国内外灌区现代化管理的现状与趋势

(1)灌区现代化管理现状。从世界各国的情况来看,无论是发达国家还是发展中国家,大规模开发和建设灌排设施的时代已经过去,灌区管理成为各国关注的焦点。目前灌区管理方面的热点问题一是灌区管理制度改革;二是以信息化为核心的灌区现代化建设。

现代化是一个动态的、相对的概念,不同的国家、不同的时期、不同的社会经济发展水平和科技发展水平有不同的目标。广义的现代化应是全方位的,包括观念的创新、制度的创新到新技术和先进的设施装备的采用。而狭义的现代化则主要是指用最新的技术和装备对系统进行改造。现阶段我国灌区现代化管理的主要内容应包括两个方面:一是管理制度体系的建设,包括体制改革、水权水价体系的建设与健全、经营机制等;二是信息化建设,包括各种水雨情及工情等各种信息的采集、传输、存储、处理以及决策支持系统的开发等。前者属于制度层面,后者属于技术层面。两者都是现代化管理的重要内容。灌区现代化管理就是要在理顺管理体制、健全经营机制、明确责权关系的基础上,深入开发和广泛利用灌区的信息资源,充分利用现代信息技术、计算机技术和自动控制技术等现代科学技术,提高信息采集和处理的准确性以及传输的时效性,作出及时、准确的预测和反馈,并用于灌溉渠系的运行调度,提升灌区的管理水平和管理效率,实现灌区水资源优化配置、提高灌溉用水效率和效益、降低灌区运行管理成本、为用户提供更好的服务,为灌区管理部门提供科学的决策依据,促进灌区社会经济与生态环境的协调发展。

纵观国内外灌区管理现代化的发展历程,可以说主要受到两方面因素的影响:一是科学技术的发展水平;二是社会经济的发展水平。从科学技术方面来看,灌区管理所涉及的科技领域主要包括通讯技术、传感技术、计算机技术、遥感、地理信息系统、计算机网络、互联网技术、数据库、决策科学等。灌区管理水平的提高和发展基本上都是随着这些科学技术领域的发展而发展起来的。20世纪70年代微型计算机出现以前,灌区管理主要是依赖手工观测和操作,在发达国家也出现了利用电话进行遥控的管理方式。微机问世以后,计算机开始广泛应用于灌区管理,特别是80年代以后,计算机被广泛应用于数据的记录和存储以及各种分析计算。80年代后期开始,遥感、地理信息系统逐步成熟并开始应用于灌区管理,90年代开始,互联网迅猛发展,为灌区管理提供了一个崭新的平台。由于以计算机和网络技术为核心的现代信息技术的迅猛发展以及在水利行业包括防洪、灌溉、供水、水环境、流域综合管理等方面的广泛应用以及越来越密切的联系,20世纪80年代末90年代初,出现了一门新的学科《水信息学》(Hydroinformatics)。这一学科的研究和应用领域极为广泛,内容非常丰富,包括数据的获取和分析(例如SCADA、遥感、遥测、数据模型、数据管理和数据库技术)、先进的数值分析方法和技术(例如一维、二维和三维计算机水力、水质和水生生态模型,参数估计和过程识别)、控制技术和决策支持(例如基于模型控制、不确定性处理、决策支持系统、分布影响评价和决策、Internet和Intranet)、标准软件的开发(例如流域水资源管理、城市给水排水系统)以及最近出现的新技术的应用(例如遗传算法、神经网络、模糊逻辑、分布和扩散模型、面向对象和代理)等。这些内容也涵盖了灌区管理的各个方面,代表了灌区管理发展的前沿。

另一方面,由于受社会经济发展水平的限制,灌区管理的发展水平在世界各国有较大的差异。国外灌区管理水平较高的还是在发达国家。目前发达国家的灌区管理正朝着信息化、自动化、高效化方向发展,在灌区管理中普遍采用了遥感遥测技术、网络技术、数据通信技术、计算机技术、系统工程、地理信息系统、自动控制技术等,实现了集信息采集—处理—决策—信息反馈—监控为一体的优化调度。美国从20世纪50年代开始就十分重视灌区管理系统的建设。如美国的帝王灌区(Imperial Irrigation District)早在20世纪50年代后期就兴建了基于电话线的遥控设施。80年代后期,帝王灌区又引入计算机技术对灌区的遥测遥控设施包括控制中心和野外的设施进行了更新改造,同时电话通讯设施也被无线电微波通讯网络所替代。通过这一改造,1988年,该灌区实现了从控制中心对所有干、支渠道闸门的直接监控。在水文气象等信息系统的建设方面,则主要利用公共基础信息平台。如美国垦务局早在20世纪40年代就开始建立数据网(DataWeb),主要是发布垦务局所属工程的有关统计资料。到90年代后期,随着因特网的建设和完善,已建立了专门的数据网站。1975年美国垦务局最早组织开展了遥感和地理信息方面的研究开发工作,可以面向社会开展各种服务。20世纪80年代初期开始,美国垦务局又先后建立并发展了HYDROMET 和AGRIMET 网络数据服务系统,通过因特网为美国西部的17个州提供河流、水库水位流量以及包括降雨、气温、湿度、日照、风速、风向等在内的气象资料以及有关的服务。日本1975年首先在香川用水工程引入计算机控制集中管理系统。之后,这一模式在日本得到普遍应用。20世纪90年代开始,遥感、地理信息系统及因特网技术先后被引入灌区管理。和美国一样,日本目前也实现了气象、河流以及大型水库湖泊的水位水质等基础资料的网上发布。澳大利亚最大的河流墨累河流域(Murray Basin)是澳大利亚的主要灌溉农业区。过去大型灌区的管理直接由州政府管理,由于沉重的财政负担,从20世纪90年代初开始,维多利亚及新南威尔士州等先后进行了灌区体制改革。古尔本-墨累灌区(Goulburn-Murray Water)和墨累灌区(Murray Irrigation Limited)是其中的典型代表。两个灌区在体制上分别实行了民营化和私有化,与此同时,两个灌区分别对灌区管理设施进行了更新改造,实现了现代化。其主要特点是:用水户通过电话进行用水申请,所有申请数据直接进入计算机调度中心,调度中心根据各水源的情况进行调度和配水;灌区的各种空间信息如作物种植情况、水源分布情况、工程情况、降雨情况、土壤情况以及用水量等通过遥感影像等相应手段获取并通过地理信息系统平台进行管理;所有用水户的取水口门都有量水设施;水库及骨干渠道的水位流量通过SCADA 系统进行监控;实行动态水价,通过地理信息系统建立所有工程设施的数据库及其管理系统,根据各工程的老化状况随时进行水价的核算和调整。以色列的灌溉农田都采用了喷、滴灌等现代灌溉技术和自动控制技术,灌溉水平均利用率达90%。中等发达国家如韩国、马来西亚等在灌区管理的信息化和现代化建设方面发展的也比较快。而发展中国家如印度、埃及、墨西哥等也都在探索灌区信息化,特别是像遥感、地理信息系统已被广泛地应用于灌区管理的研究工作,如灌区作物蒸发量的分析、灌溉用水计划的制定等,但这些工作更多的是一些零星的研究,大规模的信息化建设还有待时日。

我国灌区的大规模建设集中在20世纪50年代到70年代。受当时经济发展水平、科技水平及投资体系的制约,大多数灌区先天不足,一般都只有骨干工程,有些甚至骨干工程也不健全,田间工程则大部分未配套。经过几十年的运行,大多数灌区都出现了破损老化、年久失修的问题。90年代后期,国家开始对大中型灌区实施续建配套与节水改造,目前这一工作尚在进行过程中。随着这一工作的逐步完成,大中型灌区将形成完整的控制系统,从而为灌区的现代化管理提供必要的前提条件。

在管理体制方面,我国大中型灌区从20世纪80年代开始就一直在探索体制改革,提出了不少观点,进行了多方面的尝试,比如灌区的地位,80年代以前,灌区一般都附属于水行政部门,灌区代表国家对灌溉设施进行管理,80年代以后,有的灌区依旧沿袭过去的体制,而不少灌区则变成了独立的法人,有的成了供水公司,还有的成了股份公司,也有的成了用水户的自治组织,近年来,参与式灌溉管理又成了热门的话题;再比如,灌溉水价问题,有的提出要按成本收费,有的则强调不能增加农民负担,有的提出要建立经济自立型灌区,有的则说经济自立型灌区不适合中国国情,应该是自主管理型灌区;在水费征收方式上,有的提出要变按亩收费为按方收费,但有些灌区按方收费却又损害了灌区的利益。如此等等,20多年来,经历了不少曲折,但到现在,仍然没有找到一种普遍适用的管理模式,大多数灌区仍然没有走上良性循环的道路。特别是以灌溉为主的灌区,由于受到农村经济发展与改革的影响,经营状况尤为艰难。在南方许多灌区,近年来,由于税费改革以及农民用水者协会等改革措施的不完善,基层政府组织放弃了对灌溉的组织协调,导致灌溉工作难以正常开展。而且从我国目前的管理体制来看,大中型灌区一般是分级管理,灌区只管骨干工程,骨干工程以下的田间工程以及农作物的种植情况等一般由地方管理。在这种体制下,灌区难以掌握实际的灌溉面积和作物种植情况,因而也难以掌握真实的灌溉用水量。因此,我国灌区管理体制和制度建设迫切需要进行全面系统的梳理,从而找到适合我国不同地区不同类型灌区并能实现良性发展的管理模式。

在管理设施和手段方面,我国从20世纪70年代开始就曾在少数几个灌区开展过自动化方面的试验工作,如韶山灌区,但最终没有成功。进入80年代,计算机技术开始在灌区中应用。一些高校和科研单位开始了研究和试点,并取得了一批研究成果并在生产实践中应用,同时也走了一些弯路。有的灌区过于偏重自动化建设,脱离了中国国情,加之当时有的硬件设备不过关,使得系统建起来以后没有得到很好的利用,造成了资金浪费。90年代后期,中国水利水电科学研究院等单位先后在甘肃省景泰川提水灌区、陕西泾惠渠灌区等开展了信息化建设工作,取得了一定的成效。但是,目前大多数灌区仍然主要靠人工进行用水的申请和登记,靠人工进行水位和雨量的观测,靠一些简陋的设施和粗放的方法量水或者根本就不量水,不少基层的灌区管理单位甚至还没有微机,用水管理依然主要凭经验。近几年来,随着信息技术的发展,各地结合灌区续建配套节水改造项目的实施不同程度开展了一些工作。2002年以来,根据水利部农水司[2002]09号《关于开展大型灌区信息化建设试点工作的通知》精神,全国各省市自治区选定了少量灌区开展了信息化试点的规划设计工作,这一工作目前仍在进行中。总体来讲,我国灌区的管理水平和信息化程度还很低,与发达国家有较大的差距,主要有以下几个方面问题:

1)灌区信息采集点少、手段落后。有关调查资料显示,大型灌区平均0.37万hm2 有一个水位、流量观测点,单位测点控制渠道长度94km,农业用水户单元小、数量多,造成事实上根本无法对用水户的用水量进行细致、实时的监控。同时,观测手段也相对落后,现在灌区大部分仍是采用简单的、经验的方法进行水量监测,测量精度较低,而且由于不能及时准确地获得水流和灌区灌溉管理所需的其他信息,大多数灌区不能动态制定用水计划,使得用水调度大多凭经验进行,不可避免地造成一些无效放水。

2)灌区信息传输手段比较单一、落后。目前,大多数灌区的信息传输手段限于传统的电话网络或者人工报送,监测的水情、墒情和作物长势等信息只能人工通过电话或整编后的纸媒介进行传输,时效性差,难以满足实时调水的需求。

3)灌区信息化系统的综合集成能力差。灌区信息化系统在设计和建设时,雨量采集、灌溉需水分析、水资源监控、供水调控、水费收缴、内部管理、决策咨询等系统各自独立,无法满足灌区日常管理工作的要求。其结果使得硬件资源利用率低,维护费用增加,投入高。在具体工作中往往表现为只重视硬件投入,不重视软件开发。这不但使得硬件不能充分发挥效力,系统的操作维护困难,而且资料的整理分析等后续工作还需要手工操作,没有真正减轻工作量。

4)灌区信息化建设没有真正形成产品。多年来,我国在灌区信息化研究方面已做了不少工作,但一直处于研究和试验阶段,没有真正形成产品。例如关于灌区自动化研究,在技术上可能存在缺陷,稳定性、耐用性差,一旦出现问题,除当时参加研发的人员以外,其他技术人员较难解决。往往是研发人员在的时候,系统运行良好,当研发人员离去以后,技术力量较强的灌区尚可勉强维持,而技术力量较弱的灌区,则容易陷入停滞状态。

5)灌区信息化建设没有一个统一的规划,信息的共享性差。由于灌区信息化建设长期以来没有一个统一的规划和标准,各灌区各自为政、各自封闭,使得灌区之间的信息难以共享,也难以与其他相关系统实现联网,共享信息。同时,各灌区重复开发、重复建设现象严重,造成很大的浪费。(www.xing528.com)

6)灌区管理人员信息化意识和技术水平亟须提高。部分灌区也尝试进行信息化方面的建设,但由于灌区管理人员信息化技术水平比较低,使得建成的信息系统使用难、管理维护更难,无法充分发挥已建系统的作用,更兼新老系统共同运行,不仅没有减轻反而加重了灌区工作人员的负担。久而久之,新建系统逐渐老化、落后,人们也对信息化的效益产生了怀疑,系统无法进行更新改造,逐渐淘汰,灌区管理又恢复到从前。灌区要实现信息化,必须从提高灌区管理人员的信息化意识和技术水平入手,使之能够很好的使用信息化系统,对信息化系统能够进行必要的管理和维护。只有这样,才能推动信息化建设,也只有这样,才能使得信息化建设落在实处,对实际工作发挥其应有的作用。

7)进行水利信息化研究和开发的专业技术力量比较缺乏。目前主要依靠一些不熟悉水利专业的IT 行业人员和不熟悉IT 行业的水利类的大专院校、科研院所进行研发。研发人员尚在摸索当中,应用的单位就更不用说。

综上所述,计算机、互联网、遥感、地理信息系统、数据库以及通信技术等现代信息技术的发展已经为灌区管理现代化特别是信息化建设创造了较为完备的前提条件,发达国家在这方面已经取得了成功的经验。世界各国都在朝着信息化和现代化的方向努力,我国灌区管理的水平与世界发达国家相比还有很大的差距,突出表现在灌区灌溉管理系统软件的开发应用和适合我国的测控设备仍与国外有较大差距。尽管也有一些成果,但受到管理体制、经费投入等方面的制约,灌区灌溉管理水平总体仍比较低下,灌区信息化建设较其他行业相比,仍处于比较落后的状态。

灌区信息化建设是提高灌区现代化管理水平、提高管理效率、降低管理成本的重要手段,是灌区今后建设和发展的重要内容。部分灌区信息化建设的实践表明,信息化建设将有力促进灌区“两改一提高”工作,特别是在促进灌区水费制度改革、减轻农民负担、促进灌区职能转变等方面起到积极的推动作用,作为重要科技手段,必将为我国的节水型社会建设发挥重要的支撑作用。

(2)灌区现代化管理的发展趋势。灌区现代化管理包括了从信息的采集、传输、处理到决策和控制的全过程。总的发展趋势是把相关各环节的新技术进行集成和应用。

首先从信息的采集和获取方面来看,这是灌区管理最为基础的环节。信息的时效性和准确性是决定灌区管理水平高低的第一要素。灌区的信息所包含的内容非常广泛,如灌区地形、土壤、植被、耕地、行政区划、人口、居民区、交通、灌溉面积、农作物分布、土壤墒情、水源及水利工程分布、气象、水雨情、工情等。这些信息大多不同程度地随时间和空间变化。不同类型的信息,其采集或获取技术不同,技术的复杂程度和发展水平也不尽相同。如水雨情和工情数据的采集技术相对比较成熟,目前我国开展的信息化建设主要也是针对这方面的信息。而灌溉面积监测、农作物分布、土壤墒情、小型水源如塘堰以及田间工程等空间分布特点显著的信息则是信息化建设中的难点问题,至今为止我国几乎所有灌区都缺乏完整而准确的把握。由于多方面的原因,长期以来我国一直沿用人工统计的方法掌握灌溉面积和农作物种植变化情况。众所周知,这种方法由于受人为因素的影响,所统计的面积往往不能作为科学决策的依据,迫切需要利用遥感和地理信息系统等手段,研究开发一种快速、准确、便捷、低成本的监测灌溉面积以及农作物种植情况的方法和技术体系。而土壤墒情的监测目前采用的技术有两种,一是通过土壤水分测量仪器直接进行测量,我国部分省区近年来建立了一些土壤墒情监测站点,但这种方式由于受到采集点数目的限制,很难精确把握其空间变异情况;另一种方法是利用遥感进行大面积观测,这一技术尽管有一些研究成果,但目前还远未成熟。遥感、全球定位系统等现代信息采集技术是解决空间信息采集的有效手段,随着这些技术的逐步发展和成熟,今后将在灌区管理中得到普遍应用。

信息采集技术的逐步完善,以及地理信息系统的日趋成熟,为“数字灌区”的建立创造了条件。这也将是今后灌区管理的一个重要发展方向。灌区数据库具有海量和分布的特点,开发占用空间小、存取速度快的数据库系统是实现数字灌区需要重点研究的问题。

由于灌区的空间分布特点,水雨情、工情的信息采集点以及各级管理机构都分散在灌区的各个地方,信息的传输以及数据库的共享要求灌区建立大流量的快捷的数据通信网络系统。网络化也将是今后的一个发展方向。目前信息的传输有多种形式,如有线电话、微波通信、卫星通信、因特网、移动通信网等。无线上网是今后的一个发展趋势,预计在灌区管理中也将得到更为广泛的应用。

灌区管理现代化的最终目标是实现高效用水和水资源的可持续利用,灌区信息化仅仅是为其提供基础条件,而要真正实现高效用水,还必须要有科学的决策。灌溉系统特别是大型灌溉系统通常是多水源、多功能的复杂系统,其运行调度往往需要系统的专业知识和丰富的经验,因此,决策支持系统的建模既要求有科学性又要求有实用性。20世纪80年代以来,我国不少灌区都在这方面作了一些探索,但真正实用的不多。除了人们的科学决策意识不强以及缺乏配套的硬件条件外,模型仿真性不强、模型计算的操作过程复杂和界面不友好等也是很重要的原因。从目前的科技发展水平来看,今后决策支持系统的建立将是计算机科学、地理信息科学、计算数学以及控制论等相关科学的有机融合,其发展方向是智能化。基于3S技术的灌溉用水决策支持系统正是综合利用GPS的瞬时快速定位功能、RS的实时数据采集功能和GIS的空间数据处理和分析功能而建立的决策支持系统。3S技术在灌溉决策系统中的应用可以概括为如下两个方面:一是同系统的模拟模型结合,采集数据和进行数据前处理工作;二是同系统的结果分析输出模块结合,进行数据的后处理,提高方案的可靠性和可信度。80年代中期以来,国际上灌溉管理体制出现了一系列重大变革,由用水户直接参与灌溉用水管理及工程设施管理,而灌溉管理部门的工作重点则放在改进骨干工程的水管理上。如美国、加拿大、澳大利亚、日本、法国等在水管理领域大量采用计算机技术调控渠系输水与配水,特别是在非恒定流计算机模拟方面取得了长足的进展。美国灌溉排水分会于1987年成立了专门评价与鉴定非恒定流模型与软件的“灌溉渠道系统水力计算模型工作委员会”(Task Committee On the Irrigation Canal System Model)。加拿大也于80年代开展了以改进灌区用水管理为目标的研究,Manz等(1993)从80年代开始,历时10年研究开发出灌溉输水系统模拟模型(Irrigation Conveyance System Simulation Model)并应用到艾伯塔省(Alberta)东部灌区。

科学的决策还需要有相应的措施来保障其实施,因此灌区监控系统的建设也是实现灌区管理现代化的一个重要组成部分。在许多发达国家的一些灌区已经有这方面的成功范例。如澳大利亚的一些灌区则采用SCADA 系统实现了对渠道水位流量的自动监控,日本的一些灌区在重要的控制设施处就采用了视频系统来进行远程监测。我国一些大型水电工程也都在一些重要设施处采用了视频系统进行监测。近年来,遥感三维虚拟影像技术被广泛应用于城市规划与管理、电力系统的管理等,可以预见,这一技术也将在不远的将来用于灌区的管理。

总之,灌区现代化管理总的发展趋势是数字化、网络化、智能化、可视化和自动化。