劉曉俊

(晉中市瀟河流域管理局， 山西 晉中 030600)

基于GIS的灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)研究

劉曉俊

(晉中市瀟河流域管理局， 山西 晉中 030600)

本文針對瀟河灌區(qū)管理手段落后、水資源利用率低等制約灌區(qū)節(jié)水發(fā)展的瓶頸問題，從支持灌區(qū)科學用水管理的角度出發(fā)，運用先進的GIS平臺，通過計算機網(wǎng)絡傳輸，建立起瀟河灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)。

ArcGIS； GIS； 灌區(qū)信息化； 瀟河灌區(qū)

灌區(qū)信息化是灌區(qū)現(xiàn)代化的基礎，是灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，信息化建設可提高灌區(qū)的管理水平和辦公效率，在灌區(qū)防汛抗旱、水資源統(tǒng)一管理和優(yōu)化配置、節(jié)水增效、提高灌溉水的利用效率等方面發(fā)揮重要作用[1]。

1 灌區(qū)概況

瀟河屬于黃河流域，是汾河的第二大支流，流域面積3720km2。山西省瀟河灌區(qū)為全國大型灌區(qū)，受益范圍包括晉中市、太原市2市5縣(區(qū))11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)134個行政村，灌區(qū)控制耕地面積2.6萬hm2，灌溉面積2.216萬hm2。灌區(qū)農(nóng)業(yè)人口20.51萬，年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值2.4億元，是山西省的主要糧、棉產(chǎn)地，在當?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。

灌區(qū)工程由引水樞紐和灌溉、排水系統(tǒng)組成。渠首引水樞紐工程上游現(xiàn)有2個水文站(獨堆、蘆家莊)、2座中型水庫(蔡莊、松塔)。灌溉渠道由干、支、斗、農(nóng)、毛五級渠道組成。灌區(qū)投入運行60余年，灌溉效益顯著。

2 灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)建設的必要性

瀟河灌區(qū)興建于1950年，工程與灌溉設施比較完整。在60年的運行中，引水樞紐工程、干支渠道及建筑物老化失修，損壞嚴重，渠系多滲漏，管理困難。2001年開始進行節(jié)水改造工程建設，共投資1.2億元，其中92%的干、支渠及渠系建筑物進行了防滲改造，極大地改善了灌區(qū)的工程面貌和灌溉條件。而灌區(qū)信息化建設將在自動化及軟件方面有效地鞏固灌區(qū)節(jié)水改造工程效益。

灌區(qū)引水樞紐工程上游現(xiàn)有2個水文站(獨堆、蘆家莊)、2座中型水庫(蔡莊、松塔)，但汛情水情沒有統(tǒng)一的適時測報系統(tǒng)。特別是在干流上興建水源控制性工程——松塔水庫以后，應及時建立流域內(nèi)的水情、汛情適時測報網(wǎng)絡，保證水情、汛情的適時傳遞，為防洪、灌溉等水量調(diào)度、優(yōu)化配置提高科學的決策依據(jù)。

3 灌區(qū)信息化建設目的

瀟河灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)的實施，將實現(xiàn)灌區(qū)的水文水質(zhì)、調(diào)引水、地下水情、土壤墑情等各類水量調(diào)度信息的收集、處理、存儲以及無線傳輸。通過建設灌區(qū)全覆蓋通信網(wǎng)絡調(diào)度平臺、電子政務系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)，建立灌區(qū)范圍內(nèi)的灌區(qū)氣象、土壤墑情、地下水情、水費計收、工程管理、灌溉用水、作物種植等數(shù)據(jù)庫以及相應的決策支持系統(tǒng)軟件，采用現(xiàn)代科學管理方式對灌區(qū)的調(diào)水、取水、量水和用水進行信息化、自動化管理，提高應對洪水與干旱等異常氣候災害及水工程電子化管理和自動化控制的業(yè)務處理能力、綜合監(jiān)控的水平和工作效率，全面提升灌區(qū)現(xiàn)代化和數(shù)字化管理能力[2]，以滿足灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)用水需要。

4 瀟河灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)

灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)由水文信息、引水信息、地下水信息、水質(zhì)信息等采集系統(tǒng)，信息傳輸及計算機網(wǎng)絡，綜合數(shù)據(jù)庫及信息處理系統(tǒng)，用水管理決策支持系統(tǒng)組成。建設內(nèi)容包括1個中心站、3個分站、7孔閘門監(jiān)控、5個水位測量、渠首視頻遠程監(jiān)控等，同時實現(xiàn)基站(現(xiàn)場)、分站、中心站三級控制和數(shù)據(jù)記錄查詢等功能。

整個系統(tǒng)由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)獲取平臺、GIS數(shù)據(jù)庫平臺以及GIS應用平臺三大部分組成。系統(tǒng)的核心是GIS數(shù)據(jù)平臺。灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)結(jié)構

5 瀟河灌區(qū)計量與水管理系統(tǒng)綜述

系統(tǒng)采用GIS、統(tǒng)計預測分析、決策支持、數(shù)據(jù)挖掘、多層分布式架構等成熟技術，使系統(tǒng)在相當長的時間內(nèi)保持先進性，避免頻繁升級換代。

5.1 實時監(jiān)測模塊

基于GIS技術，與工情數(shù)據(jù)、地理空間信息數(shù)據(jù)庫技術緊密結(jié)合，將實時采集數(shù)據(jù)、水利工程視頻監(jiān)控畫面以及對重點工程進行的遠程監(jiān)控信息或操作遠程權限提供給值班人員。以實時雨(水)情、實時工情和實時水閘信息為依據(jù)，參照防汛背景資料和歷史資料，自動進行汛情實時監(jiān)視、供水監(jiān)測和險情監(jiān)測等服務。其中，包括對防洪工程運用情況和安全狀況的實時監(jiān)視和重點防洪工程(大壩、堤防、取水樞紐、灌溉等)的工情安全評估。

實時監(jiān)測子系統(tǒng)所處理的全部信息均來源于實時數(shù)據(jù)信息，處理成果信息可輸出至相應的監(jiān)視設備(如值班室汛情監(jiān)視屏幕、會商室大屏幕等)和預警設備(如聲光警報器、有線電話或移動電話、無線尋呼報警等)。該子系統(tǒng)可從系統(tǒng)總控菜單用手工點擊啟動，也可根據(jù)時間表參數(shù)設置或根據(jù)實時汛情狀況自動啟動。當局部地區(qū)汛情異常時，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的預警界限，自動啟動相應的防洪調(diào)度子系統(tǒng)(如水庫防洪調(diào)度子系統(tǒng)、灌溉防洪調(diào)度子系統(tǒng)等)。

模塊同時實現(xiàn)渠道水情測報，水情監(jiān)測綜合統(tǒng)計查詢，水情數(shù)據(jù)處理，遙測數(shù)據(jù)管理，事件報警檢索及查詢，報警檢索、查詢功能。

a.渠道水情測報主要是對8條干渠、156條斗渠自動累計水量數(shù)據(jù)，并自動上報實時水位、流量、累計水量等數(shù)據(jù)。

b.水情監(jiān)測綜合統(tǒng)計查詢包括：繪制水位、流量過程線；水情及供水量的日、旬、月、年統(tǒng)計和特征值統(tǒng)計；渠道主要站段間的日、月、年輸水損失計算，輸水損失率計算；各站點水位(水量)月、年報表；系統(tǒng)運行情況匯報表。

c.水情數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)檢錯、合理性檢、糾錯，水位、雨量、流量的檢查；缺漏數(shù)據(jù)的插補、修改、刪除和分類存儲；實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)到整點數(shù)據(jù)的最大、最小、均值、累計值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；進行多種水雨情和供用水報表輸出的預處理。

d.遙測數(shù)據(jù)管理包括：數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、裝載，歷史數(shù)據(jù)篩選處理；數(shù)據(jù)庫查詢/修改，同期對比；對照顯示主要站點的最優(yōu)流量控制或分流指標；進行數(shù)據(jù)人工插補。

e.事件報警檢索及查詢包括：實時報警(包括服務器故障聲光報警、中心站工作異常報警)；實時水位、流量越限告警。

f.報警檢索、查詢包括：水位及流量越限歷史數(shù)據(jù)檢索、查詢；遠程測報中心站工作狀態(tài)檢索、查詢；系統(tǒng)測點工作狀態(tài)檢索、查詢；歷史和實時的水位、流量、水量查詢檢索等；通過圖表形式查詢檢索實時及歷史的水位、流量、水量信息。

5.2 用水管理模塊

按照行政區(qū)劃，確定瀟河灌區(qū)的水管理應用系統(tǒng)模塊，解決灌區(qū)現(xiàn)有的以電話調(diào)度、人工手動紙制記錄調(diào)度信息、手動測算分配水資源、手動水資源平衡分析以及對歷史紙制的或是不系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源和實時的數(shù)據(jù)資源查詢統(tǒng)計管理維護相當麻煩等落后的灌區(qū)管理水平和信息化程度現(xiàn)狀，從而達到灌區(qū)對水資源的實時控制、合理利用、優(yōu)化配置、信息資源共享和輔助管理部門科學決策，并極大地減輕工作人員的勞動強度，提高灌區(qū)工程安全運行效率。

5.3 水費計收模塊

針對灌區(qū)水資源管理工作而設計開發(fā)對用水單位的水費繳納進行記錄和管理。系統(tǒng)通過用水管理模塊獲得各用水單元指定時間段的用水量，由計量中心根據(jù)實際情況進行參數(shù)調(diào)整和水量校核，得到用水單元的計費水量，并根據(jù)計費水量得到應征水費，作為水費繳納的重要依據(jù)。

水費計收系統(tǒng)包括管理局子系統(tǒng)和灌溉站子系統(tǒng)，可以通過有線通信(或通過無線微波擴頻網(wǎng))進行信息共享訪問、基礎數(shù)據(jù)下載和業(yè)務數(shù)據(jù)上傳。實現(xiàn)對管理局、支渠管理站、縣、鄉(xiāng)、村、用水戶、干渠、支渠、閘的信息注冊，進行計算機管理。業(yè)務系統(tǒng)框架及業(yè)務如圖2所示。

圖2 業(yè)務系統(tǒng)框架

5.4 防汛抗旱模塊

防汛抗旱決策支持系統(tǒng)對相關信息實現(xiàn)自動采集、實時傳輸，并對數(shù)據(jù)進行綜合管理、分析處理，提高雨水情監(jiān)測、洪水預報、防洪調(diào)度等工作的科學性、準確性與及時性，是防汛抗旱信息暢通、指揮調(diào)度、抗洪救災的重要保障。防汛抗旱模塊的主要功能是維護旱情信息(包括灌區(qū)土壤實時干旱指數(shù)、歷年旱情統(tǒng)計、旱情對灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的影響等)、墑情信息(土壤根系層平均含水量)，并根據(jù)需求對旱情墑情信息模塊進行分析并生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表。實現(xiàn)支持完成下列各項任務：汛情監(jiān)視；雨情、水情、災情等信息接收處理；洪水預報及其成果發(fā)布；防洪調(diào)度論證分析和成果顯示；有關防洪搶險方案的制定和實施；防洪工程遠程監(jiān)控以及防汛物資、防汛人員和防汛資金的管理與調(diào)配。

5.5 工程管理模塊

GIS發(fā)布平臺以全灌區(qū)地形圖為背景，提供直觀簡潔的查詢操作?；A工程查詢模塊主要包括水庫、取水樞紐、渠道、水閘、涵洞、跌水、渡槽、險工險段、退水等工程信息的查詢。結(jié)合GIS技術，將空間數(shù)據(jù)信息與關系數(shù)據(jù)屬性完全地整合起來，方便直觀地瀏覽和查詢到灌區(qū)的相關工程信息、圖片信息或其他多媒體信息。實現(xiàn)水利工程的圖形、文字、多媒體、CAD結(jié)構圖等綜合信息的查詢。主要實現(xiàn)：地圖的放大、縮小、測距、圖層控制、工程專題圖等操作；按照選定條件定位有關地圖要素查詢相應數(shù)據(jù)；選定相關工程直接查看屬性信息；防汛抗旱指揮圖的標繪等。

5.6 數(shù)據(jù)安全保護

系統(tǒng)主要可通過以下幾種方式進行安全性保護：

a.合法用戶認證機制。系統(tǒng)通過兩種方式注冊用戶：其一管理員主動添加用戶，并激活；其二是根據(jù)用戶申請和約定，登記合法注冊賬號、密碼以及其他相關信息后，由管理員確認通過并激活。用戶密碼可由用戶自行更改，并采用不可逆加密技術進行密碼加密。

b.用戶權限控制機制。系統(tǒng)根據(jù)所在部門以及工作性質(zhì)需要進行必要的業(yè)務管理權限分配，不同管理人員面對系統(tǒng)的菜單和功能選擇不盡相同，即使同一功能模塊用戶的權限定義可到添加、修改、刪除、分部門閱覽等訪問級別，幫助系統(tǒng)建立真正意義上分權的灌區(qū)信息管理。

c.定期備份機制。防止因各種物理性和邏輯性的數(shù)據(jù)損壞，對存儲于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)定時自動備份。并可根據(jù)需要同步備份于不同服務器上，保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在面臨災難后損失最小。

d.日志跟蹤機制。幫助系統(tǒng)管理員清楚查閱跟蹤非法用戶登訪系統(tǒng)，并可根據(jù)相關登陸信息采取防御措施監(jiān)控、限制并禁止該用戶。數(shù)據(jù)管理員對異常數(shù)據(jù)進行更改日志的查看，發(fā)現(xiàn)問題出處，并即時控制和恢復異常數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)健康運轉(zhuǎn)。

e.關鍵數(shù)據(jù)加密機制。如涉及相關機密性數(shù)據(jù)，采用多層組合式加密方式進行加密并保存，加大惡意用戶的破解難度。如敏感數(shù)據(jù)傳播于網(wǎng)絡中，可采用128位SSL數(shù)字簽名等方式加密數(shù)據(jù)并傳播[3]。

6 結(jié) 論

本文以灌區(qū)的計量與水管理為目標，利用GIS地理信息平臺，構建了瀟河灌區(qū)計量與水管理信息系統(tǒng)。初步實現(xiàn)了灌區(qū)信息綜合化管理，今后可以考慮系統(tǒng)與RS和GPS相結(jié)合，通過遙感數(shù)據(jù)進行分析處理，及時更新GIS數(shù)據(jù)庫，進一步提高灌區(qū)管理系統(tǒng)的智能化。

[1] 譚加才,譚季秋，陳帥.基于ERP環(huán)境下的設備管理系統(tǒng)的分析與開發(fā)[J].機電工程技術,2004,33(3):45-48.

[2] 王振穎,基于GIS遼寧省灌區(qū)管理信息系統(tǒng)的研究:[D].北京:北京林業(yè)大學,2006.

[3] 張仁田,肖堅,鞠茂森.灌區(qū)實時自動控制技術與優(yōu)化運行系統(tǒng)關鍵技術[J].中國農(nóng)村水利水電,2002,3(3):9-11.

Research on GIS-based irrigated area measurement and water management system

LIU Xiaojun

(Jinzhong Xiaohe River Basin Administration, Jinzhong 030600, China)

In the paper, advanced GIS platform is utilized from the perspective of supporting scientific water use management in the irrigated area aiming at bottleneck problems restricting water-saving development in the irrigated area, such as backward management means, low water resources utilization rate, etc. in Xiaohe Irrigated Area. Measurement and water management system of Xiaohe Irrigated Area is established through computer network transmission.

ArcGIS; GIS; irrigated area informatization; Xiaohe Irrigated Area

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.05.016

TV213.4

A

2096-0131(2017)05- 0066- 04