農(nóng)村飲水工程的信息化建設(shè)

楊婉寧 王潔瑜 楊文棟

(1.陜西省咸陽市禮泉縣水利管理站，陜西 咸陽 713200； 2.中國電建西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代信息化、智能化技術(shù)的推動下，農(nóng)田水利信息化建設(shè)創(chuàng)新了管理模式，充分發(fā)揮了飲水工程的社會效益。作為農(nóng)田水利建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，飲水工程關(guān)系到居民正常的飲水安全和畜牧業(yè)的發(fā)展，受農(nóng)村人口的增加、水資源時(shí)空分布不均、國家精準(zhǔn)扶貧戰(zhàn)略的影響，亟需通過信息智能化手段來提高農(nóng)村飲水工程的管理水平，發(fā)揮供水效益[1]。

1 飲水工程現(xiàn)狀

飲水工程是重要的民生工程，它的建設(shè)關(guān)系到人民基本生活需求，在數(shù)字經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)背景下，現(xiàn)狀條件下的飲水工程存在飲水資源配置率低，飲水資源利用率低，各供水廠系統(tǒng)之間孤立，存在信息孤島現(xiàn)象；而在水資源市場化背景下，較低的水資源配置率和利用率，會增加居民生活成本，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一管理，不僅增加人員管理成本，還無法充分保證飲水安全[2]。

作為水利信息化建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，農(nóng)村飲水工程信息化建設(shè)是全面建成小康社會的重要內(nèi)容，就現(xiàn)狀條件下飲水工程存在的問題，李萍指出農(nóng)村飲水工程存在飲水安全意識不足、飲水資源污染嚴(yán)重、給水技術(shù)相對落后、飲水設(shè)施較為缺乏等問題，并指出飲水工程信息化建設(shè)是解決這些問題的關(guān)鍵一招[3]；唐湘茜等人借助大數(shù)據(jù)分析、自動化控制技術(shù)，構(gòu)建適用于水源地到用水戶的全過程自動化監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)“一工程一檔案”，對農(nóng)村飲水工程運(yùn)行進(jìn)行信息化建設(shè)[4]；張立紅以固原農(nóng)村安全飲水工程為研究對象，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，進(jìn)行信息化建設(shè)，不僅可以對飲水工程實(shí)時(shí)監(jiān)控,還可以實(shí)現(xiàn)引水資源的優(yōu)化調(diào)度，同時(shí)提高工程質(zhì)量，降低成本[5]；劉海峰等就飲水工程存在的管理問題為適應(yīng)新形勢下農(nóng)業(yè)的發(fā)展對武威市涼州區(qū)飲水工程進(jìn)行信息化建設(shè)[6]。

綜上，在水利信息化和精準(zhǔn)扶貧政策引導(dǎo)下，加強(qiáng)水利工程的信息化建設(shè)可改善現(xiàn)狀條件下農(nóng)村飲水工程的不足。

2 飲水工程信息化平臺構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 飲水工程大數(shù)據(jù)

飲水工程不僅要保證居民飲水，也要兼顧河道生態(tài)用水需求。飲水工程大數(shù)據(jù)不僅涵蓋飲水工程自身數(shù)據(jù)，而且還包括與研究區(qū)域相關(guān)的數(shù)據(jù)。其中，飲水工程自身數(shù)據(jù)主要包含工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程空間地理位置數(shù)據(jù)及工程中用到的一些歷史數(shù)據(jù)。而涉及研究區(qū)域的數(shù)據(jù)主要有區(qū)域水源數(shù)據(jù)、區(qū)域內(nèi)用戶的用水?dāng)?shù)據(jù)、區(qū)域人口、區(qū)域面積、區(qū)域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值等數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 飲水工程大數(shù)據(jù)構(gòu)成

2.2 數(shù)據(jù)共享

飲水工程數(shù)據(jù)共享主要是實(shí)現(xiàn)飲水行業(yè)間數(shù)據(jù)共享和其他行業(yè)共享。行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和整理應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行水利部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過構(gòu)建統(tǒng)一的水利數(shù)據(jù)資源目錄，然后根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)及時(shí)更新數(shù)據(jù)，并采用系統(tǒng)對接、聯(lián)機(jī)查詢、在線瀏覽等方式，實(shí)現(xiàn)不同層級間的數(shù)據(jù)共享；同時(shí)省級水利信息化部分應(yīng)該統(tǒng)建水利數(shù)據(jù)倉，并研發(fā)數(shù)據(jù)共享交換平臺。其他行業(yè)數(shù)據(jù)的采集和整理應(yīng)該按照相關(guān)要求嚴(yán)格執(zhí)行，并建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享機(jī)制可以提高數(shù)據(jù)的利用率。

2.3 功能應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)村飲水工程管理平臺關(guān)鍵在于在對水資源預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化調(diào)度模型，對飲水資源合理配置，充分保證飲水安全。

2.3.1 水資源預(yù)測體系

受氣候變化和人類活動的影響，需在分析流域各水文要素時(shí)空變化的基礎(chǔ)上，借助模型，分析地表水和地下水間得轉(zhuǎn)化關(guān)系，并對水質(zhì)、水量、生態(tài)需水量做出預(yù)測。

1)地表水量預(yù)測。構(gòu)建地表水SWAT模型：將土地利用、氣象、水文、植被、遙感、土壤特征等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為輸入條件，并建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫，借助DEM、水系、河網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用ArcSWAT實(shí)現(xiàn)流域劃分、邊界設(shè)定、水文相映單元的生成等，利用實(shí)測徑流值對模型進(jìn)行識別、調(diào)參、校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

地表水預(yù)測：利用構(gòu)建的SWAT模型，將氣象、水文等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型，利用SWAT模型，對地表水做出預(yù)測。

2)地表水與地下水耦合。通過分析鉆孔情況和水文地質(zhì)資料，獲得流域地下水補(bǔ)給、徑流、排出的條件，利用Visual MODFLOW Flex6.1建立概念模型，生動刻畫出地下水的真實(shí)流場；同時(shí)借助ArcGIS，建立基于SWAT地下水補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)對應(yīng)表，在時(shí)間和空間尺度上對地表水和地下水進(jìn)行耦合。

3)水質(zhì)預(yù)測。考慮未來氣候變化的影響條件下，人類活動對地表水水量和水質(zhì)的影響，利用地表水評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對地表水現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)。選取水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)模型預(yù)測未來水平下地表水和地下水水質(zhì)情況。

2.3.2 水資源配置模型

在農(nóng)村飲水配置過程中，建立水資源配置模型，以農(nóng)村所有用戶總?cè)彼孔钚『退畮炜倵壦孔钚槟繕?biāo)，利用SWAT做出水資源預(yù)測的基礎(chǔ)上，以需水量、輸水能力等為約束，利用優(yōu)化算法進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的飲水資源配置方案。以總?cè)彼亢涂倵壦孔钚槟繕?biāo)，目標(biāo)函數(shù)如式(1)所示：

(1)

其中，aj為第j個(gè)用戶的權(quán)重系數(shù)；Tj,t為第j個(gè)用戶在第t時(shí)段缺水量；Oi,t為第t時(shí)段第i水庫的棄水量；γ為水庫棄水的懲罰系數(shù)。此外約束條件為：

水庫蓄量約束：

Vmin,i≤Vi,t≤Vmax,i

(2)

其中，Vmin,i為第i水庫蓄水量的最小值，一般為死庫容；Vmax,i為第i水庫蓄水量的最大值，應(yīng)充分保證水庫自身安全，一般取值正常蓄水位對應(yīng)的庫容。

最小需水能力約束：

Gj,t≤Xj,t

(3)

其中，Gj,t為第t時(shí)段給第j用戶的供水量；Xj,t為第t時(shí)段給第j用戶的需水量。

干渠輸水能力約束：

GQSm≤GQSs,m

(4)

其中，GQSm為總干渠第m個(gè)分水口向下輸水量；GQSs,m為第m個(gè)分水口處總干渠的設(shè)計(jì)流量值。

變量非負(fù)約束：

B≥0

(5)

其中，B為任意變量。

3 飲水工程信息化平臺應(yīng)用研究

農(nóng)村飲水安全信息化管理平臺系統(tǒng)主要是根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)需求，運(yùn)用新一代的信息化技術(shù)，借助智能設(shè)備實(shí)時(shí)感知水務(wù)狀態(tài)，采集水務(wù)信息，通過構(gòu)建統(tǒng)一融合的公共管理平臺，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，用更科學(xué)、更現(xiàn)代化、更精細(xì)的管理方式，實(shí)現(xiàn)從制水、供水、用水整個(gè)水務(wù)生產(chǎn)流程的全管控，提升農(nóng)村水務(wù)管理與服務(wù)水平，適應(yīng)未來農(nóng)村水務(wù)的發(fā)展。

3.1 總體框架

農(nóng)村飲水工程信息化管理平臺總體框架如圖1所示。

1)感知層。感知層共分為兩部分：信息感知，是通過各類傳感器，將供水過程的各類數(shù)據(jù)，包含視頻圖像、水位、流量、壓力、水質(zhì)、泵站的電流電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛感知；設(shè)施控制，通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及控制計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對供水工程中各類設(shè)施進(jìn)行“集中管理，分散控制”，達(dá)到安全生產(chǎn)，快速反應(yīng)，遠(yuǎn)程調(diào)度的目的。

2)傳輸層。采用GPRS/4G/5G及光纖有線等相結(jié)合的通信方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)互通。

3)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)的存儲分析平臺，主要實(shí)現(xiàn)將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源分類存儲，避免數(shù)據(jù)混亂，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的調(diào)用等功能，主要包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、水利空間屬性數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫。

4)應(yīng)用層。通過聚合分散和異構(gòu)的應(yīng)用和信息資源，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用統(tǒng)一的訪問入口，將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源、非結(jié)構(gòu)化文檔和其他互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行集成，同時(shí)無縫接入各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為用戶提供一個(gè)支持信息訪問、傳遞和協(xié)作的集成平臺。

5)業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，并按照平臺用戶類型應(yīng)用到實(shí)際生活中。針對不同的用戶,提供相應(yīng)的信息技術(shù)服務(wù)。如面向水廠,提供相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表,實(shí)時(shí)監(jiān)測供水管網(wǎng)的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測飲水資源的水質(zhì)，同時(shí)根據(jù)用戶用水需求和水資源配置模型，對水資源合理配置使系統(tǒng)總?cè)彼孔钚　?/p>

6)用戶層。用戶層主要是指使用該系統(tǒng)的各類用戶，包括移動用戶和靜態(tài)用戶，主要有水廠、用水戶、農(nóng)引管理單位、水利管理單位及政府機(jī)構(gòu)，它們可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與中間層進(jìn)行通信，從而完成所需的工作。

3.2 功能應(yīng)用

利用公共管控平臺，結(jié)合相關(guān)的監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測供水水質(zhì)和水量，并結(jié)合自控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對水庫險(xiǎn)情實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警與自動控制，然后利用圖表實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析用戶供水?dāng)?shù)據(jù)，對農(nóng)村供水信息進(jìn)行綜合分析，結(jié)合視頻會商進(jìn)行專家決策，對供水情況給出綜合的解決方案。

1)綜合監(jiān)管門戶。以GIS為手段，整合地形、影像和道路等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和水廠、地上地下管網(wǎng)、水渠、水閘等供水工程數(shù)據(jù)，構(gòu)建供水工程三維模型和虛擬現(xiàn)實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)供水工程虛擬場景的三維漫游、設(shè)備信息查詢、空間位置查詢、供水實(shí)時(shí)監(jiān)控和供水工程的可視化管理，為供水管理人員提供供水工程的三維可視化管理，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水的信息化和現(xiàn)代化管理。

2)管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過布置監(jiān)測點(diǎn)，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，將各監(jiān)測點(diǎn)所測的水位、水壓、流量、水質(zhì)信息等數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的在線監(jiān)測，同時(shí)為控制中心及有關(guān)部門提供真實(shí)準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)，供分析決策使用，保證供水質(zhì)量，滿足日益增長的用水量的需求。

3)水質(zhì)監(jiān)測與評價(jià)系統(tǒng)。水質(zhì)監(jiān)測與評價(jià)系統(tǒng)主要是利用監(jiān)測設(shè)備、水質(zhì)監(jiān)測處理軟件等，通過固定、移動、自動等方式相結(jié)合的水質(zhì)信息采集手段，定期采集水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析水質(zhì)監(jiān)測、快速監(jiān)測突發(fā)性水污染信息，同時(shí)利用水質(zhì)信息數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)的預(yù)測模型，對水質(zhì)趨勢進(jìn)行預(yù)測，及時(shí)進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)，確定主要的污染源，并制定相應(yīng)的措施預(yù)案，對水質(zhì)情況進(jìn)行評估。

4)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，通過監(jiān)控設(shè)備為用戶提供圖像、聲音和各種報(bào)警信號遠(yuǎn)程采集、傳輸、儲存、處理，各水庫、水廠建立相應(yīng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)至監(jiān)控中心服務(wù)平臺，監(jiān)控中心通過以集中式分區(qū)劃運(yùn)營方式為用戶提供便捷、經(jīng)濟(jì)、有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控整體解決方案。

5)供水會商系統(tǒng)。供水會商系統(tǒng)是以先進(jìn)的視頻會議系統(tǒng)為主，輔以數(shù)字會議系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、音響系統(tǒng)等硬件設(shè)備，然后通過供水管控平臺，借助平臺決策支持、自動管控、管網(wǎng)監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測與評價(jià)、安防視頻監(jiān)控、三維信息可視化平臺等軟件系統(tǒng)，充分耦合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三維GIS技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，將信息采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、決策分析有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)會議協(xié)商、會商指揮、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多項(xiàng)功能，為決策人員提供強(qiáng)有力的、功能齊全的分析、決策和指揮調(diào)度環(huán)境。

6)自動化管控系統(tǒng)。自動化管控系統(tǒng)主要是借助PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，PLC系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議與監(jiān)控平臺主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)管控各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并通過PLC系統(tǒng)對水廠處理系統(tǒng)(包括格柵、機(jī)械混合池、凈化、提水泵站等設(shè)備)進(jìn)行全自動化管控，同時(shí)借助PLC系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題并處理。

7)遠(yuǎn)程收費(fèi)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程收費(fèi)系統(tǒng)主要是為水利及水廠等部門提供水費(fèi)征收管理的系統(tǒng)，通過采用遠(yuǎn)程智能抄表技術(shù)，采集供水用戶的水量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用水戶的基礎(chǔ)資料，打印相關(guān)的票據(jù)和收費(fèi)單，并同時(shí)將抄表員及收費(fèi)員等信息，連通用戶用水的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲和管理，方便管理者對用水用戶的水費(fèi)情況進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)分析，有助于各水管部門獲取決策信息，提高工作效率，提升服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過農(nóng)村飲水工程的信息化建設(shè)，可以優(yōu)化飲水水資源配置，對水資源合理調(diào)度，提高飲水資源利用率，充分保障人畜飲水安全，在水權(quán)交易市場背景下可以獲得經(jīng)濟(jì)效益；通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)和飲水工程信息化管理平臺，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測供水管網(wǎng)的運(yùn)行動態(tài)，針對不安全問題可做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)行動，降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以降低運(yùn)維成本；此外對飲水工程的信息化建設(shè)可以方便管理者管理，創(chuàng)新管理模式，提高管理效率，為科學(xué)安全的決策提供可靠依據(jù)。