区块链在智慧水利建设中的应用研究

（河海大学，江苏南京 210098）

我国面临的人均水资源不足、时空分布不均、水环境污染等问题日益复杂，以现代科学技术为基础的智慧水利建设十分必要。2018年，水利部印发《加快推进新时代水利现代化的指导意见》（水规计〔2018〕39号），提出应全面推进智慧水利建设，建设全要素动态感知水利监测体系、高速泛在的水利信息网络，提升水利信息化。区块链技术具有去中心化、公开透明、难以篡改和安全可靠等特点，利用区块链技术可以解决智慧水利建设中的问题，提升水利的信息化、数字化水平，推动智慧水利的进一步发展。

1 区块链技术简述

1.1 区块链的概念

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，一般可以将技术基础架构模型分为基本模块、核心模块、交互模块。基本模块包括两层，即数据层和块层，数据层包括事务数据与数据基础设施服务，块层包括链结构；核心模块包括共识层和契约层；交互模块包括应用层，对应比特币发展的三个阶段。

区块链技术具有匿名性、去中心化、无法篡改、无须信任的共识机制等特征，去除了各类系统应用中的诸多约束条件，为较多想法的实现提供了技术可能性[1]。

区块链技术不是单一的信息技术，类似于大数据、人工智能、物联网等新一代信息技术，基于现有的技术，重新组合和开发新的应用功能。

1.2 区块链的优点

（1）去中心化：区块链去中心化的特点使所有网络节点均可以参与区块链网络数据的记录维护，无须第三方介入便可实现人对人、点对点的交易和互动。区块链去中心化的交互方式避免了单点故障，提升管理公平性，公开透明的账本，保证数据可靠及可追溯性，多种匿名机制利于居民隐私的保护，因此，区块链有利于数据保护问题的解决[2]。

（2）开放性：区块链系统是公开透明的，在公有链上节点可以对区块链内的数据进行访问，用户可以通过区块链接口查询数据记录或开发相关应用。

（3）信息不可篡改：当信息加入至区块链节点时，会永久储存至数据库中，由于区块链具有集体维护功能，任何一个节点的数据修改不会影响其他节点的数据内容，因此，区块链的数据稳定性、可靠性较高。

（4）自治性：区块链在应用层利用契约和协议，依靠特定的数学算法构建的机器信任，为系统构建特定规则，所有节点必须遵守系统规则，人们无法对节点间的数据交换行为进行干预。

2 区块链在智慧水利中的应用场景与优势分析

智慧水利的主要内涵包括新信息通信技术的应用、多部门多源信息的监测与融合、系统集成及应用[3]，区块链作为一种新兴的、与信息相关的技术，与智慧水利的内涵有较高的耦合性，其技术特性可以满足智慧水利建设的需求，在某些应用场景中较传统解决方案优势更明显。

从区块链的技术特点与智慧水利建设的实际需求出发，可以总结出水利工程建设、水体数据存储、水权交易平台与智慧水利综合管理系统四个较为合适的应用场景。

2.1 水利工程建设

在水利工程的施工建设中，需要对施工人员、功能设备、施工资源与质量四个方面进行管理[4]，涉及的数据包括施工人员、设备、施工材料、工程完成情况等具体信息，也包括人力资源、设备管理、采购、仓储、调度等多部门，数据繁杂且管理决策主体较多。应在区块链实现对数据的精细化管理与对多决策主体的支持，且一些数据有存证与公示的需求，如施工人员的考勤、设备的维修状态、工程质量评价等，需要借助区块链技术实现。

大型水利工程有许多标准细则、工程合同、建设方案等文件需要长期保存，这些文件与数据是后期对水利工程进行监督与维护的重要依据，需要对其安全性多加关注。但目前部分文件仍以纸质凭证为唯一依据，已经无法满足智慧水利建设的需要。

区块链以其公开透明、不可篡改的技术特性，可以满足水利工程建设管理与存档的需要。建立区块链水利工程建设管理系统，可对在建的水利工程项目进行精细化管理，精密记录工程中的数据变化。工程数据上链后可以形成无法篡改的电子化档案，电子档案在确保安全的同时可方便获取，是水利工程监督与后续维护的重要依据，也是智慧水利决策支持系统的重要数据来源。

2.2 水体数据存储

智慧水利需要通过汇聚综合数据与支撑平台进行多源、多种类数据信息的汇集、整合[3]，区块链可为水体数据的存储整合提供技术支撑。在目前水质、水文数据的收集阶段，仍有许多数据需要人工进行记录，数据易错且可以被篡改。在数据的存储阶段，传统的信息系统无法保证数据的安全，且中心式的系统运维成本较高。

在数据的使用阶段，不同地区、不同部门之间的信息流动不畅通，形成信息孤岛，不利于数据的有效使用。结合使用区块链技术与物联网技术可以实现水体数据监测、记录、存储、调用的闭环。使用区块链信息系统直接调用物联网监测系统的相关接口，通过物联网技术感知的水体数据直接上链，调用时查看链上数据。

上链后，可提升水体数据的可用性与易用性，项目系统实现了来水环境可信检测[5]的同时，促进了数据的共享。

（1）水质数据。传统信息系统中存储的水质指标可以被修改造假，区块链中的水质数据可以直接作为水质存证，用来考核环保部门、河长，可对污染进行溯源与追责，增强了数据的可用性。

（2）水文数据。上链能促进水文数据在各部门间的流动与共享，在水利工程建设、流域综合治理等工作中，相关部门均可详细查看水文数据，增强了数据的易用性。

2.3 水权交易平台

水权交易作为优化调节水资源配置的重要方法，其效用被人们进一步认识，相关的试点与实践有序进行，但基于传统技术的交易平台，难以有效满足水权交易的需求[6]。

区块链技术最先被应用于金融行业，关于交易与记账的应用较为成熟，在实践中证明了区块链应用于交易系统中可信度高、精密记账的优势，因此，基于区块链构建水权交易平台十分必要。

基于区块链的水权平台可充分利用区块链的技术特性，构建透明化的水权交易规则体系[7]，优化交易流程，满足水权交易的需求。

利用智能合约的可更新性，方便修改具体交易规则，解决季节性可变水权的交易困境，满足水权交易改革试点期间对交易规则频繁修改的需要。利用智能合约满足条件自动执行的特性可减少人工审核，优化交易流程。利用区块链分布存储的技术特点，可以保证水权数据与交易数据的安全可靠，提升数据安全性，可通过降低系统运维成本减少交易费用，提升水权交易市场的活跃性。

2.4 智慧水利综合管理系统

智慧水利是一项复杂的系统工程，对信息流动性与各业务模块间的耦合性要求较高。智慧水利综合管理系统包括水环境、水权、水利工程、水务等方面的管理模块，融合了云计算、数据挖掘等技术，为系统提供智慧决策支持。以水利工程管理系统、水体数据管理系统、水权交易系统为例，三者均属于智慧水利综合管理系统的子系统或子模块之一，但在系统决策主体、数据类型、依赖技术上均存在差异。因此，智慧水利下各功能模块的数据流动、决策主体的权限管理与数据挖掘的全面性，成为智慧水利建设效果的重要影响因素。

使用区块链中联盟链的相关技术，构建基于多链的智慧水利综合管理系统，可使系统更加有效地运行。系统中不同功能模块的数据存储在不同的链上，数据安全且有序。各决策主体通过CA授权访问不同的区块链，在实现权限管理的同时，不影响信息流动的效率。智慧决策支持系统直接调用区块链接口，并对不同链上的数据进行访问，可以获取涉及多部门的、更加全面的数据，增强决策的科学性。此外，区块链去中心化的特性，可减轻中心节点的处理压力，减少智慧水利系统的建设与运行成本，对智慧水利的建设推广起到积极作用。

3 结语

随着我国城市化进程的加快，工业化程度的不断提高，发展智慧水利尤为重要。本文介绍了区块链技术，总结了区块链技术的技术优点，探究了区块链技术在水利工程建设、水体数据、存储水权交易平台建设与智慧水利综合管理系统四个方面的应用。在智慧水利的视角下，区块链相较于传统技术在促进水利信息流动、简化业务流程与水利信息可信存证方面有显著优势，其应用落地是实现智慧水利精细化管理的重要途径。目前，我国水资源形势复杂，智慧水利行业的发展处于初级阶段，区块链技术的应用研究还不成熟，具体的应用场景及具体情况仍需要进一步深度研究。