灌区农业水价综合改革管理信息系统研发与应用——以德令哈市怀头他拉水库灌区为例

余根坚，郭 静，王 鹏，侯淑媛

(中国水利水电科学研究院，北京 100048)

0 引 言

农业是用水大户，也是节水潜力所在。长期以来，我国农田水利基础设施薄弱，运行维护经费不足，农业用水管理不到位，农业水价形成机制不健全，价格水平总体偏低，不能有效反映水资源稀缺程度和生态环境成本，价格杠杆对促进节水的作用未得到有效发挥，不仅造成农业用水方式粗放，而且难以保障农田水利工程良性运行。为建立健全农业水价形成机制，促进农业节水和农业可持续发展，在总结试点经验基础上，国务院办公厅印发《关于推进农业水价综合改革的意见》(国办发〔2016〕2号，以下简称《意见》)[1]。《意见》的指导思想：全面贯彻党的十八大和十八届三中、四中、五中全会精神，认真落实党中央、国务院决策部署，按照“四个全面”战略布局要求，牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，围绕保障国家粮食安全和水安全，落实节水优先方针，加强供给侧结构性改革和农业用水需求管理，坚持使市场在资源配置中起决定性作用和更好发挥政府作用，政府和市场协同发力，以完善农田水利工程体系为基础，以健全农业水价形成机制为核心，以创新体制机制为动力，逐步建立农业灌溉用水量控制和定额管理制度，提高农业用水效率，促进实现农业现代化。《意见》的总体目标：用10年左右时间，建立健全合理反映供水成本、有利于节水和农田水利体制机制创新、与投融资体制相适应的农业水价形成机制；农业用水价格总体达到运行维护成本水平，农业用水总量控制和定额管理普遍实行，可持续的精准补贴和节水奖励机制基本建立，先进适用的农业节水技术措施普遍应用，农业种植结构实现优化调整，促进农业用水方式由粗放式向集约化转变。《意见》的主要工作任务：①夯实农业水价改革基础(包括：完善供水计量设施，建立农业水权制度，提高农业供水效率和效益，加强农业用水需求管理，探索创新终端用水管理方式)；②建立健全农业水价形成机制(包括：分级制定农业水价，探索实行分类水价，逐步推行分档水价)；③建立精准补贴和节水奖励机制(包括：建立农业用水精准补贴机制，建立节水奖励机制，多渠道筹集精准补贴和节水奖励资金)。

按照党中央、国务院决策部署，青海省政府《关于印发推进农业水价综合改革实施方案的通知》(青政办〔2017〕21号)[2]，综合考虑各地实际情况和改革基础，用10年左右时间(到2025年)，以已建的89处万亩以上中型灌区为重点(包含全部小型灌区)，分3批、3阶段实施改革工作；同时在建立科学合理的农业水价形成机制、健全系统完善的农田水利设施体系、构建良性长效的工程运行管理体制、健全集约高效的农业用水管理制度和建立精准持续的农业用水补贴和节水奖励机制等方面提出了具体改革目标和任务。青海省水利厅下发《关于贯彻落实<省政府办公厅关于印发推进农业水价综合改革实施方案>的通知》(青水管〔2017〕110号)[3]，要求各市(州)、县水利(水务)局加快农业水价综合改革，按照时间节点要求，强化工作职责、制定实施方案和年度计划，落实保障措施。

当前，全国范围内农业水价综合改革工作正在稳步推进。为贯彻落实国家、青海省政府和省水利厅等一系列文件要求，海西州德令哈市将怀头他拉水库灌区列入第一批农业水价综合改革灌区名单(2017～2019年)，作为2018年省级重点推进灌区。根据海西州水利局和海西州财政局关于《德令哈市怀头他拉水库灌区农业水价综合改革项目实施方案》的批复(西政水字[2018]327号)[4]，该项目除了需要开展：明确农业初始水权、灌区农业水价测算与水费计收方式、强化灌区用水管理、落实工程产权与管理权、落实农业节水精准补贴机制和节水奖励机制、用水计量设施配套建设、闸门远程自动控制改造、网络信息中心建设等，还需研发灌区农业水价综合改革管理信息系统、并实际应用。

怀头他拉水库灌区农业水价综合改革管理信息系统(以下简称：系统)以水情、工情等信息采集和闸门远程自动控制为基础，综合应用软件开发、自动控制、数据库和地理信息等技术，对灌区取用水信息自动采集、传输和处理，实现测、监、管、控一体化。结合怀头他拉水库灌区在用水管理工作中的实际情况，以计算机方式抽象到系统中，取代原有灌区人工量测水和手动控制闸门等工作，提高灌区用水管理工作的效率和精度，使得灌区工作人员可以方便快捷、直观有效地对所在灌区范围内的重要渠道、管道、闸门、监测站等水利设施的水量信息进行测量、计量、监视与控制[5]，为灌区水资源的合理利用、灌区配水调度、水费征收、防汛抗旱等工作提供有力的支持，也为提升灌区管理部门决策和管控能力、提高对农民的供水服务水平、实现灌区现代化提供智慧、高效的信息化管理工具。

1 系统建设背景

德令哈市位于青海省西北部，位于海西州中部的巴音河畔。地理位置处于东经96°15′～98°15′，北纬36°55′～38°22′，平均海拔2 980 m，总面积2.77 万km2，其中市区面积25 km2。怀头他拉水库灌区的灌溉用水来源于怀头他拉水库，设计灌溉面积2 100 hm2，现状有效灌溉面积800 hm2，现状灌溉水利用系数为0.46。

德令哈市怀头他拉水库灌区农业水价综合改革以保障粮食安全、供水安全和建设现代农业为导向，以促进农业节水和农田水利工程良性运行为目标，完善农田水利设施体系，健全农业水价形成机制，创新农田水利管理体制机制，逐步建立农业灌溉用水总量控制和定额管理制度，提高农业用水效率和效益，助推灌区现代化和农村经济可持续发展。

以明晰水权、定额管理为前提，以配套完善供水计量设施为基础，以强化水费征收为前提，采用科学、系统、现代的手段，有效使用互联网、物联网、大数据技术，建设怀头他拉水库灌区集监测、控制、计量和信息化等技术在内的灌区农业水价改革管理信息系统。系统提供信息监视与服务、闸门自动化监控、灌区水费计收、综合统计分析和灌区基础信息等服务，实时掌握区域用水总量、利用大数据技术实现对灌溉数据的多维度分析、统计分析水资源利用情况、辅助制定节水办法，促进水资源合理配置和高效利用[6]。

2 系统总体设计

“灌区农业水价改革管理信息系统”是以提高灌溉水利用率、合理配调水资源、保障灌区可持续发展为出发点，采用可靠、开放的体系架构保障系统的可靠运行，从配套完善供水计量设施、提高测量精度入手，由信息采集与传输获取各类数据，建设和开发数据中心；以统一的应用支撑平台为框架，开发灌区业务管理应用系统，逐步掌握区域用水情况、掌握区域水资源利用情况；以信息安全体系和标准规范体系为保障，面向灌区管理部门、取用水户等提供服务，逐步实现农业用水有效管理，提高农业用水效率和效益，助推灌区现代化可持续发展[7]。

2.1 系统总体架构

基于SOA(面向对象的服务)思想提出灌区农业水价改革管理信息系统的总体架构，从技术实现和提供服务的角度总体架构可以划分为七个层次和两个体系。七个层次分别是：信息采集传输层、通讯网络层、硬件设备层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层和应用交互层；两个体系分别是：安全保障体系和标准规范体系。从下至上在统一的标准、规范、安全保障下，各层都以服务的方式接入企业服务总线，实现灵活构建、可拆可合[8]。系统总体架构见图1。

图1 系统总体架构图Fig.1 Overall architecture diagram of the system

2.2 系统功能介绍

2.2.1 信息监视与服务

以GIS为平台，以简洁鲜明的图、文、声、像等方式对各关键点的各项指标数据(水位、流速、流量、闸位、设备状态)进行实时监测、数据分析和报警处理，当实时信息出现超警戒值或超设计值时，报警系统以红灯闪烁和声音等形式进行自动报警，提示工作人员采取应对措施。见图2。

图2 水位动态信息图Fig.2 Dynamic information diagram of water level

以MIS为平台，以简洁、明了的图表方式，方便快捷地查询各类实时的和历史的水位、流速、流量、设备状态、用水量等数据信息，并可以根据各种情况进行动态分析，便于工作人员实时了解数据信息演进变化情况。

2.2.2 闸门自动化监控

通过传感技术、自动化控制技术、计算机软硬件技术、网络通信技术等，实现闸门上、下游水位、闸门荷重、闸门启闭状态与开度、图像信息自动化采集与传输，达到能够在监控中心远程控制闸门启闭以及闸门自动控制和系统联动[9]。通过实时图像可以直观了解闸门的运行工况以及周边环境，系统使得远程操作更加可视，达到无人值守、统一调度的目标。

闸门自动化监控系统负责数据库与现场闸门设备的数据交互和水量计算[10]，设备通过网络与中心软件建立数据连接，软件获取现场监测数据包括闸门开度、瞬时流量、闸前水深、闸后水深、累计流量、报警状态以及通讯时的信号强度信息并将数据存入数据库。见图3。

图3 闸门监控界面图Fig.3 Interface diagram of gate monitoring

2.2.3 灌区水费计收

综合考虑农业用水定额、用水户承受能力等，以灌区农业用水实行“骨干工程水价+末级渠系水价”的终端水价制度为指导，合理确定农业用水价格。根据《德令哈市怀头他拉水库灌区农业水价综合改革项目实施方案》中的灌区农业水价测算成果，确定的定额范围内的全成本终端水价为0.157 元/m3、运行成本终端水价为0.052 元/m3。

实行农业用水定额管理和超定额累进加价制度[11]，定额内用水原则上比照工程运行维护成本实行优惠水价；超定额用水实行阶梯价格。综合考虑节水潜力、承受能力、管理需求和可操作性等，合理确定超定额水量阶梯和累进加价幅度[12]。

以灌区用水计量数据为基础，根据具体的收费管理模式，进行灌区水费计收管理，具体功能包括：水量统计、应交水费计算、水费收缴统计查询、水价标准查询等。见图4。

图4 水费计收界面图Fig.4 Water charge interface diagram

2.2.4 综合统计分析

运用物联网中间件技术构建以支持多层次数据应用的云计算数据中心[13]，以BI分析为平台，实现灌区各类信息的汇总和综合展示、统计、对比分析等。

综合统计分析满足在线监测和非在线监测的信息服务需求，从渠系、用水户、灌水时间等多个维度综合分析灌区用水信息。以直方图和曲线图、棒图等多种方式清晰直观地显示分析结果，从而为灌区水量调度管理提供科学准确、全面、详细、及时的信息服务。见图5。

图5 信息统计图Fig.5 Information statistical figure

2.2.5 灌区基础信息

灌区用水是一个复杂的系统，对灌区基础信息进行全面、高效的管理是灌区用水管理现代化能够充分发挥作用的前提和基础。灌区基础信息主要包括渠系、管网及建筑物情况和灌区管理职能分配情况。见图6。

图6 灌区基础信息图Fig.6 Irrigation basic information map

2.3 关键技术

(1)面向服务的系统架构。采用SOA面向服务的系统架构，SOA是基于开放的Internet标准和协议、支持对应用程序或应用程序组件进行描述、发布、发现和使用的一种应用架构。SOA支持将可重用的数据应用作为应用服务或功能进行单独开发集成，并可以在需要时通过网络访问这些服务或功能。它将业务应用功能以服务的形式提供出来，以便更好地复用、组装和与外部系统集成，从而降低开发成本，提高开发效率。

(2)基于事件驱动的模型服务。将业务实体构建为静态模型，以静态模型为基础，通过实时信息采集和监控跟踪业务实体的动态数据，从而将业务实体在信息空间进行全要素重建，形成实体-静态与动态属性-事件的映射，以事件驱动与复杂事件处理技术作为引擎形成具有实时感知、分析、决策、执行能力的信息服务。

(3)基于大数据分析的智能服务。基于大数据分析的智能服务是通过高性能事件引擎、海量数据处理技术，融合多网、多源、异构的海量数据，并能对获取的大量感知事件进行高效处理，对汇聚形成的海量数据进行高效快速分析与智能化处理，为综合分析应用提供高效数据服务支撑。

3 系统在灌区管理的应用

怀头他拉水库灌区农业水价改革管理信息系统的建设提升了该灌区现代化建设所需要的监测、控制、计量和信息化管理能力，为灌区管理提供了科学、系统的手段，推动了传统灌溉向现代灌溉转变，提高了水资源利用效率和效益，推进农业发展方式的转变。

(1)节水效益。以现状灌区有效灌溉面积800 hm2计，采用青海省地方标准《用水定额》(DB63/T 1429-2015)[14]和现状作物种植结构核定的农业初始水权为1 098.2 万m3(定额61.01 m3/hm2)；相比未改革前实际的用水量1 306.23 万m3(实际72.57 m3/hm2)，共计节水208.03 万m3，农业用水下降18.94%。可见，经过农业水价改革，对灌区用水量使用计量设施监测后，应用信息管理系统加强水量和水价管理，灌区的节水效益显著。

(2)经济效益。怀头他拉水库灌区水费原来实行按亩征收，水价为22.6 元/hm2，年均水费为17.81 万元；但因为取水口、各级渠(管)道未安装计量设施，无法准确计量取用水量，农户缴费意愿不强，经常无法足额收缴水费。实施了农业水价综合改革项目、明确了农业初始水权、安装了取用水计量设施以及应用了信息管理系统之后，加强了水量和水价的管理，实现按方收费，水量和水费一目了然，每年可实现足额收缴水费。以运行成本终端水价0.052 元/m3执行，每年可收缴水费57.11 万元，比原先按亩收费多收39.3 万元，提高220.66%；若以全成本终端水价0.157 元/m3执行，每年可收缴水费172.42 万元，比原先按亩收费多收154.61 万元，提高868.11%。对比可知，经济效益非常显著！

通过建立合理水价形成机制和价格杠杆作用，体现灌溉水的资源属性；在节水优先的前提下，进一步增强农田水利基础设施建设，解决灌排工程运行维护经费，确保灌排工程良性运行。

(3)管理效益。怀头他拉水库灌区实施了农业水价综合改革项目，尤其是运行了管理信息系统以后，以信息化管理方式取代原有人工量测水和手动控制闸门等工作，做到了实时实地对渠道、管道、闸门和监测站等水情工情信息进行自动采集、测量、计量、监视、决策与控制，实现了测、监、管、控一体化；大幅度地节省了人力成本，提高了对用水户的供水服务水平，提升了灌区管理部门的决策和管控能力，极大地提高了工作效率与效益，初步实现了灌区管理现代化[15]。

(4)环境效益。系统实施后，有效地控制灌区水资源需求过度增长，退减挤占的生态环境用水和减少地下水超采，维持河道基本生态用水，提高资源环境承载力，促进经济社会与环境的协调发展，改善水生态环境。

(5)社会效益。通过水资源有效管理、优化配置、节水技术推广应用，促进发展方式转变及产业结构调整、优化升级、土地流转，使经济结构进一步适应水资源承载能力，促进德令哈市经济社会可持续发展；同时提高水资源利用效率，有效控制需求过度增长，缓解了供需矛盾，保障供水安全和粮食安全，促进经济社会又好又快发展。

4 结 语

在当前全国范围内稳步推进农业水价综合改革工作的大好形势下，怀头他拉水库灌区农业水价综合改革管理信息系统的运行应用表明：利用互联网技术、物联网技术、云计算平台，建设集监测、控制、计量和信息化等技术在内的灌区农业水价改革管理信息系统，应用计算机技术等现代化管理方法对灌区传统的管理方式进行升级打造，提供信息采集与监视、闸门自动化监控、灌区水费计收、综合统计分析和灌区基础信息等服务；在取得节水、增效的同时，能有效地解决农田水利“最后一公里”问题，逐步建立农业灌溉用水总量控制和定额管理制度，提高农业用水效率和效益，助推灌区现代化和农村经济可持续发展。

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