人民渠一處灌區水利信息化應用系統建設

王世容

(四川省都江堰人民渠第一管理處，成都，611930)

1 人民渠一處灌區水利信息化應用系統的地位和作用

人民渠一處灌區水利信息化的建設是一個系統工程，需要有計劃有步驟地開展，其應用系統建立在數據獲取層和基礎信息平臺之上(圖1)。

在水利信息化系統中，數據是核心，如果缺乏原始數據，系統將無法建立。而應用系統是給用戶提供的操作界面，也是業務流程實現的載體，它處于灌區信息系統的最上層，必須借助于應用程序，各項功能才能得以實現。

應用系統的主要作用如下:(1)用圖形化界面展示灌區的基礎信息，并提供操作接口;(2)實現灌區閘群自動化控制、節水灌溉等的業務流程;(3)為先進的水利信息化建設提供實現的途徑。

圖1 灌區信息化分層結構

2 應用系統建設的基礎條件

因為應用系統是灌區信息化的最高層，因而建立應用系統的前提是建立數據獲取層和基礎信息平臺。從下到上，建立應用程序的前提包括以下三方面。

2.1 基礎數據獲取與閘群自動控制

在這一個層次，主要是建立灌區基礎數據的硬件采集系統與閘群自動控制系統。通過利用智能終端設備完成水情、工情、墑情、旱情、災情、水文地質、土地、種植、氣象等信息采集和本地存儲，為灌區的水資源合理配置、監控調度提供準確及時、可靠的基礎信息服務。按照2008年的《都江堰灌區人民渠第一管理處水利信息化建設規劃》，在人民渠灌區開展了水、雨、氣象、墑、閘門、水質信息點的建設，完成重要的水情點60個、雨情點4個、氣象點3個、墑情點1個、水質點4個、自動控制閘門54處(123孔閘門視頻)的建設。

在基礎數據傳輸方面，為了提高信息傳輸的質量和速度，充分利用了現有的公共通信基礎設施，建設人民渠一處水利信息傳輸網，以滿足灌區的各類信息遙測和數據實時傳輸的需求。近幾年開展了從處機關至管理站以及管理站至養護段之間的網絡建設，實現數據中心、數據分中心及主要養護站等之間的互連;在各管理站建立局域網，并根據自動監控系統的需要進行養護段與信息采集點之間網絡的建設;并根據信息量的提高逐步提高網絡帶寬，逐步實現覆蓋人民渠一處水利數據中心、分中心、養護段和信息采集點的傳輸網絡。

2.2 基礎信息平臺

如果只有原始數據，還不足以完成灌區信息化的各項功能，還需要對原始數據進行信息提取和挖掘，建立數據庫系統是必不可少的[1]。當前3S技術在水利信息化建設中扮演著重要的角色，數據庫系統除了屬性數據的建立，還包括空間數據的建立。在數據信息提取的基礎上，還需要建立業務模型，將人民渠一處灌區水利信息化的各項功能實施流程轉化為可以用計算機語言表達的模型。人民渠一處灌區水利信息化的建立可以為節水灌溉提供決策支持，而這些決策需要建立在科學的理論和實踐經驗上，這些都是應用程序建立的前提。

根據人民渠一處2008年的規劃，基礎信息平臺主要體現在人民渠一處水利數據中心的建設，包括建設高標準機房、計算機硬件、軟件等基礎設施，遵照相關技術標準和規范整合信息資源，逐步建成人民渠一處水文水資源基本數據庫、水利工程基本信息庫、水利基礎空間數據庫、水利技術標準數據庫和水利行政管理基本信息庫等五個全局性的基礎數據庫。并通過水利元數據系統和水利信息目錄體系以及數據安全體系提供信息交換、共享與應用服務，滿足各專業日常業務的基本數據需要，并提供相應的延伸服務。

具體為在人民渠一處建立數據中心，在渠首站、彭州站、什邡站、孝泉站、永興站、新繁站和青白江站等七個站建立數據分中心;在數據中心建立數據庫和GIS等專業支撐平臺及其安全體系，在數據分中心建立數據庫和GIS專業支撐子平臺。

3 應用系統建設的步驟

3.1 需求分析

灌區節水改造和改革工作經過多年的努力，已取得成效。為了讓灌區在節水灌溉和優化調度上發揮更大的作用，爭取更大的效益，灌區信息化有如下需求:(1)工程運行監視;(2)防汛抗旱;(3)水資源配置調度;(4)水環境監測;(5)農作物生長信息采集;(6)行政事務管理;(7)信息交流。

3.2 功能描述

根據灌區節水灌溉的需求，應用程序需要建設以下主要功能。

3.2.1 數據管理。數據庫生成、數據錄入、數據增刪改、備份等管理。

3.2.2 數據傳輸。無論是同構還是異構環境，均可實現灌區內部以及灌區與上級部門間的數據傳輸。

3.2.3 信息查詢。提供基于GIS的組合條件查詢、統計和報表輸出。

3.2.4 實時監控。對監測對象的數字、圖像或視頻的實時監視，以及對閘門、測站等的遠程遙控。

3.2.5 用水計劃及管理。根據作物分布、渠系工程及水資源等信息制定年月季用水計劃，并對農業、工業、生活用水戶進行水費等管理。

3.2.6 水資源配置和優化調度。根據來水、需水信息制定水資源優化配置方案，并能按照實時情況進行動態調整。

3.2.7 運行仿真。通過灌區地形、地貌、地物的三維建模以及水資源調配實況動態模擬出整個灌區水資源及建筑物的運行狀態，為灌區管理決策提供現實虛擬。

3.2.8 決策支持。通過數據庫、方法庫、知識庫以及適合灌區的決策模型，運用數據倉庫和數據挖掘技術，產生灌區水資源管理的決策支持。

3.2.9 行政辦公。通過構建Intranet實現行政辦公中公文傳遞、通知公告、檔案管理、郵件收發、視頻會議會商、事務處理等功能，以提高行政效率。

3.2.10 公眾服務。通過WEB網絡向公眾提供灌區建設、管理、服務等方面信息，接受公眾監督與意見，促進灌區管理水平的提高。

3.3 技術路線

3.3.1 3S技術

在灌區信息化建設中，地理信息系統(Geographica lInformation System，GIS)、全球定位系統(Global Position System，GPS)和遙感系統(Remote Sense，RS)，即3S技術將得到大量的開發和應用[2]。

GIS是以地理空間數據庫為基礎，以地理模型分析方法為手段，具有采集、管理、分析、輸出多種地理空間信息的能力，適時提供多種空間的、動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。

GPS是基于空間衛星的無線電導航定位系統，為用戶提供精密的三維坐標、導航與時間信息，具有定位精度高、觀測時間短、測站間無需通視、操作簡便、全天候作業等特點。

遙感是指通過某種傳感器裝置，在不與被研究對象直接接觸的情況下，獲取其特征信息，并對這些信息進行提取、加工、表達和應用的一門科學技術。

基于3S技術的灌區信息化建設，正是利用地理信息系統的空間數據處理和分析功能、全球定位系統的瞬時快速定位功能和遙感的實時數據采集功能而建立起來的。首先，利用遙感和全球定位系統獲取水源、氣象、土壤、作物和農業生產等動態信息，并直接以柵格格式存入空間數據庫，為地理信息系統提供大量的定量觀測數據，成為地理信息系統重要的數據源和強有力的數據更新手段。然后，利用地理信息系統和其它軟件對這些遙感數據進行管理。遙感、全球定位系統和地理信息系統的結合，使地理信息系統具有大量實時的空間和屬性數據源，能保證遙感圖像得到快速有效的解譯和分析，可為灌區信息化建設、管理和灌溉用水決策系統提供各種咨詢服務[3]。

3.3.2 地理空間數據庫技術

在灌區水利信息化系統中，水資源決策支持系統、灌溉過程仿真系統、防汛調度仿真系統、GIS查詢系統等，需要應用灌區各類基礎和專題電子地圖來完成。所以在灌區綜合數據庫設計時，就需要采取地理空間數據庫技術，將灌區水情數據、工情信息與地理空間點、線、面相結合，通過該技術，就可建立一個完整的多層次的灌區空間數據庫[4]。

地理空間數據庫技術是利用GIS提供的數據的地理屬性，并將這些數據疊加在地圖上，在地圖與數據庫之間建立連接關系，就可以實現地圖與數據之間的雙向查詢。由于GIS中管理的數據量巨大，將空間數據與屬性數據完全分開存放，并以屬性表與空間文件一一對應的方法和根據表的關鍵字和文件中的空間對象的標識，來定位空間對象的屬性信息，已不能滿足當前數據管理的需要。為滿足GIS對數據的統一管理和運行速度這兩方面的要求，將空間與基本信息數據庫數據統一存放在中間數據平臺中進行管理，實現了地理空間數據庫。由此可見，GIS給信息系統帶來的是將數據庫中的信息進行直觀的可視分析，發掘隱藏在文本數據中的有用信息，為用戶提供一種嶄新的決策支持方式[5]。

3.3.3 虛擬現實技術

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，它是借助計算機技術及最新研制的傳感裝置所創建的一種嶄新的模擬環境，正被廣泛地應用于各個領域。使用這一技術實現的灌區虛擬現實系統，為灌區建設的決策提供形象可靠的依據;利用三維建模與仿真，可建立灌區渠道、閘門、水泵等隨水工建筑物的三維實體模型以及對水利模型的模擬，豐富了灌區科學的管理手段。

3.4 設計方案

灌區水利信息化應用系統可分為3個層次:信息管理系統(IMS)、地理信息系統(GIS)和決策支持系統(DSS)。這三個層次既相互交叉融合，又各有側重，構成完整的灌區信息系統。

信息管理系統主要存儲日常辦公事務基本信息和GIS系統中各種工程的屬性數據;地理信息系統主要是以空間信息處理和分析為主，同時通過它可以非常直觀地從地圖上觀察各種工程的基本信息及其當前的運行狀態，從而對它們實施管理;決策支持系統則根據作物信息、土壤信息、水源信息、氣象信息、各級各類工程實際運行狀況等信息，再利用配水優化模型進行灌區優化分配和調度，從而實現科學、合理地配制水資源，大大提高灌區管理水平。

3.5 任務分解

根據需求及設計方案，需要完成的主要任務如下:

3.5.1 信息管理系統IMS

信息管理系統主要能夠對灌區的基本情況、工程情況、用水情況及行政管理情況等數據，進行錄入、維護、統計、查詢、生成報表、打印、數據備份等操作。

3.5.1.1 灌區基本情況。包括自然概況、土地利用情況、水資源情況和工程管理現狀等。

在自然概況中，人民渠灌區內生產總值、農業總產量、糧食總產量、年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫、年平均雨量以及年平均蒸發量等指標，用曲線或圖形表示不同年度間的變化情況。

土地利用情況，用餅狀圖表示設計灌溉面積和有效灌溉面積與總耕地面積的比例關系;田間節水灌溉工程措施包括渠道防滲、噴灌、微灌、低壓管灌以及其它灌溉方法等，用餅狀圖反映其比例關系。

水資源情況，對年用水量、年平均灌水次數等用曲線表示不同年間的變化情況。

3.5.1.2 行政管理情況。主要反映灌區管理機構、職能、人事以及對辦公事務等實行管理。

3.5.1.3 工程管理情況。包括灌溉渠道系統、排水溝系統、骨干建筑物、灌區道路等的管理情況。

渠道和溝道系統能根據名稱、渠(溝)道長度、設計流量、控制而積等進行模糊、詳細和組合查詢;骨干建筑物能根據建設日期、所在河(渠)、所在縣(區、鄉鎮)、設計流量和控制灌排面積等進行模糊、詳細和組合查詢。

3.5.1.4 用水管理。記錄灌區用水情況、用水過程，與自動控制系統結合實時檢測每處工程的流量、水位，并能進行月、年開閘次數、平均流量和工程總引水量等的統計，并用曲線反映變化情況。

3.5.2 地理信息系統GIS

地理信息系統是計算機圖形處理技術和信息系統結合產生的一種專門用于通過圖形查詢信息的系統。人民渠一處目前灌溉面積16.15萬hm2，地理范圍分布較廣，管理工作很難深入到每一田間地頭或每一條溝道、每一座建筑物，所以建立一套能反映整個灌區中每一對象的軟件系統，在灌區管理中心室就能觀測到灌區每一個管理對象是十分必要的。而實現這樣的管理，GIS就是一個合適的技術。它既能存儲、分析和表達灌區各種對象的屬性信息，又能處理其空間位置特征，從空間和屬性方面對對象進行查詢和分析，并以直觀的方式顯示，從而提高灌區信息管理的直觀性和有效性。

作為灌區GIS系統通常應完成如下幾項功能:①根據用戶需要可以分系統顯示，灌區一般分為灌溉、排水兩大系統進行顯示;②圖形的移動、放大、縮小、點選、框選、圈選和任意多邊形選擇查詢;③點擊某渠道能顯示該設施的詳細信息，能選擇出與之相連的所有下屬設施，并根據其數據自動繪制不同位置斷面圖;④點擊某建筑物，能顯示該建筑物的詳細信息以及有關圖片;⑤點擊某鄉鎮，顯示出該鄉鎮范圍內所有工程情況，并可根據工程名稱反向查詢該工程所在位置;⑥點擊某行政村，顯示出反映該行政村的主要情況的圖片和基本情況。

3.5.3 決策支持系統DSS

DSS是灌區信息系統的核心，也是灌區信息建設的最高追求目標。建立管理信息系統的目的就是要為各項管理提供決策支持。

近期系統決策模型包括:①采用恒定非均勻流數學模型與閘孔出流計算公式，建立骨干渠道在其配套閘門不同開度情況下的水位流量計算模型;②以全灌區自流灌溉面積最大為目標函數，采用系統試驗選優方法，確定不同水源水位條件下骨干渠道最優運行控制方案。

3.6 分步實施

灌區信息化應用系統的建設根據目前的實際情況，宜采取4個階段進行。

3.6.1 第一階段:構建信息基礎設施平臺，進行信息基礎設施建設及改造，制訂數據結構規范標準以及接口規范標準;以3S技術為基礎，建立各種基礎信息數據庫。

這一階段，經過不懈努力，尤其災后重建以來加大了信息化建設步伐，目前人民渠一處灌區水利信息化系統基礎設施平臺建設已初具規模，完成了渠首樞紐閘群、前進渠閘群、管理站及管理段閘群自動監控系統建設，以及水情信息化遙測系統建設。

渠首樞紐閘群自動監控系統包括8孔節制閘、2孔進水閘的全自動控制和水位監測及閘門荷載監測，以及渠首水質及視頻監視系統。通過建設改造，渠首樞紐基本實現了系統的、規范的、高標準的自動化控制。

前進渠閘群自動監控系統包括1個控制中心、19孔閘門自動控制系統、9處水位測點、1處雨情測點、1處水質測點、17處視頻監視、7處紅外防盜探測點建設。利用計算機監控系統監測根據水位計算的渠道進水流量、目標閘門的上、下游水位、目標閘門的啟閉狀態與開度、目標閘門的視頻圖像。通過對上述信息接收、處理和應用，實現在監控中心遠程控制閘門啟閉，并實現閘門控制與視頻系統同步聯動。

管理站及管理段閘群自動監控系統建設包括:什邡、孝泉、彭州、新繁、青白江五個管理站下轄的15個管理段的15個分中心站、63孔閘門自動控制、24處視頻監視、9處水位測點的建設，以及干渠的9個、支渠的23個水情測點、6個雨情點的恢復建設。最終基本完成這15個點的渠道水位信息、閘門啟閉控制信息、閘門開度信息、閘門視頻信息的監測與獲取。

3.6.2 第二階段:水利行業以及各職能部門內部應用系統和公共事業系統的建設。

這一階段的建設包括對管理處機關的網絡中心、7個管理站和2個電站、3個企業實體辦公信息的全建設，健全辦公信息化系統，提高網絡帶寬，使各部門之間能通過網絡達到通暢辦公;建設渠首水量調度管理中心拼接屏系統，開發數據、圖像查詢及分析處理軟件系統，使水量調配過程和調配結果能夠更為形象直觀地展示;并完善了人民渠第一管理處網站建設。

3.6.3 第三階段:系統的智能化決策支持和信息共享的實現，行業職能部門之間的網絡互連，初步形成灌區信息化決策系統。

3.6.4 第四階段:灌區信息化繼續往深度、廣度、高度的方向發展。

4 效益分析

4.1 全面提升了水利工作綜合能力

人民渠一處灌區水利工作綜合能力的提高，可以從技術創新、機制創新和管理創新等方面反映。

4.1.1 技術創新

表現在水利行政管理和業務處理過程的變革，過去落后的工作與業務處理方式被先進的、自動的或智能化的方式所替代，工作的可預見性、綜合決策能力和協調運用水平大大提高。

4.1.2 機制創新

表現在實施信息化過程中，管理機構和層次都將發生變化，由于減少了管理層次，過去由多人多個環節承擔的管理決策工作，流程更加清晰、過程大大減化。提高了行政管理和業務處理效率。

4.1.3 管理創新

表現在信息化可以使管理得到加強和完善，實現由定性管理向定量管理、靜態管理向動態管理、事后管理向事前控制的轉變，增強了管理的科學性。

4.2 實現效益

人民渠一處灌區水利信息化應用系統經過幾年的建設，目前已達到第一階段和第二階段建設預期的效果，實現了以下多方面的效益。

4.2.1 提高了辦公效率。實現了干渠主要交接水點的水情數據通過遙測系統實時傳回處水情調度中心，達到了處、科室領導在辦公室內通過局域網就可隨時了解干渠水情，根據灌區生產進度、用水需求和來水情況及時下達調水指令，提高了辦公決策的準確性和及時性。

4.2.2 減輕了基層養護段職工的勞動強度，降低了運行成本。在信息化工程建設以前，每年灌區集中用水的5月10日～6月5日，為了及時掌握干渠水情變化情況，要求各管理站、段每天每隔2小時報一次干渠水位，每天增加傳報水位次數81次以上，大大增加了基層養護段職工和處站配水值班人員的勞動強度，同時增加了傳報水位的通訊費用。信息化工程建成后，大量的水情數據通過遙測系統自動傳輸，各站、段只需按正常規定傳報水位，就能及時掌握干渠水位變化情況，確保灌區用水的正常進行，從而大大減輕了基層職工的勞動強度，降低了運行成本。

4.2.3 實現了灌區水量的優化調度。由于信息化工程的建成，處站均能及時準確地掌握干渠水情變化情況，就能根據灌區生產進度和需水情況對干渠來水實行優化調度。我處充分利用已建的水情調度系統，對干渠來水實行了全時段水量優化調度，保證了灌區在氣溫高、蒸發大、降雨量少、用水高度集中打擠的情況下，全灌區在5月底基本實現關秧門，比原歷年平均提前一周左右完成水稻泡栽任務，為灌區抗旱促增收作出了積極貢獻。

4.2.4 保證了水利工程的運行安全。信息化工程建成后，無論是在供用水管理中，還是在防洪水量調度中，由于處站均能隨時準確地掌握干渠水情變化情況，可及時根據灌區生產情況和防洪需要，對干渠的引水、供水、輸水和排水進行準確合理的調度管理，保證干渠水位在安全的限度內運行。在近年的輸供水和防洪工作中，我處從未因人為原因造成安全事故，保證了水利工程的運行安全和渡汛安全。

4.2.5 提高了用水保證率。信息工程建成后，促進了灌區水量優化調度水平的提高，不僅為灌區16.15萬hm2農田提供了用水保證，實現了灌區均衡受益，而且為灌區30多家工業、生活用水單位提供了優質的供水服務，近年來灌區從未出現因干旱供水不及時造成灌區農業減產的情況，也從未出現因供水不及時影響灌區工業生產和人民生活用水的責任事故，其工業、生活供水保證率達100%。

4.2.6 促進了灌區節約用水和水費征收。我處充分利用已建成的信息化應用系統，根據灌區生產進度和灌區來水情況，對水量實行了全時段優化調度，供水是按灌區生產、生活用水的需要合理調配，避免了無效供水，減少了水量浪費，促進了灌區節約用水。其節約的水量一是輸往丘陵灌區，支持了兄弟灌區的抗旱用水;二是向灌區干渠、支渠上的水電站提供了發電水量，不僅增加了灌區的電力生產，而且增加了處內水費收入。信息化應用系統建成后，使我處的供用水管理水平得到進一步提高，加上我處以建立“和諧灌區”為目標，實施了“群眾(用水戶)滿意、政府滿意、水利部門滿意的灌區三滿意工程”，切實加強了灌區供用水優質服務，保證了灌區生產、生活用水的需要。

5 結語

水利部門肩負著為社會提供有效的防汛減災服務、高保證率的清潔水源以及保護和諧水生態環境的重任。為解決水問題，人民渠灌區經過長期不懈努力，已經建成了基本配套的水利工程體系，并且在抗御洪水、提供水源和保護生態等方面發揮了重要作用，取得了巨大的社會效益和經濟效益。在水利工程體系初步形成的條件下，為了更好地發揮其作用，提高科技對水利的貢獻率，必須廣泛利用信息技術，充分開發水利信息資源，提升水利為灌區經濟和社會服務的整體能力和水平，實現工程水利向資源水利轉移，追求治水過程中人與自然的和諧共處。

〔1〕黃奕華.數據庫技術在水利信息化建設中的應用及探討[J].廣東水利水電，2007，5:81～82.

〔2〕郭海偉，周新志，趙成萍.都江堰灌區水情數據庫存在的問題及解決方案.廣西水利水電，2008，(2).

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〔5〕萬珍，羅金耀，李小平等.湖北省大型灌區續建配套與節水改造建設管理信息化系統的研究[J].中國農村水利水電，2007，(10).