灌區水資源優化配置管理系統總體設計概述

石文河　孫衛強　馬錦敏　楊昕

【摘要】本文擬通過灌區水資源優化配置管理平臺的總體設計，建設水資源數據中心，實現水資源查詢和統計等基本應用；以數據分析為引導，通過建立水資源數據模型，實現灌區智能配水、優化配置和決策支持。通過促進灌區管理局及其分站的生產、經營、管理和決策方式的改進和優化，提高灌區的整體創新能力、經濟效益和市場競爭能力，打造“數字水利”。

【關鍵詞】灌區；水資源；優化配置管理

1、緒論

1.1 灌區信息化建設現狀與存在的問題

1.1.1 灌區信息化建設現狀

1.1.2 隨著水資源瓶頸制約問題的凸顯和水資源基礎性戰略性地位的不斷強化，進一步加快水利信息化建設發展的需求迫在眉睫。在國家政策指引及水利部的大力關心支持下，全國各省市灌區基本完成工程建設，但信息化整體建設仍處于相對落后的起步階段。存在的問題

1.1.2.1 缺少對灌區全面運行狀況實時監控監測能力

我國大型灌區現階段只有少量雨量站或水位站用于局部監測缺少實時圖像監測設備，效滿足管理人員對整個灌區狀況的把握。尤其在汛期，實時監測數據的不足無法為領導決策提供全面的數據支持。

1.1.2.2 缺少灌區信息化綜合平臺對水資源分析及調度的能力

灌區缺少信息化綜合平臺對水資源的分析能力、調度能力，實現灌區管理的遠程控制及精準配水、調度、引水、排水。

1.1.2.3 缺少應用系統對不同層面業務實現無紙化，高效率的管理

灌區現有的兩套系統只基于“看”，而不是“用”。同時，灌區管理站不同科室，不同級別的人員涉及的業務范圍不一樣，需讓不同業務范圍，不同權限的人員都能夠把信息化系統用起來，實現無紙化高效管理。

1.2 灌區信息化建設的必要性分析

1.2.1 信息監測采集與傳輸的需要

通過信息監測采集的建設可以及時采集并監測水庫、灌區實時雨水情、工程運行狀況及各干渠進水閘、節制閘的上下游水位、閘門開啟度、過閘流量等參數，；可通過增加測次和報汛段次，提高測報精度，保證測報信息的質量和時效，并利用攝像機實時觀測閘門開啟及建筑物運行情況。

1.2.2 現代化業務管理的需要

通過水庫、灌區信息化建設，增設必要的量水、通信、調度、監測、交通等管理設施，建立通信調度和現代化管理系統，提高整個灌區的管理水平，為逐步實現水庫、灌區管理的良性運行和可持續發展創造條件。

1.2.3 優化供水調度與管理的需要

1.2.4 近年來由于農村用水量激增，用水管理結構發生變化，水資源不足，水量分配不合理等問題的存在對灌區的管理工作提出了新的要求。在考慮水庫、灌區水資源綜合利用的前提下，水資源優化配置的主要內容就是采用系統工程、運籌學等思想編制最優配水計劃，在適量的滿足農作物的需水要求的基礎上，最大限度的提高水資源的綜合利用效益，實現總體效益最優。業務管理信息化的需要

提高水庫、灌區水管理信息化系統的應用效果，增強灌區內各職能部門的信息交流是是業務信息化的目標。通過信息技術、計算機網絡技術將灌區內各職能部門聯系在一起，實現數據、信息、資源、成果共享，不僅能提高辦事效率，而且能有效地提高水庫管理水平。

2、灌區信息化發展需求綜合分析

2.1 應用范圍及涉及用戶

灌區水利信息化工程系統涉及用戶角色如下：

1 主管上級用戶：對于灌區水利信息化建設工程負有管理、指導、監督等職能的上級部門。

2 管理決策用戶：需要掌握各信息化系統運行情況，協調處理相關事宜，通過系統進行輔助綜合決策的主管部門。

3 業務應用人員：本行業、科室、機構業務職責范圍內各項業務的日常操作人員。

4 維護管理人員：對灌區水利信息化網絡資源、軟硬件系統、數據資源等進行維護更新、管理、備份、安全保障等的人員。

5 普通職員用戶：職工在工作期間的日常辦公、公文及文件處理、各種信息查詢、互聯網信息瀏覽等電子政務工作。

6 數據交換用戶：政府其它委辦局、部門、機構用戶，需要調用、共享水利信息數據的部門。

7 社會公眾用戶：各類需水用戶，需要了解各類相關信息、用水申請、繳納水費等情況。

2.2 業務應用系統存在問題

現階段，灌區管理在防汛抗旱、水利工程建設管理、閘群自動化控制、水量調度、水資源管理、水質、水雨情、土壤墑情和視頻監控等業務中的應用系統開發起步較晚，基本上沒有規模化的應用系統。

（一）功能不完善，自動化程度低

（二）缺乏成熟的數學模型

（三）決策會商環境不完善，表現內容單一

（四）平臺、標準不統一，建設分散，條塊分割

（五）高新技術的應用不足，管理水平不高

2.3 基礎設施存在的問題

1 數據采集手段落后，采集內容不全，及時性差

采集手段落后。水利信息采集設施陳舊，目前仍以傳統手段為主，效率低、時效性差、觀測數據準確性差。；

采集內容缺乏廣泛性。氣象資料信息來源和信息種類不全，；基礎地圖數字化程度低，遙感圖像信息獲取的時間間隔和區域范圍單一，；缺乏圖像（靜態或動態）信息，不能反映涵閘引水、險情災情、水污染等現場情況。

數據采集實時性差。采集技術手段落后，自動化程度低，缺乏先進的通信手段，數據采集缺乏統一的標準。

2 網絡已成為灌區水利信息化建設和發展的瓶頸

通信網覆蓋面不夠。尚未建成覆蓋全市的通信網和廣域計算機網絡，對一些防汛抗旱、水質監控、水土保持、農村供水、工程管理等所關心的重點區域尚未布網覆蓋。

網絡帶寬不足。目前骨干網絡帶寬不能滿足視頻會議、異地會商以及動態圖像傳輸等多媒體應用的需求。

網絡服務功能少。缺乏對信息資源的有效管理，不能為水務各項工作提供所需的相關信息。

網絡建設管理落后。各單位網絡建設自成體系，缺乏一個完整的網絡管理系統

網絡安全性和可靠性差。沒有必須的網絡安全措施，網絡設備、服務器、傳輸信道沒有完備的備份手段，沒有有效的網絡管理和規范的網絡安全管理機制。

3 數據庫建設缺乏全面、統一的規劃

基礎數據定義標準不一致，難以共享。數據庫的建設基本是由各單位自己開發，編碼各異，結構不規范，難以兼容和共享，數據冗余嚴重，利用率很低。

現有數據種類不全，尤其是流域、水力資源空間數據庫尚未建立，嚴重制約著各種應用模型的開發和應用效果，

數據存儲處理能力不足，大容量存儲設備欠缺，數據管理維護困難、繁瑣，難以保證數據安全。

4 信息安全方面存在很大的隱患

缺乏網絡安全監視和數據災難備份與恢復等手段，

5 在基礎設施建設中，標準規范不統一

當前各項業務規范建立較早，且各自成體系，未形成統一的標準，不利于灌區信息化體系發展。

3、系統總體設計架構模式分析

3.1 總體設計原則

灌區水資源配水及優化配置管理系統規劃總原則是：集中化、標準化、集成化和擴展化。

3.2 總體架構

灌區水資源配水及優化配置管理系統覆蓋灌區各個單位，涉及到灌區管理局各項業務，包括信息采集、傳輸、存儲、信息標準與管理、應用系統等的建設，其關鍵在于實現灌區各種數據的整合、各種分析方法的融合以及為領導決策提供支持信息等。灌區水資源配水及優化配置管理系統主要包括基礎設施、應用服務平臺、應用系統以及技術支持和工程保障體系等。

1 基礎設施

主要是完成各類信息從采集到數據的處理和存儲全過程的軟硬件設備，是水利信息化工程建設的基礎。其采集的水利信息化各項信息資源，通過寬帶計算機網絡，快捷、實時地傳輸到數據存儲與處理系統。

2 應用服務平臺

應用服務平臺是一個開放的資源共享和應用集成以及可視化表達的公用服務平臺，由數據倉庫、知識庫、模型庫和數據存取接口、應用服務中間件等部分組成，是業務應用的重要支撐。

3 應用系統

防汛抗旱、水雨情監測、灌區閘群自動化系統、灌區供水決策支持系統、視頻監控、水質監測、水資源管理、三維仿真系統、地理信息、綜合決策會商系統等應用系統，基于可視化應用服務平臺基礎上開發，為灌區管理局提供專業決策支持和信息服務。

4 保障體系

政策法規、組織領導、標準體系與技術支持等是實現水利信息化的保障和支撐。

3.3 邏輯結構

灌區水利信息化工程的基本組成包括了基礎設施、應用服務平臺、應用系統等，它們在邏輯上是一個整體，圖1-1描述了它們之間相互邏輯關系，及其內部的邏輯關系。

灌區水利信息化工程建設是在寬帶高速計算機網絡上，通過將GPS、RS、遙測、人工觀測等方式采集到的各類數據存入灌區水利信息化的數據庫系統（包括基礎數據庫、專業數據庫及政務數據庫），形成以數據為核心的數據存儲管理體系。在數據庫系統的基礎上，一方面，按不同的主題構建數據倉庫，在模型和規則的指導下通過數據挖掘，對知識庫進行補充，另一方面，通過以數據共享服務為特征的數據存取接口（存取中間件），為應用服務和決策會商提供支持，同時，還為業務模型提供管理服務（模型庫）。應用服務平臺中的應用服務中間件、數據倉庫、模型庫、服務管理等各部分之間沒有固定的層次關系，而通過標準的互操作協議，相互關聯，協同工作，共同支撐業務應用的實現。應用系統可以根據業務處理的需要，在標準服務協議的支持下，以數據庫、模型庫、知識庫為基礎，請求各種中間件服務，從而完成業務處理的功能，實現應用系統的集成。綜合決策支持是灌區水利信息化服務功能的最高層次的應用，它以各專業應用系統為主體，通過應用虛擬仿真技術為各應用集成提供模擬分析的軟硬件環境和虛擬現實、業務仿真的可視化環境，完成對灌區水利工作的監測、分析、研究、預測、決策、執行和反饋的全過程。

4、結語

進行灌區水資源優化配置是現階段灌區水資源管理的迫切需求，建立統一的管理系統是實現灌區信息化的必要手段。灌區水資源優化配置管理系統的總體設計目標是運用先進的數據采集、傳輸以及處理手段，建立起覆蓋整個灌區及相關地區、以信息采集系統為基礎、通信傳輸系統為保障、計算機網絡系統為依托、決策支持系統為核心的信息化綜合應用平臺。建成完善、合理的防汛綜合數據庫和高效、可靠、實用、先進的監測、預測、預報、信息查詢和決策系統。

同時，使用灌區水資源優化配置管理系統后，灌區管理局可采用此系統及時、全面地了解和掌握流域內灌區水源的運行狀況，并能根據實際情況為防汛、灌溉做出科學決策，實現排水、配水的適時合理調度，最大限度地發揮信息化系統的作用，實現對灌區進行現代化管理的目的。

參考文獻：

[1]. 水利部信息化工作領導小組辦公室， 水利信息化頂層設計初探及進展. 中國水利， 2009（08）： 第8-10頁.

[2]. 陳金水， 灌區信息化發展. 中國水利， 2003（16）： 第35-38頁.