沭新渠灌区信息化工程设计研究

刘广东，魏加森，张 娟，孔庆阳

(1.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222006；2.连云港市金河水利工程建设监理有限公司，江苏 连云港 222000；3.连云港市东海县水务局，江苏 连云港 222300)

1 灌区概况

沭新渠灌区位于连云港市东海县东南部，总土地面积70.7万亩，总耕地面积47.8万亩，实际灌溉面积46.35万亩[1]。灌区从1959年开始修建灌排工程，至1989年大型灌区基本建成。灌区现有干渠渠首26座；干渠26条，总长120km；支渠124条，总长290km；排水大沟33条，长88.5km；中沟124条，长290km；涵洞137座，各类闸672座，渡槽98座。截至2017年年底，灌区实施了6期续建配套与节水改造工程，累计投资17672万元，实施了渠道护砌59.8km，沟渠疏浚129.65km，改建泵站68座、渠首128座、涵闸39座等内容。

2 沭新渠灌区信息化建设总体规划

2.1 灌区信息化建设的指导思想

“十三五”是高水平全面建成小康社会，努力建设“经济强、百姓富、环境美、社会文明程度高的新江苏”的重要时期，也是全面深化水利改革、着力强化生态文明发展、持续推进水利现代化建设的关键时期[2]。根据《江苏省水利信息化发展“十三五”规划》工作部署，到2020年，我省基本实现“标准统一，互联互通，广泛共享，深度融合”为特征的“智慧水利”综合体系[3]，促进江苏省在全国范围内率先基本实现水利现代化，提高江苏省在全国水利信息化的领先程度。

2.2 灌区信息化建设的目标

根据《江苏省大型灌区续改建实施方案信息化部分相关技术要求》，沭新渠灌区主要对可视化集中展示子系统、灌区一张图子系统进行了建设，如图1所示。沭新渠灌区信息化系统以能够实现渠首闸门调度自动化控制[4]、渠首视频监控、渠首和泵站水位流量数据实时测算，满足“无人值班、少人值守”的要求，达到远程监控、数据共享和图像远传浏览的目标，实现天-地-水一体化的信息自动采集和自主感知[5]。建设完成的沭新渠灌区自动化与GIS系统[6]，可提高灌区现代化水平，改善沭新渠灌区的水利条件，保证灌区灌溉工程安全正常运行，提高水源保证率，节约用水，增强农业抗御水旱灾害的能力，促进农业的可持续发展，同时提高灌区水利工程的管理水平，实现灌区管理的现代化[7]。

3 沭新渠灌区信息化建设主要内容

3.1 灌区信息化基础工程建设

3.1.1信息采集点建设

信息采集点建设主要是通过涵、闸、站、渠道等建筑物进行信息化改造，以监测其运行情况，同时设立土壤气象站来采集水雨情和土壤气象等信息[8]，主要包括以下几个方面。

图1 沭新渠灌区信息化系统结构图

(1)渠首有线监测及控制系统：通过对闸门启闭频率较高及同时具备通电通网条件的渠首进行改造，包括通信网络接入、电力线路架设、监测及控制设备的配套，实现上下游水位监测、闸门运行监测、视屏监控、闸门远程控制等功能。

(2)渠首无线监测系统：对于通电通网难度较大的渠首，增设水位流量等监测设备，通过无线网络传输数据，实现上下游水位监测、闸门运行监测等功能。

(3)泵站无线监测系统：泵站无线监测子系统集监测、信息统计和管理于一体，采用分层分布式结构，通过泵站出水量自动监测与计量功能，实现泵站监测点无人值班、少人值守的功能。系统通过水文水资源智能遥测终端、电源供电系统、插入式超声波流量计、灌区监测系统软件，实现泵站远程监测功能。

(4)土壤气象无线监测系统：根据沭新渠灌区的地理位置分布，在灌区东北部、西南部建设南、北共计2套多功能小型数字土壤气象站，实现对灌区作物生长环境相关参数的监测，包括墒情、雨情、水情等。

3.1.2通信和计算机网络系统建设

沭新渠灌区通信和计算机网络系统建设主要分为五个部分[9]，主要包括：①渠首有线监测控制点至控制管理中心的有线网络线路；②渠首、泵站、土壤气象无线监测点至控制管理中心的4G无线网络；③控制管理中心至东海县水务局的有线网络线路；④控制管理中心至东海县防汛抗旱指挥部办公室(即连接省水利专网)的有线网络线路；⑤控制管理中心的办公网络宽带。

3.1.3数据库建设

沭新渠灌区数据库包括空间数据库、业务数据库、监控数据库三大类[10]。空间数据库主要包括矢量电子地图数据库和灌区遥感影像数据库；业务数据库主要包括工程数据库和综合信息数据库；监控数据库主要包括工情数据库、水情数据库、气象数据库、墒情数据库。

3.1.4管理控制中心建设

沭新渠灌区管理控制中心是集综合布线系统、视频采集和显示系统及其他相关信息系统或电子设备于一体的先进、可靠、安全的智能化灌区控制中心。综合布线系统是沭新渠灌区控制中心内的信息传输系统。它使语音、数据和图像与通信设备、交换机设备、信息管理系统及设备控制系统彼此相连，也使这些设备与外部通信网络相连接。控制室的大屏显示系统为调度决策提供了丰富的现场视频及信息显示，它是整个灌区调水指挥的视觉中心，作用非常突出。

3.2 灌区信息化应用系统建设

3.2.1灌区GIS子系统建设

江苏省水利地理信息服务平台构建了省级水利GIS云环境，依托省平台基础设施构建的水利地理信息服务子系统，可实现与省平台的“数据分级，互连互通”[11]。

图2 沭新渠灌区GIS子系统功能组成图

沭新渠灌区GIS子系统功能如图2所示，主要归纳为沭新渠灌区数据库、Web GIS平台、灌区GIS应用模块和空间数据管理模块[12]。灌区GIS应用模块面向不同的灌区业务提供丰富多样的应用功能，主要包括GIS基本应用、灌区/工程电子地图展现、水位/流量监测、闸门开度监测、闸门自动化控制、水情监测、气象/墒情监测、地图数据维护管理、视频监控等功能。空间数据管理模块将实现对灌区空间数据库的地理信息数据的整合、入库、性能优化、安全管理等，补充灌区内的水利工程对象，并将成果上报省水利厅农水处，统一加入省水利地理信息服务平台的农村水利部分。该模块是整个GIS系统的数据管理员，并建立地图标绘、图层配置管理、遥感影像等多种形式数据采集、更新和维护机制。

3.2.2视频监控子系统建设

在视频监控系统中实现一个集成的界面上提供前端设备控制、视频监看窗口管理、OSD显示、双向语音对讲、手动抓帧和录像、即时回放、标签、日志管理等功能，并能在监看窗口内展现实时音视频智能分析的过程和结果。

3.2.3通信网关子系统建设

沭新渠灌区通信网关结构上采用分布式架构，应用软件系统为面对操作用户的界面程序，可通过客户端连接到通信网关基础平台，进行远程监测和遥控。

灌区通信网关利用灌区有线专网和4G无线公网数据通信网络，提供了一个连接监控对象和用户操作界面程序的基础平台，对用户操作界面软件采用标准TCP/IP协议提供服务，对监控设备支持多种通道和协议，通道包括RS485、TCP/IP、CAN等，协议包括水资源监控管理系统数据传输规约、Modbus等，并支持多种数据库连接。

3.2.4数据交换子系统建设

图3 沭新渠灌区数据交换架构图

根据沭新渠灌区业务管理的需要，与省云平台定时交互信息，主要是基础数据信息和监测监控数据，其中基础数据信息主要包括各类测站点的基础信息和各类站点的自动采集数据、人工观测数据和自动控制数据等内容。

沭新渠数据交换应用系统主动向省云平台发送共享数据，省云平台提供数据接收服务，被动接收上报的数据信息，并根据约定的规则对数据进行识别处理，接收成功后接收信息和接收状态返回给发送方，如图3所示。

4 效益

沭新渠灌区自动化与GIS系统及控制中心建设项目实施后，将产生积极的效果，主要体现在以下几个方面。

4.1 保障工程安全进行

通过信息监测点建设，可以实时掌握灌区各控制断面的水位变化状况以及各测站的降雨过程，为调度人员的安全调度提供了依据，及时制定科学合理的防汛调度方案，为灌区防洪减灾起到重要作用[13]。

通过自动化控制的应用，能及时掌握闸门启闭机的故障状况，可以避免或减少因工程设备隐患而导致渠道停水抢修现象的发生。通过视频监控的应用，实时掌握灌区重要水利工程的运行状况，提高灌区工程正常运行的保证率，减少灌区工程停水抢修的几率。

4.2 合理配置水资源，节约灌溉用水

通过信息化工程的实施，动态掌握水情，使水量分配和调度更加精准细化，提高配水用水效率，杜绝管理漏洞造成的弃水，最大程度减少配水环节的用水损失，大幅度提高用水效率[14]。增加水费透明度，有效降低亩次灌溉用水量。另外信息化建设使灌区管理流程更加科学，减少人为因素的干预。计量和核算的精准化，对提高水费征收率和培养农民自觉节水意识起到重要作用，给用水户协会推广提供了基础。

4.3 提高管理水平

沭新渠灌区信息化建设将有效改善管理基础设施，信息化系统不仅可以消除人工操作产生的误差，还可以大大减轻灌区管理人员的工作强度。通过计量设施的安装，为水费计收提供了科学的依据，增加了水费计收的透明度，收费更加公开透明，计量更加准确，减少了大量的水事纠纷。同时，通过合理计收水费，可以逐步做到“以水养水，自力更生”，为灌区可持续发展积累资金、增强后劲。灌区信息化为实现人工管理向智能管理提供了平台，为提高管理效率提供了保障。

5 结语

沭新渠灌区通过信息化系统建设，实现工程运行状态实时监控，实时掌握灌区重要水利工程的运行状况，同时动态掌握水情，提高了水量分配和调度精度，合理配置水资源，有效缓解农业灌溉期用水不足的矛盾，对江苏省其他大中型灌区信息化建设有较好的借鉴意义。由于我国灌区信息化建设起步较晚，受经济和技术条件的限制，与发达地区相比仍有差距，因此沭新渠灌区要实现全面信息化仍要分阶段实施，以实现现代化灌区信息化、智能化、数字化的最终目标。