智慧灌区建设中的关键技术应用

智慧灌区建设中的关键技术应用

王以露 张竹君 郝珈萱

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西省西安市   710000

摘要：灌区在我国农业发展过程中起着举足轻重的作用，是农业发展的重要保障。为了促进农业的可持续发展，避免水资源严重浪费，我国各地相继开展了灌区信息化建设工作，以此来提升灌区管理服务水平，降低运行成本，实现灌区水资源统一管理，优化水资源配置。但当前的灌区信息化建设还仅停留在信息采集、传输及管理的层面，远远不能达到精准灌溉的目标。因此为了保证水利工程建设的有效进行，可以通过建立智慧灌区的方式在一定程度上保证水利工程发展的有效性。此外，通过应用智慧灌区的建设方式，保证水利工程发展符合时代的发展。

关键词：智慧灌区；建设；技术  

2021年3月22日，水利部部长李国英在《人民日报》发表署名文章。文章中专门谈到了坚持科技引领和数字赋能，提高水资源智慧管理水平“。建设智慧水利是《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》提出的明确要求。为紧跟智慧水利新时期发展规划，智慧灌区作为智慧水利的重要组成部分，也是推进水利现代化建设的重要抓手，因此，对建设智慧灌区提出了更高的要求。

一、智慧灌区建设的必要性

大中型灌区是保障国家粮食安全的重要基础。我国现有部分灌区已经实现信息化，但仅限于基础信息的采集、存储，缺少结合灌区业务实际对信息进行深度分析、利用的机制，尚未实现智慧化。水利部印发《深化农田水利改革的指导意见》中提到，农田水利是保障国家粮食安全、促进农业现代化的重要基础，是实施乡村振兴战略的有力支撑，深化农田水利改革是推动农田水利持续健康发展的根本保障。农村水利水电工作年度报告中指出，大中型灌区开展大中型灌区续建配套与节水改造，为我国灌区信息化发展打下了坚实的基础。随着《乡村振兴战略规划》《关于开展“十四五”大型灌区续建配套与现代化改造实施方案编制工作的通知》等的发布，加快农业现代化步伐、开展灌区智慧化建设，是我国“十四五”及未来相当长一段时间的工作。因此，以灌区工程管理、统筹用水、防洪调度等为导向，结合灌区实际业务，开展智慧灌区建设已成为必然趋势。

二、灌区信息化存在的问题

受到管理体制、经费投入等方面的制约，灌区信息化管理水平仍比较低下，存在以下几方面问题。

1、信息化标准不统一，共享性差。尽管水利行业出台了一系列系统开发标准，但鉴于灌区管理的特殊性，目前灌区信息化尚无统一的设备安装、数据库设计及软件开发标准。各灌区管理系统或采用通用信息化标准进行开发，或根据业务要求自定义设计规则，此做法导致灌区信息化软件重复开发率高、共享性差，严重制约了灌区信息化的发展。

2、重硬件建设，轻软件投入。目前灌区信息化尚处于数据采集与传输阶段，只重视硬件设备建设，对采集的数据进行简单的统计、分析，没有充分挖掘数据价值，如建立灌区水量利用过程模型并智能模拟，导致目前的灌区系统不能指导灌区水资源的优化调配，没有真正实现灌区智慧化。

3、未产品化发展，综合集成能力差。多年来，国家在灌区信息化方面做了诸多工作，取得了一定的成果，但灌区管理工作复杂、涉及面广，目前灌区系统尚未产品化。虽然各灌区、部门根据其特定的业务需求，开发了雨水情查询、灌溉预报、供水分析、水费收缴等一系列系统，但由于这些系统没有统筹规划，导致系统间各自为政，且硬件资源利用率低，综合集成能力不高。

三、智慧灌区建设中的关键技术应用

1、遥感技术。当前测量灌区内土壤墒情的方式主要是通过安装在土壤中的墒情传感器，将采集到的数据通过网络传输到数据中心，用户通过信息化软件系统查阅土壤墒情。由于受到传感器安装密度、灌区内地形地貌、气候等因素影响，该种方式不能全方位、真实地了解灌区内土壤墒情。仅仅依靠信息化系统提供的“简单”的墒情数据，无法对灌区内的农作物进行精准灌溉。漫灌的方式不仅造成水资源浪费，还可能影响农作物的生长。遥感技术具有较大的观察范围，可对整个灌区内的各项基本信息进行全方位了解。因遥感技术具有较强的实时性，能够实时了解灌区内作物的种植结构、农作物长势以及干旱分布范围，将遥感影像通过数据服务的形式提供到灌区信息化系统中，灌区管理人员可通过信息化系统中提供的GIS 功能，全方位了解灌区的运行状况。通过监测灌区内干旱分布范围，参照不同作物在不同生长期的需水量，进行合理的水资源配置，既有利于农作物生长，也达到了精准灌溉的目的。

2、共用共享的灌区业务应用平台

（1）灌区运行综合监控系统。灌区监测与控制系统采用分级控制，分别在灌区管理中心与管理分中心建立监测控制系统。管理中心实现对整个灌区范围数据的监测与控制;分中心系统主要完成对管理范围的监测与控制，并充分考虑已建与待建信息化系统融合，预留访问接口，最终实现覆盖整个灌区的自动化监测与控制系统。

（2）灌区量测水管理系统。量测水管理系统通过对水位、流量等数据进行分析，借助大规模深度算法，实时计算获得管渠高精度流量信息，实现对监测点水量实时监测、渠道用水量查询汇总，为灌区水资源科学合理调度、配置好农业、工业和生态用水，从而改善灌区经济状况提供有力的数据支撑。

（3）灌区工程建设管理系统。对灌区已建水利工程设施的管理，包括沟渠相关的基本情况、渠道技术参数、渠道险工险段、排水沟道情况;此外还包括大坝、渠首、水闸、渡槽、涵洞等建筑物信息。通过将工程文档、照片、图纸、多媒体资料等与地理信息技术有机地融合在一起，实现对沟渠、建筑物等信息的快速查询、维护，并能够生成业务管理所需的统计图表，从而提高灌区工程管理的标准化水平。

3、测控一体化技术。我国大部分灌区的闸门控制仍然依靠人工操作，落后的管理手段，导致灌区运行效率较低。当旱情来临需要对农田灌溉时，灌区管理单位需要通知各个水闸的管理人员进行闸门启闭工作，由于缺少水量计量设施，用水户往往根据生产经验判定用水量，灌溉方式仍然采用传统的漫灌形式，不仅导致水资源严重浪费，容易诱发灌区内土壤板结及虫害，而且增加了灌区管理单位的工作量。依照“无人值守、少人值守、统一调度”的原则，研发测控一体化闸门技术并应用于灌区管理中，通过多级闸门联合调度机制对灌区内的用水量进行合理调度。该项技术集成了闸门控制技术、水量计量及视频监控等功能。闸门控制技术可以根据需求，远程对闸门进行启闭操作，具有较强的实时性，视频监控功能可以更加直观、便捷地辅助闸门启闭操作，同时还能精确地控制闸门的开启高度，极大地节约了人力资源。水量计量则可精确控制过闸水量，达到节水灌溉的目的。

随着近年人工智能技术飞速发展及在各行各业广泛深入应用，人工智能涉及行业也逐渐由制造型行业向服务型与管理型行业扩展。 强人类活动使得灌区水文/水力循环过程复杂且具有极强的人为痕迹，若在灌区信息化基础上引入人工智能和灌区用水全过程模拟仿真技术，势必能为灌区管理提供智慧预警、智慧调度/调控和智慧决策等技术支持，从而提高灌区用水过程的调控和管理能力，高效便捷地开展灌区用水管理工作。

参考文献：

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［2］戴玮，李益农，章少辉．智慧灌区管理系统的设计与建设发展思考［J］． 中国水利，2018( 7) : 48-49．

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