智慧灌區(qū)建設(shè)要素及關(guān)鍵技術(shù)

周亞平 ，陳金水 ，高 軍

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2. 河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

智慧水利是水利建設(shè)“十三五”乃至以后的發(fā)展目標(biāo)，國(guó)家、地方及水利專業(yè)的學(xué)者都對(duì)此提出了建設(shè)計(jì)劃和理論方法。但是，智慧水利如何實(shí)現(xiàn)，還未見到較為具體、可操作的方案。國(guó)家、地方及行業(yè)可以出臺(tái)相應(yīng)的智慧水利建設(shè)規(guī)劃，包括宏觀的目標(biāo)、內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)等，而微觀的技術(shù)方案則應(yīng)該針對(duì)不同的水利領(lǐng)域，如水文、防汛防旱、水土保持、灌區(qū)、供水、灌排泵站等作針對(duì)性，精細(xì)化的考慮，從概念、技術(shù)方案、建設(shè)計(jì)劃直至實(shí)現(xiàn)措施等方面進(jìn)行研究，制定和安排。以灌區(qū)為例，提出應(yīng)該考慮的建設(shè)要素和關(guān)鍵技術(shù)，以供同行討論。

1 智慧灌區(qū)建設(shè)的背景

灌區(qū)作為水利的重要組成部分，無論是對(duì)水資源開發(fā)利用的影響還是對(duì)水利工程的整體協(xié)調(diào)和互為支撐，其作用都是不可忽視的。但是，何謂智慧灌區(qū)，目前還沒有權(quán)威的定義，也鮮見對(duì)智慧灌區(qū)建設(shè)與發(fā)展目標(biāo)、任務(wù)的討論。僅以智慧水利為大背景，對(duì)智慧灌區(qū)的建設(shè)從技術(shù)層面做一個(gè)探索和研究。

1.1 智慧水利建設(shè)

《水利信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：“十三五”要在“十二五”取得的成果基礎(chǔ)上，推動(dòng)數(shù)字水利向智慧水利轉(zhuǎn)變，推進(jìn)水治理體系和能力現(xiàn)代化[1]。各省水利廳根據(jù)地方實(shí)際和需求，相繼研究和制定了智慧水利的發(fā)展戰(zhàn)略，例如，四川省水利廳就于 2017 年編制了《四川省“智慧水利”頂層設(shè)計(jì)》。清華大學(xué)王忠靜[2]對(duì)水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)識(shí)集中在 5 個(gè)方面：1）面向水文預(yù)報(bào)及需水預(yù)測(cè)的云計(jì)算技術(shù)；2）基于水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利的水資源需求云服務(wù)體系；3）基于智慧水利的多水源平衡配置技術(shù)；4）保障水資源精準(zhǔn)配送的過程控制技術(shù)；5）不斷標(biāo)準(zhǔn)化的水聯(lián)網(wǎng)與水效能匹配評(píng)價(jià)技術(shù)。

1.2 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)

2011 年 9 月 7 日在水利部召開的“引嫩入白工程信息化項(xiàng)目可行性研究報(bào)告”審查會(huì)上水利部原副部長(zhǎng)李國(guó)英對(duì)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)給出了 3 個(gè)階段（信息化—數(shù)字化—智能化）發(fā)展的思路。陳金水[3]闡述了對(duì) 3 個(gè)階段發(fā)展的理解，指出灌區(qū)智能化的最主要體現(xiàn)應(yīng)該是“開展灌溉水資源配置模型及調(diào)度方法的研究”，也就是李國(guó)英所說的首先實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，然后才能實(shí)現(xiàn)智能化。從宏觀角度看，分步實(shí)現(xiàn)是必需的，但是，根據(jù)現(xiàn)代信息技術(shù)，特別是智能技術(shù)的發(fā)展，三步走不是絕對(duì)的，智能技術(shù)應(yīng)該融入每一個(gè)階段中，也就是樹立全域智能的思想，具體如圖 1 所示。

圖 1 全域智能化發(fā)展理念

鑒于我國(guó)水資源的日益匱乏，而用水需求的日益擴(kuò)大，水利部于 2014 年編制了《全國(guó)現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃》[4]，以此為依據(jù)，針對(duì)大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，水利部又于 2016 年編制了《大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)主要內(nèi)容與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》[5]。前者明確提出，“十三五”期間，全面完成大型灌區(qū)和泵站信息化建設(shè)任務(wù)，全面開展并基本完成重點(diǎn)中型灌區(qū)、小型農(nóng)田水利建設(shè)重點(diǎn)縣信息化建設(shè)任務(wù)，大中型灌區(qū)信息化水平 2020 年要覆蓋 35% 的灌域，2030 年要覆蓋 70% 的灌域。后者強(qiáng)調(diào)要采用 3S 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理，工程與用水管理的信息化，通過灌溉管理決策支持系統(tǒng)，能夠根據(jù)氣象變化、作物需水等情況，進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)和實(shí)施灌溉用水“總量控制、定額管理”的供水調(diào)度。條件較好的灌區(qū)應(yīng)開展水源-渠系-田間一體化智能、優(yōu)化調(diào)度，并能根據(jù)灌溉、水情、調(diào)度等信息進(jìn)行灌區(qū)用水效率、效益及敏感性參數(shù)變化分析，為灌區(qū)運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)支撐。顯然，信息化已成為灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容。但是，作者認(rèn)為，二者對(duì)運(yùn)用信息技術(shù)促進(jìn)水利現(xiàn)代化建設(shè)的認(rèn)識(shí)高度和實(shí)施力度還不夠充分，特別是智能技術(shù)的運(yùn)用及“智慧水利”的實(shí)現(xiàn)，無論是發(fā)展計(jì)劃、內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方案、保障措施等方面均不太明確，跟不上現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，可能形成國(guó)家和地方開展智慧水利建設(shè)的掣肘。

2 智慧灌區(qū)建設(shè)要素

灌區(qū)按照其自身的定義，業(yè)務(wù)職能主要包括水資源配置與調(diào)度和水利工程的運(yùn)行與管理兩大部分。

2.1 灌區(qū)的定義

灌區(qū)是具有一定保證率的水源，有統(tǒng)一的管理主體、完整的灌溉排水系統(tǒng)控制及其保護(hù)的區(qū)域[6]，灌區(qū)定義示意如圖 2 所示。

圖 2 灌區(qū)定義示意

但是，我國(guó)灌區(qū)目前基本上只管理渠系及其上的水利工程建筑，僅僅負(fù)責(zé)將水輸送到支渠口或斗渠口，所供的水對(duì)其控制區(qū)域內(nèi)的作物生長(zhǎng)（有的灌區(qū)還擔(dān)負(fù)當(dāng)?shù)毓I(yè)、生活、生態(tài)等供水）是否經(jīng)濟(jì)、合理和最優(yōu)，所排的水對(duì)控制區(qū)域內(nèi)的河湖、地表和地下生態(tài)、環(huán)境的影響，水利工程損毀對(duì)下游的危害及應(yīng)具備的防范和搶險(xiǎn)措施等，灌區(qū)基本上不考慮，也未形成職責(zé)要求。

針對(duì)這種情況，灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)提出了水源-渠系-田間的一體化管理策略，只是各個(gè)區(qū)段的權(quán)屬不同而已。這將充分、合理地提升水資源的利用效能，并且大幅度提高水利工程的運(yùn)行管理水平。

2.2 灌區(qū)的主要業(yè)務(wù)職能

2.2.1 水資源配置與調(diào)度

灌區(qū)目前難以獲取供水對(duì)象的信息，也不能控制供水對(duì)象的需水要求，因此，現(xiàn)狀通常采用靜態(tài)配水和調(diào)度策略，即先編制需水和配水計(jì)劃，再根據(jù)水源的來水預(yù)測(cè)進(jìn)行水量平衡計(jì)算，最后提供水量調(diào)度方案。

2.2.1.1 作物需水計(jì)劃編制

編制需水計(jì)劃的目的是為了弄清楚各用水單元對(duì)于灌溉水的需求情況（包括需水量和時(shí)間），為灌區(qū)水量平衡與渠系配水提供依據(jù)。大多數(shù)灌區(qū)都是以支渠作為用水單元，各用水戶首先向支渠管理機(jī)構(gòu)提出需水申請(qǐng)，支渠管理機(jī)構(gòu)根據(jù)需水申請(qǐng)，編制本支渠的需水計(jì)劃上報(bào)灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)作為編制配水計(jì)劃的依據(jù)。

用水戶的需水申請(qǐng)按作物的輪期逐輪進(jìn)行編寫，通常以天為單位，也可以通過輪次和輪期確定需水的時(shí)間分布。按作物分類的需水申請(qǐng)要提供用水戶名稱和所屬政區(qū)、作物名稱、所屬渠道、灌溉面積、需水量、灌溉日期、起始時(shí)間、終止時(shí)間、灌溉輪次等信息。根據(jù)各用水戶申報(bào)的需水計(jì)劃，管理人員將基本數(shù)據(jù)輸入到需水計(jì)劃數(shù)據(jù)庫后，就可以編制配水計(jì)劃。

2.2.1.2 配水計(jì)劃編制

配水計(jì)劃主要是制定各支渠口的水量分配計(jì)劃。有了各支渠口的水量分配計(jì)劃后，灌區(qū)的取水口（即水源處）就可以在匯總的基礎(chǔ)上，通過水量平衡，制定供水調(diào)度方案。

支渠管理機(jī)構(gòu)根據(jù)各用水戶的用水申請(qǐng)，按照各段渠道和田間的水利用系數(shù)，分別求出逐日及每個(gè)輪灌期的需配水量，計(jì)算公式如下：

式中：W農(nóng)j為第 j 條農(nóng)渠分水口的毛需水量；Aji為第 j 條農(nóng)渠控制的第 i 類作物的種植面積；mji為對(duì)應(yīng)于灌溉面積的灌水定額；η農(nóng)j為第 j 條農(nóng)渠的平均水利用系數(shù)；η田為田間水利用系數(shù)；W斗k為第 k 條斗渠分水口的毛需水量；ηj-k為第 k 條斗渠中第 j 條農(nóng)渠口到該斗渠分水口之間的渠道水利用系數(shù)；W支s為第 s 條支渠分水口的毛需水量；ηk-s為第 s 條支渠中第 k 條斗渠口到該支渠分水口之間的渠道水利用系數(shù)。

2.2.1.3 水量平衡計(jì)算

由于灌區(qū)范圍內(nèi)的水文、氣象情況復(fù)雜多變，引入取水口的水量與配水計(jì)劃完全吻合的情況比較少見，甚至是不可能的。因此，必須根據(jù)當(dāng)年的水庫蓄水量或河道來水量進(jìn)行水量平衡計(jì)算，以確定實(shí)際配水量。在進(jìn)行水量平衡計(jì)算時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況采取不同的措施。當(dāng)取水口實(shí)際引入水量減少，而其差額未超過計(jì)劃配水量的 5% 時(shí)，仍按原配水計(jì)劃調(diào)配水量。當(dāng)取水口實(shí)際引入水量減少，其差額在 5%～25% 范圍之內(nèi)時(shí)，應(yīng)按照公式（4）修正配水計(jì)劃，以求得供需平衡。

式中：W′ 為水量平衡后的配水量；W 為水量平衡前的配水量；y 為協(xié)調(diào)系數(shù)；ηa為正常供水時(shí)的渠道水利用系數(shù)；η 為供水量減少時(shí)的渠道水利用系數(shù)。

當(dāng)水源嚴(yán)重不足，取水口可能引入的流量銳減，與原配水計(jì)劃中的水量差額超過 25% 時(shí)，應(yīng)采取非常措施，如重新劃分輪灌組合等。

2.2.1.4 供水計(jì)劃編制

供水計(jì)劃主要根據(jù)平衡后的配水量確定取水口及各個(gè)分水口的流量及供水持續(xù)時(shí)間。在確定流量時(shí)，主要依據(jù)該輪灌期內(nèi)計(jì)劃供給的水量及輪期時(shí)間的長(zhǎng)短，同時(shí)也要考慮渠道的過水能力、輸沙能力及用水單位的特殊要求等。如果輪期內(nèi)的供水量較大而輪期較短時(shí)，流量就較大，反之則小，控制原則是最大流量不能超過渠道或過水建筑物的過水能力。

2.2.1.5 控制點(diǎn)上下游水位、流量控制值確定

在計(jì)算出各區(qū)段的凈、毛配水量之后，就可以根據(jù)渠道上、中、下游地段的自然和地理?xiàng)l件，過水建筑物形式、結(jié)構(gòu)、物理特征的不同，考慮折算比例后，推算出各區(qū)段的凈和毛流量，按照各控制點(diǎn)的水位-流量關(guān)系曲線求得各區(qū)段的上、下游控制水位值，以此指導(dǎo)過水建筑物或設(shè)施的運(yùn)行。

糧食、供水和生態(tài)安全保障是國(guó)家對(duì)灌區(qū)確定的新任務(wù)。因此，灌區(qū)水資源配置與調(diào)度就完全不同于以前只局限于農(nóng)業(yè)灌溉供水這個(gè)單一的職能。靜態(tài)配水方法及過程必然要被優(yōu)化配水和動(dòng)態(tài)調(diào)度所替代。

2.2.2 水利工程運(yùn)行與管理

圖 3 描述了渠灌區(qū)的灌溉渠系結(jié)構(gòu)及其控制建筑物（水閘）的布置。渠灌區(qū)灌溉渠系一般由干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠、直灌渠組成，其輸水控制基本上通過水閘的閘門開度實(shí)現(xiàn)。

圖 3 渠灌區(qū)灌溉渠系及控制建筑物（水閘）示意

灌區(qū)各種各樣的“口門”非常多，大的灌區(qū)可達(dá)幾千個(gè)，傳統(tǒng)的運(yùn)行控制方式多為人工（現(xiàn)地手搖或電動(dòng)啟閉閘門）操作。在“十五”開始的信息化建設(shè)中，部分灌區(qū)的部分閘門采用了遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制，但是，基本上還是按照 2.2.1 節(jié)所述的水資源配置方案，通過調(diào)水員下達(dá)指令進(jìn)行逐個(gè)閘門的操作。顯然，這種方法耗時(shí)、耗力，控制時(shí)效難以滿足灌溉和供水調(diào)度的要求，更與現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展及灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展要求不相適應(yīng)。

3 智慧灌區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水資源配置與調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)智慧灌區(qū)水資源配置與調(diào)度，首先要全面、系統(tǒng)地獲取灌區(qū)的各種信息，并通過智能傳感器實(shí)現(xiàn)信息正確性的整定，確保其可用性和可靠性。

3.1.1 智能信息獲取

模式識(shí)別是智能信息獲取的重要手段，也是非常有效的。以模式識(shí)別中應(yīng)用最為廣泛的圖像識(shí)別為例，說明其在灌區(qū)信息獲取中的智能特性。

3.1.1.1 一體化智能雷達(dá)流量計(jì)

圖 4 a 所示的一體化智能雷達(dá)流量計(jì)集成了水位計(jì)、流速儀、RTU，固化了針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)邊界條件的流量計(jì)算模型（表面流速與過水?dāng)嗝嫫骄魉俚年P(guān)系）及流量計(jì)算軟件。流量計(jì)嵌入了智能判斷軟件，在低流速（＜ 0.15 m/s）時(shí)自動(dòng)啟用大功率天線以保證流速的獲取。 同時(shí)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，得到不同過水?dāng)嗝?、糙率下的斷面平均流速點(diǎn)位置與水位的關(guān)系如圖 4 b 所示，大幅度降低了率定的工作量，也提高了一體化智能雷達(dá)流量計(jì)的量測(cè)精度。

圖 4 一體化智能雷達(dá)流量計(jì)及測(cè)流原理

3.1.1.2 智能圖像識(shí)別獲取流速

基于視頻圖像的智能流速獲取是利用攝像機(jī)對(duì)待測(cè)河流表面實(shí)時(shí)采集視頻并截取幀圖像，通過運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位等圖像處理，判斷從河流上游隨水流一起運(yùn)動(dòng)的示蹤物體（以漂浮小球?yàn)槔┦欠癯霈F(xiàn)在攝像機(jī)位置處，如果出現(xiàn)，則計(jì)算上游示蹤物體到達(dá)攝像機(jī)位置時(shí)的時(shí)間，再根據(jù)已知的 2 個(gè)指定位置點(diǎn)之間的距離即可獲取目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度（流速）。

1）流速獲取原理。如圖 5 所示，如果以小浮球?yàn)槭聚櫸?，則根據(jù)示蹤物投放時(shí)間與攝像機(jī)識(shí)別到示蹤物的時(shí)間差及示蹤物投放點(diǎn)至攝像機(jī)的距離就可以計(jì)算出流速，根據(jù)過水?dāng)嗝婷娣e即可計(jì)算得到該斷面的過流量。

圖 5 基于智能圖像識(shí)別的流速獲取

2）流速獲取流程。流速獲取過程如圖 6 所示。

圖 6 基于智能圖像識(shí)別的流速獲取流程

3）主要算法。圖 6 所示的流程中，視頻捕獲及圖像幀截取和預(yù)處理算法均較簡(jiǎn)單，也是常規(guī)方法，為此主要說明其中的關(guān)鍵技術(shù)，即運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及定位算法。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)常用的方法主要有光流法、幀差法、背景差分法等。當(dāng)攝像機(jī)固定時(shí)，背景差分法能較好地將運(yùn)動(dòng)物體從背景中分離出來，但是，背景差分法需要一個(gè)能實(shí)現(xiàn)背景提取和更新的背景模型。為此，采用加權(quán)平均值法建立背景模型，然后對(duì)當(dāng)前幀圖像做中值濾波后進(jìn)行減背景操作和自適應(yīng)閾值分割獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，最后對(duì)目標(biāo)二值化，其結(jié)果作為后續(xù)目標(biāo)定位的依據(jù)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)圖示如圖 7 所示。

圖 7 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)圖示

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位采用 Hough 圓檢測(cè) + 圖像線（中心線）采樣 + 直方圖統(tǒng)計(jì)方法。當(dāng) Hough 圓檢測(cè)到完整的圓時(shí)，以圓的垂直中心線為界，重復(fù)統(tǒng)計(jì)中心線兩側(cè)白色的像素?cái)?shù)，當(dāng)像素?cái)?shù)相等時(shí)即說明目標(biāo)物到達(dá)攝像機(jī)的中心位置，這時(shí)，目標(biāo)定位完成。目標(biāo)定位圖示如圖 8 所示。

圖 8 目標(biāo)定位圖示

當(dāng)檢測(cè)到小球通過中心線時(shí)鎖定時(shí)間。這時(shí)，小球投放的時(shí)間、投放點(diǎn)和攝像機(jī)架設(shè)點(diǎn)間的距離均已知，則可計(jì)算出表面流速，再根據(jù)流量計(jì)算模型即可計(jì)算出過流量。

3.1.1.3 水質(zhì)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)

全國(guó)現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃明確提出現(xiàn)代化灌區(qū)要對(duì)灌溉來水和退水進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。針對(duì)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)投資大的問題，可以通過對(duì)衛(wèi)星遙感（也可以通過無人機(jī)或定點(diǎn)攝像機(jī)）獲取的影像的分析，識(shí)別出污染物。水體被污染后，水體對(duì)電磁輻射的吸收和散射性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致傳感器接收到的反射光譜發(fā)生變化，從而在遙感數(shù)據(jù)中得到反映。因此，只要建立適當(dāng)?shù)倪b感“反演”模型，就可以根據(jù)遙感數(shù)據(jù)確定水中的污染物，并計(jì)算出污染物的濃度和覆蓋面積。

1）水體光譜組成。水面及水體對(duì)光的反射機(jī)理如圖 9 所示，衛(wèi)星傳感器去除了大氣影響后，來自水體的光譜就由水面反射光、水體散射光和水底反射光 3 個(gè)部分組成。 其中，水面反射光基本無水質(zhì)信息，當(dāng)水深達(dá)到一定程度時(shí)，水底反射光極弱，因此均可略去，則到達(dá)傳感器的光譜中就只有水體散射光。

圖 9 水面及水體對(duì)光的反射機(jī)理

2）雜質(zhì)對(duì)水體光譜的影響。一般情況下，在光學(xué)遙感波段，以懸浮泥沙為主的懸浮物使水體的散射光顯著加強(qiáng)。耗氧性有機(jī)污染物和重金屬使水體吸收率顯著增強(qiáng)，葉綠素使水體在可見光波段吸收率增大，而在紅外波段則出現(xiàn)反射峰，并存在特殊的熒光峰。這種在不同波段上散射和吸收性質(zhì)的差異使得根據(jù)遙感資料定量反演幾種主要雜質(zhì)的種類和濃度成為可能。因此，可以建立水體反射率與水質(zhì)成分含量的函數(shù)關(guān)系，求解后可得每個(gè)像素點(diǎn)的水質(zhì)成分和濃度。

水質(zhì)遙感可提取的參數(shù)取決于所采用的遙感數(shù)據(jù)的光學(xué)波段數(shù)及水體各成分的散射和吸收系數(shù)。目前，采用中高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以定量反演出的水質(zhì)參數(shù)為混濁度、耗氧性有機(jī)物（COD）+重金屬、葉綠素濃度、油污含量等。其他參數(shù)則可以從這些參數(shù)中得到間接反映，如氮、磷含量增加會(huì)導(dǎo)致葉綠素含量的增加等。

3）水質(zhì)遙感模型。不考慮水面和水底反射光，則所測(cè)水體的反射光譜主要來自水體中的水分子和水中懸浮顆粒物的散射光，則水體每個(gè)像素點(diǎn)的出水光譜反射率為

式中：θ 為光入射角；P (θ)為散射相函數(shù)；μ = (1 +1/cosθ)；βw，βs，βu分別為水分子、泥沙顆粒和污染物的光散射系數(shù)；αw，αs，αu分別為水分子、泥沙顆粒和污染物的光吸收系數(shù)；Ds為泥沙渾濁度；Du為污染物濃度。

式中，只有 Ds和 Du為未知量，θ 為已知量，所有的吸收率和散射率（水、泥沙、污染物）均可通過測(cè)試獲得。因此，將 2 個(gè)波段的遙感數(shù)據(jù)代入式(5)，即得到一個(gè)二元一次方程組，對(duì)其求解就可計(jì)算出污染物濃度和泥沙渾濁度[7]。

3.1.2 水資源配置與調(diào)度模型

3.1.2.1 模型結(jié)構(gòu)

1）年優(yōu)化配置模塊。年度優(yōu)化配置先選擇灌溉供水費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)方案后，設(shè)置不同用水部門、灌溉單元的控制線，作為水庫的分區(qū)調(diào)度線，以體現(xiàn)水庫供水的優(yōu)先次序?？刂凭€包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水和補(bǔ)水控制線等。

2）水量調(diào)節(jié)模擬模塊。水量調(diào)節(jié)模塊主要包括在水量分配過程中的各種調(diào)度規(guī)則，如上游調(diào)蓄水庫、中下游塘壩、湖泊及泵站和涵閘的調(diào)度規(guī)則。水量調(diào)節(jié)還要確定生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)供水的優(yōu)先次序。

3）需水預(yù)測(cè)與用水計(jì)劃模塊。該模塊是對(duì)不同用水部門（生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)等）所進(jìn)行的不同水平年的長(zhǎng)期需水預(yù)測(cè)并以此制定用水計(jì)劃。

3.1.2.2 調(diào)度流程

根據(jù)年優(yōu)化配置、水量調(diào)節(jié)模擬及需水預(yù)測(cè)與用水計(jì)劃建立的灌區(qū)水資源配置模型，灌區(qū)的水資源調(diào)度按照?qǐng)D 10 所示的流程進(jìn)行。

3.1.2.3 模型組成

圖 10 灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度流程

1）目標(biāo)。采用人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）最高作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)，人均生物化學(xué)需氧量（BOD）最低作為生態(tài)環(huán)境目標(biāo)。

2）約束條件。GDP 與各部門產(chǎn)值的關(guān)系；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，即國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)的關(guān)系；組成各部分最終需求的居民和社會(huì)消費(fèi)，固定資產(chǎn)流動(dòng)資金，以及在不同階段的發(fā)展變化規(guī)律；農(nóng)、林、牧、副、漁各業(yè)之間的產(chǎn)值結(jié)構(gòu)關(guān)系；灌溉面積變化及糧食單產(chǎn)的變化；不同的節(jié)水灌溉技術(shù)措施和投入變化及產(chǎn)出的效益變化；種植業(yè)、經(jīng)濟(jì)作物、林、牧、副、漁各業(yè)之間的產(chǎn)值結(jié)構(gòu)關(guān)系；糧食作物的種植結(jié)構(gòu)關(guān)系，耕地面積及其變化；糧食單產(chǎn)、價(jià)格變化，不同階段人均糧食占有量的期望水平，糧食調(diào)入、調(diào)出關(guān)系；BOD 排放與污水排放和處理之間的關(guān)系；BOD 排放量與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)生活的關(guān)系；BOD 排放量與技術(shù)進(jìn)步的關(guān)系；不同階段人均 BOD 期望水平；城市與農(nóng)村用水的供需平衡；城市與農(nóng)村用水的調(diào)配關(guān)系。

3）建立模型。用國(guó)際公認(rèn)的基于優(yōu)化技術(shù)的通用代數(shù)建模系統(tǒng)（General Algebraic Modeling System，GAMS）作為模型。

3.1.2.4 模型求解

模型中目標(biāo)函數(shù)為

式中：ZB 為目標(biāo)函數(shù)；i 為用水戶或部門；j 為地區(qū)；X 為用水量；C 為用水效率；f 為用水效益與用水量之間的函數(shù)關(guān)系及生產(chǎn)函數(shù)，體現(xiàn)水資源利用對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境轉(zhuǎn)化的能力；R 為公平系數(shù)或權(quán)重。

模型的目標(biāo)函數(shù) ZB 為非線形函數(shù)，在約束條件很多情況下呈非線形變化。因此，灌區(qū)的水資源優(yōu)化配置是一個(gè)非線性大系統(tǒng)優(yōu)化問題。

3.2 水利工程建筑物運(yùn)行與管理關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 無人值守的智能工程運(yùn)行監(jiān)控

為了保證灌區(qū)輸水渠道的水質(zhì)，避免人畜入侵造成生命財(cái)產(chǎn)損失，灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)要求根據(jù)需要建造渠道隔離裝置，圖 11 所示的是以柵欄作為隔離裝置并安裝了入侵監(jiān)控的渠道。

圖 11 渠道隔離柵欄及入侵監(jiān)控

但是，這種隔離裝置的防范是被動(dòng)的，為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防范，應(yīng)設(shè)置入侵監(jiān)控設(shè)備，在事發(fā)時(shí)或事發(fā)前就及時(shí)報(bào)警（發(fā)送信息給管理人員），并現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)威懾裝置（如喊話喇叭、音響警報(bào)等）警告威懾入侵者，曉以利害，盡可能避免事態(tài)發(fā)生。采用智能圖像或雷達(dá)掃描識(shí)別就可以很好地解決這個(gè)問題。

3.2.2 非常態(tài)水工建筑物控制

水資源配置控制過程一般分為常態(tài)和非常態(tài)控制，3.1.2 節(jié)討論的是常態(tài)控制。非常態(tài)控制指異常氣候（包括嚴(yán)重旱情、瞬間強(qiáng)降雨等）、特殊社會(huì)要求（包括水污染、洪水控制、應(yīng)急調(diào)水等）和工程事故（包括潰堤、漫頂、邊坡塌方造成的渠道堵塞等）。這種情況通常沒有預(yù)案，以工程人員的經(jīng)驗(yàn)為主，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置。這種方式由于時(shí)效性差，無法最大限度地避免工程危險(xiǎn)和控制水量損失。

灌區(qū)無論水源多少，渠系多復(fù)雜，都可以以單水源、單約束為基本體系[8]，單水源、單約束非常態(tài)控制過程活動(dòng)圖如圖 12 所示。容易推論，如果發(fā)生非常態(tài)事件，則在關(guān)閉距離事件發(fā)生點(diǎn)最近的閘門控制點(diǎn)之后，依次重新配置所有渠系的水資源供給，然后調(diào)節(jié)控制點(diǎn)。因?yàn)槊恳粋€(gè)渠系的配置過程都是相同的，所以呈現(xiàn)基于單水源、單約素渠系的遞歸過程。采用工作流技術(shù)，簡(jiǎn)單地編寫一個(gè)如圖 13 所示執(zhí)行過程的遞歸程序，就可以智能地解決不同位置發(fā)生的非常態(tài)事件的控制問題。

圖 12 單水源、單約束非常態(tài)控制過程活動(dòng)圖

圖 13 基于單水源、單約束的渠系非常態(tài)控制過程的遞歸程序

4 結(jié)語

按照灌區(qū)的主要業(yè)務(wù)工作，依據(jù)信息化，特別是智能化發(fā)展的趨勢(shì)，通過例子說明（只是探索性的，未做全面、系統(tǒng)的闡述）智慧灌區(qū)建設(shè)的要素以及關(guān)鍵技術(shù)，探討了灌區(qū)建設(shè)與管理如何融入智慧水利的整體發(fā)展。第 34 屆水環(huán)境工程與研究國(guó)際會(huì)議開幕式上，莎倫博士的主題報(bào)告“信息技術(shù)在全球水系統(tǒng)中的支撐作用”指出新一代信息技術(shù)正從裝置化、互聯(lián)化、智能化 3 個(gè)方面對(duì)世界“水系統(tǒng)”產(chǎn)生影響與作用[9]。她表達(dá)了一個(gè)這樣的思想，水利要實(shí)現(xiàn)智慧化，應(yīng)該逐步將水利工程現(xiàn)場(chǎng)施工建造逐步轉(zhuǎn)化為工廠制造現(xiàn)場(chǎng)安裝，并且全面實(shí)現(xiàn)水利工程建筑物的互聯(lián)，通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源配置與調(diào)度及工程運(yùn)行管理的自動(dòng)化。可以從中獲得思考、啟迪和借鑒。