河北省智慧灌区建设研究

□张彦宏 付银环 贾兆宾 张 爽

河北省水资源严重短缺，而用水需求却日益扩大，且地下水超采严重，充分高效的利用地表水，既是保护地下水，也是我省水资源永续利用的有力措施之一。2018年全国水利厅局长会议要求，全面加快智慧水利建设，将灌区信息化建设作为今后主要任务之一。河北省有大中型灌区140余处，如何建设现代化与智慧化灌区，高效利用地表水，成为全省目前急需解决的实际问题。河北省建设智慧化灌区，一是可提高灌区水资源优化配置水平、提高工程运行管理水平、提高灌溉用水利用效率与效益、降低管理成本、改善生态环境、方便用水户用水和缴费；二是可提高灌区管理者和决策者信息采集和处理的准确性、传输的时效性、应用的可靠性，有利于管理者做出及时、准确的预测和决策，降低管理难度，提高管理精度，为用水户提供更加安全可靠高效灵活公平和可持续的供水服务。所以，研究河北省智慧灌区建设，对提高灌区水利用效率，保护全省水环境，实现水资源永续利用具有十分重要。

1.建设内涵

智慧灌区是在灌区信息化的基础上，运用物联网、大数据分析、人工智能、3S技术、灌区用水全过程模拟仿真技术等，在实时准确的获取灌区的水雨情、土壤墒情、气象信息、渠道水位、渠道流量、闸门和泵站运行状态、现场视频等基础信息的基础上，通过对所有上传的视频、音频、数据等进行分析、处理，为管理者和决策者实施各种决策提供依据，实现灌区智慧化管理，推进灌区与水资源承载力相协调，建立灌区水资源保障制度，发展灌区水生态系统。

2.建设现状

目前，河北省地表水灌区在信息化建设方面普遍存在以下几个问题：一是灌区对水情、雨情、墒情以及用水情况、用水量等信息收集不及时、不全面，信息化管理仅限于对信息的采集、储存和简单的统计分析，不能对信息进行深度处理，信息化建设程度总体偏低；二是管理局、管理站、管理所等部门相对孤立，部门之间信息整合难、共享难；三是信息化建设至今没有统一标准，各灌区软件平台重复开发，资源浪费严重。

3.建设框架

建设智慧灌区，应从灌区实际出发，通过建设灌区管理平台，实现灌区“建设管理规范化、系统应用制度化、信息管理标准化、业务管理智慧化”。根据灌区信息流程、业务流程，从保障系统安全性，提高灌区管理的高效性和操作性出发，对信息化系统实施总体架构层次化、应用架构扁平化设计。系统分6层，自下而上分别为：数据采集层、传输层、数据层、支撑层、应用层和人机交互层。各部分建设内容共同形成标准开放、资源共享、相互支撑、协同工作的有机整体。见图1。

3.1 数据采集层

基础数据采集层包括智能传感器和其他辅助设备，可以通过移动网络/互联网与其他设备进行通信和交互，可根据安装在信息采集端的传感器和智能设备达到实时智能感知，并对设备运行、灌水管理等进行远程监控、监测，形成立体化的感知系统。主要包括：水情监测、雨情监测、流量监测、气象监测、土壤墒情、闸门控制、水泵控制、视频监控、图像以及人工数据输入等。

3.2 传输层

传输层主要是将采集、储存的数据正确无误的传给管理平台数据层，同时接受来自管理平台的各类命令，是连接整个系统的纽带。目前较为实用的通讯方式包括：有线接入方式：光纤接入、双芯电缆接入、公网接入等；无线接入方式：GPRS/3G/4G等公用无线网络、自建无线网络方式等。方案的选择应根据灌区具体业务管理工作的需求、通信技术的特点、所在地区地形条件、运行维护条件、建设运行费用等综合分析，进行技术经济指标比较后，从网络的组网灵活性、安全性考虑，进行选择。

3.3 数据层

数据层是平台整体建设的基础部分，是灌区信息化的数据仓库，储存着各种应用系统的数据。它不仅包括各种数据库，而且包括数据库管理系统等对数据库起管理作用的软件。主要通过云服务器实现数据的处理和交换，以服务的形式为灌区提供各种应用服务。在数据层，可以接收不同驱动设备发送的数据，同时可以在应用层支持各种不同的协议，支持虚拟数据源，可根据用户需求或规则增添新的协议。根据灌区管理需求，一般可将数据资源信息分为基础信息数据库、运行监测数据库、业务数据库、空间地理信息数据库四大类。其中，基础信息数据库，包括灌区基础数据、灌区水利工程数据，管理单位、管理人和用水户基本信息、工程运行维护情况、灌区水行政管理数据等；监测数据库，包括监控点水位、闸位、流量、水量统计信息以及水雨情、视频监测信息等；业务数据库主要包括水资源现状评价、调度数据、管理情况等于灌区管理有关的评价结果，调度方案等数据；空间地理信息数据库，包括与应用相关的所有的地理空间数据。

图1 智慧灌区建设框架

3.4 支撑层

应用支撑平台在资源管理层与业务应用层之间架起了数据获取、处理、共享、交换、应用展示的桥梁，为系统应用提供服务平台，主要包括各种监测和监控数据的接入、流程管理、报表服务、GIS/WebGIS服务、数据集成和交换、系统监控等。

3.5 应用层

应用层通过数据层提供的服务，使用模块化结构，以软件系统的方式，根据灌区管理需要，开发泵和闸门自动化控制系统、灌溉用水计量监控系统、视频监控系统、水费收缴管理系统、工程运维管理系统、水雨情监测系统、水权管理系统、配水调度管理系统、应急指挥决策系统、统计分析系统、GIS水资源管理系统等不同业务平台，并集成整合成统一的服务平台。然后根据授权级别，实现分级业务管理和灌区工程运行监控管理。

3.6 人机交互层

人机交互是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口，是计算机同人机交互设备之间实现信息传输的控制电路，主要完成信息形式的转换、信息传输的控制2个任务，可设置PC端、手机APP、微信公众号、微信小程序等多种形式的人机交互方式。

4.建设建议

4.1 做好示范引领

智慧灌区建设是一个循序渐进的过程，河北省目前地表水灌区的管理多数以传统方式为主，目前多数灌区基础数据仍采用人工测报，调度管理和决策指挥多按经验实施，智慧灌区建设基础差，仍处于起步探索阶段。因此，需要做好灌区示范建设工作，通过强化智慧灌区理论指导，加快灌区信息化建设力度，加大核心技术研发，完善示范灌区的管理制度，积累丰富的实践经验，力争形成体系完整的建设标准及模式，为全省推进大中型灌区的智慧化建设提供依据和参考。

4.2 建设人才梯队

智慧灌区建设需要坚实的人才和智力支撑，而实际中，懂水利的多，懂信息化的少，复合型人才数量严重不足。因此应加强人才培养，建立人才培训计划，加强对职工的信息化知识培训，把掌握信息化知识的程度和计算机应用水平纳入职工的考核内容。通过多种形式，培养能够跟踪国内先进水平、掌握信息系统应用技术、精通信息系统管理、熟悉灌区信息化知识的高素质的专业复合型人才，为推进灌区信息化、智慧化建设奠定坚实的基础。

4.3 做好顶层设计

建设智慧灌区是一个庞大的系统工程，子系统多、覆盖面广、技术更新快，一次投资不可能完善所有的设备和功能，因此在建设过程中，应做好顶层设计，避免一次投入解决一个问题。首先，从系统的实用性出发，按照管理的轻重缓急程度，做好系统需求分析，采“需要”信息，控“可控”工程，建“合适”平台，构“好用”系统；其次，软硬件规范化设计，各子系统软硬件标准应符合国际标准、国家标准、业界标准以及相关的技术规范，为系统的扩展升级、系统间的互联互通提供良好的基础；再次，系统应可预见未来需求，即有一定扩展性，保证建设完成后的系统可在本次建设基础上进行技术升级。