引青灌區(qū)數(shù)字化建設發(fā)展方向研究

趙來生　趙長明

摘要：全面推進數(shù)字灌區(qū)建設是實現(xiàn)灌區(qū)智慧水利的重要內容，本文從引青灌區(qū)實際出發(fā)，立足于灌區(qū)現(xiàn)狀，對灌區(qū)數(shù)字化發(fā)展進行了需求分析，并找到了灌區(qū)數(shù)字化發(fā)展的目標及方向，對于大中型灌區(qū)數(shù)字化灌區(qū)建設起到了一定的指導作用。

關鍵詞：灌區(qū)；數(shù)字化；發(fā)展；目標；方向

盧龍縣引青灌區(qū)位于河北省盧龍縣青龍河東岸，以青龍河水作為主要水源。灌區(qū)總面積4.25萬hm2，設計灌溉面積2.4萬hm2，灌溉保證率50%。1999年，引青灌區(qū)順利納入全國大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目，自1999年開始改造，經(jīng)過十余年改造工程，引青灌區(qū)的骨干渠系得到進一步完善，主干渠輸水能力增強，各個分干得到疏浚和延長，新增、改造了若干渠系建筑物，使得灌區(qū)灌溉面積不斷增加，水量分配、管理調度能力進一步加強。2021 年6 月28 日，李國英部長在水利部召開“三對標、一規(guī)劃”專項行動總結大會中提出，推進智慧水利建設，按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，構建數(shù)字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準化決策，全面推進算據(jù)、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系，推動新階段水利高質量發(fā)展。因此，全面推進數(shù)字灌區(qū)建設在國家政策上是勢在必行的。

1 引青灌區(qū)數(shù)字化現(xiàn)狀

引青灌區(qū)現(xiàn)有信息中心1處（引青灌區(qū)管理處）、信息分中心7處（包括：秀各莊渠首管理站、大嶺管理站、棋盤山管理站、武家溝管理站、十八里管理站、楊山溝管理站、黃家村管理站），信息中心軟硬件設備運行正常；已建29處水情監(jiān)測點，其中部分設備由于建設時間較久，設備損壞或老化，無法正常運行；已建9處雨量監(jiān)測點、9處視頻監(jiān)視系統(tǒng)，設備運行正常；已建灌區(qū)業(yè)務應用系統(tǒng)2套，分別為灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)、灌區(qū)量測水管理系統(tǒng)，目前軟件系統(tǒng)運行正常。

目前灌區(qū)網(wǎng)絡系統(tǒng)主要是通過租用運營商網(wǎng)絡和局部自建光纖，形成了信息傳輸、處理的重要通道。信息中心與下屬管理站所通過VPN組建局域網(wǎng)，管理站所附近的視頻通過自建光纖與管理站所進行信息傳輸。水雨情監(jiān)測站通過租用GPRS / 4G網(wǎng)絡與信息中心進行數(shù)據(jù)傳輸。

灌區(qū)經(jīng)過前期數(shù)字化的建設，軟件具備信息采集監(jiān)測、水量統(tǒng)計、實時水位、流量的查閱功能，提高了管理人員的水量計算效率，減輕了勞動強度。通過建設水情監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了渠首及部分分干渠、管理段交接水斷面的水量精確計量。通過建設雨情監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測灌區(qū)各片區(qū)降雨情況，為灌區(qū)灌溉管理提供了輔助決策。通過建設視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可查看渠道水位、重要建筑物及管理站周邊環(huán)境，為工程運行及管理站工作人員安全提供了保障。

灌區(qū)數(shù)字化系統(tǒng)建成以來，在用水管理、工程管理、防汛抗旱、水資源優(yōu)化調配等方面發(fā)揮了重要的作用，取得了一定的社會效益和經(jīng)濟效益，但是隨著現(xiàn)代化科技的不斷發(fā)展，目前灌區(qū)數(shù)字化建設還存在以下問題：

（1）現(xiàn)有的信息采集體系還不完善，采集種類不全、覆蓋范圍有限，信息的數(shù)字化和規(guī)范化程度不高，能夠提供網(wǎng)絡共享的信息較少；

（2）灌區(qū)未進行過閘門自動化控制的建設，調配水效率低下。水利工程自動監(jiān)視系統(tǒng)的建設還處于起步階段，缺乏應急搶險能力；

（3）灌區(qū)業(yè)務應用系統(tǒng)及信息服務體系建設不夠完善，現(xiàn)有系統(tǒng)平臺功能有限，只具備簡單的信息采集監(jiān)測、水量統(tǒng)計、實時水位、流量的查閱功能，不能為灌區(qū)優(yōu)化調度提供輔助決策。

（4）支撐水利各類業(yè)務應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心建設力度不夠，系統(tǒng)及信息安全體系建設薄弱。水利通信網(wǎng)絡不夠完善，在覆蓋范圍和容量上無法滿足數(shù)字化發(fā)展需求。

2 引青數(shù)字化需求分析

引青灌區(qū)經(jīng)過多年的發(fā)展建設，雖然已建設數(shù)字化，但社會經(jīng)濟發(fā)展迅猛，以及新時期新形勢對灌區(qū)發(fā)展提出的要求越來越高，灌區(qū)歷史遺留問題和與新時期發(fā)展不相適應問題也越來越突出，逐漸成為后續(xù)灌區(qū)發(fā)展建設，落實“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”的重大制約因素。主要包括以下幾個方面的主要問題：

2.1 立體感知體系需求分析

灌區(qū)現(xiàn)有的信息采集體系還不完善，采集種類不全、覆蓋范圍有限，信息的數(shù)字化和規(guī)范化程度不高，能夠提供網(wǎng)絡共享的信息較少。

引青灌區(qū)前期只在渠首及部分干支渠、管理段交接水斷面建設了自動化計量設施，共29處。目前引青灌區(qū)主要的干支渠計量點共計62處，由于自動化量測設備覆蓋不全面，目前大部分渠道仍然采用人工測量，測水員現(xiàn)場讀取水位及流速數(shù)據(jù)，依據(jù)面積法換算出流量值，耗時、耗力，且觀測的數(shù)據(jù)精確度及時效性較差，導致實際灌區(qū)用水量測量不精準。為提高灌區(qū)量測水精確度及時效性，需要在灌區(qū)主要的干支渠配水口補充33處水情自動監(jiān)測系統(tǒng)。

目前灌區(qū)的信息采集的種類主要局限在水位、流量、雨量等要素監(jiān)測。缺乏對引水水質情況的監(jiān)測。為了提升對突發(fā)水質污染事故的預警與處置能力，需要在渠首引水口建設1處水質自動監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 自動控制體系需求分析

灌區(qū)未進行過閘門自動化控制的建設，調配水效率低下。水利工程自動監(jiān)視系統(tǒng)的建設還處于起步階段，缺乏應急搶險能力。

引青灌區(qū)現(xiàn)有主干渠1條，分干渠12條。目前干渠/分干渠上多數(shù)閘門為手動啟閉，部分閘門采用電動啟閉。灌區(qū)還未進行過閘門自動化控制的建設，閘門啟閉還需要工作人員前往閘門操作間進行操作。灌溉季節(jié)配水以及暴雨季節(jié)需要頻繁啟動閘門，工作人員奔赴現(xiàn)場啟動閘門時需要一定時間，時效性較差，導致灌區(qū)日常調配水效率低下。同時工作人員在惡劣的環(huán)境下奔赴現(xiàn)場也存在人身安全隱患。對灌區(qū)內關鍵引（配）水閘實現(xiàn)現(xiàn)地和遠程自動化控制，共計17處（23孔），并實現(xiàn)對閘的工作狀況和引（配）水情況的遠程視頻監(jiān)視等功能，建設13處視頻監(jiān)控，以提高灌區(qū)配水調度管理手段和水平。

灌區(qū)下屬有8個管理站，主要負責灌區(qū)內干支渠口以上骨干水利工程的檢查、觀測、維護及安全運行；負責灌區(qū)灌溉用水調配等工作。目前各管理站所圍內的安防設施不夠完善，部分管理站尚未建設安防設施。存在水安全、工程安全和管理站所的安全隱患。建設配套的視頻監(jiān)視系統(tǒng)8處，提高工程管理及站所安全防范水平。

2.3 智能應用體系需求分析

灌區(qū)業(yè)務應用系統(tǒng)建設不夠完善，現(xiàn)有系統(tǒng)平臺功能還有限，只具備簡單的信息采集監(jiān)測、水量統(tǒng)計、實時水位、流量的查閱功能，不能為灌區(qū)優(yōu)化調度提供輔助決策。

目前灌區(qū)供水季節(jié)主要是“憑經(jīng)驗”進行用水計劃及調度，灌溉用水效率低，不能保證用水及時性；水費收繳仍然采用人工管理手動計算的模式，存在著工作開展慢、計收不透明、數(shù)據(jù)查詢檢索困難、統(tǒng)計誤差大等問題。缺少全灌區(qū)水利工程分布電子地圖，對水利工程尚無法做到工程位置和確權劃界上電子圖，屬性數(shù)據(jù)入基礎數(shù)據(jù)庫的臺賬式數(shù)字化管理；為進一步提高灌區(qū)的工作效率，提升灌溉管理水平，優(yōu)化水資源配置。需建設相應的配水調度管理系統(tǒng)、水費計收管理系統(tǒng)、灌區(qū)管理一張圖系統(tǒng)、灌區(qū)工程管理系統(tǒng)、閘站監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)，并對灌區(qū)原有數(shù)字化系統(tǒng)平臺進行升級。

2.4 信息服務體系需求分析

由于基層水管單位電腦普及率不高，且人員操作能力有限，在灌溉季節(jié)，基層水管工作人員基本不在電腦旁，量測水記錄、用水需求信息、引配水信息、水費情況以及工程運行情況等信息不能及時、準確地反饋給主管領導與農(nóng)戶，同時，渠道所處地形復雜、水利建筑物分布比較分散等原因，實現(xiàn)有線的監(jiān)控管理難度很大。為便于管理人員宏觀管理并監(jiān)督水費收繳，同時方便基層水管工作的順利開展，更好地為廣大農(nóng)戶服務，借助移動智能終端應用APP。

由于灌區(qū)水費收繳仍然采用人工管理手動計算的模式，存在著計收不透明、數(shù)據(jù)查詢檢索困難等問題。為了便于用水戶、管理人員了解灌區(qū)水情、水費計收等情況，需要借助灌區(qū)的官方微信公眾服務平臺，實現(xiàn)水情、水費、灌溉等情況的信息推送，便于用水戶查詢應交水費與交費情況，擴展了水量、水價、水費“三公開”，提高水費收取的透明度。

2.5 支撐保障體系需求分析

支撐水利各類業(yè)務應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心建設力度不夠，系統(tǒng)及信息安全體系建設薄弱；水利通信網(wǎng)絡不夠完善，在覆蓋范圍和容量上無法滿足數(shù)字化發(fā)展需求。

目前灌區(qū)通信機房配置了2臺服務器（IBM System x3650，2016年項目安裝）、1臺UPS電源6K、1臺中心VPN、1臺8口LCD KVM切換器；信息中心數(shù)據(jù)存儲設備容量有限，且缺少相應的網(wǎng)絡安全建設，存在網(wǎng)絡風險。為滿足灌區(qū)業(yè)務擴展及現(xiàn)代化發(fā)展需求，需對現(xiàn)地數(shù)據(jù)中心進行擴容，并進行網(wǎng)絡安全等保建設，為各應用系統(tǒng)的正常運行提供安全保障。

目前灌區(qū)網(wǎng)絡系統(tǒng)主要是通過租用運營商網(wǎng)絡和局部自建光纖，形成了信息傳輸、處理的重要通道。信息中心與下屬管理站所通過VPN組建局域網(wǎng)，管理站所附近的視頻通過自建光纖與管理站所進行信息傳輸。水雨情監(jiān)測站通過租用GPRS / 4G網(wǎng)絡與信息中心進行數(shù)據(jù)傳輸。一定程度上滿足了灌區(qū)前期管理的需要。但信息中心及下屬各管理站所網(wǎng)絡基礎建設時間較長，現(xiàn)有網(wǎng)絡帶寬已無法滿足新業(yè)務的信息傳輸需求，需要對信息中心及各管理站通信網(wǎng)絡進行升級擴容。閘門控制信號要求實時性、穩(wěn)定性強，視頻信號數(shù)據(jù)量大，傳輸距離遠，且控制系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡需要與外部網(wǎng)絡進行隔離，確保網(wǎng)絡環(huán)境安全，因此要實現(xiàn)新建閘門控制、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)的信息傳輸。需要自建光纖39km，實現(xiàn)各系統(tǒng)的遠程監(jiān)測監(jiān)控。

3 引青灌區(qū)發(fā)展目標及方向

引青灌區(qū)數(shù)字化建設按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以灌區(qū)業(yè)務應用為導向，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，在灌區(qū)已建數(shù)字化平臺的基礎上重點開展灌區(qū)業(yè)務管理軟件系統(tǒng)的升級擴展，補充水情監(jiān)測站點實現(xiàn)灌區(qū)骨干渠道水量計量信息自動監(jiān)測率100%全覆蓋；補充閘門自動控制站點和視頻監(jiān)控站點，完善通信網(wǎng)絡，建立網(wǎng)絡安全可靠的保障體系，初步建成骨干渠系水閘自動化控制及配套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，骨干渠道閘站遠程監(jiān)控率達到32.08%；強化灌區(qū)一張圖在灌區(qū)業(yè)務管理方面的應用，使灌區(qū)業(yè)務系統(tǒng)用率達到75%，為構建具有預報、預警、預演、預案功能的數(shù)字化引青灌區(qū)進一步夯實基礎。

3.1 提升灌區(qū)業(yè)務管理數(shù)字化、標準化規(guī)范化的水平

按照“統(tǒng)一整合，優(yōu)化資源”的原則，在已建數(shù)字化軟件平臺的基礎上，充分結合灌區(qū)日常業(yè)務的管理需求，升級灌區(qū)量測水管理系統(tǒng)，擴展灌區(qū)管理一張圖、配水調度管理、水費計收管理、工程管理等系統(tǒng)，為灌區(qū)日常業(yè)務處理提供一個高效便捷的管理手段，提升灌區(qū)業(yè)務管理數(shù)字化、標準化、規(guī)范化的水平。

3.2 提升工程運行安全監(jiān)控能力和風險防范能力

按照“統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施”的原則，在已建閘門控制和視頻監(jiān)控的基礎上補充渠首進水閘、干渠節(jié)制閘、退水閘、支渠進水閘等閘門自動控制及配套視頻監(jiān)控，并對已建視頻進行集中接入，實現(xiàn)工程安全運行智能分析功能，提升工程安全監(jiān)控和風險防范能力。

3.3 提升灌區(qū)監(jiān)測能力和供水調度能力

按照“統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施”的原則，在已建水情監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，健全水情監(jiān)測信息，配合閘門自動控制系統(tǒng)、量測水系統(tǒng)以及配水調度系統(tǒng)，提升灌區(qū)監(jiān)測能力和供水調度能力，為構建具有預報、預警、預演、預案功能的數(shù)字化引青灌區(qū)進一步夯實基礎。

3.4 完善灌區(qū)水利信息網(wǎng)絡的傳輸能力

在灌區(qū)現(xiàn)有網(wǎng)絡系統(tǒng)的基礎上，結合本期監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的應用范圍、信息傳輸?shù)闹匾院桶踩詳U展通信網(wǎng)絡建設，提升灌區(qū)傳輸網(wǎng)絡全面的覆蓋能力，完善灌區(qū)一張網(wǎng)。

3.5 提升灌區(qū)一張圖應用能力

通過基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、紙質檔案的整編入庫，搭建引青灌區(qū)一張圖系統(tǒng)，實現(xiàn)灌區(qū)各類專題圖層數(shù)據(jù)，深化一張圖在灌區(qū)的業(yè)務管理的應用。

3.6 提高灌區(qū)網(wǎng)絡安全能力

根據(jù)《GBT22239-2019信息安全技術網(wǎng)絡安全等級保護基本要求》，結合等級保護相關標準以及國內外最新的安全防護體系模型，通過技術措施和管理措施進行安全建設，形成網(wǎng)絡安全綜合技術防護體系，實現(xiàn)全方位主動防御、動態(tài)防御、整體防控和精準防護，從而提高灌區(qū)網(wǎng)絡安全能力。

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