山西大禹渡灌区信息化建设成效分析

郭 飞，陈向东，刘 睿，许 钊，章雨乾

（中国水权交易所，中国 北京 100053）

我国耕地面积约占世界总量的9%，而人口数量却达到世界总量的22%，加上水资源匮乏与水旱灾害频繁的现状，使得我国农业发展与粮食安全面临巨大挑战[1]。灌区作为我国粮食生产与农业规模化经营的重要基地，其粮食产量约为全国的26.2%，占全国农业生产总值的25%，并提供了全国城镇生活用水与工业用水总量的14.3%。因此，灌区已成为我国粮食安全的保障，农业和农村经济增长的重要支撑，而为了充分发挥灌区的保障与支撑作用，灌区管理水平与效率的提升必不可少[2]。

1 大禹渡灌区信息化概况

大禹渡灌区位于山西省运城市芮城县境内，北起中条山南麓，南至黄山西岸，西起大王乡，东至东垆乡。工程兴建于1970 年10 月，于1974 年上水运行，灌区为大型引黄灌溉工程，填补了国内190～210 m 扬程、高效率大流量的一项技术空白，凭借一级站滑动式泵车、二级站193.2 m 扬高与沉沙池交替运行技术，曾获得了1974 年中国社会主义建设十大成就之一的称号。目前灌区干渠长度84 km，支渠长度249 km，斗农渠长度1 418 km，灌溉面积为3.4 万hm2，灌区自投入运行以来，为当地的农业与经济发展做出的巨大贡献[3-5]。

大禹渡灌区以往传统的管理模式存在着数据采集方式落后、无法保证安全生产与灌溉效益低下等问题。灌区依赖以广播、电话与人工检测的方式来获取调度决策所需要的墒情、水情、气象与水文信息，多采用人工方式进行生产运行参数的记录与核算，获取信息的效率低、时效性差、准确性无法保证，给灌区供水安全带来一定风险；灌区的工程基础资料与设计图纸、用水数据、历史资料等技术资料多由专职人员保存与档案柜中，给调度决策、制定发展规划、灌区维护工作带来不便；灌区缺少自动化监控设施，普遍存在泵站、支口早开晚报、隐瞒不报的情况，大大降低了灌区渠系水利用效率，增加了灌溉成本。

为了实现灌区水资源高效利用与优化配置，大禹渡灌区必须采用现代化管理技术与方法进行灌区信息化管理。灌区信息化就是充分利用计算机技术、传感器信息采集技术、3S（GPS、GIS、RS）技术、智能控制技术与物联网等技术手段，显著提升信息采集的全面性与时效性，在保证数据准确性的基础上及时将数据传输给灌区管理部门，方便决策者了解灌区范围内的工程运行状况、水质与水量等水情信息，最终实现灌区的合理调度与安全运行，全面提升灌区经营管理的效率与效能[6-8]。

2 大禹渡灌区信息化建设措施

近年来，大禹渡灌区顺应山西省大力推进大中型灌区信息化建设的号召，努力做到信息化管理实现“三多三少”：一是实施最严格水资源管理，将地表水与地下水资源联合优化配置，多用地表水而少用地下水；二是通过渠系输配水及田间灌水设备远程操作、自动化控制，多进行自动化操作而减少人工劳动量；三是根据作物实际需水量进行按生育期的自动供水，多进行高效供水而减少灌溉水损失，期间灌区的主要信息化建设措施包括以下几个方面。

2.1 建立远程视频监控系统

灌区信息化的首要目标是保证渠道的安全运行，大禹渡灌区对各级渠道重要的进水闸、节制闸、分水闸以及各级泵站实时监控，安装了47 个远程摄像头与8 台水位计，基本实现了全面监控覆盖。由于监控点多，布局分散，单个监控点规模小等特点，导致包含视频数据的通信流量较大，大禹渡灌区为了保证信息通信，同时在总干渠架设985 根电杆，55 km 的光纤线。灌区建立的远程监控系统以“无人值班、少人值守”的理念进行设计，以实用、可靠、经济、先进的原则进行配置。

通过灌区的远程视频监控系统，工作人员可及时直观地了解到闸门水位与机泵的运行状况，方便进行水量配置、均衡渠道上下游供水与现场处置等科学决策，有效解决了以往管理中灌区信息采集不及时、录入不准确，最终导致易溢渠断流等问题。此外，工作人员可根据水位计的超限报警及时地进行应急调度决策。大禹渡灌区的远程视频监控系统，实现了信息联网、集中监控、优化调度、科学管理，全面提升了灌区运行的安全性、稳定性、可靠性。

2.2 建立统一计量标准

为了实现灌区公平配水并达到灌溉用水数字化管理要求，建立统一的计量标准必不可少。灌区用水计量中，量水堰槽为常用的量水设备，其通过收缩渠道宽度或抬高槽底板高度的方法来形成收缩段，使收缩段内的水流形成具有不受下游水流条件影响的临界流，通过水位流量关系计算得出渠道流量。

大禹渡灌区在以往的建设运行中，由于斗渠的修建时间不同，施工材料、水平与标准的差异，其配置的量水堰也形态各异，梯形、矩形、无喉道等形式的量水堰在同一放水流量下，水位值不一致，这给灌区的配水查渠工作造成很大不便，为“关系水”、“马虎水”“人情水”现象的滋生提供了条件。

为了封堵管理漏洞，实现灌区的统一考核，统一计量，大禹渡灌区经过制造、安装、运行的试验后，总结形成了包括量水堰加工、安装、验收的全流程制作管理模式，并在干渠计量口统一安装了稳定性高、适用地形广、造价低、测流范围广的钢板式巴歇尔量水堰，实现了同一水量、同一水尺的统一计量标准，为灌区数字化水计量管理提供了基础。

2.3 安装无线智能磁致伸缩水位流量计

大禹渡灌区在进行了计量统一的基础上，为了实现灌区用水数字化、精准化管理，进行了YG-MⅡ-DMF 型号无线智能磁致伸缩水位流量计的改制与安装工作。无线智能磁致伸缩水位流量计利用磁致伸缩效应，通过计算电流脉冲与扭转波之间的时间差来精确得出水位值，进而可计算得出对应的流量值，具有测量精度高、维护简便、校准简单、使用寿命长等优点。

大禹渡灌区管理局结合实际应用情况，联合西安沃泰科技有限公司对YG-MⅡ-DMF 型号无线智能磁致伸缩水位流量计进行了技术性能改造，有效降低了由天气、气温、冰冻、泥沙量等外界因素带来的计量误差，实现了灌区支斗渠水流、流量的数字化、精准化管理，将灌区的渠道水利用率显著提升至95%以上。此外，通过配套的软件系统，灌区用水信息可在农户、村级水管理员、管理站与总调度中心四级之间数据共享，做到了灌溉用水的透明、公正、公平。

2.4 建立泵站运行实时监控系统

大禹渡灌区利用先进的计算机技术、自动控制技术、信号处理技术、通信网络等技术，建立了泵站运行实时监控系统。系统由自动监控系统由现地监控系统和远程监控系统组成，实现了数据采集、数据处理、控制调节、监视报警、数据报警等十大主功能。其中，现地监控系统主要由闸位计、PLC 控制柜、光猫、单模光纤、控制及信号电缆、避雷装置、闸门驱动控制装置等设备组成，通过对水泵机组、变压器、励磁装备、输配电等设备的自动监测，实现了电量、流量、液位、压力、温度等参数的信息采集、自动诊断、越限报警功能；远程控制系统包括远程控制计算机和监控平台，其中远程控制器计算机的功能是基于图形化操作界面提供操作与控制功能，通过构建的技术先进、性能稳定、质量可靠、系统开放、扩展灵活、经济适用的监控平台，管理人员将发出各类指令，调度泵站的运行，实现了灌区泵站的信息联网、集中监控、优化调度、科学管理。

2.5 安装IC 卡计量装置

大禹渡灌区属于大型灌区，受地形条件限制，有些灌溉区域超出了泵站扬程，无法进行自流灌溉，当地大多数取用水户采用移动式水泵进行二次提水浇灌田地。然而对于移动式水泵，由于其数量多、计量模糊、开闭灵活等特点，造成了水量计量监督上的管理困难。为了实现水量精准计量、封堵管理漏洞，大禹渡灌区对每台移动式水泵安装了IC 卡计量装置，通过IC 卡管理系统，实现对水卡的开卡、充值与销卡管理。

2.6 建立丰富的输出显示方式

大禹渡灌区信息化建设中，为管理人员与取用水户建立了丰富的显示方式，可满足单机终端、大屏幕显示等多种显示方式，满足不同应用需求。通过多通道融合大屏幕显示系统，大大提升本系统的实用性和仿真效果。

对于大禹渡灌区的管理人员，如闸房工作人员，需要对渠道安全与闸口水位等情况进行每2 h 一次的安全巡检工作，而大禹渡灌区地广渠多，管理闸房基本每5 km 设置一个，大量的巡检工作给工作人员造成了很大负担。为了降低一线职工的工作强度，灌区在总干渠7 个闸房中安装了显示终端机，将水位、流量等实时数据进行及时显示，闸房工作人员通过终端机就可全面监控辖区内的各个支斗渠情况，在有效降低职工劳动强度的同事，也避免了职工在夜晚巡检时发生危险的意外事件发生。

灌区内的取用水户最关心的是灌区用水的公开透明，为了保证用水权、知情权，大禹渡灌区建立了阳光水务查询终端机，用户通过触摸屏便可查看配水历史记录、配水稳定率等数据的实时变化情况。此外，终端查询机还将灌区管理工作的实时动态、通知公告、热点专题进行显示，并提供监督举报通道，在群众监督的作用下，做到水务管理阳光透明。

3 大禹渡灌区信息化建设成效

大禹渡灌区自2009 开始进行灌区信息化建设以来，以灌区可持续发展为原则，利用3S、物联网、智能控制等信息通信技术为手段，努力提升灌区安全管理水平、增加灌区经济效益、封堵灌区管理漏洞，最终实现灌区经营管理效率、效能和效益的全面提升，主要成效包括以下三个方面。

3.1 灌区信息化建设基础设施初具规模

大禹渡灌区的视频、监控和超声波水位计基本覆盖了干渠主要的监测点，管道流量计覆盖了3 座泵站和6 条支渠，采用GPRS 传输方式，利用公网形成了覆盖灌区的信息网络，实现了实时信息的共享交互，提高了办公及调度效率。

3.2 灌区职工信息化管理理念明显提升

灌区的管理理念发生了革命性改变。过去，灌区职工习惯于“眼看、手算、电话报”等管理方式。现在，灌区职工对信息化、智能化、现代化管理有了新的认识，能够熟练操作信息化水情综合调度软件，查看测点的视频、水位等等，配水员均会熟练使用磁致伸缩流量计手抄器查看配水情况。

3.3 灌区综合效益逐年增加

智能流量计的安装应用使渠道水利用率由原来的80%，提高到现在的95%以上，灌区年可增加水费收入500 万元；在信息收集、分享、传输等方面可减少54 人的工作量，灌区年可节省运行成本81 万元、减少办公费用13 万元；灌区供水生产和用水市场分析能力明显提高，杜绝了干渠断流、溢渠等安全生产事故和“人情水”、“关系水”、“马虎水”等问题。

4 展望

大禹渡作为我国大型灌区信息化建设的先行者，建立了先进的灌区信息化管理系统，灌区的支斗渠实时计量系统与泵站运行实时监控系统，达到国内领先水平。根据《全国现代灌溉发展规划（2012-2020）》，我国在“十三五”期间，要全面完成大型灌区和泵站信息化建设任务，全面开展并基本完成重点中型灌区、小型农田水利建设重点县信息化建设任务[10]。

由于灌区面积大，大禹渡灌区的降雨、土地、种植结构、灌溉模式等自然与人为因素复杂，实现精准化灌溉将是其下一步信息化建设要解决的主要问题。大禹渡灌区可根据自然条件和灌溉模式对灌区进行分区，在每个分区内推广精准化灌溉系统。在互联网、物联网及监控系统、远程控制自动一体化闸门系统的基础上，结合新兴的无人机技术、云计算与云服务技术，基于田间实测的雨水、墒情、肥情资料，兼顾用水户用水需求，经过大数据智能分析，应用专业数学模型，进行灌溉智能预报。进一步根据水源、渠系配水能力等，确定配水和调度方案，实现“智能化分析、自动化控制、远程化调度”的智慧灌溉。