基于BIM+GIS 的智慧灌区水资源管理分析

邢云飞，丁雨晴 ,马莉，孙少楠 ,罗福生

（1.河南省豫东水利保障中心赵口分中心，河南 开封 475000；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

随着我国灌区建设的不断发展，积极地将物联网、现代化等先进技术运用到灌区工程的建设管理之中，国内的许多学者也陆续投入智慧灌区的研究领域，并取得了一些成果。张波等人（2020）为实现灌区水资源的科学调度，提高水资源配置能力与利用率，重点介绍了智慧灌区系统的建设和应用，同时结合锦江灌区信息化建设实际情况，构建了锦江灌区信息化管理系统平台[1]。倪士超（2019）结合刘大灌区管理需要，研发设计了基于GIS 技术的用水管理系统，根据用水数据汇总、分析情况，制定相应的用水管理计划[2]。邱俊楠等人（2022）围绕灌区水资源的一些问题，根据感知数据以及3S 技术构建出灌区一张图，并实现了灌区从水资源预测到管理、多视角智能化灌区管理平台的建立[3]。但是由于一些其它因素，各地对灌区智慧化建设的研究实践情况参差不齐，从总体来看，我国智慧灌区建设研究任务依旧任重道远。

1 灌区智慧化建设分析与研究

本节通过对灌区目前主要存在的问题，以及对它进行智慧化建设的影响因素进行综合分析，整理出灌区问题分析图，为下节探讨出适合灌区水资源管理系统的实施策略做铺垫。

1.1 赵口灌区实例分析

1.1.1 灌区工程概况

赵口灌区位于河南省中东部黄河南岸平原，地域涉及郑州、开封、周口、许昌、商丘5 市。灌区自70 年代建成，历经了40 多年的发展建设，涉及范围及灌溉面积统计情况详见表1。灌区1972 年开始引水灌溉，在引黄灌溉、田间除涝、改良土壤、防治土地盐碱化、补给下游地下水源、改善灌区受益区内生态环境等方面，发挥了巨大效益，对保证灌区工农业生产、振兴经济、确保国家粮食安全具有重大意义。

表1 赵口灌区受益范围及灌溉面积（万亩）

1.1.2 灌区管理现状

河南省豫东水利工程管理局赵口分局为省级专管部门，承担郑州市境内总共30km 干渠的管理及灌区用水调度和水费征收等管理工作。郑州、开封、商丘三市由水利局组织成立了引黄处，承担各辖区境内引黄灌区渠道及建筑物工程运行管理任务；其他的由市水利局代管。灌区内的中牟县、开封市祥符区、尉氏县、鄢陵县四县设有引黄管理中心等专管机构，负责各县境内引黄灌区的工程管理工作，隶属于县水利局[4]。

1.2 灌区存在的问题

1.2.1 工程改造与灌区信息化发展不平衡

在信息化建设还未普及之时，大多数灌区更注重工程化改造、有形资产的投资，对灌区管理软件与能力建设提升重视不够，闸门调度、水量计量，还是原始的手动操作。

1.2.2 现代农业的快速发展与灌区信息化滞后矛盾凸显

一些大型灌区发展信息化水平、规模、布局与他所承担的灌区水资源管理能力不平衡，导致按需灌溉、灌溉用水、生态补水之间供需矛盾问题的出现，没有从根本上改变水资源的管理方式。

1.2.3 灌区信息化自动化水平低，量水设施不齐全

大部分灌区自动化建设基本空白，智慧灌区相关建设尚未起步，信息化智慧管理水平较低，量水设施也不齐全，与当前新时代水利发展理念极不适应。

1.3 灌区存在问题分析图

进一步总结出了大型灌区存在问题分析图，为灌区的智慧化建设提供依据。问题分析见下图1。

图1 大型灌区存在问题分析图

2 智慧灌区水资源管理系统设计

本节充分利用现有的灌区优势，推进赵口灌区的水资源科学利用，加快建成智慧化水资源管理体系。

2.1 水资源管理总体框架

根据标准规范体系和安全保障体系，将从全方位感知设备所获得的数据，通过高速网络传送至云端，并利用大数据技术，结合赵口灌区的实际需求，为灌区用户提供物联监控、灌区一张图（GIS 图）、水量调度、用水监督等应用，为灌区各级管理单位和农户提供全方位的服务，以此有效提升灌区的水资源利用效率。灌区水资源管理的总体框架见下图2。

图2 总体框架

图3 灌区数据采集与分析

图4 闸门远程控制界面

图5 赵口灌区朱固枢纽三维视图

图6 赵口灌区引黄口三维场景

2.2 数据采集分析系统

灌区以原始数据为基础，通过对这些数据的采集与传输来查询灌区水量、水位等信息，同时结合灌区具体实例，运用水量的一些算法或预测分析模型，来实现灌区量测水监控、来水预测和用水分析等业务的管理，最终为不同的灌区用户提供汛情预警、水量调度和灌溉计划等决策支持。

2.3 测控一体化闸门系统

闸门控制在灌区智慧化的建设中是难点和关键，闸门的实时控制，是做好输水控制和水量调配的重要手段。结合赵口灌区的自然条件和现有的灌排运行体系，为了更好地实现灌区统一管理和精确调配水资源的功能，充分发挥灌区上、下游水利工程的作用，优先对灌区重要干渠的节制闸、进水闸、退水闸等建设闸门测控一体化远程控制系统。在灌季时，支流闸门会将水流信息发送给上游闸门，上游闸门接收信息后，进行开闸放水，并将有关信息发送到下一个上游闸门，以此类推，程序不断重复直到其达到设定值[5]。

2.4 BIM+GIS 应用支撑系统

为了更好地将BIM 与GIS 技术相结合并实现它们的价值，基于“一张图”的空间信息资源共享与应用模式，建立了BIM+GIM 平台，形成赵口灌区水源工程“数据枢纽”，同时应用到三维GIS 分析中，实现灌区宏观、微观智能可视化管理。

GIS 应用平台中的基础地理数据由传感器传输至互联网进行加工后接入到系统中，为系统提供了实时数据。将卫星遥感图像和各类矢量数据叠加到数字高程模型上，最终构建出一个完整的地形地貌模型，并与灌区BIM 模型进行无缝对接，形成赵口灌区三维模拟场景，以达到从整体到局部的全方位立体式漫游与GIS 分析等目的[6]。

3 水资源系统的运维管理

3.1 运维管理系统规划

（1）要求稳定可靠。赵口灌区信息化水资源管理系统中包含着一些重要的基础数据与信息，稍有差池就会造成严重的后果，所以必须保证运维管理系统能够稳定地工作下去。

（2）要求可操作性强且便于维护。由于不同使用人员的操作水平存在着差异，因此我们需要建立一个简单易懂的系统，此外，还需要具备完整的功能，便于对系统中的各种数据进行维护，同时还可以对其进行简单的备份和数据恢复。

（3）要求有持续的经费来源。现代社会信息系统迸发出来的能力就是新兴的生产力，信息智能化系统已然成为现代水利工程中不可缺少的生产系统，因此，以生产成本的方式为信息智能化系统提供持续经费支持是必不可少的[7]。

3.2 运维管理系统业务功能

运维管理系统的功能是对基础数据、运维数据、设备监测和紧急情况等进行统一管理。具体功能如下几点：

（1）基础数据运维管理。基础数据包括现场信息、系统技术信息、工作人员与用户信息及设备信息等。要对系统中的基础数据进行统一地维护。如采集、编辑、删除等，对用户进行权限配置，并附带通讯录，方便用户之间联系。

（2）运维过程数据管理。将有价值的数据生成运维报告，报告中要包含关键的运维信息，如发生故障的原因和检测方法，以及在该过程中所遇到的困难和无法解决的问题。

（3）在线监测故障管理。当发生一些突发状况时，运维管理系统有必要对设备故障状态进行在线监测，并显示出错误信息，方便现场排查与问题处理。

4 结论与展望

本文结合赵口灌区具体实例，阐述了灌区水资源智慧管理系统的总体架构，利用云计算平台的高性能、可扩展的计算和存储能力，来实现对各种传感器设备所收集到的数据的统一管理，并完成数据资源的共享，防止出现“信息孤岛”的情况。构建了科学合理地水资源管理系统，从而达到科学调度和合理利用灌区水资源，并提高灌区水资源管理的目的。