喀左县灌区灌溉信息化管理系统建设研究

杨明会

(辽宁喀左县水利局，辽宁 喀左 122300)

随着经济社会的迅速发展，特别是互联网信息技术的进步，农业灌溉领域的信息化建设呈现出强劲发展态势[1]。无论是发达国家还是发展中国家，均将现代信息技术用于农田灌溉管理领域，使灌区管理从传统的人工管理模式向先进的信息化、智能化方向迈进。对我国而言，自20世纪末期以来，各级政府就十分重视灌区信息化建设，通过引进国外先进技术，结合我国和本地的实际情况，不断推进灌区的信息化建设，并取得了显著的社会效益和经济效益。

1 灌区信息化建设概况

辽宁省喀喇沁左翼蒙古族自治县(以下简称喀左县)隶属于辽宁省朝阳市，位于北纬40°47′12″至41°33′53″，东经119°24′54″至120°23′24″之间，地处辽宁省西部朝阳市南部、大凌河上游的丘陵地区，东临朝阳县，西靠凌源市，南接建昌县，北连建平县，是辽冀蒙三省交汇地带，辽西走廊北通道要冲，环渤海经济圈的重要组成部分。喀左县下辖3个街道、10个镇、9个乡、1个农场，面积2240km2，人口42万人[2]。喀左县境内有大小河流百余条，主干河为大凌河，从建昌县流入，自南向北注入朝阳县，蜿蜒境内78.55km，主要支流有榆河、蒿桑河、渗津河、牤牛河、芍药河[3]。得益于地表水方面得天独厚的条件，建国之初到20世纪末期，喀左县进行了长达数10年的灌区建设，目前，仍在运行的大小灌区有13个，为促进当地的农业发展和农民增收起到了重要作用。

喀左县位于水资源严重不足的辽西半干旱地区，灌区灌溉管理就显得尤为重要[4]。因此，该县从20世纪90年代开始就投入大量的人力和物力进行灌溉管理的信息化研究，并取得了多项具有实际应用价值的先进灌溉管理技术和方法，例如，按日配水、计量收费以及灌溉水动态管理等。但是，受制于灌区条件的限制，这些先进技术主要以单一目标的实现为主，并没有构建起完整的信息管理系统，难以适应时代发展和进步的需求。以新技术为借鉴，通过新技术的引入和整合，构建喀左县灌区信息化管理系统，是灌区实现灌溉管理现代化、信息化和智能化的必然选择。

1.1 灌区运行管理措施落后

信息管理不能适应灌区发展需求。目前，喀左县各灌区的信息的收集手段相对比较落后，主要方式是以专业人员进行固定时间观测，在信息的传递方面主要依靠电话和有线网络。但是，部分灌区辖区的面积比较广大，部分边远地区交通不便，至今仍没覆盖互联网。灌区的部分管理段在信息采集和传输方面仍存在滞后性问题，严重影响到灌区信息的时效性。例如，灌区的调度管理所依据的信息经常是几小时以前的信息，往往调度管理的指令还没执行，而需水要求又发生的新的变化。此外，由于灌区的信息化建设水平较低，许多资料的整理工作仍需要人工完成。一些大型灌区每月的灌溉资料需要2个工作日才能统计完成，而年终的资料整理和汇总差不多需要1个月。同时，由于资料整理基本是手工操作，统计数据的准确度相对较低，可靠性较差。

1.2 水量调度不透明，用水行为不规范

喀左县各灌区，由于受到传统行政化管理思维的影响，水量调度管理过程呈现出明显的行政化色彩。例如，受到行政化管理模式的影响，不同管理人员负责不同的管理事务，往往出现调度人员不了解供水设施运行状况，管理局人员不了解支渠运行情况的现象，对基层的管理段而言，所了解和掌握的信息就更为有限，对管理局决策和全灌区的用水情况几乎一无所知。显然，水量调度的不透明，必然会对用水的规范性造成严重的负面影响。例如，由于缺乏相应的数据信息支持，在部分灌区的小涵管，没有实现计量收费，仍旧采取固定收费模式，也就是用水户一年缴纳固定数额的水费，即可随便用水。显然，这种水费和用水量脱节的收费方式，必然会造成比较严重的灌溉水量损失，不利于极为有限的水资源的高效利用。由于水量调度缺乏透明度，部分管理段仍存在搭车收费现象，这不仅不利于灌区管理的规范化，也进一步加重了农民的负担，不利于当地农业生产的长远发展。

1.3 调度运行环节过多，供水成本居高不下

喀左县灌区大多属于行政单位改革而来，其权属改革虽然已经完成，但是管理的行政化色彩依然浓厚，在日常管理过程中，干渠以上级别的渠道受到当地政府的多个下属部门管理。由于在管理过程中受到当地政府的行政干预较大，导致调度运行的中间环节过多，信息反馈速度较慢，因此需要投入更多的人力、物力和财力，这不仅在无形中增加了灌区的供水成本，同时也在源头增加了用水户的水费负担，不利于灌区的长期、稳定、高效发展。

1.4 流量检测设施落后

流量检测是灌区调度管理的基础性检测项目。对喀左县各灌区而言，由于信息化建设水平较低，在灌区的干渠渠道仍未实现流量测验的自动化，在需要流量数据时，仍需要通过手工操作。显然，这种检测方式不仅历时较长，同时存在效率低、精度低的问题。另外，受灌区交通与信息传输方面的限制，部分渠道断面的流量测验成果仍采用人工上报形式，误报、漏报现象时有发生，已经不能适应新时期灌区管理的实际需求。

1.5 管理单位和用水组织脱节

20世纪末喀左县水泉灌区成立了第一个农民用水者协会。随着推广力度的加大，截止2017年，各灌区几乎已经在所有的村组建立起农民用水者协会。农民用水者协会的建设，对促进当地灌区的管理水平的提高起到了十分重要作用，有效解决了渠系末端的管理问题，对解决部分末端渠系管理、维修滞后的问题起到了十分重要的作用。但是，在当前的行政化管理模式下，农民用水者协会并没有发挥出其作为社会组织的独立性，仍然受到当地政府行政管理的诸多干预，从而造成与灌区管理的脱节现象，这不仅在相当程度上抵消了农民用水者协会的积极作用，有违农民用水者协会建立的初衷，同时也影响到市场环境下灌区管理体制改革的深入进行。

2 灌区信息化管理系统

2.1 信息化管理系统结构

2.1.1 信息管理系统

灌区信息管理系统的主要管理内容是灌区灌溉的各种信息，不仅包括灌区的水源以及各级渠系的蓄水、供水信息和各级渠系以及用水户的水量分配、调度等运行信息，还包括灌区内的各类农作物的种植面积、产量等相关信息[5]。灌区的信息管理系统按照其任务和功能的不同，可细分为各种不同的功能模块。信息管理系统是灌区信息化管理系统的基础部分，其建设和完善对灌区的信息化建设具有举足轻重的重要意义。

2.1.2 调度运行系统

灌区的水量调度是充分发挥有限水资源效益的根本手段。因此，喀左县各灌区的调度运行系统需要基于水源的来水量以及灌溉农田的需水量等相关信息，对灌区内的各种水源进行联合调度，实现水源调度的最优化。就具体的系统运行而言，要基于当前互联网信息技术以及大数据技术的进步和发展，以人机交互的方式对某些参数进行设置和修改，然后由计算机进行模型计算和分析，以拟定出最优化的调度方案[6]。从具体的构成来看，调度运行系统主要包括实时灌溉预报、多水源联合优化调配、多目标分析等模型组成。

2.1.3 水务公开系统

水务信息公开是保证灌溉信息畅通和灌区管理公正、高效的重要系统。在喀左县灌区的水务公开系统建设中，积极使用CTI及互联网通讯技术，通过水务信息的联网运行，实现灌区灌溉信息，特别是用水量与水费信息的统一管理[7]，基于水务公开系统，相关的所有信息，特别是水费缴纳的凭证、记录等实现了统一管理和查询，实现了水量调度、水费交纳方面的透明化和公开化。

2.1.4 运行监督管理系统

鉴于喀左县各灌区的进水闸门、节点闸门等控制需要通过电话通知、人工操作，已经不能使用灌区信息化建设的需要。因此，在信息化建设过程中，急需要构建起灌区各闸门等节点控制单元的远程自动化控制，提高运行控制的高效性和实时性。因此，以灌区信息化建设为契机，积极构建运行监督管理系统，该系统利用以互联网和自动控制等技术为基础，对重要控制节点进行远程控制与管理。具体的管理流程为：灌区的调度中心下达调度指令，运行管理系统将指令以流量或水位为设定值的方式通过网络传输至相关控制节点的控制器，控制器依据相关指令对闸门的开度进行调节。同时，基于互联网信息技术和大数据技术，该系统还可以以图像、数值、文本、声音等各种技术手段和呈现方式对重点部位进行实行视频监控。

2.1.5 遥测管理系统

该系统主要功能是对灌区水文站点的降雨、主要支渠及以上渠道进水口与其他主要水源出水口的流量、水位等进行监控。根据遥测界面反馈的数据，由计算机自动分类、整理、存档或根据需要自动绘制曲线变化过程图等[8]。当某遥测站不能正常工作时，能自动向中心站报告，便于及时维修。灌区内各遥测站点通信网络采用互联网传输，对互联网未覆盖地区则采取无线电超短波传输。

2.1.6 灌溉用水预报系统

有效的用水预报是灌区进行科学管理的重要基础，因此，要实现灌区的信息化管理，必须要构建起灌溉用水预报系统。结合不同灌区的实际情况，以喀左县气象局的气象信息，各灌区下属的土壤墒情监测点，供水水源的蓄、供水量以及各种农作物的生长情况等实时信息为基础，构建起各灌区的灌溉作物需水预测模型，并以此为基础建设灌溉用水预报系统，为灌区调度提供精准的信息依据。

2.1.7 决策支持系统

决策支持系统由人机界面、总控系统以及各个分系统组成。其中人机界面与总控系统的主要功能是利用现代互联网信息技术，为各个分系统的软件运行构建良好的支撑环境，同时实现上述软件系统的综合集成。决策支持系统依据其功能需求，设计为3个层次的总体逻辑框架，分别为人机界面层、系统应用层和系统支撑层。

2.2 系统整体关系

信息化管理应用各系统的整体关系如图1所示。

图1 系统整体关系图

2.3 系统应用分布

整个系统的在具体的应用功能实现方面可以分为3个主要层次。第一层是各灌区管理局(所)的中心站，该站设置在灌区管理局(所)机关院内。中心站的主要功能是各个子系统的集成，发出指令并进行相关信息的收集、整理和存储分析。第二层是设置支渠管理段内的系统分站，主要功能是都建起本段的水务公开和遥测管理系统。第三层是单站。单站的设置主要是根据系统信息采集和传输的需要设置在各观测点，并构建遥测管理系统，为整个管理系统提供必要的基础数据信息。

2.4 拓展功能

为了进一步提高灌区管理的信息化水平，方便行政管理和用水户查询信息和缴纳费用。各灌区信息化管理系统和喀左县水务局等相关行政单位实现联网运行，以适应喀左县的智慧城市建设，特别是实现IC卡供水的需要。在此基础上，可以进一步完善实和实现更高端的智能化技术，不断提高灌区的自动化管理水平。

3 应用效果分析

喀左县各灌区以智慧城市建设为契机，积极推进灌区的信息化管理系统建设，显著提升了灌区的管理水平，并取得了以下几方面的应用效果。

(1)信息化管理系统的建设和应用有效改变了粗放管理现状，实现了水资源的优化配置和精细管理，提高了水资源的有效利用率，在总体水资源量不变的前提下，扩大了近20%的灌溉面积。

(2)信息化管理系统的建设和应用提高用水透明度，对降低灌区的管理费用、运行成本、降低用水农户的水费负担起到了重要作用。

(3)随着系统的稳定运行，各种不规范的收费和供水行为基本杜绝，为良好水权及水市场的建立打下了基础。

(4)通过信息化管理系统的建设和应用，灌区的灌溉信息收集、传输条件得到了显著改善，将灌区信息化管理水平提高一个新的水平。

(5)信息化管理系统的建设和应用还取得了显著的经济效益，据测算，全县各灌区通过灌溉信息化管理系统的构建和运行可以实现经济净现值868万元。

4 结语

灌区信息化建设是互联网信息时代的必然要求，由于灌区灌溉信息化管理系统在我国应用时间不长，尚属于新的研究领域，无论是理论还是实践层面，均存在诸多不足。因此，灌区信息化对我国的各个灌区而言，是一项长期而艰巨的任务，需要各方面不断进行探索和改进。应以发展视角审视和对待灌区信息化建设，正确认知其对推动灌区的改革、进步、创新方面的重要价值与作用。