四川省都江堰東風(fēng)渠智慧灌區(qū)框架設(shè)計(jì)

萬(wàn)忠海*，李杰，鄭姣

（四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，四川成都，610072）

四川省都江堰東風(fēng)渠智慧灌區(qū)框架設(shè)計(jì)

萬(wàn)忠海*，李杰，鄭姣

（四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，四川成都，610072）

根據(jù)水利改革發(fā)展的新形勢(shì)新要求，在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合四川省都江堰東風(fēng)渠灌區(qū)實(shí)際，提出四川省都江堰東風(fēng)渠智慧灌區(qū)框架設(shè)計(jì)。智慧灌區(qū)系統(tǒng)包含水資源管理模塊、防汛抗旱模塊、工程管理模塊和運(yùn)維管理模塊，系統(tǒng)基于智能優(yōu)化算法和3S技術(shù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)收集、分析與修正以及云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用和水利工程的現(xiàn)代化管理。智能灌區(qū)系統(tǒng)可有效提高管理水平，最大化地利用水資源為灌區(qū)服務(wù)，為灌區(qū)信息化建設(shè)提供了一種思路。

水利信息化；智慧灌區(qū)；水資源管理；防汛抗旱；工程管理；運(yùn)維管理

引言

水利部陳雷部長(zhǎng)提出“以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化”，水利信息化的全面推廣和應(yīng)用被提上了日程，信息化技術(shù)已廣泛用于水資源管理、工程管理、防汛抗旱和水生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域[1-5]。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和云平臺(tái)的出現(xiàn)，智慧水務(wù)應(yīng)運(yùn)而生，智慧水務(wù)是水利信息化的高端、集成和深度應(yīng)用，目前已應(yīng)用流域管理中[6-9]。

四川省都江堰東風(fēng)渠位于成都平原，常年為成都、眉山、資陽(yáng)、樂(lè)山四市二十個(gè)縣（市、區(qū)）提供生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境用水服務(wù)，并承擔(dān)向仁壽縣黑龍灘水庫(kù)和簡(jiǎn)陽(yáng)市龍泉山水庫(kù)兩個(gè)水庫(kù)灌區(qū)的輸水任務(wù)。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，灌區(qū)用水量日益增加、用水結(jié)構(gòu)發(fā)生著深刻的變化[10-11]，如何科學(xué)、高效的調(diào)配水資源成為日益突出的課題。灌區(qū)水資源調(diào)配方面，學(xué)者們提出了基于智能優(yōu)化算法、3S技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的灌區(qū)水資源配置系統(tǒng)[12-16]，為灌區(qū)信息化建設(shè)提供了思路。安徽省淠史杭灌區(qū)首先提出智慧灌區(qū)概念，并構(gòu)建集防汛抗旱、灌溉調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理為一體的智慧灌區(qū)探索[17]。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合四川省都江堰東風(fēng)渠灌區(qū)實(shí)際，提出四川省都江堰東風(fēng)渠智慧灌區(qū)框架設(shè)計(jì)，通過(guò)智慧灌區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管、科學(xué)決策，以提高水資源利用率和灌區(qū)管理水平。

1 四川省都江堰東風(fēng)渠灌區(qū)現(xiàn)狀

四川省都江堰東風(fēng)渠灌區(qū)內(nèi)無(wú)大型調(diào)蓄設(shè)施，屬于典型的過(guò)水性灌區(qū)，引水及用水受上游來(lái)水波動(dòng)影響較大，受灌區(qū)渠系分布影響，易出現(xiàn)灌區(qū)局部用水不足或水量過(guò)多等現(xiàn)象。目前東風(fēng)渠灌區(qū)主要存在如下問(wèn)題：

（1）水資源管理較為粗放

東風(fēng)渠現(xiàn)在供水制口1726個(gè)，分布廣，水情信息收集與傳遞不及時(shí)，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握水資源的分布及使用情況；對(duì)收集的數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)分析，在粗放的調(diào)度模式下造成區(qū)域性和時(shí)段性的水資源缺乏與浪費(fèi)；無(wú)大數(shù)據(jù)積累分析，無(wú)法對(duì)后期水資源配置工作進(jìn)行完善。

（2）防汛抗旱缺乏系統(tǒng)分析

水情、雨情、險(xiǎn)情、墑情收集不及時(shí)、不全面，對(duì)受災(zāi)影響區(qū)域、匯集雨量等數(shù)據(jù)無(wú)系統(tǒng)分析，防汛抗旱決策以人工經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏實(shí)時(shí)的會(huì)商分析指揮系統(tǒng)，搶險(xiǎn)物資、人力、機(jī)械等缺乏全局調(diào)度指揮。

（3）工程管理手段較為落后

東風(fēng)渠灌區(qū)內(nèi)共有干渠16條，干渠總長(zhǎng)816Km，渠道涉及的水利工程多，建設(shè)面廣，工程信息庫(kù)不完善；建設(shè)改造與日常管理缺乏系統(tǒng)檔案與動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)管。

（4）信息化設(shè)備后續(xù)管理脫節(jié)

沒(méi)有規(guī)范的維護(hù)管理機(jī)制，建多維少或只建不維，惡性循環(huán)，投入浪費(fèi)。

（5）各業(yè)務(wù)孤立，各搞各

東風(fēng)渠管理處內(nèi)設(shè)11個(gè)職能機(jī)構(gòu)，下設(shè)11個(gè)管理站。各部門(mén)系統(tǒng)相對(duì)孤立，不能全局統(tǒng)籌；部門(mén)之間信息難以共享；部門(mén)之間無(wú)法協(xié)同辦公。

2 智慧灌區(qū)設(shè)計(jì)

供水管理精準(zhǔn)化：動(dòng)態(tài)掌握全灌區(qū)水資源需求與分配情況，通過(guò)智慧系統(tǒng)科學(xué)預(yù)判、動(dòng)態(tài)調(diào)整各節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)段、不同區(qū)域的實(shí)時(shí)水量分配。按照“保證生活、滿足農(nóng)業(yè)、兼顧環(huán)供”的調(diào)度原則基于多目標(biāo)優(yōu)化理論提供最優(yōu)級(jí)調(diào)度預(yù)案，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)均衡受益和水資源利用最大化。

工程管理現(xiàn)代化：按渠系、類(lèi)別、功能用途等建立完整的工程信息庫(kù)，對(duì)重點(diǎn)建筑物、工程項(xiàng)目實(shí)行身份證管理，規(guī)范靜態(tài)建設(shè)管理機(jī)制。建立“有圖有真相”的動(dòng)態(tài)巡渠管理體系，提高并強(qiáng)化日常管理水平，建立動(dòng)態(tài)電子巡查臺(tái)賬。

防汛抗旱科學(xué)化：實(shí)時(shí)掌握水情、雨情、墑情，通過(guò)平臺(tái)綜合分析，預(yù)判險(xiǎn)情級(jí)別與影響力度，建立與水資源管理和工程管理相結(jié)合的實(shí)時(shí)防汛抗旱科學(xué)指揮系統(tǒng)。

運(yùn)維管理程序化：運(yùn)維管理可延長(zhǎng)水利信息化系統(tǒng)的生命周期[18]。隨著信息化建設(shè)的加快，通過(guò)外購(gòu)部份運(yùn)維服務(wù)或整體打捆承包的方式，建立完備的運(yùn)維管理系統(tǒng)[19]，既保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行又減少業(yè)主單位在人員與資金上的投入。

業(yè)務(wù)管理網(wǎng)絡(luò)化：通過(guò)平臺(tái)整合復(fù)雜的多部門(mén)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)各單位、各部門(mén)信息共享、協(xié)同管理辦公。

3 智慧灌區(qū)的具體內(nèi)容

3.1 水資源管理模塊

圖1 水資源管理目標(biāo)Fig.1 The objectives of Water Resources Management

圖1所示為水資源管理的目標(biāo)，水資源管理模塊是智慧灌區(qū)的核心內(nèi)容。按照供水原則，以配水計(jì)劃為基礎(chǔ)，制定各制口各時(shí)段的用水基礎(chǔ)預(yù)案，在基礎(chǔ)預(yù)案執(zhí)行過(guò)程中結(jié)合上游來(lái)水量、末端特殊需求、河道情況、區(qū)域降雨量等不同情況下所采集的數(shù)據(jù)，以充分發(fā)揮水資源最大利用率為目標(biāo)，利用智能優(yōu)化算法[11-12]實(shí)時(shí)修正基礎(chǔ)預(yù)案，解決各個(gè)用水節(jié)點(diǎn)“在什么時(shí)候用、用多大、用多久”的問(wèn)題?；A(chǔ)預(yù)案修訂原則見(jiàn)圖2。

圖2 基礎(chǔ)預(yù)案修訂原則Fig.2 The Principle of Revising the Basic Plan

用水分析：通過(guò)對(duì)上游來(lái)水與各個(gè)制口用水情況進(jìn)行長(zhǎng)系列資料分析，對(duì)數(shù)據(jù)偏差較大的查找原因，形成水損分析圖。結(jié)合水損分析圖和數(shù)據(jù)分析修正模型組件可實(shí)現(xiàn)用水調(diào)度管理的實(shí)時(shí)修正校驗(yàn)、工程運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)校核，同時(shí)也可用于經(jīng)濟(jì)效益與建設(shè)成本投入的經(jīng)濟(jì)分析。

水資源管理模塊要求具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，能結(jié)合灌區(qū)用水計(jì)量以及第三方的用水?dāng)?shù)據(jù)接入（比如國(guó)控水資源監(jiān)測(cè)等），實(shí)現(xiàn)并完善灌區(qū)內(nèi)末級(jí)單點(diǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)的融匯和分析，真正建立起完整的東風(fēng)渠水資源調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)體系。水資源管理模塊同時(shí)也可建立水資源相關(guān)費(fèi)項(xiàng)管理、征收子模塊。結(jié)合東風(fēng)渠實(shí)際穩(wěn)步推進(jìn)國(guó)家農(nóng)業(yè)水價(jià)改革相關(guān)建設(shè)工作。

3.2 防汛抗旱指揮模塊

現(xiàn)階段，我們事后才知各節(jié)點(diǎn)雨量信息，無(wú)法對(duì)各重要斷面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行提前預(yù)判，無(wú)法確定旱情或洪災(zāi)影響范圍，全憑人為感知與經(jīng)驗(yàn)對(duì)渠道上游經(jīng)流進(jìn)行適度控制與人員物質(zhì)調(diào)配。利用RS收集基礎(chǔ)信息，通過(guò)氣象云圖以及區(qū)域降雨量對(duì)灌區(qū)影響的長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，防汛抗旱指揮模塊通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算推演模型組件推算出降雨對(duì)灌區(qū)徑流的影響，進(jìn)而為防汛抗旱調(diào)度提供依據(jù)。防汛抗旱模塊拓?fù)鋱D見(jiàn)圖3。

圖3 防汛抗旱模塊拓?fù)鋱DFig.3 The Topology Map of Flood Control and Drought Resistance Module

在保證區(qū)域防汛安全、用水安全以及最大化利用水的基礎(chǔ)上科學(xué)、合理、安全的進(jìn)行水的疏導(dǎo)和防汛調(diào)度，即提供科學(xué)的防汛抗旱解決方案。

圖4 防汛抗旱解決方案Fig.4 The Solution ofFlood Control and Drought Resistance

3.3 工程管理模塊

靜態(tài)管理：通過(guò)巡渠人員實(shí)時(shí)傳輸?shù)馁Y料以及其他文檔資料為各個(gè)工程設(shè)施、建筑物站點(diǎn)建立詳細(xì)的信息庫(kù)，以供工作人員查詢和工程設(shè)施、建筑物后期維修使用。通過(guò)信息庫(kù)的靜態(tài)管理可建立河堤、建筑物、閘門(mén)以及橋梁等設(shè)施身份檔案。

建設(shè)運(yùn)行動(dòng)態(tài)管理：通過(guò)時(shí)間軸逐一記錄建設(shè)項(xiàng)目的立項(xiàng)、招投標(biāo)、設(shè)計(jì)、施工以及維修等情況，建立工程完整記錄。同時(shí)，歸類(lèi)管理項(xiàng)目中涉及的圖片、視頻和文字資料。

行為日常動(dòng)態(tài)管理：灌區(qū)巡檢人員在巡渠工作過(guò)程中，利用GPS使其運(yùn)動(dòng)軌跡在中心平臺(tái)GIS地圖中顯示，同時(shí)記錄各類(lèi)事件（工程運(yùn)行建設(shè)情況、供水管理情況、水政違法情況等），并傳到管理值班中心。

3.4 運(yùn)維管理模塊

運(yùn)維管理模塊可對(duì)所有信息化設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)行有問(wèn)題就修、壞了就換，有資料顯示設(shè)備損壞不維護(hù)導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢概率將增加，幾千上萬(wàn)的設(shè)備不維護(hù)它的價(jià)值就是零，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控規(guī)劃維護(hù)使每一個(gè)設(shè)備達(dá)到它應(yīng)有的價(jià)值。

4 東風(fēng)渠智慧灌區(qū)總體建設(shè)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于四川省水利廳提出的“ 一套體系、一個(gè)中心、一張地圖、一個(gè)平臺(tái) ”的理念，以標(biāo)準(zhǔn)體系建立和規(guī)范各類(lèi)基礎(chǔ)站點(diǎn)；通過(guò)安全網(wǎng)絡(luò)傳輸并建立云端數(shù)據(jù)中心，規(guī)范數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用格式；在一張GIS地圖上分類(lèi)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)分析處理后的內(nèi)容；以需求為主導(dǎo)，建立各具特色的管理子模塊，為灌區(qū)智慧管理提供科學(xué)的依據(jù)與決策，從而使管理發(fā)揮最大社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

圖5 智慧灌區(qū)系統(tǒng)拓樸圖Fig.5 The Topology Map of the Wisdom Irrigation Districts system

4.1 采集層

站點(diǎn)采集：重要節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由分布在灌區(qū)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水雨情與工情信息器采集，利用RS原理實(shí)時(shí)對(duì)水量、雨量、水位、水質(zhì)、墑情等信息全過(guò)程、全天候、全方位采集。次要節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)巡渠儀或手機(jī) APP進(jìn)行階段性采集，以減少建設(shè)與運(yùn)維成本，目前四川省都江堰東風(fēng)渠管理處已推行的用水計(jì)量系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)次要站點(diǎn)的水情、水質(zhì)等情況采集傳輸。

內(nèi)部共享：利用水利系統(tǒng)內(nèi)部其他部門(mén)資源建立統(tǒng)一共享數(shù)據(jù)庫(kù)[20]，實(shí)現(xiàn)和省水文水資源勘測(cè)局水資源系統(tǒng)、水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、以及水利廳防汛抗旱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)接，避免重復(fù)建設(shè)。

同時(shí)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)其他第三方主管部門(mén)（如國(guó)土、環(huán)境、氣象）數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)借用，以節(jié)約建設(shè)與維護(hù)成本。

4.2 支撐層

由數(shù)據(jù)交換與云服務(wù)構(gòu)成，是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，保障系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性、擴(kuò)展型和資源的高度共享。

4.3 組件層

由GIS組件、三維模型組件、數(shù)據(jù)計(jì)算分析模型組件、數(shù)據(jù)推演修正模型組件等。組件也叫微服務(wù)，所有組件互相之間無(wú)直接約束關(guān)系，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要不斷增加業(yè)務(wù)組件，并且系統(tǒng)的成長(zhǎng)性主要體現(xiàn)在這些業(yè)務(wù)組件的不斷豐富上面。

4.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層集中展現(xiàn)水資源管理、工程管理、防汛抗旱指揮、運(yùn)維管理。應(yīng)用層可以擴(kuò)展，以滿足不斷變更和增加的業(yè)務(wù)內(nèi)容，其他的各層均為支撐應(yīng)用層存在，可以滿足應(yīng)用層的彈性擴(kuò)展需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用創(chuàng)新思維理念、切實(shí)結(jié)合實(shí)際需求，才能研發(fā)出一套真正適用于灌區(qū)的智慧管理的系統(tǒng)。灌區(qū)智慧管理系統(tǒng)，不僅僅是一個(gè)輔助的最初級(jí)顯示工具；不僅僅是對(duì)數(shù)據(jù)的整理與顯示；更應(yīng)該通過(guò)數(shù)據(jù)的不斷積累，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析，為經(jīng)驗(yàn)行為矯正、為管理思維糾偏，并不斷精益求精，真正為灌區(qū)管理提供科學(xué)的決策依據(jù)，最大化發(fā)揮出灌區(qū)的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

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The Framework Design of Wisdom Irrigation Districts Construction in the Dujiangyan Dofengqu Irrigation Districts of Sichuan Province

WAN Zhonghai*,LI Jie,ZHENG Jiao
(Sichuan Dujiangyan Dongfengqu Management Department,Sichuan,Chengdu 610072,China )

According to the new situation and the new requirement of water conservancy reform,the framework design of wisdom irrigation districts construction in the Dujiangyan Dofengqu irrigation districts of Sichuan province is proposed based on the previous studies and combined with the actual situation of the Dujiangyan Dofengqu irrigation districts of Sichuan province.The wisdom irrigation districts system had four modules,the Water Resources Management module,the Flood Control and Drought Resistance module,the Engineering Management module and the Operation Dimension Management module,based on the intelligent optimization algorithm,the 3S technology,the Large date collection & analysis & revision and the cloud service.Efficient utilization of water resources and modern management of hydraulic engineering can be true in the proposed system.By using the proposed wisdom system,management level is improved,water resources is maximized for servicing Irrigation Districts.The results provide a new idea for Water Resources Informatization of Irrigation Districts .

Water Resources Informatization; Wisdom Irrigation Districts; Water Resources Management; Flood Control and Drought Resistance; Engineering Management; Operation Dimension Management

TV213.4

A

1672-9129(2017)04-0176-05

萬(wàn)忠海,李杰,鄭姣.四川省都江堰東風(fēng)渠智慧灌區(qū)框架設(shè)計(jì)[J].數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(4):62-66.

Cite：WAN Zhonghai,LI Jie,ZHENG Jiao.The Framework Design of Wisdom Irrigation Districts Construction in the Dujiangyan Dofengqu Irrigation Districts of Sichuan Province[J].Peak Data Science,2017,6(4):62-66.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.045