齊師杰

(天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300170)

大型灌區(qū)信息化建設(shè)作為新時代水利現(xiàn)代化建設(shè)重要組成部分，不僅是提升灌區(qū)管理水平、服務(wù)水平和高質(zhì)量發(fā)展的重要手段，也是實現(xiàn)“總量控制”和“定額管理”兩套指標(biāo)體系的重要抓手。伴隨大型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造項目以及信息化建設(shè)試點工程的實施，海河流域48處大型灌區(qū)均不同程度地開展了信息化相關(guān)內(nèi)容的建設(shè)，但受到資金、技術(shù)、人才等方面制約，整體建設(shè)水平仍然滯后于國內(nèi)高水平灌區(qū)及行業(yè)發(fā)展的需要。本文選取流域典型灌區(qū)開展信息化建設(shè)規(guī)劃研究，以期為“十四五”期間流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)提供參考借鑒。

1 灌區(qū)信息化概述

1.1 灌區(qū)信息化的定義

大型灌區(qū)信息化是指充分應(yīng)用新一代信息技術(shù)，深入挖掘和廣泛利用大型灌區(qū)信息資源，增強灌區(qū)信息采集和加工的準(zhǔn)確性以及傳輸?shù)臅r效性，全面提升灌區(qū)經(jīng)營管理的效率和效能，同時依托信息系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)資源與分析結(jié)果，幫助管理者實現(xiàn)輔助決策、科學(xué)調(diào)度和精細(xì)管理[1]。

1.2 灌區(qū)信息化的總體框架與內(nèi)容

灌區(qū)信息化系統(tǒng)通常由基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用服務(wù)、應(yīng)用系統(tǒng)和保障措施4部分組成。它們架構(gòu)于數(shù)據(jù)平臺、通信平臺、計算機網(wǎng)絡(luò)平臺和應(yīng)用平臺之上，是一個有機整體。同時，為滿足灌區(qū)信息化系統(tǒng)總體架構(gòu)的需求，大型灌區(qū)信息化主要包括信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用軟件開發(fā)5部分建設(shè)內(nèi)容[2]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 灌區(qū)信息化系統(tǒng)總體框架圖

1.3 大型灌區(qū)信息化建設(shè)的重要性與緊迫性

大型灌區(qū)在整個國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中都具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。其各項活動不僅涉及到“三農(nóng)”問題，還涉及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、社會和諧穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境改善等相關(guān)問題，是我國糧食安全的重要保障、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍、經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護的重要依托。

2 海河流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展瓶頸

2.1 海河流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)現(xiàn)狀

海河流域大型灌區(qū)合計48處，設(shè)計灌溉面積4327.21萬畝。筆者基于現(xiàn)場調(diào)研，搜集整理了流域內(nèi)30個大型灌區(qū)提交的書面調(diào)研報告，針對大型灌區(qū)信息化建設(shè)開展情況進行了初步統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 海河流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)統(tǒng)計表

從表1可知，自1998年啟動大型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造項目以及2003年全國大型灌區(qū)信息化建設(shè)試點工作以來，流域內(nèi)24個灌區(qū)已經(jīng)先后開展了信息化建設(shè)并發(fā)揮了一定成效，約占灌區(qū)總數(shù)80%；仍有河北省漳滏河灌區(qū)，河南省群庫、南小堤灌區(qū)，山東省陶城鋪灌區(qū)，以及山西省桑干河、冊田灌區(qū)，近年來無信息化建設(shè)投入和建設(shè)；部分灌區(qū)雖然將信息化建設(shè)列入方案但尚未進行相關(guān)建設(shè)。

2.2 海河流域大型灌區(qū)信息化發(fā)展瓶頸

2.2.1建設(shè)管理層面發(fā)展瓶頸

(1)缺乏前期統(tǒng)籌規(guī)劃，周期建設(shè)脫節(jié)

海河流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)尚處于試點和完善階段，前期建設(shè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和總體設(shè)計，導(dǎo)致灌區(qū)普遍存在需求不明確、功能不實用、周期建設(shè)脫節(jié)、后期維護難等問題，難以滿足灌區(qū)信息化、智慧化和現(xiàn)代化發(fā)展步伐[3]。以灤下灌區(qū)為例，灌區(qū)管理處監(jiān)控中心在多年的運行過程中，由于當(dāng)時需求的局限性，軟件監(jiān)控內(nèi)容和實現(xiàn)的功能逐年變化，頻繁修改已致使軟件結(jié)構(gòu)不合理，使用不方便。

(2)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不適用，系統(tǒng)間難于互通

灌區(qū)信息化建設(shè)起步較晚且起點較低，信息化方面標(biāo)準(zhǔn)體系尚待建立健全，主要存在以下問題：①現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范難以直接應(yīng)用到灌區(qū)信息化建設(shè)實踐中，適合灌區(qū)信息化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范較少，基本沿用水文、通訊、水工的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商設(shè)備的互連存在很大難度，系統(tǒng)兼容性差。②缺乏流域級統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計，導(dǎo)致灌區(qū)信息化系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)層面缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，增加了建立覆蓋全流域的信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的難度，同時導(dǎo)致各灌區(qū)信息難于互通互聯(lián)，降低了系統(tǒng)的整體效能。

(3)資金投入不足，運行維護負(fù)擔(dān)重

資金保障是灌區(qū)信息化系統(tǒng)運行和發(fā)展的必要保障。目前，海河流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)還處于初級發(fā)展階段，投資規(guī)模和投資范圍還非常有限。調(diào)研中，海河流域內(nèi)信息化建設(shè)水平相對較高的灤下、石津、位山等超大型灌區(qū)，其信息化投資規(guī)模均超過了千萬元，其他灌區(qū)則普遍存在信息化投資不足、資金落實不到位、運行維護經(jīng)費匱乏等問題[4]。目前，只有少數(shù)大型灌區(qū)運行管理維護費來自灌區(qū)征收的水費、財政補貼、維修養(yǎng)護經(jīng)費及地方水利基金等，絕大部分灌區(qū)因運行維護費用過大而導(dǎo)致難以負(fù)擔(dān)。

(4)信息化認(rèn)識不足，綜合性人才匱乏

灌區(qū)信息化建設(shè)普遍存在人才匱乏、培訓(xùn)不足、信息化意識淡薄的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致信息化系統(tǒng)管理和運維難度大，信息化系統(tǒng)不能充分發(fā)揮實際效益。一是對信息化認(rèn)識不清。部分灌區(qū)傳統(tǒng)觀念和舊式思維還很強，由于系統(tǒng)在運行維護過程中遇到技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、資金等方面的困難，導(dǎo)致已建系統(tǒng)應(yīng)用效果遠(yuǎn)沒有達到預(yù)期，如視頻會議系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)，致使很多人對信息化持懷疑和回避態(tài)度。二是缺乏專業(yè)信息化人員，致使信息系統(tǒng)需求不明確，所開發(fā)的信息系統(tǒng)脫離灌區(qū)管理實際，實用性差，操作復(fù)雜，系統(tǒng)使用率低，難以輔助決策管理。

2.2.2技術(shù)應(yīng)用層面發(fā)展瓶頸

流域內(nèi)灌區(qū)信息化建設(shè)普遍存在“重視硬件和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，輕視軟件開發(fā)”的現(xiàn)象，軟硬件配套尚未完善，已建系統(tǒng)操作維護困難，很多系統(tǒng)使用率不高[3]。

(1)自動化采集點少，監(jiān)測方式落后

①信息化自動采集點少且方式落后。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前流域內(nèi)部分大型灌區(qū)對信息化系統(tǒng)中各類信息采集仍采用人工方式，自動化采集點少，灌區(qū)用水調(diào)度中心缺乏實時、可靠的動態(tài)信息，致使用水調(diào)度決策者缺乏駕馭全局用水管理能力的信息支撐，制約著灌區(qū)用水管理能力的提升。②信息采集設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性差且維護成本高。目前，灌區(qū)信息采集技術(shù)主要是直接移植水文和工業(yè)上的成熟技術(shù)，但由于灌區(qū)環(huán)境對電子設(shè)備運行來說相對惡劣，因此設(shè)備普遍存在環(huán)境適應(yīng)性和維護成本問題。

(2)缺乏遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，應(yīng)急響應(yīng)能力差

閘門和泵站是灌區(qū)主要控制對象。其中，閘門控制是實現(xiàn)灌區(qū)水量有效配置的重要手段，目前很多灌區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)閘門遙控，但受制于過流能力較小、電力能源缺乏、交通不便、位置偏僻等因素，多數(shù)閘門仍沿用人工控制方式，對于突發(fā)狀況的應(yīng)急響應(yīng)能力低；部分灌區(qū)雖實現(xiàn)了電力和人力控制相結(jié)合方式，但受到控制監(jiān)測站點少、控制設(shè)備不足等條件制約，關(guān)鍵控制性工程的全面實施監(jiān)控難于實現(xiàn)。對于泵站，尤其是多級泵站，灌區(qū)很少使用自動調(diào)節(jié)方式，單靠起閉臺數(shù)依舊無法精確匹配流量。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸成本高，信息傳輸難度大

通信網(wǎng)絡(luò)是信息傳輸?shù)拿}，是灌區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施。灌區(qū)通信系統(tǒng)覆蓋面積大，區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，應(yīng)本著經(jīng)濟實用、可靠性強、租用和自建相結(jié)合的方式進行建設(shè)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)存在問題較多，專網(wǎng)與公網(wǎng)的問題，帶寬與成本的問題，功率和耗電的問題等。部分灌區(qū)仍采用電話或紙質(zhì)媒介等人工方式傳輸水情、雨情、工情和作物長勢等信息，時效性較差。一些灌區(qū)采用自建光纜的方式進行視頻傳輸，甚至將光纜鋪到每個閘門，不僅鋪設(shè)成本高，而且運維費用也不容小視。

(4)系統(tǒng)需求不明確，應(yīng)用軟件使用率低

除受信息資源限制而導(dǎo)致軟件開發(fā)利用層次較低外，許多灌區(qū)信息化系統(tǒng)應(yīng)用軟件還存在軟件功能單一、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、系統(tǒng)性差、成本高、維護困難等問題，不能形成全局性高效、易維護的應(yīng)用軟件資源。雖然有些灌區(qū)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)已涉及水利業(yè)務(wù)，但這些已建或在建的數(shù)據(jù)庫模式多樣、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，存儲數(shù)據(jù)難以同化，安全與更新機制缺乏，技術(shù)水平差距明顯，難以實現(xiàn)信息共享。究其原因，一是由于缺乏統(tǒng)一的統(tǒng)籌規(guī)劃，開發(fā)軟件與實際應(yīng)用脫節(jié)，信息系統(tǒng)使用率低；二是由于分期建設(shè)，新老系統(tǒng)因存在代差而匹配困難，導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

3 典型灌區(qū)信息化建設(shè)規(guī)劃：以桑干河灌區(qū)為例

3.1 典型灌區(qū)的選取

2015年，水利部海河水利委員會啟動海河流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究項目，全面調(diào)研海河流域大型灌區(qū)信息化建設(shè)現(xiàn)狀。筆者在參與前期項目的基礎(chǔ)上，綜合考慮灌區(qū)地理位置、水源工程類型、灌區(qū)信息化建設(shè)程度等因素，選取桑干河灌區(qū)作為典型開展研究。

3.2 典型灌區(qū)信息化建設(shè)現(xiàn)狀與需求

桑干河灌區(qū)是海河流域48個大型灌區(qū)之一，于1999年啟動實施續(xù)建配套與節(jié)水改造項目，后于2000年實施“21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用項目”、“2014年農(nóng)業(yè)水價綜合改革自動化計量及智能化”、“2015年度續(xù)建配套和節(jié)水改造工程”、“2016年度續(xù)建配套和節(jié)水改造總體工程(一期工程)”、“2018年度續(xù)建配套和節(jié)水改造總體工程(二期工程)”。

經(jīng)多年建設(shè)，灌區(qū)工程條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到改善，部分骨干渠道的安全輸水能力明顯提高。但由于自身財力有限，資金投入不足，灌區(qū)支渠襯砌和配套建筑物工程仍不完善，信息化相關(guān)內(nèi)容的建設(shè)和應(yīng)用仍處于初級階段，缺乏科學(xué)統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計，突出體現(xiàn)在：

(1)基礎(chǔ)信息方面。新改造的支渠口未實現(xiàn)水情采集，已建的閘門監(jiān)控未實現(xiàn)自動控制，同時雨情、墑情、水質(zhì)、作物生長狀況、地下水監(jiān)測點建設(shè)依舊空白。桑干河灌區(qū)管理處未建機房，尚未形成信息化的統(tǒng)一管理。

(2)數(shù)據(jù)資源方面。水情實時監(jiān)測數(shù)據(jù)未能形成統(tǒng)一管理，急需建設(shè)覆蓋整個灌區(qū)的基礎(chǔ)、監(jiān)測、多媒體等數(shù)據(jù)資源。

(3)應(yīng)用系統(tǒng)方面。已建應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)了部分支渠的水情監(jiān)視和閘門的監(jiān)控管理，但在地下水管理、防汛預(yù)警、用水管理等業(yè)務(wù)方面以及行政辦公方面都未建設(shè)相應(yīng)的系統(tǒng)，同時已建的系統(tǒng)和待建的系統(tǒng)亟需整合，形成灌區(qū)綜合平臺，提升業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)能力和移動應(yīng)用水平[5- 6]。

(4)環(huán)境保障方面。灌區(qū)信息化建設(shè)投資和系統(tǒng)運行維護管理機制尚未確立健全，灌區(qū)人員對信息化工程建設(shè)與運用的系統(tǒng)性、長期性和關(guān)鍵性認(rèn)識不足，導(dǎo)致系統(tǒng)建設(shè)和運行維護資金難以籌措落實，維護與更新無法保障。

3.3 典型灌區(qū)信息化建設(shè)方案與保障措施

規(guī)劃建設(shè)從水源取水(地表水和地下水)到田間工程的全方位監(jiān)控，從用水農(nóng)戶到灌區(qū)管理處的逐級應(yīng)用，從田間灌溉用水量管理到灌區(qū)水資源調(diào)配逐層管理，逐步實現(xiàn)桑干河灌區(qū)的信息化、數(shù)字化，為進一步實現(xiàn)流域大型灌區(qū)現(xiàn)代化提供指導(dǎo)建議。

3.3.1總體設(shè)計

桑干河灌區(qū)信息化規(guī)劃建設(shè)包括基礎(chǔ)信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用服務(wù)和環(huán)境保障4個方面，分兩期實施。總體框架如圖2所示。

圖2 總體框架圖

3.3.2建設(shè)任務(wù)與技術(shù)方案

(1)基礎(chǔ)信息系統(tǒng)建設(shè)

基礎(chǔ)信息系統(tǒng)主要包括監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和基礎(chǔ)環(huán)境建設(shè)。

監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)一期主要對已改造的支渠口建設(shè)水情監(jiān)測點，將手動閘門改造為電動閘門，在重要閘門位置建設(shè)視頻監(jiān)控點，對農(nóng)田節(jié)水示范區(qū)建設(shè)墑情監(jiān)測試點和作物生長監(jiān)測試點，新增雨量站。二期主要對規(guī)劃改造的支渠口建設(shè)水情監(jiān)測點，在重點閘門位置建設(shè)電動閘門，為遠(yuǎn)控閘門建設(shè)視頻監(jiān)控點，對已進行節(jié)水改造的其他農(nóng)田區(qū)域建設(shè)墑情監(jiān)測點和作物生長監(jiān)測點，新增水質(zhì)站和地下水監(jiān)測站。

基礎(chǔ)環(huán)境建設(shè)采用“云服務(wù)+本地存儲”的形式，通過購買云服務(wù)器和云存儲服務(wù)，利用互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展的、虛擬化的資源，將灌區(qū)管理處所需的軟硬件、資料都放到網(wǎng)絡(luò)上，同時將視頻監(jiān)控和閘門監(jiān)控的應(yīng)用部署到本地[7]。網(wǎng)絡(luò)部分采用自建光纜結(jié)合租用公網(wǎng)數(shù)據(jù)專線、GPRS無線傳輸?shù)幕旌贤ㄐ欧绞竭M行組網(wǎng)。基礎(chǔ)環(huán)境主要集中在一期進行建設(shè)。

監(jiān)控中心建設(shè)一期在灌區(qū)管理處建設(shè)監(jiān)控中心，二期在4個灌區(qū)管理所建設(shè)監(jiān)控分中心。

(2)數(shù)據(jù)資源建設(shè)

數(shù)據(jù)資源是桑干河灌區(qū)信息系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)源，是業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，由桑干河灌區(qū)管理處統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理。一期主要建設(shè)灌區(qū)核心數(shù)據(jù)庫，二期隨著共享理念和業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷深入，搭建共享服務(wù)體系，實現(xiàn)國家重點建設(shè)項目與灌區(qū)之間數(shù)據(jù)的共享，見表2。

表2 數(shù)據(jù)資源建設(shè)方案

(3)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

灌區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)主要包括4部分：業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、行政辦公系統(tǒng)、灌區(qū)綜合業(yè)務(wù)平臺和灌區(qū)移動App。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)側(cè)重于業(yè)務(wù)的縱向深入和擴展；行政辦公系統(tǒng)側(cè)重于灌區(qū)各級管理單位工作流的管理、行政辦公和資源共享；灌區(qū)綜合業(yè)務(wù)平臺側(cè)重于灌區(qū)業(yè)務(wù)的橫向延伸和全方位的展示；灌區(qū)移動App為野外作業(yè)和移動辦公提供便利，系統(tǒng)建設(shè)方案見表2。通過應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，提升灌區(qū)業(yè)務(wù)的信息化管理水平，實現(xiàn)用水科學(xué)化、工程數(shù)字化、辦公自動化[7]。

表2 灌區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)方案

(4)環(huán)境保障建設(shè)

環(huán)境保障包括制度規(guī)范體系和保障措施。一期主要建立四大保障體系，加強信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)和梳理，加大專業(yè)人才培訓(xùn)力度，加強灌區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，建立長效穩(wěn)定的管護機制。二期進一步完善四大保障體系，持續(xù)為灌區(qū)信息化系統(tǒng)的運行維護提供環(huán)境保障[8]。

3.3.3建設(shè)與運行措施

①明確組織機構(gòu)，組建涿鹿縣桑干河灌區(qū)信息化建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組；②編制實施方案，嚴(yán)格按照項目法人制、工程招投標(biāo)制、工程監(jiān)理制、合同管理制等要求進行；③細(xì)化運行管理，建立值班操作、日常維護、定期檢查、排障調(diào)整、修理更新的工作機制，系統(tǒng)維護可以合同委托項目建設(shè)團隊進行后期維護[9]。此外，定期組織內(nèi)部人員進行系統(tǒng)操作培訓(xùn)，掌握系統(tǒng)的正常操作及運行維護。

3.4 典型灌區(qū)信息化建設(shè)方案效益評價

本方案立足農(nóng)田水利信息化發(fā)展視角，規(guī)劃與桑干河灌區(qū)相適應(yīng)的建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)方案，有助于提高桑干河灌區(qū)管理水平、用水效率和行政辦公效率，促進灌區(qū)技術(shù)優(yōu)化升級，為灌區(qū)用水決策提供科學(xué)支撐。方案實施后，將極大提高桑干河防洪、水資源利用、水環(huán)境保護、政務(wù)辦公等方面的現(xiàn)代化管理水平；有效減少水旱災(zāi)害的發(fā)生，減少水資源浪費，提高灌區(qū)經(jīng)濟效益；保護河流生態(tài)系統(tǒng)和地下水生態(tài)系統(tǒng)，提高水環(huán)境質(zhì)量，改善土壤生產(chǎn)條件，為農(nóng)牧業(yè)豐收奠定堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

目前，水利行業(yè)已全面進入“十四五”智慧水利關(guān)鍵建設(shè)期。伴隨《“十四五”重大農(nóng)業(yè)節(jié)水供水工程實施方案》的出臺，全國124處已建大型灌區(qū)續(xù)建配套和現(xiàn)代化改造工程邁入嶄新的發(fā)展階段，河北省7處大型灌區(qū)將納入方案，桑干河灌區(qū)位列其中[10- 11]。新時期，要解決好平衡發(fā)展海河流域48個大型灌區(qū)信息化建設(shè)工作，推動中小型灌區(qū)信息化建設(shè)全面展開，除繼續(xù)積極爭取水利部的國家投資和政策外，必須結(jié)合流域內(nèi)各灌區(qū)自身的實際情況，在灌區(qū)管理體制、投資規(guī)劃、認(rèn)識與重視程度、人才隊伍建設(shè)、先進技術(shù)應(yīng)用等方面，采取科學(xué)合理、切實可行的發(fā)展對策。