基于BIM+GIS 的智慧灌區水資源管理分析

邢云飛，丁雨晴 ,馬莉，孫少楠 ,羅福生

（1.河南省豫東水利保障中心趙口分中心，河南 開封 475000；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046）

隨著我國灌區建設的不斷發展，積極地將物聯網、現代化等先進技術運用到灌區工程的建設管理之中，國內的許多學者也陸續投入智慧灌區的研究領域，并取得了一些成果。張波等人（2020）為實現灌區水資源的科學調度，提高水資源配置能力與利用率，重點介紹了智慧灌區系統的建設和應用，同時結合錦江灌區信息化建設實際情況，構建了錦江灌區信息化管理系統平臺[1]。倪士超（2019）結合劉大灌區管理需要，研發設計了基于GIS 技術的用水管理系統，根據用水數據匯總、分析情況，制定相應的用水管理計劃[2]。邱俊楠等人（2022）圍繞灌區水資源的一些問題，根據感知數據以及3S 技術構建出灌區一張圖，并實現了灌區從水資源預測到管理、多視角智能化灌區管理平臺的建立[3]。但是由于一些其它因素，各地對灌區智慧化建設的研究實踐情況參差不齊，從總體來看，我國智慧灌區建設研究任務依舊任重道遠。

1 灌區智慧化建設分析與研究

本節通過對灌區目前主要存在的問題，以及對它進行智慧化建設的影響因素進行綜合分析，整理出灌區問題分析圖，為下節探討出適合灌區水資源管理系統的實施策略做鋪墊。

1.1 趙口灌區實例分析

1.1.1 灌區工程概況

趙口灌區位于河南省中東部黃河南岸平原，地域涉及鄭州、開封、周口、許昌、商丘5 市。灌區自70 年代建成，歷經了40 多年的發展建設，涉及范圍及灌溉面積統計情況詳見表1。灌區1972 年開始引水灌溉，在引黃灌溉、田間除澇、改良土壤、防治土地鹽堿化、補給下游地下水源、改善灌區受益區內生態環境等方面，發揮了巨大效益，對保證灌區工農業生產、振興經濟、確保國家糧食安全具有重大意義。

表1 趙口灌區受益范圍及灌溉面積（萬畝）

1.1.2 灌區管理現狀

河南省豫東水利工程管理局趙口分局為省級專管部門，承擔鄭州市境內總共30km 干渠的管理及灌區用水調度和水費征收等管理工作。鄭州、開封、商丘三市由水利局組織成立了引黃處，承擔各轄區境內引黃灌區渠道及建筑物工程運行管理任務；其他的由市水利局代管。灌區內的中牟縣、開封市祥符區、尉氏縣、鄢陵縣四縣設有引黃管理中心等專管機構，負責各縣境內引黃灌區的工程管理工作，隸屬于縣水利局[4]。

1.2 灌區存在的問題

1.2.1 工程改造與灌區信息化發展不平衡

在信息化建設還未普及之時，大多數灌區更注重工程化改造、有形資產的投資，對灌區管理軟件與能力建設提升重視不夠，閘門調度、水量計量，還是原始的手動操作。

1.2.2 現代農業的快速發展與灌區信息化滯后矛盾凸顯

一些大型灌區發展信息化水平、規模、布局與他所承擔的灌區水資源管理能力不平衡，導致按需灌溉、灌溉用水、生態補水之間供需矛盾問題的出現，沒有從根本上改變水資源的管理方式。

1.2.3 灌區信息化自動化水平低，量水設施不齊全

大部分灌區自動化建設基本空白，智慧灌區相關建設尚未起步，信息化智慧管理水平較低，量水設施也不齊全，與當前新時代水利發展理念極不適應。

1.3 灌區存在問題分析圖

進一步總結出了大型灌區存在問題分析圖，為灌區的智慧化建設提供依據。問題分析見下圖1。

圖1 大型灌區存在問題分析圖

2 智慧灌區水資源管理系統設計

本節充分利用現有的灌區優勢，推進趙口灌區的水資源科學利用，加快建成智慧化水資源管理體系。

2.1 水資源管理總體框架

根據標準規范體系和安全保障體系，將從全方位感知設備所獲得的數據，通過高速網絡傳送至云端，并利用大數據技術，結合趙口灌區的實際需求，為灌區用戶提供物聯監控、灌區一張圖（GIS 圖）、水量調度、用水監督等應用，為灌區各級管理單位和農戶提供全方位的服務，以此有效提升灌區的水資源利用效率。灌區水資源管理的總體框架見下圖2。

圖2 總體框架

圖3 灌區數據采集與分析

圖4 閘門遠程控制界面

圖5 趙口灌區朱固樞紐三維視圖

圖6 趙口灌區引黃口三維場景

2.2 數據采集分析系統

灌區以原始數據為基礎，通過對這些數據的采集與傳輸來查詢灌區水量、水位等信息，同時結合灌區具體實例，運用水量的一些算法或預測分析模型，來實現灌區量測水監控、來水預測和用水分析等業務的管理，最終為不同的灌區用戶提供汛情預警、水量調度和灌溉計劃等決策支持。

2.3 測控一體化閘門系統

閘門控制在灌區智慧化的建設中是難點和關鍵，閘門的實時控制，是做好輸水控制和水量調配的重要手段。結合趙口灌區的自然條件和現有的灌排運行體系，為了更好地實現灌區統一管理和精確調配水資源的功能，充分發揮灌區上、下游水利工程的作用，優先對灌區重要干渠的節制閘、進水閘、退水閘等建設閘門測控一體化遠程控制系統。在灌季時，支流閘門會將水流信息發送給上游閘門，上游閘門接收信息后，進行開閘放水，并將有關信息發送到下一個上游閘門，以此類推，程序不斷重復直到其達到設定值[5]。

2.4 BIM+GIS 應用支撐系統

為了更好地將BIM 與GIS 技術相結合并實現它們的價值，基于“一張圖”的空間信息資源共享與應用模式，建立了BIM+GIM 平臺，形成趙口灌區水源工程“數據樞紐”，同時應用到三維GIS 分析中，實現灌區宏觀、微觀智能可視化管理。

GIS 應用平臺中的基礎地理數據由傳感器傳輸至互聯網進行加工后接入到系統中，為系統提供了實時數據。將衛星遙感圖像和各類矢量數據疊加到數字高程模型上，最終構建出一個完整的地形地貌模型，并與灌區BIM 模型進行無縫對接，形成趙口灌區三維模擬場景，以達到從整體到局部的全方位立體式漫游與GIS 分析等目的[6]。

3 水資源系統的運維管理

3.1 運維管理系統規劃

（1）要求穩定可靠。趙口灌區信息化水資源管理系統中包含著一些重要的基礎數據與信息，稍有差池就會造成嚴重的后果，所以必須保證運維管理系統能夠穩定地工作下去。

（2）要求可操作性強且便于維護。由于不同使用人員的操作水平存在著差異，因此我們需要建立一個簡單易懂的系統，此外，還需要具備完整的功能，便于對系統中的各種數據進行維護，同時還可以對其進行簡單的備份和數據恢復。

（3）要求有持續的經費來源。現代社會信息系統迸發出來的能力就是新興的生產力，信息智能化系統已然成為現代水利工程中不可缺少的生產系統，因此，以生產成本的方式為信息智能化系統提供持續經費支持是必不可少的[7]。

3.2 運維管理系統業務功能

運維管理系統的功能是對基礎數據、運維數據、設備監測和緊急情況等進行統一管理。具體功能如下幾點：

（1）基礎數據運維管理。基礎數據包括現場信息、系統技術信息、工作人員與用戶信息及設備信息等。要對系統中的基礎數據進行統一地維護。如采集、編輯、刪除等，對用戶進行權限配置，并附帶通訊錄，方便用戶之間聯系。

（2）運維過程數據管理。將有價值的數據生成運維報告，報告中要包含關鍵的運維信息，如發生故障的原因和檢測方法，以及在該過程中所遇到的困難和無法解決的問題。

（3）在線監測故障管理。當發生一些突發狀況時，運維管理系統有必要對設備故障狀態進行在線監測，并顯示出錯誤信息，方便現場排查與問題處理。

4 結論與展望

本文結合趙口灌區具體實例，闡述了灌區水資源智慧管理系統的總體架構，利用云計算平臺的高性能、可擴展的計算和存儲能力，來實現對各種傳感器設備所收集到的數據的統一管理，并完成數據資源的共享，防止出現“信息孤島”的情況。構建了科學合理地水資源管理系統，從而達到科學調度和合理利用灌區水資源，并提高灌區水資源管理的目的。