山西大禹渡灌區信息化建設成效分析

郭 飛，陳向東，劉 睿，許 釗，章雨乾

（中國水權交易所，中國 北京 100053）

我國耕地面積約占世界總量的9%，而人口數量卻達到世界總量的22%，加上水資源匱乏與水旱災害頻繁的現狀，使得我國農業發展與糧食安全面臨巨大挑戰[1]。灌區作為我國糧食生產與農業規?；洜I的重要基地，其糧食產量約為全國的26.2%，占全國農業生產總值的25%，并提供了全國城鎮生活用水與工業用水總量的14.3%。因此，灌區已成為我國糧食安全的保障，農業和農村經濟增長的重要支撐，而為了充分發揮灌區的保障與支撐作用，灌區管理水平與效率的提升必不可少[2]。

1 大禹渡灌區信息化概況

大禹渡灌區位于山西省運城市芮城縣境內，北起中條山南麓，南至黃山西岸，西起大王鄉，東至東壚鄉。工程興建于1970 年10 月，于1974 年上水運行，灌區為大型引黃灌溉工程，填補了國內190～210 m 揚程、高效率大流量的一項技術空白，憑借一級站滑動式泵車、二級站193.2 m 揚高與沉沙池交替運行技術，曾獲得了1974 年中國社會主義建設十大成就之一的稱號。目前灌區干渠長度84 km，支渠長度249 km，斗農渠長度1 418 km，灌溉面積為3.4 萬hm2，灌區自投入運行以來，為當地的農業與經濟發展做出的巨大貢獻[3-5]。

大禹渡灌區以往傳統的管理模式存在著數據采集方式落后、無法保證安全生產與灌溉效益低下等問題。灌區依賴以廣播、電話與人工檢測的方式來獲取調度決策所需要的墑情、水情、氣象與水文信息，多采用人工方式進行生產運行參數的記錄與核算，獲取信息的效率低、時效性差、準確性無法保證，給灌區供水安全帶來一定風險；灌區的工程基礎資料與設計圖紙、用水數據、歷史資料等技術資料多由專職人員保存與檔案柜中，給調度決策、制定發展規劃、灌區維護工作帶來不便；灌區缺少自動化監控設施，普遍存在泵站、支口早開晚報、隱瞞不報的情況，大大降低了灌區渠系水利用效率，增加了灌溉成本。

為了實現灌區水資源高效利用與優化配置，大禹渡灌區必須采用現代化管理技術與方法進行灌區信息化管理。灌區信息化就是充分利用計算機技術、傳感器信息采集技術、3S（GPS、GIS、RS）技術、智能控制技術與物聯網等技術手段，顯著提升信息采集的全面性與時效性，在保證數據準確性的基礎上及時將數據傳輸給灌區管理部門，方便決策者了解灌區范圍內的工程運行狀況、水質與水量等水情信息，最終實現灌區的合理調度與安全運行，全面提升灌區經營管理的效率與效能[6-8]。

2 大禹渡灌區信息化建設措施

近年來，大禹渡灌區順應山西省大力推進大中型灌區信息化建設的號召，努力做到信息化管理實現“三多三少”：一是實施最嚴格水資源管理，將地表水與地下水資源聯合優化配置，多用地表水而少用地下水；二是通過渠系輸配水及田間灌水設備遠程操作、自動化控制，多進行自動化操作而減少人工勞動量；三是根據作物實際需水量進行按生育期的自動供水，多進行高效供水而減少灌溉水損失，期間灌區的主要信息化建設措施包括以下幾個方面。

2.1 建立遠程視頻監控系統

灌區信息化的首要目標是保證渠道的安全運行，大禹渡灌區對各級渠道重要的進水閘、節制閘、分水閘以及各級泵站實時監控，安裝了47 個遠程攝像頭與8 臺水位計，基本實現了全面監控覆蓋。由于監控點多，布局分散，單個監控點規模小等特點，導致包含視頻數據的通信流量較大，大禹渡灌區為了保證信息通信，同時在總干渠架設985 根電桿，55 km 的光纖線。灌區建立的遠程監控系統以“無人值班、少人值守”的理念進行設計，以實用、可靠、經濟、先進的原則進行配置。

通過灌區的遠程視頻監控系統，工作人員可及時直觀地了解到閘門水位與機泵的運行狀況，方便進行水量配置、均衡渠道上下游供水與現場處置等科學決策，有效解決了以往管理中灌區信息采集不及時、錄入不準確，最終導致易溢渠斷流等問題。此外，工作人員可根據水位計的超限報警及時地進行應急調度決策。大禹渡灌區的遠程視頻監控系統，實現了信息聯網、集中監控、優化調度、科學管理，全面提升了灌區運行的安全性、穩定性、可靠性。

2.2 建立統一計量標準

為了實現灌區公平配水并達到灌溉用水數字化管理要求，建立統一的計量標準必不可少。灌區用水計量中，量水堰槽為常用的量水設備，其通過收縮渠道寬度或抬高槽底板高度的方法來形成收縮段，使收縮段內的水流形成具有不受下游水流條件影響的臨界流，通過水位流量關系計算得出渠道流量。

大禹渡灌區在以往的建設運行中，由于斗渠的修建時間不同，施工材料、水平與標準的差異，其配置的量水堰也形態各異，梯形、矩形、無喉道等形式的量水堰在同一放水流量下，水位值不一致，這給灌區的配水查渠工作造成很大不便，為“關系水”、“馬虎水”“人情水”現象的滋生提供了條件。

為了封堵管理漏洞，實現灌區的統一考核，統一計量，大禹渡灌區經過制造、安裝、運行的試驗后，總結形成了包括量水堰加工、安裝、驗收的全流程制作管理模式，并在干渠計量口統一安裝了穩定性高、適用地形廣、造價低、測流范圍廣的鋼板式巴歇爾量水堰，實現了同一水量、同一水尺的統一計量標準，為灌區數字化水計量管理提供了基礎。

2.3 安裝無線智能磁致伸縮水位流量計

大禹渡灌區在進行了計量統一的基礎上，為了實現灌區用水數字化、精準化管理，進行了YG-MⅡ-DMF 型號無線智能磁致伸縮水位流量計的改制與安裝工作。無線智能磁致伸縮水位流量計利用磁致伸縮效應，通過計算電流脈沖與扭轉波之間的時間差來精確得出水位值，進而可計算得出對應的流量值，具有測量精度高、維護簡便、校準簡單、使用壽命長等優點。

大禹渡灌區管理局結合實際應用情況，聯合西安沃泰科技有限公司對YG-MⅡ-DMF 型號無線智能磁致伸縮水位流量計進行了技術性能改造，有效降低了由天氣、氣溫、冰凍、泥沙量等外界因素帶來的計量誤差，實現了灌區支斗渠水流、流量的數字化、精準化管理，將灌區的渠道水利用率顯著提升至95%以上。此外，通過配套的軟件系統，灌區用水信息可在農戶、村級水管理員、管理站與總調度中心四級之間數據共享，做到了灌溉用水的透明、公正、公平。

2.4 建立泵站運行實時監控系統

大禹渡灌區利用先進的計算機技術、自動控制技術、信號處理技術、通信網絡等技術，建立了泵站運行實時監控系統。系統由自動監控系統由現地監控系統和遠程監控系統組成，實現了數據采集、數據處理、控制調節、監視報警、數據報警等十大主功能。其中，現地監控系統主要由閘位計、PLC 控制柜、光貓、單模光纖、控制及信號電纜、避雷裝置、閘門驅動控制裝置等設備組成，通過對水泵機組、變壓器、勵磁裝備、輸配電等設備的自動監測，實現了電量、流量、液位、壓力、溫度等參數的信息采集、自動診斷、越限報警功能；遠程控制系統包括遠程控制計算機和監控平臺，其中遠程控制器計算機的功能是基于圖形化操作界面提供操作與控制功能，通過構建的技術先進、性能穩定、質量可靠、系統開放、擴展靈活、經濟適用的監控平臺，管理人員將發出各類指令，調度泵站的運行，實現了灌區泵站的信息聯網、集中監控、優化調度、科學管理。

2.5 安裝IC 卡計量裝置

大禹渡灌區屬于大型灌區，受地形條件限制，有些灌溉區域超出了泵站揚程，無法進行自流灌溉，當地大多數取用水戶采用移動式水泵進行二次提水澆灌田地。然而對于移動式水泵，由于其數量多、計量模糊、開閉靈活等特點，造成了水量計量監督上的管理困難。為了實現水量精準計量、封堵管理漏洞，大禹渡灌區對每臺移動式水泵安裝了IC 卡計量裝置，通過IC 卡管理系統，實現對水卡的開卡、充值與銷卡管理。

2.6 建立豐富的輸出顯示方式

大禹渡灌區信息化建設中，為管理人員與取用水戶建立了豐富的顯示方式，可滿足單機終端、大屏幕顯示等多種顯示方式，滿足不同應用需求。通過多通道融合大屏幕顯示系統，大大提升本系統的實用性和仿真效果。

對于大禹渡灌區的管理人員，如閘房工作人員，需要對渠道安全與閘口水位等情況進行每2 h 一次的安全巡檢工作，而大禹渡灌區地廣渠多，管理閘房基本每5 km 設置一個，大量的巡檢工作給工作人員造成了很大負擔。為了降低一線職工的工作強度，灌區在總干渠7 個閘房中安裝了顯示終端機，將水位、流量等實時數據進行及時顯示，閘房工作人員通過終端機就可全面監控轄區內的各個支斗渠情況，在有效降低職工勞動強度的同事，也避免了職工在夜晚巡檢時發生危險的意外事件發生。

灌區內的取用水戶最關心的是灌區用水的公開透明，為了保證用水權、知情權，大禹渡灌區建立了陽光水務查詢終端機，用戶通過觸摸屏便可查看配水歷史記錄、配水穩定率等數據的實時變化情況。此外，終端查詢機還將灌區管理工作的實時動態、通知公告、熱點專題進行顯示，并提供監督舉報通道，在群眾監督的作用下，做到水務管理陽光透明。

3 大禹渡灌區信息化建設成效

大禹渡灌區自2009 開始進行灌區信息化建設以來，以灌區可持續發展為原則，利用3S、物聯網、智能控制等信息通信技術為手段，努力提升灌區安全管理水平、增加灌區經濟效益、封堵灌區管理漏洞，最終實現灌區經營管理效率、效能和效益的全面提升，主要成效包括以下三個方面。

3.1 灌區信息化建設基礎設施初具規模

大禹渡灌區的視頻、監控和超聲波水位計基本覆蓋了干渠主要的監測點，管道流量計覆蓋了3 座泵站和6 條支渠，采用GPRS 傳輸方式，利用公網形成了覆蓋灌區的信息網絡，實現了實時信息的共享交互，提高了辦公及調度效率。

3.2 灌區職工信息化管理理念明顯提升

灌區的管理理念發生了革命性改變。過去，灌區職工習慣于“眼看、手算、電話報”等管理方式?，F在，灌區職工對信息化、智能化、現代化管理有了新的認識，能夠熟練操作信息化水情綜合調度軟件，查看測點的視頻、水位等等，配水員均會熟練使用磁致伸縮流量計手抄器查看配水情況。

3.3 灌區綜合效益逐年增加

智能流量計的安裝應用使渠道水利用率由原來的80%，提高到現在的95%以上，灌區年可增加水費收入500 萬元；在信息收集、分享、傳輸等方面可減少54 人的工作量，灌區年可節省運行成本81 萬元、減少辦公費用13 萬元；灌區供水生產和用水市場分析能力明顯提高，杜絕了干渠斷流、溢渠等安全生產事故和“人情水”、“關系水”、“馬虎水”等問題。

4 展望

大禹渡作為我國大型灌區信息化建設的先行者，建立了先進的灌區信息化管理系統，灌區的支斗渠實時計量系統與泵站運行實時監控系統，達到國內領先水平。根據《全國現代灌溉發展規劃（2012-2020）》，我國在“十三五”期間，要全面完成大型灌區和泵站信息化建設任務，全面開展并基本完成重點中型灌區、小型農田水利建設重點縣信息化建設任務[10]。

由于灌區面積大，大禹渡灌區的降雨、土地、種植結構、灌溉模式等自然與人為因素復雜，實現精準化灌溉將是其下一步信息化建設要解決的主要問題。大禹渡灌區可根據自然條件和灌溉模式對灌區進行分區，在每個分區內推廣精準化灌溉系統。在互聯網、物聯網及監控系統、遠程控制自動一體化閘門系統的基礎上，結合新興的無人機技術、云計算與云服務技術，基于田間實測的雨水、墑情、肥情資料，兼顧用水戶用水需求，經過大數據智能分析，應用專業數學模型，進行灌溉智能預報。進一步根據水源、渠系配水能力等，確定配水和調度方案，實現“智能化分析、自動化控制、遠程化調度”的智慧灌溉。