農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”管理系統(tǒng)架構(gòu)設計

孫 健,喬 婧,耿 華,萬 毅,王 策

(1.水利部水資源管理中心,北京 100038;2.南水北調(diào)中線實業(yè)發(fā)展有限公司,北京 100038;3.河北省水務中心,河北 石家莊 050011)

0 引言

我國人均水資源量只有2 100 m3,僅為世界人均水平的28%,全國年平均缺水量500多億 m3,中國人均水資源生態(tài)盈虧呈現(xiàn)出“整體平穩(wěn),局部變化”的地域格局[1]。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展,水資源供需矛盾關(guān)系顯著[2]。數(shù)據(jù)顯示,我國水資源超載區(qū)和臨界超載區(qū)涉及53%的國土面積、近60%的人口和GDP[3]。綜上所述,精打細算用好水資源,從嚴從細管好水資源,以水資源的可持續(xù)利用支撐經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展是新時代水資源管理高質(zhì)量發(fā)展新要求[4]。

為響應智慧水利建設和水資源管理工作要求,加強取用水監(jiān)管,規(guī)范取用水行為,按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求,開展利用信息化手段強化水資源監(jiān)測計量體系建設工作十分有必要。長期以來,農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量工作是取用水管理的薄弱環(huán)節(jié),從全國范圍來看,農(nóng)業(yè)用水取水口數(shù)量和水量占比均為最高,同時絕大多數(shù)是農(nóng)業(yè)灌溉機井,因此通過信息化管理系統(tǒng)建設,提高農(nóng)業(yè)灌溉機井監(jiān)測計量能力提升技術(shù)具有重要意義。

本文針對需要重點提升的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量工作,對比農(nóng)業(yè)灌溉機井不同監(jiān)測計量方式優(yōu)缺點,研究“以電折水”信息化臺賬建立和管理系統(tǒng)框架設計等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),提出科學提升農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量能力的方法,為建立農(nóng)業(yè)灌溉機井信息化臺賬和開發(fā)管理系統(tǒng)等工作提供技術(shù)指導,為加強農(nóng)業(yè)用水監(jiān)管工作提供技術(shù)參考,為全面提升我國水資源管理能力和構(gòu)建智慧水利工作提供技術(shù)支撐。

1 農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量現(xiàn)狀

2020年啟動的全國取用水專項整治行動,掌握了全國550多萬個取水口包括水源類型、監(jiān)測計量情況、取水用途等基礎(chǔ)信息,經(jīng)過統(tǒng)計分析,2019年全國整體取水口計量率約為30%,取水量計量率約為65%,全國取水口在線計量率約為10%,取水量在線計量率約為50%。根據(jù)掌握的全國取水口信息,取水用途為農(nóng)業(yè)用水、水源類型為地下水和取水設施類型為水井的3種不同統(tǒng)計口徑下的取水口數(shù)量多且監(jiān)測計量水平較低,因此同時滿足此3種類型的農(nóng)業(yè)灌溉機井是取水口監(jiān)測計量能力提升工作的重要組成部分。

因取水規(guī)模、取水場景和取水用途等條件不同,取水口需要相適應的監(jiān)測計量設施,農(nóng)業(yè)灌溉機井因點多面廣、產(chǎn)權(quán)不明晰等特點,一直以來是水資源管理的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)《水利部關(guān)于強化取水口取水監(jiān)測計量的意見》(水資管〔2021〕188號)和《水利部辦公廳關(guān)于做好2022年取水監(jiān)測計量體系建設有關(guān)工作的通知》(水資管〔2021〕346號)要求,水利部有序推進農(nóng)業(yè)灌溉機井監(jiān)測計量工作,2022年在河北省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等10個省區(qū)開展農(nóng)業(yè)灌溉“以電折水”樣本井計量設施建設工作。在加強農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量和農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”工作的背景下,各地大力推進“以電折水”樣本井建設工作,但是目前全國范圍內(nèi)缺少統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準和系統(tǒng)架構(gòu)的管理系統(tǒng),不利于統(tǒng)一取用水監(jiān)管。

2 農(nóng)業(yè)灌溉機井監(jiān)測計量能力提升

2.1 監(jiān)測計量方式

以現(xiàn)階段水資源管理要求和發(fā)展階段,對于農(nóng)業(yè)用水全部實現(xiàn)直接計量有一定的困難,在經(jīng)濟效益和管理體制上尚不具備條件。目前針對農(nóng)業(yè)用水尤其是農(nóng)業(yè)灌溉機井,主要監(jiān)測計量方式有三種,器具測量、遙感推算和“以電折水”。器具測量方式具有計量精度準確、計量結(jié)果權(quán)威性強、管控工作分辨率高、數(shù)據(jù)應用法定依據(jù)充分等優(yōu)勢,但是對于點多面廣的農(nóng)業(yè)灌溉機井經(jīng)濟效益不高同時行政成本大,且大部分機井產(chǎn)權(quán)歸屬不清不利于落實后期運行維護主體責任。遙感推算方式具有自動化程度高、數(shù)據(jù)客觀性強、小成本高效快速獲取區(qū)域農(nóng)灌用水量等優(yōu)勢,但是不便于掌握單點信息且土地基礎(chǔ)特征和農(nóng)作物時分布空差異性大?！耙噪娬鬯狈绞骄哂锌梢杂幂^小成本快速高效的掌握農(nóng)業(yè)灌溉用水總體規(guī)模,較傳統(tǒng)定額推算方法相比權(quán)威性更強等優(yōu)勢,但是“以電折水”依賴電力數(shù)據(jù),不能全面實現(xiàn)單個取水口計量,同時不同取水口“以電折水”系數(shù)差異性較大需要建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

綜合分析以上三種監(jiān)測計量方式優(yōu)缺點,現(xiàn)階段,采取“以電折水”的形式進行農(nóng)業(yè)灌溉機井監(jiān)測計量,可以補齊農(nóng)業(yè)用水監(jiān)管短板,能夠為滿足新時代水資源高質(zhì)量發(fā)展的高標準嚴要求,起到承上啟下的過渡性作用。

2.2 “以電折水”管理系統(tǒng)

“以電折水”是基于農(nóng)灌機井取水量和耗電量間存在高度相關(guān)性的物理原理,建立取水量和耗電量間的數(shù)值關(guān)系,通過用電量數(shù)據(jù),近似推算單個或多個農(nóng)業(yè)灌溉機井取水量的間接計量方法[5]。對于“以電折水”前人開展了大量研究,本文不再討論“以電折水”系數(shù)測算和電力數(shù)據(jù)獲取等方面內(nèi)容,重點研究如何利用信息化手段建立“以電折水”管理系統(tǒng)并加強功能應用。

2.2.1 信息化臺賬建立

農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”應通過信息化系統(tǒng)平臺提升規(guī)范性和工作效率,在系統(tǒng)平臺上運行維護“以電折水”臺賬信息,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計分析。信息化系統(tǒng)平臺需具備以下功能:

(1)通過信息化系統(tǒng)平臺,完成農(nóng)業(yè)灌溉機井用電信息調(diào)查和登記,準確描述機井用電情況,完成農(nóng)業(yè)灌溉機井信息與用電信息的檔案匹配,建立電力計量設施、農(nóng)業(yè)灌溉機井、取用水戶(個人)等對象間準確的對應關(guān)系,并與取水許可信息準確關(guān)聯(lián)。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理包含取水權(quán)人信息、取水工程信息、取水許可信息、電力設施信息,以及地塊信息等,基礎(chǔ)信息收集對象關(guān)系見圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)灌溉機井基礎(chǔ)信息收集對象關(guān)系圖

(3)管理數(shù)據(jù)管理包含基礎(chǔ)信息、用戶信息、監(jiān)測計量數(shù)據(jù)、終端信息、分析信息以及角色權(quán)限信息等。

(4)以縣級區(qū)域為單位建立“以電折水”樣本井信息管理臺賬,臺賬中應包含井編碼、井位置、控制灌溉面積、灌溉作物種植比例、取水水位、取水用途、樣本井計量信息、建設責任單位、監(jiān)管責任單位等信息。

(5)以縣級區(qū)域為單位建立“以電折水”普通井信息管理臺賬,臺賬中應包含井編碼、井位置、控制灌溉面積、灌溉作物種植比例、取水水位、取水用途、參考樣本井編碼、建設責任單位、監(jiān)管責任單位等信息。

(6)實現(xiàn)水量、電量、“以電折水”系數(shù)等數(shù)據(jù)的管理,按臺區(qū)、地塊、機井、取用水戶、電表等不同維度以及不同時間段進行分類管理和統(tǒng)計分析。

2.2.2 “以電折水”管理系統(tǒng)架構(gòu)

依托水利部政務服務平臺,開發(fā)農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”管理系統(tǒng),收集匯總機井和對應電力設施的基本信息,建立以機井為基本單位的農(nóng)業(yè)灌溉機井臺賬數(shù)據(jù)庫,與取水許可電子證照系統(tǒng)、用水統(tǒng)計直報系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉機井基本信息的管理、查詢以及機井用水量統(tǒng)計等功能。

根據(jù)智慧水利建設頂層設計和“以電折水”工作基礎(chǔ),結(jié)合取用水管理工作要求,“以電折水”管理系統(tǒng)架構(gòu)(見圖2)整體應包含四個組成部分:(1)終端系統(tǒng),指前端建設的在線監(jiān)測計量設施,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉機井取水量和臺區(qū)用電量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測計量和在線傳輸;(2)小程序系統(tǒng),服務于系統(tǒng)和機井管理員、農(nóng)業(yè)用水取用水戶(個人)和電力部門工作人員等,可通過移動終端登錄實現(xiàn)查詢、統(tǒng)計、繳費等功能;(3)SaaS系統(tǒng)(見圖3),包含取用水記錄、“以電折水”管理、用水分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、采集終端管理、用戶管理和系統(tǒng)管理等功能子模塊,在全面匯集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)點(取用水戶、單個臺區(qū))和面(流域、區(qū)域)取用水量統(tǒng)計分析;(4)對接系統(tǒng),與電力、政務、稅務和水利等部門系統(tǒng)進行對接,包括電力大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、水利部政務服務平臺、水資源費改稅系統(tǒng)、取水許可電子證照系統(tǒng)和取用水專項整治系統(tǒng)等,實現(xiàn)外部業(yè)務系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)共享。

圖2 農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”SaaS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

(1)本文在全面收集整理全國取水口監(jiān)測計量資料的基礎(chǔ)上,針對需要重點提升的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量工作,對比農(nóng)業(yè)灌溉機井不同監(jiān)測計量方式優(yōu)缺點,研究“以電折水”信息化臺賬建立和管理系統(tǒng)框架設計等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),提出科學提升農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量能力的方法,為農(nóng)業(yè)用水監(jiān)管和農(nóng)業(yè)灌溉機井管理提供技術(shù)支撐。

(2)研究表明,農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”是目前提升農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測計量能力的有效方式,具有可以用較小成本快速高效的掌握農(nóng)業(yè)灌溉用水總體規(guī)模,較傳統(tǒng)定額推算方法相比權(quán)威性更強等優(yōu)勢。根據(jù)智慧水利建設頂層設計和“以電折水”工作基礎(chǔ),建議在水利部政務服務平臺中開發(fā)農(nóng)業(yè)灌溉機井“以電折水”管理系統(tǒng),該系統(tǒng)架構(gòu)應包含終端系統(tǒng)、小程序系統(tǒng)、SaaS系統(tǒng)和對接系統(tǒng)四部分,實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉機井基本信息的管理、查詢以及機井用水量統(tǒng)計等功能。