四川省都江堰东风渠智慧灌区框架设计

万忠海*，李杰，郑姣

（四川省都江堰东风渠管理处，四川成都，610072）

四川省都江堰东风渠智慧灌区框架设计

万忠海*，李杰，郑姣

（四川省都江堰东风渠管理处，四川成都，610072）

根据水利改革发展的新形势新要求，在前人研究的基础上，结合四川省都江堰东风渠灌区实际，提出四川省都江堰东风渠智慧灌区框架设计。智慧灌区系统包含水资源管理模块、防汛抗旱模块、工程管理模块和运维管理模块，系统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。智能灌区系统可有效提高管理水平，最大化地利用水资源为灌区服务，为灌区信息化建设提供了一种思路。

水利信息化；智慧灌区；水资源管理；防汛抗旱；工程管理；运维管理

引言

水利部陈雷部长提出“以水利信息化带动水利现代化”，水利信息化的全面推广和应用被提上了日程，信息化技术已广泛用于水资源管理、工程管理、防汛抗旱和水生态保护等领域[1-5]。伴随着物联网、大数据分析和云平台的出现，智慧水务应运而生，智慧水务是水利信息化的高端、集成和深度应用，目前已应用流域管理中[6-9]。

四川省都江堰东风渠位于成都平原，常年为成都、眉山、资阳、乐山四市二十个县（市、区）提供生活、工业、农业、环境用水服务，并承担向仁寿县黑龙滩水库和简阳市龙泉山水库两个水库灌区的输水任务。随着城市化进程的不断加快，灌区用水量日益增加、用水结构发生着深刻的变化[10-11]，如何科学、高效的调配水资源成为日益突出的课题。灌区水资源调配方面，学者们提出了基于智能优化算法、3S技术和虚拟现实技术的灌区水资源配置系统[12-16]，为灌区信息化建设提供了思路。安徽省淠史杭灌区首先提出智慧灌区概念，并构建集防汛抗旱、灌溉调度、水质监测和数据管理为一体的智慧灌区探索[17]。笔者在前人研究的基础上，结合四川省都江堰东风渠灌区实际，提出四川省都江堰东风渠智慧灌区框架设计，通过智慧灌区系统进行实时监管、科学决策，以提高水资源利用率和灌区管理水平。

1 四川省都江堰东风渠灌区现状

四川省都江堰东风渠灌区内无大型调蓄设施，属于典型的过水性灌区，引水及用水受上游来水波动影响较大，受灌区渠系分布影响，易出现灌区局部用水不足或水量过多等现象。目前东风渠灌区主要存在如下问题：

（1）水资源管理较为粗放

东风渠现在供水制口1726个，分布广，水情信息收集与传递不及时，无法实时掌握水资源的分布及使用情况；对收集的数据缺乏系统分析，在粗放的调度模式下造成区域性和时段性的水资源缺乏与浪费；无大数据积累分析，无法对后期水资源配置工作进行完善。

（2）防汛抗旱缺乏系统分析

水情、雨情、险情、墒情收集不及时、不全面，对受灾影响区域、汇集雨量等数据无系统分析，防汛抗旱决策以人工经验为主，缺乏实时的会商分析指挥系统，抢险物资、人力、机械等缺乏全局调度指挥。

（3）工程管理手段较为落后

东风渠灌区内共有干渠16条，干渠总长816Km，渠道涉及的水利工程多，建设面广，工程信息库不完善；建设改造与日常管理缺乏系统档案与动态跟踪监管。

（4）信息化设备后续管理脱节

没有规范的维护管理机制，建多维少或只建不维，恶性循环，投入浪费。

（5）各业务孤立，各搞各

东风渠管理处内设11个职能机构，下设11个管理站。各部门系统相对孤立，不能全局统筹；部门之间信息难以共享；部门之间无法协同办公。

2 智慧灌区设计

供水管理精准化：动态掌握全灌区水资源需求与分配情况，通过智慧系统科学预判、动态调整各节点在不同时段、不同区域的实时水量分配。按照“保证生活、满足农业、兼顾环供”的调度原则基于多目标优化理论提供最优级调度预案，实现灌区均衡受益和水资源利用最大化。

工程管理现代化：按渠系、类别、功能用途等建立完整的工程信息库，对重点建筑物、工程项目实行身份证管理，规范静态建设管理机制。建立“有图有真相”的动态巡渠管理体系，提高并强化日常管理水平，建立动态电子巡查台账。

防汛抗旱科学化：实时掌握水情、雨情、墒情，通过平台综合分析，预判险情级别与影响力度，建立与水资源管理和工程管理相结合的实时防汛抗旱科学指挥系统。

运维管理程序化：运维管理可延长水利信息化系统的生命周期[18]。随着信息化建设的加快，通过外购部份运维服务或整体打捆承包的方式，建立完备的运维管理系统[19]，既保证系统的正常运行又减少业主单位在人员与资金上的投入。

业务管理网络化：通过平台整合复杂的多部门业务，实现各单位、各部门信息共享、协同管理办公。

3 智慧灌区的具体内容

3.1 水资源管理模块

图1 水资源管理目标Fig.1 The objectives of Water Resources Management

图1所示为水资源管理的目标，水资源管理模块是智慧灌区的核心内容。按照供水原则，以配水计划为基础，制定各制口各时段的用水基础预案，在基础预案执行过程中结合上游来水量、末端特殊需求、河道情况、区域降雨量等不同情况下所采集的数据，以充分发挥水资源最大利用率为目标，利用智能优化算法[11-12]实时修正基础预案，解决各个用水节点“在什么时候用、用多大、用多久”的问题。基础预案修订原则见图2。

图2 基础预案修订原则Fig.2 The Principle of Revising the Basic Plan

用水分析：通过对上游来水与各个制口用水情况进行长系列资料分析，对数据偏差较大的查找原因，形成水损分析图。结合水损分析图和数据分析修正模型组件可实现用水调度管理的实时修正校验、工程运行状态的实时校核，同时也可用于经济效益与建设成本投入的经济分析。

水资源管理模块要求具有较强的扩展性，能结合灌区用水计量以及第三方的用水数据接入（比如国控水资源监测等），实现并完善灌区内末级单点用水数据的融汇和分析，真正建立起完整的东风渠水资源调度标准体系。水资源管理模块同时也可建立水资源相关费项管理、征收子模块。结合东风渠实际稳步推进国家农业水价改革相关建设工作。

3.2 防汛抗旱指挥模块

现阶段，我们事后才知各节点雨量信息，无法对各重要断面节点进行提前预判，无法确定旱情或洪灾影响范围，全凭人为感知与经验对渠道上游经流进行适度控制与人员物质调配。利用RS收集基础信息，通过气象云图以及区域降雨量对灌区影响的长系列数据进行分析，防汛抗旱指挥模块通过数据计算推演模型组件推算出降雨对灌区径流的影响，进而为防汛抗旱调度提供依据。防汛抗旱模块拓扑图见图3。

图3 防汛抗旱模块拓扑图Fig.3 The Topology Map of Flood Control and Drought Resistance Module

在保证区域防汛安全、用水安全以及最大化利用水的基础上科学、合理、安全的进行水的疏导和防汛调度，即提供科学的防汛抗旱解决方案。

图4 防汛抗旱解决方案Fig.4 The Solution ofFlood Control and Drought Resistance

3.3 工程管理模块

静态管理：通过巡渠人员实时传输的资料以及其他文档资料为各个工程设施、建筑物站点建立详细的信息库，以供工作人员查询和工程设施、建筑物后期维修使用。通过信息库的静态管理可建立河堤、建筑物、闸门以及桥梁等设施身份档案。

建设运行动态管理：通过时间轴逐一记录建设项目的立项、招投标、设计、施工以及维修等情况，建立工程完整记录。同时，归类管理项目中涉及的图片、视频和文字资料。

行为日常动态管理：灌区巡检人员在巡渠工作过程中，利用GPS使其运动轨迹在中心平台GIS地图中显示，同时记录各类事件（工程运行建设情况、供水管理情况、水政违法情况等），并传到管理值班中心。

3.4 运维管理模块

运维管理模块可对所有信息化设备进行实时在线监控管理，实现设备进行有问题就修、坏了就换，有资料显示设备损坏不维护导致设备报废概率将增加，几千上万的设备不维护它的价值就是零，通过系统监控规划维护使每一个设备达到它应有的价值。

4 东风渠智慧灌区总体建设架构设计

基于四川省水利厅提出的“ 一套体系、一个中心、一张地图、一个平台 ”的理念，以标准体系建立和规范各类基础站点；通过安全网络传输并建立云端数据中心，规范数据存储和调用格式；在一张GIS地图上分类实时显示系统分析处理后的内容；以需求为主导，建立各具特色的管理子模块，为灌区智慧管理提供科学的依据与决策，从而使管理发挥最大社会效益、经济效益和生态效益。

图5 智慧灌区系统拓朴图Fig.5 The Topology Map of the Wisdom Irrigation Districts system

4.1 采集层

站点采集：重要节点的基础数据由分布在灌区各个监测点的水雨情与工情信息器采集，利用RS原理实时对水量、雨量、水位、水质、墒情等信息全过程、全天候、全方位采集。次要节点的基础数据通过巡渠仪或手机 APP进行阶段性采集，以减少建设与运维成本，目前四川省都江堰东风渠管理处已推行的用水计量系统就可实现对次要站点的水情、水质等情况采集传输。

内部共享：利用水利系统内部其他部门资源建立统一共享数据库[20]，实现和省水文水资源勘测局水资源系统、水文监测系统、以及水利厅防汛抗旱系统的数据对接，避免重复建设。

同时还应实现其他第三方主管部门（如国土、环境、气象）数据共享与数据借用，以节约建设与维护成本。

4.2 支撑层

由数据交换与云服务构成，是应用系统的基础支撑，保障系统具有良好的适应性、扩展型和资源的高度共享。

4.3 组件层

由GIS组件、三维模型组件、数据计算分析模型组件、数据推演修正模型组件等。组件也叫微服务，所有组件互相之间无直接约束关系，可根据业务需要不断增加业务组件，并且系统的成长性主要体现在这些业务组件的不断丰富上面。

4.4 应用层

应用层集中展现水资源管理、工程管理、防汛抗旱指挥、运维管理。应用层可以扩展，以满足不断变更和增加的业务内容，其他的各层均为支撑应用层存在，可以满足应用层的弹性扩展需要。

5 结束语

应用创新思维理念、切实结合实际需求，才能研发出一套真正适用于灌区的智慧管理的系统。灌区智慧管理系统，不仅仅是一个辅助的最初级显示工具；不仅仅是对数据的整理与显示；更应该通过数据的不断积累，应用大数据分析，为经验行为矫正、为管理思维纠偏，并不断精益求精，真正为灌区管理提供科学的决策依据，最大化发挥出灌区的社会效益、经济效益和生态效益。

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The Framework Design of Wisdom Irrigation Districts Construction in the Dujiangyan Dofengqu Irrigation Districts of Sichuan Province

WAN Zhonghai*,LI Jie,ZHENG Jiao
(Sichuan Dujiangyan Dongfengqu Management Department,Sichuan,Chengdu 610072,China )

According to the new situation and the new requirement of water conservancy reform,the framework design of wisdom irrigation districts construction in the Dujiangyan Dofengqu irrigation districts of Sichuan province is proposed based on the previous studies and combined with the actual situation of the Dujiangyan Dofengqu irrigation districts of Sichuan province.The wisdom irrigation districts system had four modules,the Water Resources Management module,the Flood Control and Drought Resistance module,the Engineering Management module and the Operation Dimension Management module,based on the intelligent optimization algorithm,the 3S technology,the Large date collection & analysis & revision and the cloud service.Efficient utilization of water resources and modern management of hydraulic engineering can be true in the proposed system.By using the proposed wisdom system,management level is improved,water resources is maximized for servicing Irrigation Districts.The results provide a new idea for Water Resources Informatization of Irrigation Districts .

Water Resources Informatization; Wisdom Irrigation Districts; Water Resources Management; Flood Control and Drought Resistance; Engineering Management; Operation Dimension Management

TV213.4

A

1672-9129(2017)04-0176-05

万忠海,李杰,郑姣.四川省都江堰东风渠智慧灌区框架设计[J].数码设计,2017,6(4):62-66.

Cite：WAN Zhonghai,LI Jie,ZHENG Jiao.The Framework Design of Wisdom Irrigation Districts Construction in the Dujiangyan Dofengqu Irrigation Districts of Sichuan Province[J].Peak Data Science,2017,6(4):62-66.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.045