數(shù)字化技術(shù)在水資源管理中的應(yīng)用

王志強(qiáng)

（甘肅省張掖市甘州區(qū)大滿水利電力管理處，甘肅 張掖 734000）

1 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階段，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的主要驅(qū)動(dòng)力。在當(dāng)前背景下，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、GIS 以及人工智能等各類(lèi)數(shù)字技術(shù)不斷涌現(xiàn)，基于數(shù)字化技術(shù)的各種新生產(chǎn)模式、管理模式也不斷產(chǎn)生。這些先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)模式、管理方式正在推動(dòng)著社會(huì)朝著更先進(jìn)、更智能與更智慧的方向發(fā)展[1]。

數(shù)字化有狹義與廣義之分，狹義的數(shù)字化主要是利用數(shù)字技術(shù)來(lái)改造有關(guān)場(chǎng)景與業(yè)務(wù)，從而達(dá)到降本增值的目的。而廣義的數(shù)字化是利用數(shù)字技術(shù)對(duì)政府、企業(yè)等各類(lèi)組織的業(yè)務(wù)模式、運(yùn)營(yíng)方式進(jìn)行整體性與系統(tǒng)化革新甚至是重塑。在數(shù)字化技術(shù)體系下，數(shù)據(jù)是最主要的生產(chǎn)要素，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)制定相關(guān)決策或是開(kāi)展某些調(diào)度時(shí)都要以真實(shí)的數(shù)據(jù)為依據(jù)[2]。

2 數(shù)字化技術(shù)在水資源管理中的應(yīng)用

2.1 數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

2.1.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與建構(gòu)原則 在當(dāng)前背景下，有關(guān)單位或部門(mén)要以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建新型的具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控的水資源監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，從而提升水資源管理的自動(dòng)化與智能化水平。在設(shè)計(jì)與建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需引進(jìn)傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、視頻傳輸技術(shù)以及數(shù)字技術(shù)、通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)構(gòu)建具有豐富功能與穩(wěn)定性能的管理系統(tǒng)，從根本上改變傳統(tǒng)的管理模式，提高水資源管理效率。

在基于上述高新技術(shù)建設(shè)水資源管理系統(tǒng)時(shí)還需遵守相應(yīng)原則。如基于數(shù)字化技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)要有良好的實(shí)用性。設(shè)計(jì)時(shí)以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算機(jī)資源以及技術(shù)資源為基礎(chǔ)，根據(jù)水資源管理現(xiàn)狀與需求，從實(shí)際出發(fā)對(duì)各平臺(tái)已經(jīng)建設(shè)起來(lái)的系統(tǒng)進(jìn)行整合，開(kāi)發(fā)出能滿足當(dāng)下水資源管理需求的數(shù)字化、遠(yuǎn)程化監(jiān)控系統(tǒng)，確保系統(tǒng)具有足夠的實(shí)用性。另外，基于數(shù)字化技術(shù)的水資源監(jiān)控系統(tǒng)還要具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)與建設(shè)系統(tǒng)時(shí)需做到數(shù)據(jù)接口定義與傳輸格式標(biāo)準(zhǔn)化，確保系統(tǒng)能適用于多種場(chǎng)所、多種情況。在建設(shè)系統(tǒng)時(shí)必須采用先進(jìn)的技術(shù)，確保系統(tǒng)在技術(shù)上的先進(jìn)性。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合具體需求積極引進(jìn)、合理應(yīng)用當(dāng)前出現(xiàn)的新工藝、新設(shè)備以及新技術(shù)，在確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下促進(jìn)技術(shù)與設(shè)備更新升級(jí)，推動(dòng)技術(shù)平滑過(guò)渡，使系統(tǒng)始終具有先進(jìn)性[3]。

2.1.2 數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu) 在基于數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建水資源監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)區(qū)域內(nèi)的水資源管理及利用現(xiàn)狀合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，科學(xué)建構(gòu)系統(tǒng)框架。如遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必須要由引水狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)以及閘門(mén)遠(yuǎn)程啟閉控制系統(tǒng)等構(gòu)成。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)中需要包含遠(yuǎn)程監(jiān)控控件、視頻控件、視頻服務(wù)器以及計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)上運(yùn)行的軟件系統(tǒng)等?；跀?shù)字化技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)要具備遠(yuǎn)程監(jiān)視、監(jiān)控及監(jiān)測(cè)功能。

2.1.3 數(shù)字化系統(tǒng)功能及應(yīng)用 為水資源管理工作設(shè)計(jì)的數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)要有水位監(jiān)測(cè)功能。在設(shè)計(jì)與使用系統(tǒng)時(shí)，需于系統(tǒng)中引進(jìn)超聲波水位傳感器，利用這一先進(jìn)智能設(shè)備監(jiān)測(cè)水位在不同時(shí)期的變化情況，使管理人員隨時(shí)掌握水位數(shù)值。此外，系統(tǒng)要具備視頻監(jiān)視功能。設(shè)計(jì)及應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，相關(guān)單位及人員需從實(shí)際需求出發(fā)，于系統(tǒng)中引入視頻監(jiān)視設(shè)備，裝設(shè)彩色攝像頭、控制解碼器以及網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)、云臺(tái)等。使系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水資源變化情況，收集水資源變化數(shù)據(jù)，并接受相關(guān)的調(diào)控以及管理命令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)水資源的動(dòng)態(tài)化管理[4]。

2.2 數(shù)字化工作體系建設(shè)與應(yīng)用

2.2.1 建設(shè)數(shù)字化管理體系 在水資源管理工作中，數(shù)字技術(shù)是重要的管理工具與管理手段，相關(guān)部門(mén)與人員需科學(xué)合理應(yīng)用數(shù)字技術(shù)高質(zhì)量完成水資源管理工作。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化技術(shù)的有效應(yīng)用，相關(guān)部門(mén)首先要對(duì)水資源保護(hù)目標(biāo)、內(nèi)容、要求以及難點(diǎn)等進(jìn)行界定與明確，同時(shí)對(duì)水資源保護(hù)流程進(jìn)行確定。在確定好業(yè)務(wù)問(wèn)題與業(yè)務(wù)流程后再進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，這樣才能讓數(shù)字化技術(shù)得到充分應(yīng)用。根據(jù)我國(guó)相關(guān)政策與法律可知，各地水資源保護(hù)的基本要求是采用經(jīng)濟(jì)、法律以及行政等各項(xiàng)手段對(duì)流域內(nèi)的水資源進(jìn)行管理，將流域內(nèi)的水環(huán)境控制在合理水平，使流域內(nèi)的水資源能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?；诖?，要根據(jù)實(shí)際需求構(gòu)建水資源數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善，之后再逐步構(gòu)建一個(gè)以流域機(jī)構(gòu)為主體的智能化、數(shù)字化流域水資源保護(hù)管理組織網(wǎng)絡(luò)。在基于數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建水資源管理數(shù)字化工作體系以及開(kāi)展水資源管理工作時(shí)，要充分利用現(xiàn)代通信技術(shù)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高水資源管理工作的數(shù)字化水平，推動(dòng)水資源管理工作朝著信息化、數(shù)字化與智能化方向發(fā)展。

2.2.2 建設(shè)數(shù)字化水資源管理組織 各流域內(nèi)的水資源管理組織并不是一個(gè)單一的管理實(shí)體，而是由國(guó)家水利部、環(huán)境保護(hù)局以及各級(jí)政府等共同組成的一個(gè)具有綜合性以及復(fù)雜職能的組織。在數(shù)字化背景下，流域內(nèi)各部門(mén)、各機(jī)構(gòu)有必要發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的作用與優(yōu)勢(shì)，對(duì)水資源管理組織進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)架起以流域機(jī)構(gòu)為主體的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化管理組織。為更好地開(kāi)展水資源管理工作，基于數(shù)字化技術(shù)的水資源管理組織應(yīng)當(dāng)包含以下幾個(gè)架構(gòu)：作業(yè)支持層（基層人員操作），在作業(yè)支持層構(gòu)建數(shù)字化的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，由該系統(tǒng)幫助各基層人員更好地完成數(shù)據(jù)采集、水位監(jiān)測(cè)、水環(huán)境檢測(cè)等各項(xiàng)工作[5]，此外還要用于幫助組織中層管理人員的決策支持系統(tǒng)，如管理信息系統(tǒng)（MIS），用于支持組織單元決策自動(dòng)化的信息系統(tǒng)，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)等。

3 數(shù)字化管理在水資源管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀與成效

3.1 數(shù)字化管理在水資源管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

以張掖市甘州區(qū)大滿灌區(qū)為例。大滿灌區(qū)位于甘肅省張掖市甘州區(qū)西部，灌溉面積3.73 萬(wàn)hm2，其中純井灌面積達(dá)2.03 萬(wàn)hm2。1 465 眼機(jī)井年提水量達(dá)到了8 453 萬(wàn)m3。地下水水位線逐年下降，地下水開(kāi)采量接近了紅線。為有效解決這一嚴(yán)峻的生態(tài)問(wèn)題，灌區(qū)在2017 年結(jié)合農(nóng)業(yè)水價(jià)改革，對(duì)灌區(qū)所有機(jī)井進(jìn)行了數(shù)字化改造，將以IC 卡智能控制器、GPRS 傳輸模塊、ZIGBEE 模塊、多功能電參數(shù)采集儀、開(kāi)關(guān)電源、刀型閘閥、互感器、限位行程開(kāi)關(guān)信號(hào)避雷器等集成的機(jī)井IC 卡智能控制箱串聯(lián)接入水泵啟動(dòng)柜。超聲波水表安裝于機(jī)井首部輸水管道。建立了水管站—灌區(qū)—區(qū)水務(wù)局3 級(jí)管理模式，并接入了區(qū)水務(wù)局機(jī)井管理云平臺(tái)，可對(duì)灌區(qū)內(nèi)用水戶是取水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)掌握用水?dāng)?shù)據(jù)和機(jī)井運(yùn)行狀態(tài)。

該平臺(tái)主要具有查詢系統(tǒng)和智能機(jī)井配水系統(tǒng)。查詢系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的查詢機(jī)井的用水量、剩余水量、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)；可以查詢機(jī)井建設(shè)信息、配水、充水、用水等信息報(bào)表，通過(guò)對(duì)信息報(bào)表的分析，可以提前做一些水情預(yù)判；也可以通過(guò)對(duì)一些信息異常機(jī)井的查詢，及時(shí)安排工作人員前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)。智能機(jī)井配水系統(tǒng)通過(guò)增減機(jī)井信息，將機(jī)井信息準(zhǔn)確定位到相對(duì)應(yīng)的行政區(qū)域和水管區(qū)域，根據(jù)機(jī)井覆蓋的灌溉面積和取水許可證所限定的年度最大取水量，智能分配水量。

3.2 數(shù)字化技術(shù)在水資源管理中的應(yīng)用成效

數(shù)字化管理在大滿灌區(qū)地下水資源管理的應(yīng)用經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行后總體成效顯著，地下水開(kāi)采量得到了有效控制，農(nóng)民用水成本降低，生態(tài)環(huán)境惡化情況明顯好轉(zhuǎn)，取得了良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

3.2.1 社會(huì)效益 超聲波水表的應(yīng)用使用水戶真正做到了“用明白水”，從而達(dá)到了少用水、少繳費(fèi)、降低用水戶用水成本的目的；農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)習(xí)性科學(xué)安排用水計(jì)劃，節(jié)約用水，增加了用水事務(wù)的透明度，減少了水事糾紛的發(fā)生，提高了基層村社組織的公信度，降低了村社干部的工作強(qiáng)度和難度，為該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)水、農(nóng)民增收和社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)打造了堅(jiān)強(qiáng)的水利基礎(chǔ)。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益 在對(duì)灌區(qū)機(jī)井進(jìn)行數(shù)字化改造后，實(shí)現(xiàn)了水量計(jì)量、自動(dòng)控制、分級(jí)分層管理，進(jìn)一步完善了用水戶計(jì)量管理，提高了農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)自主管理能力，并充分參與灌區(qū)用水管理，從而減少了用水浪費(fèi)的現(xiàn)象；農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整力度進(jìn)一步加大，灌區(qū)通過(guò)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)查，灌區(qū)內(nèi)集中連片種植低耗水高效益作物面積比例逐年加大，減少了用水量，使單方水效益大幅提高；灌區(qū)內(nèi)由原來(lái)的大水漫灌、管灌模式不斷向滴灌模式轉(zhuǎn)變，有效控制了水資源開(kāi)采，減少了灌水時(shí)間、勞動(dòng)力和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.3 生態(tài)效益 隨著水資源有效利用率的提高，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了明顯的改善，新的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正逐步形成，起到調(diào)節(jié)氣候、降低風(fēng)速、凈化空氣、減輕干熱風(fēng)、美化環(huán)境、保護(hù)生物多樣性等多種生態(tài)防護(hù)作用，有效預(yù)防了干熱風(fēng)和風(fēng)沙對(duì)環(huán)境的破壞，提高了抵御自然災(zāi)害的能力，為保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

4 數(shù)字化技術(shù)在水資源管理中存在的問(wèn)題及對(duì)策

數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于水資源管理，特別是應(yīng)用于基層水資源管理仍然是一個(gè)新課題，只能邊摸索邊進(jìn)行。它是人員、硬件、軟件和制度的一個(gè)有效結(jié)合體，在實(shí)際運(yùn)行中還存在一些問(wèn)題需要解決。

4.1 人員方面

基層水管工作人員大多文化水平較低，隨著工作時(shí)間的積累，已習(xí)慣于原來(lái)的管理方法，對(duì)數(shù)字化技術(shù)的管理方式有一定的抵觸心理，部分人員電腦應(yīng)用技能薄弱，對(duì)新的管理方式“上手慢”。灌區(qū)應(yīng)綜合考量工作人員的文化水平、電腦應(yīng)用技能水平，把接受新事物快、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的人員放到關(guān)鍵崗位，也可采取新老搭配、強(qiáng)弱組隊(duì)的方式進(jìn)行人員安排。單位應(yīng)鼓勵(lì)職工提升學(xué)歷，并給予一定的補(bǔ)助。隨著新老人員的接替，這些問(wèn)題將會(huì)逐年弱化。同時(shí)，職工專業(yè)技能培訓(xùn)是提高其技能和知識(shí)、開(kāi)發(fā)職工潛能、激發(fā)職工創(chuàng)新欲望、增強(qiáng)和提高單位總體管理水平最行之有效的方法。應(yīng)有針對(duì)性地組織職工進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)，提高數(shù)字化管理運(yùn)行的順暢度?？梢酝庹?qǐng)專業(yè)人員授課，也可本單位內(nèi)部以座談會(huì)等方式進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流。

4.2 軟件方面

進(jìn)一步優(yōu)化軟件功能，緊貼水資源管理工作實(shí)際，增加剩余水量預(yù)警、電壓過(guò)高或過(guò)低預(yù)警等實(shí)用功能；優(yōu)化操作界面，開(kāi)發(fā)手機(jī)APP 方便管理人員使用；研發(fā)微信、支付寶等移動(dòng)支付水費(fèi)、電子票據(jù)等功能，進(jìn)一步方便人民群眾。

5 結(jié)語(yǔ)

水資源管理是一項(xiàng)復(fù)雜、系統(tǒng)、艱難的工作，必須要有一套健全完善的信息化系統(tǒng)來(lái)降低水資源管理難度，提高水資源管理效率。在當(dāng)前背景下，流域內(nèi)有關(guān)單位及部門(mén)要深入挖掘數(shù)字化技術(shù)的功能作用，充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的作用，建設(shè)水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)字化工作體系，從而提高水資源管理效率，鞏固水資源管理成效，使數(shù)字化技術(shù)服務(wù)于水資源管理、服務(wù)于農(nóng)業(yè)、服務(wù)于社會(huì)。