杨婉宁 王洁瑜 杨文栋

(1.陕西省咸阳市礼泉县水利管理站，陕西 咸阳 713200； 2.中国电建西北勘测设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710000)

在数字经济和现代信息化、智能化技术的推动下，农田水利信息化建设创新了管理模式，充分发挥了饮水工程的社会效益。作为农田水利建设中的关键环节，饮水工程关系到居民正常的饮水安全和畜牧业的发展，受农村人口的增加、水资源时空分布不均、国家精准扶贫战略的影响，亟需通过信息智能化手段来提高农村饮水工程的管理水平，发挥供水效益[1]。

1 饮水工程现状

饮水工程是重要的民生工程，它的建设关系到人民基本生活需求，在数字经济和互联网背景下，现状条件下的饮水工程存在饮水资源配置率低，饮水资源利用率低，各供水厂系统之间孤立，存在信息孤岛现象；而在水资源市场化背景下，较低的水资源配置率和利用率，会增加居民生活成本，缺乏统一的标准和统一管理，不仅增加人员管理成本，还无法充分保证饮水安全[2]。

作为水利信息化建设的关键环节，农村饮水工程信息化建设是全面建成小康社会的重要内容，就现状条件下饮水工程存在的问题，李萍指出农村饮水工程存在饮水安全意识不足、饮水资源污染严重、给水技术相对落后、饮水设施较为缺乏等问题，并指出饮水工程信息化建设是解决这些问题的关键一招[3]；唐湘茜等人借助大数据分析、自动化控制技术，构建适用于水源地到用水户的全过程自动化监控体系，实现“一工程一档案”，对农村饮水工程运行进行信息化建设[4]；张立红以固原农村安全饮水工程为研究对象，借助互联网技术和大数据技术，进行信息化建设，不仅可以对饮水工程实时监控,还可以实现引水资源的优化调度，同时提高工程质量，降低成本[5]；刘海峰等就饮水工程存在的管理问题为适应新形势下农业的发展对武威市凉州区饮水工程进行信息化建设[6]。

综上，在水利信息化和精准扶贫政策引导下，加强水利工程的信息化建设可改善现状条件下农村饮水工程的不足。

2 饮水工程信息化平台构建的关键技术研究

2.1 饮水工程大数据

饮水工程不仅要保证居民饮水，也要兼顾河道生态用水需求。饮水工程大数据不仅涵盖饮水工程自身数据，而且还包括与研究区域相关的数据。其中，饮水工程自身数据主要包含工程业务数据、工程基础数据、工程监测数据、工程空间地理位置数据及工程中用到的一些历史数据。而涉及研究区域的数据主要有区域水源数据、区域内用户的用水数据、区域人口、区域面积、区域经济产值等数据(见表1)。

表1 饮水工程大数据构成

2.2 数据共享

饮水工程数据共享主要是实现饮水行业间数据共享和其他行业共享。行业内数据的采集和整理应严格执行水利部相关标准，通过构建统一的水利数据资源目录，然后根据时间节点及时更新数据，并采用系统对接、联机查询、在线浏览等方式，实现不同层级间的数据共享；同时省级水利信息化部分应该统建水利数据仓，并研发数据共享交换平台。其他行业数据的采集和整理应该按照相关要求严格执行，并建立统一的数据共享机制可以提高数据的利用率。

2.3 功能应用关键技术

农村饮水工程管理平台关键在于在对水资源预测的基础上，通过优化调度模型，对饮水资源合理配置，充分保证饮水安全。

2.3.1 水资源预测体系

受气候变化和人类活动的影响，需在分析流域各水文要素时空变化的基础上，借助模型，分析地表水和地下水间得转化关系，并对水质、水量、生态需水量做出预测。

1)地表水量预测。构建地表水SWAT模型：将土地利用、气象、水文、植被、遥感、土壤特征等基础数据作为输入条件，并建立土壤属性数据库，借助DEM、水系、河网数据，利用ArcSWAT实现流域划分、边界设定、水文相映单元的生成等，利用实测径流值对模型进行识别、调参、校准和验证。

地表水预测：利用构建的SWAT模型，将气象、水文等基础数据输入模型，利用SWAT模型，对地表水做出预测。

2)地表水与地下水耦合。通过分析钻孔情况和水文地质资料，获得流域地下水补给、径流、排出的条件，利用Visual MODFLOW Flex6.1建立概念模型，生动刻画出地下水的真实流场；同时借助ArcGIS，建立基于SWAT地下水补给、潜水蒸发对应表，在时间和空间尺度上对地表水和地下水进行耦合。

3)水质预测。考虑未来气候变化的影响条件下，人类活动对地表水水量和水质的影响，利用地表水评价标准，对地表水现状进行评价。选取水质评价指标，根据模型预测未来水平下地表水和地下水水质情况。

2.3.2 水资源配置模型

在农村饮水配置过程中，建立水资源配置模型，以农村所有用户总缺水量最小和水库总弃水量最小为目标，利用SWAT做出水资源预测的基础上，以需水量、输水能力等为约束，利用优化算法进行求解，得到最优的饮水资源配置方案。以总缺水量和总弃水量最小为目标，目标函数如式(1)所示：

(1)

其中，aj为第j个用户的权重系数；Tj,t为第j个用户在第t时段缺水量；Oi,t为第t时段第i水库的弃水量；γ为水库弃水的惩罚系数。此外约束条件为：

水库蓄量约束：

Vmin,i≤Vi,t≤Vmax,i

(2)

其中，Vmin,i为第i水库蓄水量的最小值，一般为死库容；Vmax,i为第i水库蓄水量的最大值，应充分保证水库自身安全，一般取值正常蓄水位对应的库容。

最小需水能力约束：

Gj,t≤Xj,t

(3)

其中，Gj,t为第t时段给第j用户的供水量；Xj,t为第t时段给第j用户的需水量。

干渠输水能力约束：

GQSm≤GQSs,m

(4)

其中，GQSm为总干渠第m个分水口向下输水量；GQSs,m为第m个分水口处总干渠的设计流量值。

变量非负约束：

B≥0

(5)

其中，B为任意变量。

3 饮水工程信息化平台应用研究

农村饮水安全信息化管理平台系统主要是根据当前业务需求，运用新一代的信息化技术，借助智能设备实时感知水务状态，采集水务信息，通过构建统一融合的公共管理平台，对海量数据进行实时分析处理，用更科学、更现代化、更精细的管理方式，实现从制水、供水、用水整个水务生产流程的全管控，提升农村水务管理与服务水平，适应未来农村水务的发展。

3.1 总体框架

农村饮水工程信息化管理平台总体框架如图1所示。

1)感知层。感知层共分为两部分：信息感知，是通过各类传感器，将供水过程的各类数据，包含视频图像、水位、流量、压力、水质、泵站的电流电压等数据进行广泛感知；设施控制，通过先进的计算机网络及控制计算，实现对供水工程中各类设施进行“集中管理，分散控制”，达到安全生产，快速反应，远程调度的目的。

2)传输层。采用GPRS/4G/5G及光纤有线等相结合的通信方式，实现数据传输和互联互通。

3)数据层。数据层是数据的存储分析平台，主要实现将多源异构数据源分类存储，避免数据混乱，实现数据的存储、数据的调用等功能，主要包括基础信息数据库、地理信息数据库、实时数据库、历史数据库、水利空间属性数据库、模型数据库和多媒体数据库。

4)应用层。通过聚合分散和异构的应用和信息资源，制定统一的数据标准，利用统一的访问入口，将结构化数据资源、非结构化文档和其他互联网资源进行集成，同时无缝接入各应用系统数据库，为用户提供一个支持信息访问、传递和协作的集成平台。

5)业务应用层。业务应用层主要负责将数据层的数据进行汇总分析，并按照平台用户类型应用到实际生活中。针对不同的用户,提供相应的信息技术服务。如面向水厂,提供相关数据报表,实时监测供水管网的运行情况，实时监测饮水资源的水质，同时根据用户用水需求和水资源配置模型，对水资源合理配置使系统总缺水量最小。

6)用户层。用户层主要是指使用该系统的各类用户，包括移动用户和静态用户，主要有水厂、用水户、农引管理单位、水利管理单位及政府机构，它们可以通过有线或无线网络与中间层进行通信，从而完成所需的工作。

3.2 功能应用

利用公共管控平台，结合相关的监测设备，实时监测供水水质和水量，并结合自控设备，实现对水库险情实时监测预警与自动控制，然后利用图表实时统计分析用户供水数据，对农村供水信息进行综合分析，结合视频会商进行专家决策，对供水情况给出综合的解决方案。

1)综合监管门户。以GIS为手段，整合地形、影像和道路等基础地理信息数据和水厂、地上地下管网、水渠、水闸等供水工程数据，构建供水工程三维模型和虚拟现实场景，实现供水工程虚拟场景的三维漫游、设备信息查询、空间位置查询、供水实时监控和供水工程的可视化管理，为供水管理人员提供供水工程的三维可视化管理，实现农村供水的信息化和现代化管理。

2)管网实时监测系统。管网实时监测系统主要是通过布置监测点，并利用GPRS网络实时传输技术，将各监测点所测的水位、水压、流量、水质信息等数据传输到监控中心，实现供水管网实时运行情况的在线监测，同时为控制中心及有关部门提供真实准确的运行数据，供分析决策使用，保证供水质量，满足日益增长的用水量的需求。

3)水质监测与评价系统。水质监测与评价系统主要是利用监测设备、水质监测处理软件等，通过固定、移动、自动等方式相结合的水质信息采集手段，定期采集水质监测数据，分析水质监测、快速监测突发性水污染信息，同时利用水质信息数据，结合相关的预测模型，对水质趋势进行预测，及时进行水质预警预报，确定主要的污染源，并制定相应的措施预案，对水质情况进行评估。

4)视频监控系统。视频监控系统主要是利用网络传输技术，通过监控设备为用户提供图像、声音和各种报警信号远程采集、传输、储存、处理，各水库、水厂建立相应的视频监控系统，利用网络技术实时传输视频监控数据至监控中心服务平台，监控中心通过以集中式分区划运营方式为用户提供便捷、经济、有效的远程监控整体解决方案。

5)供水会商系统。供水会商系统是以先进的视频会议系统为主，辅以数字会议系统、摄像系统、音响系统等硬件设备，然后通过供水管控平台，借助平台决策支持、自动管控、管网监控、水质监测与评价、安防视频监控、三维信息可视化平台等软件系统，充分耦合计算机网络技术、数据库技术、三维GIS技术等先进技术，将信息采集、远程监控、决策分析有机结合在一起，实现会议协商、会商指挥、远程监控等多项功能，为决策人员提供强有力的、功能齐全的分析、决策和指挥调度环境。

6)自动化管控系统。自动化管控系统主要是借助PLC控制系统，实现数据的实时采集和传输，PLC系统通过网络传输协议与监控平台主机进行数据交换，实时管控各生产环节设备的运行状态，并通过PLC系统对水厂处理系统(包括格栅、机械混合池、净化、提水泵站等设备)进行全自动化管控，同时借助PLC系统对数据进行分析处理，并对设备运行状态进行预测，及时发现设备问题并处理。

7)远程收费系统。远程收费系统主要是为水利及水厂等部门提供水费征收管理的系统，通过采用远程智能抄表技术，采集供水用户的水量数据，然后根据用水户的基础资料，打印相关的票据和收费单，并同时将抄表员及收费员等信息，连通用户用水的基础数据进行统一存储和管理，方便管理者对用水用户的水费情况进行查询和统计分析，有助于各水管部门获取决策信息，提高工作效率，提升服务质量。

4 结语

通过农村饮水工程的信息化建设，可以优化饮水水资源配置，对水资源合理调度，提高饮水资源利用率，充分保障人畜饮水安全，在水权交易市场背景下可以获得经济效益；通过视频监控系统和饮水工程信息化管理平台，可以实时监测供水管网的运行动态，针对不安全问题可做到及时发现、及时行动，降低风险，同时可以降低运维成本；此外对饮水工程的信息化建设可以方便管理者管理，创新管理模式，提高管理效率，为科学安全的决策提供可靠依据。