包志炎，王 萱，魏 杰，邱 雁，陈伟军

(1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省水利信息宣传中心，浙江 杭州 310009；3.杭州钱塘新区建设投资集团有限公司，浙江 杭州 311228)

我国作为农业大国，在区域水资源配置时，农业与工业、生活、服务业等其他行业部门一起参与用水分配。而国家粮食安全的保障，核心在灌区[1]。尤其在“互联网+”时代，大数据、云计算、物联网等新一代信息技术发展迅猛，水资源管理模式不断革新[2-3]，灌区管理信息化水平不断提升，特别是国家水资源监控能力建设项目的实施[4]，全国各地水资源感知监测体系不断完善[5-7]，数据资源日益丰富，基于数据驱动的决策模型得到应用[8-11]，各级业务系统涌现[12-14]，灌区信息化水平得到有效提升；与此同时，灌区信息孤立不共享、业务系统林立不协同、各级分散建设重复投资等问题随之突显。当前，浙江省委省政府以“最多跑一次”改革为总牵引，全面部署政府数字化转型，聚焦业务协同和数据共享，打造数字浙江，推进政府治理体系和治理能力现代化[15]。在政府数字化转型背景下，聚焦业务协同和数据共享，打造大数据驱动下灌区水资源管理决策支持平台，有助于解决灌区数据资源“信息孤岛”和灌区业务应用“各自为政”等问题，对于提升灌区现代化管理水平具有重要理论与实践意义。

1 平台总体目标

汇聚灌区数据资源，建立灌区大数据，将新一代信息技术与灌区核心业务深入融合，构建灌区大脑，打造浙江省统一的灌区水资源管理决策支持平台。

1.1 跨层级统筹规划

基于政府角度，坚持浙江省一盘棋，建立统一灌区数据中心，打造灌区水资源管理核心业务模块，省市县各级水利主管部门、灌区管理单位工作人员在统一平台上履职，避免各级各类灌区水资源管理系统分散建设、重复投资。

1.2 跨部门数据共享

灌区水资源管理涉及水利、环保、气象、经济、农村农业等不同部门的数据。当前各部门都在各自业务领域建设感知设施，建立部门数据中心。本着集约化建设原则，实现跨部门数据共享，建立定期更新机制，破解信息孤岛。在数据共享基础上，实现部门联动，业务协同，最大限度发挥平台效能。

1.3 场景化应用集成

将灌区水资源管理业务场景化，并为各类场景建立数据大屏。数据大屏主题明确，聚焦某一个或相关的多个实际问题，支持按需切换，信息可多层钻取。平台建设坚持开放兼容，在统一标准框架下，支持各级水行政管理部门根据自身业务需要，扩展个性化场景应用。

1.4 智能化决策支持

建立灌区数据资源“一数一源，按职维护”的管理机制，确保数据质量。在此基础上，集成智能决策支持模型，开展多源信息融合和多维度数据挖掘分析，实现应用功能由信息监测、推送展示向科学预测、智能决策转变，为部门履职提供辅助决策，全面支撑灌区水资源强监管功能。

2 平台架构

平台用户主要面向省市县各级水利主管部门、灌区管理部门、灌区取水户以及各类灌区工程设施的运维厂商，相关分析结果可同步推送至其他部门业务系统。采用政府数字化转型统一的“四横三纵”技术架构[16]，“四横”指构建业务应用体系、应用支撑体系、数据资源体系和基础设施体系，“三纵”是指建立全省统一的灌区信息化建设运维相关政策制度、标准规范和组织保障(见图1)。

图1 平台总体架构

3 关键技术

3.1 灌区大数据

在有限的区域水资源条件下，水资源配置既要强调农业用水的基础性，又要保障区域社会经济目标实现。灌区不仅需要向农业供水，还要兼顾工业、城镇生活、服务业甚至生态环境供水。灌区数据资源要同时涵盖灌区自身数据和灌区所在行政区域相关数据。前者包括灌区基础数据、工程数据、业务数据、监测数据、空间数据和历史数据，后者包括区域水源数据、用水数据、社会经济数据等(见表1)。

表1 地区大数据构成

数据采集和汇聚是实现灌区大数据的前提。根据数据源，灌区数据资源可分为部门采集、行业内共享、行业外共享三类。

3.2 数据共享方法

信息孤岛是当前各行业信息化进程中普遍存在的现象。为破除信息孤立不共享的困局，项目组在文献[16]中基于政府数字化转型相关理论和方法，提出了一套水利数据资源有效的共享机制。在此基础上，构建灌区数据资源共享流程。

行业内数据共享应遵循水利部数据资源管理有关要求，统一建立水利数据资源目录，按预定频率及时更新，采用系统对接、联机查询、在线浏览或调用在线服务等方式实现行业内不同层级的数据共享。在操作层面，省级水利信息化部门在政务云统建的水利数据仓，包括业务专题数据仓和公共数据仓，同时研发数据共享交换平台。

灌区主管部门或管理单位对所需共享数据按规范进行定义，并向省公共数据共享交换平台进行需求检索，若数据已归集，则可通过数据共享接口或批量库表数据完成共享；若数据未归集，可通过平台进行需求提交，省级信息化部门对提交需求描述格式规范性进行审核，审核通过后向数源部门下达数据责任清单；数源部门对数据项及相关要素进行确认，并关联该资源对应的数据目录，形成数据提供责任表，并依次进行数据归集。行业外数据共享应遵循国家、省政府公共数据管理规则，依托省级统建的公共数据共享交换平台实现。将各部门都要用到的高频数据进行归集，建立统一的数据共享机制达到数据重复利用。

3.3 场景化应用设计

根据水利部印发的水利业务需求分析报告，梳理灌区水资源管理核心业务，形成水资源监测、水资源预测、水资源调度、水资源效益分析、设施异常研判等五类场景化智能应用。

3.3.1 灌区水资源监测

通过构建天空地一体化的监测体系，对取水行为进行监管，对水资源管理过程中可能出现的异常情形进行预判。水资源监测典型应用场景：(1)通过各取水监测点在线数据，计算各取水户在某时段的累计取水量，对过慢或过快的取水行为作出及时提醒；(2)对于以水库为水源的灌区，开展水库供水能力分析，以近期气象预报信息、水库水位等在线数据为输入，对其可供水量进行在线计算；(3)通过采集取水许可证信息，对即将到期的用户发出提醒，已过期的取水户发出超期警告；(4)通过监测水质数据，对污染水源、高矿化度水源进行异常预警；(5)通过对比用水定额和累计用水量，对超额超量用水行为进行监管，对表征违规取水行为的数据结果直接推送给相关执法部门，实现业务协同。

3.3.2 灌区水资源预测

灌区可供水量和需水量的有效预测是实现水资源优化配置的基础。水资源预测典型应用场景：(1)分析历年灌区降雨、气温、地形、径流量和产流系数等因子与来水量之间的相关性，以当年数据为输入，预测灌区可供水量；(2)分析历年灌区人口、GDP、水价、用水定额等社会经济因素，以及作物种植结构、灌溉面积、灌溉系数等农业发展因素与需水量之间的相关性，以当年数据为输入，实现对需水量进行预测；(3)在灌区的某一发展水平年某一时段供水量和需水量预测的基础上，对各部门供水量和需水量平衡关系进行分析。

3.3.3 灌区水资源配置

制定科学合理的水资源配置方案，为灌区水资源调度提供依据。水资源配置典型应用场景：(1)以灌区所在区域社会经济效益最大化为目标，在有限水资源总量条件下，分析农业、工业、生活、生态等不同领域历史用水数据与效益之间的相关性，为编制行业间水资配置方案提供依据；(2)一个灌区往往种植多种农作物，同一作物在不同生长期对水量需求不同，同一时间段不同作物对水量的敏感程度不同。以灌区内农作物经济效益最大化为目标，在有限水资源总量条件下，分析往年作物种植结构、作物生长不同阶段需水量、作物产量、市场价格与效益之间的相关性，编制农作物间水资源配置方案、合理安排灌区种植结构。

3.3.4 灌区用水效益分析

在有限的水资源条件下，开展用水效益分析显得尤其重要。典型应用场景：(1)围绕水资源开发利用、用水效率、水功能区限制纳污等三条红线，基于灌区专题数据仓，尽可能减少人工填报，开展最严水资源考核评价以及节水型灌区评价；(2)灌区相关规划和建设项目节水评价，论证取用水的必要性、可行性，分析节水指标的先进性，评估节水措施的实效性；(3)通过计算全省灌区用水效率、农田灌溉水有效利用系数、高效节水灌溉面积率，分析灌区所在行政区域万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、人均生活用水量、城市公共供水管网漏损率等情况，全方位、多维度掌握用水效益。

3.3.5 灌区设施异常研判

(1)通过分析监测数据的上报率、完整率和及时率，当出现数据上报异常或上报数据质量不高的状况时进行智能报警；(2)通过监测电量、功率等参数，对太阳能板电源设施老化引起供电不足的异常情况发出警报；(3)对闸门开启关闭状态进行监测，开度异常的情况进行研判。各类异常结果直接推送技术人员或监测设备厂商及时修复。

3.4 智能化决策支持

各类场景化应用离不开智能化决策模型的支撑。根据灌区管理履职需要和数据资源特点，构建统计分析、专业计算、规划优化、系统模拟、智能算法、大数据分析等六类决策模型。针对各类场景化应用需要，可以使用一类或多类数据，也可以采用一类或多类算法，以管用为原则选择适合算法。

4 应用案例

2019年以来，项目组在国家水资源监控能力建设浙江项目取得阶段性成果的基础上，建立灌区水资源专题数据仓，搭建了省水利数据共享交换平台，对大数据驱动下灌区水资源管理决策支持原型系统关键技术进行了实践验证。基于政务云，汇聚灌区数据资源，建立灌区水资源专题数据仓，全省55个灌区、335个农业灌溉用水在线监测点，209处国家重要水功能区水质监测点以及532个非农取用水户、779个取水监测点的实时数据接入，实现年取水5万m3以上取水户计量监控，省内192座大中型水库水位数据的全覆盖；同时汇聚了近30年来涉及气候、降雨、水资源管理等方面的防汛防台、灾害、水污染事件数据，以及同期社会经济统计、气象、农业等数据。浙江省水利数据共享交换平台支持18 950个水利系统用户可在线申请灌区数据行业内共享。基于以上公共数据共享交换平台，实现了灌区数据资源与生态环境厅、应急管理厅的行业外共享。在场景化应用方面，灌区水资源管理决策支持平台通过历史数据的趋势分析，实现灌区年来需水量预测；通过监测数据的专业在线计算，实现水库供水能力实时分析；通过数据挖掘，实现省内区域行业间配水特征提取和灌区配水方案相似性匹配。