疏勒河流域现代灌区智慧应用技术体系研究

季宗虎，孙栋元，惠 磊，崔艳强，马亚丽，赵文琦，周 敏，张发荣

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省疏勒河流域水资源利用中心，甘肃 玉门 735211)

“十四五”时期的水利工作提出目标要求，建设数字孪生流域，基于现代信息技术构建灌区管理体系，也为智慧灌区建设明确了方向和任务。为国家在灌区关键核心技术上的自主突破上带来新的发展和机遇，目前我国灌区的智慧体系应用主要依靠人工来完成，远未达到自动化的目标，因此，国家投入了大量人力和财力进行技术探索。现代化灌区智慧应用主要建立以全灌区测控调度系统、物联网和3S为核心的全过程智能调度检测体系，以3S技术为依托实现空间信息进行采集、分析、传输和应用系统化。通过自动化、物联网感知、无线通信、大数据管理、中间件组件等技术，实现灌区用水自动化和水资源优化调度，对灌区实时运行、视频监控数据、日常管理等相关数据进行集中管理、统计分析、数据挖掘，为不同层面的供、用、排水运行管理者提供即时、丰富的运行信息，达到信息采集、传输、存储、管理和服务的网络化、数字化和智能化[1- 2]。疏勒河智慧灌区的建设主要依靠自动模拟调度系统、控制中心及信息平台、闸门自动控制系统、灌区水量信息收集系统来建成灌区信息系统。

1 现代化灌区智慧应用技术体系结构

疏勒河流域现代化灌区智慧应用技术体系由灌溉信息技术系统、测控调度技术体系、现代化控制体系、智慧水管理体系构成，以智能传感器和3S技术为前端进行信息和数据采集，以物联网、互联网等网络传输为依据，通过云服务中心进行信息和数据的处理，分析各地段的情况进行合理的调度，及时启闭闸门对下泻流量实时监测并传输到信息中心，使整个灌区实现真正的全自动化、全信息化，如图1所示。

图1 疏勒河灌区智慧应用技术构架

测控调度系统主要利用前端采集监测系统，对闸门统一进行调度，实现联合自动化控制，并依靠斗口水量测体系对灌溉调度作出合理的计算与分析。现代化控制体系是结合地下水三维仿真体系和信息网络发布系统实时监测水库的用水信息，统计往年的用水量实现对3大水库的联合调度，使水库的调水方法得到优化。灌区智慧水管理体系主要依靠3S信息技术获取灌区内各种数据(地形、用水量、作物生长情况、渠道)并实现对海量数据的集中管理与处理，进而通过互联网感知全灌区采集水位、水情、墒情。从而传输至信息中心生成合理的调度方案。

2 疏勒河现代化灌区信息技术系统

图2[1]显示了灌区信息技术系统由智能化灌溉信息系统和灌区信息系统2部分组成。灌区信息技术系统主要通过信息采集系统、信息综合管理系统和信息安全系统共同建设，整个系统的架构由感知层、传输层、应用层3部分组成。感应层主要基于管理自助体系、闸门自动控制和水库联合调度的信息集成系统对灌区的水位、降水、流量、土壤湿度、温度、湿度进行监测。网络层的任务是将从传感器层面获取的数据进行传送[1]。现有的通信手段有有线、无线、超短波等。应用层是整个系统的关键部分，负责数据分析、计算、数据挖掘、智能预警、制定合理的供水调度方案。

智慧灌区主要依托水利云平台实现数据存储、处理和信息的监控。将管理处、泵站各类自动化监控数据、灌区各类监测数据通过云平台处理集中存储于管理单位系统，改变传统的数据分散存储的模式，实现各类数据的集中存储、集中处理及数据信息共享目标[3]。

图2 智能化灌溉信息系统结构

智能灌溉系统是将现代人工智能、物联网、无线通信、测控技术结合起来，可远程控制和实时监测水量雨水，远程启闭和监测闸门，为灌溉管理人员提供智能服务，保障灌区工程安全运行，优化水资源配置[1]。

3 疏勒河现代化灌区测控调度技术体系的研究

3.1 测控调度系统

灌区的测量、控制和配置的目标是实现“少人服务或无人服务”。大型测控系统和就地测控系统的流程图可分为4层：中心测控层、本地测控层、现场控制层和设备驱动与检测层[4]。

疏勒河灌区的实时监控调度管理系统，可按照用水方案进行在线的即时调度与管理。该管理系统主要由农村灌区的基本信息管理模块、GIS模型、信息采集与监控子系统、灌区水利施工安全与监控子系统、闸门管理子系统、调度计费子系统，以及防洪抗旱预警模型等构成。控制系统将利用前端采集的监测系统，收集灌区降雨信号、水工建筑信号以及用水人用水量信号等，并按照灌区水资源分配预案，进行水资源的动态调整与有效计费管理。在雨季或旱灾来临时，控制系统将针对水旱情适时作出动态调度，以保障灌区内各种用水者的合理用水，以适应国家抗洪抗旱的要求，并减少险情和事件的出现[4- 5]。“中心测控调度系统”的一级数据流程分析如图3所示。

3.2 闸门测控一体化技术

疏勒河综合水信息管理、地表水资源优化配置系统、闸门控制系统和网络视频监控系统只能点对点工作，无法充分利用。因此，有必要开发一个全面的管控平台，统一当前闸门监测、水情测量和报告等业务，实现联合自动化监控，实现闸门、水情、安全监控等的综合调度、综合分析和综合应用。它不仅可以有效提高灌区的智能化管理水平，还可以降低值班人员和管理办公室人员在灌溉过程中的工作强度[6]。

闸门测控一体化以灌区量水原理、水力学以及自动化理论知识为支撑，并将理论研究与试验研究有机结合，集合水利、自动化、计算机等多学科交叉研究的优势，利用现场控制设备RTU、测流用传感器和通用分组无线服务技术(GPRS)无线通信。测流用传感器负责水位、闸门开度等数据的测量；RTU负责数据的采集、处理和传输，并接收调度中心的指令控制现场设备；GPRS无线通信则实现RTU与调度中心间的数据传输以及RTU接收的远程指令[7]。

闸门监控系统包括年水量、公共闸门配置系统、公共闸门监控系统、公共闸门监控系统、公共闸门监控系统评价等。另外，应该能够实现昌马、双塔和花海3个区域的局部布局，并对其进行了授权控制。分灌区及其责任区的规划方案，须经上级部门批准后方可实施。该系统应具有自动监控系统和手动控制模式，以便在紧急情况下进行手动干预。

图3 中心测控调度系统图

闸门综合测控系统包括安装在调度中心的灌区取水实时监控管理系统和安装在各级渠道的闸门综合测控终端。测控一体化闸门终端分为闸门主体、控制系统和电源系统3大模块[4，7]。结构如图4所示。

3.3 斗口水量测系统

在3个灌区内的各渠首、主干渠分水口均设置了水况监控断面，并通过雷达数据水位计的自动测流，及时将信息传送至局调度中心和管理办公室、水管所，为灌溉调度规划的合理实施与监测提供了正确的依据。同时，还在所属3个灌区建设的末级渠系设置了斗口水量实时监控信息系统平台，并通过磁致伸缩水位计为斗口测量设施采集终端，利用采集终端即时收集的水况信息，再利用GS/GPRS公网作为信息传递载体的方法传送至局信息调度管理中心，灌区斗口水量实时监控管理系统，完成了各斗口水位流量数据的实时在线监控，历史上水情信息、水量数据汇总，进而完成了灌区工程的水况采集和用水测量自动化[8]。与此同时，随着现代水务的进一步推进以及灌区建设项目内用水权管理制度试验建立工作的逐步深入，在3大灌区建设项目的末级渠系上建立了斗口水量监控系统。该系统主要由检测现场、通信网络和检测中心3部分组成，如图5所示，现场检测利用测流堰、水位计采集渠道相应水位，经过数据采集终端处理转化为渠道流量；通信网络利用GPRS/GSM网络将采集到的数据实时传送到监测中心，监测中心服务器布设“灌溉渠道流量监测系统”软件，接收、处理、存储分析相关数据和信息。实现各斗口水位、流量的自动监测和记录，以及计算机遥测计量和分析。

疏勒河斗口水量实时监控使用磁致舒卷水平计进行水量的计算。使用磁致舒卷用水计为灌区斗口供水测量设备收集终端，再运用采集端口收集的水况数据，采取使用GSM/GPRS公网作为信息传送媒介的方法传送至局数据调度管理中心，由数据调度管理中心实现了对数据的采集、管理、整编、归档。在灌区建有斗口供水实时监控信息系统，完成了各斗口用水流量数据的实时在线监控、历史水情数据、供水数据汇总，进而完成了灌区工程的水况实时收集和用水计算自动化[9]。

图4 测控一体化闸门控制系统结构示意图

图5 系统结构组成图

4 疏勒河灌区现代化控制体系研究

4.1 地下水三维仿真体系

地下水三维仿真系统主要是依据当年水量和地下水开采量，形成了灌区内地下水流量的初始场，以确定预报周期，并形成内部流场、地下水位深度等数据文件，通过模型计算后预报当年的水位采样量和观测孔水位。上述统计数值作为预报结果加以综合处理，生成流场图、埋藏水位深度图、水位下降图表、观测气孔水位变化图表等特殊数值。并结合GIS区域分析方法，通过深入研究流域水文条件，预测地下水动态变化规律，分析与评价工程对地下水环境保护的影响，提供流域水资源可持续使用规划管理意见与防治对策，优化灌区建设地表水与地下水资源配置。本系统实现了灌溉数据的采集、管理、处理、分析、显示和应用。

地下水三维仿真软件系统主要由遥感工作站、远程数据通讯网络系统、中央站、中继站等综合应用处理软件构成。

4.2 信息网络发布系统

主要服务于疏勒河灌区的服务数据信息、地下水服务以及灌区灌溉水调度服务，系统通过网页结合WeB GIS网站的形式在全国不同地区互联网上分布，采用B/S结构系统，使用者能够很简单的利用互联网访问信息，把全部的应用逻辑都在客户端上实现，从而减少了客户端的系统要求和系统整体的服务成本[10]。信息发布除通过网络信息化灌区调度中心平台应用设计实时刷新信息外，设计还考虑采用室内外显示屏和多媒体触摸查询一体机3种形式，更好地进行信息发布、数据展示、动态提示、交互查询。信息发布采用客户服务器架构，后台接入灌区信息化系统的应用服务器，实现信息的推送和数据的更新。

利用互联网和云平台技术实时监测灌区渠道水量，并且分析干、支、斗、农渠的日、月、年和分时段水量；实时更新灌区气象、墒情监测；实时查看水闸、泵站、管道及时进行控制达到水量有效利用，管理人员通过手机APP端查看及时做出合理的指令。信息网络发布系统如图6所示。

图6 信息网络发布

4.3 三大水库调度体系

水库调度以蓄水水情、大坝及闸门运行状态信息的自动采集为基础，以公私结合的信息网络平台为支撑，是蓄水工程安全运行的主体，是蓄水信息管理和决策支持的核心，也是蓄水闸门自动监控的核心，在实施3座水库自动模拟调停系统建设中，利用遥测技术、地理信息和数字模拟技术，建立了一个先进、实用、高效、可靠的基于计算机网络的水库自动调停系统，覆盖了疏勒河的整个灌区[6]。

水库调度体系通过对水库来水预测、水库蓄水量以及国民经济各部分所需水量的总体调查研究，并通过模型库进行各种测算。水库来水预报依据1954年以来的水文气象统计资料，运用来预报模式和频率分析法，得到下年度的水库来水预报成果。灌区供水量预报则通过对各主要功能区的种植区域、主要经济作物种类、灌水轮次、主要作物供水量、工业储水能力，以及环境供水量。调用主要农作物的灌溉用水模型、工业蓄水模型，以及生态蓄水模型得到供水量预报成果。水库联合调节方法通过对水库汛期时间、洪峰值水位、灌区供水量、河源涌水量，以及库存储水能力的库存优化调节模拟，得到了水库优化调节方法和水库联合调水方法。水库的实时调节功能模块利用了三库联动调节模式，从时间和空间上对塘堰蓄水量实行了调节、控制和调整[11- 12]，有效合理配置了灌区工业、农业和生态水源资源，为发展疏勒河流域水利事业提供了最大经济效益。

5 疏勒河灌区智慧水管理体系的建设

5.1 3S技术管理系统

3S信息技术是遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位体系(GPS)的统称。它是运用遥感、空中地理计算资料、卫星定位导航、无线电网络等信息技术来获取、分析、传播和使用空间信息的现代信息技术[13]。“3S”集成信息技术在灌区中的运用是充分发挥各自的信息技术优点，迅速、精确、经济地向人们提出有关农业灌区信息内容的科学技术手段。其基本思路是，使用RS提取更新的农业灌区信息内容图片(包含渠道、乡村、公路、铁道、作物生长等)，使用GPS提出图片信息内容中所需的方位信息内容(如灌区建筑的高程和宽度等)，并把使用GPS和RS所获得的丰富地形资料和使用其他方法所获得的各种信息内容提交给GIS，由于运用空间数据库技术，GIS能够完全集成于属性数据的管理中，并允许对各种属性数据的保存、分类与管理工作[14]。空间技术能够更高效地管理和处置各种地理信息和综合分析数据信息，并实现对海量数据的集中管理，有效促进了灌区信息内容的检索、数据分析、决定、输入与传递。

5.2 物联网技术体系

系统的设计以水利信息资源的短缺与共性问题为切入点，以提升水利信息处理能力、提供高层次的专业应用服务为重点，紧紧围绕“系统集成、资源释放”主线，致力于防汛抗旱、水资源调配与管理、水质监测与评价、水土保持监测与管理、水利工程建设与管理，农村水电与电气化管理水利规划与规划、行政资源管理与水利信息平台整合为一个面向政府、企业和个人的多层次、综合性水利信息平台。运用MSTP、3S、云计算、3G、智能传感器等技术，准确把握和科学地管理节水信息资源[15- 16]。

根据物联网系统，智能水利系统分为感知、传输和应用三个层次。感知层实现灌区内所有遥测站点全方位物联，传输层负责将遥测站点采集到的水位、雨量、墒情、图像等信息通过无线网络传输至云计算平台，进行统一管理，为灌区的信息化建设提供数据支撑。部署在云计算平台的管理信息系统，负责对所有遥测站点采集的信息进行分析、处理，生成调度方案，并通过物联网下发指令，实现灌区输配水远程控制，为灌区内水资源合理利用提供科学的依据。其中，安全体系、技术标准和施工运营管理为整个系统提供了可靠的保障环境。系统总体框架如图7所示。

6 结论

疏勒河智慧灌区利用物联网水网感知技术、3S技术、测控技术等，对整个灌区进行实时的图像监控，完成灌区水况采集和用水测量自动化、3大水库调度系统自动调停和全方位监控。。

疏勒河流域现代化灌区须加强智能综合数据库的建设，采用先进信息采集技术与软件系统耦合利用。加强综合性、多领域人才的培养，使灌区管理水平、工作效率、管理水平得到显著提升。结合水利信息化要求，采用传感技术、定位技术、视频技术等，对灌区水系、水利设施、水利管理活动等进行了全方位监控，为灌区智慧化建设提供强有力支持和动力。

图7 基于物联网技术的智慧水利系统总体框架图