新疆智慧灌區(qū)信息化管理平臺(tái)架構(gòu)與設(shè)想

海衣沙爾·尼瓦爾

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師一八六團(tuán)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，新疆維吾爾自治區(qū) 吉木乃縣 836800）

新疆地處于歐亞大陸腹地，水資源嚴(yán)重匱乏，水資源利用率較低。新疆是農(nóng)業(yè)大省，耕地面積高達(dá)524.23 hm2，農(nóng)業(yè)是新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定具有重要作用。因此，協(xié)調(diào)轄區(qū)內(nèi)的水源和引輸水分配，確保農(nóng)田能科學(xué)灌溉，該舉措在新疆具有舉足輕重的地位[1]。

1 智慧灌區(qū)的定義和基本功能

智慧灌區(qū)是在云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)實(shí)灌區(qū)與數(shù)字灌區(qū)相互交融，整合灌區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行過程中的各項(xiàng)信息[2]。借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各渠道節(jié)點(diǎn)流量、控制各節(jié)點(diǎn)水利機(jī)電設(shè)施、定期監(jiān)控灌區(qū)整體維修保養(yǎng)狀況。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精準(zhǔn)化管理和信息公開[3]。目前，智慧灌區(qū)包含以下4個(gè)基本功能：能對(duì)灌區(qū)內(nèi)不同類型的信息要素進(jìn)行系統(tǒng)性地觀測(cè)，并通過云平臺(tái)進(jìn)行整合，便于工作人員對(duì)灌區(qū)進(jìn)行科學(xué)監(jiān)管；能通過機(jī)器語(yǔ)言、數(shù)值模擬等現(xiàn)代化方法，優(yōu)化多源數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確解譯出灌區(qū)現(xiàn)狀，包括水量分配、土壤墑情、作物長(zhǎng)勢(shì)等，預(yù)警灌區(qū)發(fā)生自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度和作物水分虧缺現(xiàn)狀；以開發(fā)人工智能技術(shù)為核心，通過對(duì)灌區(qū)各類信息的模擬分析為管理人員提供水資源調(diào)度和配置、水旱災(zāi)害防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等優(yōu)化方案，減輕灌區(qū)工作人員工作壓力，提升工作效率；以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過灌區(qū)信息化建設(shè)，公開涉及民生的各類信息，如水費(fèi)計(jì)價(jià)與收取制度、日常辦公管理模式、人員任免制度、政府財(cái)政補(bǔ)貼制度等，提高灌區(qū)管理單位的透明度，提升政府公信力。

2 頭屯河灌區(qū)現(xiàn)階段信息化狀況

新疆頭屯河灌區(qū)位于天山北坡中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)86°42′~87°37′、北緯43°10′~44°44′。灌區(qū)土地總面積19 233.33 km2，可耕面積380 km2，控制灌溉面積268 km2。截至2018 年，灌區(qū)內(nèi)種植糧食作物103.73 km2，占37.03%；種植經(jīng)濟(jì)作物152.67 km2，占54.53%；種植飼草作物2.27 km2，占0.81%；人工灌溉林地21.33 km2，占7.63%。灌區(qū)現(xiàn)有各類干渠5 條，總長(zhǎng)度46.63 km，建筑物數(shù)量為75 座，配套率為89.3%；支渠22 條，總長(zhǎng)度117.76 km，建筑物120 座，配套率為88.9%；斗渠105 條，總長(zhǎng)885.24 km，排水渠3 條，總長(zhǎng)20.51 km，建筑物450座。

3 頭屯河灌區(qū)現(xiàn)階段信息化存在的問題

相比其他灌區(qū)，頭屯河灌區(qū)存在耕地面積廣、灌溉面積大，輸配水參數(shù)繁多等現(xiàn)象。信息化建設(shè)程度明顯低于同等條件下的灌區(qū)，不能滿足灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的需求。目前主要存在問題如下：①灌區(qū)各級(jí)渠系信息采集點(diǎn)少、采集方式落后。尤其是斗級(jí)以下渠系以人工觀測(cè)為主，測(cè)量精度較低。難以為灌區(qū)智能化管理提供參數(shù)支撐；②缺乏對(duì)土壤墑情、作物長(zhǎng)勢(shì)、地下水水位等監(jiān)控設(shè)備，無法監(jiān)測(cè)灌區(qū)內(nèi)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和環(huán)境變化；③灌區(qū)信息傳輸手段落后。目前灌區(qū)干支渠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用模擬信號(hào)通過有線或人工通過電話傳輸，信號(hào)實(shí)時(shí)性差。而斗渠以下多為人工記錄，信息傳輸時(shí)效性更低，難以滿足實(shí)時(shí)調(diào)水、配水的需求；④灌區(qū)信息化系統(tǒng)的綜合集成能力差。其雨量采集、灌溉需水分析、水資源監(jiān)控、供水調(diào)控、水費(fèi)收繳、內(nèi)部管理、決策咨詢等系統(tǒng)各自獨(dú)立，無法滿足灌區(qū)日常管理工作的聯(lián)通要求。

4 頭屯河智慧灌區(qū)信息化管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

智慧灌區(qū)信息化管理平臺(tái)是集灌區(qū)智能管理、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、水資源配置與調(diào)度、作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)為一體的復(fù)合結(jié)構(gòu)化平臺(tái)。它能夠?qū)崿F(xiàn)灌區(qū)信息的采集、處理、加工、存儲(chǔ)、傳輸、反饋的一體化和自動(dòng)化，科學(xué)指導(dǎo)水資源調(diào)配和農(nóng)田灌溉，全面提高灌區(qū)水資源的利用效益，并為管理單位提供準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)的灌區(qū)水信息[4]，頭屯河智慧灌區(qū)信息化管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架見圖1。頭屯河智慧灌區(qū)信息化管理平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要功能如下。

圖1 頭屯河智慧灌區(qū)信息化管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Structure design of information management platform of Toutunhe intelligent irrigation district

4.1 灌區(qū)物聯(lián)監(jiān)控

依托灌區(qū)感知監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)控頭屯河灌區(qū)降水量、各級(jí)渠系水位、閘門開閉程度、泵站和機(jī)井運(yùn)行情況等信息，并借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將上述參數(shù)存儲(chǔ)并上報(bào)至灌區(qū)信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)輸配水遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.2 作物生長(zhǎng)狀況分析

以現(xiàn)階段常用作物需水模型和作物生長(zhǎng)模型為基礎(chǔ)，通過對(duì)作物生長(zhǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和模擬研究，分析灌區(qū)內(nèi)作物生長(zhǎng)現(xiàn)狀，明確作物需水情況，為灌區(qū)工作人員提供作物信息用于優(yōu)化灌溉制度。

4.3 生態(tài)環(huán)境需水分析

以水文學(xué)法和整體分析法為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮灌區(qū)內(nèi)生態(tài)、水文、水力學(xué)等要素，綜合確定灌區(qū)內(nèi)動(dòng)植物生存發(fā)展所需的適宜生境范圍，供灌區(qū)工作人員提升灌區(qū)生態(tài)環(huán)境提供參考。

4.4 灌區(qū)水量分配及調(diào)度

以作物需水和生態(tài)需水為基礎(chǔ)，結(jié)合灌區(qū)工程供水能力及效益，開展灌區(qū)供需平衡分析，建立多目標(biāo)用水配置模型，提高灌溉用水效率，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置。

4.5 灌區(qū)水費(fèi)精確計(jì)量

對(duì)灌區(qū)的灌溉用水計(jì)劃、用水量及水費(fèi)計(jì)量信息，制定多級(jí)臺(tái)賬管理制度。劃分不同種植作物，通過農(nóng)業(yè)用水精確定量和水計(jì)量進(jìn)行差額計(jì)費(fèi)，通過水價(jià)計(jì)量增加農(nóng)戶節(jié)水用水意識(shí)，增加農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整與水資源配置的雙向促動(dòng)[5]。

4.6 公共信息網(wǎng)

統(tǒng)籌構(gòu)建專用門戶，并在門戶網(wǎng)站發(fā)布灌區(qū)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、法律法規(guī)、人事任免、公益科普等欄目，提高灌區(qū)精神文明建設(shè)水平，拓寬灌區(qū)與廣大用水農(nóng)戶和社會(huì)公眾與地方政府及灌區(qū)管理人員信息溝通渠道，提高人民群眾對(duì)水利設(shè)施的保護(hù)意識(shí)，樹立良好的道德風(fēng)尚，增強(qiáng)政府公信力。

4.7 灌區(qū)一張圖

基于全國(guó)水利基礎(chǔ)和水利空間服務(wù)，充分整合灌區(qū)空間數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建灌區(qū)一張圖。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)渠道水位、水量分配、作物長(zhǎng)勢(shì)、土壤墑情、生態(tài)環(huán)境狀況等綜合監(jiān)測(cè)，并基于灌區(qū)信息化管理平臺(tái)對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行接收、計(jì)算、存儲(chǔ)、預(yù)警預(yù)報(bào)、人工校正和統(tǒng)計(jì)分析處理，實(shí)現(xiàn)頭屯河灌區(qū)監(jiān)測(cè)感知信息的可視化展示[6]。

5 頭屯河智慧灌區(qū)建設(shè)維護(hù)注意事項(xiàng)

5.1 加強(qiáng)信息系統(tǒng)的安全建設(shè)

一方面各類數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備極易受到外界極端天氣（如高溫、冰雹、暴雨、閃電等）的破壞。如何在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)確保數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠接收到正確的信息，是一個(gè)不可忽視的問題。因此，在灌區(qū)信息化建設(shè)時(shí)，增加傳感器和傳輸端口抵抗極端天氣影響的同時(shí)，也要優(yōu)化信息平臺(tái)，使信息平臺(tái)能夠自主檢測(cè)端口損壞和異常值問題。另一方面智能灌區(qū)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，要防止不法分子的侵害。因此，在構(gòu)建灌區(qū)信息化管理平臺(tái)時(shí)，一定要采用安全的服務(wù)器、防火墻等硬件、軟件，并開通漏洞修復(fù)、病毒查殺等功能，完善信息安全管理機(jī)制。防止被一些不法分子以非法手段入侵而造成數(shù)據(jù)信息泄漏或丟失[7]。

5.2 注重以信息化為基礎(chǔ)的人才梯隊(duì)建設(shè)

在開展智能化建設(shè)時(shí)，應(yīng)制定切實(shí)可行的人才培養(yǎng)方案，提升人才培訓(xùn)戰(zhàn)略地位。通過建立健全人才培訓(xùn)計(jì)劃，采取“請(qǐng)進(jìn)來、走出去”的模式培養(yǎng)專業(yè)型、復(fù)合型人才，綜合提高灌區(qū)工作人員的綜合能力，尤其是對(duì)信息技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用、對(duì)灌區(qū)的信息化知識(shí)的認(rèn)知能力。

5.3 多元化拓展智慧灌區(qū)的投資方式

灌區(qū)智能化建設(shè)不僅需要大量的勘查工作，還涉及眾多傳感器和通訊設(shè)備，及各種新型灌區(qū)、作物、生態(tài)模型。如果沒有充足的資金支持，極易成為“樣子工程”，影響各地區(qū)灌區(qū)信息化系統(tǒng)建設(shè)。灌區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)主要由政府出資，但新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為落后，政府難以全部承擔(dān)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)所需資金。因此，有關(guān)單位必須拓展資金來源的路徑，重視社會(huì)資本的參與力度，積極宣傳并引導(dǎo)更多社會(huì)資本參與智慧灌區(qū)的建設(shè)。穩(wěn)步開展農(nóng)業(yè)水價(jià)改革，減少灌區(qū)財(cái)政赤字，提升灌區(qū)綜合經(jīng)濟(jì)效益。政府應(yīng)以實(shí)地智慧灌區(qū)為基礎(chǔ)，采用政企合作方式積極開展新一代智慧灌區(qū)的產(chǎn)品研發(fā)，在充分發(fā)揮灌區(qū)信息化的社會(huì)價(jià)值和社會(huì)效益，強(qiáng)化灌區(qū)設(shè)備技術(shù)更新，促使智慧灌區(qū)可以自主更新?lián)Q代。

6 結(jié)語(yǔ)

灌區(qū)的信息化、數(shù)字化及智慧化建設(shè)是水利信息化建設(shè)的必然結(jié)果，也是社會(huì)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)現(xiàn)代灌區(qū)的核心需要之一。新疆頭屯河灌區(qū)涉及耕地面積廣、灌溉面積大，在新疆灌區(qū)占有重要地位。但灌區(qū)內(nèi)各級(jí)渠系信息采集點(diǎn)少，采集數(shù)據(jù)單一、采用方式落后，造成灌區(qū)功能單一，灌溉和水資源輸配運(yùn)行效率相對(duì)低下。為進(jìn)一步提高灌區(qū)信息化水平，優(yōu)化灌區(qū)管控運(yùn)行效率，降低農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)，提升水資源優(yōu)化配置強(qiáng)度，必須升級(jí)灌區(qū)智慧化水平。依據(jù)頭屯河灌區(qū)現(xiàn)狀，提出了以服務(wù)應(yīng)用層、云服務(wù)平臺(tái)和信息感知層為基礎(chǔ)的智慧灌區(qū)信息化管理平臺(tái)設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)，設(shè)計(jì)了灌區(qū)物聯(lián)監(jiān)控、作物生長(zhǎng)狀況分析、生態(tài)環(huán)境需水分析、灌區(qū)水量分配及調(diào)度等多種功能。灌區(qū)后期維護(hù)和發(fā)展必須注重智慧灌區(qū)多元化拓展、信息系統(tǒng)的安全和人才梯隊(duì)建設(shè)。通過現(xiàn)代化的新技術(shù)、新理念打造適宜頭屯河地區(qū)的智慧灌區(qū)，為新疆地區(qū)智慧灌區(qū)的構(gòu)建提供參考依據(jù)。