余根堅，郭 靜，王 鵬，侯淑媛

(中國水利水電科學研究院，北京 100048)

0 引 言

農(nóng)業(yè)是用水大戶，也是節(jié)水潛力所在。長期以來，我國農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，運行維護經(jīng)費不足，農(nóng)業(yè)用水管理不到位，農(nóng)業(yè)水價形成機制不健全，價格水平總體偏低，不能有效反映水資源稀缺程度和生態(tài)環(huán)境成本，價格杠桿對促進節(jié)水的作用未得到有效發(fā)揮，不僅造成農(nóng)業(yè)用水方式粗放，而且難以保障農(nóng)田水利工程良性運行。為建立健全農(nóng)業(yè)水價形成機制，促進農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在總結(jié)試點經(jīng)驗基礎(chǔ)上，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革的意見》(國辦發(fā)〔2016〕2號，以下簡稱《意見》)[1]?！兑庖姟返闹笇枷耄喝尕瀼攸h的十八大和十八屆三中、四中、五中全會精神，認真落實黨中央、國務(wù)院決策部署，按照“四個全面”戰(zhàn)略布局要求，牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，圍繞保障國家糧食安全和水安全，落實節(jié)水優(yōu)先方針，加強供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和農(nóng)業(yè)用水需求管理，堅持使市場在資源配置中起決定性作用和更好發(fā)揮政府作用，政府和市場協(xié)同發(fā)力，以完善農(nóng)田水利工程體系為基礎(chǔ)，以健全農(nóng)業(yè)水價形成機制為核心，以創(chuàng)新體制機制為動力，逐步建立農(nóng)業(yè)灌溉用水量控制和定額管理制度，提高農(nóng)業(yè)用水效率，促進實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化?！兑庖姟返目傮w目標：用10年左右時間，建立健全合理反映供水成本、有利于節(jié)水和農(nóng)田水利體制機制創(chuàng)新、與投融資體制相適應的農(nóng)業(yè)水價形成機制；農(nóng)業(yè)用水價格總體達到運行維護成本水平，農(nóng)業(yè)用水總量控制和定額管理普遍實行，可持續(xù)的精準補貼和節(jié)水獎勵機制基本建立，先進適用的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)措施普遍應用，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整，促進農(nóng)業(yè)用水方式由粗放式向集約化轉(zhuǎn)變?！兑庖姟返闹饕ぷ魅蝿?wù)：①夯實農(nóng)業(yè)水價改革基礎(chǔ)(包括：完善供水計量設(shè)施，建立農(nóng)業(yè)水權(quán)制度，提高農(nóng)業(yè)供水效率和效益，加強農(nóng)業(yè)用水需求管理，探索創(chuàng)新終端用水管理方式)；②建立健全農(nóng)業(yè)水價形成機制(包括：分級制定農(nóng)業(yè)水價，探索實行分類水價，逐步推行分檔水價)；③建立精準補貼和節(jié)水獎勵機制(包括：建立農(nóng)業(yè)用水精準補貼機制，建立節(jié)水獎勵機制，多渠道籌集精準補貼和節(jié)水獎勵資金)。

按照黨中央、國務(wù)院決策部署，青海省政府《關(guān)于印發(fā)推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革實施方案的通知》(青政辦〔2017〕21號)[2]，綜合考慮各地實際情況和改革基礎(chǔ)，用10年左右時間(到2025年)，以已建的89處萬畝以上中型灌區(qū)為重點(包含全部小型灌區(qū))，分3批、3階段實施改革工作；同時在建立科學合理的農(nóng)業(yè)水價形成機制、健全系統(tǒng)完善的農(nóng)田水利設(shè)施體系、構(gòu)建良性長效的工程運行管理體制、健全集約高效的農(nóng)業(yè)用水管理制度和建立精準持續(xù)的農(nóng)業(yè)用水補貼和節(jié)水獎勵機制等方面提出了具體改革目標和任務(wù)。青海省水利廳下發(fā)《關(guān)于貫徹落實<省政府辦公廳關(guān)于印發(fā)推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革實施方案>的通知》(青水管〔2017〕110號)[3]，要求各市(州)、縣水利(水務(wù))局加快農(nóng)業(yè)水價綜合改革，按照時間節(jié)點要求，強化工作職責、制定實施方案和年度計劃，落實保障措施。

當前，全國范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)水價綜合改革工作正在穩(wěn)步推進。為貫徹落實國家、青海省政府和省水利廳等一系列文件要求，海西州德令哈市將懷頭他拉水庫灌區(qū)列入第一批農(nóng)業(yè)水價綜合改革灌區(qū)名單(2017～2019年)，作為2018年省級重點推進灌區(qū)。根據(jù)海西州水利局和海西州財政局關(guān)于《德令哈市懷頭他拉水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革項目實施方案》的批復(西政水字[2018]327號)[4]，該項目除了需要開展：明確農(nóng)業(yè)初始水權(quán)、灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價測算與水費計收方式、強化灌區(qū)用水管理、落實工程產(chǎn)權(quán)與管理權(quán)、落實農(nóng)業(yè)節(jié)水精準補貼機制和節(jié)水獎勵機制、用水計量設(shè)施配套建設(shè)、閘門遠程自動控制改造、網(wǎng)絡(luò)信息中心建設(shè)等，還需研發(fā)灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理信息系統(tǒng)、并實際應用。

懷頭他拉水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理信息系統(tǒng)(以下簡稱：系統(tǒng))以水情、工情等信息采集和閘門遠程自動控制為基礎(chǔ)，綜合應用軟件開發(fā)、自動控制、數(shù)據(jù)庫和地理信息等技術(shù)，對灌區(qū)取用水信息自動采集、傳輸和處理，實現(xiàn)測、監(jiān)、管、控一體化。結(jié)合懷頭他拉水庫灌區(qū)在用水管理工作中的實際情況，以計算機方式抽象到系統(tǒng)中，取代原有灌區(qū)人工量測水和手動控制閘門等工作，提高灌區(qū)用水管理工作的效率和精度，使得灌區(qū)工作人員可以方便快捷、直觀有效地對所在灌區(qū)范圍內(nèi)的重要渠道、管道、閘門、監(jiān)測站等水利設(shè)施的水量信息進行測量、計量、監(jiān)視與控制[5]，為灌區(qū)水資源的合理利用、灌區(qū)配水調(diào)度、水費征收、防汛抗旱等工作提供有力的支持，也為提升灌區(qū)管理部門決策和管控能力、提高對農(nóng)民的供水服務(wù)水平、實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化提供智慧、高效的信息化管理工具。

1 系統(tǒng)建設(shè)背景

德令哈市位于青海省西北部，位于海西州中部的巴音河畔。地理位置處于東經(jīng)96°15′～98°15′，北緯36°55′～38°22′，平均海拔2 980 m，總面積2.77 萬km2，其中市區(qū)面積25 km2。懷頭他拉水庫灌區(qū)的灌溉用水來源于懷頭他拉水庫，設(shè)計灌溉面積2 100 hm2，現(xiàn)狀有效灌溉面積800 hm2，現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)為0.46。

德令哈市懷頭他拉水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革以保障糧食安全、供水安全和建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)為導向，以促進農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)田水利工程良性運行為目標，完善農(nóng)田水利設(shè)施體系，健全農(nóng)業(yè)水價形成機制，創(chuàng)新農(nóng)田水利管理體制機制，逐步建立農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制和定額管理制度，提高農(nóng)業(yè)用水效率和效益，助推灌區(qū)現(xiàn)代化和農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

以明晰水權(quán)、定額管理為前提，以配套完善供水計量設(shè)施為基礎(chǔ)，以強化水費征收為前提，采用科學、系統(tǒng)、現(xiàn)代的手段，有效使用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，建設(shè)懷頭他拉水庫灌區(qū)集監(jiān)測、控制、計量和信息化等技術(shù)在內(nèi)的灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價改革管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)提供信息監(jiān)視與服務(wù)、閘門自動化監(jiān)控、灌區(qū)水費計收、綜合統(tǒng)計分析和灌區(qū)基礎(chǔ)信息等服務(wù)，實時掌握區(qū)域用水總量、利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)對灌溉數(shù)據(jù)的多維度分析、統(tǒng)計分析水資源利用情況、輔助制定節(jié)水辦法，促進水資源合理配置和高效利用[6]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

“灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價改革管理信息系統(tǒng)”是以提高灌溉水利用率、合理配調(diào)水資源、保障灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展為出發(fā)點，采用可靠、開放的體系架構(gòu)保障系統(tǒng)的可靠運行，從配套完善供水計量設(shè)施、提高測量精度入手，由信息采集與傳輸獲取各類數(shù)據(jù)，建設(shè)和開發(fā)數(shù)據(jù)中心；以統(tǒng)一的應用支撐平臺為框架，開發(fā)灌區(qū)業(yè)務(wù)管理應用系統(tǒng)，逐步掌握區(qū)域用水情況、掌握區(qū)域水資源利用情況；以信息安全體系和標準規(guī)范體系為保障，面向灌區(qū)管理部門、取用水戶等提供服務(wù)，逐步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水有效管理，提高農(nóng)業(yè)用水效率和效益，助推灌區(qū)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展[7]。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于SOA(面向?qū)ο蟮姆?wù))思想提出灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價改革管理信息系統(tǒng)的總體架構(gòu)，從技術(shù)實現(xiàn)和提供服務(wù)的角度總體架構(gòu)可以劃分為七個層次和兩個體系。七個層次分別是：信息采集傳輸層、通訊網(wǎng)絡(luò)層、硬件設(shè)備層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、業(yè)務(wù)應用層和應用交互層；兩個體系分別是：安全保障體系和標準規(guī)范體系。從下至上在統(tǒng)一的標準、規(guī)范、安全保障下，各層都以服務(wù)的方式接入企業(yè)服務(wù)總線，實現(xiàn)靈活構(gòu)建、可拆可合[8]。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture diagram of the system

2.2 系統(tǒng)功能介紹

2.2.1 信息監(jiān)視與服務(wù)

以GIS為平臺，以簡潔鮮明的圖、文、聲、像等方式對各關(guān)鍵點的各項指標數(shù)據(jù)(水位、流速、流量、閘位、設(shè)備狀態(tài))進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和報警處理，當實時信息出現(xiàn)超警戒值或超設(shè)計值時，報警系統(tǒng)以紅燈閃爍和聲音等形式進行自動報警，提示工作人員采取應對措施。見圖2。

圖2 水位動態(tài)信息圖Fig.2 Dynamic information diagram of water level

以MIS為平臺，以簡潔、明了的圖表方式，方便快捷地查詢各類實時的和歷史的水位、流速、流量、設(shè)備狀態(tài)、用水量等數(shù)據(jù)信息，并可以根據(jù)各種情況進行動態(tài)分析，便于工作人員實時了解數(shù)據(jù)信息演進變化情況。

2.2.2 閘門自動化監(jiān)控

通過傳感技術(shù)、自動化控制技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，實現(xiàn)閘門上、下游水位、閘門荷重、閘門啟閉狀態(tài)與開度、圖像信息自動化采集與傳輸，達到能夠在監(jiān)控中心遠程控制閘門啟閉以及閘門自動控制和系統(tǒng)聯(lián)動[9]。通過實時圖像可以直觀了解閘門的運行工況以及周邊環(huán)境，系統(tǒng)使得遠程操作更加可視，達到無人值守、統(tǒng)一調(diào)度的目標。

閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)庫與現(xiàn)場閘門設(shè)備的數(shù)據(jù)交互和水量計算[10]，設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)與中心軟件建立數(shù)據(jù)連接，軟件獲取現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)包括閘門開度、瞬時流量、閘前水深、閘后水深、累計流量、報警狀態(tài)以及通訊時的信號強度信息并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。見圖3。

圖3 閘門監(jiān)控界面圖Fig.3 Interface diagram of gate monitoring

2.2.3 灌區(qū)水費計收

綜合考慮農(nóng)業(yè)用水定額、用水戶承受能力等，以灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水實行“骨干工程水價+末級渠系水價”的終端水價制度為指導，合理確定農(nóng)業(yè)用水價格。根據(jù)《德令哈市懷頭他拉水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革項目實施方案》中的灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價測算成果，確定的定額范圍內(nèi)的全成本終端水價為0.157 元/m3、運行成本終端水價為0.052 元/m3。

實行農(nóng)業(yè)用水定額管理和超定額累進加價制度[11]，定額內(nèi)用水原則上比照工程運行維護成本實行優(yōu)惠水價；超定額用水實行階梯價格。綜合考慮節(jié)水潛力、承受能力、管理需求和可操作性等，合理確定超定額水量階梯和累進加價幅度[12]。

以灌區(qū)用水計量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)具體的收費管理模式，進行灌區(qū)水費計收管理，具體功能包括：水量統(tǒng)計、應交水費計算、水費收繳統(tǒng)計查詢、水價標準查詢等。見圖4。

圖4 水費計收界面圖Fig.4 Water charge interface diagram

2.2.4 綜合統(tǒng)計分析

運用物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)構(gòu)建以支持多層次數(shù)據(jù)應用的云計算數(shù)據(jù)中心[13]，以BI分析為平臺，實現(xiàn)灌區(qū)各類信息的匯總和綜合展示、統(tǒng)計、對比分析等。

綜合統(tǒng)計分析滿足在線監(jiān)測和非在線監(jiān)測的信息服務(wù)需求，從渠系、用水戶、灌水時間等多個維度綜合分析灌區(qū)用水信息。以直方圖和曲線圖、棒圖等多種方式清晰直觀地顯示分析結(jié)果，從而為灌區(qū)水量調(diào)度管理提供科學準確、全面、詳細、及時的信息服務(wù)。見圖5。

圖5 信息統(tǒng)計圖Fig.5 Information statistical figure

2.2.5 灌區(qū)基礎(chǔ)信息

灌區(qū)用水是一個復雜的系統(tǒng)，對灌區(qū)基礎(chǔ)信息進行全面、高效的管理是灌區(qū)用水管理現(xiàn)代化能夠充分發(fā)揮作用的前提和基礎(chǔ)。灌區(qū)基礎(chǔ)信息主要包括渠系、管網(wǎng)及建筑物情況和灌區(qū)管理職能分配情況。見圖6。

圖6 灌區(qū)基礎(chǔ)信息圖Fig.6 Irrigation basic information map

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)。采用SOA面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，SOA是基于開放的Internet標準和協(xié)議、支持對應用程序或應用程序組件進行描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和使用的一種應用架構(gòu)。SOA支持將可重用的數(shù)據(jù)應用作為應用服務(wù)或功能進行單獨開發(fā)集成，并可以在需要時通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些服務(wù)或功能。它將業(yè)務(wù)應用功能以服務(wù)的形式提供出來，以便更好地復用、組裝和與外部系統(tǒng)集成，從而降低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率。

(2)基于事件驅(qū)動的模型服務(wù)。將業(yè)務(wù)實體構(gòu)建為靜態(tài)模型，以靜態(tài)模型為基礎(chǔ)，通過實時信息采集和監(jiān)控跟蹤業(yè)務(wù)實體的動態(tài)數(shù)據(jù)，從而將業(yè)務(wù)實體在信息空間進行全要素重建，形成實體-靜態(tài)與動態(tài)屬性-事件的映射，以事件驅(qū)動與復雜事件處理技術(shù)作為引擎形成具有實時感知、分析、決策、執(zhí)行能力的信息服務(wù)。

(3)基于大數(shù)據(jù)分析的智能服務(wù)?；诖髷?shù)據(jù)分析的智能服務(wù)是通過高性能事件引擎、海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)，融合多網(wǎng)、多源、異構(gòu)的海量數(shù)據(jù)，并能對獲取的大量感知事件進行高效處理，對匯聚形成的海量數(shù)據(jù)進行高效快速分析與智能化處理，為綜合分析應用提供高效數(shù)據(jù)服務(wù)支撐。

3 系統(tǒng)在灌區(qū)管理的應用

懷頭他拉水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價改革管理信息系統(tǒng)的建設(shè)提升了該灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)所需要的監(jiān)測、控制、計量和信息化管理能力，為灌區(qū)管理提供了科學、系統(tǒng)的手段，推動了傳統(tǒng)灌溉向現(xiàn)代灌溉轉(zhuǎn)變，提高了水資源利用效率和效益，推進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。

(1)節(jié)水效益。以現(xiàn)狀灌區(qū)有效灌溉面積800 hm2計，采用青海省地方標準《用水定額》(DB63/T 1429-2015)[14]和現(xiàn)狀作物種植結(jié)構(gòu)核定的農(nóng)業(yè)初始水權(quán)為1 098.2 萬m3(定額61.01 m3/hm2)；相比未改革前實際的用水量1 306.23 萬m3(實際72.57 m3/hm2)，共計節(jié)水208.03 萬m3，農(nóng)業(yè)用水下降18.94%。可見，經(jīng)過農(nóng)業(yè)水價改革，對灌區(qū)用水量使用計量設(shè)施監(jiān)測后，應用信息管理系統(tǒng)加強水量和水價管理，灌區(qū)的節(jié)水效益顯著。

(2)經(jīng)濟效益。懷頭他拉水庫灌區(qū)水費原來實行按畝征收，水價為22.6 元/hm2，年均水費為17.81 萬元；但因為取水口、各級渠(管)道未安裝計量設(shè)施，無法準確計量取用水量，農(nóng)戶繳費意愿不強，經(jīng)常無法足額收繳水費。實施了農(nóng)業(yè)水價綜合改革項目、明確了農(nóng)業(yè)初始水權(quán)、安裝了取用水計量設(shè)施以及應用了信息管理系統(tǒng)之后，加強了水量和水價的管理，實現(xiàn)按方收費，水量和水費一目了然，每年可實現(xiàn)足額收繳水費。以運行成本終端水價0.052 元/m3執(zhí)行，每年可收繳水費57.11 萬元，比原先按畝收費多收39.3 萬元，提高220.66%；若以全成本終端水價0.157 元/m3執(zhí)行，每年可收繳水費172.42 萬元，比原先按畝收費多收154.61 萬元，提高868.11%。對比可知，經(jīng)濟效益非常顯著！

通過建立合理水價形成機制和價格杠桿作用，體現(xiàn)灌溉水的資源屬性；在節(jié)水優(yōu)先的前提下，進一步增強農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，解決灌排工程運行維護經(jīng)費，確保灌排工程良性運行。

(3)管理效益。懷頭他拉水庫灌區(qū)實施了農(nóng)業(yè)水價綜合改革項目，尤其是運行了管理信息系統(tǒng)以后，以信息化管理方式取代原有人工量測水和手動控制閘門等工作，做到了實時實地對渠道、管道、閘門和監(jiān)測站等水情工情信息進行自動采集、測量、計量、監(jiān)視、決策與控制，實現(xiàn)了測、監(jiān)、管、控一體化；大幅度地節(jié)省了人力成本，提高了對用水戶的供水服務(wù)水平，提升了灌區(qū)管理部門的決策和管控能力，極大地提高了工作效率與效益，初步實現(xiàn)了灌區(qū)管理現(xiàn)代化[15]。

(4)環(huán)境效益。系統(tǒng)實施后，有效地控制灌區(qū)水資源需求過度增長，退減擠占的生態(tài)環(huán)境用水和減少地下水超采，維持河道基本生態(tài)用水，提高資源環(huán)境承載力，促進經(jīng)濟社會與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，改善水生態(tài)環(huán)境。

(5)社會效益。通過水資源有效管理、優(yōu)化配置、節(jié)水技術(shù)推廣應用，促進發(fā)展方式轉(zhuǎn)變及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、優(yōu)化升級、土地流轉(zhuǎn)，使經(jīng)濟結(jié)構(gòu)進一步適應水資源承載能力，促進德令哈市經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展；同時提高水資源利用效率，有效控制需求過度增長，緩解了供需矛盾，保障供水安全和糧食安全，促進經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展。

4 結(jié) 語

在當前全國范圍內(nèi)穩(wěn)步推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革工作的大好形勢下，懷頭他拉水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理信息系統(tǒng)的運行應用表明：利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算平臺，建設(shè)集監(jiān)測、控制、計量和信息化等技術(shù)在內(nèi)的灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價改革管理信息系統(tǒng)，應用計算機技術(shù)等現(xiàn)代化管理方法對灌區(qū)傳統(tǒng)的管理方式進行升級打造，提供信息采集與監(jiān)視、閘門自動化監(jiān)控、灌區(qū)水費計收、綜合統(tǒng)計分析和灌區(qū)基礎(chǔ)信息等服務(wù)；在取得節(jié)水、增效的同時，能有效地解決農(nóng)田水利“最后一公里”問題，逐步建立農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制和定額管理制度，提高農(nóng)業(yè)用水效率和效益，助推灌區(qū)現(xiàn)代化和農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

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