黑龙江省典型灌区信息化管理系统设计

刘长荣，赵汉哲，王瀚琦

(1.黑龙江省农村水利水电保障中心，哈尔滨 150040；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150000；3.吉林大学，长春 130022)

信息化是灌区现代化的基础和标志，也是灌区可持续发展的必然要求，灌区信息化建设是提升灌区管理水平和提高灌溉效益的有效手段之一。灌区信息化就是在充分利用现代信息技术的基础上，广泛利用灌区的各种信息资源，大力提高信息采集与加工的准确性以及传输的时效性，做出及时、准确的反馈和预测，为灌区管理部门制定决策提供科学依据，从而降低管理成本，提升灌区管理的效率和水平，促进灌区实现科学高效管理。然而，与西方发达国家相比，我国水利行业信息化起步较晚，灌区信息化建设目前仍处于试点阶段，现代科技还不能及时在水利行业中发挥效益，灌区信息化建设仍面临资金短缺、信息化标准和通用程度较低、信息采集手段相对落后、软件开发和推广应用环节薄弱、资源共享程度低、系统综合集成能力差等一系列问题[1-2]。因此，在试点灌区信息化建设中，应结合灌区的实际发展需求和投资情况，以提升灌区管理的快速反应能力、促进灌区管理效率以及科学决策水平为目标，提出因地制宜的灌区信息化管理系统设计方案。

黑龙江省是中国最北、最冷的寒区省份，大田作物为一年一熟制，农作物生长季为4-9月。全省灌区一般只灌溉水稻，其他农作物主要靠雨养，且水稻有较独特的育秧、插秧、田间管理以及灌溉方式。龙凤山灌区地处黑龙江省南部的五常市境内，设计灌溉面积(全部为稻田)2.65万hm2，是黑龙江省大型灌区之一，在全省灌区中具有代表性，灌区受益人口约22万。1998年，龙凤山灌区被列入全国大型灌区续建配套节水改造项目灌区，共完成投资27793万元，整修总干渠2条，长98.3km；干渠5条，长142km；分干渠9条，长107km；支渠176条，长358.9km；排水干沟28条，长200.55km；排水支沟12条，长49.4km；配套建筑物373座。灌区的灌排体系已经形成，工程配套率和完成好率均在80%以上，具备了开展灌区现代化建设和管理的基础条件。2001年，灌区成立了龙凤山灌区管理机构，下设包括光辉灌溉站、小山子灌溉站、民意灌溉站、卫国灌溉站、营城子灌溉站、二总干管理站的6个灌溉管理站，灌区的管理体系和运行机制均已完备。因此，以龙凤山灌区为例，研究该灌区的信息化升级设计方案，对于促进黑龙江省灌区现代化建设具有重要的指导与借鉴意义。

1 黑龙江省灌区信息化管理系统需求分析

1.1 提高灌区管理水平的需求

由于人员不足，技术力量薄弱，利用现代信息技术，对灌区实现现代化精细化管理水平，逐步提高灌区基础信息的管理与应用水平，是目前全省灌区信息化建设最重要的工作。

1.2 实现水资源优化配置的需求

如何利用好水资源，包括对水资源的开发利用、保护与管理，解决水资源供需矛盾和用水竞争，实现水资源的可持续性利用，利用现代化的信息技术手段，如何科学有效地实现灌区内的水资源优化配置，是灌区发展迫切需要的[3]。

1.3 灌区量水测水管理的需求

黑龙江省灌区现行的流量监测方法都是先通过标准断面测量水位，再通过流量公式换算得出流量，计算流量存在误差，并且工作量较大，致使灌区用水量计量和水费收缴工作存在效率低、收入不透明、数据查询检索困难等问题。建立基于现代信息技术的灌区用水计量和水费收缴系统，可以让农民及其他用水户花钱放心，能有效提高水费的收缴率[4]。

1.4 灌区险工段监控管理的需求

由于缺少视频监测手段，管理人员需经常到灌区巡视，尤其在汛期，每天都要到灌区险工段现场进行巡检，不仅消耗了大量的人力和物力，也带来了的较大工作量，而且不能第一时间掌握现场突变的情况。建立水情、雨情监测拍照系统，通过对现场情况进行定时拍照，可以更加直观地了解现场情况，为管理人员提供真实的现场资料。

2 龙凤山灌区信息化管理系统设计框架

参考我国其他省份在灌区信息化管理系统设计方面的成功经验，结合黑龙江省自然地理特点以及龙凤山灌区管理现状需求，提出“三测、三网、一平台”的信息化管理系统设计框架，为龙凤山灌区管理单位提供准确、及时的各种数据采集信息。“三测”是指对数字、图片及视频3类信息进行实时监测。数字信息包括渠首、渠道的水情信息，灌区降水量信息以及灌区水质信息等；图片信息监测包括对关键节制闸、排洪闸以及险工险段的现场情况图像进行定时采集；视频信息监测是指对渠首、提水泵站、管理站等地点进行视频信息实时采集。“三网”是指光纤网络、GPRS公网、互联网[5-8]。“一平台”表示一个综合平台，即通过计算机、投影、软件等构建平台，对水雨情动态监测管理、量水测水管理、工情及巡检管理、水费计收管理和电子地图等进行平台展示。“三测、三网、一平台”的设计框架结构详见图1。

图1 龙凤山灌区信息化管理系统设计框架结构图

3 系统模块设计

3.1 水雨情监测系统

考虑到设备所处的高温、高压、高寒、高湿度等自然条件，结合龙凤山灌区渠道和建筑物布局及结构形式，对RTU、传感器、摄像机、通信方式、供电方式进行比选后，选用以RTU为核心单元。本方案拟建设水位监测站点和图像采集站点各3处，水位监测站点设在营城子自流干渠拦河坝，图像采集站点设在卫国常安干渠渠首1处、闫家岗节制闸1处、金家窝棚节制闸1处。灌区水情采集采用随机自报和定时自报相结合的工作方式，信息中心的数据接收设备始终处于值守状态。

3.2 水质养分及重金属信息采集系统

水质养分及重金属信息采集系统根据作物灌溉中所需要的监测信息，通过高精度离子类传感器和智能云终端，指导灌溉作业，方便精准地了解水源生态环境。水质养分及重金属信息采集系统包括传感器、智能适配模块、智慧农业云终端、传输网络和业务应用软件等。

灌区水质采集工作采用召测上报和定时自报相结合的自报工作方式，在八一干渠闭流区的进、出口各设水质监测站点1处，水质监测站点主要建设在卫国八一干渠进水闸1处，卫国八一干渠排水口1处。召测上报是指每当用户需要水质指标时，即可通过软件唤醒水质监测站点，监测站点即自动向信息中心采集并报送一次最新数据；定时自报是指每隔1h，不管参数有无变化，即采集和报送一次数据，信息中心的数据接收设备始终处于值守状态。

3.3 量水测水管理系统

根据龙凤山灌区的量测水现状，结合明渠量水规范，灌区量水测水管理系统将各种量水方法固化到系统中，系统架构采用B/S结构，服务端软件基于数据库SQLServer开发，可以运行于Windows系统平台，能够承接信息采集处理系统采集端处理后的水、雨情数据，支持大部分的量测水方法。无论是流速仪量水，还是水工建筑物量水，都能根据用户传回的最新数据，并采用相应的计算公式来换算成相应的流量，最终得到水量信息，提供自动水位-流量曲线拟合功能，只要用户将实际测量的水位-流量对应值录入到系统中，系统自动会使用曲线拟合方法得到相应的水位-流量关系曲线方程。

3.4 水费计收管理系统

根据目前龙凤山灌区的水费收缴的现状，结合各地区水费收缴方面的成功经验，将水费收缴的业务流程集成到系统中，用户可以方便快捷、直观有效的对所在灌区范围内的受益单位、用水户的灌溉面积、用水量、交费金额以及各年度的水费收缴情况进行管理和查询统计。系统采用B/S结构，服务端软件基于数据库SQLServer开发，可以运行于Windows系统平台，能够承接量测水系统计算整编过的水量数据，有效支持绝大部分灌区的水费收缴方式，及受益单位和用水户的管理模式，见图2。

图2 水费计收管理系统示意图

3.5 信息化平台系统

以龙凤山灌区各类信息为依托，形成一个以数据采集为基础，互联网络传输为骨干，云计算中心为枢纽，云服务为支撑，应用对象为主体的统一的现代灌区“云”服务管理平台。灌区信息化平台系统整体采用分层设计，业务架构见图3：

整个系统界面设置以人性化为主，界面风格不拘于传统操作系统，力争表现水利行业的专业风格，方便用户操作，画面应整体和谐，美观大方。

图3 灌区信息化管理系统平台架构图

4 结论与讨论

通过灌区信息化建设的管理系统平台通用性和运行效果，显著提升了的社会效益和经济效益，可为黑龙江省灌区信息化建设提供借鉴和参考。

4.1 建立新型管理模式，提高了灌区管理效能

通过信息化建设，灌区开展了水雨情等信息自动监测，闸门自动测控，泵站自动监视监控工作，并通过用水管理系统、工情GIS地理信息系统、水费管理系统等业务软件的应用，逐步实现以“计算机管理为主，人工辅助”的新型管理模式，农民用水户对灌区水费管理模式普遍认可，灌区水费收缴率均达到98%，为早日建设数字化灌区奠定基础支撑。

4.2 及时掌握水情和工情，提高了工程安全可靠性

灌区自动水、雨情信息监测点的建设，极大地提高了水情、雨情的测报能力和优化调度水平。通过水雨情遥测系统和闸门监控系统，不仅能及时有效掌握主要控制断面的来水情况、渠道沿线水情，重点部位雨情的实时发生过程，并能及时控制流量，充分保证灌区用水和水工建筑物的安全运行。

4.3 改善工作环境，提高了管理人员素质

各开展信息化建设的灌区均能使用互联网络，部分技术骨干初步掌握了信息化软、硬件技术。通过信息化建设，部分工作由计算机辅助完成，改变了人工看水尺、现场操作闸门、手工写材料、通信用信函的传统方式，初步实现了自动化的现代工作模式。