人民渠一处灌区水利信息化应用系统建设

王世容

(四川省都江堰人民渠第一管理处，成都，611930)

1 人民渠一处灌区水利信息化应用系统的地位和作用

人民渠一处灌区水利信息化的建设是一个系统工程，需要有计划有步骤地开展，其应用系统建立在数据获取层和基础信息平台之上(图1)。

在水利信息化系统中，数据是核心，如果缺乏原始数据，系统将无法建立。而应用系统是给用户提供的操作界面，也是业务流程实现的载体，它处于灌区信息系统的最上层，必须借助于应用程序，各项功能才能得以实现。

应用系统的主要作用如下:(1)用图形化界面展示灌区的基础信息，并提供操作接口;(2)实现灌区闸群自动化控制、节水灌溉等的业务流程;(3)为先进的水利信息化建设提供实现的途径。

图1 灌区信息化分层结构

2 应用系统建设的基础条件

因为应用系统是灌区信息化的最高层，因而建立应用系统的前提是建立数据获取层和基础信息平台。从下到上，建立应用程序的前提包括以下三方面。

2.1 基础数据获取与闸群自动控制

在这一个层次，主要是建立灌区基础数据的硬件采集系统与闸群自动控制系统。通过利用智能终端设备完成水情、工情、墒情、旱情、灾情、水文地质、土地、种植、气象等信息采集和本地存储，为灌区的水资源合理配置、监控调度提供准确及时、可靠的基础信息服务。按照2008年的《都江堰灌区人民渠第一管理处水利信息化建设规划》，在人民渠灌区开展了水、雨、气象、墒、闸门、水质信息点的建设，完成重要的水情点60个、雨情点4个、气象点3个、墒情点1个、水质点4个、自动控制闸门54处(123孔闸门视频)的建设。

在基础数据传输方面，为了提高信息传输的质量和速度，充分利用了现有的公共通信基础设施，建设人民渠一处水利信息传输网，以满足灌区的各类信息遥测和数据实时传输的需求。近几年开展了从处机关至管理站以及管理站至养护段之间的网络建设，实现数据中心、数据分中心及主要养护站等之间的互连;在各管理站建立局域网，并根据自动监控系统的需要进行养护段与信息采集点之间网络的建设;并根据信息量的提高逐步提高网络带宽，逐步实现覆盖人民渠一处水利数据中心、分中心、养护段和信息采集点的传输网络。

2.2 基础信息平台

如果只有原始数据，还不足以完成灌区信息化的各项功能，还需要对原始数据进行信息提取和挖掘，建立数据库系统是必不可少的[1]。当前3S技术在水利信息化建设中扮演着重要的角色，数据库系统除了属性数据的建立，还包括空间数据的建立。在数据信息提取的基础上，还需要建立业务模型，将人民渠一处灌区水利信息化的各项功能实施流程转化为可以用计算机语言表达的模型。人民渠一处灌区水利信息化的建立可以为节水灌溉提供决策支持，而这些决策需要建立在科学的理论和实践经验上，这些都是应用程序建立的前提。

根据人民渠一处2008年的规划，基础信息平台主要体现在人民渠一处水利数据中心的建设，包括建设高标准机房、计算机硬件、软件等基础设施，遵照相关技术标准和规范整合信息资源，逐步建成人民渠一处水文水资源基本数据库、水利工程基本信息库、水利基础空间数据库、水利技术标准数据库和水利行政管理基本信息库等五个全局性的基础数据库。并通过水利元数据系统和水利信息目录体系以及数据安全体系提供信息交换、共享与应用服务，满足各专业日常业务的基本数据需要，并提供相应的延伸服务。

具体为在人民渠一处建立数据中心，在渠首站、彭州站、什邡站、孝泉站、永兴站、新繁站和青白江站等七个站建立数据分中心;在数据中心建立数据库和GIS等专业支撑平台及其安全体系，在数据分中心建立数据库和GIS专业支撑子平台。

3 应用系统建设的步骤

3.1 需求分析

灌区节水改造和改革工作经过多年的努力，已取得成效。为了让灌区在节水灌溉和优化调度上发挥更大的作用，争取更大的效益，灌区信息化有如下需求:(1)工程运行监视;(2)防汛抗旱;(3)水资源配置调度;(4)水环境监测;(5)农作物生长信息采集;(6)行政事务管理;(7)信息交流。

3.2 功能描述

根据灌区节水灌溉的需求，应用程序需要建设以下主要功能。

3.2.1 数据管理。数据库生成、数据录入、数据增删改、备份等管理。

3.2.2 数据传输。无论是同构还是异构环境，均可实现灌区内部以及灌区与上级部门间的数据传输。

3.2.3 信息查询。提供基于GIS的组合条件查询、统计和报表输出。

3.2.4 实时监控。对监测对象的数字、图像或视频的实时监视，以及对闸门、测站等的远程遥控。

3.2.5 用水计划及管理。根据作物分布、渠系工程及水资源等信息制定年月季用水计划，并对农业、工业、生活用水户进行水费等管理。

3.2.6 水资源配置和优化调度。根据来水、需水信息制定水资源优化配置方案，并能按照实时情况进行动态调整。

3.2.7 运行仿真。通过灌区地形、地貌、地物的三维建模以及水资源调配实况动态模拟出整个灌区水资源及建筑物的运行状态，为灌区管理决策提供现实虚拟。

3.2.8 决策支持。通过数据库、方法库、知识库以及适合灌区的决策模型，运用数据仓库和数据挖掘技术，产生灌区水资源管理的决策支持。

3.2.9 行政办公。通过构建Intranet实现行政办公中公文传递、通知公告、档案管理、邮件收发、视频会议会商、事务处理等功能，以提高行政效率。

3.2.10 公众服务。通过WEB网络向公众提供灌区建设、管理、服务等方面信息，接受公众监督与意见，促进灌区管理水平的提高。

3.3 技术路线

3.3.1 3S技术

在灌区信息化建设中，地理信息系统(Geographica lInformation System，GIS)、全球定位系统(Global Position System，GPS)和遥感系统(Remote Sense，RS)，即3S技术将得到大量的开发和应用[2]。

GIS是以地理空间数据库为基础，以地理模型分析方法为手段，具有采集、管理、分析、输出多种地理空间信息的能力，适时提供多种空间的、动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

GPS是基于空间卫星的无线电导航定位系统，为用户提供精密的三维坐标、导航与时间信息，具有定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、操作简便、全天候作业等特点。

遥感是指通过某种传感器装置，在不与被研究对象直接接触的情况下，获取其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。

基于3S技术的灌区信息化建设，正是利用地理信息系统的空间数据处理和分析功能、全球定位系统的瞬时快速定位功能和遥感的实时数据采集功能而建立起来的。首先，利用遥感和全球定位系统获取水源、气象、土壤、作物和农业生产等动态信息，并直接以栅格格式存入空间数据库，为地理信息系统提供大量的定量观测数据，成为地理信息系统重要的数据源和强有力的数据更新手段。然后，利用地理信息系统和其它软件对这些遥感数据进行管理。遥感、全球定位系统和地理信息系统的结合，使地理信息系统具有大量实时的空间和属性数据源，能保证遥感图像得到快速有效的解译和分析，可为灌区信息化建设、管理和灌溉用水决策系统提供各种咨询服务[3]。

3.3.2 地理空间数据库技术

在灌区水利信息化系统中，水资源决策支持系统、灌溉过程仿真系统、防汛调度仿真系统、GIS查询系统等，需要应用灌区各类基础和专题电子地图来完成。所以在灌区综合数据库设计时，就需要采取地理空间数据库技术，将灌区水情数据、工情信息与地理空间点、线、面相结合，通过该技术，就可建立一个完整的多层次的灌区空间数据库[4]。

地理空间数据库技术是利用GIS提供的数据的地理属性，并将这些数据叠加在地图上，在地图与数据库之间建立连接关系，就可以实现地图与数据之间的双向查询。由于GIS中管理的数据量巨大，将空间数据与属性数据完全分开存放，并以属性表与空间文件一一对应的方法和根据表的关键字和文件中的空间对象的标识，来定位空间对象的属性信息，已不能满足当前数据管理的需要。为满足GIS对数据的统一管理和运行速度这两方面的要求，将空间与基本信息数据库数据统一存放在中间数据平台中进行管理，实现了地理空间数据库。由此可见，GIS给信息系统带来的是将数据库中的信息进行直观的可视分析，发掘隐藏在文本数据中的有用信息，为用户提供一种崭新的决策支持方式[5]。

3.3.3 虚拟现实技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它是借助计算机技术及最新研制的传感装置所创建的一种崭新的模拟环境，正被广泛地应用于各个领域。使用这一技术实现的灌区虚拟现实系统，为灌区建设的决策提供形象可靠的依据;利用三维建模与仿真，可建立灌区渠道、闸门、水泵等随水工建筑物的三维实体模型以及对水利模型的模拟，丰富了灌区科学的管理手段。

3.4 设计方案

灌区水利信息化应用系统可分为3个层次:信息管理系统(IMS)、地理信息系统(GIS)和决策支持系统(DSS)。这三个层次既相互交叉融合，又各有侧重，构成完整的灌区信息系统。

信息管理系统主要存储日常办公事务基本信息和GIS系统中各种工程的属性数据;地理信息系统主要是以空间信息处理和分析为主，同时通过它可以非常直观地从地图上观察各种工程的基本信息及其当前的运行状态，从而对它们实施管理;决策支持系统则根据作物信息、土壤信息、水源信息、气象信息、各级各类工程实际运行状况等信息，再利用配水优化模型进行灌区优化分配和调度，从而实现科学、合理地配制水资源，大大提高灌区管理水平。

3.5 任务分解

根据需求及设计方案，需要完成的主要任务如下:

3.5.1 信息管理系统IMS

信息管理系统主要能够对灌区的基本情况、工程情况、用水情况及行政管理情况等数据，进行录入、维护、统计、查询、生成报表、打印、数据备份等操作。

3.5.1.1 灌区基本情况。包括自然概况、土地利用情况、水资源情况和工程管理现状等。

在自然概况中，人民渠灌区内生产总值、农业总产量、粮食总产量、年平均气温、年最高气温、年最低气温、年平均雨量以及年平均蒸发量等指标，用曲线或图形表示不同年度间的变化情况。

土地利用情况，用饼状图表示设计灌溉面积和有效灌溉面积与总耕地面积的比例关系;田间节水灌溉工程措施包括渠道防渗、喷灌、微灌、低压管灌以及其它灌溉方法等，用饼状图反映其比例关系。

水资源情况，对年用水量、年平均灌水次数等用曲线表示不同年间的变化情况。

3.5.1.2 行政管理情况。主要反映灌区管理机构、职能、人事以及对办公事务等实行管理。

3.5.1.3 工程管理情况。包括灌溉渠道系统、排水沟系统、骨干建筑物、灌区道路等的管理情况。

渠道和沟道系统能根据名称、渠(沟)道长度、设计流量、控制而积等进行模糊、详细和组合查询;骨干建筑物能根据建设日期、所在河(渠)、所在县(区、乡镇)、设计流量和控制灌排面积等进行模糊、详细和组合查询。

3.5.1.4 用水管理。记录灌区用水情况、用水过程，与自动控制系统结合实时检测每处工程的流量、水位，并能进行月、年开闸次数、平均流量和工程总引水量等的统计，并用曲线反映变化情况。

3.5.2 地理信息系统GIS

地理信息系统是计算机图形处理技术和信息系统结合产生的一种专门用于通过图形查询信息的系统。人民渠一处目前灌溉面积16.15万hm2，地理范围分布较广，管理工作很难深入到每一田间地头或每一条沟道、每一座建筑物，所以建立一套能反映整个灌区中每一对象的软件系统，在灌区管理中心室就能观测到灌区每一个管理对象是十分必要的。而实现这样的管理，GIS就是一个合适的技术。它既能存储、分析和表达灌区各种对象的属性信息，又能处理其空间位置特征，从空间和属性方面对对象进行查询和分析，并以直观的方式显示，从而提高灌区信息管理的直观性和有效性。

作为灌区GIS系统通常应完成如下几项功能:①根据用户需要可以分系统显示，灌区一般分为灌溉、排水两大系统进行显示;②图形的移动、放大、缩小、点选、框选、圈选和任意多边形选择查询;③点击某渠道能显示该设施的详细信息，能选择出与之相连的所有下属设施，并根据其数据自动绘制不同位置断面图;④点击某建筑物，能显示该建筑物的详细信息以及有关图片;⑤点击某乡镇，显示出该乡镇范围内所有工程情况，并可根据工程名称反向查询该工程所在位置;⑥点击某行政村，显示出反映该行政村的主要情况的图片和基本情况。

3.5.3 决策支持系统DSS

DSS是灌区信息系统的核心，也是灌区信息建设的最高追求目标。建立管理信息系统的目的就是要为各项管理提供决策支持。

近期系统决策模型包括:①采用恒定非均匀流数学模型与闸孔出流计算公式，建立骨干渠道在其配套闸门不同开度情况下的水位流量计算模型;②以全灌区自流灌溉面积最大为目标函数，采用系统试验选优方法，确定不同水源水位条件下骨干渠道最优运行控制方案。

3.6 分步实施

灌区信息化应用系统的建设根据目前的实际情况，宜采取4个阶段进行。

3.6.1 第一阶段:构建信息基础设施平台，进行信息基础设施建设及改造，制订数据结构规范标准以及接口规范标准;以3S技术为基础，建立各种基础信息数据库。

这一阶段，经过不懈努力，尤其灾后重建以来加大了信息化建设步伐，目前人民渠一处灌区水利信息化系统基础设施平台建设已初具规模，完成了渠首枢纽闸群、前进渠闸群、管理站及管理段闸群自动监控系统建设，以及水情信息化遥测系统建设。

渠首枢纽闸群自动监控系统包括8孔节制闸、2孔进水闸的全自动控制和水位监测及闸门荷载监测，以及渠首水质及视频监视系统。通过建设改造，渠首枢纽基本实现了系统的、规范的、高标准的自动化控制。

前进渠闸群自动监控系统包括1个控制中心、19孔闸门自动控制系统、9处水位测点、1处雨情测点、1处水质测点、17处视频监视、7处红外防盗探测点建设。利用计算机监控系统监测根据水位计算的渠道进水流量、目标闸门的上、下游水位、目标闸门的启闭状态与开度、目标闸门的视频图像。通过对上述信息接收、处理和应用，实现在监控中心远程控制闸门启闭，并实现闸门控制与视频系统同步联动。

管理站及管理段闸群自动监控系统建设包括:什邡、孝泉、彭州、新繁、青白江五个管理站下辖的15个管理段的15个分中心站、63孔闸门自动控制、24处视频监视、9处水位测点的建设，以及干渠的9个、支渠的23个水情测点、6个雨情点的恢复建设。最终基本完成这15个点的渠道水位信息、闸门启闭控制信息、闸门开度信息、闸门视频信息的监测与获取。

3.6.2 第二阶段:水利行业以及各职能部门内部应用系统和公共事业系统的建设。

这一阶段的建设包括对管理处机关的网络中心、7个管理站和2个电站、3个企业实体办公信息的全建设，健全办公信息化系统，提高网络带宽，使各部门之间能通过网络达到通畅办公;建设渠首水量调度管理中心拼接屏系统，开发数据、图像查询及分析处理软件系统，使水量调配过程和调配结果能够更为形象直观地展示;并完善了人民渠第一管理处网站建设。

3.6.3 第三阶段:系统的智能化决策支持和信息共享的实现，行业职能部门之间的网络互连，初步形成灌区信息化决策系统。

3.6.4 第四阶段:灌区信息化继续往深度、广度、高度的方向发展。

4 效益分析

4.1 全面提升了水利工作综合能力

人民渠一处灌区水利工作综合能力的提高，可以从技术创新、机制创新和管理创新等方面反映。

4.1.1 技术创新

表现在水利行政管理和业务处理过程的变革，过去落后的工作与业务处理方式被先进的、自动的或智能化的方式所替代，工作的可预见性、综合决策能力和协调运用水平大大提高。

4.1.2 机制创新

表现在实施信息化过程中，管理机构和层次都将发生变化，由于减少了管理层次，过去由多人多个环节承担的管理决策工作，流程更加清晰、过程大大减化。提高了行政管理和业务处理效率。

4.1.3 管理创新

表现在信息化可以使管理得到加强和完善，实现由定性管理向定量管理、静态管理向动态管理、事后管理向事前控制的转变，增强了管理的科学性。

4.2 实现效益

人民渠一处灌区水利信息化应用系统经过几年的建设，目前已达到第一阶段和第二阶段建设预期的效果，实现了以下多方面的效益。

4.2.1 提高了办公效率。实现了干渠主要交接水点的水情数据通过遥测系统实时传回处水情调度中心，达到了处、科室领导在办公室内通过局域网就可随时了解干渠水情，根据灌区生产进度、用水需求和来水情况及时下达调水指令，提高了办公决策的准确性和及时性。

4.2.2 减轻了基层养护段职工的劳动强度，降低了运行成本。在信息化工程建设以前，每年灌区集中用水的5月10日～6月5日，为了及时掌握干渠水情变化情况，要求各管理站、段每天每隔2小时报一次干渠水位，每天增加传报水位次数81次以上，大大增加了基层养护段职工和处站配水值班人员的劳动强度，同时增加了传报水位的通讯费用。信息化工程建成后，大量的水情数据通过遥测系统自动传输，各站、段只需按正常规定传报水位，就能及时掌握干渠水位变化情况，确保灌区用水的正常进行，从而大大减轻了基层职工的劳动强度，降低了运行成本。

4.2.3 实现了灌区水量的优化调度。由于信息化工程的建成，处站均能及时准确地掌握干渠水情变化情况，就能根据灌区生产进度和需水情况对干渠来水实行优化调度。我处充分利用已建的水情调度系统，对干渠来水实行了全时段水量优化调度，保证了灌区在气温高、蒸发大、降雨量少、用水高度集中打挤的情况下，全灌区在5月底基本实现关秧门，比原历年平均提前一周左右完成水稻泡栽任务，为灌区抗旱促增收作出了积极贡献。

4.2.4 保证了水利工程的运行安全。信息化工程建成后，无论是在供用水管理中，还是在防洪水量调度中，由于处站均能随时准确地掌握干渠水情变化情况，可及时根据灌区生产情况和防洪需要，对干渠的引水、供水、输水和排水进行准确合理的调度管理，保证干渠水位在安全的限度内运行。在近年的输供水和防洪工作中，我处从未因人为原因造成安全事故，保证了水利工程的运行安全和渡汛安全。

4.2.5 提高了用水保证率。信息工程建成后，促进了灌区水量优化调度水平的提高，不仅为灌区16.15万hm2农田提供了用水保证，实现了灌区均衡受益，而且为灌区30多家工业、生活用水单位提供了优质的供水服务，近年来灌区从未出现因干旱供水不及时造成灌区农业减产的情况，也从未出现因供水不及时影响灌区工业生产和人民生活用水的责任事故，其工业、生活供水保证率达100%。

4.2.6 促进了灌区节约用水和水费征收。我处充分利用已建成的信息化应用系统，根据灌区生产进度和灌区来水情况，对水量实行了全时段优化调度，供水是按灌区生产、生活用水的需要合理调配，避免了无效供水，减少了水量浪费，促进了灌区节约用水。其节约的水量一是输往丘陵灌区，支持了兄弟灌区的抗旱用水;二是向灌区干渠、支渠上的水电站提供了发电水量，不仅增加了灌区的电力生产，而且增加了处内水费收入。信息化应用系统建成后，使我处的供用水管理水平得到进一步提高，加上我处以建立“和谐灌区”为目标，实施了“群众(用水户)满意、政府满意、水利部门满意的灌区三满意工程”，切实加强了灌区供用水优质服务，保证了灌区生产、生活用水的需要。

5 结语

水利部门肩负着为社会提供有效的防汛减灾服务、高保证率的清洁水源以及保护和谐水生态环境的重任。为解决水问题，人民渠灌区经过长期不懈努力，已经建成了基本配套的水利工程体系，并且在抗御洪水、提供水源和保护生态等方面发挥了重要作用，取得了巨大的社会效益和经济效益。在水利工程体系初步形成的条件下，为了更好地发挥其作用，提高科技对水利的贡献率，必须广泛利用信息技术，充分开发水利信息资源，提升水利为灌区经济和社会服务的整体能力和水平，实现工程水利向资源水利转移，追求治水过程中人与自然的和谐共处。

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