淠史杭灌区智能化量测控水与农业节水示范区建设构想

刘平义 ，南娜娜 ，王吉星

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 安徽省淠史杭灌区管理总局，安徽 六安 237005）

0 引言

灌区在我国农业中具有至关重要的地位和作用，是保障国家粮食安全和社会经济用水安全的基础支撑，是落实节水优先的主战场。随着我国“四化同步”战略加快实施，灌区的现代化改造与发展已经成为当前及未来一段时间我国灌区建设和发展的核心工作。2018 年中央一号文件《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》进一步明确要实施国家农业节水行动，加快灌区续建配套与现代化改造，推进小型农田水利设施达标提质，建设一批重大高效节水灌溉工程[1]。中华人民共和国《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》和《水利改革发展“十三五”规划》提出“完成 434 处大型灌区续建配套和节水改造任务”要求[2]，国家发展和改革委员会、水利部组织编制了《全国大中型灌区续建配套节水改造实施方案（2016—2020 年）》，方案核定了淠史杭灌区改造工程投资规模与主要建设内容，是“十三五”期间淠史杭灌区续建配套节水改造工作的重要依据[3]。通过安徽省淠史杭灌区续建配套与节水改造（2016—2020 年）工程量测水设施专项项目的实施[4]，大幅度提高灌区基础信息采集和传输的时效性和准确性，充分发挥已建水利工程设施的效能，为制定合理的水资源配置和调度方案提供科学依据，从管理层面上强化续建配套与节水改造的作用效果，并为实现灌区现代化打下基础。

按照“节水优先、生态之基、智慧管理、共建共享、魅力人文”的淠史杭灌区现代化建设原则[5]，开展淠史杭灌区智能化量测控水农业节水示范先行先试，探索以节水和增产为目的，实现粗放性节水到精细化节水转变，促进灌区管理科学发展。

1 建设模式

1.1 平台架构

通过物联网将现实灌区与数字灌区进行有效融合，感测、整合、分析灌区生产运行过程中的各项信息，对农业、工业、生活等用水的各种需求做出智能响应，为灌区管理者和用水户提供方便、快捷的智能化服务。灌区量测水系统结构如图1 所示。

建设以“1 个中心 + 1 个平台 + 1 个门户”为重点的系统业务体系[6]。其中 1 个中心即水利云计算数据中心，实现水利数据的安全存储、多部门共享和大数据综合分析；1 个平台即智慧灌区数据源采集平台，开展水雨工情等数据的自动化传感或人工方式的采集，实现数据从采集、传输、处理、整编、分析、展现及数据推送的规范化数据服务，实现设备监测数据和运行状态智能化运维管理；1 个门户即以灌区一张图为基础的一体化应用门户，统一用户管理、单点登录，汇集水资源调度与管理、防汛决策支持、水利工程管理、农村用水协会水利管理、灌区综合信息服务等全业务的集成和全方位通用一体化应用。系统业务构架如图2 所示。

1.2 量测控水

智能化量测控水是智慧灌区数据源采集平台基础。灌区量水大约分成以下 3 个不同的发展阶段：

1）人工化量水阶段。着重点在人工“量”。

2）自动化量测水阶段。着重点在利用仪器设备进行“量和测”。

图2 系统业务构架图

3）智能化量测控水阶段。着重点在“量测加控”，如利用一体化闸门技术。

选择安徽省淠史杭灌区潜南干渠花岗支渠进行示范区试点[2]，并运用智能化量测阶段发展的量测控技术手段。

2 智能化量测控水农业节水示范区建设

2.1 示范区基本情况

花岗支渠是肥西县淠史杭工程淠河总干渠潜南干渠灌区境内的一条重要支渠，支渠位置如图3 所示。渠首位于潜南干渠中下游 35 + 135 处，渠道全长为 18.95 km，渠首设计流量为 4.59 m3/s，设计灌溉面积为 6 000 hm2，自青阳分水闸处分为左右 2 条支渠。左支渠设计流量为 3.02 m3/s，长度为 7.55 km，灌溉面积为 4 000 hm2。右支渠设计流量为 1.20 m3/s，长度为 6.029 km，灌溉面积为 1 600 hm2。花岗支渠下有斗渠 5 条，农渠 14 条，毛渠若干条。支渠现有配套建筑物支渠进水闸 2 座，节制闸（含跌水）23 座，放水涵 175 座。

图3 潜南干渠灌区花岗支渠布置图

目前灌区上、下游用水很不均匀，上游灌区水源条件好，用水浪费严重，部分地区灌溉用水定额高达 9 000～12 000 m3/hm2，而下游灌区往往苦于无水可用，灌溉用水定额仅为 3 000～4 500 m3/hm2，干旱年份用水更为紧张。

示范建设指标如表1 所示。

表1 花岗支渠现代化灌区近期建设主要指标

2.2 示范技术

肥西县潜南干渠花岗支渠量测水设施及信息化系统包括信息采集、全渠道控制 TCC（Total Channel Control）、智能化量测控水农业节水综合应用等方面。

示范区业务模块配置为智能化量测水监测计量—作物需水—灌溉决策支持—反馈闸门控制。

2.2.1 量测水监测计量

节水示范区将从花岗支渠首到支渠、斗渠、农渠、放水涵量测水设施等一系列进行标准化和规范化设计，并在此基础上建设量测水信息采集系统。全渠道实现量测水量精准计量，形成闭合的用水精细化管理模式，建立和谐用水关系和农业节水长效机制。

根据支渠、斗渠、农渠、放水涵的现场情况选用合适的自动化计量设施，以远程传输数据的方式，将采集的流量信息传送至中心站或智慧水利云计算数据中心，基层水管站和用水管理部门按照管理权限直接登录访问。

支渠口进水闸水量监测采用水工建筑物计算计量方式；斗渠、农渠口水量监测采用雷达波流量自动监测方式；放水涵水量监测采用非满管流量计自动监测方式。

2.2.2 作物需水监测

1）土壤墒情及农作物生长信息采集。土壤墒情及农作物生长信息包括田间蒸发量、地下水位、土壤瞬时含水量、作物需水量等。通过对田间墒情及各类农作物生长及水分需求信息的采集并通过实验研究，获取影响作物生长的关键信息，为灌区的节水灌溉和水资源优化调度提供科学依据。

2）水雨情监测。水雨情信息是根据水雨情分析灌区和自然来水量，以实现需水量的科学补充配置。

3）气象信息采集。除降雨外，其他的气象要素如水面蒸发、气温（包括日平均、最高和最低气温）、风速、太阳辐射、空气湿度等对于农作物的耗水有重要影响和对于灌区准确和及时配水至关重要的气象因子参数。

2.2.3 灌溉决策支持

1）根据封闭区间各“口门”的水量输送过程，计算该区间来水、用水的平衡度，分析渠道乃至渠系水利用系数，结合淠史杭灌区来水和用水的具体情况评估水资源利用的合理性，为下一轮调配方案的制定提供参考依据。

2）根据水资源调配要求，建立调配模型，编制调度过程及软件，尝试实现如图4 所示的闭环控制机理和机制，按照水资源调配要求的控制水位或流量实现闭环控制[1]。

图4 水资源调配模型示意图

2.2.4 反馈闸门控制

闸门监控[7]。对现场配水闸门进行远程监控，同时还监视各闸门的位置及运行情况，当出现闸门故障时系统能及时报警。为便于现场的调试、维护和紧急情况处理，系统能就地对闸门进行控制。闸门启闭过程由设在闸门附近的摄像头及闸室内的摄像头监视整个过程，确保闸门正启闭。闸门启闭后，设在闸门下游的水位监测设备能在短时间内反馈渠道水位的变化，以校核闸门启闭情况。渠系闸门监控系统构架如图5 所示。

选择支渠上一块比较完整的（水稻）农田 33 hm2作为试验田，建立全渠道控制 TCC 渠道控制方案，作为渠道水量精准计量试点。在灌区渠系或输送系统中加入一系列一体化测控槽闸可优化水源的逐级供给，保持农户用水的流量均衡，同时杜绝渠道末端出现多余水源流失的现象。

一体化测控槽闸是整套全渠道控制系统的组成设备之一。由模块化的硬件和软件组合而成的全渠道控制系统可以为用户提供定制的解决方案，比如渠系管理和控制，需求管理，用户订水管理和收费。一体化测控槽闸可以与全渠道控制系统的其他设备相结合为灌区所面临的挑战提供解决方案，比如配水效率、运行控制，精确计量和为农民服务的水平等。全渠道控制 TCC 系统如图6 所示。

图6 全渠道控制 TCC 系统模型

在灌水渠道运行中普遍存在的溢流和弃水造成水资源严重浪费。保守的渠道管理和人工调节闸门导致渠系内水位波动大，各供水点流量不稳定，导致土壤过度渗透及多余的水从渠系末端流失；渠道运行缺乏灵活性，农户得提前数天订水，也就是说农作物需要灌溉的时候农户不一定有水，给农户造成耕种损失；流量测量不够频繁和准确，渠系管理水平无法提高；供水点计量不准确及漏水导致供水不公平；难以确定渠系哪一段渗漏严重等一系列问题发生，使得用水效率低下。为避免水资源浪费，改善生态环境，使农户受益于可靠的供水体系，就要有这种信息化、数字化、智能化的渠系控制 TCC 解决方案。

渠系控制需求运行程序如下：

1）农户开始灌溉时，取水口立刻向上游的闸门发送流量需求信息。

2）上游闸门的回应是向该渠段输送额外流量。

3）下游的闸门监测理想水位的变化，然后将这一信息发送到上游闸门，对闸门的开度稍做调整，以确保水位保持在适当水平。与此同时，上游闸门将额外流量需求信息传输到上游的下一个闸门。

4）上游的那些闸门打开，将额外流量输往有需求的渠段。

5）渠系的这一段上下游的闸门也监测水位，同时将信息传输到上游闸门对流量稍加调整，以确保本渠段的水位保持在适当水平。

6）上述程序在整个渠系持续，以保证适当水量通过各相关闸门，将水位保持在适当水平，而不发生溢流。至此，渠道末端的溢流现象就此消除了。反过来，当农户停止灌溉，信息从取水口传输到该农场上游的闸门，由该闸门减少水量，而下游闸门监测水位并将信息传输到上游闸门，对流量稍做调整。这一程序也是沿渠道各闸门重复，利用渠系内可用储存将返回到渠系内的流量存起来。

2.2.5 智能化量测控水农业节水综合应用业务

综合应用业务包括信息采集接收、数据库、管理及用水管理决策等系统[8]。用水管理决策系统是整个信息化系统的核心部分，包括灌溉管理辅助决策支持、水资源管理决策支持、工程管理、水价电子核算、灌区信息共享与信息服务等系统。

以灌区供用水管理业务为核心，对灌区的地理、工程、监测、供用水管理、工程运行管理与调度等信息进行数字化处理，并开发基于手机移动端的灌区供用水信息管理与发布平台，提高示范区供用水综合信息管理的水平与效率。

通过农业灌溉用水量总量控制，定额管理，终端计量；形成一条进多少水，用多少闭合回路；调控各区域内水量均衡；灌区渠系水利用系数从 0.55提高到了 0.65。

3 经济效益分析

花岗支渠农业节水示范工程改造实施后，经济效益主要体现在节水、增产 2 个方面：1）改善了灌区用水条件，提高了现有灌溉面积的灌溉质量和保证率，提高了粮食产量；2）减少跑水、漏水、漫水等现象，提高了渠系水的利用系数，节约的水量可以新增灌溉面积，再增加粮食产量。

3.1 节水效益

近 3 a 的灌溉资料统计显示，花岗支渠农业节水示范工程改造实施后每年节约用水 528 万 m3，灌溉水利用系数按 0.50 考虑，则可利用水量为 264 万 m3，查《淠史杭灌区水稻灌溉效益、分摊系数试验研究》报告，50% 降雨年型灌水效益为 1.303 kg/m3，考虑水利分摊后，则节水效益为 723×0.332 = 240 万元。

3.2 增产效益

根据调查资料统计，花岗支渠农业节水示范工程改造实施改善了灌溉面积 3 800 hm2，其改善灌溉面积粮食增产量为 975 kg/hm2，则改善灌溉面积可增加粮食产量为 370.5 万 kg，粮食单价按 2.1 元/kg 计，则改善灌溉面积可增加效益为 778 万元。根据安徽省淠史杭总局灌溉试验总站认证的灌溉试验研究成果《淠史杭灌区水稻灌溉效益、分摊系数试验研究》报告及淠史杭总局灌溉调度处多年的水雨情资料分析，淠史杭灌区正常年份属 50% 降雨年型，灌溉效益分摊系数取 0.332，则灌溉增产效益为 778 ×0.332 = 258.3 万元。

4 结语

通过淠史杭灌区潜南干渠花岗支渠智能化量测控水农业节水示范区建设，初步形成现代化灌区“雏形”，以点带面，逐步推广。淠史杭灌区提出了“节水、生态、智慧、共享、魅力”的现代化改造目标，将以灌区信息化作为灌区现代化的基础支撑和重要标志，着力加强节水示范建设，率先从全面提升感知能力、全面加强互联互通、提高基础设施能力、实现信息充分共享、大力推进智慧应用 5 个方面进行灌区农业节水的探索与实践。主要应用效果如下：

1）基础条件较好的灌区渠系逐步开展上述示范的水源-渠系-田间的一体化智能、优化调度系统，并根据灌溉水量、水情等信息进行灌区渠系用水效率、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。

2）农业节水工程与用水管理实现信息化，具有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。根据农业生产要求，适时提供灌溉排水优质服务，实现灌溉用水“适时、适量”的管理目标。