引青灌区数字化建设发展方向研究

2023-05-08赵来生赵长明

新农民 2023年11期

赵来生　赵长明

摘要：全面推进数字灌区建设是实现灌区智慧水利的重要内容，本文从引青灌区实际出发，立足于灌区现状，对灌区数字化发展进行了需求分析，并找到了灌区数字化发展的目标及方向，对于大中型灌区数字化灌区建设起到了一定的指导作用。

关键词：灌区；数字化；发展；目标；方向

卢龙县引青灌区位于河北省卢龙县青龙河东岸，以青龙河水作为主要水源。灌区总面积4.25万hm2，设计灌溉面积2.4万hm2，灌溉保证率50%。1999年，引青灌区顺利纳入全国大型灌区续建配套与节水改造项目，自1999年开始改造，经过十余年改造工程，引青灌区的骨干渠系得到进一步完善，主干渠输水能力增强，各个分干得到疏浚和延长，新增、改造了若干渠系建筑物，使得灌区灌溉面积不断增加，水量分配、管理调度能力进一步加强。2021 年6 月28 日，李国英部长在水利部召开“三对标、一规划”专项行动总结大会中提出，推进智慧水利建设，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，构建数字孪生流域，开展智慧化模拟，支撑精准化决策，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系，推动新阶段水利高质量发展。因此，全面推进数字灌区建设在国家政策上是势在必行的。

1 引青灌区数字化现状

引青灌区现有信息中心1处（引青灌区管理处）、信息分中心7处（包括：秀各庄渠首管理站、大岭管理站、棋盘山管理站、武家沟管理站、十八里管理站、杨山沟管理站、黄家村管理站），信息中心软硬件设备运行正常；已建29处水情监测点，其中部分设备由于建设时间较久，设备损坏或老化，无法正常运行；已建9处雨量监测点、9处视频监视系统，设备运行正常；已建灌区业务应用系统2套，分别为灌区信息采集处理系统、灌区量测水管理系统，目前软件系统运行正常。

目前灌区网络系统主要是通过租用运营商网络和局部自建光纤，形成了信息传输、处理的重要通道。信息中心与下属管理站所通过VPN组建局域网，管理站所附近的视频通过自建光纤与管理站所进行信息传输。水雨情监测站通过租用GPRS / 4G网络与信息中心进行数据传输。

灌区经过前期数字化的建设，软件具备信息采集监测、水量统计、实时水位、流量的查阅功能，提高了管理人员的水量计算效率，减轻了劳动强度。通过建设水情监测系统，实现了渠首及部分分干渠、管理段交接水断面的水量精确计量。通过建设雨情监测系统，实时监测灌区各片区降雨情况，为灌区灌溉管理提供了辅助决策。通过建设视频监控系统，可查看渠道水位、重要建筑物及管理站周边环境，为工程运行及管理站工作人员安全提供了保障。

灌区数字化系统建成以来，在用水管理、工程管理、防汛抗旱、水资源优化调配等方面发挥了重要的作用，取得了一定的社会效益和经济效益，但是随着现代化科技的不断发展，目前灌区数字化建设还存在以下问题：

（1）现有的信息采集体系还不完善，采集种类不全、覆盖范围有限，信息的数字化和规范化程度不高，能够提供网络共享的信息较少；

（2）灌区未进行过闸门自动化控制的建设，调配水效率低下。水利工程自动监视系统的建设还处于起步阶段，缺乏应急抢险能力；

（3）灌区业务应用系统及信息服务体系建设不够完善，现有系统平台功能有限，只具备简单的信息采集监测、水量统计、实时水位、流量的查阅功能，不能为灌区优化调度提供辅助决策。

（4）支撑水利各类业务应用系统的数据中心建设力度不够，系统及信息安全体系建设薄弱。水利通信网络不够完善，在覆盖范围和容量上无法满足数字化发展需求。

2 引青数字化需求分析

引青灌区经过多年的发展建设，虽然已建设数字化，但社会经济发展迅猛，以及新时期新形势对灌区发展提出的要求越来越高，灌区历史遗留问题和与新时期发展不相适应问题也越来越突出，逐渐成为后续灌区发展建设，落实“水利工程补短板，水利行业强监管”的重大制约因素。主要包括以下几个方面的主要问题：

2.1 立体感知体系需求分析

灌区现有的信息采集体系还不完善，采集种类不全、覆盖范围有限，信息的数字化和规范化程度不高，能够提供网络共享的信息较少。

引青灌区前期只在渠首及部分干支渠、管理段交接水断面建设了自动化计量设施，共29处。目前引青灌区主要的干支渠计量点共计62处，由于自动化量测设备覆盖不全面，目前大部分渠道仍然采用人工测量，测水员现场读取水位及流速数据，依据面积法换算出流量值，耗时、耗力，且观测的数据精确度及时效性较差，导致实际灌区用水量测量不精准。为提高灌区量测水精确度及时效性，需要在灌区主要的干支渠配水口补充33处水情自动监测系统。

目前灌区的信息采集的种类主要局限在水位、流量、雨量等要素监测。缺乏对引水水质情况的监测。为了提升对突发水质污染事故的预警与处置能力，需要在渠首引水口建设1处水质自动监测系统。

2.2 自动控制体系需求分析

灌区未进行过闸门自动化控制的建设，调配水效率低下。水利工程自动监视系统的建设还处于起步阶段，缺乏应急抢险能力。

引青灌区现有主干渠1条，分干渠12条。目前干渠/分干渠上多數闸门为手动启闭，部分闸门采用电动启闭。灌区还未进行过闸门自动化控制的建设，闸门启闭还需要工作人员前往闸门操作间进行操作。灌溉季节配水以及暴雨季节需要频繁启动闸门，工作人员奔赴现场启动闸门时需要一定时间，时效性较差，导致灌区日常调配水效率低下。同时工作人员在恶劣的环境下奔赴现场也存在人身安全隐患。对灌区内关键引（配）水闸实现现地和远程自动化控制，共计17处（23孔），并实现对闸的工作状况和引（配）水情况的远程视频监视等功能，建设13处视频监控，以提高灌区配水调度管理手段和水平。

灌区下属有8个管理站，主要负责灌区内干支渠口以上骨干水利工程的检查、观测、维护及安全运行；负责灌区灌溉用水调配等工作。目前各管理站所围内的安防设施不够完善，部分管理站尚未建设安防设施。存在水安全、工程安全和管理站所的安全隐患。建设配套的视频监视系统8处，提高工程管理及站所安全防范水平。

2.3 智能应用体系需求分析

灌区业务应用系统建设不够完善，现有系统平台功能还有限，只具备简单的信息采集监测、水量统计、实时水位、流量的查阅功能，不能为灌区优化调度提供辅助决策。

目前灌区供水季节主要是“凭经验”进行用水计划及调度，灌溉用水效率低，不能保证用水及时性；水费收缴仍然采用人工管理手动计算的模式，存在着工作开展慢、计收不透明、数据查询检索困难、统计误差大等问题。缺少全灌区水利工程分布电子地图，对水利工程尚无法做到工程位置和确权划界上电子图，属性数据入基础数据库的台账式数字化管理；为进一步提高灌区的工作效率，提升灌溉管理水平，优化水资源配置。需建设相应的配水调度管理系统、水费计收管理系统、灌区管理一张图系统、灌区工程管理系统、闸站监控系统、视频监视系统，并对灌区原有数字化系统平台进行升级。

2.4 信息服务体系需求分析

由于基层水管单位电脑普及率不高，且人员操作能力有限，在灌溉季节，基层水管工作人员基本不在电脑旁，量测水记录、用水需求信息、引配水信息、水费情况以及工程运行情况等信息不能及时、准确地反馈给主管领导与农户，同时，渠道所处地形复杂、水利建筑物分布比较分散等原因，实现有线的监控管理难度很大。为便于管理人员宏观管理并监督水费收缴，同时方便基层水管工作的顺利开展，更好地为广大农户服务，借助移动智能终端应用APP。

由于灌区水费收缴仍然采用人工管理手动计算的模式，存在着计收不透明、数据查询检索困难等问题。为了便于用水户、管理人员了解灌区水情、水费计收等情况，需要借助灌区的官方微信公众服务平台，实现水情、水费、灌溉等情况的信息推送，便于用水户查询应交水费与交费情况，扩展了水量、水价、水费“三公开”，提高水费收取的透明度。

2.5 支撑保障体系需求分析

支撑水利各类业务应用系统的数据中心建设力度不够，系统及信息安全体系建设薄弱；水利通信网络不够完善，在覆盖范围和容量上无法满足数字化发展需求。

目前灌区通信机房配置了2台服务器（IBM System x3650，2016年项目安装）、1台UPS电源6K、1台中心VPN、1台8口LCD KVM切换器；信息中心数据存储设备容量有限，且缺少相应的网络安全建设，存在网络风险。为满足灌区业务扩展及现代化发展需求，需对现地数据中心进行扩容，并进行网络安全等保建设，为各应用系统的正常运行提供安全保障。

目前灌区网络系统主要是通过租用运营商网络和局部自建光纤，形成了信息传输、处理的重要通道。信息中心与下属管理站所通过VPN组建局域网，管理站所附近的视频通过自建光纤与管理站所进行信息传输。水雨情监测站通过租用GPRS / 4G网络与信息中心进行数据传输。一定程度上满足了灌区前期管理的需要。但信息中心及下属各管理站所网络基础建设时间较长，现有网络带宽已无法满足新业务的信息传输需求，需要对信息中心及各管理站通信网络进行升级扩容。闸门控制信号要求实时性、稳定性强，视频信号数据量大，传输距离远，且控制系统传输网络需要与外部网络进行隔离，确保网络环境安全，因此要实现新建闸门控制、视频监控等系统的信息传输。需要自建光纤39km，实现各系统的远程监测监控。

3 引青灌区发展目标及方向

引青灌区数字化建设按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以灌区业务应用为导向，以数字化、网络化、智能化为主线，在灌区已建数字化平台的基础上重点开展灌区业务管理软件系统的升级扩展，补充水情监测站点实现灌区骨干渠道水量计量信息自动监测率100%全覆盖；补充闸门自动控制站点和视频监控站点，完善通信网络，建立网络安全可靠的保障体系，初步建成骨干渠系水闸自动化控制及配套视频监控系统，骨干渠道闸站远程监控率达到32.08%；强化灌区一张图在灌区业务管理方面的应用，使灌区业务系统用率达到75%，为构建具有预报、预警、预演、预案功能的数字化引青灌区进一步夯实基础。

3.1 提升灌区业务管理数字化、标准化规范化的水平

按照“统一整合，优化资源”的原则，在已建数字化软件平台的基础上，充分结合灌区日常业务的管理需求，升级灌区量测水管理系统，扩展灌区管理一张图、配水调度管理、水费计收管理、工程管理等系统，为灌区日常业务处理提供一个高效便捷的管理手段，提升灌区业务管理数字化、标准化、规范化的水平。

3.2 提升工程运行安全监控能力和风险防范能力

按照“统一规划，分步实施”的原则，在已建闸门控制和视频监控的基础上补充渠首进水闸、干渠节制闸、退水闸、支渠进水闸等闸门自动控制及配套视频监控，并对已建视频进行集中接入，实现工程安全运行智能分析功能，提升工程安全监控和风险防范能力。

3.3 提升灌区监测能力和供水调度能力

按照“统一规划，分步实施”的原则，在已建水情监测系统的基础上，健全水情监测信息，配合闸门自动控制系统、量测水系统以及配水调度系統，提升灌区监测能力和供水调度能力，为构建具有预报、预警、预演、预案功能的数字化引青灌区进一步夯实基础。

3.4 完善灌区水利信息网络的传输能力

在灌区现有网络系统的基础上，结合本期监测监控系统的应用范围、信息传输的重要性和安全性扩展通信网络建设，提升灌区传输网络全面的覆盖能力，完善灌区一张网。

3.5 提升灌区一张图应用能力

通过基础数据、监控数据、业务数据、空间数据、纸质档案的整编入库，搭建引青灌区一张图系统，实现灌区各类专题图层数据，深化一张图在灌区的业务管理的应用。

3.6 提高灌区网络安全能力

根据《GBT22239-2019信息安全技术网络安全等级保护基本要求》，结合等级保护相关标准以及国内外最新的安全防护体系模型，通过技术措施和管理措施进行安全建设，形成网络安全综合技术防护体系，实现全方位主动防御、动态防御、整体防控和精准防护，从而提高灌区网络安全能力。