孫 健,喬 婧,耿 華,萬 毅,王 策

(1.水利部水資源管理中心,北京 100038;2.南水北調(diào)中線實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司,北京 100038;3.河北省水務(wù)中心,河北 石家莊 050011)

0 引言

我國人均水資源量只有2 100 m3,僅為世界人均水平的28%,全國年平均缺水量500多億 m3,中國人均水資源生態(tài)盈虧呈現(xiàn)出“整體平穩(wěn),局部變化”的地域格局[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,水資源供需矛盾關(guān)系顯著[2]。數(shù)據(jù)顯示,我國水資源超載區(qū)和臨界超載區(qū)涉及53%的國土面積、近60%的人口和GDP[3]。綜上所述,精打細(xì)算用好水資源,從嚴(yán)從細(xì)管好水資源,以水資源的可持續(xù)利用支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展是新時(shí)代水資源管理高質(zhì)量發(fā)展新要求[4]。

為響應(yīng)智慧水利建設(shè)和水資源管理工作要求,加強(qiáng)取用水監(jiān)管,規(guī)范取用水行為,按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求,開展利用信息化手段強(qiáng)化水資源監(jiān)測(cè)計(jì)量體系建設(shè)工作十分有必要。長(zhǎng)期以來,農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量工作是取用水管理的薄弱環(huán)節(jié),從全國范圍來看,農(nóng)業(yè)用水取水口數(shù)量和水量占比均為最高,同時(shí)絕大多數(shù)是農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井,因此通過信息化管理系統(tǒng)建設(shè),提高農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井監(jiān)測(cè)計(jì)量能力提升技術(shù)具有重要意義。

本文針對(duì)需要重點(diǎn)提升的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量工作,對(duì)比農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井不同監(jiān)測(cè)計(jì)量方式優(yōu)缺點(diǎn),研究“以電折水”信息化臺(tái)賬建立和管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),提出科學(xué)提升農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量能力的方法,為建立農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井信息化臺(tái)賬和開發(fā)管理系統(tǒng)等工作提供技術(shù)指導(dǎo),為加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水監(jiān)管工作提供技術(shù)參考,為全面提升我國水資源管理能力和構(gòu)建智慧水利工作提供技術(shù)支撐。

1 農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量現(xiàn)狀

2020年啟動(dòng)的全國取用水專項(xiàng)整治行動(dòng),掌握了全國550多萬個(gè)取水口包括水源類型、監(jiān)測(cè)計(jì)量情況、取水用途等基礎(chǔ)信息,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析,2019年全國整體取水口計(jì)量率約為30%,取水量計(jì)量率約為65%,全國取水口在線計(jì)量率約為10%,取水量在線計(jì)量率約為50%。根據(jù)掌握的全國取水口信息,取水用途為農(nóng)業(yè)用水、水源類型為地下水和取水設(shè)施類型為水井的3種不同統(tǒng)計(jì)口徑下的取水口數(shù)量多且監(jiān)測(cè)計(jì)量水平較低,因此同時(shí)滿足此3種類型的農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井是取水口監(jiān)測(cè)計(jì)量能力提升工作的重要組成部分。

因取水規(guī)模、取水場(chǎng)景和取水用途等條件不同,取水口需要相適應(yīng)的監(jiān)測(cè)計(jì)量設(shè)施,農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井因點(diǎn)多面廣、產(chǎn)權(quán)不明晰等特點(diǎn),一直以來是水資源管理的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)《水利部關(guān)于強(qiáng)化取水口取水監(jiān)測(cè)計(jì)量的意見》(水資管〔2021〕188號(hào))和《水利部辦公廳關(guān)于做好2022年取水監(jiān)測(cè)計(jì)量體系建設(shè)有關(guān)工作的通知》(水資管〔2021〕346號(hào))要求,水利部有序推進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井監(jiān)測(cè)計(jì)量工作,2022年在河北省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等10個(gè)省區(qū)開展農(nóng)業(yè)灌溉“以電折水”樣本井計(jì)量設(shè)施建設(shè)工作。在加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量和農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井“以電折水”工作的背景下,各地大力推進(jìn)“以電折水”樣本井建設(shè)工作,但是目前全國范圍內(nèi)缺少統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)架構(gòu)的管理系統(tǒng),不利于統(tǒng)一取用水監(jiān)管。

2 農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井監(jiān)測(cè)計(jì)量能力提升

2.1 監(jiān)測(cè)計(jì)量方式

以現(xiàn)階段水資源管理要求和發(fā)展階段,對(duì)于農(nóng)業(yè)用水全部實(shí)現(xiàn)直接計(jì)量有一定的困難,在經(jīng)濟(jì)效益和管理體制上尚不具備條件。目前針對(duì)農(nóng)業(yè)用水尤其是農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井,主要監(jiān)測(cè)計(jì)量方式有三種,器具測(cè)量、遙感推算和“以電折水”。器具測(cè)量方式具有計(jì)量精度準(zhǔn)確、計(jì)量結(jié)果權(quán)威性強(qiáng)、管控工作分辨率高、數(shù)據(jù)應(yīng)用法定依據(jù)充分等優(yōu)勢(shì),但是對(duì)于點(diǎn)多面廣的農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井經(jīng)濟(jì)效益不高同時(shí)行政成本大,且大部分機(jī)井產(chǎn)權(quán)歸屬不清不利于落實(shí)后期運(yùn)行維護(hù)主體責(zé)任。遙感推算方式具有自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)客觀性強(qiáng)、小成本高效快速獲取區(qū)域農(nóng)灌用水量等優(yōu)勢(shì),但是不便于掌握單點(diǎn)信息且土地基礎(chǔ)特征和農(nóng)作物時(shí)分布空差異性大?！耙噪娬鬯狈绞骄哂锌梢杂幂^小成本快速高效的掌握農(nóng)業(yè)灌溉用水總體規(guī)模,較傳統(tǒng)定額推算方法相比權(quán)威性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),但是“以電折水”依賴電力數(shù)據(jù),不能全面實(shí)現(xiàn)單個(gè)取水口計(jì)量,同時(shí)不同取水口“以電折水”系數(shù)差異性較大需要建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

綜合分析以上三種監(jiān)測(cè)計(jì)量方式優(yōu)缺點(diǎn),現(xiàn)階段,采取“以電折水”的形式進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井監(jiān)測(cè)計(jì)量,可以補(bǔ)齊農(nóng)業(yè)用水監(jiān)管短板,能夠?yàn)闈M足新時(shí)代水資源高質(zhì)量發(fā)展的高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求,起到承上啟下的過渡性作用。

2.2 “以電折水”管理系統(tǒng)

“以電折水”是基于農(nóng)灌機(jī)井取水量和耗電量間存在高度相關(guān)性的物理原理,建立取水量和耗電量間的數(shù)值關(guān)系,通過用電量數(shù)據(jù),近似推算單個(gè)或多個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井取水量的間接計(jì)量方法[5]。對(duì)于“以電折水”前人開展了大量研究,本文不再討論“以電折水”系數(shù)測(cè)算和電力數(shù)據(jù)獲取等方面內(nèi)容,重點(diǎn)研究如何利用信息化手段建立“以電折水”管理系統(tǒng)并加強(qiáng)功能應(yīng)用。

2.2.1 信息化臺(tái)賬建立

農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井“以電折水”應(yīng)通過信息化系統(tǒng)平臺(tái)提升規(guī)范性和工作效率,在系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行維護(hù)“以電折水”臺(tái)賬信息,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計(jì)分析。信息化系統(tǒng)平臺(tái)需具備以下功能:

(1)通過信息化系統(tǒng)平臺(tái),完成農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井用電信息調(diào)查和登記,準(zhǔn)確描述機(jī)井用電情況,完成農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井信息與用電信息的檔案匹配,建立電力計(jì)量設(shè)施、農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井、取用水戶(個(gè)人)等對(duì)象間準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并與取水許可信息準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理包含取水權(quán)人信息、取水工程信息、取水許可信息、電力設(shè)施信息,以及地塊信息等,基礎(chǔ)信息收集對(duì)象關(guān)系見圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井基礎(chǔ)信息收集對(duì)象關(guān)系圖

(3)管理數(shù)據(jù)管理包含基礎(chǔ)信息、用戶信息、監(jiān)測(cè)計(jì)量數(shù)據(jù)、終端信息、分析信息以及角色權(quán)限信息等。

(4)以縣級(jí)區(qū)域?yàn)閱挝唤ⅰ耙噪娬鬯睒颖揪畔⒐芾砼_(tái)賬,臺(tái)賬中應(yīng)包含井編碼、井位置、控制灌溉面積、灌溉作物種植比例、取水水位、取水用途、樣本井計(jì)量信息、建設(shè)責(zé)任單位、監(jiān)管責(zé)任單位等信息。

(5)以縣級(jí)區(qū)域?yàn)閱挝唤ⅰ耙噪娬鬯逼胀ň畔⒐芾砼_(tái)賬,臺(tái)賬中應(yīng)包含井編碼、井位置、控制灌溉面積、灌溉作物種植比例、取水水位、取水用途、參考樣本井編碼、建設(shè)責(zé)任單位、監(jiān)管責(zé)任單位等信息。

(6)實(shí)現(xiàn)水量、電量、“以電折水”系數(shù)等數(shù)據(jù)的管理,按臺(tái)區(qū)、地塊、機(jī)井、取用水戶、電表等不同維度以及不同時(shí)間段進(jìn)行分類管理和統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2 “以電折水”管理系統(tǒng)架構(gòu)

依托水利部政務(wù)服務(wù)平臺(tái),開發(fā)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井“以電折水”管理系統(tǒng),收集匯總機(jī)井和對(duì)應(yīng)電力設(shè)施的基本信息,建立以機(jī)井為基本單位的農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井臺(tái)賬數(shù)據(jù)庫,與取水許可電子證照系統(tǒng)、用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井基本信息的管理、查詢以及機(jī)井用水量統(tǒng)計(jì)等功能。

根據(jù)智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)和“以電折水”工作基礎(chǔ),結(jié)合取用水管理工作要求,“以電折水”管理系統(tǒng)架構(gòu)(見圖2)整體應(yīng)包含四個(gè)組成部分:(1)終端系統(tǒng),指前端建設(shè)的在線監(jiān)測(cè)計(jì)量設(shè)施,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井取水量和臺(tái)區(qū)用電量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量和在線傳輸;(2)小程序系統(tǒng),服務(wù)于系統(tǒng)和機(jī)井管理員、農(nóng)業(yè)用水取用水戶(個(gè)人)和電力部門工作人員等,可通過移動(dòng)終端登錄實(shí)現(xiàn)查詢、統(tǒng)計(jì)、繳費(fèi)等功能;(3)SaaS系統(tǒng)(見圖3),包含取用水記錄、“以電折水”管理、用水分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、采集終端管理、用戶管理和系統(tǒng)管理等功能子模塊,在全面匯集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)(取用水戶、單個(gè)臺(tái)區(qū))和面(流域、區(qū)域)取用水量統(tǒng)計(jì)分析;(4)對(duì)接系統(tǒng),與電力、政務(wù)、稅務(wù)和水利等部門系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接,包括電力大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、水利部政務(wù)服務(wù)平臺(tái)、水資源費(fèi)改稅系統(tǒng)、取水許可電子證照系統(tǒng)和取用水專項(xiàng)整治系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)共享。

圖2 農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井“以電折水”管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井“以電折水”SaaS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

(1)本文在全面收集整理全國取水口監(jiān)測(cè)計(jì)量資料的基礎(chǔ)上,針對(duì)需要重點(diǎn)提升的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量工作,對(duì)比農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井不同監(jiān)測(cè)計(jì)量方式優(yōu)缺點(diǎn),研究“以電折水”信息化臺(tái)賬建立和管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),提出科學(xué)提升農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量能力的方法,為農(nóng)業(yè)用水監(jiān)管和農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井管理提供技術(shù)支撐。

(2)研究表明,農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井“以電折水”是目前提升農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)計(jì)量能力的有效方式,具有可以用較小成本快速高效的掌握農(nóng)業(yè)灌溉用水總體規(guī)模,較傳統(tǒng)定額推算方法相比權(quán)威性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)和“以電折水”工作基礎(chǔ),建議在水利部政務(wù)服務(wù)平臺(tái)中開發(fā)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井“以電折水”管理系統(tǒng),該系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)包含終端系統(tǒng)、小程序系統(tǒng)、SaaS系統(tǒng)和對(duì)接系統(tǒng)四部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井基本信息的管理、查詢以及機(jī)井用水量統(tǒng)計(jì)等功能。