基于GIS的瑪納斯河灌區(qū)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王玫麗 ，談曉珊 ，高 軍 ，張新宇

（1. 新疆瑪納斯河流域管理處，新疆 石河子 832000；2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

新疆瑪納斯河（簡(jiǎn)稱瑪河）位于天山北坡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)核心地帶，東至塔西河，西至巴音溝河，南至依連哈爾尕山，北至古爾班通古特沙漠，東經(jīng)84°47′～85°31′，北緯 43°40′～45°30′。新疆瑪納斯河灌區(qū)作為一個(gè)大型灌區(qū)，既有靜態(tài)（歷史檔案）資料，也有動(dòng)態(tài)（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）資料，既有空間信息，也有屬性信息?，F(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用功能相對(duì)單一、開發(fā)利用深度不足、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，現(xiàn)有信息系統(tǒng)無法支撐瑪管局履行水資源管理、防汛抗旱、量測(cè)水和水土保持等業(yè)務(wù)職能，也難以做到信息共享。

目前，信息技術(shù)滲透到水利行業(yè)并飛速推動(dòng)行業(yè)發(fā)展，為了進(jìn)一步提高水資源利用的效率，依據(jù)瑪納斯河灌區(qū)水管理現(xiàn)狀和持續(xù)發(fā)展的實(shí)際需求，通過系統(tǒng)規(guī)劃，逐步建設(shè)灌區(qū)水管理信息化系統(tǒng)非常必要[1]。瑪納斯河灌區(qū)信息化建設(shè)就是要運(yùn)用現(xiàn)代新技術(shù)，充分利用灌區(qū)信息資源，包括信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、查詢和執(zhí)行等[2]，以提高采集的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)臅r(shí)效性，做出全面、準(zhǔn)確的反饋、決策和預(yù)測(cè)[3]，提高水的利用效率和灌區(qū)的綜合管理水平，推進(jìn)灌區(qū)水管理工作的健康發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

瑪納斯河灌區(qū)信息系統(tǒng)以信息采集與工程監(jiān)控為基礎(chǔ)，以資源共享為核心，以信息化運(yùn)行環(huán)境及信息安全保障體系為依托，以電子政務(wù)和綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)為主線，推動(dòng)瑪河流域的水利信息化建設(shè)。總體框架如圖1 所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行水情、雨情、工情、氣象和水質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)采集。

1.2 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是運(yùn)用數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、信息化、GIS等技術(shù)對(duì)水利信息分門別類地建立電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換和服務(wù)的集散地，是實(shí)現(xiàn)水利信息資源共享和互操作的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是提高水利信息化水平的重要保障，主要包括數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用支撐平臺(tái)[4]。

1）數(shù)據(jù)匯集層。通過數(shù)據(jù)匯集層的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)的采集、管理與分析，按照不同類型的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的匯集錄入流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集的智能化，減少數(shù)據(jù)入庫的工作量。

2）數(shù)據(jù)服務(wù)層。將集成歷年信息化建設(shè)過程中積累的信息成果，包括水文特征、空間地理、工程、歷史、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)專用等信息的數(shù)據(jù)庫；同時(shí)根據(jù)水利業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行完善。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

3）應(yīng)用支撐層。應(yīng)用服務(wù)層的建設(shè)是在應(yīng)用支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)際需要進(jìn)行開發(fā)與建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)綜合處理、GIS 地圖應(yīng)用、工程調(diào)度、業(yè)務(wù)處理等專題服務(wù)之間的調(diào)用，相互觸發(fā)與數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)對(duì)各種專題服務(wù)的集成。

1.3 人機(jī)界面層

應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)建立基于 Web Services 的友好人機(jī)交互界面訪問接口進(jìn)行界面集成，將各應(yīng)用模塊涉及到的分析方法、表現(xiàn)手段通過數(shù)據(jù)輸出與界面展示。

2 基于 GIS 的瑪納斯河灌區(qū)信息系統(tǒng)

2.1 地理信息系統(tǒng)

1）基礎(chǔ)地圖服務(wù)。根據(jù)已有的地圖服務(wù)（矢量圖）、圖層服務(wù)（包括各種水利要素圖層）及空間數(shù)據(jù)等，建立基礎(chǔ)地圖服務(wù)。針對(duì)水情、工情、工程建筑等查詢與分析提供基于 Web GIS 的定位數(shù)據(jù)分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的地圖與實(shí)時(shí)水利信息的疊加和融合[5]。

2）水利信息分類展示。通過分類目錄的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文、防汛抗旱、水源、河網(wǎng)、農(nóng)村水利、水土保持、水利工程等水利專題數(shù)據(jù)信息的分類展示，不同類型的專題信息以空間圖形的方式展示到地圖上，屬性以列表的方式顯示，支持屬性和空間的聯(lián)動(dòng)[6]。

3）水利信息查詢展示。通過行政區(qū)劃、輸入范圍、緩沖區(qū)范圍等信息，查詢某一空間范圍內(nèi)水利專題數(shù)據(jù)分布和屬性信息情況。

4）水利信息全文檢索。提供全文檢索功能，支持對(duì)河網(wǎng)、水利工程等水利專題信息的名稱進(jìn)行查詢檢索，查詢結(jié)果以空間圖形形式疊加到地圖上顯示。

5）空間定位。提供坐標(biāo)、河流、道路、行政區(qū)、地名等定位方式，快速定位到所需要瀏覽、查詢的區(qū)域。

2.2 灌區(qū)用水管理

灌區(qū)用水管理包括灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程信息、測(cè)流計(jì)算、水情資料整編等管理信息，以及水位、流量關(guān)系曲線擬合、水費(fèi)計(jì)收、灌區(qū)綜合信息查詢等。

1）灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。提供針對(duì)灌區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)登記管理，包括灌區(qū)基本信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、灌區(qū)組織機(jī)構(gòu)、人員基本信息、灌區(qū)相關(guān)多媒體信息及相關(guān)法律法規(guī)等。

2）灌區(qū)工程信息管理。提供針對(duì)灌區(qū)相關(guān)工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，包括灌區(qū)工程概況，以及取水、輸水、配水、排水等系統(tǒng)管理。

3）灌區(qū)工程巡檢管理。針對(duì)灌區(qū)的水利工程及建筑設(shè)施的管理工作設(shè)計(jì)的應(yīng)用功能，充分利用 GIS 技術(shù)，為灌區(qū)管理人員完成水利工程檔案管理、巡檢、養(yǎng)護(hù)、維修及項(xiàng)目申報(bào)奠定良好基礎(chǔ)，提高工程管理水平和運(yùn)行效率。

4）測(cè)流計(jì)算管理。根據(jù)測(cè)流時(shí)間、起點(diǎn)距、斷面水位、水深、歷時(shí)、轉(zhuǎn)數(shù)、糙率等信息，結(jié)合測(cè)流計(jì)算公式進(jìn)行流量計(jì)算，并將結(jié)果保存數(shù)據(jù)庫。由各級(jí)測(cè)流人員對(duì)站點(diǎn)測(cè)流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，并進(jìn)行增加、修改、刪除等操作；通過權(quán)限設(shè)定，只有授權(quán)人員才能對(duì)測(cè)流計(jì)算成果進(jìn)行訪問操作，并提供測(cè)流計(jì)算成果導(dǎo)出；

5）測(cè)流計(jì)算成果管理。將每一次測(cè)流計(jì)算的結(jié)果錄入成果庫進(jìn)行管理，提供截止時(shí)間段內(nèi)的測(cè)流計(jì)算成果數(shù)據(jù)查詢，查詢結(jié)果以數(shù)據(jù)報(bào)表的形式顯示并可打印輸出，并提供測(cè)流計(jì)算成果數(shù)據(jù)導(dǎo)出。通過權(quán)限設(shè)定，只有授權(quán)人員才能對(duì)測(cè)流計(jì)算成果表進(jìn)行操作。

6）水位、流量關(guān)系曲線擬合。灌區(qū)流量主要通過水位、流量關(guān)系曲線換算，因此需要人工輸入幾點(diǎn)水位、流量，通過錄入的水位流量數(shù)據(jù)擬合整個(gè)斷面的水位流量關(guān)系曲線。

7）水情資料整編管理。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前選擇的站點(diǎn)，在某一時(shí)間段范圍內(nèi)，選定某一條符合條件的曲線數(shù)據(jù)對(duì)流量、水量數(shù)據(jù)進(jìn)行重新演算操作，該模塊的功能主要是校核流量、水量數(shù)據(jù)。

8）水費(fèi)計(jì)收。包括應(yīng)收水費(fèi)管理和征收 2 個(gè)部分，同時(shí)為配合開展水費(fèi)征收，還有必要建立水費(fèi)征收相關(guān)信息的查詢，包括用水量查詢及水費(fèi)征收預(yù)警監(jiān)視等。

9）綜合信息查詢。建立綜合信息查詢分析體系，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)實(shí)時(shí)信息查詢、綜合報(bào)表輸出等功能；提供包括用水量、作物分布、渠系綜合信息等查詢；通過綜合信息的查詢分析，為計(jì)劃管理人員及時(shí)掌握當(dāng)前灌區(qū)可用水量、計(jì)劃和實(shí)際用水量等信息；建立灌區(qū)、干渠、支渠、斗渠、重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)單位的用水量匯總統(tǒng)計(jì)與報(bào)表輸出，包括年度、季度、月度、日用水量等總結(jié)[7]。

2.3 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)維護(hù)管理主要功能模塊包括：用戶權(quán)限設(shè)置和系統(tǒng)建設(shè)文檔管理及系統(tǒng)使用幫助。

1）用戶權(quán)限設(shè)置管理模塊。建立用戶權(quán)限庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)使用用戶的分組、權(quán)限設(shè)置、使用范圍限制等管理，訪問控制細(xì)化到各子功能。

通過權(quán)限的設(shè)置對(duì)用戶的界面和相應(yīng)的功能進(jìn)行控制。按角色對(duì)權(quán)限進(jìn)行靈活地控制分配。新增加的角色提供默認(rèn)權(quán)限。分配權(quán)限的管理員可以逐級(jí)下放，實(shí)現(xiàn)多級(jí)管理。

2）系統(tǒng)使用幫助。幫助文檔入庫，可以輸入關(guān)鍵字進(jìn)行搜索并得到相應(yīng)的幫助信息，給使用者提供在線幫助。

3）系統(tǒng)建設(shè)文檔管理。提供系統(tǒng)建設(shè)文檔內(nèi)容的上傳、歸檔管理，提供文檔檢索、調(diào)閱。

4）統(tǒng)配置管理。提供應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)信息配置，主要包括系統(tǒng)功能菜單、功能菜單路徑等配置相關(guān)信息的管理。

3 系統(tǒng)量測(cè)水功能

根據(jù)目前灌區(qū)的量測(cè)水現(xiàn)狀，結(jié)合明渠量水規(guī)范，將各種量水方法固化到系統(tǒng)中，用戶可以方便快捷、直觀有效地對(duì)所在灌區(qū)范圍內(nèi)的重要渠道、閘門、監(jiān)測(cè)站等水利設(shè)施的水量信息進(jìn)行測(cè)量和計(jì)量（遙測(cè)信息可以自動(dòng)采集至系統(tǒng)中，人工觀測(cè)信息可以通過觀測(cè)人員手機(jī)短信或手工輸入方式傳輸?shù)较到y(tǒng)中），系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各量水站點(diǎn)的量水方式和參數(shù)，選用相應(yīng)的計(jì)算公式，對(duì)傳輸過來的信息進(jìn)行處理，快速生成相對(duì)準(zhǔn)確的流量、水量數(shù)據(jù)，通過曲線擬合的手段推導(dǎo)出適用性較強(qiáng)的水位、流量關(guān)系曲線，從而根據(jù)水位得到流量。并且可以通過軟件模擬輸配水過程，查看不同測(cè)點(diǎn)的水位及流量，為灌區(qū)水資源的合理利用、配水調(diào)度、防汛抗旱等工作提供有力的支持。

灌區(qū)量測(cè)水管理實(shí)現(xiàn)通過流速儀實(shí)測(cè)及歷史數(shù)據(jù)率定得出的量水計(jì)算公式，將自動(dòng)遙測(cè)設(shè)備上報(bào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和人工上報(bào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算日平均水位、日平均流量和日水量。不同的量水方式采用計(jì)算公式，根據(jù) GB/T 21303—2017《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》，提供標(biāo)準(zhǔn)斷面、閘門、巴歇爾槽、無喉道槽、寬頂堰、跌水和流量計(jì) 7 種量水方式。提供數(shù)據(jù)整編功能，使用戶可以隨時(shí)根據(jù)流量曲線的變化情況校核歷史數(shù)據(jù)。有效、科學(xué)的管理運(yùn)行，為灌區(qū)持續(xù)發(fā)展打下良好基礎(chǔ)；通過信息化手段整合了灌區(qū)水資源調(diào)度配置，使灌區(qū)水利用率提高，減少了水成本，使灌區(qū)工農(nóng)業(yè)均受益，供水成本降低，農(nóng)民負(fù)擔(dān)減輕，促進(jìn)灌區(qū)和諧發(fā)展；通過建立灌區(qū)現(xiàn)代化調(diào)度管理手段，提高了灌區(qū)工作效率，減少了工作時(shí)間和強(qiáng)度，杜絕了很多不必要的辦公成本，有效節(jié)省了管理開支。未來希望將進(jìn)一步研究大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)等在大中型灌區(qū)信息化和現(xiàn)代化建設(shè)中的應(yīng)用。

4 結(jié)語

基于 GIS 的瑪納斯灌區(qū)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地理信息與灌區(qū)管理信息在同一平臺(tái)下的結(jié)合，為瑪納斯河流域管理處提供一種新型的、可視化的、高效的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)各類信息的有效管理、編輯和維護(hù)，充分實(shí)現(xiàn)了信息共享，大大提高了灌區(qū)管理水平，也使各級(jí)水利行業(yè)主管部門能夠及時(shí)、全面地了解掌握灌區(qū)和行業(yè)發(fā)展的狀況。

本系統(tǒng)優(yōu)化了水資源的調(diào)配效率，改善目前瑪納斯灌區(qū)以多個(gè)水庫為重點(diǎn)水源，多水源調(diào)配不均，利用率不高的問題；保證了工程設(shè)施的安全、