喀左縣灌區(qū)灌溉信息化管理系統(tǒng)建設(shè)研究

楊明會(huì)

(遼寧喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的信息化建設(shè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁發(fā)展態(tài)勢(shì)[1]。無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，均將現(xiàn)代信息技術(shù)用于農(nóng)田灌溉管理領(lǐng)域，使灌區(qū)管理從傳統(tǒng)的人工管理模式向先進(jìn)的信息化、智能化方向邁進(jìn)。對(duì)我國(guó)而言，自20世紀(jì)末期以來(lái)，各級(jí)政府就十分重視灌區(qū)信息化建設(shè)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合我國(guó)和本地的實(shí)際情況，不斷推進(jìn)灌區(qū)的信息化建設(shè)，并取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 灌區(qū)信息化建設(shè)概況

遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)喀左縣)隸屬于遼寧省朝陽(yáng)市，位于北緯40°47′12″至41°33′53″，東經(jīng)119°24′54″至120°23′24″之間，地處遼寧省西部朝陽(yáng)市南部、大凌河上游的丘陵地區(qū)，東臨朝陽(yáng)縣，西靠凌源市，南接建昌縣，北連建平縣，是遼冀蒙三省交匯地帶，遼西走廊北通道要沖，環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分?？ψ罂h下轄3個(gè)街道、10個(gè)鎮(zhèn)、9個(gè)鄉(xiāng)、1個(gè)農(nóng)場(chǎng)，面積2240km2，人口42萬(wàn)人[2]。喀左縣境內(nèi)有大小河流百余條，主干河為大凌河，從建昌縣流入，自南向北注入朝陽(yáng)縣，蜿蜒境內(nèi)78.55km，主要支流有榆河、蒿桑河、滲津河、牤牛河、芍藥河[3]。得益于地表水方面得天獨(dú)厚的條件，建國(guó)之初到20世紀(jì)末期，喀左縣進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)10年的灌區(qū)建設(shè)，目前，仍在運(yùn)行的大小灌區(qū)有13個(gè)，為促進(jìn)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收起到了重要作用。

喀左縣位于水資源嚴(yán)重不足的遼西半干旱地區(qū)，灌區(qū)灌溉管理就顯得尤為重要[4]。因此，該縣從20世紀(jì)90年代開(kāi)始就投入大量的人力和物力進(jìn)行灌溉管理的信息化研究，并取得了多項(xiàng)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的先進(jìn)灌溉管理技術(shù)和方法，例如，按日配水、計(jì)量收費(fèi)以及灌溉水動(dòng)態(tài)管理等。但是，受制于灌區(qū)條件的限制，這些先進(jìn)技術(shù)主要以單一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)為主，并沒(méi)有構(gòu)建起完整的信息管理系統(tǒng)，難以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和進(jìn)步的需求。以新技術(shù)為借鑒，通過(guò)新技術(shù)的引入和整合，構(gòu)建喀左縣灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)，是灌區(qū)實(shí)現(xiàn)灌溉管理現(xiàn)代化、信息化和智能化的必然選擇。

1.1 灌區(qū)運(yùn)行管理措施落后

信息管理不能適應(yīng)灌區(qū)發(fā)展需求。目前，喀左縣各灌區(qū)的信息的收集手段相對(duì)比較落后，主要方式是以專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行固定時(shí)間觀測(cè)，在信息的傳遞方面主要依靠電話(huà)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。但是，部分灌區(qū)轄區(qū)的面積比較廣大，部分邊遠(yuǎn)地區(qū)交通不便，至今仍沒(méi)覆蓋互聯(lián)網(wǎng)。灌區(qū)的部分管理段在信息采集和傳輸方面仍存在滯后性問(wèn)題，嚴(yán)重影響到灌區(qū)信息的時(shí)效性。例如，灌區(qū)的調(diào)度管理所依據(jù)的信息經(jīng)常是幾小時(shí)以前的信息，往往調(diào)度管理的指令還沒(méi)執(zhí)行，而需水要求又發(fā)生的新的變化。此外，由于灌區(qū)的信息化建設(shè)水平較低，許多資料的整理工作仍需要人工完成。一些大型灌區(qū)每月的灌溉資料需要2個(gè)工作日才能統(tǒng)計(jì)完成，而年終的資料整理和匯總差不多需要1個(gè)月。同時(shí)，由于資料整理基本是手工操作，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度相對(duì)較低，可靠性較差。

1.2 水量調(diào)度不透明，用水行為不規(guī)范

喀左縣各灌區(qū)，由于受到傳統(tǒng)行政化管理思維的影響，水量調(diào)度管理過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的行政化色彩。例如，受到行政化管理模式的影響，不同管理人員負(fù)責(zé)不同的管理事務(wù)，往往出現(xiàn)調(diào)度人員不了解供水設(shè)施運(yùn)行狀況，管理局人員不了解支渠運(yùn)行情況的現(xiàn)象，對(duì)基層的管理段而言，所了解和掌握的信息就更為有限，對(duì)管理局決策和全灌區(qū)的用水情況幾乎一無(wú)所知。顯然，水量調(diào)度的不透明，必然會(huì)對(duì)用水的規(guī)范性造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。例如，由于缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息支持，在部分灌區(qū)的小涵管，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)計(jì)量收費(fèi)，仍舊采取固定收費(fèi)模式，也就是用水戶(hù)一年繳納固定數(shù)額的水費(fèi)，即可隨便用水。顯然，這種水費(fèi)和用水量脫節(jié)的收費(fèi)方式，必然會(huì)造成比較嚴(yán)重的灌溉水量損失，不利于極為有限的水資源的高效利用。由于水量調(diào)度缺乏透明度，部分管理段仍存在搭車(chē)收費(fèi)現(xiàn)象，這不僅不利于灌區(qū)管理的規(guī)范化，也進(jìn)一步加重了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1.3 調(diào)度運(yùn)行環(huán)節(jié)過(guò)多，供水成本居高不下

喀左縣灌區(qū)大多屬于行政單位改革而來(lái)，其權(quán)屬改革雖然已經(jīng)完成，但是管理的行政化色彩依然濃厚，在日常管理過(guò)程中，干渠以上級(jí)別的渠道受到當(dāng)?shù)卣亩鄠€(gè)下屬部門(mén)管理。由于在管理過(guò)程中受到當(dāng)?shù)卣男姓深A(yù)較大，導(dǎo)致調(diào)度運(yùn)行的中間環(huán)節(jié)過(guò)多，信息反饋速度較慢，因此需要投入更多的人力、物力和財(cái)力，這不僅在無(wú)形中增加了灌區(qū)的供水成本，同時(shí)也在源頭增加了用水戶(hù)的水費(fèi)負(fù)擔(dān)，不利于灌區(qū)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效發(fā)展。

1.4 流量檢測(cè)設(shè)施落后

流量檢測(cè)是灌區(qū)調(diào)度管理的基礎(chǔ)性檢測(cè)項(xiàng)目。對(duì)喀左縣各灌區(qū)而言，由于信息化建設(shè)水平較低，在灌區(qū)的干渠渠道仍未實(shí)現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)的自動(dòng)化，在需要流量數(shù)據(jù)時(shí)，仍需要通過(guò)手工操作。顯然，這種檢測(cè)方式不僅歷時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)存在效率低、精度低的問(wèn)題。另外，受灌區(qū)交通與信息傳輸方面的限制，部分渠道斷面的流量測(cè)驗(yàn)成果仍采用人工上報(bào)形式，誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)不能適應(yīng)新時(shí)期灌區(qū)管理的實(shí)際需求。

1.5 管理單位和用水組織脫節(jié)

20世紀(jì)末喀左縣水泉灌區(qū)成立了第一個(gè)農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)。隨著推廣力度的加大，截止2017年，各灌區(qū)幾乎已經(jīng)在所有的村組建立起農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)。農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)的建設(shè)，對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)的管理水平的提高起到了十分重要作用，有效解決了渠系末端的管理問(wèn)題，對(duì)解決部分末端渠系管理、維修滯后的問(wèn)題起到了十分重要的作用。但是，在當(dāng)前的行政化管理模式下，農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)并沒(méi)有發(fā)揮出其作為社會(huì)組織的獨(dú)立性，仍然受到當(dāng)?shù)卣姓芾淼闹T多干預(yù)，從而造成與灌區(qū)管理的脫節(jié)現(xiàn)象，這不僅在相當(dāng)程度上抵消了農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)的積極作用，有違農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)建立的初衷，同時(shí)也影響到市場(chǎng)環(huán)境下灌區(qū)管理體制改革的深入進(jìn)行。

2 灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)

2.1 信息化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 信息管理系統(tǒng)

灌區(qū)信息管理系統(tǒng)的主要管理內(nèi)容是灌區(qū)灌溉的各種信息，不僅包括灌區(qū)的水源以及各級(jí)渠系的蓄水、供水信息和各級(jí)渠系以及用水戶(hù)的水量分配、調(diào)度等運(yùn)行信息，還包括灌區(qū)內(nèi)的各類(lèi)農(nóng)作物的種植面積、產(chǎn)量等相關(guān)信息[5]。灌區(qū)的信息管理系統(tǒng)按照其任務(wù)和功能的不同，可細(xì)分為各種不同的功能模塊。信息管理系統(tǒng)是灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其建設(shè)和完善對(duì)灌區(qū)的信息化建設(shè)具有舉足輕重的重要意義。

2.1.2 調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)

灌區(qū)的水量調(diào)度是充分發(fā)揮有限水資源效益的根本手段。因此，喀左縣各灌區(qū)的調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)需要基于水源的來(lái)水量以及灌溉農(nóng)田的需水量等相關(guān)信息，對(duì)灌區(qū)內(nèi)的各種水源進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水源調(diào)度的最優(yōu)化。就具體的系統(tǒng)運(yùn)行而言，要基于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，以人機(jī)交互的方式對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行模型計(jì)算和分析，以擬定出最優(yōu)化的調(diào)度方案[6]。從具體的構(gòu)成來(lái)看，調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)、多水源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)配、多目標(biāo)分析等模型組成。

2.1.3 水務(wù)公開(kāi)系統(tǒng)

水務(wù)信息公開(kāi)是保證灌溉信息暢通和灌區(qū)管理公正、高效的重要系統(tǒng)。在喀左縣灌區(qū)的水務(wù)公開(kāi)系統(tǒng)建設(shè)中，積極使用CTI及互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，通過(guò)水務(wù)信息的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉信息，特別是用水量與水費(fèi)信息的統(tǒng)一管理[7]，基于水務(wù)公開(kāi)系統(tǒng)，相關(guān)的所有信息，特別是水費(fèi)繳納的憑證、記錄等實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理和查詢(xún)，實(shí)現(xiàn)了水量調(diào)度、水費(fèi)交納方面的透明化和公開(kāi)化。

2.1.4 運(yùn)行監(jiān)督管理系統(tǒng)

鑒于喀左縣各灌區(qū)的進(jìn)水閘門(mén)、節(jié)點(diǎn)閘門(mén)等控制需要通過(guò)電話(huà)通知、人工操作，已經(jīng)不能使用灌區(qū)信息化建設(shè)的需要。因此，在信息化建設(shè)過(guò)程中，急需要構(gòu)建起灌區(qū)各閘門(mén)等節(jié)點(diǎn)控制單元的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，提高運(yùn)行控制的高效性和實(shí)時(shí)性。因此，以灌區(qū)信息化建設(shè)為契機(jī)，積極構(gòu)建運(yùn)行監(jiān)督管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用以互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制等技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)重要控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與管理。具體的管理流程為：灌區(qū)的調(diào)度中心下達(dá)調(diào)度指令，運(yùn)行管理系統(tǒng)將指令以流量或水位為設(shè)定值的方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至相關(guān)控制節(jié)點(diǎn)的控制器，控制器依據(jù)相關(guān)指令對(duì)閘門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，該系統(tǒng)還可以以圖像、數(shù)值、文本、聲音等各種技術(shù)手段和呈現(xiàn)方式對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行實(shí)行視頻監(jiān)控。

2.1.5 遙測(cè)管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要功能是對(duì)灌區(qū)水文站點(diǎn)的降雨、主要支渠及以上渠道進(jìn)水口與其他主要水源出水口的流量、水位等進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)遙測(cè)界面反饋的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi)、整理、存檔或根據(jù)需要自動(dòng)繪制曲線(xiàn)變化過(guò)程圖等[8]。當(dāng)某遙測(cè)站不能正常工作時(shí)，能自動(dòng)向中心站報(bào)告，便于及時(shí)維修。灌區(qū)內(nèi)各遙測(cè)站點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)采用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)未覆蓋地區(qū)則采取無(wú)線(xiàn)電超短波傳輸。

2.1.6 灌溉用水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

有效的用水預(yù)報(bào)是灌區(qū)進(jìn)行科學(xué)管理的重要基礎(chǔ)，因此，要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的信息化管理，必須要構(gòu)建起灌溉用水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。結(jié)合不同灌區(qū)的實(shí)際情況，以喀左縣氣象局的氣象信息，各灌區(qū)下屬的土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)，供水水源的蓄、供水量以及各種農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況等實(shí)時(shí)信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建起各灌區(qū)的灌溉作物需水預(yù)測(cè)模型，并以此為基礎(chǔ)建設(shè)灌溉用水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為灌區(qū)調(diào)度提供精準(zhǔn)的信息依據(jù)。

2.1.7 決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)由人機(jī)界面、總控系統(tǒng)以及各個(gè)分系統(tǒng)組成。其中人機(jī)界面與總控系統(tǒng)的主要功能是利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，為各個(gè)分系統(tǒng)的軟件運(yùn)行構(gòu)建良好的支撐環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述軟件系統(tǒng)的綜合集成。決策支持系統(tǒng)依據(jù)其功能需求，設(shè)計(jì)為3個(gè)層次的總體邏輯框架，分別為人機(jī)界面層、系統(tǒng)應(yīng)用層和系統(tǒng)支撐層。

2.2 系統(tǒng)整體關(guān)系

信息化管理應(yīng)用各系統(tǒng)的整體關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體關(guān)系圖

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用分布

整個(gè)系統(tǒng)的在具體的應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)方面可以分為3個(gè)主要層次。第一層是各灌區(qū)管理局(所)的中心站，該站設(shè)置在灌區(qū)管理局(所)機(jī)關(guān)院內(nèi)。中心站的主要功能是各個(gè)子系統(tǒng)的集成，發(fā)出指令并進(jìn)行相關(guān)信息的收集、整理和存儲(chǔ)分析。第二層是設(shè)置支渠管理段內(nèi)的系統(tǒng)分站，主要功能是都建起本段的水務(wù)公開(kāi)和遙測(cè)管理系統(tǒng)。第三層是單站。單站的設(shè)置主要是根據(jù)系統(tǒng)信息采集和傳輸?shù)男枰O(shè)置在各觀測(cè)點(diǎn)，并構(gòu)建遙測(cè)管理系統(tǒng)，為整個(gè)管理系統(tǒng)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

2.4 拓展功能

為了進(jìn)一步提高灌區(qū)管理的信息化水平，方便行政管理和用水戶(hù)查詢(xún)信息和繳納費(fèi)用。各灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)和喀左縣水務(wù)局等相關(guān)行政單位實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，以適應(yīng)喀左縣的智慧城市建設(shè)，特別是實(shí)現(xiàn)IC卡供水的需要。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步完善實(shí)和實(shí)現(xiàn)更高端的智能化技術(shù)，不斷提高灌區(qū)的自動(dòng)化管理水平。

3 應(yīng)用效果分析

喀左縣各灌區(qū)以智慧城市建設(shè)為契機(jī)，積極推進(jìn)灌區(qū)的信息化管理系統(tǒng)建設(shè)，顯著提升了灌區(qū)的管理水平，并取得了以下幾方面的應(yīng)用效果。

(1)信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用有效改變了粗放管理現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了水資源的優(yōu)化配置和精細(xì)管理，提高了水資源的有效利用率，在總體水資源量不變的前提下，擴(kuò)大了近20%的灌溉面積。

(2)信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用提高用水透明度，對(duì)降低灌區(qū)的管理費(fèi)用、運(yùn)行成本、降低用水農(nóng)戶(hù)的水費(fèi)負(fù)擔(dān)起到了重要作用。

(3)隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，各種不規(guī)范的收費(fèi)和供水行為基本杜絕，為良好水權(quán)及水市場(chǎng)的建立打下了基礎(chǔ)。

(4)通過(guò)信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，灌區(qū)的灌溉信息收集、傳輸條件得到了顯著改善，將灌區(qū)信息化管理水平提高一個(gè)新的水平。

(5)信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用還取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)測(cè)算，全縣各灌區(qū)通過(guò)灌溉信息化管理系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值868萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

灌區(qū)信息化建設(shè)是互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代的必然要求，由于灌區(qū)灌溉信息化管理系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，尚屬于新的研究領(lǐng)域，無(wú)論是理論還是實(shí)踐層面，均存在諸多不足。因此，灌區(qū)信息化對(duì)我國(guó)的各個(gè)灌區(qū)而言，是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，需要各方面不斷進(jìn)行探索和改進(jìn)。應(yīng)以發(fā)展視角審視和對(duì)待灌區(qū)信息化建設(shè)，正確認(rèn)知其對(duì)推動(dòng)灌區(qū)的改革、進(jìn)步、創(chuàng)新方面的重要價(jià)值與作用。