沭新渠灌區信息化工程設計研究

劉廣東，魏加森，張 娟，孔慶陽

(1.連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222006；2.連云港市金河水利工程建設監理有限公司，江蘇 連云港 222000；3.連云港市東海縣水務局，江蘇 連云港 222300)

1 灌區概況

沭新渠灌區位于連云港市東海縣東南部，總土地面積70.7萬畝，總耕地面積47.8萬畝，實際灌溉面積46.35萬畝[1]。灌區從1959年開始修建灌排工程，至1989年大型灌區基本建成。灌區現有干渠渠首26座；干渠26條，總長120km；支渠124條，總長290km；排水大溝33條，長88.5km；中溝124條，長290km；涵洞137座，各類閘672座，渡槽98座。截至2017年年底，灌區實施了6期續建配套與節水改造工程，累計投資17672萬元，實施了渠道護砌59.8km，溝渠疏浚129.65km，改建泵站68座、渠首128座、涵閘39座等內容。

2 沭新渠灌區信息化建設總體規劃

2.1 灌區信息化建設的指導思想

“十三五”是高水平全面建成小康社會，努力建設“經濟強、百姓富、環境美、社會文明程度高的新江蘇”的重要時期，也是全面深化水利改革、著力強化生態文明發展、持續推進水利現代化建設的關鍵時期[2]。根據《江蘇省水利信息化發展“十三五”規劃》工作部署，到2020年，我省基本實現“標準統一，互聯互通，廣泛共享，深度融合”為特征的“智慧水利”綜合體系[3]，促進江蘇省在全國范圍內率先基本實現水利現代化，提高江蘇省在全國水利信息化的領先程度。

2.2 灌區信息化建設的目標

根據《江蘇省大型灌區續改建實施方案信息化部分相關技術要求》，沭新渠灌區主要對可視化集中展示子系統、灌區一張圖子系統進行了建設，如圖1所示。沭新渠灌區信息化系統以能夠實現渠首閘門調度自動化控制[4]、渠首視頻監控、渠首和泵站水位流量數據實時測算，滿足“無人值班、少人值守”的要求，達到遠程監控、數據共享和圖像遠傳瀏覽的目標，實現天-地-水一體化的信息自動采集和自主感知[5]。建設完成的沭新渠灌區自動化與GIS系統[6]，可提高灌區現代化水平，改善沭新渠灌區的水利條件，保證灌區灌溉工程安全正常運行，提高水源保證率，節約用水，增強農業抗御水旱災害的能力，促進農業的可持續發展，同時提高灌區水利工程的管理水平，實現灌區管理的現代化[7]。

3 沭新渠灌區信息化建設主要內容

3.1 灌區信息化基礎工程建設

3.1.1信息采集點建設

信息采集點建設主要是通過涵、閘、站、渠道等建筑物進行信息化改造，以監測其運行情況，同時設立土壤氣象站來采集水雨情和土壤氣象等信息[8]，主要包括以下幾個方面。

圖1 沭新渠灌區信息化系統結構圖

(1)渠首有線監測及控制系統：通過對閘門啟閉頻率較高及同時具備通電通網條件的渠首進行改造，包括通信網絡接入、電力線路架設、監測及控制設備的配套，實現上下游水位監測、閘門運行監測、視屏監控、閘門遠程控制等功能。

(2)渠首無線監測系統：對于通電通網難度較大的渠首，增設水位流量等監測設備，通過無線網絡傳輸數據，實現上下游水位監測、閘門運行監測等功能。

(3)泵站無線監測系統：泵站無線監測子系統集監測、信息統計和管理于一體，采用分層分布式結構，通過泵站出水量自動監測與計量功能，實現泵站監測點無人值班、少人值守的功能。系統通過水文水資源智能遙測終端、電源供電系統、插入式超聲波流量計、灌區監測系統軟件，實現泵站遠程監測功能。

(4)土壤氣象無線監測系統：根據沭新渠灌區的地理位置分布，在灌區東北部、西南部建設南、北共計2套多功能小型數字土壤氣象站，實現對灌區作物生長環境相關參數的監測，包括墑情、雨情、水情等。

3.1.2通信和計算機網絡系統建設

沭新渠灌區通信和計算機網絡系統建設主要分為五個部分[9]，主要包括：①渠首有線監測控制點至控制管理中心的有線網絡線路；②渠首、泵站、土壤氣象無線監測點至控制管理中心的4G無線網絡；③控制管理中心至東海縣水務局的有線網絡線路；④控制管理中心至東海縣防汛抗旱指揮部辦公室(即連接省水利專網)的有線網絡線路；⑤控制管理中心的辦公網絡寬帶。

3.1.3數據庫建設

沭新渠灌區數據庫包括空間數據庫、業務數據庫、監控數據庫三大類[10]。空間數據庫主要包括矢量電子地圖數據庫和灌區遙感影像數據庫；業務數據庫主要包括工程數據庫和綜合信息數據庫；監控數據庫主要包括工情數據庫、水情數據庫、氣象數據庫、墑情數據庫。

3.1.4管理控制中心建設

沭新渠灌區管理控制中心是集綜合布線系統、視頻采集和顯示系統及其他相關信息系統或電子設備于一體的先進、可靠、安全的智能化灌區控制中心。綜合布線系統是沭新渠灌區控制中心內的信息傳輸系統。它使語音、數據和圖像與通信設備、交換機設備、信息管理系統及設備控制系統彼此相連，也使這些設備與外部通信網絡相連接。控制室的大屏顯示系統為調度決策提供了豐富的現場視頻及信息顯示，它是整個灌區調水指揮的視覺中心，作用非常突出。

3.2 灌區信息化應用系統建設

3.2.1灌區GIS子系統建設

江蘇省水利地理信息服務平臺構建了省級水利GIS云環境，依托省平臺基礎設施構建的水利地理信息服務子系統，可實現與省平臺的“數據分級，互連互通”[11]。

圖2 沭新渠灌區GIS子系統功能組成圖

沭新渠灌區GIS子系統功能如圖2所示，主要歸納為沭新渠灌區數據庫、Web GIS平臺、灌區GIS應用模塊和空間數據管理模塊[12]。灌區GIS應用模塊面向不同的灌區業務提供豐富多樣的應用功能，主要包括GIS基本應用、灌區/工程電子地圖展現、水位/流量監測、閘門開度監測、閘門自動化控制、水情監測、氣象/墑情監測、地圖數據維護管理、視頻監控等功能。空間數據管理模塊將實現對灌區空間數據庫的地理信息數據的整合、入庫、性能優化、安全管理等，補充灌區內的水利工程對象，并將成果上報省水利廳農水處，統一加入省水利地理信息服務平臺的農村水利部分。該模塊是整個GIS系統的數據管理員，并建立地圖標繪、圖層配置管理、遙感影像等多種形式數據采集、更新和維護機制。

3.2.2視頻監控子系統建設

在視頻監控系統中實現一個集成的界面上提供前端設備控制、視頻監看窗口管理、OSD顯示、雙向語音對講、手動抓幀和錄像、即時回放、標簽、日志管理等功能，并能在監看窗口內展現實時音視頻智能分析的過程和結果。

3.2.3通信網關子系統建設

沭新渠灌區通信網關結構上采用分布式架構，應用軟件系統為面對操作用戶的界面程序，可通過客戶端連接到通信網關基礎平臺，進行遠程監測和遙控。

灌區通信網關利用灌區有線專網和4G無線公網數據通信網絡，提供了一個連接監控對象和用戶操作界面程序的基礎平臺，對用戶操作界面軟件采用標準TCP/IP協議提供服務，對監控設備支持多種通道和協議，通道包括RS485、TCP/IP、CAN等，協議包括水資源監控管理系統數據傳輸規約、Modbus等，并支持多種數據庫連接。

3.2.4數據交換子系統建設

圖3 沭新渠灌區數據交換架構圖

根據沭新渠灌區業務管理的需要，與省云平臺定時交互信息，主要是基礎數據信息和監測監控數據，其中基礎數據信息主要包括各類測站點的基礎信息和各類站點的自動采集數據、人工觀測數據和自動控制數據等內容。

沭新渠數據交換應用系統主動向省云平臺發送共享數據，省云平臺提供數據接收服務，被動接收上報的數據信息，并根據約定的規則對數據進行識別處理，接收成功后接收信息和接收狀態返回給發送方，如圖3所示。

4 效益

沭新渠灌區自動化與GIS系統及控制中心建設項目實施后，將產生積極的效果，主要體現在以下幾個方面。

4.1 保障工程安全進行

通過信息監測點建設，可以實時掌握灌區各控制斷面的水位變化狀況以及各測站的降雨過程，為調度人員的安全調度提供了依據，及時制定科學合理的防汛調度方案，為灌區防洪減災起到重要作用[13]。

通過自動化控制的應用，能及時掌握閘門啟閉機的故障狀況，可以避免或減少因工程設備隱患而導致渠道停水搶修現象的發生。通過視頻監控的應用，實時掌握灌區重要水利工程的運行狀況，提高灌區工程正常運行的保證率，減少灌區工程停水搶修的幾率。

4.2 合理配置水資源，節約灌溉用水

通過信息化工程的實施，動態掌握水情，使水量分配和調度更加精準細化，提高配水用水效率，杜絕管理漏洞造成的棄水，最大程度減少配水環節的用水損失，大幅度提高用水效率[14]。增加水費透明度，有效降低畝次灌溉用水量。另外信息化建設使灌區管理流程更加科學，減少人為因素的干預。計量和核算的精準化，對提高水費征收率和培養農民自覺節水意識起到重要作用，給用水戶協會推廣提供了基礎。

4.3 提高管理水平

沭新渠灌區信息化建設將有效改善管理基礎設施，信息化系統不僅可以消除人工操作產生的誤差，還可以大大減輕灌區管理人員的工作強度。通過計量設施的安裝，為水費計收提供了科學的依據，增加了水費計收的透明度，收費更加公開透明，計量更加準確，減少了大量的水事糾紛。同時，通過合理計收水費，可以逐步做到“以水養水，自力更生”，為灌區可持續發展積累資金、增強后勁。灌區信息化為實現人工管理向智能管理提供了平臺，為提高管理效率提供了保障。

5 結語

沭新渠灌區通過信息化系統建設，實現工程運行狀態實時監控，實時掌握灌區重要水利工程的運行狀況，同時動態掌握水情，提高了水量分配和調度精度，合理配置水資源，有效緩解農業灌溉期用水不足的矛盾，對江蘇省其他大中型灌區信息化建設有較好的借鑒意義。由于我國灌區信息化建設起步較晚，受經濟和技術條件的限制，與發達地區相比仍有差距，因此沭新渠灌區要實現全面信息化仍要分階段實施，以實現現代化灌區信息化、智能化、數字化的最終目標。