劉長榮，趙漢哲，王瀚琦

(1.黑龍江省農(nóng)村水利水電保障中心，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150000；3.吉林大學(xué)，長春 130022)

信息化是灌區(qū)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和標(biāo)志，也是灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，灌區(qū)信息化建設(shè)是提升灌區(qū)管理水平和提高灌溉效益的有效手段之一。灌區(qū)信息化就是在充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，廣泛利用灌區(qū)的各種信息資源，大力提高信息采集與加工的準(zhǔn)確性以及傳輸?shù)臅r(shí)效性，做出及時(shí)、準(zhǔn)確的反饋和預(yù)測(cè)，為灌區(qū)管理部門制定決策提供科學(xué)依據(jù)，從而降低管理成本，提升灌區(qū)管理的效率和水平，促進(jìn)灌區(qū)實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效管理。然而，與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國水利行業(yè)信息化起步較晚，灌區(qū)信息化建設(shè)目前仍處于試點(diǎn)階段，現(xiàn)代科技還不能及時(shí)在水利行業(yè)中發(fā)揮效益，灌區(qū)信息化建設(shè)仍面臨資金短缺、信息化標(biāo)準(zhǔn)和通用程度較低、信息采集手段相對(duì)落后、軟件開發(fā)和推廣應(yīng)用環(huán)節(jié)薄弱、資源共享程度低、系統(tǒng)綜合集成能力差等一系列問題[1-2]。因此，在試點(diǎn)灌區(qū)信息化建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合灌區(qū)的實(shí)際發(fā)展需求和投資情況，以提升灌區(qū)管理的快速反應(yīng)能力、促進(jìn)灌區(qū)管理效率以及科學(xué)決策水平為目標(biāo)，提出因地制宜的灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

黑龍江省是中國最北、最冷的寒區(qū)省份，大田作物為一年一熟制，農(nóng)作物生長季為4-9月。全省灌區(qū)一般只灌溉水稻，其他農(nóng)作物主要靠雨養(yǎng)，且水稻有較獨(dú)特的育秧、插秧、田間管理以及灌溉方式。龍鳳山灌區(qū)地處黑龍江省南部的五常市境內(nèi)，設(shè)計(jì)灌溉面積(全部為稻田)2.65萬hm2，是黑龍江省大型灌區(qū)之一，在全省灌區(qū)中具有代表性，灌區(qū)受益人口約22萬。1998年，龍鳳山灌區(qū)被列入全國大型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造項(xiàng)目灌區(qū)，共完成投資27793萬元，整修總干渠2條，長98.3km；干渠5條，長142km；分干渠9條，長107km；支渠176條，長358.9km；排水干溝28條，長200.55km；排水支溝12條，長49.4km；配套建筑物373座。灌區(qū)的灌排體系已經(jīng)形成，工程配套率和完成好率均在80%以上，具備了開展灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)和管理的基礎(chǔ)條件。2001年，灌區(qū)成立了龍鳳山灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)，下設(shè)包括光輝灌溉站、小山子灌溉站、民意灌溉站、衛(wèi)國灌溉站、營城子灌溉站、二總干管理站的6個(gè)灌溉管理站，灌區(qū)的管理體系和運(yùn)行機(jī)制均已完備。因此，以龍鳳山灌區(qū)為例，研究該灌區(qū)的信息化升級(jí)設(shè)計(jì)方案，對(duì)于促進(jìn)黑龍江省灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的指導(dǎo)與借鑒意義。

1 黑龍江省灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)需求分析

1.1 提高灌區(qū)管理水平的需求

由于人員不足，技術(shù)力量薄弱，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，對(duì)灌區(qū)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化精細(xì)化管理水平，逐步提高灌區(qū)基礎(chǔ)信息的管理與應(yīng)用水平，是目前全省灌區(qū)信息化建設(shè)最重要的工作。

1.2 實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的需求

如何利用好水資源，包括對(duì)水資源的開發(fā)利用、保護(hù)與管理，解決水資源供需矛盾和用水競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)性利用，利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段，如何科學(xué)有效地實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)的水資源優(yōu)化配置，是灌區(qū)發(fā)展迫切需要的[3]。

1.3 灌區(qū)量水測(cè)水管理的需求

黑龍江省灌區(qū)現(xiàn)行的流量監(jiān)測(cè)方法都是先通過標(biāo)準(zhǔn)斷面測(cè)量水位，再通過流量公式換算得出流量，計(jì)算流量存在誤差，并且工作量較大，致使灌區(qū)用水量計(jì)量和水費(fèi)收繳工作存在效率低、收入不透明、數(shù)據(jù)查詢檢索困難等問題。建立基于現(xiàn)代信息技術(shù)的灌區(qū)用水計(jì)量和水費(fèi)收繳系統(tǒng)，可以讓農(nóng)民及其他用水戶花錢放心，能有效提高水費(fèi)的收繳率[4]。

1.4 灌區(qū)險(xiǎn)工段監(jiān)控管理的需求

由于缺少視頻監(jiān)測(cè)手段，管理人員需經(jīng)常到灌區(qū)巡視，尤其在汛期，每天都要到灌區(qū)險(xiǎn)工段現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢，不僅消耗了大量的人力和物力，也帶來了的較大工作量，而且不能第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)突變的情況。建立水情、雨情監(jiān)測(cè)拍照系統(tǒng)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行定時(shí)拍照，可以更加直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)情況，為管理人員提供真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)資料。

2 龍鳳山灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

參考我國其他省份在灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合黑龍江省自然地理特點(diǎn)以及龍鳳山灌區(qū)管理現(xiàn)狀需求，提出“三測(cè)、三網(wǎng)、一平臺(tái)”的信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，為龍鳳山灌區(qū)管理單位提供準(zhǔn)確、及時(shí)的各種數(shù)據(jù)采集信息?！叭郎y(cè)”是指對(duì)數(shù)字、圖片及視頻3類信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)字信息包括渠首、渠道的水情信息，灌區(qū)降水量信息以及灌區(qū)水質(zhì)信息等；圖片信息監(jiān)測(cè)包括對(duì)關(guān)鍵節(jié)制閘、排洪閘以及險(xiǎn)工險(xiǎn)段的現(xiàn)場(chǎng)情況圖像進(jìn)行定時(shí)采集；視頻信息監(jiān)測(cè)是指對(duì)渠首、提水泵站、管理站等地點(diǎn)進(jìn)行視頻信息實(shí)時(shí)采集。“三網(wǎng)”是指光纖網(wǎng)絡(luò)、GPRS公網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)[5-8]。“一平臺(tái)”表示一個(gè)綜合平臺(tái)，即通過計(jì)算機(jī)、投影、軟件等構(gòu)建平臺(tái)，對(duì)水雨情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理、量水測(cè)水管理、工情及巡檢管理、水費(fèi)計(jì)收管理和電子地圖等進(jìn)行平臺(tái)展示?！叭郎y(cè)、三網(wǎng)、一平臺(tái)”的設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 龍鳳山灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

考慮到設(shè)備所處的高溫、高壓、高寒、高濕度等自然條件，結(jié)合龍鳳山灌區(qū)渠道和建筑物布局及結(jié)構(gòu)形式，對(duì)RTU、傳感器、攝像機(jī)、通信方式、供電方式進(jìn)行比選后，選用以RTU為核心單元。本方案擬建設(shè)水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和圖像采集站點(diǎn)各3處，水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)在營城子自流干渠攔河壩，圖像采集站點(diǎn)設(shè)在衛(wèi)國常安干渠渠首1處、閆家崗節(jié)制閘1處、金家窩棚節(jié)制閘1處。灌區(qū)水情采集采用隨機(jī)自報(bào)和定時(shí)自報(bào)相結(jié)合的工作方式，信息中心的數(shù)據(jù)接收設(shè)備始終處于值守狀態(tài)。

3.2 水質(zhì)養(yǎng)分及重金屬信息采集系統(tǒng)

水質(zhì)養(yǎng)分及重金屬信息采集系統(tǒng)根據(jù)作物灌溉中所需要的監(jiān)測(cè)信息，通過高精度離子類傳感器和智能云終端，指導(dǎo)灌溉作業(yè)，方便精準(zhǔn)地了解水源生態(tài)環(huán)境。水質(zhì)養(yǎng)分及重金屬信息采集系統(tǒng)包括傳感器、智能適配模塊、智慧農(nóng)業(yè)云終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件等。

灌區(qū)水質(zhì)采集工作采用召測(cè)上報(bào)和定時(shí)自報(bào)相結(jié)合的自報(bào)工作方式，在八一干渠閉流區(qū)的進(jìn)、出口各設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1處，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主要建設(shè)在衛(wèi)國八一干渠進(jìn)水閘1處，衛(wèi)國八一干渠排水口1處。召測(cè)上報(bào)是指每當(dāng)用戶需要水質(zhì)指標(biāo)時(shí)，即可通過軟件喚醒水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)即自動(dòng)向信息中心采集并報(bào)送一次最新數(shù)據(jù)；定時(shí)自報(bào)是指每隔1h，不管參數(shù)有無變化，即采集和報(bào)送一次數(shù)據(jù)，信息中心的數(shù)據(jù)接收設(shè)備始終處于值守狀態(tài)。

3.3 量水測(cè)水管理系統(tǒng)

根據(jù)龍鳳山灌區(qū)的量測(cè)水現(xiàn)狀，結(jié)合明渠量水規(guī)范，灌區(qū)量水測(cè)水管理系統(tǒng)將各種量水方法固化到系統(tǒng)中，系統(tǒng)架構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，服務(wù)端軟件基于數(shù)據(jù)庫SQLServer開發(fā)，可以運(yùn)行于Windows系統(tǒng)平臺(tái)，能夠承接信息采集處理系統(tǒng)采集端處理后的水、雨情數(shù)據(jù)，支持大部分的量測(cè)水方法。無論是流速儀量水，還是水工建筑物量水，都能根據(jù)用戶傳回的最新數(shù)據(jù)，并采用相應(yīng)的計(jì)算公式來換算成相應(yīng)的流量，最終得到水量信息，提供自動(dòng)水位-流量曲線擬合功能，只要用戶將實(shí)際測(cè)量的水位-流量對(duì)應(yīng)值錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)使用曲線擬合方法得到相應(yīng)的水位-流量關(guān)系曲線方程。

3.4 水費(fèi)計(jì)收管理系統(tǒng)

根據(jù)目前龍鳳山灌區(qū)的水費(fèi)收繳的現(xiàn)狀，結(jié)合各地區(qū)水費(fèi)收繳方面的成功經(jīng)驗(yàn)，將水費(fèi)收繳的業(yè)務(wù)流程集成到系統(tǒng)中，用戶可以方便快捷、直觀有效的對(duì)所在灌區(qū)范圍內(nèi)的受益單位、用水戶的灌溉面積、用水量、交費(fèi)金額以及各年度的水費(fèi)收繳情況進(jìn)行管理和查詢統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，服務(wù)端軟件基于數(shù)據(jù)庫SQLServer開發(fā)，可以運(yùn)行于Windows系統(tǒng)平臺(tái)，能夠承接量測(cè)水系統(tǒng)計(jì)算整編過的水量數(shù)據(jù)，有效支持絕大部分灌區(qū)的水費(fèi)收繳方式，及受益單位和用水戶的管理模式，見圖2。

圖2 水費(fèi)計(jì)收管理系統(tǒng)示意圖

3.5 信息化平臺(tái)系統(tǒng)

以龍鳳山灌區(qū)各類信息為依托，形成一個(gè)以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸為骨干，云計(jì)算中心為樞紐，云服務(wù)為支撐，應(yīng)用對(duì)象為主體的統(tǒng)一的現(xiàn)代灌區(qū)“云”服務(wù)管理平臺(tái)。灌區(qū)信息化平臺(tái)系統(tǒng)整體采用分層設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)架構(gòu)見圖3：

整個(gè)系統(tǒng)界面設(shè)置以人性化為主，界面風(fēng)格不拘于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)，力爭(zhēng)表現(xiàn)水利行業(yè)的專業(yè)風(fēng)格，方便用戶操作，畫面應(yīng)整體和諧，美觀大方。

圖3 灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)圖

4 結(jié)論與討論

通過灌區(qū)信息化建設(shè)的管理系統(tǒng)平臺(tái)通用性和運(yùn)行效果，顯著提升了的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可為黑龍江省灌區(qū)信息化建設(shè)提供借鑒和參考。

4.1 建立新型管理模式，提高了灌區(qū)管理效能

通過信息化建設(shè)，灌區(qū)開展了水雨情等信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)，閘門自動(dòng)測(cè)控，泵站自動(dòng)監(jiān)視監(jiān)控工作，并通過用水管理系統(tǒng)、工情GIS地理信息系統(tǒng)、水費(fèi)管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)軟件的應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)以“計(jì)算機(jī)管理為主，人工輔助”的新型管理模式，農(nóng)民用水戶對(duì)灌區(qū)水費(fèi)管理模式普遍認(rèn)可，灌區(qū)水費(fèi)收繳率均達(dá)到98%，為早日建設(shè)數(shù)字化灌區(qū)奠定基礎(chǔ)支撐。

4.2 及時(shí)掌握水情和工情，提高了工程安全可靠性

灌區(qū)自動(dòng)水、雨情信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建設(shè)，極大地提高了水情、雨情的測(cè)報(bào)能力和優(yōu)化調(diào)度水平。通過水雨情遙測(cè)系統(tǒng)和閘門監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能及時(shí)有效掌握主要控制斷面的來水情況、渠道沿線水情，重點(diǎn)部位雨情的實(shí)時(shí)發(fā)生過程，并能及時(shí)控制流量，充分保證灌區(qū)用水和水工建筑物的安全運(yùn)行。

4.3 改善工作環(huán)境，提高了管理人員素質(zhì)

各開展信息化建設(shè)的灌區(qū)均能使用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，部分技術(shù)骨干初步掌握了信息化軟、硬件技術(shù)。通過信息化建設(shè)，部分工作由計(jì)算機(jī)輔助完成，改變了人工看水尺、現(xiàn)場(chǎng)操作閘門、手工寫材料、通信用信函的傳統(tǒng)方式，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的現(xiàn)代工作模式。