海河流域典型灌區信息化建設規劃

齊師杰

(天津市龍網科技發展有限公司，天津 300170)

大型灌區信息化建設作為新時代水利現代化建設重要組成部分，不僅是提升灌區管理水平、服務水平和高質量發展的重要手段，也是實現“總量控制”和“定額管理”兩套指標體系的重要抓手。伴隨大型灌區續建配套節水改造項目以及信息化建設試點工程的實施，海河流域48處大型灌區均不同程度地開展了信息化相關內容的建設，但受到資金、技術、人才等方面制約，整體建設水平仍然滯后于國內高水平灌區及行業發展的需要。本文選取流域典型灌區開展信息化建設規劃研究，以期為“十四五”期間流域大型灌區信息化建設提供參考借鑒。

1 灌區信息化概述

1.1 灌區信息化的定義

大型灌區信息化是指充分應用新一代信息技術，深入挖掘和廣泛利用大型灌區信息資源，增強灌區信息采集和加工的準確性以及傳輸的時效性，全面提升灌區經營管理的效率和效能，同時依托信息系統提供的數據資源與分析結果，幫助管理者實現輔助決策、科學調度和精細管理[1]。

1.2 灌區信息化的總體框架與內容

灌區信息化系統通常由基礎設施、應用服務、應用系統和保障措施4部分組成。它們架構于數據平臺、通信平臺、計算機網絡平臺和應用平臺之上，是一個有機整體。同時，為滿足灌區信息化系統總體架構的需求，大型灌區信息化主要包括信息采集與監測系統、信息傳輸系統、監控系統、數據庫以及應用軟件開發5部分建設內容[2]。系統總體架構如圖1所示。

圖1 灌區信息化系統總體框架圖

1.3 大型灌區信息化建設的重要性與緊迫性

大型灌區在整個國民經濟和社會發展中都具有舉足輕重的戰略地位。其各項活動不僅涉及到“三農”問題，還涉及區域經濟發展、社會和諧穩定、生態環境改善等相關問題，是我國糧食安全的重要保障、農業生產的主力軍、經濟社會發展的重要基礎設施，也是當地生態環境保護的重要依托。

2 海河流域大型灌區信息化建設現狀與發展瓶頸

2.1 海河流域大型灌區信息化建設現狀

海河流域大型灌區合計48處，設計灌溉面積4327.21萬畝。筆者基于現場調研，搜集整理了流域內30個大型灌區提交的書面調研報告，針對大型灌區信息化建設開展情況進行了初步統計，結果見表1。

表1 海河流域大型灌區信息化建設統計表

從表1可知，自1998年啟動大型灌區續建配套節水改造項目以及2003年全國大型灌區信息化建設試點工作以來，流域內24個灌區已經先后開展了信息化建設并發揮了一定成效，約占灌區總數80%；仍有河北省漳滏河灌區，河南省群庫、南小堤灌區，山東省陶城鋪灌區，以及山西省桑干河、冊田灌區，近年來無信息化建設投入和建設；部分灌區雖然將信息化建設列入方案但尚未進行相關建設。

2.2 海河流域大型灌區信息化發展瓶頸

2.2.1建設管理層面發展瓶頸

(1)缺乏前期統籌規劃，周期建設脫節

海河流域大型灌區信息化建設尚處于試點和完善階段，前期建設缺乏統籌規劃和總體設計，導致灌區普遍存在需求不明確、功能不實用、周期建設脫節、后期維護難等問題，難以滿足灌區信息化、智慧化和現代化發展步伐[3]。以灤下灌區為例，灌區管理處監控中心在多年的運行過程中，由于當時需求的局限性，軟件監控內容和實現的功能逐年變化，頻繁修改已致使軟件結構不合理，使用不方便。

(2)標準規范不適用，系統間難于互通

灌區信息化建設起步較晚且起點較低，信息化方面標準體系尚待建立健全，主要存在以下問題：①現有技術標準和規范難以直接應用到灌區信息化建設實踐中，適合灌區信息化建設的標準和規范較少，基本沿用水文、通訊、水工的相關標準，不同廠商設備的互連存在很大難度，系統兼容性差。②缺乏流域級統籌規劃設計，導致灌區信息化系統架構和技術層面缺乏統一的技術標準，增加了建立覆蓋全流域的信息化系統網絡的難度，同時導致各灌區信息難于互通互聯，降低了系統的整體效能。

(3)資金投入不足，運行維護負擔重

資金保障是灌區信息化系統運行和發展的必要保障。目前，海河流域大型灌區信息化建設還處于初級發展階段，投資規模和投資范圍還非常有限。調研中，海河流域內信息化建設水平相對較高的灤下、石津、位山等超大型灌區，其信息化投資規模均超過了千萬元，其他灌區則普遍存在信息化投資不足、資金落實不到位、運行維護經費匱乏等問題[4]。目前，只有少數大型灌區運行管理維護費來自灌區征收的水費、財政補貼、維修養護經費及地方水利基金等，絕大部分灌區因運行維護費用過大而導致難以負擔。

(4)信息化認識不足，綜合性人才匱乏

灌區信息化建設普遍存在人才匱乏、培訓不足、信息化意識淡薄的現象，從而導致信息化系統管理和運維難度大，信息化系統不能充分發揮實際效益。一是對信息化認識不清。部分灌區傳統觀念和舊式思維還很強，由于系統在運行維護過程中遇到技術、標準、資金等方面的困難，導致已建系統應用效果遠沒有達到預期，如視頻會議系統、辦公自動化系統，致使很多人對信息化持懷疑和回避態度。二是缺乏專業信息化人員，致使信息系統需求不明確，所開發的信息系統脫離灌區管理實際，實用性差，操作復雜，系統使用率低，難以輔助決策管理。

2.2.2技術應用層面發展瓶頸

流域內灌區信息化建設普遍存在“重視硬件和網絡建設，輕視軟件開發”的現象，軟硬件配套尚未完善，已建系統操作維護困難，很多系統使用率不高[3]。

(1)自動化采集點少，監測方式落后

①信息化自動采集點少且方式落后。調研發現，目前流域內部分大型灌區對信息化系統中各類信息采集仍采用人工方式，自動化采集點少，灌區用水調度中心缺乏實時、可靠的動態信息，致使用水調度決策者缺乏駕馭全局用水管理能力的信息支撐，制約著灌區用水管理能力的提升。②信息采集設備環境適應性差且維護成本高。目前，灌區信息采集技術主要是直接移植水文和工業上的成熟技術，但由于灌區環境對電子設備運行來說相對惡劣，因此設備普遍存在環境適應性和維護成本問題。

(2)缺乏遠程控制系統，應急響應能力差

閘門和泵站是灌區主要控制對象。其中，閘門控制是實現灌區水量有效配置的重要手段，目前很多灌區已經實現閘門遙控，但受制于過流能力較小、電力能源缺乏、交通不便、位置偏僻等因素，多數閘門仍沿用人工控制方式，對于突發狀況的應急響應能力低；部分灌區雖實現了電力和人力控制相結合方式，但受到控制監測站點少、控制設備不足等條件制約，關鍵控制性工程的全面實施監控難于實現。對于泵站，尤其是多級泵站，灌區很少使用自動調節方式，單靠起閉臺數依舊無法精確匹配流量。

(3)網絡傳輸成本高，信息傳輸難度大

通信網絡是信息傳輸的命脈，是灌區信息化建設的基礎設施。灌區通信系統覆蓋面積大，區域內地形復雜，應本著經濟實用、可靠性強、租用和自建相結合的方式進行建設。調研發現，流域內灌區網絡建設存在問題較多，專網與公網的問題，帶寬與成本的問題，功率和耗電的問題等。部分灌區仍采用電話或紙質媒介等人工方式傳輸水情、雨情、工情和作物長勢等信息，時效性較差。一些灌區采用自建光纜的方式進行視頻傳輸，甚至將光纜鋪到每個閘門，不僅鋪設成本高，而且運維費用也不容小視。

(4)系統需求不明確，應用軟件使用率低

除受信息資源限制而導致軟件開發利用層次較低外，許多灌區信息化系統應用軟件還存在軟件功能單一、標準化程度低、系統性差、成本高、維護困難等問題，不能形成全局性高效、易維護的應用軟件資源。雖然有些灌區數據庫的建設已涉及水利業務，但這些已建或在建的數據庫模式多樣、標準化程度低，存儲數據難以同化，安全與更新機制缺乏，技術水平差距明顯，難以實現信息共享。究其原因，一是由于缺乏統一的統籌規劃，開發軟件與實際應用脫節，信息系統使用率低；二是由于分期建設，新老系統因存在代差而匹配困難，導致系統運行不穩定。

3 典型灌區信息化建設規劃：以桑干河灌區為例

3.1 典型灌區的選取

2015年，水利部海河水利委員會啟動海河流域大型灌區信息化建設現狀及發展對策研究項目，全面調研海河流域大型灌區信息化建設現狀。筆者在參與前期項目的基礎上，綜合考慮灌區地理位置、水源工程類型、灌區信息化建設程度等因素，選取桑干河灌區作為典型開展研究。

3.2 典型灌區信息化建設現狀與需求

桑干河灌區是海河流域48個大型灌區之一，于1999年啟動實施續建配套與節水改造項目，后于2000年實施“21世紀初期首都水資源可持續利用項目”、“2014年農業水價綜合改革自動化計量及智能化”、“2015年度續建配套和節水改造工程”、“2016年度續建配套和節水改造總體工程(一期工程)”、“2018年度續建配套和節水改造總體工程(二期工程)”。

經多年建設，灌區工程條件和農業生產條件得到改善，部分骨干渠道的安全輸水能力明顯提高。但由于自身財力有限，資金投入不足，灌區支渠襯砌和配套建筑物工程仍不完善，信息化相關內容的建設和應用仍處于初級階段，缺乏科學統一的規劃和設計，突出體現在：

(1)基礎信息方面。新改造的支渠口未實現水情采集，已建的閘門監控未實現自動控制，同時雨情、墑情、水質、作物生長狀況、地下水監測點建設依舊空白。桑干河灌區管理處未建機房，尚未形成信息化的統一管理。

(2)數據資源方面。水情實時監測數據未能形成統一管理，急需建設覆蓋整個灌區的基礎、監測、多媒體等數據資源。

(3)應用系統方面。已建應用系統實現了部分支渠的水情監視和閘門的監控管理，但在地下水管理、防汛預警、用水管理等業務方面以及行政辦公方面都未建設相應的系統，同時已建的系統和待建的系統亟需整合，形成灌區綜合平臺，提升業務協調能力和移動應用水平[5- 6]。

(4)環境保障方面。灌區信息化建設投資和系統運行維護管理機制尚未確立健全，灌區人員對信息化工程建設與運用的系統性、長期性和關鍵性認識不足，導致系統建設和運行維護資金難以籌措落實，維護與更新無法保障。

3.3 典型灌區信息化建設方案與保障措施

規劃建設從水源取水(地表水和地下水)到田間工程的全方位監控，從用水農戶到灌區管理處的逐級應用，從田間灌溉用水量管理到灌區水資源調配逐層管理，逐步實現桑干河灌區的信息化、數字化，為進一步實現流域大型灌區現代化提供指導建議。

3.3.1總體設計

桑干河灌區信息化規劃建設包括基礎信息系統、數據資源、應用服務和環境保障4個方面，分兩期實施。總體框架如圖2所示。

圖2 總體框架圖

3.3.2建設任務與技術方案

(1)基礎信息系統建設

基礎信息系統主要包括監測系統、監控系統和基礎環境建設。

監測監控系統建設一期主要對已改造的支渠口建設水情監測點，將手動閘門改造為電動閘門，在重要閘門位置建設視頻監控點，對農田節水示范區建設墑情監測試點和作物生長監測試點，新增雨量站。二期主要對規劃改造的支渠口建設水情監測點，在重點閘門位置建設電動閘門，為遠控閘門建設視頻監控點，對已進行節水改造的其他農田區域建設墑情監測點和作物生長監測點，新增水質站和地下水監測站。

基礎環境建設采用“云服務+本地存儲”的形式，通過購買云服務器和云存儲服務，利用互聯網來提供動態易擴展的、虛擬化的資源，將灌區管理處所需的軟硬件、資料都放到網絡上，同時將視頻監控和閘門監控的應用部署到本地[7]。網絡部分采用自建光纜結合租用公網數據專線、GPRS無線傳輸的混合通信方式進行組網。基礎環境主要集中在一期進行建設。

監控中心建設一期在灌區管理處建設監控中心，二期在4個灌區管理所建設監控分中心。

(2)數據資源建設

數據資源是桑干河灌區信息系統軟件的數據源，是業務應用的基礎，由桑干河灌區管理處統一建設、統一管理。一期主要建設灌區核心數據庫，二期隨著共享理念和業務應用的不斷深入，搭建共享服務體系，實現國家重點建設項目與灌區之間數據的共享，見表2。

表2 數據資源建設方案

(3)應用系統建設

灌區應用系統規劃建設主要包括4部分：業務應用系統、行政辦公系統、灌區綜合業務平臺和灌區移動App。業務應用系統側重于業務的縱向深入和擴展；行政辦公系統側重于灌區各級管理單位工作流的管理、行政辦公和資源共享；灌區綜合業務平臺側重于灌區業務的橫向延伸和全方位的展示；灌區移動App為野外作業和移動辦公提供便利，系統建設方案見表2。通過應用系統的建設，提升灌區業務的信息化管理水平，實現用水科學化、工程數字化、辦公自動化[7]。

表2 灌區應用系統建設方案

(4)環境保障建設

環境保障包括制度規范體系和保障措施。一期主要建立四大保障體系，加強信息化建設標準體系的建設和梳理，加大專業人才培訓力度，加強灌區應用系統的安全穩定運行，建立長效穩定的管護機制。二期進一步完善四大保障體系，持續為灌區信息化系統的運行維護提供環境保障[8]。

3.3.3建設與運行措施

①明確組織機構，組建涿鹿縣桑干河灌區信息化建設領導小組；②編制實施方案，嚴格按照項目法人制、工程招投標制、工程監理制、合同管理制等要求進行；③細化運行管理，建立值班操作、日常維護、定期檢查、排障調整、修理更新的工作機制，系統維護可以合同委托項目建設團隊進行后期維護[9]。此外，定期組織內部人員進行系統操作培訓，掌握系統的正常操作及運行維護。

3.4 典型灌區信息化建設方案效益評價

本方案立足農田水利信息化發展視角，規劃與桑干河灌區相適應的建設內容和技術方案，有助于提高桑干河灌區管理水平、用水效率和行政辦公效率，促進灌區技術優化升級，為灌區用水決策提供科學支撐。方案實施后，將極大提高桑干河防洪、水資源利用、水環境保護、政務辦公等方面的現代化管理水平；有效減少水旱災害的發生，減少水資源浪費，提高灌區經濟效益；保護河流生態系統和地下水生態系統，提高水環境質量，改善土壤生產條件，為農牧業豐收奠定堅實基礎。

4 結語

目前，水利行業已全面進入“十四五”智慧水利關鍵建設期。伴隨《“十四五”重大農業節水供水工程實施方案》的出臺，全國124處已建大型灌區續建配套和現代化改造工程邁入嶄新的發展階段，河北省7處大型灌區將納入方案，桑干河灌區位列其中[10- 11]。新時期，要解決好平衡發展海河流域48個大型灌區信息化建設工作，推動中小型灌區信息化建設全面展開，除繼續積極爭取水利部的國家投資和政策外，必須結合流域內各灌區自身的實際情況，在灌區管理體制、投資規劃、認識與重視程度、人才隊伍建設、先進技術應用等方面，采取科學合理、切實可行的發展對策。