河北省農(nóng)田水利工程運行管理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

金江波，郎子雪，金子航，李朝陽

(1.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心水利信息化處，河北省石家莊市石清路69號 050061；2.河北省石家莊水文勘測研究中心監(jiān)測處，河北省石家莊市水產(chǎn)西街24號 050051；3.天津農(nóng)學院水利工程學院，天津市西青區(qū)津靜路22號 300392)

河北省是典型的資源型缺水省份，水資源嚴重不足，人均水資源占有量307m3，畝均水資源占有量221m3，這兩項均為全國平均值的1/7。河北省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)灌溉水量占比大，約占總用水量70%左右。由于灌溉方式相對落后、節(jié)水意識還不夠強，農(nóng)田灌溉浪費現(xiàn)象普遍存在。河北省有農(nóng)用機井104萬余眼，165處大中型灌區(qū)，渠灌區(qū)水資源利用率只有40%左右，井灌區(qū)也只有60%，而發(fā)達國家農(nóng)業(yè)用水有效利用效率達80%。

河北省委省政府高度重視農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水工作，編制了《河北省地下水超采綜合治理規(guī)劃(2014-2030)》，也出臺了《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革的實施意見》等一系列的文件，并印發(fā)水利部《加快推進智慧水利的指導(dǎo)意見和智慧水利總體方案的通知》。河北省積極踐行習近平總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”新時代治水思路和綠色發(fā)展理念[1],為了更準確監(jiān)測和統(tǒng)計分析全省農(nóng)業(yè)灌溉用水量，掌握和運用農(nóng)田水利工程信息，加強農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)報預(yù)測功能，提高農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)測算工作水平，促進農(nóng)業(yè)水價綜合改革和水資源稅改革的開展，因此研發(fā)和建設(shè)了河北省農(nóng)田水利工程運行管理信息系統(tǒng)。

1 建設(shè)目的和意義

研發(fā)符合河北省實際、覆蓋全省的農(nóng)田水利工程運行管理信息系統(tǒng)，有效實現(xiàn)全省農(nóng)業(yè)灌溉用水量的統(tǒng)計分析與全省農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)測算，構(gòu)建農(nóng)田水利工程檔案管理系統(tǒng)、灌溉預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)以及農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)的成果通過互聯(lián)網(wǎng)向應(yīng)用系統(tǒng)的管理人員，以及省市縣各級水行政部門開放，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有效提高河北省農(nóng)田水利管理水平，為河北省農(nóng)田水利信息化管理提供技術(shù)支撐和手段。本項目建設(shè)，將大大提高對全省農(nóng)田工程和農(nóng)業(yè)灌溉用水量的管理水平，基本實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉用水量的科學測算，可以及時獲取全省農(nóng)業(yè)用水的準確數(shù)據(jù)，可以有效對全省農(nóng)業(yè)灌溉進行科學管理，為合理配置水資源提供可靠的數(shù)據(jù)保障。通過對全省農(nóng)業(yè)取用水量數(shù)據(jù)分析，為當?shù)厮Y源管理者提供決策依據(jù)，合理分配水資源，可以提高工作效率與決策水平，對提高農(nóng)業(yè)水資源管理水平具有極大的促進作用。

2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

為了使河北省農(nóng)田水利工程運行管理信息系統(tǒng)既適應(yīng)當前的需求，又面向未來發(fā)展的需要，系統(tǒng)建設(shè)依據(jù)“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一設(shè)計、數(shù)據(jù)共享”的原則，利用工信廳的“大智移云”等資源，通過互聯(lián)網(wǎng)和實時在線監(jiān)測信息采集系統(tǒng)，接收固定監(jiān)測點以GPRS/INTERNET方式傳輸?shù)男畔ⅲ鳛橄到y(tǒng)基礎(chǔ)信息來源。該系統(tǒng)由信息采集、基礎(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)管理平臺、支撐平臺、應(yīng)用子系統(tǒng)、門戶網(wǎng)站等部分組成，同時包括貫穿系統(tǒng)各層的安全保障體系及信息化標準體系系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)共包括5個子系統(tǒng)，如圖1所示，分別為農(nóng)業(yè)灌溉水量統(tǒng)計分析管理子系統(tǒng)、農(nóng)田水利工程檔案管理子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)報管理子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)管理子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理子系統(tǒng)。5個子系統(tǒng)為農(nóng)田水利工程的主要建設(shè)內(nèi)容，相輔相承，通過互聯(lián)網(wǎng)向該系統(tǒng)的管理人員、省市縣各級水行政部門開放，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息交互。

圖1 總體技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of overall technical architecture

3 各系統(tǒng)功能描述

3.1 農(nóng)業(yè)灌溉水量統(tǒng)計分析管理子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)灌溉水量統(tǒng)計分析管理系統(tǒng)通過實時信息監(jiān)測系統(tǒng)，接收全省規(guī)模為5000眼固定觀測井的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立農(nóng)作物種植面積臺賬，觀測機井臺賬，以科學的方法計算統(tǒng)計各區(qū)縣以電折水系數(shù)，采用多種統(tǒng)計方式，統(tǒng)計分析全省農(nóng)業(yè)灌溉地下水用水量[2]；研發(fā)了以電折水系數(shù)法為主進行農(nóng)業(yè)灌溉水量分析計算方法，并通過與農(nóng)業(yè)實灌面積及定額估算法、典型區(qū)調(diào)查法、統(tǒng)計調(diào)查法農(nóng)業(yè)灌溉水量分析結(jié)果比較，得到較為準確的河北省及各市縣農(nóng)業(yè)灌溉水量。為解決河北省農(nóng)業(yè)灌溉取水機井數(shù)量眾多，全部直接安裝取水量計量設(shè)施難度較大，農(nóng)業(yè)灌溉水量難以得到準確值的問題提供了解決辦法[3]。

系統(tǒng)功能主要包括接收固定觀測井的監(jiān)測數(shù)據(jù)，開關(guān)泵記錄，機井數(shù)據(jù)初步以電折水換算，觀測井以電折水系數(shù)查詢、行政區(qū)以電折水系數(shù)成果查詢；建立地表水灌區(qū)檔案，接入渠首監(jiān)測水量數(shù)據(jù)，分析河道泵站水量數(shù)據(jù)，以多種統(tǒng)計方式，統(tǒng)計全省農(nóng)業(yè)灌溉地表水用水量；并能提供省市縣三級統(tǒng)計分析、打印導(dǎo)出功能。

3.2 農(nóng)田水利工程檔案管理子系統(tǒng)

農(nóng)田水利工程檔案是農(nóng)村水利工程建設(shè)項目管理內(nèi)容的重要組成部分，不僅是水利建設(shè)成果的歷史記錄，還是進行農(nóng)田水利工程管理、控制、運用、維修和科研工作的重要依據(jù)[4]，因此，做好農(nóng)田水利工程檔案的整理、立卷、歸檔、分類和管理工作，對于發(fā)展農(nóng)田水利事業(yè)，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增長具有重要意義[5]。

農(nóng)田水利工程檔案管理主要功能是將全省的灌區(qū)、機井、泵站、高效節(jié)水灌溉工程、五小工程等農(nóng)田水利工程信息化，分門別類，將各類別農(nóng)田水利工程在地圖上展示，并提供省市縣三級查詢功能。主要登記信息為農(nóng)田服務(wù)的現(xiàn)有水利設(shè)施，記錄其編號、名稱、行政區(qū)、地址、面積、用途(包括灌溉、排水、除澇和防治鹽、漬災(zāi)害等)、修建時間、管理機構(gòu)、目前狀態(tài)(在用、廢棄)等信息，提供導(dǎo)出及打印功能。系統(tǒng)提供了對專題要素信息的目錄瀏覽、基本查詢、多維主題查詢、要素展示、匯總統(tǒng)計、專題分析等功能，極大提高了河北農(nóng)田水利工程數(shù)據(jù)獲取的效率和便利性。

3.3 農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)報管理子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)報管理系統(tǒng)以目前河北省三大種植作物(小麥、玉米、棉花)為主，并按照以供定需、以供定耗的水資源開發(fā)利用理念，根據(jù)非充分灌溉理論，采用科學灌溉、節(jié)水灌溉新技術(shù)，綜合工程、農(nóng)藝、管理等節(jié)水措施，運用總量控制、定額管理的量化方法，科學確定土壤濕度、適宜灌水時間和適宜灌水量，并及時發(fā)布，指導(dǎo)農(nóng)民科學灌溉、節(jié)水灌溉。

灌溉預(yù)報是以供定耗和資源型節(jié)水的總體思路，利用氣象數(shù)據(jù)、土壤結(jié)構(gòu)、下墊條件、作物生育期，融入供耗分析、ET管理的理念，結(jié)合水源供應(yīng)情況、作物節(jié)水灌溉制度，及歷史氣象資料為基礎(chǔ)，采用計算機技術(shù)與動態(tài)規(guī)劃原理，對不同土壤類型、不同土壤墑情、不同可供水量條件下的農(nóng)田水分狀況和作物生長狀況進行預(yù)測，給出優(yōu)化調(diào)控措施，供不同用戶選擇。利用現(xiàn)代遠程數(shù)字監(jiān)控與通訊技術(shù)、依據(jù)彭曼-蒙特斯公式、按照統(tǒng)計學原理進行縣域內(nèi)的預(yù)測預(yù)報，研發(fā)預(yù)報系統(tǒng)軟件，建立區(qū)域灌溉試驗參數(shù)的確定模式，以及灌溉預(yù)報成果發(fā)布模式和指導(dǎo)農(nóng)民節(jié)水灌溉方法[6]。

利用氣象部門預(yù)報的晴、曇、陰、雨四種天氣狀態(tài)計算預(yù)報參照作物騰發(fā)量，再通過水動力學法預(yù)報未來的土壤濕度剖面分布，計算出根層內(nèi)的平均土壤濕度并與控制的下限值進行比較。確定是否需要灌水，灌多少水。根據(jù)實時采集的氣象數(shù)據(jù)，連同已經(jīng)發(fā)生的灌水時間和灌水量一起代入水動力學法中的作物蒸騰和棵間蒸發(fā)模型中計算ET值(蒸騰蒸發(fā)量)，進而校正預(yù)報的土壤濕度剖面分布，為進一步預(yù)報做好準備[7]。預(yù)報效果實地監(jiān)測、科學評價，實時驗證預(yù)報效果、動態(tài)調(diào)整預(yù)報方案。同時，實地監(jiān)測地下水位，通過其實際變幅和理論變幅的對比、以及供耗平衡，從宏觀上分析評價節(jié)水效果。

3.4 農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)管理子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)管理系統(tǒng)主要是建立測算模型，利用典型田塊灌溉水量、土壤濕度、降雨量監(jiān)測信息等，推求農(nóng)業(yè)灌溉水利用率和水分生產(chǎn)率，給出本區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率指標[8]。灌溉水利用率是指某一時期灌入田間可被作物利用的水量與水源地灌溉取水總量百分比，采用首尾測算法，根據(jù)選定的典型田塊測定的生育期土壤濕度變化計算土壤水分蓄變量、降水量、灌溉水量和ET值(蒸騰蒸發(fā)量)，計算作物生育期凈耗水量，除以生育期灌溉總量，得出典型田塊的農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)。按照典型縣典型田塊的代表性，采用加權(quán)平均法推求出省市縣的農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了全省省市縣農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)測算全覆蓋管理，具有樣點灌區(qū)的信息化管理、農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)測算在線管理、農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)的統(tǒng)計分析，樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算管理，全省灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算管理等多項功能。能夠提供農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)成果報表，省市縣不同規(guī)模灌區(qū)信息匯總表，灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)分析結(jié)果匯總表，省市縣灌溉水有效利用系數(shù)分析結(jié)果匯總表等。

3.5 農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)水價改革是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到不同層次的利益相關(guān)者，有作為主管部門的省市縣三級水利、物價、民政、財政、稅務(wù)機關(guān)，有作為主要責任單位的縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府，有具體負責統(tǒng)計的村集體及合作組織，有需要灌溉用水戶[9]，除此之外還需要有合理的計量設(shè)施、暢通的財政補貼渠道、嚴格的稅收管理等有機聯(lián)系。到2019年，農(nóng)業(yè)水價改革模式在全省108個縣使用，應(yīng)用面積1365萬畝，占全省灌溉面積的22.75%[10]。

農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理系統(tǒng)為全省各區(qū)縣提供一套完整的水價改革管理系統(tǒng)軟件，并將實行水價改革的區(qū)縣數(shù)據(jù)匯總到省市平臺，而后按照需求進行統(tǒng)計分析。縣級農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理系統(tǒng)功能包括：農(nóng)戶信息檔案、全縣取水口檔案、全縣計量設(shè)施檔案、操作人員檔案、地塊信息檔案、作物信息檔案、灌溉用水定額管理檔案、用水定額管理、水價定價管理、水費收取管理、用水計量管理、水權(quán)登記管理、水利工程管理、引調(diào)水與用水計劃管理。鄉(xiāng)級農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理系統(tǒng)功能包括：引調(diào)水與用水計劃管理、水利工程維修與養(yǎng)護管理、審核水費與補貼、用水績效考核。村級農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理系統(tǒng)功能包括：配水管理、本村灌溉工程養(yǎng)護、水費收取管理、用水登記管理、發(fā)放補貼管理、發(fā)放獎勵金管理。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對各縣區(qū)水價改革情況的統(tǒng)計及匯總,并可以匯總統(tǒng)計出省市的水價改革的基本情況，掃除了水價改革水量計算的技術(shù)瓶頸。

4 結(jié)語

河北省農(nóng)田水利工程運行管理系統(tǒng)具有很強的針對性和前瞻性，具有一定的示范帶動作用，有效提高了對全省農(nóng)田工程和農(nóng)業(yè)灌溉用水量的管理水平。2020年至今分別在河北省11地市，涉及167個縣區(qū)得到了應(yīng)用推廣。河北省農(nóng)田水利工程運行管理系統(tǒng)可實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的分片、分類的農(nóng)田水利工程管理，基本實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉用水量的科學測算，及時獲取全省農(nóng)業(yè)灌溉用水的準確數(shù)據(jù)，為全省農(nóng)業(yè)灌溉進行科學管理，合理配置水資源提供可靠的基礎(chǔ)信息。通過農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)報管理系統(tǒng)預(yù)測得到的實時土壤濕度、適宜灌水時間和適宜灌水量等成果的及時發(fā)布，指導(dǎo)農(nóng)民實現(xiàn)科學灌溉、節(jié)水灌溉。農(nóng)業(yè)水價綜合改革管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對省市縣區(qū)水價改革情況的匯總統(tǒng)計，掃除了水價改革水量計算的技術(shù)瓶頸。通過系統(tǒng)各項功能在全省的應(yīng)用，可以進一步提高河北省農(nóng)業(yè)水資源利用管理的效率與決策水平，為河北省農(nóng)田水利信息化管理提供科學技術(shù)支撐。