灌区水资源优化配置管理系统总体设计概述

石文河　孙卫强　马锦敏　杨昕

【摘要】本文拟通过灌区水资源优化配置管理平台的总体设计，建设水资源数据中心，实现水资源查询和统计等基本应用；以数据分析為引导，通过建立水资源数据模型，实现灌区智能配水、优化配置和决策支持。通过促进灌区管理局及其分站的生产、经营、管理和决策方式的改进和优化，提高灌区的整体创新能力、经济效益和市场竞争能力，打造“数字水利”。

【关键词】灌区；水资源；优化配置管理

1、绪论

1.1 灌区信息化建设现状与存在的问题

1.1.1 灌区信息化建设现状

1.1.2 随着水资源瓶颈制约问题的凸显和水资源基础性战略性地位的不断强化，进一步加快水利信息化建设发展的需求迫在眉睫。在国家政策指引及水利部的大力关心支持下，全国各省市灌区基本完成工程建设，但信息化整体建设仍处于相对落后的起步阶段。存在的问题

1.1.2.1 缺少对灌区全面运行状况实时监控监测能力

我国大型灌区现阶段只有少量雨量站或水位站用于局部监测缺少实时图像监测设备，效满足管理人员对整个灌区状况的把握。尤其在汛期，实时监测数据的不足无法为领导决策提供全面的数据支持。

1.1.2.2 缺少灌区信息化综合平台对水资源分析及调度的能力

灌区缺少信息化综合平台对水资源的分析能力、调度能力，实现灌区管理的远程控制及精准配水、调度、引水、排水。

1.1.2.3 缺少应用系统对不同层面业务实现无纸化，高效率的管理

灌区现有的两套系统只基于“看”，而不是“用”。同时，灌区管理站不同科室，不同级别的人员涉及的业务范围不一样，需让不同业务范围，不同权限的人员都能够把信息化系统用起来，实现无纸化高效管理。

1.2 灌区信息化建设的必要性分析

1.2.1 信息监测采集与传输的需要

通过信息监测采集的建设可以及时采集并监测水库、灌区实时雨水情、工程运行状况及各干渠进水闸、节制闸的上下游水位、闸门开启度、过闸流量等参数，；可通过增加测次和报汛段次，提高测报精度，保证测报信息的质量和时效，并利用摄像机实时观测闸门开启及建筑物运行情况。

1.2.2 现代化业务管理的需要

通过水库、灌区信息化建设，增设必要的量水、通信、调度、监测、交通等管理设施，建立通信调度和现代化管理系统，提高整个灌区的管理水平，为逐步实现水库、灌区管理的良性运行和可持续发展创造条件。

1.2.3 优化供水调度与管理的需要

1.2.4 近年来由于农村用水量激增，用水管理结构发生变化，水资源不足，水量分配不合理等问题的存在对灌区的管理工作提出了新的要求。在考虑水库、灌区水资源综合利用的前提下，水资源优化配置的主要内容就是采用系统工程、运筹学等思想编制最优配水计划，在适量的满足农作物的需水要求的基础上，最大限度的提高水资源的综合利用效益，实现总体效益最优。业务管理信息化的需要

提高水库、灌区水管理信息化系统的应用效果，增强灌区内各职能部门的信息交流是是业务信息化的目标。通过信息技术、计算机网络技术将灌区内各职能部门联系在一起，实现数据、信息、资源、成果共享，不仅能提高办事效率，而且能有效地提高水库管理水平。

2、灌区信息化发展需求综合分析

2.1 应用范围及涉及用户

灌区水利信息化工程系统涉及用户角色如下：

1 主管上级用户：对于灌区水利信息化建设工程负有管理、指导、监督等职能的上级部门。

2 管理决策用户：需要掌握各信息化系统运行情况，协调处理相关事宜，通过系统进行辅助综合决策的主管部门。

3 业务应用人员：本行业、科室、机构业务职责范围内各项业务的日常操作人员。

4 维护管理人员：对灌区水利信息化网络资源、软硬件系统、数据资源等进行维护更新、管理、备份、安全保障等的人员。

5 普通职员用户：职工在工作期间的日常办公、公文及文件处理、各种信息查询、互联网信息浏览等电子政务工作。

6 数据交换用户：政府其它委办局、部门、机构用户，需要调用、共享水利信息数据的部门。

7 社会公众用户：各类需水用户，需要了解各类相关信息、用水申请、缴纳水费等情况。

2.2 业务应用系统存在问题

现阶段，灌区管理在防汛抗旱、水利工程建设管理、闸群自动化控制、水量调度、水资源管理、水质、水雨情、土壤墒情和视频监控等业务中的应用系统开发起步较晚，基本上没有规模化的应用系统。

（一）功能不完善，自动化程度低

（二）缺乏成熟的数学模型

（三）决策会商环境不完善，表现内容单一

（四）平台、标准不统一，建设分散，条块分割

（五）高新技术的应用不足，管理水平不高

2.3 基础设施存在的问题

1 数据采集手段落后，采集内容不全，及时性差

采集手段落后。水利信息采集设施陈旧，目前仍以传统手段为主，效率低、时效性差、观测数据准确性差。；

采集内容缺乏广泛性。气象资料信息来源和信息种类不全，；基础地图数字化程度低，遥感图像信息获取的时间间隔和区域范围单一，；缺乏图像（静态或动态）信息，不能反映涵闸引水、险情灾情、水污染等现场情况。

数据采集实时性差。采集技术手段落后，自动化程度低，缺乏先进的通信手段，数据采集缺乏统一的标准。

2 网络已成为灌区水利信息化建设和发展的瓶颈

通信网覆盖面不够。尚未建成覆盖全市的通信网和广域计算机网络，对一些防汛抗旱、水质监控、水土保持、农村供水、工程管理等所关心的重点区域尚未布网覆盖。

网络带宽不足。目前骨干网络带宽不能满足视频会议、异地会商以及动态图像传输等多媒体应用的需求。

網络服务功能少。缺乏对信息资源的有效管理，不能为水务各项工作提供所需的相关信息。

网络建设管理落后。各单位网络建设自成体系，缺乏一个完整的网络管理系统

网络安全性和可靠性差。没有必须的网络安全措施，网络设备、服务器、传输信道没有完备的备份手段，没有有效的网络管理和规范的网络安全管理机制。

3 数据库建设缺乏全面、统一的规划

基础数据定义标准不一致，难以共享。数据库的建设基本是由各单位自己开发，编码各异，结构不规范，难以兼容和共享，数据冗余严重，利用率很低。

现有数据种类不全，尤其是流域、水力资源空间数据库尚未建立，严重制约着各种应用模型的开发和应用效果，

数据存储处理能力不足，大容量存储设备欠缺，数据管理维护困难、繁琐，难以保证数据安全。

4 信息安全方面存在很大的隐患

缺乏网络安全监视和数据灾难备份与恢复等手段，

5 在基础设施建设中，标准规范不统一

当前各项业务规范建立较早，且各自成体系，未形成统一的标准，不利于灌区信息化体系发展。

3、系统总体设计架构模式分析

3.1 总体设计原则

灌区水资源配水及优化配置管理系统规划总原则是：集中化、标准化、集成化和扩展化。

3.2 总体架构

灌区水资源配水及优化配置管理系统覆盖灌区各个单位，涉及到灌区管理局各项业务，包括信息采集、传输、存储、信息标准与管理、应用系统等的建设，其关键在于实现灌区各种数据的整合、各种分析方法的融合以及为领导决策提供支持信息等。灌区水资源配水及优化配置管理系统主要包括基础设施、应用服务平台、应用系统以及技术支持和工程保障体系等。

1 基础设施

主要是完成各类信息从采集到数据的处理和存储全过程的软硬件设备，是水利信息化工程建设的基础。其采集的水利信息化各项信息资源，通过宽带计算机网络，快捷、实时地传输到数据存储与处理系统。

2 应用服务平台

应用服务平台是一个开放的资源共享和应用集成以及可视化表达的公用服务平台，由数据仓库、知识库、模型库和数据存取接口、应用服务中间件等部分组成，是业务应用的重要支撑。

3 应用系统

防汛抗旱、水雨情监测、灌区闸群自动化系统、灌区供水决策支持系统、视频监控、水质监测、水资源管理、三维仿真系统、地理信息、综合决策会商系统等应用系统，基于可视化应用服务平台基础上开发，为灌区管理局提供专业决策支持和信息服务。

4 保障体系

政策法规、组织领导、标准体系与技术支持等是实现水利信息化的保障和支撑。

3.3 逻辑结构

灌区水利信息化工程的基本组成包括了基础设施、应用服务平台、应用系统等，它们在逻辑上是一个整体，图1-1描述了它们之间相互逻辑关系，及其内部的逻辑关系。

灌区水利信息化工程建设是在宽带高速计算机网络上，通过将GPS、RS、遥测、人工观测等方式采集到的各类数据存入灌区水利信息化的数据库系统（包括基础数据库、专业数据库及政务数据库），形成以数据为核心的数据存储管理体系。在数据库系统的基础上，一方面，按不同的主题构建数据仓库，在模型和规则的指导下通过数据挖掘，对知识库进行补充，另一方面，通过以数据共享服务为特征的数据存取接口（存取中间件），为应用服务和决策会商提供支持，同时，还为业务模型提供管理服务（模型库）。应用服务平台中的应用服务中间件、数据仓库、模型库、服务管理等各部分之间没有固定的层次关系，而通过标准的互操作协议，相互关联，协同工作，共同支撑业务应用的实现。应用系统可以根据业务处理的需要，在标准服务协议的支持下，以数据库、模型库、知识库为基础，请求各种中间件服务，从而完成业务处理的功能，实现应用系统的集成。综合决策支持是灌区水利信息化服务功能的最高层次的应用，它以各专业应用系统为主体，通过应用虚拟仿真技术为各应用集成提供模拟分析的软硬件环境和虚拟现实、业务仿真的可视化环境，完成对灌区水利工作的监测、分析、研究、预测、决策、执行和反馈的全过程。

4、结语

进行灌区水资源优化配置是现阶段灌区水资源管理的迫切需求，建立统一的管理系统是实现灌区信息化的必要手段。灌区水资源优化配置管理系统的总体设计目标是运用先进的数据采集、传输以及处理手段，建立起覆盖整个灌区及相关地区、以信息采集系统为基础、通信传输系统为保障、计算机网络系统为依托、决策支持系统为核心的信息化综合应用平台。建成完善、合理的防汛综合数据库和高效、可靠、实用、先进的监测、预测、预报、信息查询和决策系统。

同时，使用灌区水资源优化配置管理系统后，灌区管理局可采用此系统及时、全面地了解和掌握流域内灌区水源的运行状况，并能根据实际情况为防汛、灌溉做出科学决策，实现排水、配水的适时合理调度，最大限度地发挥信息化系统的作用，实现对灌区进行现代化管理的目的。

参考文献：

[1]. 水利部信息化工作领导小组办公室， 水利信息化顶层设计初探及进展. 中国水利， 2009（08）： 第8-10页.

[2]. 陈金水， 灌区信息化发展. 中国水利， 2003（16）： 第35-38页.