郭 飛，陳向東，劉 睿，許 釗，章雨乾

（中國水權(quán)交易所，中國 北京 100053）

我國耕地面積約占世界總量的9%，而人口數(shù)量卻達(dá)到世界總量的22%，加上水資源匱乏與水旱災(zāi)害頻繁的現(xiàn)狀，使得我國農(nóng)業(yè)發(fā)展與糧食安全面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。灌區(qū)作為我國糧食生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營的重要基地，其糧食產(chǎn)量約為全國的26.2%，占全國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的25%，并提供了全國城鎮(zhèn)生活用水與工業(yè)用水總量的14.3%。因此，灌區(qū)已成為我國糧食安全的保障，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長的重要支撐，而為了充分發(fā)揮灌區(qū)的保障與支撐作用，灌區(qū)管理水平與效率的提升必不可少[2]。

1 大禹渡灌區(qū)信息化概況

大禹渡灌區(qū)位于山西省運(yùn)城市芮城縣境內(nèi)，北起中條山南麓，南至黃山西岸，西起大王鄉(xiāng)，東至東壚鄉(xiāng)。工程興建于1970 年10 月，于1974 年上水運(yùn)行，灌區(qū)為大型引黃灌溉工程，填補(bǔ)了國內(nèi)190～210 m 揚(yáng)程、高效率大流量的一項(xiàng)技術(shù)空白，憑借一級站滑動式泵車、二級站193.2 m 揚(yáng)高與沉沙池交替運(yùn)行技術(shù)，曾獲得了1974 年中國社會主義建設(shè)十大成就之一的稱號。目前灌區(qū)干渠長度84 km，支渠長度249 km，斗農(nóng)渠長度1 418 km，灌溉面積為3.4 萬hm2，灌區(qū)自投入運(yùn)行以來，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出的巨大貢獻(xiàn)[3-5]。

大禹渡灌區(qū)以往傳統(tǒng)的管理模式存在著數(shù)據(jù)采集方式落后、無法保證安全生產(chǎn)與灌溉效益低下等問題。灌區(qū)依賴以廣播、電話與人工檢測的方式來獲取調(diào)度決策所需要的墑情、水情、氣象與水文信息，多采用人工方式進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的記錄與核算，獲取信息的效率低、時效性差、準(zhǔn)確性無法保證，給灌區(qū)供水安全帶來一定風(fēng)險；灌區(qū)的工程基礎(chǔ)資料與設(shè)計圖紙、用水?dāng)?shù)據(jù)、歷史資料等技術(shù)資料多由專職人員保存與檔案柜中，給調(diào)度決策、制定發(fā)展規(guī)劃、灌區(qū)維護(hù)工作帶來不便；灌區(qū)缺少自動化監(jiān)控設(shè)施，普遍存在泵站、支口早開晚報、隱瞞不報的情況，大大降低了灌區(qū)渠系水利用效率，增加了灌溉成本。

為了實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源高效利用與優(yōu)化配置，大禹渡灌區(qū)必須采用現(xiàn)代化管理技術(shù)與方法進(jìn)行灌區(qū)信息化管理。灌區(qū)信息化就是充分利用計算機(jī)技術(shù)、傳感器信息采集技術(shù)、3S（GPS、GIS、RS）技術(shù)、智能控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，顯著提升信息采集的全面性與時效性，在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上及時將數(shù)據(jù)傳輸給灌區(qū)管理部門，方便決策者了解灌區(qū)范圍內(nèi)的工程運(yùn)行狀況、水質(zhì)與水量等水情信息，最終實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的合理調(diào)度與安全運(yùn)行，全面提升灌區(qū)經(jīng)營管理的效率與效能[6-8]。

2 大禹渡灌區(qū)信息化建設(shè)措施

近年來，大禹渡灌區(qū)順應(yīng)山西省大力推進(jìn)大中型灌區(qū)信息化建設(shè)的號召，努力做到信息化管理實(shí)現(xiàn)“三多三少”：一是實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理，將地表水與地下水資源聯(lián)合優(yōu)化配置，多用地表水而少用地下水；二是通過渠系輸配水及田間灌水設(shè)備遠(yuǎn)程操作、自動化控制，多進(jìn)行自動化操作而減少人工勞動量；三是根據(jù)作物實(shí)際需水量進(jìn)行按生育期的自動供水，多進(jìn)行高效供水而減少灌溉水損失，期間灌區(qū)的主要信息化建設(shè)措施包括以下幾個方面。

2.1 建立遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

灌區(qū)信息化的首要目標(biāo)是保證渠道的安全運(yùn)行，大禹渡灌區(qū)對各級渠道重要的進(jìn)水閘、節(jié)制閘、分水閘以及各級泵站實(shí)時監(jiān)控，安裝了47 個遠(yuǎn)程攝像頭與8 臺水位計，基本實(shí)現(xiàn)了全面監(jiān)控覆蓋。由于監(jiān)控點(diǎn)多，布局分散，單個監(jiān)控點(diǎn)規(guī)模小等特點(diǎn)，導(dǎo)致包含視頻數(shù)據(jù)的通信流量較大，大禹渡灌區(qū)為了保證信息通信，同時在總干渠架設(shè)985 根電桿，55 km 的光纖線。灌區(qū)建立的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以“無人值班、少人值守”的理念進(jìn)行設(shè)計，以實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的原則進(jìn)行配置。

通過灌區(qū)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員可及時直觀地了解到閘門水位與機(jī)泵的運(yùn)行狀況，方便進(jìn)行水量配置、均衡渠道上下游供水與現(xiàn)場處置等科學(xué)決策，有效解決了以往管理中灌區(qū)信息采集不及時、錄入不準(zhǔn)確，最終導(dǎo)致易溢渠斷流等問題。此外，工作人員可根據(jù)水位計的超限報警及時地進(jìn)行應(yīng)急調(diào)度決策。大禹渡灌區(qū)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息聯(lián)網(wǎng)、集中監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度、科學(xué)管理，全面提升了灌區(qū)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

2.2 建立統(tǒng)一計量標(biāo)準(zhǔn)

為了實(shí)現(xiàn)灌區(qū)公平配水并達(dá)到灌溉用水?dāng)?shù)字化管理要求，建立統(tǒng)一的計量標(biāo)準(zhǔn)必不可少。灌區(qū)用水計量中，量水堰槽為常用的量水設(shè)備，其通過收縮渠道寬度或抬高槽底板高度的方法來形成收縮段，使收縮段內(nèi)的水流形成具有不受下游水流條件影響的臨界流，通過水位流量關(guān)系計算得出渠道流量。

大禹渡灌區(qū)在以往的建設(shè)運(yùn)行中，由于斗渠的修建時間不同，施工材料、水平與標(biāo)準(zhǔn)的差異，其配置的量水堰也形態(tài)各異，梯形、矩形、無喉道等形式的量水堰在同一放水流量下，水位值不一致，這給灌區(qū)的配水查渠工作造成很大不便，為“關(guān)系水”、“馬虎水”“人情水”現(xiàn)象的滋生提供了條件。

為了封堵管理漏洞，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的統(tǒng)一考核，統(tǒng)一計量，大禹渡灌區(qū)經(jīng)過制造、安裝、運(yùn)行的試驗(yàn)后，總結(jié)形成了包括量水堰加工、安裝、驗(yàn)收的全流程制作管理模式，并在干渠計量口統(tǒng)一安裝了穩(wěn)定性高、適用地形廣、造價低、測流范圍廣的鋼板式巴歇爾量水堰，實(shí)現(xiàn)了同一水量、同一水尺的統(tǒng)一計量標(biāo)準(zhǔn)，為灌區(qū)數(shù)字化水計量管理提供了基礎(chǔ)。

2.3 安裝無線智能磁致伸縮水位流量計

大禹渡灌區(qū)在進(jìn)行了計量統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水?dāng)?shù)字化、精準(zhǔn)化管理，進(jìn)行了YG-MⅡ-DMF 型號無線智能磁致伸縮水位流量計的改制與安裝工作。無線智能磁致伸縮水位流量計利用磁致伸縮效應(yīng)，通過計算電流脈沖與扭轉(zhuǎn)波之間的時間差來精確得出水位值，進(jìn)而可計算得出對應(yīng)的流量值，具有測量精度高、維護(hù)簡便、校準(zhǔn)簡單、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

大禹渡灌區(qū)管理局結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，聯(lián)合西安沃泰科技有限公司對YG-MⅡ-DMF 型號無線智能磁致伸縮水位流量計進(jìn)行了技術(shù)性能改造，有效降低了由天氣、氣溫、冰凍、泥沙量等外界因素帶來的計量誤差，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)支斗渠水流、流量的數(shù)字化、精準(zhǔn)化管理，將灌區(qū)的渠道水利用率顯著提升至95%以上。此外，通過配套的軟件系統(tǒng)，灌區(qū)用水信息可在農(nóng)戶、村級水管理員、管理站與總調(diào)度中心四級之間數(shù)據(jù)共享，做到了灌溉用水的透明、公正、公平。

2.4 建立泵站運(yùn)行實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)

大禹渡灌區(qū)利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、信號處理技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，建立了泵站運(yùn)行實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由自動監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制調(diào)節(jié)、監(jiān)視報警、數(shù)據(jù)報警等十大主功能。其中，現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)主要由閘位計、PLC 控制柜、光貓、單模光纖、控制及信號電纜、避雷裝置、閘門驅(qū)動控制裝置等設(shè)備組成，通過對水泵機(jī)組、變壓器、勵磁裝備、輸配電等設(shè)備的自動監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了電量、流量、液位、壓力、溫度等參數(shù)的信息采集、自動診斷、越限報警功能；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制計算機(jī)和監(jiān)控平臺，其中遠(yuǎn)程控制器計算機(jī)的功能是基于圖形化操作界面提供操作與控制功能，通過構(gòu)建的技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、系統(tǒng)開放、擴(kuò)展靈活、經(jīng)濟(jì)適用的監(jiān)控平臺，管理人員將發(fā)出各類指令，調(diào)度泵站的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)泵站的信息聯(lián)網(wǎng)、集中監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度、科學(xué)管理。

2.5 安裝IC 卡計量裝置

大禹渡灌區(qū)屬于大型灌區(qū)，受地形條件限制，有些灌溉區(qū)域超出了泵站揚(yáng)程，無法進(jìn)行自流灌溉，當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)取用水戶采用移動式水泵進(jìn)行二次提水澆灌田地。然而對于移動式水泵，由于其數(shù)量多、計量模糊、開閉靈活等特點(diǎn)，造成了水量計量監(jiān)督上的管理困難。為了實(shí)現(xiàn)水量精準(zhǔn)計量、封堵管理漏洞，大禹渡灌區(qū)對每臺移動式水泵安裝了IC 卡計量裝置，通過IC 卡管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水卡的開卡、充值與銷卡管理。

2.6 建立豐富的輸出顯示方式

大禹渡灌區(qū)信息化建設(shè)中，為管理人員與取用水戶建立了豐富的顯示方式，可滿足單機(jī)終端、大屏幕顯示等多種顯示方式，滿足不同應(yīng)用需求。通過多通道融合大屏幕顯示系統(tǒng)，大大提升本系統(tǒng)的實(shí)用性和仿真效果。

對于大禹渡灌區(qū)的管理人員，如閘房工作人員，需要對渠道安全與閘口水位等情況進(jìn)行每2 h 一次的安全巡檢工作，而大禹渡灌區(qū)地廣渠多，管理閘房基本每5 km 設(shè)置一個，大量的巡檢工作給工作人員造成了很大負(fù)擔(dān)。為了降低一線職工的工作強(qiáng)度，灌區(qū)在總干渠7 個閘房中安裝了顯示終端機(jī)，將水位、流量等實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行及時顯示，閘房工作人員通過終端機(jī)就可全面監(jiān)控轄區(qū)內(nèi)的各個支斗渠情況，在有效降低職工勞動強(qiáng)度的同事，也避免了職工在夜晚巡檢時發(fā)生危險的意外事件發(fā)生。

灌區(qū)內(nèi)的取用水戶最關(guān)心的是灌區(qū)用水的公開透明，為了保證用水權(quán)、知情權(quán)，大禹渡灌區(qū)建立了陽光水務(wù)查詢終端機(jī)，用戶通過觸摸屏便可查看配水歷史記錄、配水穩(wěn)定率等數(shù)據(jù)的實(shí)時變化情況。此外，終端查詢機(jī)還將灌區(qū)管理工作的實(shí)時動態(tài)、通知公告、熱點(diǎn)專題進(jìn)行顯示，并提供監(jiān)督舉報通道，在群眾監(jiān)督的作用下，做到水務(wù)管理陽光透明。

3 大禹渡灌區(qū)信息化建設(shè)成效

大禹渡灌區(qū)自2009 開始進(jìn)行灌區(qū)信息化建設(shè)以來，以灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展為原則，利用3S、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等信息通信技術(shù)為手段，努力提升灌區(qū)安全管理水平、增加灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益、封堵灌區(qū)管理漏洞，最終實(shí)現(xiàn)灌區(qū)經(jīng)營管理效率、效能和效益的全面提升，主要成效包括以下三個方面。

3.1 灌區(qū)信息化建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施初具規(guī)模

大禹渡灌區(qū)的視頻、監(jiān)控和超聲波水位計基本覆蓋了干渠主要的監(jiān)測點(diǎn)，管道流量計覆蓋了3 座泵站和6 條支渠，采用GPRS 傳輸方式，利用公網(wǎng)形成了覆蓋灌區(qū)的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時信息的共享交互，提高了辦公及調(diào)度效率。

3.2 灌區(qū)職工信息化管理理念明顯提升

灌區(qū)的管理理念發(fā)生了革命性改變。過去，灌區(qū)職工習(xí)慣于“眼看、手算、電話報”等管理方式?，F(xiàn)在，灌區(qū)職工對信息化、智能化、現(xiàn)代化管理有了新的認(rèn)識，能夠熟練操作信息化水情綜合調(diào)度軟件，查看測點(diǎn)的視頻、水位等等，配水員均會熟練使用磁致伸縮流量計手抄器查看配水情況。

3.3 灌區(qū)綜合效益逐年增加

智能流量計的安裝應(yīng)用使渠道水利用率由原來的80%，提高到現(xiàn)在的95%以上，灌區(qū)年可增加水費(fèi)收入500 萬元；在信息收集、分享、傳輸?shù)确矫婵蓽p少54 人的工作量，灌區(qū)年可節(jié)省運(yùn)行成本81 萬元、減少辦公費(fèi)用13 萬元；灌區(qū)供水生產(chǎn)和用水市場分析能力明顯提高，杜絕了干渠斷流、溢渠等安全生產(chǎn)事故和“人情水”、“關(guān)系水”、“馬虎水”等問題。

4 展望

大禹渡作為我國大型灌區(qū)信息化建設(shè)的先行者，建立了先進(jìn)的灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)，灌區(qū)的支斗渠實(shí)時計量系統(tǒng)與泵站運(yùn)行實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。根據(jù)《全國現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，我國在“十三五”期間，要全面完成大型灌區(qū)和泵站信息化建設(shè)任務(wù)，全面開展并基本完成重點(diǎn)中型灌區(qū)、小型農(nóng)田水利建設(shè)重點(diǎn)縣信息化建設(shè)任務(wù)[10]。

由于灌區(qū)面積大，大禹渡灌區(qū)的降雨、土地、種植結(jié)構(gòu)、灌溉模式等自然與人為因素復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化灌溉將是其下一步信息化建設(shè)要解決的主要問題。大禹渡灌區(qū)可根據(jù)自然條件和灌溉模式對灌區(qū)進(jìn)行分區(qū)，在每個分區(qū)內(nèi)推廣精準(zhǔn)化灌溉系統(tǒng)。在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制自動一體化閘門系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新興的無人機(jī)技術(shù)、云計算與云服務(wù)技術(shù)，基于田間實(shí)測的雨水、墑情、肥情資料，兼顧用水戶用水需求，經(jīng)過大數(shù)據(jù)智能分析，應(yīng)用專業(yè)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行灌溉智能預(yù)報。進(jìn)一步根據(jù)水源、渠系配水能力等，確定配水和調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)“智能化分析、自動化控制、遠(yuǎn)程化調(diào)度”的智慧灌溉。