黄材灌区现代化改造智慧水管理实践探索

赵 健，钱 萍，胡 钢，吴永妍，胡小梅

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156)

1 工程概况

黄材灌区位于湘江下游，涉及长沙市宁乡市、望城区和益阳市赫山区。灌区内国土面积1001km2，设计灌溉面积35.9万亩。灌区内基础设施星罗棋布，渠道成网。灌区除灌溉以外，还通过沩水向河道进行生态补水，以及向城区供水。黄材灌区形成了以灌溉为主，供水、生态、养殖、发电等综合利用的格局[1]。

黄材水库是灌区骨干水源，大(2)型综合性水利工程，控制流域面积240.8km2，属多年调节水库，也是全国重要饮用水水源地。灌区一共有8条干渠，其中总干渠1条，分干渠7条，全长331.59km。灌溉3000亩以上的支渠32条，总长263.2km。

2 灌区智慧水管理及存在的问题

国外发达国家灌区智慧水管理发展较早，灌区的智慧水管理水平也较高，它们把系统工程、信息工程、自动化控制、GIS等技术应用于智慧水管理，在水管理领域大量采用计算机技术调控渠系输水与配水，足以实现水资源的合理配置和灌溉系统的优化调度。

20世纪70年代初，我国就开始进行农业灌区自动控制技术的研发，并对自动计量、自动预测预报也进行了相关探索[2- 7]。黄材灌区自20世纪也开展了灌区自动化控制建设，取得了一系列的成就，但由于技术、经济等条件制约，当时原本就粗放的灌区自动化技术也一直停留在初期阶段，灌区管理手段仍然较为落后，标准也较低。

2.1 黄材灌区智慧水管理建设

从1999年开始，黄材灌区开展灌区信息基础设施建设及信息应用系统建设，信息采集监测部分实现了数字化、远程化，现状智慧水管理建设主要包含硬件和软件两方面。

2.1.1硬件方面

(1)黄材水库智慧水管理系统

黄材水库坝址及库区处，建设雨量站7处、水位站2处、入库流量站3处、出库流量站2处、墒情站1处；布置变形观测(主坝、副坝、溢洪闸)，渗流监测(主坝、副坝)、环境监测(水质监测)。

(2)灌区智慧水管理系统

灌区智慧水管理系统主要包括主干渠、支渠、农业水价综合改革示范区未级渠道的量测水系统，局、管理所管理站视频监控，渠道平交道、泄洪闸、分水闸、渠道分水岭的视频监控系统。

(3)灌区智慧水管理中心

初步建立了黄材灌区智慧水管理中心，在4个管理所建设了智慧水管理分中心，初步建立了管理局局域网和机房。

2.1.2软件方面

软件方面主要有黄材水库水情监测信息管理系统、水库安全监测系统、洪水预报及调度系统、水库水质监测系统、灌区农业水价综合改革监测系统及远程监控服务平台。以上智慧水管理系统建设，较大地提升了黄材灌区管理水平。

2.2 智慧水管理建设存在的问题

灌区管理局在1999年开始智慧水管理运行以来，建立了多套智慧水管理系统，尽管智慧水管理提升了灌区管理水平，但是由于黄材灌区的前期智慧水管理建设没有进行系统规划，缺乏完善的计算机操作系统对已有设备进行管理与整合，信息孤岛和重复建设比较严重，智慧水管理系统的作用未最大限度地充分发挥。

此外，灌区智慧水管理建设还存在重硬件建设、轻软件开发及数据建设的问题，软件系统大都停留在试点层面，没有进行有效的推广，灌区管理人员对软件运用的熟练程度较低，影响灌区智慧水管理实际应用效果。例如部分闸门虽然安装了自动启闭装置，但因所需管理人员的运行维护专业水平要求较高，一旦出现问题无法解决，久而久之则闲置，闸门仍需要人工启闭，费时费力，自动化程度较低。

3 灌区智慧水管理需求及必要性分析

3.1 需求分析

黄材灌区智慧水管理建设需求分析包括用户需求分析和建设对象需求分析。

智慧水管理系统根据用户的需求开发出各种应用系统，应用系统的用户大体包括：管理局领导、局科室、管理站、用水户等。管理局领导在会商室、办公桌桌面电脑或移动端，通过可视化系统实时了解灌区运行状态，完成调度水量调度、防汛抗旱等指挥工作；局科室对灌区综合数据进行管理和维护，进行来水和用水平衡计算及配置等；管理站组织实施辖区范围内渠道运行作业和日常维护，对渠道和渠系建筑物进行实时监测；用水户可通过系统自动预定用水，购买或查询用水记录，并对灌区运行存在的问题及时反馈。用户是智慧水管理平台的直接使用者，可通过利用智慧水管理系统平台系统实时了解全灌区状态、灌区任何部位的运行参数和突发应急状况等，对灌区进行智慧控制和调度，对灌区运行存在的问题通过平台及时反馈，用户对智慧水管理系统建设的需求十分明显。

智慧水管理的物理对象包括水库及塘堰、渠道和田间工程等。黄材水库作为灌区最主要水源，是智慧水管理建设的重点对象，需对水库水资源状况、水雨情信息、大坝安全状况、水量水质状况、水库调度状况、溢洪道运行状况等进行实时监控；灌区渠道及渠系建筑物的数量及种类较多，渠道水位和流量、重要分水闸、节水闸和泄洪闸的自动控制、重要节点险工险段的安全监控是监测重点；田间工程根据社会经济发展状况适度监控，为需水预测和灌溉水利用系数测算提供第一手资料。智慧水管理物理对象众多，监测内容多，数据处理量较大，灌区建设对象对智慧水管理系统建设的需求十分明显。

3.2 必要性分析

3.2.1提高工程安全运行保障的需要

通过智慧水管理，对水雨工情实时监测，及时分析对比，提出黄材水库的防汛预案，最大程度确保工程安全运行和当地人民群众生命财产安全。

3.2.2提高科学管理水平的需要

通过智慧水管理大幅度提高管理水平，有效管理工程，合理调配水资源，提高灌区的服务质量和水平，为用水户适时、适量、安全供水。

3.2.3水资源优化配置的需要

灌区用水主要由一级水电站、引水枢纽以及各渠首联合供水，通过构建灌区水资源优化调度模型，依据依水定量、量水而行、因水制宜的原则，对灌区的各项数据进行深入、立体、透彻的分析，优化配置水资源，尽量减少水资源浪费，使工程发挥出最大效益。

3.2.4提升灌区优质服务的需要

灌区综合服务，要求利用智慧化技术手段，通过多种公共服务沟通渠道，可拓展预报预警发布广度，防灾避灾常识多维普及，发布汛情、旱情监测相关信息及防汛抗旱响应措施。

4 灌区智慧水管理规划目标及内容

4.1 规划目标

依据《水利部水利智慧水管理“十三五”发展规划》，坚持“统一规划、问题导向、集中部署、资源整合、充分共享”的规划原则，综合考虑打造黄材灌区智慧水管理系统。智慧水管理系统拟实现灌区降雨与洪水旱情预报、取用水总量、耗水总量等数据的自动化监测及共享；各重要分水闸、泄洪闸实现自动化调度(无人值守)和用水的动态配置；各级工作人员在内网门户协同办公，用水群众在外网门户享受各项用水服务，极大提高灌区管理效率，方便群众便捷高效用水，为黄材灌区安全运行与科学调度提供智能化的管理手段[8- 12]。

4.2 总体布局

根据智慧灌区管理目标，结合灌区信息化建设现状水平，遵照智慧灌区总体架构，构建灌区水系、水利基础设施体系、管理运行体系三位一体的网络平台，规划建立以下体系：

(1) 立体感知体系。建立“交换程控化、传输数字化、无线全覆盖”的稳定、安全、多样的通信传输网络，最终形成全面、立体、高效的物联感知体系。

(2) 智能应用体系。构建智慧灌区综合管理业务应用平台，实现灌区的水资源管理、防汛减灾应急管理、水利工程管理、行政管理、移动应用等关键业务智能应用。

(3) 信息服务平台。通过网站、微信公众号、多媒体等多种渠道向广大公众提供社会化的水利信息服务，向灌区及用水户实时推送相关信息。

(4) 智能应用支撑保障体系。建设调度指挥中心，以满足信息汇集、融合、会商、应急指挥、视频会议、信息交流等重要事务的处理和重大活动的需要。

依托以上规划建设体系，最终形成黄材灌区智慧水管理总体布局，总体布局如图1所示。

图1 黄材灌区智慧水管理总体布局图

4.3 规划方案

根据智慧灌区管理目标，结合灌区智慧水管理建设现状水平，遵照智慧灌区总体架构，本着“实用、安全”的总要求[13- 15]，规划建设内容如下。

4.3.1建立立体感知体系

在现有信息采集站点的基础上，进一步完善信息采集要素种类，规范信息采集标准和流程，加强人工采集点的升级改造与自动采集点的建设及共享信息的接入，形成系统的监测站网，同时利用现有网络和其他先进网络方式，建立“交换程控化、传输数字化、无线全覆盖”的稳定、安全、多样的通信传输网络，最终形成全面、立体、高效的物联感知体系。

扩大对中小型水库、塘堰等取用水源地实现水情、视频(图像)等多要素监测。扩大对灌区骨干渠道水位、流量、视频(图像)等多要素在线监测。补齐和提升中小型水库、险工险段等水利工程安全及运行监测设施。充分共享水质、气象和土壤墒情信息。流量监测站结构如图2所示。

图2 流量监测站结构图

本次规划共享灌区水源地的水雨情监测信息，共享水文、气象、环保部门的水雨情、气象、水质等监测信息；补充完善25处干支渠进口水位和流量监测，实现灌区骨干渠系进口自动量测水全覆盖；借助卫星遥感技术开展灌区水面及种植结构监测；利用智能视频开展重要节点、险工险段工情监测及典型断面水体污染监测。全面提升灌区水资源、水环境、水生态、水灾害、工程运行等灌区核心业务管理活动中的重要事件、行为和现象的动态感知能力。

4.3.2建设智能应用体系

根据业务需求分析，基于信息融合共享、工作模式创新、流程优化再造、应用灵活智能等新时代业务应用思路，在整合优化现有的灌区业务应用系统的基础上，充分运用灌区大脑提供的大数据分析、机器学习、遥感解译、水利模型等平台能力，利用微服务、SOA面向服务的技术架构，遵照“统一门户、单点登录、个性定制、统一平台、模块化设计、一张图管理”原则，构建智慧灌区综合管理业务应用平台，实现灌区的水资源管理、防汛减灾应急管理、水利工程管理、移动应用等关键业务智能应用。全面提升灌区业务的精细管理、预测预报、分析评价与决策支持能力。

根据灌区自动控制系统现状，采用物联网和互联网相结合完善自动控制系统网络，利用智能终端和现代控制技术，实施取水、输水、供水、灌溉、排水、防洪、水资源管理，实现自动优化处理、集中控制、无人值守。根据灌区取用水管理及防汛抗旱调度要求，实施闸门自动控制。本次规划新建灌区20处重要进水闸、泄洪闸实施现场、远程自动控制、运行监测。

4.3.3建立信息服务平台

集成、融合多业务系统分散数据，以公众为中心创新服务新业态。对气象信息、分水闸输配水信息、工程安全监测信息、水雨情信息、以及行政业务办理规定等信息进行分析处理，建设灌区一张图，通过网站、微信公众号、多媒体等多种渠道向广大公众提供社会化的水利信息服务，向灌区及用水户实时推送相关信息。

4.3.4构建智能应用支撑保障体系

(1)建设调度指挥中心

构建安全、可靠、高速的水利信息网，兴建指挥调度中心，满足信息汇集、融合、会商、应急指挥、视频会议、信息交流等重要事务的处理和重大活动的需要。增建配套的通信机房，加强网络安全和容灾备份能力建设。并利用专业云平台，减少灌区的硬件实施投入、后期维护成本，实现云数据中心和灌区现有机房设施合理搭配的建设成果。

①完善全面互联的高速可靠的水利信息网

立足现有基础，构建覆盖黄材灌区管理局、灌区各管理单位、相关涉水单位全面互联互通的水利信息网络。面向下一代网络发展，升级改造网络核心设备，全面支持IPv6，广泛应用软件定义网络等技术优化网络结构、增强资源动态调配能力。

②完善网络安全体系

优化管理局计算机网络，改造网络结构。增配网络安全设备，集成统一密码服务、统一身份认证服务，统一入口、统一管理，统一安全加固，提升网络纵深防御和安全服务能力，满足网络安全的需求。

③建设调度指挥中心

在黄材灌区管理局建设集调度、控制、决策、预警和展示功能于一体的综合调度指挥中心，满足信息汇集、融合、共享、会商、应急指挥、视频会议等重要事务的处理和重大活动的需要。

④完善视频会议系统

完善局视频会议系统，通过电子政务网接入上级部门的防汛会商系统，实现远程防汛会商。

(2)构建支撑平台

采用面向服务的体系架构，以“一云一池二平台”构建智慧灌区业务应用支撑平台。对防汛抗旱、水资源管理、水利工程运行管理等水利核心业务以及数字化行政管理等进行整合，将各种业务和政务应用中通用的系统功能进行复用，形成统一的用户管理、数据交换机制，实现“一张图”管理。黄材灌区智慧业务应用支撑平台如图3所示。

图3 黄材灌区智慧业务应用支撑平台

4.4 建设成效

通过智慧水管理建设，灌区管理模式将向智慧水管理、可视化、自动化转换。依据依水定量、量水而行、因水制宜的原则，对灌区的各项数据进行深入、立体、透彻的分析，优化配置水资源，可以大幅度提高灌区灌溉供水管理水平，更加有效的管理工程，合理调配水资源，减少水资源浪费，为用水户适时、适量、安全供水，提高灌区的服务质量和水平，灌区现代化管理水平将得到显著提升。

5 结语

黄材灌区的前期智慧水管理建设没有进行系统规划，已有设备和数据未进行有效管理与整合，智慧水管理系统建设较为落后，急需建立灌区智慧水管理系统平台。基于科学的规划目标，本文提出了满足灌区智慧水管理运行要求的多个相互配合的建设体系及具体规划方案。通过智慧水管理建设，灌区管理模式将向可视化、自动化转换，灌区的各项数据将进行深入、立体、透彻的分析，为用水户适时、适量、安全供水。基于我国灌区智慧水管理发展现状，我国仍有许多大型灌区智慧水管理水平亟待提升。黄材灌区智慧水管理体系建成后，智慧水管理建设经验可为其他大型灌区智慧水管理建设提供借鉴和参考。