黑龍江省典型灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設計

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，哈爾濱 150000；3.吉林大學，長春 130022)

信息化是灌區(qū)現(xiàn)代化的基礎和標志，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)代信息技術的基礎上，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確性以及傳輸?shù)臅r效性，做出及時、準確的反饋和預測，為灌區(qū)管理部門制定決策提供科學依據(jù)，從而降低管理成本，提升灌區(qū)管理的效率和水平，促進灌區(qū)實現(xiàn)科學高效管理。然而，與西方發(fā)達國家相比，我國水利行業(yè)信息化起步較晚，灌區(qū)信息化建設目前仍處于試點階段，現(xiàn)代科技還不能及時在水利行業(yè)中發(fā)揮效益，灌區(qū)信息化建設仍面臨資金短缺、信息化標準和通用程度較低、信息采集手段相對落后、軟件開發(fā)和推廣應用環(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，在試點灌區(qū)信息化建設中，應結(jié)合灌區(qū)的實際發(fā)展需求和投資情況，以提升灌區(qū)管理的快速反應能力、促進灌區(qū)管理效率以及科學決策水平為目標，提出因地制宜的灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設計方案。

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)，設計灌溉面積(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)代化建設和管理的基礎條件。2001年，灌區(qū)成立了龍鳳山灌區(qū)管理機構(gòu)，下設包括光輝灌溉站、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個灌溉管理站，灌區(qū)的管理體系和運行機制均已完備。因此，以龍鳳山灌區(qū)為例，研究該灌區(qū)的信息化升級設計方案，對于促進黑龍江省灌區(qū)現(xiàn)代化建設具有重要的指導與借鑒意義。

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，技術力量薄弱，利用現(xiàn)代信息技術，對灌區(qū)實現(xiàn)現(xiàn)代化精細化管理水平，逐步提高灌區(qū)基礎信息的管理與應用水平，是目前全省灌區(qū)信息化建設最重要的工作。

1.2 實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的需求

如何利用好水資源，包括對水資源的開發(fā)利用、保護與管理，解決水資源供需矛盾和用水競爭，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)性利用，利用現(xiàn)代化的信息技術手段，如何科學有效地實現(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)量水測水管理的需求

黑龍江省灌區(qū)現(xiàn)行的流量監(jiān)測方法都是先通過標準斷面測量水位，再通過流量公式換算得出流量，計算流量存在誤差，并且工作量較大，致使灌區(qū)用水量計量和水費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)代信息技術的灌區(qū)用水計量和水費收繳系統(tǒng)，可以讓農(nóng)民及其他用水戶花錢放心，能有效提高水費的收繳率[4]。

1.4 灌區(qū)險工段監(jiān)控管理的需求

由于缺少視頻監(jiān)測手段，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)險工段現(xiàn)場進行巡檢，不僅消耗了大量的人力和物力，也帶來了的較大工作量，而且不能第一時間掌握現(xiàn)場突變的情況。建立水情、雨情監(jiān)測拍照系統(tǒng)，通過對現(xiàn)場情況進行定時拍照，可以更加直觀地了解現(xiàn)場情況，為管理人員提供真實的現(xiàn)場資料。

2 龍鳳山灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設計框架

參考我國其他省份在灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設計方面的成功經(jīng)驗，結(jié)合黑龍江省自然地理特點以及龍鳳山灌區(qū)管理現(xiàn)狀需求，提出“三測、三網(wǎng)、一平臺”的信息化管理系統(tǒng)設計框架，為龍鳳山灌區(qū)管理單位提供準確、及時的各種數(shù)據(jù)采集信息?！叭郎y”是指對數(shù)字、圖片及視頻3類信息進行實時監(jiān)測。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)測包括對關鍵節(jié)制閘、排洪閘以及險工險段的現(xiàn)場情況圖像進行定時采集；視頻信息監(jiān)測是指對渠首、提水泵站、管理站等地點進行視頻信息實時采集?！叭W(wǎng)”是指光纖網(wǎng)絡、GPRS公網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)[5-8]?！耙黄脚_”表示一個綜合平臺，即通過計算機、投影、軟件等構(gòu)建平臺，對水雨情動態(tài)監(jiān)測管理、量水測水管理、工情及巡檢管理、水費計收管理和電子地圖等進行平臺展示。“三測、三網(wǎng)、一平臺”的設計框架結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 龍鳳山灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)設計框架結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)模塊設計

3.1 水雨情監(jiān)測系統(tǒng)

考慮到設備所處的高溫、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RTU、傳感器、攝像機、通信方式、供電方式進行比選后，選用以RTU為核心單元。本方案擬建設水位監(jiān)測站點和圖像采集站點各3處，水位監(jiān)測站點設在營城子自流干渠攔河壩，圖像采集站點設在衛(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)水情采集采用隨機自報和定時自報相結(jié)合的工作方式，信息中心的數(shù)據(jù)接收設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)測信息，通過高精度離子類傳感器和智能云終端，指導灌溉作業(yè)，方便精準地了解水源生態(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)絡和業(yè)務應用軟件等。

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

3.3 量水測水管理系統(tǒng)

根據(jù)龍鳳山灌區(qū)的量測水現(xiàn)狀，結(jié)合明渠量水規(guī)范，灌區(qū)量水測水管理系統(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)，服務端軟件基于數(shù)據(jù)庫SQLServer開發(fā)，可以運行于Windows系統(tǒng)平臺，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)，并采用相應的計算公式來換算成相應的流量，最終得到水量信息，提供自動水位-流量曲線擬合功能，只要用戶將實際測量的水位-流量對應值錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動會使用曲線擬合方法得到相應的水位-流量關系曲線方程。

3.4 水費計收管理系統(tǒng)

根據(jù)目前龍鳳山灌區(qū)的水費收繳的現(xiàn)狀，結(jié)合各地區(qū)水費收繳方面的成功經(jīng)驗，將水費收繳的業(yè)務流程集成到系統(tǒng)中，用戶可以方便快捷、直觀有效的對所在灌區(qū)范圍內(nèi)的受益單位、用水戶的灌溉面積、用水量、交費金額以及各年度的水費收繳情況進行管理和查詢統(tǒng)計。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，服務端軟件基于數(shù)據(jù)庫SQLServer開發(fā)，可以運行于Windows系統(tǒng)平臺，能夠承接量測水系統(tǒng)計算整編過的水量數(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 水費計收管理系統(tǒng)示意圖

3.5 信息化平臺系統(tǒng)

以龍鳳山灌區(qū)各類信息為依托，形成一個以數(shù)據(jù)采集為基礎，互聯(lián)網(wǎng)絡傳輸為骨干，云計算中心為樞紐，云服務為支撐，應用對象為主體的統(tǒng)一的現(xiàn)代灌區(qū)“云”服務管理平臺。灌區(qū)信息化平臺系統(tǒng)整體采用分層設計，業(yè)務架構(gòu)見圖3：

整個系統(tǒng)界面設置以人性化為主，界面風格不拘于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)，力爭表現(xiàn)水利行業(yè)的專業(yè)風格，方便用戶操作，畫面應整體和諧，美觀大方。

圖3 灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

4 結(jié)論與討論

通過灌區(qū)信息化建設的管理系統(tǒng)平臺通用性和運行效果，顯著提升了的社會效益和經(jīng)濟效益，可為黑龍江省灌區(qū)信息化建設提供借鑒和參考。

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，灌區(qū)開展了水雨情等信息自動監(jiān)測，閘門自動測控，泵站自動監(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)、水費管理系統(tǒng)等業(yè)務軟件的應用，逐步實現(xiàn)以“計算機管理為主，人工輔助”的新型管理模式，農(nóng)民用水戶對灌區(qū)水費管理模式普遍認可，灌區(qū)水費收繳率均達到98%，為早日建設數(shù)字化灌區(qū)奠定基礎支撐。

4.2 及時掌握水情和工情，提高了工程安全可靠性

灌區(qū)自動水、雨情信息監(jiān)測點的建設，極大地提高了水情、雨情的測報能力和優(yōu)化調(diào)度水平。通過水雨情遙測系統(tǒng)和閘門監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能及時有效掌握主要控制斷面的來水情況、渠道沿線水情，重點部位雨情的實時發(fā)生過程，并能及時控制流量，充分保證灌區(qū)用水和水工建筑物的安全運行。

4.3 改善工作環(huán)境，提高了管理人員素質(zhì)

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