灌区智慧化发展现状与问题分析

何雨田，白美健，张宝忠，姚 彬，史 源

（1.水利部数字孪生流域重点实验室 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.中国灌溉排水发展中心，北京 100054）

0 引 言

新的社会经济发展形势下，灌区服务向着多元化、多维度、精细化、智能化发展。水资源调度、农业灌溉、城乡供水、生态供水、防汛抗旱、工程运维等灌区相关业务管理服务越来越综合，管理人员老龄化和不足现象日益凸显，依靠经验和人力的传统灌区管理方式已难以满足现阶段灌区管理需求，亟需借助新的技术手段，创新管理服务新模式，加快发展灌区智慧化，支撑新时代背景下经济社会对灌区的新需求。

“十四五”开始，国家逐步启动大中型灌区现代化改造工作，《“十四五”重大农业节水供水工程实施方案》优先推进124处大型灌区实施续建配套和现代化改造和30处新灌区建设，明确了十四五期间加强灌区信息化、智慧化建设，提升灌区供用水管理能力。近年来，随着大型灌区续建配套与节水改造项目和灌区信息化建设试点及农业水价综合改革项目实施推进，大多数灌区在量测水设施配备、闸门∕泵站控制系统提升改造、业务应用平台开发等方面有了一定基础，部分灌区也在积极推动和探索灌区智慧化建设。

比如，位山灌区建成了以灌区业务信息管理系统、灌区一张图和移动智能终端APP为主要模块的灌区E平台，并以灌区E平台为核心搭建了智慧灌区框架体系，初步实现了灌区信息采集的自动化、信息存储的数字化、远程控制管理的网络化和分析决策的智能化[1]。疏勒河灌区在现有物联网信息化系统基础上，应用大数据理论开发智能分析系统，实现了灌区供需水量的智能分析及配水方案的优化，推进了疏勒河智慧灌区建设[2]。人民胜利渠灌区利用基于NB-IoT的信号无线传感器节点、基于物联网的云检测与云计算和基于深度学习的系统诊断等关键技术，搭建了人民胜利渠多源信息传输的拓扑结构及灌渠系统智慧管理平台框架[3]。都江堰东风渠灌区提出建设包括水资源管理模块、防汛抗旱模块、工程管理模块和运维管理模块的智慧灌区系统，并基于智能优化算法和3S技术，通过大数据收集、分析与修正以及云服务，实现水资源高效利用和水利工程的现代化管理[4]。新疆三屯河灌区初步完成了以信息采集点建设和灌区e平台建设为核心的智慧灌区整体框架的搭建，基本实现了水、雨情信息的自动监测和闸门、视频的远程监控，并利用软件进行智能分析为决策提供支持[5]。安徽淠史杭灌区，立足“数字淠史杭”，构建信息化平台，初步完成了以防汛抗旱、灌溉调度、决策支持为核心的智慧管理系统建设[6]。昆山花桥天福灌区探索基于物联网技术，建设以数据源、基础平台、业务支撑、应用系统和用户接口层5部分组成总体架构的现代化生态智慧灌区[7]。

不同地域围绕灌区智慧化建设所进行的探索对促进智慧灌区发展具有重要意义，但多数灌区受制于项目投资规模和建管制度，以及灌区智慧化内涵和整体架构缺乏等问题，灌区智慧化建设缺乏顶层布局，工程建设碎片化严重，不同时期所建的硬软件设施兼容性差，感知数据难以真正支撑灌区业务管理。为此，本文拟在对标城市、交通、农业、水利智慧化发展内涵基础上，提出我国灌区智慧化发展内涵及架构。通过分析来自不同地区的典型灌区智慧化建设现状，提出当前灌区智慧化发展存在的主要问题和应对措施，以期为灌区智慧化发展提供参考。

1 智慧化的内涵

1.1 不同行业智慧化发展特点

经济高速发展与科技创新席卷全球，互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等信息技术渗透到各行各业，为各行业发展提供了前所未有的新动能。各行各业业务功能特点不同，对智慧化的诠释和应用也不尽相同，表1归纳总结了城市、交通、农业和水利等智慧化发展内涵和特征。

表1 各行业智慧化发展内涵、特征及目标Tab.1 Connotation, characteristics and objectives of intelligent development in various industries

灌区智慧化与城市、交通、农业、水利智慧化不同点主要体现在行业发展特点及目标对象的不同，城市是人类活动的载体，是人与物互动互联的空间，其智慧化高度强调人与物广泛即时的互联能力和政府管理与服务的智能化；交通是一个由交通基础设施、运输设备和被载的人或物共同构成的一个综合系统，其智慧化的目的是能为载送的人或物提供高效灵活便捷安全的一体化综合运输服务；农业领域涵盖了农作物整个生长过程相关的所有生产活动，其智慧化主要强调农业生产过程全链条管理智能化水平的提升；水利行业涵盖所有涉水主体，包括自然水系，工程体系和管理体系等，其智慧化强调行业行政管理和工程管理智能化水平的提升。虽然各行业智慧化发展内容略有不同，但核心都是利用新一代信息技术与其发展深度融合，改变或优化现有管理模式，实现信息对象全面互联、决策科学智慧、管理智能高效，提高行业发展水平。

灌区作为国家水网的最后一公里，可视为一个点-线-面相结合的特殊水利工程，其功能主要是为灌区控制范围内的生产、生活和生态提供供水服务，同时部分灌区也面临洪涝灾害、水污染等水治理问题。参考其他几个行业智慧化发展情况，灌区智慧化发展主要也是借助新一代信息技术，优化现有管理模式，提升其业务管理和服务能力。

1.2 灌区智慧化发展内涵与建设架构

1.2.1 灌区智慧化发展内涵

灌区是由水源-输配水渠系和排水沟网-控制建筑物-农田构成的点-线-面复杂网络系统，灌区管理的核心是通过对水流在灌排系统的运动过程进行精准调控，从而完成灌溉供水调度和防汛抗旱等主要业务功能，所涉及的关键要素包括工程静态信息和水流动态信息，工程调控动作和由此引起的水流过程变化，以及调控决策和调控结果评价等。因此，灌区智慧化发展旨在利用高新技术和设施，建成集智慧感知、智慧决策、智慧应用，智能控制和智慧支撑于一体的“绿色、高效、安全”灌区；通过数字赋能灌区管理，大幅提升水旱态势感知预报、险工险段及时预警、水流过程实时推演、管理方案智慧决策的能力，大幅提高工程建设运维管理、对外数据交互的标准化规范化水平，实现灌区工程和供用水管理的数字化、网络化和智能化，其基本特征是“感知全面、决策智慧、调控智能、灌排精准、管理高效、运行安全”。

1.2.2 灌区智慧化建设架构

灌区智慧化建设架构由物理空间层、信息感知层、信息传输层、数据处理层、模拟决策层和智能调控层组成。物理空间层是信息感知层的感知对象；信息传输层将感知信息传输到数据处理层；模拟决策层对数据处理层处理过的信息进行仿真模拟，根据模拟及再学习结果做出决策；智能调控层根据决策指令对调控设备进行智能调控；感知层会对调控运行情况进行再感知，再传输至模拟决策层进行分析优化，形成不断优化不断学习的闭环智慧化管理（见图1）。

图1 灌区智慧化建设架构Fig.1 Intelligent construction architecture of irrigation area

2 我国灌区智慧化发展现状

本文在对全国436个大型灌区调研数据分析基础上，又重点针对感知体系建设情况对124个典型灌区在水情、工情等方面的监测情况进行了调研分析。

436个灌区的调研数据表明，水量计量点量测设施覆盖率约为17%，配套有信息化管理平台的灌区约占79%，其中信息平台中具备灌区一张图模块的占62%，具备项目建设管理模块的占39%，具备工程运行管理模块的占60%，具备用水管理模块的占78%，具备防汛调度模块的占42%，具备水费计收模块的占42%，具备办公OA模块的占39%。各功能模块占比情况在全国不同区域的分布见表2，不同区域划分依据《全国现代灌溉发展规划（2012-2020年）》中的灌溉分区[18]。总体来看，建立信息化平台的灌区占比较高，平台中业务功能占比最高的为用水管理系统、其次是一张图和工程运行管理，据此也可说明对不同区域所有灌区而言一张图的展示查询功能，和灌区工程运维与供用水管理功能都是最为重要的业务需求，而其他防汛调度受地域影响最为明显，工程建设、水费计收和办公OA等与不同地域的社会经济水平、管理机制和管理理念等密切相关，整体而言南方地区信息平台和各管理系统内容的占比要高于北方地区。

表2 不同灌溉分区灌区管理应用软件系统开发情况Tab.2 Development of application software system for irrigation area management in different irrigation zones

近20年来灌区信息化建设内容主要集中在感知体系和平台开发，为了进一步了解不同区域灌区感知内容及其占比情况，本文又进一步选出了124个灌区对感知体系建设情况进行调研，图2给出了124个样本灌区的空间分布图，表3给出了不同区域灌区水情、工情和其他监控设施建设情况。调研数据表明，监测内容主要是水情和工情，水情监测的分界点通常在专管（灌区管理局管理）和群管（地方政府管理）的分界点，目前看来分界点以上专管的关键节点是过去量测水设施配套建设的重点，除华南和西南外其他区域的变化幅度为0%～100%，表明即便是同一区域，不同灌区间差异很大，但配套率均值都不高，最高的西北地区为46.73%，最低的华南地区为17.66%，其次是黄淮海地区为37.93%。结果表明，水资源越短缺的地区，量测水设施的配套率越高。专管与群管分界点是灌区内不同用水管理单元配水量的计量点，目前从调研的数据来看计量率也并不高，这个配套率的高低与当地农业灌溉水费征收方式密切相关，华南沿海多数地方水费是财政支付，相应的计量率也很低。泵∕闸等工程信息的远程自动监控占比总体也不高，黄淮海均值最高为22.05%，西北次高为21.02%，华南最低为5.14%，东北次低为10.91%，同一地区（除华南外）不同灌区的变幅较大。水功能区监测率整体也不高，长江中下游地区最高为22.94%，东北地区最低为5.93%。综上表明，设施配套占比率受需求牵引影响最大，同时也会受制于灌区经济状况和管理水平，比如水资源短缺地方，水费的收缴率相对最高，用水定额管理需求更大，用水计量也更被重视和关注。

表3 灌区信息感知建设情况Tab.3 Information perception construction in irrigation area

图2 样本灌区空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of sample irrigation area

3 我国灌区智慧化发展存在的主要问题

从对全国大中型灌区信息化建设现状的摸底数据来看，灌区信息化水平总体不高，基本上处于量测水等硬件设施的配套阶段，支撑智慧决策的算据、算法和算力方面的建设基本处于初级阶段，因此灌区智慧化建设是一个长期的过程，从智慧灌区最终应该达成的全面感知、智能调控、智慧决策和灌排精准来看，当前灌区智慧化建设主要存在以下不足。

3.1 数据支撑不够

灌区智慧化决策需要通过感知体系获得数据支撑，目前数据支撑不够体现在三方面，一是感知覆盖不全面，这个受制于工程投资等影响，同时在有限的投资下感知点的优化布设方面做得也不够，导致本不多的感知点能真正服务于业务需求的更少；第二是感知设施不正常读数，部分感知点有设施，但存在设施不正常读数或读数不合理等情况，这个与量测设施运维专业性强有关，灌区在信息工程方面运维技术能力相对较弱；第三是数据不可用，许多感知设备能正常读数，但数据传回管理系统后，没有数据治理，管理者能看到设备数据状态，但缺少将观测数据用于业务管理的中间连接处理部分，所以数据不可用。基于以上三方面，目前在各灌区中感知数据能真正支撑业务应用的较少，导致感知设施工程效益相对较低。

3.2 算法支撑不够

尽管调研数据表明，大型灌区信息化管理平台建设占比达到79%，但在这些平台建设中有模型库和知识库模块支撑管理决策的几乎没有。灌区供-输配-灌-耗-排水循环过程是一个极为复杂的水动力过程，且受复杂输配水网络上众多闸控节点的人为干预影响显著，目前多数灌区的水资源配置调度和防汛抗旱决策主要依靠传统手段和经验判断，难以做到水资源的灵活便捷动态调配和高效利用，难以做到洪旱灾害的提前预警和应急处理决策及时化。灌区要实现智慧决策，则必须加强来水预报、需水预测、水资源配置、输配水联合调度、田间灌排及水旱灾害防御等专题模型的研发。

3.3 多专业融合协作不足

灌区智慧化建设中感知体系和系统平台集成离不开信息化公司，但专题模型开发和业务系统设计也必须要有专业人士参与，两方面的专业人士必须通力协作，才可能建立能真正支撑灌区业务的智慧决策平台。但以往灌区量测水设施的设计安装和信息化平台的开发主要由信息化公司来承接，公司的强项是硬件开发和系统集成等，但因为不懂水利专业知识，在设施安装的规范性专业性方面存在较多问题，导致感知设备观测数据时常不合理，业务系统集成时对灌区业务逻辑理解不到位，表单设计不合理，使得许多信息化平台开发完后真正利用率低。十四五开始，灌区由续建配套与节水改造阶段逐步进入现代化改造阶段，灌区信息化发展迫切需要向数字化提升，在此背景下单靠信息化公司难以独立完成灌区专题模型的开发，故水利专业与信息化专业的深度融合协作被大家所重视，为了更好的推动灌区智慧化发展，更多专业人士需要进一步探索一条长期协作的模式。

3.4 信息化工程专业化运维缺乏

量测水设施和信息化平台等硬软件工程的运维不同于传统的渠道等基建工程，运维的专业性强，目前个别灌区在探索第三方托管等专业化运维方式，但多数灌区基本上是靠承包建设的公司免费维护2～3年，然后则自己运维，而灌区信息化方面专业人才的缺乏，使得许多信息化工程使用寿命较短，工程效益低。所以灌区要真正实现智慧化，保障信息化工程正常运维的体制机制必须完善，否则重建轻管，灌区智慧化系统很难可持续地良性运转。

3.5 统筹发展能力不足

灌区智慧化建设是一项复杂的系统工程，并且随着信息技术不断发展也是一个不断更新迭代的过程，行业主管部门需要做好统筹引导、灌区管理主体需要做好顶层规划布局，总体布局与分步实施同步推进，建设与建后运维管理要统筹考虑，不同时间段、不同地点、不同施工单位所建设的硬软件接口标准要统筹规划，但目前多数灌区做不到以上各方面的统筹布局，智慧化建设目标不清晰、任务不明确，信息工程建设“散、乱、杂”等问题突出，最终导致信息工程效益低下，部分信息工程建后闲置现象严重。

4 灌区智慧化发展推进建议

（1）重视顶层设计。灌区管理涉及多部门数据共享、多层级管理机构协同，灌区智慧化是一个连续和不断更新迭代的过程，不可能一次投资完成，因此为了避免数据孤岛、工程碎片化，从国家到地方管理部门都必须重视顶层设计。国家层面需对灌区智慧化的目标、内涵、建设架构、评估体系、关键信息工程建设标准等进行研究讨论，形成全国性指导文件，从顶层掌好舵；地方灌区管理部门，对自己灌区的智慧化发展必须优先做好顶层规划布局，对于感知和控制等硬件设施要对测控点进行整体布局，对于业务平台等软件系统要首先设计好整体的框架，考虑后续功能模块的扩充、存储和算力提升、接口的统一等可持续更新需要，然后根据每年可投资经费情况，按照轻重缓急的思路分步推进。

（2）把以需求牵引为导向落到实处。对于上层批复项目的管理部门而言，要以地方的需求为主安排项目投资，对于地方管理部门而言，要以灌区业务的需求为导向安排工程建设内容，尽量避免建好的工程难以助力业务管理需求，导致部分工程建后长期被闲置荒废，影响工程效益发挥。

（3）重视工程施工过程的专业咨询。灌区智慧化建设涉及较多的新一代信息技术，需要信息化和水利专业的深度融合，比如量测水设施要确保测量精度，除了设备自身的测量精度外与安装条件、参数率定等密切相关，前者设备公司负责，后者则需要有水利专业的人员负责把关，因此建设过程中，建设单位有必要成立由信息化专业和水利专业的人员组成的专家组，对于每一个工程节点的验收都应该通过专家组确认后才可，这样可避免不合规的安装，避免设施安装后因为参数率定工作不到位，数据不可用等情况。

（4）创新信息化工程运维管理模式。与传统基建工程相比，信息化工程运维专业性强，技术更新快，并且工程互联互通形成水联网，一个节点出现故障，可能影响整个系统工程的运行，故障容忍度更低，为了减少信息化工程的故障率和提升故障解决效率，则必须要有专业人员进行维护，而当下多数灌区缺乏相关的专业人才和队伍，因此如何确保信息化工程可持续良性运转，则必须创新当下灌区工程的运维管理方式，探索第三方托管或灌区自己成立信息化专业队伍等运维模式。

5 结 语

灌区作为农业灌溉的供水主体，其智慧化发展是助力农业现代化发展，确保国家粮食安全的重要保障。受灌区工程和功能特点的影响，灌区智慧化发展进程除了工程建设投资外，与管理机制体制、社会经济发展水平和管理者的思维意识等都密切相关，也决定了灌区智慧化发展是一个漫长的循序渐进的过程。在十四五国家全面进入社会主义现代化建设的当下，通过梳理灌区智慧化建设现状，剖析存在的问题和不足，提出相应措施与建议对推动灌区智慧化发展是十分必要的。文章基于全国大型灌区信息化建设的调研数据重点从信息感知和平台建设两方面分析了全国不同区域的建设覆盖情况，再结合灌区智慧化发展特点和走访座谈了解到的灌区智慧化发展情况，总结了当下灌区智慧化发展在数据和算法支撑、多专业融合、运维模式及统筹布局等方面的不足，重点从顶层设计、项目与工程选择、建设过程管理和运维等方面提出了发展建议。