括:

(1)科學(xué)調(diào)度、節(jié)約用水。管理水平的提高和工程條件的改善將有效減少不必要的干渠輸水損失，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定量供水、提高水的利用率。

(2)節(jié)約管理成本、提高管理效率。不僅省時(shí)，還省工。

(3)進(jìn)一步為實(shí)行按量供水、計(jì)量收費(fèi)、公開(kāi)透明、高效合理打下良好基礎(chǔ)。

此外，需要說(shuō)明的是，由于水利信息化技術(shù)在灌區(qū)節(jié)水灌溉工作中的很多環(huán)節(jié)尚處于起步和待開(kāi)發(fā)階段，因此，應(yīng)注重循序漸進(jìn)、有效投資，緊密?chē)@灌溉管理和工程管理制定實(shí)施細(xì)則。國(guó)內(nèi)的眾多高爾夫球場(chǎng)多引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的成套灌溉產(chǎn)品，而廣大農(nóng)村可根據(jù)我國(guó)國(guó)情和各地經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，采取簡(jiǎn)單易行的節(jié)水灌溉技術(shù)。所以，利用水利信息化技術(shù)，以節(jié)水灌溉為宗旨，促進(jìn)灌區(qū)的改革和發(fā)展，需要因地制宜、量體裁衣，確定信息化主導(dǎo)方向，總結(jié)制定切實(shí)可行的戰(zhàn)略實(shí)施方案。