基于GIS的玛纳斯河灌区信息系统设计与应用

王玫丽 ，谈晓珊 ，高 军 ，张新宇

（1. 新疆玛纳斯河流域管理处，新疆 石河子 832000；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 引言

新疆玛纳斯河（简称玛河）位于天山北坡经济开发区核心地带，东至塔西河，西至巴音沟河，南至依连哈尔尕山，北至古尔班通古特沙漠，东经84°47′～85°31′，北纬 43°40′～45°30′。新疆玛纳斯河灌区作为一个大型灌区，既有静态（历史档案）资料，也有动态（实时数据）资料，既有空间信息，也有属性信息。现有业务应用功能相对单一、开发利用深度不足、标准化程度不高，现有信息系统无法支撑玛管局履行水资源管理、防汛抗旱、量测水和水土保持等业务职能，也难以做到信息共享。

目前，信息技术渗透到水利行业并飞速推动行业发展，为了进一步提高水资源利用的效率，依据玛纳斯河灌区水管理现状和持续发展的实际需求，通过系统规划，逐步建设灌区水管理信息化系统非常必要[1]。玛纳斯河灌区信息化建设就是要运用现代新技术，充分利用灌区信息资源，包括信息的采集、传输、存储、处理、查询和执行等[2]，以提高采集的准确性及传输的时效性，做出全面、准确的反馈、决策和预测[3]，提高水的利用效率和灌区的综合管理水平，推进灌区水管理工作的健康发展。

1 系统架构

玛纳斯河灌区信息系统以信息采集与工程监控为基础，以资源共享为核心，以信息化运行环境及信息安全保障体系为依托，以电子政务和综合业务系统建设为主线，推动玛河流域的水利信息化建设。总体框架如图1 所示。

1.1 数据采集

数据采集利用现有的数据采集基础平台进行水情、雨情、工情、气象和水质等相关数据采集。

1.2 数据中心

数据中心是运用数据库、网络、信息化、GIS等技术对水利信息分门别类地建立电子数据存储、交换和服务的集散地，是实现水利信息资源共享和互操作的重要基础设施，是提高水利信息化水平的重要保障，主要包括数据汇集、数据库及应用支撑平台[4]。

1）数据汇集层。通过数据汇集层的建设，实现对各种数据的采集、管理与分析，按照不同类型的数据设计相应的汇集录入流程，实现数据汇集的智能化，减少数据入库的工作量。

2）数据服务层。将集成历年信息化建设过程中积累的信息成果，包括水文特征、空间地理、工程、历史、各业务系统专用等信息的数据库；同时根据水利业务发展的需要，对现有基础数据资料进行完善。

图1 系统体系架构图

3）应用支撑层。应用服务层的建设是在应用支撑平台基础上，根据业务应用系统实际需要进行开发与建设，从而实现对数据综合处理、GIS 地图应用、工程调度、业务处理等专题服务之间的调用，相互触发与数据交换实现对各种专题服务的集成。

1.3 人机界面层

应用系统的建设建立基于 Web Services 的友好人机交互界面访问接口进行界面集成，将各应用模块涉及到的分析方法、表现手段通过数据输出与界面展示。

2 基于 GIS 的玛纳斯河灌区信息系统

2.1 地理信息系统

1）基础地图服务。根据已有的地图服务（矢量图）、图层服务（包括各种水利要素图层）及空间数据等，建立基础地图服务。针对水情、工情、工程建筑等查询与分析提供基于 Web GIS 的定位数据分析服务，实现目标区域的地图与实时水利信息的叠加和融合[5]。

2）水利信息分类展示。通过分类目录的方式，实现对水文、防汛抗旱、水源、河网、农村水利、水土保持、水利工程等水利专题数据信息的分类展示，不同类型的专题信息以空间图形的方式展示到地图上，属性以列表的方式显示，支持属性和空间的联动[6]。

3）水利信息查询展示。通过行政区划、输入范围、缓冲区范围等信息，查询某一空间范围内水利专题数据分布和属性信息情况。

4）水利信息全文检索。提供全文检索功能，支持对河网、水利工程等水利专题信息的名称进行查询检索，查询结果以空间图形形式叠加到地图上显示。

5）空间定位。提供坐标、河流、道路、行政区、地名等定位方式，快速定位到所需要浏览、查询的区域。

2.2 灌区用水管理

灌区用水管理包括灌区基础数据、工程信息、测流计算、水情资料整编等管理信息，以及水位、流量关系曲线拟合、水费计收、灌区综合信息查询等。

1）灌区基础数据管理。提供针对灌区的基础数据登记管理，包括灌区基本信息、社会经济情况、灌区组织机构、人员基本信息、灌区相关多媒体信息及相关法律法规等。

2）灌区工程信息管理。提供针对灌区相关工程基础数据管理，包括灌区工程概况，以及取水、输水、配水、排水等系统管理。

3）灌区工程巡检管理。针对灌区的水利工程及建筑设施的管理工作设计的应用功能，充分利用 GIS 技术，为灌区管理人员完成水利工程档案管理、巡检、养护、维修及项目申报奠定良好基础，提高工程管理水平和运行效率。

4）测流计算管理。根据测流时间、起点距、断面水位、水深、历时、转数、糙率等信息，结合测流计算公式进行流量计算，并将结果保存数据库。由各级测流人员对站点测流基础数据进行录入，并进行增加、修改、删除等操作；通过权限设定，只有授权人员才能对测流计算成果进行访问操作，并提供测流计算成果导出；

5）测流计算成果管理。将每一次测流计算的结果录入成果库进行管理，提供截止时间段内的测流计算成果数据查询，查询结果以数据报表的形式显示并可打印输出，并提供测流计算成果数据导出。通过权限设定，只有授权人员才能对测流计算成果表进行操作。

6）水位、流量关系曲线拟合。灌区流量主要通过水位、流量关系曲线换算，因此需要人工输入几点水位、流量，通过录入的水位流量数据拟合整个断面的水位流量关系曲线。

7）水情资料整编管理。系统根据当前选择的站点，在某一时间段范围内，选定某一条符合条件的曲线数据对流量、水量数据进行重新演算操作，该模块的功能主要是校核流量、水量数据。

8）水费计收。包括应收水费管理和征收 2 个部分，同时为配合开展水费征收，还有必要建立水费征收相关信息的查询，包括用水量查询及水费征收预警监视等。

9）综合信息查询。建立综合信息查询分析体系，实现灌区实时信息查询、综合报表输出等功能；提供包括用水量、作物分布、渠系综合信息等查询；通过综合信息的查询分析，为计划管理人员及时掌握当前灌区可用水量、计划和实际用水量等信息；建立灌区、干渠、支渠、斗渠、重点区域、重点单位的用水量汇总统计与报表输出，包括年度、季度、月度、日用水量等总结[7]。

2.3 系统管理

系统维护管理主要功能模块包括：用户权限设置和系统建设文档管理及系统使用帮助。

1）用户权限设置管理模块。建立用户权限库，实现对系统使用用户的分组、权限设置、使用范围限制等管理，访问控制细化到各子功能。

通过权限的设置对用户的界面和相应的功能进行控制。按角色对权限进行灵活地控制分配。新增加的角色提供默认权限。分配权限的管理员可以逐级下放，实现多级管理。

2）系统使用帮助。帮助文档入库，可以输入关键字进行搜索并得到相应的帮助信息，给使用者提供在线帮助。

3）系统建设文档管理。提供系统建设文档内容的上传、归档管理，提供文档检索、调阅。

4）统配置管理。提供应用系统基础信息配置，主要包括系统功能菜单、功能菜单路径等配置相关信息的管理。

3 系统量测水功能

根据目前灌区的量测水现状，结合明渠量水规范，将各种量水方法固化到系统中，用户可以方便快捷、直观有效地对所在灌区范围内的重要渠道、闸门、监测站等水利设施的水量信息进行测量和计量（遥测信息可以自动采集至系统中，人工观测信息可以通过观测人员手机短信或手工输入方式传输到系统中），系统根据预先设定的各量水站点的量水方式和参数，选用相应的计算公式，对传输过来的信息进行处理，快速生成相对准确的流量、水量数据，通过曲线拟合的手段推导出适用性较强的水位、流量关系曲线，从而根据水位得到流量。并且可以通过软件模拟输配水过程，查看不同测点的水位及流量，为灌区水资源的合理利用、配水调度、防汛抗旱等工作提供有力的支持。

灌区量测水管理实现通过流速仪实测及历史数据率定得出的量水计算公式，将自动遥测设备上报的实时数据和人工上报的观测数据进行自动计算，计算日平均水位、日平均流量和日水量。不同的量水方式采用计算公式，根据 GB/T 21303—2017《灌溉渠道系统量水规范》，提供标准断面、闸门、巴歇尔槽、无喉道槽、宽顶堰、跌水和流量计 7 种量水方式。提供数据整编功能，使用户可以随时根据流量曲线的变化情况校核历史数据。有效、科学的管理运行，为灌区持续发展打下良好基础；通过信息化手段整合了灌区水资源调度配置，使灌区水利用率提高，减少了水成本，使灌区工农业均受益，供水成本降低，农民负担减轻，促进灌区和谐发展；通过建立灌区现代化调度管理手段，提高了灌区工作效率，减少了工作时间和强度，杜绝了很多不必要的办公成本，有效节省了管理开支。未来希望将进一步研究大数据、物联网、云技术等在大中型灌区信息化和现代化建设中的应用。

4 结语

基于 GIS 的玛纳斯灌区信息系统实现地理信息与灌区管理信息在同一平台下的结合，为玛纳斯河流域管理处提供一种新型的、可视化的、高效的管理系统，实现了对灌区各类信息的有效管理、编辑和维护，充分实现了信息共享，大大提高了灌区管理水平，也使各级水利行业主管部门能够及时、全面地了解掌握灌区和行业发展的状况。

本系统优化了水资源的调配效率，改善目前玛纳斯灌区以多个水库为重点水源，多水源调配不均，利用率不高的问题；保证了工程设施的安全、