劉曉俊

(晉中市瀟河流域管理局， 山西 晉中 030600)

基于GIS的灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)研究

劉曉俊

(晉中市瀟河流域管理局， 山西 晉中 030600)

本文針對(duì)瀟河灌區(qū)管理手段落后、水資源利用率低等制約灌區(qū)節(jié)水發(fā)展的瓶頸問題，從支持灌區(qū)科學(xué)用水管理的角度出發(fā)，運(yùn)用先進(jìn)的GIS平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸，建立起瀟河灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)。

ArcGIS； GIS； 灌區(qū)信息化； 瀟河灌區(qū)

灌區(qū)信息化是灌區(qū)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，信息化建設(shè)可提高灌區(qū)的管理水平和辦公效率，在灌區(qū)防汛抗旱、水資源統(tǒng)一管理和優(yōu)化配置、節(jié)水增效、提高灌溉水的利用效率等方面發(fā)揮重要作用[1]。

1 灌區(qū)概況

瀟河屬于黃河流域，是汾河的第二大支流，流域面積3720km2。山西省瀟河灌區(qū)為全國(guó)大型灌區(qū)，受益范圍包括晉中市、太原市2市5縣(區(qū))11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)134個(gè)行政村，灌區(qū)控制耕地面積2.6萬hm2，灌溉面積2.216萬hm2。灌區(qū)農(nóng)業(yè)人口20.51萬，年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值2.4億元，是山西省的主要糧、棉產(chǎn)地，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。

灌區(qū)工程由引水樞紐和灌溉、排水系統(tǒng)組成。渠首引水樞紐工程上游現(xiàn)有2個(gè)水文站(獨(dú)堆、蘆家莊)、2座中型水庫(kù)(蔡莊、松塔)。灌溉渠道由干、支、斗、農(nóng)、毛五級(jí)渠道組成。灌區(qū)投入運(yùn)行60余年，灌溉效益顯著。

2 灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)建設(shè)的必要性

瀟河灌區(qū)興建于1950年，工程與灌溉設(shè)施比較完整。在60年的運(yùn)行中，引水樞紐工程、干支渠道及建筑物老化失修，損壞嚴(yán)重，渠系多滲漏，管理困難。2001年開始進(jìn)行節(jié)水改造工程建設(shè)，共投資1.2億元，其中92%的干、支渠及渠系建筑物進(jìn)行了防滲改造，極大地改善了灌區(qū)的工程面貌和灌溉條件。而灌區(qū)信息化建設(shè)將在自動(dòng)化及軟件方面有效地鞏固灌區(qū)節(jié)水改造工程效益。

灌區(qū)引水樞紐工程上游現(xiàn)有2個(gè)水文站(獨(dú)堆、蘆家莊)、2座中型水庫(kù)(蔡莊、松塔)，但汛情水情沒有統(tǒng)一的適時(shí)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。特別是在干流上興建水源控制性工程——松塔水庫(kù)以后，應(yīng)及時(shí)建立流域內(nèi)的水情、汛情適時(shí)測(cè)報(bào)網(wǎng)絡(luò)，保證水情、汛情的適時(shí)傳遞，為防洪、灌溉等水量調(diào)度、優(yōu)化配置提高科學(xué)的決策依據(jù)。

3 灌區(qū)信息化建設(shè)目的

瀟河灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)的實(shí)施，將實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的水文水質(zhì)、調(diào)引水、地下水情、土壤墑情等各類水量調(diào)度信息的收集、處理、存儲(chǔ)以及無線傳輸。通過建設(shè)灌區(qū)全覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)調(diào)度平臺(tái)、電子政務(wù)系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，建立灌區(qū)范圍內(nèi)的灌區(qū)氣象、土壤墑情、地下水情、水費(fèi)計(jì)收、工程管理、灌溉用水、作物種植等數(shù)據(jù)庫(kù)以及相應(yīng)的決策支持系統(tǒng)軟件，采用現(xiàn)代科學(xué)管理方式對(duì)灌區(qū)的調(diào)水、取水、量水和用水進(jìn)行信息化、自動(dòng)化管理，提高應(yīng)對(duì)洪水與干旱等異常氣候?yàn)?zāi)害及水工程電子化管理和自動(dòng)化控制的業(yè)務(wù)處理能力、綜合監(jiān)控的水平和工作效率，全面提升灌區(qū)現(xiàn)代化和數(shù)字化管理能力[2]，以滿足灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)用水需要。

4 瀟河灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)

灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)由水文信息、引水信息、地下水信息、水質(zhì)信息等采集系統(tǒng)，信息傳輸及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)及信息處理系統(tǒng)，用水管理決策支持系統(tǒng)組成。建設(shè)內(nèi)容包括1個(gè)中心站、3個(gè)分站、7孔閘門監(jiān)控、5個(gè)水位測(cè)量、渠首視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控等，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基站(現(xiàn)場(chǎng))、分站、中心站三級(jí)控制和數(shù)據(jù)記錄查詢等功能。

整個(gè)系統(tǒng)由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)以及GIS應(yīng)用平臺(tái)三大部分組成。系統(tǒng)的核心是GIS數(shù)據(jù)平臺(tái)。灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 瀟河灌區(qū)計(jì)量與水管理系統(tǒng)綜述

系統(tǒng)采用GIS、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分析、決策支持、數(shù)據(jù)挖掘、多層分布式架構(gòu)等成熟技術(shù)，使系統(tǒng)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持先進(jìn)性，避免頻繁升級(jí)換代。

5.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

基于GIS技術(shù)，與工情數(shù)據(jù)、地理空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)緊密結(jié)合，將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、水利工程視頻監(jiān)控畫面以及對(duì)重點(diǎn)工程進(jìn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控信息或操作遠(yuǎn)程權(quán)限提供給值班人員。以實(shí)時(shí)雨(水)情、實(shí)時(shí)工情和實(shí)時(shí)水閘信息為依據(jù)，參照防汛背景資料和歷史資料，自動(dòng)進(jìn)行汛情實(shí)時(shí)監(jiān)視、供水監(jiān)測(cè)和險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)等服務(wù)。其中，包括對(duì)防洪工程運(yùn)用情況和安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)視和重點(diǎn)防洪工程(大壩、堤防、取水樞紐、灌溉等)的工情安全評(píng)估。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)所處理的全部信息均來源于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，處理成果信息可輸出至相應(yīng)的監(jiān)視設(shè)備(如值班室汛情監(jiān)視屏幕、會(huì)商室大屏幕等)和預(yù)警設(shè)備(如聲光警報(bào)器、有線電話或移動(dòng)電話、無線尋呼報(bào)警等)。該子系統(tǒng)可從系統(tǒng)總控菜單用手工點(diǎn)擊啟動(dòng)，也可根據(jù)時(shí)間表參數(shù)設(shè)置或根據(jù)實(shí)時(shí)汛情狀況自動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)局部地區(qū)汛情異常時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的預(yù)警界限，自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的防洪調(diào)度子系統(tǒng)(如水庫(kù)防洪調(diào)度子系統(tǒng)、灌溉防洪調(diào)度子系統(tǒng)等)。

模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)渠道水情測(cè)報(bào)，水情監(jiān)測(cè)綜合統(tǒng)計(jì)查詢，水情數(shù)據(jù)處理，遙測(cè)數(shù)據(jù)管理，事件報(bào)警檢索及查詢，報(bào)警檢索、查詢功能。

a.渠道水情測(cè)報(bào)主要是對(duì)8條干渠、156條斗渠自動(dòng)累計(jì)水量數(shù)據(jù)，并自動(dòng)上報(bào)實(shí)時(shí)水位、流量、累計(jì)水量等數(shù)據(jù)。

b.水情監(jiān)測(cè)綜合統(tǒng)計(jì)查詢包括：繪制水位、流量過程線；水情及供水量的日、旬、月、年統(tǒng)計(jì)和特征值統(tǒng)計(jì)；渠道主要站段間的日、月、年輸水損失計(jì)算，輸水損失率計(jì)算；各站點(diǎn)水位(水量)月、年報(bào)表；系統(tǒng)運(yùn)行情況匯報(bào)表。

c.水情數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)檢錯(cuò)、合理性檢、糾錯(cuò)，水位、雨量、流量的檢查；缺漏數(shù)據(jù)的插補(bǔ)、修改、刪除和分類存儲(chǔ)；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到整點(diǎn)數(shù)據(jù)的最大、最小、均值、累計(jì)值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；進(jìn)行多種水雨情和供用水報(bào)表輸出的預(yù)處理。

d.遙測(cè)數(shù)據(jù)管理包括：數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、裝載，歷史數(shù)據(jù)篩選處理；數(shù)據(jù)庫(kù)查詢/修改，同期對(duì)比；對(duì)照顯示主要站點(diǎn)的最優(yōu)流量控制或分流指標(biāo)；進(jìn)行數(shù)據(jù)人工插補(bǔ)。

e.事件報(bào)警檢索及查詢包括：實(shí)時(shí)報(bào)警(包括服務(wù)器故障聲光報(bào)警、中心站工作異常報(bào)警)；實(shí)時(shí)水位、流量越限告警。

f.報(bào)警檢索、查詢包括：水位及流量越限歷史數(shù)據(jù)檢索、查詢；遠(yuǎn)程測(cè)報(bào)中心站工作狀態(tài)檢索、查詢；系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)工作狀態(tài)檢索、查詢；歷史和實(shí)時(shí)的水位、流量、水量查詢檢索等；通過圖表形式查詢檢索實(shí)時(shí)及歷史的水位、流量、水量信息。

5.2 用水管理模塊

按照行政區(qū)劃，確定瀟河灌區(qū)的水管理應(yīng)用系統(tǒng)模塊，解決灌區(qū)現(xiàn)有的以電話調(diào)度、人工手動(dòng)紙制記錄調(diào)度信息、手動(dòng)測(cè)算分配水資源、手動(dòng)水資源平衡分析以及對(duì)歷史紙制的或是不系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)資源查詢統(tǒng)計(jì)管理維護(hù)相當(dāng)麻煩等落后的灌區(qū)管理水平和信息化程度現(xiàn)狀，從而達(dá)到灌區(qū)對(duì)水資源的實(shí)時(shí)控制、合理利用、優(yōu)化配置、信息資源共享和輔助管理部門科學(xué)決策，并極大地減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高灌區(qū)工程安全運(yùn)行效率。

5.3 水費(fèi)計(jì)收模塊

針對(duì)灌區(qū)水資源管理工作而設(shè)計(jì)開發(fā)對(duì)用水單位的水費(fèi)繳納進(jìn)行記錄和管理。系統(tǒng)通過用水管理模塊獲得各用水單元指定時(shí)間段的用水量，由計(jì)量中心根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和水量校核，得到用水單元的計(jì)費(fèi)水量，并根據(jù)計(jì)費(fèi)水量得到應(yīng)征水費(fèi)，作為水費(fèi)繳納的重要依據(jù)。

水費(fèi)計(jì)收系統(tǒng)包括管理局子系統(tǒng)和灌溉站子系統(tǒng)，可以通過有線通信(或通過無線微波擴(kuò)頻網(wǎng))進(jìn)行信息共享訪問、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳。實(shí)現(xiàn)對(duì)管理局、支渠管理站、縣、鄉(xiāng)、村、用水戶、干渠、支渠、閘的信息注冊(cè)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理。業(yè)務(wù)系統(tǒng)框架及業(yè)務(wù)如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)框架

5.4 防汛抗旱模塊

防汛抗旱決策支持系統(tǒng)對(duì)相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理、分析處理，提高雨水情監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度等工作的科學(xué)性、準(zhǔn)確性與及時(shí)性，是防汛抗旱信息暢通、指揮調(diào)度、抗洪救災(zāi)的重要保障。防汛抗旱模塊的主要功能是維護(hù)旱情信息(包括灌區(qū)土壤實(shí)時(shí)干旱指數(shù)、歷年旱情統(tǒng)計(jì)、旱情對(duì)灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的影響等)、墑情信息(土壤根系層平均含水量)，并根據(jù)需求對(duì)旱情墑情信息模塊進(jìn)行分析并生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表。實(shí)現(xiàn)支持完成下列各項(xiàng)任務(wù)：汛情監(jiān)視；雨情、水情、災(zāi)情等信息接收處理；洪水預(yù)報(bào)及其成果發(fā)布；防洪調(diào)度論證分析和成果顯示；有關(guān)防洪搶險(xiǎn)方案的制定和實(shí)施；防洪工程遠(yuǎn)程監(jiān)控以及防汛物資、防汛人員和防汛資金的管理與調(diào)配。

5.5 工程管理模塊

GIS發(fā)布平臺(tái)以全灌區(qū)地形圖為背景，提供直觀簡(jiǎn)潔的查詢操作。基礎(chǔ)工程查詢模塊主要包括水庫(kù)、取水樞紐、渠道、水閘、涵洞、跌水、渡槽、險(xiǎn)工險(xiǎn)段、退水等工程信息的查詢。結(jié)合GIS技術(shù)，將空間數(shù)據(jù)信息與關(guān)系數(shù)據(jù)屬性完全地整合起來，方便直觀地瀏覽和查詢到灌區(qū)的相關(guān)工程信息、圖片信息或其他多媒體信息。實(shí)現(xiàn)水利工程的圖形、文字、多媒體、CAD結(jié)構(gòu)圖等綜合信息的查詢。主要實(shí)現(xiàn)：地圖的放大、縮小、測(cè)距、圖層控制、工程專題圖等操作；按照選定條件定位有關(guān)地圖要素查詢相應(yīng)數(shù)據(jù)；選定相關(guān)工程直接查看屬性信息；防汛抗旱指揮圖的標(biāo)繪等。

5.6 數(shù)據(jù)安全保護(hù)

系統(tǒng)主要可通過以下幾種方式進(jìn)行安全性保護(hù)：

a.合法用戶認(rèn)證機(jī)制。系統(tǒng)通過兩種方式注冊(cè)用戶：其一管理員主動(dòng)添加用戶，并激活；其二是根據(jù)用戶申請(qǐng)和約定，登記合法注冊(cè)賬號(hào)、密碼以及其他相關(guān)信息后，由管理員確認(rèn)通過并激活。用戶密碼可由用戶自行更改，并采用不可逆加密技術(shù)進(jìn)行密碼加密。

b.用戶權(quán)限控制機(jī)制。系統(tǒng)根據(jù)所在部門以及工作性質(zhì)需要進(jìn)行必要的業(yè)務(wù)管理權(quán)限分配，不同管理人員面對(duì)系統(tǒng)的菜單和功能選擇不盡相同，即使同一功能模塊用戶的權(quán)限定義可到添加、修改、刪除、分部門閱覽等訪問級(jí)別，幫助系統(tǒng)建立真正意義上分權(quán)的灌區(qū)信息管理。

c.定期備份機(jī)制。防止因各種物理性和邏輯性的數(shù)據(jù)損壞，對(duì)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)定時(shí)自動(dòng)備份。并可根據(jù)需要同步備份于不同服務(wù)器上，保證數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)在面臨災(zāi)難后損失最小。

d.日志跟蹤機(jī)制。幫助系統(tǒng)管理員清楚查閱跟蹤非法用戶登訪系統(tǒng)，并可根據(jù)相關(guān)登陸信息采取防御措施監(jiān)控、限制并禁止該用戶。數(shù)據(jù)管理員對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行更改日志的查看，發(fā)現(xiàn)問題出處，并即時(shí)控制和恢復(fù)異常數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

e.關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密機(jī)制。如涉及相關(guān)機(jī)密性數(shù)據(jù)，采用多層組合式加密方式進(jìn)行加密并保存，加大惡意用戶的破解難度。如敏感數(shù)據(jù)傳播于網(wǎng)絡(luò)中，可采用128位SSL數(shù)字簽名等方式加密數(shù)據(jù)并傳播[3]。

6 結(jié) 論

本文以灌區(qū)的計(jì)量與水管理為目標(biāo)，利用GIS地理信息平臺(tái)，構(gòu)建了瀟河灌區(qū)計(jì)量與水管理信息系統(tǒng)。初步實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)信息綜合化管理，今后可以考慮系統(tǒng)與RS和GPS相結(jié)合，通過遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，及時(shí)更新GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步提高灌區(qū)管理系統(tǒng)的智能化。

[1] 譚加才,譚季秋，陳帥.基于ERP環(huán)境下的設(shè)備管理系統(tǒng)的分析與開發(fā)[J].機(jī)電工程技術(shù),2004,33(3):45-48.

[2] 王振穎,基于GIS遼寧省灌區(qū)管理信息系統(tǒng)的研究:[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2006.

[3] 張仁田,肖堅(jiān),鞠茂森.灌區(qū)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制技術(shù)與優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2002,3(3):9-11.

Research on GIS-based irrigated area measurement and water management system

LIU Xiaojun

(Jinzhong Xiaohe River Basin Administration, Jinzhong 030600, China)

In the paper, advanced GIS platform is utilized from the perspective of supporting scientific water use management in the irrigated area aiming at bottleneck problems restricting water-saving development in the irrigated area, such as backward management means, low water resources utilization rate, etc. in Xiaohe Irrigated Area. Measurement and water management system of Xiaohe Irrigated Area is established through computer network transmission.

ArcGIS; GIS; irrigated area informatization; Xiaohe Irrigated Area

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.05.016

TV213.4

A

2096-0131(2017)05- 0066- 04