灌区现代化的发展思路和顶层设计

2013-11-20陈金水

水利信息化 2013年6期

陈金水，丁强

（1.河海大学计算机与信息学院，江苏南京 210098；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012）

1 灌区信息化建设的成效与问题

大型灌区在 1998年开始的“续建配套节水改造”项目基础上，于 2002年启动了信息化试点建设，至今经历了“十五”、“十一五”2期试点建设，共有50座灌区不同程度地参与，其中，第一期试点29座灌区，第二期试点36座灌区（其中15座由一期延续下来），2期试点共投资 4.43亿元[1]。

应用是信息化的根本，也是最终目的。因此，成效与问题应从应用的角度来审视，才能为后续（“十二五”，“十三五”）的建设提供经验教训。

1.1 成效

从宏观来看，2期试点的灌区基本上都达到信息化建设的要求，只是程度上各有不同，可分为以下4种情况：1）信息“看”得到；2）不仅“看”到信息，且作为灌区自身管理及上级主管部门行业管理的依据；3）信息用于辅助灌区建设、运行管理决策，实现需水、用水计划的计算机编制和执行；4）进行了灌溉水资源优化调度的研究和局部实现。

纵观50个试点灌区的建设情况，绝大部分灌区处于第1和2种情况，少数灌区能达到第3种情况，极个别灌区与高校和研究机构合作在水资源优化调度方面做了有益且有一定影响的研究和试验。

1.2 问题

实践证明，信息化不仅仅是技术问题，更重要的是观念和认识问题。“十五”和“十一五”这2期信息化试点建设虽然还存在不少问题，但作为试点，这是正常的。最重要的原因是各个层面对灌区信息化建设认识不足，没有真正理解灌区信息化是一个集信息采集、数据管理、决策应用、网络发布于一体的系统工程，必须从顶层设计[2]开始，并在投资费用的经济实用、规划设计的科学合理、技术方案的切合实际、维护管理的持续有效等方面层层把关控制，才能“少交学费”，使建设成果切实有效。

2 灌区信息化建设新形势

根据国家发改委和水利部的计划，进入“十二五”后，灌区信息化将与续建配套节水改造同步进行，每期利用续建配套节水改造投资的 3%～10% 进行信息化建设，即常态化。随着信息技术的迅速发展，以及有限水资源匮乏的加剧，节水型精准灌溉的需求越来越迫切，如何在信息化的基础上加快数字化和智能化的建设已经摆在灌区现代化建设的议程上。

2.1 精准灌溉与信息技术双层需求

随着水利工程建设的日益完善和水资源的日益匮乏，《全国水利发展第十个五年计划和 2010年规划》确定了调整治水思路、转变治水方针的原则，要求实现从工程水利向资源水利的转变，从传统水利向现代水利、可持续发展水利的转变。在这个转变过程中，水资源统一管理、优化配置，以及提高水资源利用效率是实现水利现代化的基础和前提。作为灌溉水利的灌区同样要遵从这个发展思路，针对不同作物，研究并实施精准灌溉模型、制度和实施策略是“十二五”灌区建设和管理的发展方向。

信息技术进入21世纪后，迅速朝着更加数字化和智能化的方向发展，只要有可靠、实用的专业应用模型，借助现代的传感、通信、控制、计算机网络技术即可高效地实现精准灌溉。国家西部，如新疆等缺水地区的精准灌溉探索和试验已经有力地证明了这种需求的现实性和紧迫性，以及技术运用的可行性和有效性。

2.2 灌区现代化发展思路

在精准灌溉与信息技术双重需求压力之下，以“引嫩入白”工程为契机，2011年9月7日水利部李国英副部长在信息化可行性研究方案审查会上的讲话为灌区现代化发展指明了方向，阐述了思路。

李国英副部长对灌区现代化建设的要求如下：需求牵引、应用至上；统一规划、分步实施；总体设计、模块管理；数学模拟、注重参数；阶段先进、扩展升级；稳扎稳打、持续利用。灌区现代化的具体实现步骤如下：第1步实现信息化，第2步实现数字化，第3步实现智能化[3]。

这个思路既呼应了双重需求，又指明了灌区现代化的发展方向。

2.2.1 信息化

信息化就是通过各种信息采集技术和手段，全面或较为全面地获取灌区内的水雨情、工情、墒情等信息，并通过通信链路和计算机网络传输给需要这些数据的职能部门和管理人员。借助必要的软件，使这些部门和人员能够浏览、查询所需要的信息，并可以统计、汇总，形成报表等，以此作为灌区建设和管理的依据或参考。

2.2.2 数字化

数字化就是系统地结合水、肥料、作物等学科及专家的知识，在信息化的基础上，针对灌区各种作物，以及具体的土壤、气候等条件，建立科学、合理、精准的供水和供肥等过程模型。这些模型应能根据供水过程中发生的情况变迁，以参数变化的形式对模型作随机调整及再运用，以此指导灌区灌溉，甚至生活和工业供水及防洪等水资源的调配。

2.2.3 智能化

实现智能化就是以信息化所获得的各种数据作为参数去选择匹配的模型，通过编制的软件，由计算机及各种控制设备和设施自动执行模型，从而控制供水和供肥建筑物、设备、设施的运行，实现自动化和智能化。

这些过程可以依据实际情况分程度、阶段地去实现。例如先针对某条支渠，在“全渠道控制”的基础上，实现智能化，再依据条件完善与否，逐步推广到全灌区。

3 灌区现代化建设的顶层设计

虽然目前实现信息化、数字化和智能化基本上不存在技术上的问题，但是，要结合灌区的实际情况，做到实用、有效和可靠，还有很多关键技术需要深入研究。将研究成果应用于灌区现代化建设中，就是实现灌区现代化的 “顶层设计”。

3.1 灌区数据分类、定义及规范化研究

灌区数据指灌区水资源调配过程中涉及的供用水、工程建筑物及业务管理等信息，各个灌区基本相同。按照现代信息技术的理念，数据既服务于应用程序，又独立于应用程序，因此，对于应用系统来说，数据应该是共享的。如果不统一数据的分类、定义，不规范内容和结构，任由各个灌区自行设计，除了重复劳动、投资外，限于灌区信息技术的水平，必然增大应用系统开发的难度和费用，特别不利于数据交换和系统集成，给信息共享设置障碍。

3.2 灌区信息化建设标准及执行措施研究

灌区信息化建设内容确定之后，技术方案就是建设内容能否有效实现的关键。技术方案要特别注意标准化要求，以利于系统的集成、维护、扩展和长期使用。

标准化包括以下2个部分：1）产品自身是否遵循国家和行业标准，并且具有国家或行业的生产许可及计量认证；2）接口是否标准，是否易于系统的集成及维护管理。灌区信息化建设标准的研究是在对国际、国家和行业标准调查分析的基础上，建立或提出的灌区信息化建设中所应遵循的标准。并制定标准下的传感器、计算机硬件和软件、网络、通信等产品的性能指标要求，以及适合灌区系统集成的接口规约和协议，以此规范、约束参与各方，保证建设的质量和管理的方便，以及可维护和易维护性，使信息化建设成果能持续、长效地发挥作用。

3.3 灌区测水方法和设施、设备的研究

灌区信息化向数字化、智能化发展，除了要建立作物需水的时空模型和水资源调配模型外，精准控制渠系中各个渠段的过水流量是能否实现按需供水的关键。目前水位量测有多种方法，只要传感器可靠，数据基本上是可靠、可用的；但是流量量测，特别是明渠流量量测还比较粗犷，难以做到精确。虽然明渠量测水有建筑物、特设设施、仪器等多种方法，但由于灌区情况的不同，量测精度一直无法得到计量认证，缺乏公信力。

鉴于这种情况，应该针对不同灌区的实际情况，分类进行研究，给出适合不同情况的多样化量水方法，研制实用化的量测水设施和设备。开发流量/水量计算软件，嵌入到设施、设备中，实现一体化集成，以方便灌区使用。

需要强调，灌区现代化是为农民服务的，传感器、采集装置、通信设备和处理终端都应该是价廉物美的产品，系统的设计和建设应该是可靠、实用、方便和经济的，要使农民朋友会用、想用和用得起。

3.4 供水、供肥等过程模型研究

我国农业灌溉经历了3个发展阶段。第1阶段是传统农业的漫灌方式，生产者根据农业生产经验判断干旱情况，然后用大水漫灌的方式进行灌溉，直到土壤饱和，这种方式不仅造成大量水资源浪费，而且易引起土壤板结，在土壤过分饱和的情况下，还容易诱发病虫害；第2阶段是节水灌溉，通过各种新技术的应用达到节约用水的目的，例如喷灌、滴灌、微灌等节水灌溉方式；第3阶段，是依托信息技术开展精准和智能灌溉的研究，根据土壤墒情及农作物的生长需要，建立配水、配肥调度模型，然后运用相应的灌溉模式实现优化供水和供肥。

3.5 灌区灌溉水资源配置模型及调度方法研究

我国大型灌区信息化虽然已经进行了2期试点建设，但是，作为灌区最主要，也是最重要的水资源配置模型及调度方法的研究和运用工作开展得还不够，大部分灌区还是按计划供水，只是实现了用计算机替代人工编制需水、用水和配水计划而已。

为了充分发挥信息化建设的作用，真正达到节水、增效、可持续发展的目的，必须开展灌溉水资源配置模型及调度方法的研究，这也是灌区实现数字化直至智能化的基础。当然，由于我国灌区存在地理位置、气候条件、农作物种植结构及水源类型的不同，水资源配置方法也会不同，甚至差异很大。因此，可以依据灌区所处的地理位置和取水方式等进行分类建模，也可以选择典型（具备建模条件）灌区作为试点，分步开展研究，逐步建立灌溉水资源配置模型，优化调度方法。

3.6 智能灌溉控制系统的研究

目前渠灌、管灌、喷灌、滴灌、微润灌溉等均可实现智能灌溉控制。如何针对不同的灌区，不同的地理、气候、作物等条件研究并实施智能灌溉控制是实现灌区智能化的关键。

4 灌区现代化建设实例

顶层设计，如灌区数据库设计、量测水方法和设备选型等，无论是水利部的宏观指导还是灌区的具体实践，都在不同程度上进行了实验性研究和探索，也在一些灌区做了不同程度的运用。

4.1 智能 “渠灌” 控制系统

虽然“渠灌”水量损失大，不容易控制，但是，它设施成本低，管理方便，因此仍然是目前运用最广泛的灌溉方式。如何针对“渠灌”实现节水、智能控制是灌区续建配套节水改造及现代化管理的重要任务。

“一体化闸门”是水利部的“948”项目，在一些灌区选择渠系工程较好的渠道，在控制节点安装，实现精准控制，再通过“全渠道控制系统”实现对该渠道对应的灌域供水的优化调配[4]。安徽淠史杭灌区某条支渠上正在安装的“一体化闸门”及其结构如图1所示。

4.2 智能 “滴灌” 控制系统

“滴灌”仅湿润作物根部的土壤，因此可有效减少土壤水分的无效蒸发，还可以防止杂草的生长。通过注入水中的肥料，还可以提供足够的水分和养分，降低了农药的施用量。滴灌对地形和土壤的适应能力较强，其滴头能够在较大的工作压力范围内工作，且出流均匀，所以特别适宜地形有起伏的地块和不同种类土壤的灌溉。“滴灌”的灌溉供水全部通过管道输送，因此水力和水量损失较少，且容易实现自动及智能控制。

图1 安徽淠史杭灌区正在安装的“一体化闸门”及其结构

图2所示是以规模化田块组成的一片灌域。首部水源通过干管、支管和分支管将水和肥料输送到田间，再由滴灌管注入作物根部。图3是图2所示“滴灌”系统的控制机构组成和拓扑逻辑结构。图4是新疆哈密大枣田“滴灌”系统的首部控制装置，该“滴灌”智能控制系统已经运用于667hm2的大田中。“按需供水”不仅节水，而且大枣长势良好，产量和质量都有大幅度的提高。

图2 基于管道输水的“滴灌”系统结构及控制单元

5 结语

根据李国英副部长关于灌区现代化发展的思路，水利部计划 2020年前建成“国家灌区监测系统”。作为该系统的监测对象，首先要对被测灌域建立水、肥料、土壤等条件与作物生长的关系数学模型，然后根据实时监测数据自动调整和控制水、肥料供应，实现节水（肥）、增产的高效灌溉。2013年已选定湖北省漳河和内蒙古河套的灌区进行试点建设，在试点建设的基础上，逐步推广到其他灌区。笔者已就试点建设的具体实施方案，踏勘了现场，并运用本文的顶层设计与漳河灌区一起编制实施方案，以切实有效地推进灌区现代化的发展。