基于BIM+GIS 的智慧灌區(qū)水資源管理分析

邢云飛，丁雨晴 ,馬莉，孫少楠 ,羅福生

（1.河南省豫東水利保障中心趙口分中心，河南 開封 475000；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

隨著我國(guó)灌區(qū)建設(shè)的不斷發(fā)展，積極地將物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代化等先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到灌區(qū)工程的建設(shè)管理之中，國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者也陸續(xù)投入智慧灌區(qū)的研究領(lǐng)域，并取得了一些成果。張波等人（2020）為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的科學(xué)調(diào)度，提高水資源配置能力與利用率，重點(diǎn)介紹了智慧灌區(qū)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合錦江灌區(qū)信息化建設(shè)實(shí)際情況，構(gòu)建了錦江灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)平臺(tái)[1]。倪士超（2019）結(jié)合劉大灌區(qū)管理需要，研發(fā)設(shè)計(jì)了基于GIS 技術(shù)的用水管理系統(tǒng)，根據(jù)用水?dāng)?shù)據(jù)匯總、分析情況，制定相應(yīng)的用水管理計(jì)劃[2]。邱俊楠等人（2022）圍繞灌區(qū)水資源的一些問題，根據(jù)感知數(shù)據(jù)以及3S 技術(shù)構(gòu)建出灌區(qū)一張圖，并實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)從水資源預(yù)測(cè)到管理、多視角智能化灌區(qū)管理平臺(tái)的建立[3]。但是由于一些其它因素，各地對(duì)灌區(qū)智慧化建設(shè)的研究實(shí)踐情況參差不齊，從總體來(lái)看，我國(guó)智慧灌區(qū)建設(shè)研究任務(wù)依舊任重道遠(yuǎn)。

1 灌區(qū)智慧化建設(shè)分析與研究

本節(jié)通過對(duì)灌區(qū)目前主要存在的問題，以及對(duì)它進(jìn)行智慧化建設(shè)的影響因素進(jìn)行綜合分析，整理出灌區(qū)問題分析圖，為下節(jié)探討出適合灌區(qū)水資源管理系統(tǒng)的實(shí)施策略做鋪墊。

1.1 趙口灌區(qū)實(shí)例分析

1.1.1 灌區(qū)工程概況

趙口灌區(qū)位于河南省中東部黃河南岸平原，地域涉及鄭州、開封、周口、許昌、商丘5 市。灌區(qū)自70 年代建成，歷經(jīng)了40 多年的發(fā)展建設(shè)，涉及范圍及灌溉面積統(tǒng)計(jì)情況詳見表1。灌區(qū)1972 年開始引水灌溉，在引黃灌溉、田間除澇、改良土壤、防治土地鹽堿化、補(bǔ)給下游地下水源、改善灌區(qū)受益區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境等方面，發(fā)揮了巨大效益，對(duì)保證灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、振興經(jīng)濟(jì)、確保國(guó)家糧食安全具有重大意義。

表1 趙口灌區(qū)受益范圍及灌溉面積（萬(wàn)畝）

1.1.2 灌區(qū)管理現(xiàn)狀

河南省豫東水利工程管理局趙口分局為省級(jí)專管部門，承擔(dān)鄭州市境內(nèi)總共30km 干渠的管理及灌區(qū)用水調(diào)度和水費(fèi)征收等管理工作。鄭州、開封、商丘三市由水利局組織成立了引黃處，承擔(dān)各轄區(qū)境內(nèi)引黃灌區(qū)渠道及建筑物工程運(yùn)行管理任務(wù)；其他的由市水利局代管。灌區(qū)內(nèi)的中牟縣、開封市祥符區(qū)、尉氏縣、鄢陵縣四縣設(shè)有引黃管理中心等專管機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)各縣境內(nèi)引黃灌區(qū)的工程管理工作，隸屬于縣水利局[4]。

1.2 灌區(qū)存在的問題

1.2.1 工程改造與灌區(qū)信息化發(fā)展不平衡

在信息化建設(shè)還未普及之時(shí)，大多數(shù)灌區(qū)更注重工程化改造、有形資產(chǎn)的投資，對(duì)灌區(qū)管理軟件與能力建設(shè)提升重視不夠，閘門調(diào)度、水量計(jì)量，還是原始的手動(dòng)操作。

1.2.2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展與灌區(qū)信息化滯后矛盾凸顯

一些大型灌區(qū)發(fā)展信息化水平、規(guī)模、布局與他所承擔(dān)的灌區(qū)水資源管理能力不平衡，導(dǎo)致按需灌溉、灌溉用水、生態(tài)補(bǔ)水之間供需矛盾問題的出現(xiàn)，沒有從根本上改變水資源的管理方式。

1.2.3 灌區(qū)信息化自動(dòng)化水平低，量水設(shè)施不齊全

大部分灌區(qū)自動(dòng)化建設(shè)基本空白，智慧灌區(qū)相關(guān)建設(shè)尚未起步，信息化智慧管理水平較低，量水設(shè)施也不齊全，與當(dāng)前新時(shí)代水利發(fā)展理念極不適應(yīng)。

1.3 灌區(qū)存在問題分析圖

進(jìn)一步總結(jié)出了大型灌區(qū)存在問題分析圖，為灌區(qū)的智慧化建設(shè)提供依據(jù)。問題分析見下圖1。

圖1 大型灌區(qū)存在問題分析圖

2 智慧灌區(qū)水資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)充分利用現(xiàn)有的灌區(qū)優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)趙口灌區(qū)的水資源科學(xué)利用，加快建成智慧化水資源管理體系。

2.1 水資源管理總體框架

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系，將從全方位感知設(shè)備所獲得的數(shù)據(jù)，通過高速網(wǎng)絡(luò)傳送至云端，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合趙口灌區(qū)的實(shí)際需求，為灌區(qū)用戶提供物聯(lián)監(jiān)控、灌區(qū)一張圖（GIS 圖）、水量調(diào)度、用水監(jiān)督等應(yīng)用，為灌區(qū)各級(jí)管理單位和農(nóng)戶提供全方位的服務(wù)，以此有效提升灌區(qū)的水資源利用效率。灌區(qū)水資源管理的總體框架見下圖2。

圖2 總體框架

圖3 灌區(qū)數(shù)據(jù)采集與分析

圖4 閘門遠(yuǎn)程控制界面

圖5 趙口灌區(qū)朱固樞紐三維視圖

圖6 趙口灌區(qū)引黃口三維場(chǎng)景

2.2 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

灌區(qū)以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的采集與傳輸來(lái)查詢灌區(qū)水量、水位等信息，同時(shí)結(jié)合灌區(qū)具體實(shí)例，運(yùn)用水量的一些算法或預(yù)測(cè)分析模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量測(cè)水監(jiān)控、來(lái)水預(yù)測(cè)和用水分析等業(yè)務(wù)的管理，最終為不同的灌區(qū)用戶提供汛情預(yù)警、水量調(diào)度和灌溉計(jì)劃等決策支持。

2.3 測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)

閘門控制在灌區(qū)智慧化的建設(shè)中是難點(diǎn)和關(guān)鍵，閘門的實(shí)時(shí)控制，是做好輸水控制和水量調(diào)配的重要手段。結(jié)合趙口灌區(qū)的自然條件和現(xiàn)有的灌排運(yùn)行體系，為了更好地實(shí)現(xiàn)灌區(qū)統(tǒng)一管理和精確調(diào)配水資源的功能，充分發(fā)揮灌區(qū)上、下游水利工程的作用，優(yōu)先對(duì)灌區(qū)重要干渠的節(jié)制閘、進(jìn)水閘、退水閘等建設(shè)閘門測(cè)控一體化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在灌季時(shí)，支流閘門會(huì)將水流信息發(fā)送給上游閘門，上游閘門接收信息后，進(jìn)行開閘放水，并將有關(guān)信息發(fā)送到下一個(gè)上游閘門，以此類推，程序不斷重復(fù)直到其達(dá)到設(shè)定值[5]。

2.4 BIM+GIS 應(yīng)用支撐系統(tǒng)

為了更好地將BIM 與GIS 技術(shù)相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)它們的價(jià)值，基于“一張圖”的空間信息資源共享與應(yīng)用模式，建立了BIM+GIM 平臺(tái)，形成趙口灌區(qū)水源工程“數(shù)據(jù)樞紐”，同時(shí)應(yīng)用到三維GIS 分析中，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)宏觀、微觀智能可視化管理。

GIS 應(yīng)用平臺(tái)中的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)由傳感器傳輸至互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行加工后接入到系統(tǒng)中，為系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。將衛(wèi)星遙感圖像和各類矢量數(shù)據(jù)疊加到數(shù)字高程模型上，最終構(gòu)建出一個(gè)完整的地形地貌模型，并與灌區(qū)BIM 模型進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，形成趙口灌區(qū)三維模擬場(chǎng)景，以達(dá)到從整體到局部的全方位立體式漫游與GIS 分析等目的[6]。

3 水資源系統(tǒng)的運(yùn)維管理

3.1 運(yùn)維管理系統(tǒng)規(guī)劃

（1）要求穩(wěn)定可靠。趙口灌區(qū)信息化水資源管理系統(tǒng)中包含著一些重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與信息，稍有差池就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，所以必須保證運(yùn)維管理系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作下去。

（2）要求可操作性強(qiáng)且便于維護(hù)。由于不同使用人員的操作水平存在著差異，因此我們需要建立一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的系統(tǒng)，此外，還需要具備完整的功能，便于對(duì)系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)還可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)。

（3）要求有持續(xù)的經(jīng)費(fèi)來(lái)源?，F(xiàn)代社會(huì)信息系統(tǒng)迸發(fā)出來(lái)的能力就是新興的生產(chǎn)力，信息智能化系統(tǒng)已然成為現(xiàn)代水利工程中不可缺少的生產(chǎn)系統(tǒng)，因此，以生產(chǎn)成本的方式為信息智能化系統(tǒng)提供持續(xù)經(jīng)費(fèi)支持是必不可少的[7]。

3.2 運(yùn)維管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能

運(yùn)維管理系統(tǒng)的功能是對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)測(cè)和緊急情況等進(jìn)行統(tǒng)一管理。具體功能如下幾點(diǎn)：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)運(yùn)維管理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場(chǎng)信息、系統(tǒng)技術(shù)信息、工作人員與用戶信息及設(shè)備信息等。要對(duì)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一地維護(hù)。如采集、編輯、刪除等，對(duì)用戶進(jìn)行權(quán)限配置，并附帶通訊錄，方便用戶之間聯(lián)系。

（2）運(yùn)維過程數(shù)據(jù)管理。將有價(jià)值的數(shù)據(jù)生成運(yùn)維報(bào)告，報(bào)告中要包含關(guān)鍵的運(yùn)維信息，如發(fā)生故障的原因和檢測(cè)方法，以及在該過程中所遇到的困難和無(wú)法解決的問題。

（3）在線監(jiān)測(cè)故障管理。當(dāng)發(fā)生一些突發(fā)狀況時(shí)，運(yùn)維管理系統(tǒng)有必要對(duì)設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并顯示出錯(cuò)誤信息，方便現(xiàn)場(chǎng)排查與問題處理。

4 結(jié)論與展望

本文結(jié)合趙口灌區(qū)具體實(shí)例，闡述了灌區(qū)水資源智慧管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)，利用云計(jì)算平臺(tái)的高性能、可擴(kuò)展的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器設(shè)備所收集到的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，并完成數(shù)據(jù)資源的共享，防止出現(xiàn)“信息孤島”的情況。構(gòu)建了科學(xué)合理地水資源管理系統(tǒng)，從而達(dá)到科學(xué)調(diào)度和合理利用灌區(qū)水資源，并提高灌區(qū)水資源管理的目的。