淠史杭灌區(qū)智能化量測控水與農(nóng)業(yè)節(jié)水示范區(qū)建設(shè)構(gòu)想

劉平義 ，南娜娜 ，王吉星

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3. 安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局，安徽 六安 237005）

0 引言

灌區(qū)在我國農(nóng)業(yè)中具有至關(guān)重要的地位和作用，是保障國家糧食安全和社會經(jīng)濟用水安全的基礎(chǔ)支撐，是落實節(jié)水優(yōu)先的主戰(zhàn)場。隨著我國“四化同步”戰(zhàn)略加快實施，灌區(qū)的現(xiàn)代化改造與發(fā)展已經(jīng)成為當前及未來一段時間我國灌區(qū)建設(shè)和發(fā)展的核心工作。2018 年中央一號文件《中共中央國務院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》進一步明確要實施國家農(nóng)業(yè)節(jié)水行動，加快灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造，推進小型農(nóng)田水利設(shè)施達標提質(zhì)，建設(shè)一批重大高效節(jié)水灌溉工程[1]。中華人民共和國《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》和《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出“完成 434 處大型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造任務”要求[2]，國家發(fā)展和改革委員會、水利部組織編制了《全國大中型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造實施方案（2016—2020 年）》，方案核定了淠史杭灌區(qū)改造工程投資規(guī)模與主要建設(shè)內(nèi)容，是“十三五”期間淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造工作的重要依據(jù)[3]。通過安徽省淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造（2016—2020 年）工程量測水設(shè)施專項項目的實施[4]，大幅度提高灌區(qū)基礎(chǔ)信息采集和傳輸?shù)臅r效性和準確性，充分發(fā)揮已建水利工程設(shè)施的效能，為制定合理的水資源配置和調(diào)度方案提供科學依據(jù)，從管理層面上強化續(xù)建配套與節(jié)水改造的作用效果，并為實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化打下基礎(chǔ)。

按照“節(jié)水優(yōu)先、生態(tài)之基、智慧管理、共建共享、魅力人文”的淠史杭灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)原則[5]，開展淠史杭灌區(qū)智能化量測控水農(nóng)業(yè)節(jié)水示范先行先試，探索以節(jié)水和增產(chǎn)為目的，實現(xiàn)粗放性節(jié)水到精細化節(jié)水轉(zhuǎn)變，促進灌區(qū)管理科學發(fā)展。

1 建設(shè)模式

1.1 平臺架構(gòu)

通過物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)實灌區(qū)與數(shù)字灌區(qū)進行有效融合，感測、整合、分析灌區(qū)生產(chǎn)運行過程中的各項信息，對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活等用水的各種需求做出智能響應，為灌區(qū)管理者和用水戶提供方便、快捷的智能化服務。灌區(qū)量測水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

建設(shè)以“1 個中心 + 1 個平臺 + 1 個門戶”為重點的系統(tǒng)業(yè)務體系[6]。其中 1 個中心即水利云計算數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的安全存儲、多部門共享和大數(shù)據(jù)綜合分析；1 個平臺即智慧灌區(qū)數(shù)據(jù)源采集平臺，開展水雨工情等數(shù)據(jù)的自動化傳感或人工方式的采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集、傳輸、處理、整編、分析、展現(xiàn)及數(shù)據(jù)推送的規(guī)范化數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)智能化運維管理；1 個門戶即以灌區(qū)一張圖為基礎(chǔ)的一體化應用門戶，統(tǒng)一用戶管理、單點登錄，匯集水資源調(diào)度與管理、防汛決策支持、水利工程管理、農(nóng)村用水協(xié)會水利管理、灌區(qū)綜合信息服務等全業(yè)務的集成和全方位通用一體化應用。系統(tǒng)業(yè)務構(gòu)架如圖2 所示。

1.2 量測控水

智能化量測控水是智慧灌區(qū)數(shù)據(jù)源采集平臺基礎(chǔ)。灌區(qū)量水大約分成以下 3 個不同的發(fā)展階段：

1）人工化量水階段。著重點在人工“量”。

2）自動化量測水階段。著重點在利用儀器設(shè)備進行“量和測”。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務構(gòu)架圖

3）智能化量測控水階段。著重點在“量測加控”，如利用一體化閘門技術(shù)。

選擇安徽省淠史杭灌區(qū)潛南干渠花崗支渠進行示范區(qū)試點[2]，并運用智能化量測階段發(fā)展的量測控技術(shù)手段。

2 智能化量測控水農(nóng)業(yè)節(jié)水示范區(qū)建設(shè)

2.1 示范區(qū)基本情況

花崗支渠是肥西縣淠史杭工程淠河總干渠潛南干渠灌區(qū)境內(nèi)的一條重要支渠，支渠位置如圖3 所示。渠首位于潛南干渠中下游 35 + 135 處，渠道全長為 18.95 km，渠首設(shè)計流量為 4.59 m3/s，設(shè)計灌溉面積為 6 000 hm2，自青陽分水閘處分為左右 2 條支渠。左支渠設(shè)計流量為 3.02 m3/s，長度為 7.55 km，灌溉面積為 4 000 hm2。右支渠設(shè)計流量為 1.20 m3/s，長度為 6.029 km，灌溉面積為 1 600 hm2。花崗支渠下有斗渠 5 條，農(nóng)渠 14 條，毛渠若干條。支渠現(xiàn)有配套建筑物支渠進水閘 2 座，節(jié)制閘（含跌水）23 座，放水涵 175 座。

圖3 潛南干渠灌區(qū)花崗支渠布置圖

目前灌區(qū)上、下游用水很不均勻，上游灌區(qū)水源條件好，用水浪費嚴重，部分地區(qū)灌溉用水定額高達 9 000～12 000 m3/hm2，而下游灌區(qū)往往苦于無水可用，灌溉用水定額僅為 3 000～4 500 m3/hm2，干旱年份用水更為緊張。

示范建設(shè)指標如表1 所示。

表1 花崗支渠現(xiàn)代化灌區(qū)近期建設(shè)主要指標

2.2 示范技術(shù)

肥西縣潛南干渠花崗支渠量測水設(shè)施及信息化系統(tǒng)包括信息采集、全渠道控制 TCC（Total Channel Control）、智能化量測控水農(nóng)業(yè)節(jié)水綜合應用等方面。

示范區(qū)業(yè)務模塊配置為智能化量測水監(jiān)測計量—作物需水—灌溉決策支持—反饋閘門控制。

2.2.1 量測水監(jiān)測計量

節(jié)水示范區(qū)將從花崗支渠首到支渠、斗渠、農(nóng)渠、放水涵量測水設(shè)施等一系列進行標準化和規(guī)范化設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)量測水信息采集系統(tǒng)。全渠道實現(xiàn)量測水量精準計量，形成閉合的用水精細化管理模式，建立和諧用水關(guān)系和農(nóng)業(yè)節(jié)水長效機制。

根據(jù)支渠、斗渠、農(nóng)渠、放水涵的現(xiàn)場情況選用合適的自動化計量設(shè)施，以遠程傳輸數(shù)據(jù)的方式，將采集的流量信息傳送至中心站或智慧水利云計算數(shù)據(jù)中心，基層水管站和用水管理部門按照管理權(quán)限直接登錄訪問。

支渠口進水閘水量監(jiān)測采用水工建筑物計算計量方式；斗渠、農(nóng)渠口水量監(jiān)測采用雷達波流量自動監(jiān)測方式；放水涵水量監(jiān)測采用非滿管流量計自動監(jiān)測方式。

2.2.2 作物需水監(jiān)測

1）土壤墑情及農(nóng)作物生長信息采集。土壤墑情及農(nóng)作物生長信息包括田間蒸發(fā)量、地下水位、土壤瞬時含水量、作物需水量等。通過對田間墑情及各類農(nóng)作物生長及水分需求信息的采集并通過實驗研究，獲取影響作物生長的關(guān)鍵信息，為灌區(qū)的節(jié)水灌溉和水資源優(yōu)化調(diào)度提供科學依據(jù)。

2）水雨情監(jiān)測。水雨情信息是根據(jù)水雨情分析灌區(qū)和自然來水量，以實現(xiàn)需水量的科學補充配置。

3）氣象信息采集。除降雨外，其他的氣象要素如水面蒸發(fā)、氣溫（包括日平均、最高和最低氣溫）、風速、太陽輻射、空氣濕度等對于農(nóng)作物的耗水有重要影響和對于灌區(qū)準確和及時配水至關(guān)重要的氣象因子參數(shù)。

2.2.3 灌溉決策支持

1）根據(jù)封閉區(qū)間各“口門”的水量輸送過程，計算該區(qū)間來水、用水的平衡度，分析渠道乃至渠系水利用系數(shù)，結(jié)合淠史杭灌區(qū)來水和用水的具體情況評估水資源利用的合理性，為下一輪調(diào)配方案的制定提供參考依據(jù)。

2）根據(jù)水資源調(diào)配要求，建立調(diào)配模型，編制調(diào)度過程及軟件，嘗試實現(xiàn)如圖4 所示的閉環(huán)控制機理和機制，按照水資源調(diào)配要求的控制水位或流量實現(xiàn)閉環(huán)控制[1]。

圖4 水資源調(diào)配模型示意圖

2.2.4 反饋閘門控制

閘門監(jiān)控[7]。對現(xiàn)場配水閘門進行遠程監(jiān)控，同時還監(jiān)視各閘門的位置及運行情況，當出現(xiàn)閘門故障時系統(tǒng)能及時報警。為便于現(xiàn)場的調(diào)試、維護和緊急情況處理，系統(tǒng)能就地對閘門進行控制。閘門啟閉過程由設(shè)在閘門附近的攝像頭及閘室內(nèi)的攝像頭監(jiān)視整個過程，確保閘門正啟閉。閘門啟閉后，設(shè)在閘門下游的水位監(jiān)測設(shè)備能在短時間內(nèi)反饋渠道水位的變化，以校核閘門啟閉情況。渠系閘門監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖5 所示。

選擇支渠上一塊比較完整的（水稻）農(nóng)田 33 hm2作為試驗田，建立全渠道控制 TCC 渠道控制方案，作為渠道水量精準計量試點。在灌區(qū)渠系或輸送系統(tǒng)中加入一系列一體化測控槽閘可優(yōu)化水源的逐級供給，保持農(nóng)戶用水的流量均衡，同時杜絕渠道末端出現(xiàn)多余水源流失的現(xiàn)象。

一體化測控槽閘是整套全渠道控制系統(tǒng)的組成設(shè)備之一。由模塊化的硬件和軟件組合而成的全渠道控制系統(tǒng)可以為用戶提供定制的解決方案，比如渠系管理和控制，需求管理，用戶訂水管理和收費。一體化測控槽閘可以與全渠道控制系統(tǒng)的其他設(shè)備相結(jié)合為灌區(qū)所面臨的挑戰(zhàn)提供解決方案，比如配水效率、運行控制，精確計量和為農(nóng)民服務的水平等。全渠道控制 TCC 系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 全渠道控制 TCC 系統(tǒng)模型

在灌水渠道運行中普遍存在的溢流和棄水造成水資源嚴重浪費。保守的渠道管理和人工調(diào)節(jié)閘門導致渠系內(nèi)水位波動大，各供水點流量不穩(wěn)定，導致土壤過度滲透及多余的水從渠系末端流失；渠道運行缺乏靈活性，農(nóng)戶得提前數(shù)天訂水，也就是說農(nóng)作物需要灌溉的時候農(nóng)戶不一定有水，給農(nóng)戶造成耕種損失；流量測量不夠頻繁和準確，渠系管理水平無法提高；供水點計量不準確及漏水導致供水不公平；難以確定渠系哪一段滲漏嚴重等一系列問題發(fā)生，使得用水效率低下。為避免水資源浪費，改善生態(tài)環(huán)境，使農(nóng)戶受益于可靠的供水體系，就要有這種信息化、數(shù)字化、智能化的渠系控制 TCC 解決方案。

渠系控制需求運行程序如下：

1）農(nóng)戶開始灌溉時，取水口立刻向上游的閘門發(fā)送流量需求信息。

2）上游閘門的回應是向該渠段輸送額外流量。

3）下游的閘門監(jiān)測理想水位的變化，然后將這一信息發(fā)送到上游閘門，對閘門的開度稍做調(diào)整，以確保水位保持在適當水平。與此同時，上游閘門將額外流量需求信息傳輸?shù)缴嫌蔚南乱粋€閘門。

4）上游的那些閘門打開，將額外流量輸往有需求的渠段。

5）渠系的這一段上下游的閘門也監(jiān)測水位，同時將信息傳輸?shù)缴嫌伍l門對流量稍加調(diào)整，以確保本渠段的水位保持在適當水平。

6）上述程序在整個渠系持續(xù)，以保證適當水量通過各相關(guān)閘門，將水位保持在適當水平，而不發(fā)生溢流。至此，渠道末端的溢流現(xiàn)象就此消除了。反過來，當農(nóng)戶停止灌溉，信息從取水口傳輸?shù)皆撧r(nóng)場上游的閘門，由該閘門減少水量，而下游閘門監(jiān)測水位并將信息傳輸?shù)缴嫌伍l門，對流量稍做調(diào)整。這一程序也是沿渠道各閘門重復，利用渠系內(nèi)可用儲存將返回到渠系內(nèi)的流量存起來。

2.2.5 智能化量測控水農(nóng)業(yè)節(jié)水綜合應用業(yè)務

綜合應用業(yè)務包括信息采集接收、數(shù)據(jù)庫、管理及用水管理決策等系統(tǒng)[8]。用水管理決策系統(tǒng)是整個信息化系統(tǒng)的核心部分，包括灌溉管理輔助決策支持、水資源管理決策支持、工程管理、水價電子核算、灌區(qū)信息共享與信息服務等系統(tǒng)。

以灌區(qū)供用水管理業(yè)務為核心，對灌區(qū)的地理、工程、監(jiān)測、供用水管理、工程運行管理與調(diào)度等信息進行數(shù)字化處理，并開發(fā)基于手機移動端的灌區(qū)供用水信息管理與發(fā)布平臺，提高示范區(qū)供用水綜合信息管理的水平與效率。

通過農(nóng)業(yè)灌溉用水量總量控制，定額管理，終端計量；形成一條進多少水，用多少閉合回路；調(diào)控各區(qū)域內(nèi)水量均衡；灌區(qū)渠系水利用系數(shù)從 0.55提高到了 0.65。

3 經(jīng)濟效益分析

花崗支渠農(nóng)業(yè)節(jié)水示范工程改造實施后，經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在節(jié)水、增產(chǎn) 2 個方面：1）改善了灌區(qū)用水條件，提高了現(xiàn)有灌溉面積的灌溉質(zhì)量和保證率，提高了糧食產(chǎn)量；2）減少跑水、漏水、漫水等現(xiàn)象，提高了渠系水的利用系數(shù)，節(jié)約的水量可以新增灌溉面積，再增加糧食產(chǎn)量。

3.1 節(jié)水效益

近 3 a 的灌溉資料統(tǒng)計顯示，花崗支渠農(nóng)業(yè)節(jié)水示范工程改造實施后每年節(jié)約用水 528 萬 m3，灌溉水利用系數(shù)按 0.50 考慮，則可利用水量為 264 萬 m3，查《淠史杭灌區(qū)水稻灌溉效益、分攤系數(shù)試驗研究》報告，50% 降雨年型灌水效益為 1.303 kg/m3，考慮水利分攤后，則節(jié)水效益為 723×0.332 = 240 萬元。

3.2 增產(chǎn)效益

根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計，花崗支渠農(nóng)業(yè)節(jié)水示范工程改造實施改善了灌溉面積 3 800 hm2，其改善灌溉面積糧食增產(chǎn)量為 975 kg/hm2，則改善灌溉面積可增加糧食產(chǎn)量為 370.5 萬 kg，糧食單價按 2.1 元/kg 計，則改善灌溉面積可增加效益為 778 萬元。根據(jù)安徽省淠史杭總局灌溉試驗總站認證的灌溉試驗研究成果《淠史杭灌區(qū)水稻灌溉效益、分攤系數(shù)試驗研究》報告及淠史杭總局灌溉調(diào)度處多年的水雨情資料分析，淠史杭灌區(qū)正常年份屬 50% 降雨年型，灌溉效益分攤系數(shù)取 0.332，則灌溉增產(chǎn)效益為 778 ×0.332 = 258.3 萬元。

4 結(jié)語

通過淠史杭灌區(qū)潛南干渠花崗支渠智能化量測控水農(nóng)業(yè)節(jié)水示范區(qū)建設(shè)，初步形成現(xiàn)代化灌區(qū)“雛形”，以點帶面，逐步推廣。淠史杭灌區(qū)提出了“節(jié)水、生態(tài)、智慧、共享、魅力”的現(xiàn)代化改造目標，將以灌區(qū)信息化作為灌區(qū)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)支撐和重要標志，著力加強節(jié)水示范建設(shè)，率先從全面提升感知能力、全面加強互聯(lián)互通、提高基礎(chǔ)設(shè)施能力、實現(xiàn)信息充分共享、大力推進智慧應用 5 個方面進行灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水的探索與實踐。主要應用效果如下：

1）基礎(chǔ)條件較好的灌區(qū)渠系逐步開展上述示范的水源-渠系-田間的一體化智能、優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，并根據(jù)灌溉水量、水情等信息進行灌區(qū)渠系用水效率、效益及敏感性參數(shù)變化分析，為灌區(qū)運行管理提供數(shù)據(jù)支撐。

2）農(nóng)業(yè)節(jié)水工程與用水管理實現(xiàn)信息化，具有灌溉管理決策支持系統(tǒng)，能夠根據(jù)氣象變化、作物需水等情況，進行灌溉預報和實施灌溉用水“總量控制、定額管理”的供水調(diào)度。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，適時提供灌溉排水優(yōu)質(zhì)服務，實現(xiàn)灌溉用水“適時、適量”的管理目標。