智慧灌区建设要素及关键技术

周亚平 ，陈金水 ，高 军

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 210098）

0 引言

智慧水利是水利建设“十三五”乃至以后的发展目标，国家、地方及水利专业的学者都对此提出了建设计划和理论方法。但是，智慧水利如何实现，还未见到较为具体、可操作的方案。国家、地方及行业可以出台相应的智慧水利建设规划，包括宏观的目标、内容、标准等，而微观的技术方案则应该针对不同的水利领域，如水文、防汛防旱、水土保持、灌区、供水、灌排泵站等作针对性，精细化的考虑，从概念、技术方案、建设计划直至实现措施等方面进行研究，制定和安排。以灌区为例，提出应该考虑的建设要素和关键技术，以供同行讨论。

1 智慧灌区建设的背景

灌区作为水利的重要组成部分，无论是对水资源开发利用的影响还是对水利工程的整体协调和互为支撑，其作用都是不可忽视的。但是，何谓智慧灌区，目前还没有权威的定义，也鲜见对智慧灌区建设与发展目标、任务的讨论。仅以智慧水利为大背景，对智慧灌区的建设从技术层面做一个探索和研究。

1.1 智慧水利建设

《水利信息化发展“十三五”规划》指出：“十三五”要在“十二五”取得的成果基础上，推动数字水利向智慧水利转变，推进水治理体系和能力现代化[1]。各省水利厅根据地方实际和需求，相继研究和制定了智慧水利的发展战略，例如，四川省水利厅就于 2017 年编制了《四川省“智慧水利”顶层设计》。清华大学王忠静[2]对水联网及智慧水利关键技术的认识集中在 5 个方面：1）面向水文预报及需水预测的云计算技术；2）基于水联网及智慧水利的水资源需求云服务体系；3）基于智慧水利的多水源平衡配置技术；4）保障水资源精准配送的过程控制技术；5）不断标准化的水联网与水效能匹配评价技术。

1.2 灌区现代化建设

2011 年 9 月 7 日在水利部召开的“引嫩入白工程信息化项目可行性研究报告”审查会上水利部原副部长李国英对灌区现代化建设给出了 3 个阶段（信息化—数字化—智能化）发展的思路。陈金水[3]阐述了对 3 个阶段发展的理解，指出灌区智能化的最主要体现应该是“开展灌溉水资源配置模型及调度方法的研究”，也就是李国英所说的首先实现数字化，然后才能实现智能化。从宏观角度看，分步实现是必需的，但是，根据现代信息技术，特别是智能技术的发展，三步走不是绝对的，智能技术应该融入每一个阶段中，也就是树立全域智能的思想，具体如图 1 所示。

图 1 全域智能化发展理念

鉴于我国水资源的日益匮乏，而用水需求的日益扩大，水利部于 2014 年编制了《全国现代灌溉发展规划》[4]，以此为依据，针对大型灌区现代化建设，水利部又于 2016 年编制了《大型灌区现代化建设主要内容与建设标准》[5]。前者明确提出，“十三五”期间，全面完成大型灌区和泵站信息化建设任务，全面开展并基本完成重点中型灌区、小型农田水利建设重点县信息化建设任务，大中型灌区信息化水平 2020 年要覆盖 35% 的灌域，2030 年要覆盖 70% 的灌域。后者强调要采用 3S 技术、互联网技术实现灌区管理，工程与用水管理的信息化，通过灌溉管理决策支持系统，能够根据气象变化、作物需水等情况，进行灌溉预报和实施灌溉用水“总量控制、定额管理”的供水调度。条件较好的灌区应开展水源-渠系-田间一体化智能、优化调度，并能根据灌溉、水情、调度等信息进行灌区用水效率、效益及敏感性参数变化分析，为灌区运行管理提供数据支撑。显然，信息化已成为灌区现代化建设的重要内容。但是，作者认为，二者对运用信息技术促进水利现代化建设的认识高度和实施力度还不够充分，特别是智能技术的运用及“智慧水利”的实现，无论是发展计划、内容标准、技术方案、保障措施等方面均不太明确，跟不上现代信息技术的发展，可能形成国家和地方开展智慧水利建设的掣肘。

2 智慧灌区建设要素

灌区按照其自身的定义，业务职能主要包括水资源配置与调度和水利工程的运行与管理两大部分。

2.1 灌区的定义

灌区是具有一定保证率的水源，有统一的管理主体、完整的灌溉排水系统控制及其保护的区域[6]，灌区定义示意如图 2 所示。

图 2 灌区定义示意

但是，我国灌区目前基本上只管理渠系及其上的水利工程建筑，仅仅负责将水输送到支渠口或斗渠口，所供的水对其控制区域内的作物生长（有的灌区还担负当地工业、生活、生态等供水）是否经济、合理和最优，所排的水对控制区域内的河湖、地表和地下生态、环境的影响，水利工程损毁对下游的危害及应具备的防范和抢险措施等，灌区基本上不考虑，也未形成职责要求。

针对这种情况，灌区现代化建设提出了水源-渠系-田间的一体化管理策略，只是各个区段的权属不同而已。这将充分、合理地提升水资源的利用效能，并且大幅度提高水利工程的运行管理水平。

2.2 灌区的主要业务职能

2.2.1 水资源配置与调度

灌区目前难以获取供水对象的信息，也不能控制供水对象的需水要求，因此，现状通常采用静态配水和调度策略，即先编制需水和配水计划，再根据水源的来水预测进行水量平衡计算，最后提供水量调度方案。

2.2.1.1 作物需水计划编制

编制需水计划的目的是为了弄清楚各用水单元对于灌溉水的需求情况（包括需水量和时间），为灌区水量平衡与渠系配水提供依据。大多数灌区都是以支渠作为用水单元，各用水户首先向支渠管理机构提出需水申请，支渠管理机构根据需水申请，编制本支渠的需水计划上报灌区管理机构作为编制配水计划的依据。

用水户的需水申请按作物的轮期逐轮进行编写，通常以天为单位，也可以通过轮次和轮期确定需水的时间分布。按作物分类的需水申请要提供用水户名称和所属政区、作物名称、所属渠道、灌溉面积、需水量、灌溉日期、起始时间、终止时间、灌溉轮次等信息。根据各用水户申报的需水计划，管理人员将基本数据输入到需水计划数据库后，就可以编制配水计划。

2.2.1.2 配水计划编制

配水计划主要是制定各支渠口的水量分配计划。有了各支渠口的水量分配计划后，灌区的取水口（即水源处）就可以在汇总的基础上，通过水量平衡，制定供水调度方案。

支渠管理机构根据各用水户的用水申请，按照各段渠道和田间的水利用系数，分别求出逐日及每个轮灌期的需配水量，计算公式如下：

式中：W农j为第 j 条农渠分水口的毛需水量；Aji为第 j 条农渠控制的第 i 类作物的种植面积；mji为对应于灌溉面积的灌水定额；η农j为第 j 条农渠的平均水利用系数；η田为田间水利用系数；W斗k为第 k 条斗渠分水口的毛需水量；ηj-k为第 k 条斗渠中第 j 条农渠口到该斗渠分水口之间的渠道水利用系数；W支s为第 s 条支渠分水口的毛需水量；ηk-s为第 s 条支渠中第 k 条斗渠口到该支渠分水口之间的渠道水利用系数。

2.2.1.3 水量平衡计算

由于灌区范围内的水文、气象情况复杂多变，引入取水口的水量与配水计划完全吻合的情况比较少见，甚至是不可能的。因此，必须根据当年的水库蓄水量或河道来水量进行水量平衡计算，以确定实际配水量。在进行水量平衡计算时，要根据实际情况采取不同的措施。当取水口实际引入水量减少，而其差额未超过计划配水量的 5% 时，仍按原配水计划调配水量。当取水口实际引入水量减少，其差额在 5%～25% 范围之内时，应按照公式（4）修正配水计划，以求得供需平衡。

式中：W′ 为水量平衡后的配水量；W 为水量平衡前的配水量；y 为协调系数；ηa为正常供水时的渠道水利用系数；η 为供水量减少时的渠道水利用系数。

当水源严重不足，取水口可能引入的流量锐减，与原配水计划中的水量差额超过 25% 时，应采取非常措施，如重新划分轮灌组合等。

2.2.1.4 供水计划编制

供水计划主要根据平衡后的配水量确定取水口及各个分水口的流量及供水持续时间。在确定流量时，主要依据该轮灌期内计划供给的水量及轮期时间的长短，同时也要考虑渠道的过水能力、输沙能力及用水单位的特殊要求等。如果轮期内的供水量较大而轮期较短时，流量就较大，反之则小，控制原则是最大流量不能超过渠道或过水建筑物的过水能力。

2.2.1.5 控制点上下游水位、流量控制值确定

在计算出各区段的净、毛配水量之后，就可以根据渠道上、中、下游地段的自然和地理条件，过水建筑物形式、结构、物理特征的不同，考虑折算比例后，推算出各区段的净和毛流量，按照各控制点的水位-流量关系曲线求得各区段的上、下游控制水位值，以此指导过水建筑物或设施的运行。

粮食、供水和生态安全保障是国家对灌区确定的新任务。因此，灌区水资源配置与调度就完全不同于以前只局限于农业灌溉供水这个单一的职能。静态配水方法及过程必然要被优化配水和动态调度所替代。

2.2.2 水利工程运行与管理

图 3 描述了渠灌区的灌溉渠系结构及其控制建筑物（水闸）的布置。渠灌区灌溉渠系一般由干渠、支渠、斗渠、农渠、直灌渠组成，其输水控制基本上通过水闸的闸门开度实现。

图 3 渠灌区灌溉渠系及控制建筑物（水闸）示意

灌区各种各样的“口门”非常多，大的灌区可达几千个，传统的运行控制方式多为人工（现地手摇或电动启闭闸门）操作。在“十五”开始的信息化建设中，部分灌区的部分闸门采用了远程计算机控制，但是，基本上还是按照 2.2.1 节所述的水资源配置方案，通过调水员下达指令进行逐个闸门的操作。显然，这种方法耗时、耗力，控制时效难以满足灌溉和供水调度的要求，更与现代信息技术的发展及灌区现代化发展要求不相适应。

3 智慧灌区建设的关键技术

3.1 水资源配置与调度关键技术

要实现智慧灌区水资源配置与调度，首先要全面、系统地获取灌区的各种信息，并通过智能传感器实现信息正确性的整定，确保其可用性和可靠性。

3.1.1 智能信息获取

模式识别是智能信息获取的重要手段，也是非常有效的。以模式识别中应用最为广泛的图像识别为例，说明其在灌区信息获取中的智能特性。

3.1.1.1 一体化智能雷达流量计

图 4 a 所示的一体化智能雷达流量计集成了水位计、流速仪、RTU，固化了针对不同现场边界条件的流量计算模型（表面流速与过水断面平均流速的关系）及流量计算软件。流量计嵌入了智能判断软件，在低流速（＜ 0.15 m/s）时自动启用大功率天线以保证流速的获取。 同时，利用大数据技术，得到不同过水断面、糙率下的断面平均流速点位置与水位的关系如图 4 b 所示，大幅度降低了率定的工作量，也提高了一体化智能雷达流量计的量测精度。

图 4 一体化智能雷达流量计及测流原理

3.1.1.2 智能图像识别获取流速

基于视频图像的智能流速获取是利用摄像机对待测河流表面实时采集视频并截取帧图像，通过运动目标检测和定位等图像处理，判断从河流上游随水流一起运动的示踪物体（以漂浮小球为例）是否出现在摄像机位置处，如果出现，则计算上游示踪物体到达摄像机位置时的时间，再根据已知的 2 个指定位置点之间的距离即可获取目标物体的运动速度（流速）。

1）流速获取原理。如图 5 所示，如果以小浮球为示踪物，则根据示踪物投放时间与摄像机识别到示踪物的时间差及示踪物投放点至摄像机的距离就可以计算出流速，根据过水断面面积即可计算得到该断面的过流量。

图 5 基于智能图像识别的流速获取

2）流速获取流程。流速获取过程如图 6 所示。

图 6 基于智能图像识别的流速获取流程

3）主要算法。图 6 所示的流程中，视频捕获及图像帧截取和预处理算法均较简单，也是常规方法，为此主要说明其中的关键技术，即运动目标检测及定位算法。

运动目标检测常用的方法主要有光流法、帧差法、背景差分法等。当摄像机固定时，背景差分法能较好地将运动物体从背景中分离出来，但是，背景差分法需要一个能实现背景提取和更新的背景模型。为此，采用加权平均值法建立背景模型，然后对当前帧图像做中值滤波后进行减背景操作和自适应阈值分割获得运动目标，最后对目标二值化，其结果作为后续目标定位的依据。运动目标检测图示如图 7 所示。

图 7 运动目标检测图示

运动目标定位采用 Hough 圆检测 + 图像线（中心线）采样 + 直方图统计方法。当 Hough 圆检测到完整的圆时，以圆的垂直中心线为界，重复统计中心线两侧白色的像素数，当像素数相等时即说明目标物到达摄像机的中心位置，这时，目标定位完成。目标定位图示如图 8 所示。

图 8 目标定位图示

当检测到小球通过中心线时锁定时间。这时，小球投放的时间、投放点和摄像机架设点间的距离均已知，则可计算出表面流速，再根据流量计算模型即可计算出过流量。

3.1.1.3 水质卫星遥感监测

全国现代灌溉发展规划明确提出现代化灌区要对灌溉来水和退水进行水质监测。针对水质在线监测投资大的问题，可以通过对卫星遥感（也可以通过无人机或定点摄像机）获取的影像的分析，识别出污染物。水体被污染后，水体对电磁辐射的吸收和散射性质发生改变，导致传感器接收到的反射光谱发生变化，从而在遥感数据中得到反映。因此，只要建立适当的遥感“反演”模型，就可以根据遥感数据确定水中的污染物，并计算出污染物的浓度和覆盖面积。

1）水体光谱组成。水面及水体对光的反射机理如图 9 所示，卫星传感器去除了大气影响后，来自水体的光谱就由水面反射光、水体散射光和水底反射光 3 个部分组成。 其中，水面反射光基本无水质信息，当水深达到一定程度时，水底反射光极弱，因此均可略去，则到达传感器的光谱中就只有水体散射光。

图 9 水面及水体对光的反射机理

2）杂质对水体光谱的影响。一般情况下，在光学遥感波段，以悬浮泥沙为主的悬浮物使水体的散射光显著加强。耗氧性有机污染物和重金属使水体吸收率显著增强，叶绿素使水体在可见光波段吸收率增大，而在红外波段则出现反射峰，并存在特殊的荧光峰。这种在不同波段上散射和吸收性质的差异使得根据遥感资料定量反演几种主要杂质的种类和浓度成为可能。因此，可以建立水体反射率与水质成分含量的函数关系，求解后可得每个像素点的水质成分和浓度。

水质遥感可提取的参数取决于所采用的遥感数据的光学波段数及水体各成分的散射和吸收系数。目前，采用中高分辨率的卫星数据，可以定量反演出的水质参数为混浊度、耗氧性有机物（COD）+重金属、叶绿素浓度、油污含量等。其他参数则可以从这些参数中得到间接反映，如氮、磷含量增加会导致叶绿素含量的增加等。

3）水质遥感模型。不考虑水面和水底反射光，则所测水体的反射光谱主要来自水体中的水分子和水中悬浮颗粒物的散射光，则水体每个像素点的出水光谱反射率为

式中：θ 为光入射角；P (θ)为散射相函数；μ = (1 +1/cosθ)；βw，βs，βu分别为水分子、泥沙颗粒和污染物的光散射系数；αw，αs，αu分别为水分子、泥沙颗粒和污染物的光吸收系数；Ds为泥沙浑浊度；Du为污染物浓度。

式中，只有 Ds和 Du为未知量，θ 为已知量，所有的吸收率和散射率（水、泥沙、污染物）均可通过测试获得。因此，将 2 个波段的遥感数据代入式(5)，即得到一个二元一次方程组，对其求解就可计算出污染物浓度和泥沙浑浊度[7]。

3.1.2 水资源配置与调度模型

3.1.2.1 模型结构

1）年优化配置模块。年度优化配置先选择灌溉供水费用最小为目标函数，得出最优方案后，设置不同用水部门、灌溉单元的控制线，作为水库的分区调度线，以体现水库供水的优先次序。控制线包括农业、工业、生活用水和补水控制线等。

2）水量调节模拟模块。水量调节模块主要包括在水量分配过程中的各种调度规则，如上游调蓄水库、中下游塘坝、湖泊及泵站和涵闸的调度规则。水量调节还要确定生活、工业、农业、生态供水的优先次序。

3）需水预测与用水计划模块。该模块是对不同用水部门（生活、工业、农业、生态等）所进行的不同水平年的长期需水预测并以此制定用水计划。

3.1.2.2 调度流程

根据年优化配置、水量调节模拟及需水预测与用水计划建立的灌区水资源配置模型，灌区的水资源调度按照图 10 所示的流程进行。

3.1.2.3 模型组成

图 10 灌区水资源优化调度流程

1）目标。采用人均国内生产总值（GDP）最高作为经济发展的目标，人均生物化学需氧量（BOD）最低作为生态环境目标。

2）约束条件。GDP 与各部门产值的关系；经济结构，即国民经济各部门投入产出结构的关系；组成各部分最终需求的居民和社会消费，固定资产流动资金，以及在不同阶段的发展变化规律；农、林、牧、副、渔各业之间的产值结构关系；灌溉面积变化及粮食单产的变化；不同的节水灌溉技术措施和投入变化及产出的效益变化；种植业、经济作物、林、牧、副、渔各业之间的产值结构关系；粮食作物的种植结构关系，耕地面积及其变化；粮食单产、价格变化，不同阶段人均粮食占有量的期望水平，粮食调入、调出关系；BOD 排放与污水排放和处理之间的关系；BOD 排放量与工业、农业、城镇生活的关系；BOD 排放量与技术进步的关系；不同阶段人均 BOD 期望水平；城市与农村用水的供需平衡；城市与农村用水的调配关系。

3）建立模型。用国际公认的基于优化技术的通用代数建模系统（General Algebraic Modeling System，GAMS）作为模型。

3.1.2.4 模型求解

模型中目标函数为

式中：ZB 为目标函数；i 为用水户或部门；j 为地区；X 为用水量；C 为用水效率；f 为用水效益与用水量之间的函数关系及生产函数，体现水资源利用对经济、社会和环境转化的能力；R 为公平系数或权重。

模型的目标函数 ZB 为非线形函数，在约束条件很多情况下呈非线形变化。因此，灌区的水资源优化配置是一个非线性大系统优化问题。

3.2 水利工程建筑物运行与管理关键技术

3.2.1 无人值守的智能工程运行监控

为了保证灌区输水渠道的水质，避免人畜入侵造成生命财产损失，灌区现代化建设要求根据需要建造渠道隔离装置，图 11 所示的是以栅栏作为隔离装置并安装了入侵监控的渠道。

图 11 渠道隔离栅栏及入侵监控

但是，这种隔离装置的防范是被动的，为了实现主动防范，应设置入侵监控设备，在事发时或事发前就及时报警（发送信息给管理人员），并现场启动威慑装置（如喊话喇叭、音响警报等）警告威慑入侵者，晓以利害，尽可能避免事态发生。采用智能图像或雷达扫描识别就可以很好地解决这个问题。

3.2.2 非常态水工建筑物控制

水资源配置控制过程一般分为常态和非常态控制，3.1.2 节讨论的是常态控制。非常态控制指异常气候（包括严重旱情、瞬间强降雨等）、特殊社会要求（包括水污染、洪水控制、应急调水等）和工程事故（包括溃堤、漫顶、边坡塌方造成的渠道堵塞等）。这种情况通常没有预案，以工程人员的经验为主，现场应急处置。这种方式由于时效性差，无法最大限度地避免工程危险和控制水量损失。

灌区无论水源多少，渠系多复杂，都可以以单水源、单约束为基本体系[8]，单水源、单约束非常态控制过程活动图如图 12 所示。容易推论，如果发生非常态事件，则在关闭距离事件发生点最近的闸门控制点之后，依次重新配置所有渠系的水资源供给，然后调节控制点。因为每一个渠系的配置过程都是相同的，所以呈现基于单水源、单约素渠系的递归过程。采用工作流技术，简单地编写一个如图 13 所示执行过程的递归程序，就可以智能地解决不同位置发生的非常态事件的控制问题。

图 12 单水源、单约束非常态控制过程活动图

图 13 基于单水源、单约束的渠系非常态控制过程的递归程序

4 结语

按照灌区的主要业务工作，依据信息化，特别是智能化发展的趋势，通过例子说明（只是探索性的，未做全面、系统的阐述）智慧灌区建设的要素以及关键技术，探讨了灌区建设与管理如何融入智慧水利的整体发展。第 34 届水环境工程与研究国际会议开幕式上，莎伦博士的主题报告“信息技术在全球水系统中的支撑作用”指出新一代信息技术正从装置化、互联化、智能化 3 个方面对世界“水系统”产生影响与作用[9]。她表达了一个这样的思想，水利要实现智慧化，应该逐步将水利工程现场施工建造逐步转化为工厂制造现场安装，并且全面实现水利工程建筑物的互联，通过人工智能技术实现对水资源配置与调度及工程运行管理的自动化。可以从中获得思考、启迪和借鉴。