河北省农田水利工程运行管理系统的研发与应用

金江波，郎子雪，金子航，李朝阳

(1.河北省水资源研究与水利技术试验推广中心水利信息化处，河北省石家庄市石清路69号 050061；2.河北省石家庄水文勘测研究中心监测处，河北省石家庄市水产西街24号 050051；3.天津农学院水利工程学院，天津市西青区津静路22号 300392)

河北省是典型的资源型缺水省份，水资源严重不足，人均水资源占有量307m3，亩均水资源占有量221m3，这两项均为全国平均值的1/7。河北省是农业大省，农业灌溉水量占比大，约占总用水量70%左右。由于灌溉方式相对落后、节水意识还不够强，农田灌溉浪费现象普遍存在。河北省有农用机井104万余眼，165处大中型灌区，渠灌区水资源利用率只有40%左右，井灌区也只有60%，而发达国家农业用水有效利用效率达80%。

河北省委省政府高度重视农业灌溉节水工作，编制了《河北省地下水超采综合治理规划(2014-2030)》，也出台了《关于推进农业水价综合改革的实施意见》等一系列的文件，并印发水利部《加快推进智慧水利的指导意见和智慧水利总体方案的通知》。河北省积极践行习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时代治水思路和绿色发展理念[1],为了更准确监测和统计分析全省农业灌溉用水量，掌握和运用农田水利工程信息，加强农业灌溉预报预测功能，提高农业灌溉水有效利用系数测算工作水平，促进农业水价综合改革和水资源税改革的开展，因此研发和建设了河北省农田水利工程运行管理信息系统。

1 建设目的和意义

研发符合河北省实际、覆盖全省的农田水利工程运行管理信息系统，有效实现全省农业灌溉用水量的统计分析与全省农业灌溉水有效利用系数测算，构建农田水利工程档案管理系统、灌溉预报预测系统以及农业水价综合改革管理系统，应用系统的成果通过互联网向应用系统的管理人员，以及省市县各级水行政部门开放，实现数据共享，有效提高河北省农田水利管理水平，为河北省农田水利信息化管理提供技术支撑和手段。本项目建设，将大大提高对全省农田工程和农业灌溉用水量的管理水平，基本实现对农业灌溉用水量的科学测算，可以及时获取全省农业用水的准确数据，可以有效对全省农业灌溉进行科学管理，为合理配置水资源提供可靠的数据保障。通过对全省农业取用水量数据分析，为当地水资源管理者提供决策依据，合理分配水资源，可以提高工作效率与决策水平，对提高农业水资源管理水平具有极大的促进作用。

2 系统技术架构

为了使河北省农田水利工程运行管理信息系统既适应当前的需求，又面向未来发展的需要，系统建设依据“统一规划、统一标准、统一设计、数据共享”的原则，利用工信厅的“大智移云”等资源，通过互联网和实时在线监测信息采集系统，接收固定监测点以GPRS/INTERNET方式传输的信息，作为系统基础信息来源。该系统由信息采集、基础设备、数据管理平台、支撑平台、应用子系统、门户网站等部分组成，同时包括贯穿系统各层的安全保障体系及信息化标准体系系统。应用系统共包括5个子系统，如图1所示，分别为农业灌溉水量统计分析管理子系统、农田水利工程档案管理子系统、农业灌溉预报管理子系统、农业灌溉水有效利用系数管理子系统、农业水价综合改革管理子系统。5个子系统为农田水利工程的主要建设内容，相辅相承，通过互联网向该系统的管理人员、省市县各级水行政部门开放，实现数据共享和信息交互。

图1 总体技术架构图Fig.1 Diagram of overall technical architecture

3 各系统功能描述

3.1 农业灌溉水量统计分析管理子系统

农业灌溉水量统计分析管理系统通过实时信息监测系统，接收全省规模为5000眼固定观测井的监测数据，建立农作物种植面积台账，观测机井台账，以科学的方法计算统计各区县以电折水系数，采用多种统计方式，统计分析全省农业灌溉地下水用水量[2]；研发了以电折水系数法为主进行农业灌溉水量分析计算方法，并通过与农业实灌面积及定额估算法、典型区调查法、统计调查法农业灌溉水量分析结果比较，得到较为准确的河北省及各市县农业灌溉水量。为解决河北省农业灌溉取水机井数量众多，全部直接安装取水量计量设施难度较大，农业灌溉水量难以得到准确值的问题提供了解决办法[3]。

系统功能主要包括接收固定观测井的监测数据，开关泵记录，机井数据初步以电折水换算，观测井以电折水系数查询、行政区以电折水系数成果查询；建立地表水灌区档案，接入渠首监测水量数据，分析河道泵站水量数据，以多种统计方式，统计全省农业灌溉地表水用水量；并能提供省市县三级统计分析、打印导出功能。

3.2 农田水利工程档案管理子系统

农田水利工程档案是农村水利工程建设项目管理内容的重要组成部分，不仅是水利建设成果的历史记录，还是进行农田水利工程管理、控制、运用、维修和科研工作的重要依据[4]，因此，做好农田水利工程档案的整理、立卷、归档、分类和管理工作，对于发展农田水利事业，促进农业生产的增长具有重要意义[5]。

农田水利工程档案管理主要功能是将全省的灌区、机井、泵站、高效节水灌溉工程、五小工程等农田水利工程信息化，分门别类，将各类别农田水利工程在地图上展示，并提供省市县三级查询功能。主要登记信息为农田服务的现有水利设施，记录其编号、名称、行政区、地址、面积、用途(包括灌溉、排水、除涝和防治盐、渍灾害等)、修建时间、管理机构、目前状态(在用、废弃)等信息，提供导出及打印功能。系统提供了对专题要素信息的目录浏览、基本查询、多维主题查询、要素展示、汇总统计、专题分析等功能，极大提高了河北农田水利工程数据获取的效率和便利性。

3.3 农业灌溉预报管理子系统

农业灌溉预报管理系统以目前河北省三大种植作物(小麦、玉米、棉花)为主，并按照以供定需、以供定耗的水资源开发利用理念，根据非充分灌溉理论，采用科学灌溉、节水灌溉新技术，综合工程、农艺、管理等节水措施，运用总量控制、定额管理的量化方法，科学确定土壤湿度、适宜灌水时间和适宜灌水量，并及时发布，指导农民科学灌溉、节水灌溉。

灌溉预报是以供定耗和资源型节水的总体思路，利用气象数据、土壤结构、下垫条件、作物生育期，融入供耗分析、ET管理的理念，结合水源供应情况、作物节水灌溉制度，及历史气象资料为基础，采用计算机技术与动态规划原理，对不同土壤类型、不同土壤墒情、不同可供水量条件下的农田水分状况和作物生长状况进行预测，给出优化调控措施，供不同用户选择。利用现代远程数字监控与通讯技术、依据彭曼-蒙特斯公式、按照统计学原理进行县域内的预测预报，研发预报系统软件，建立区域灌溉试验参数的确定模式，以及灌溉预报成果发布模式和指导农民节水灌溉方法[6]。

利用气象部门预报的晴、昙、阴、雨四种天气状态计算预报参照作物腾发量，再通过水动力学法预报未来的土壤湿度剖面分布，计算出根层内的平均土壤湿度并与控制的下限值进行比较。确定是否需要灌水，灌多少水。根据实时采集的气象数据，连同已经发生的灌水时间和灌水量一起代入水动力学法中的作物蒸腾和棵间蒸发模型中计算ET值(蒸腾蒸发量)，进而校正预报的土壤湿度剖面分布，为进一步预报做好准备[7]。预报效果实地监测、科学评价，实时验证预报效果、动态调整预报方案。同时，实地监测地下水位，通过其实际变幅和理论变幅的对比、以及供耗平衡，从宏观上分析评价节水效果。

3.4 农业灌溉水有效利用系数管理子系统

农业灌溉水有效利用系数管理系统主要是建立测算模型，利用典型田块灌溉水量、土壤湿度、降雨量监测信息等，推求农业灌溉水利用率和水分生产率，给出本区域农业用水效率指标[8]。灌溉水利用率是指某一时期灌入田间可被作物利用的水量与水源地灌溉取水总量百分比，采用首尾测算法，根据选定的典型田块测定的生育期土壤湿度变化计算土壤水分蓄变量、降水量、灌溉水量和ET值(蒸腾蒸发量)，计算作物生育期净耗水量，除以生育期灌溉总量，得出典型田块的农业灌溉水有效利用系数。按照典型县典型田块的代表性，采用加权平均法推求出省市县的农业灌溉水有效利用系数。

该系统实现了全省省市县农业灌溉水有效利用系数测算全覆盖管理，具有样点灌区的信息化管理、农业灌溉水有效利用系数测算在线管理、农业灌溉水有效利用系数的统计分析，样点灌区灌溉水有效利用系数测算管理，全省灌区灌溉水有效利用系数测算管理等多项功能。能够提供农业灌溉水有效利用系数成果报表，省市县不同规模灌区信息汇总表，灌区灌溉水有效利用系数分析结果汇总表，省市县灌溉水有效利用系数分析结果汇总表等。

3.5 农业水价综合改革管理子系统

农业水价改革是一项复杂的系统工程，涉及到不同层次的利益相关者，有作为主管部门的省市县三级水利、物价、民政、财政、税务机关，有作为主要责任单位的县乡镇政府，有具体负责统计的村集体及合作组织，有需要灌溉用水户[9]，除此之外还需要有合理的计量设施、畅通的财政补贴渠道、严格的税收管理等有机联系。到2019年，农业水价改革模式在全省108个县使用，应用面积1365万亩，占全省灌溉面积的22.75%[10]。

农业水价综合改革管理系统为全省各区县提供一套完整的水价改革管理系统软件，并将实行水价改革的区县数据汇总到省市平台，而后按照需求进行统计分析。县级农业水价综合改革管理系统功能包括：农户信息档案、全县取水口档案、全县计量设施档案、操作人员档案、地块信息档案、作物信息档案、灌溉用水定额管理档案、用水定额管理、水价定价管理、水费收取管理、用水计量管理、水权登记管理、水利工程管理、引调水与用水计划管理。乡级农业水价综合改革管理系统功能包括：引调水与用水计划管理、水利工程维修与养护管理、审核水费与补贴、用水绩效考核。村级农业水价综合改革管理系统功能包括：配水管理、本村灌溉工程养护、水费收取管理、用水登记管理、发放补贴管理、发放奖励金管理。

该系统实现了对各县区水价改革情况的统计及汇总,并可以汇总统计出省市的水价改革的基本情况，扫除了水价改革水量计算的技术瓶颈。

4 结语

河北省农田水利工程运行管理系统具有很强的针对性和前瞻性，具有一定的示范带动作用，有效提高了对全省农田工程和农业灌溉用水量的管理水平。2020年至今分别在河北省11地市，涉及167个县区得到了应用推广。河北省农田水利工程运行管理系统可实现区域范围内的分片、分类的农田水利工程管理，基本实现对农业灌溉用水量的科学测算，及时获取全省农业灌溉用水的准确数据，为全省农业灌溉进行科学管理，合理配置水资源提供可靠的基础信息。通过农业灌溉预报管理系统预测得到的实时土壤湿度、适宜灌水时间和适宜灌水量等成果的及时发布，指导农民实现科学灌溉、节水灌溉。农业水价综合改革管理系统实现了对省市县区水价改革情况的汇总统计，扫除了水价改革水量计算的技术瓶颈。通过系统各项功能在全省的应用，可以进一步提高河北省农业水资源利用管理的效率与决策水平，为河北省农田水利信息化管理提供科学技术支撑。