農業灌溉機井“以電折水”管理系統架構設計

孫 健,喬 婧,耿 華,萬 毅,王 策

(1.水利部水資源管理中心,北京 100038;2.南水北調中線實業發展有限公司,北京 100038;3.河北省水務中心,河北 石家莊 050011)

0 引言

我國人均水資源量只有2 100 m3,僅為世界人均水平的28%,全國年平均缺水量500多億 m3,中國人均水資源生態盈虧呈現出“整體平穩,局部變化”的地域格局[1]。隨著經濟社會的不斷發展,水資源供需矛盾關系顯著[2]。數據顯示,我國水資源超載區和臨界超載區涉及53%的國土面積、近60%的人口和GDP[3]。綜上所述,精打細算用好水資源,從嚴從細管好水資源,以水資源的可持續利用支撐經濟社會持續健康發展是新時代水資源管理高質量發展新要求[4]。

為響應智慧水利建設和水資源管理工作要求,加強取用水監管,規范取用水行為,按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求,開展利用信息化手段強化水資源監測計量體系建設工作十分有必要。長期以來,農業用水監測計量工作是取用水管理的薄弱環節,從全國范圍來看,農業用水取水口數量和水量占比均為最高,同時絕大多數是農業灌溉機井,因此通過信息化管理系統建設,提高農業灌溉機井監測計量能力提升技術具有重要意義。

本文針對需要重點提升的農業用水監測計量工作,對比農業灌溉機井不同監測計量方式優缺點,研究“以電折水”信息化臺賬建立和管理系統框架設計等關鍵技術環節,提出科學提升農業用水監測計量能力的方法,為建立農業灌溉機井信息化臺賬和開發管理系統等工作提供技術指導,為加強農業用水監管工作提供技術參考,為全面提升我國水資源管理能力和構建智慧水利工作提供技術支撐。

1 農業用水監測計量現狀

2020年啟動的全國取用水專項整治行動,掌握了全國550多萬個取水口包括水源類型、監測計量情況、取水用途等基礎信息,經過統計分析,2019年全國整體取水口計量率約為30%,取水量計量率約為65%,全國取水口在線計量率約為10%,取水量在線計量率約為50%。根據掌握的全國取水口信息,取水用途為農業用水、水源類型為地下水和取水設施類型為水井的3種不同統計口徑下的取水口數量多且監測計量水平較低,因此同時滿足此3種類型的農業灌溉機井是取水口監測計量能力提升工作的重要組成部分。

因取水規模、取水場景和取水用途等條件不同,取水口需要相適應的監測計量設施,農業灌溉機井因點多面廣、產權不明晰等特點,一直以來是水資源管理的薄弱環節。根據《水利部關于強化取水口取水監測計量的意見》(水資管〔2021〕188號)和《水利部辦公廳關于做好2022年取水監測計量體系建設有關工作的通知》(水資管〔2021〕346號)要求,水利部有序推進農業灌溉機井監測計量工作,2022年在河北省、山西省、內蒙古自治區等10個省區開展農業灌溉“以電折水”樣本井計量設施建設工作。在加強農業用水監測計量和農業灌溉機井“以電折水”工作的背景下,各地大力推進“以電折水”樣本井建設工作,但是目前全國范圍內缺少統一數據標準和系統架構的管理系統,不利于統一取用水監管。

2 農業灌溉機井監測計量能力提升

2.1 監測計量方式

以現階段水資源管理要求和發展階段,對于農業用水全部實現直接計量有一定的困難,在經濟效益和管理體制上尚不具備條件。目前針對農業用水尤其是農業灌溉機井,主要監測計量方式有三種,器具測量、遙感推算和“以電折水”。器具測量方式具有計量精度準確、計量結果權威性強、管控工作分辨率高、數據應用法定依據充分等優勢,但是對于點多面廣的農業灌溉機井經濟效益不高同時行政成本大,且大部分機井產權歸屬不清不利于落實后期運行維護主體責任。遙感推算方式具有自動化程度高、數據客觀性強、小成本高效快速獲取區域農灌用水量等優勢,但是不便于掌握單點信息且土地基礎特征和農作物時分布空差異性大?！耙噪娬鬯狈绞骄哂锌梢杂幂^小成本快速高效的掌握農業灌溉用水總體規模,較傳統定額推算方法相比權威性更強等優勢,但是“以電折水”依賴電力數據,不能全面實現單個取水口計量,同時不同取水口“以電折水”系數差異性較大需要建立關聯關系。

綜合分析以上三種監測計量方式優缺點,現階段,采取“以電折水”的形式進行農業灌溉機井監測計量,可以補齊農業用水監管短板,能夠為滿足新時代水資源高質量發展的高標準嚴要求,起到承上啟下的過渡性作用。

2.2 “以電折水”管理系統

“以電折水”是基于農灌機井取水量和耗電量間存在高度相關性的物理原理,建立取水量和耗電量間的數值關系,通過用電量數據,近似推算單個或多個農業灌溉機井取水量的間接計量方法[5]。對于“以電折水”前人開展了大量研究,本文不再討論“以電折水”系數測算和電力數據獲取等方面內容,重點研究如何利用信息化手段建立“以電折水”管理系統并加強功能應用。

2.2.1 信息化臺賬建立

農業灌溉機井“以電折水”應通過信息化系統平臺提升規范性和工作效率,在系統平臺上運行維護“以電折水”臺賬信息,實現農業灌溉用水量統計分析。信息化系統平臺需具備以下功能:

(1)通過信息化系統平臺,完成農業灌溉機井用電信息調查和登記,準確描述機井用電情況,完成農業灌溉機井信息與用電信息的檔案匹配,建立電力計量設施、農業灌溉機井、取用水戶(個人)等對象間準確的對應關系,并與取水許可信息準確關聯。

(2)基礎數據管理包含取水權人信息、取水工程信息、取水許可信息、電力設施信息,以及地塊信息等,基礎信息收集對象關系見圖1。

圖1 農業灌溉機井基礎信息收集對象關系圖

(3)管理數據管理包含基礎信息、用戶信息、監測計量數據、終端信息、分析信息以及角色權限信息等。

(4)以縣級區域為單位建立“以電折水”樣本井信息管理臺賬,臺賬中應包含井編碼、井位置、控制灌溉面積、灌溉作物種植比例、取水水位、取水用途、樣本井計量信息、建設責任單位、監管責任單位等信息。

(5)以縣級區域為單位建立“以電折水”普通井信息管理臺賬,臺賬中應包含井編碼、井位置、控制灌溉面積、灌溉作物種植比例、取水水位、取水用途、參考樣本井編碼、建設責任單位、監管責任單位等信息。

(6)實現水量、電量、“以電折水”系數等數據的管理,按臺區、地塊、機井、取用水戶、電表等不同維度以及不同時間段進行分類管理和統計分析。

2.2.2 “以電折水”管理系統架構

依托水利部政務服務平臺,開發農業灌溉機井“以電折水”管理系統,收集匯總機井和對應電力設施的基本信息,建立以機井為基本單位的農業灌溉機井臺賬數據庫,與取水許可電子證照系統、用水統計直報系統等進行數據交換,實現對農業灌溉機井基本信息的管理、查詢以及機井用水量統計等功能。

根據智慧水利建設頂層設計和“以電折水”工作基礎,結合取用水管理工作要求,“以電折水”管理系統架構(見圖2)整體應包含四個組成部分:(1)終端系統,指前端建設的在線監測計量設施,實現農業灌溉機井取水量和臺區用電量數據的實時監測計量和在線傳輸;(2)小程序系統,服務于系統和機井管理員、農業用水取用水戶(個人)和電力部門工作人員等,可通過移動終端登錄實現查詢、統計、繳費等功能;(3)SaaS系統(見圖3),包含取用水記錄、“以電折水”管理、用水分析、基礎數據管理、采集終端管理、用戶管理和系統管理等功能子模塊,在全面匯集基礎數據和管理數據的基礎上,實現點(取用水戶、單個臺區)和面(流域、區域)取用水量統計分析;(4)對接系統,與電力、政務、稅務和水利等部門系統進行對接,包括電力大數據系統、水利部政務服務平臺、水資源費改稅系統、取水許可電子證照系統和取用水專項整治系統等,實現外部業務系統的信息數據共享。

圖2 農業灌溉機井“以電折水”管理系統架構圖

圖3 農業灌溉機井“以電折水”SaaS系統結構圖

3 結語

(1)本文在全面收集整理全國取水口監測計量資料的基礎上,針對需要重點提升的農業用水監測計量工作,對比農業灌溉機井不同監測計量方式優缺點,研究“以電折水”信息化臺賬建立和管理系統框架設計等關鍵技術環節,提出科學提升農業用水監測計量能力的方法,為農業用水監管和農業灌溉機井管理提供技術支撐。

(2)研究表明,農業灌溉機井“以電折水”是目前提升農業用水監測計量能力的有效方式,具有可以用較小成本快速高效的掌握農業灌溉用水總體規模,較傳統定額推算方法相比權威性更強等優勢。根據智慧水利建設頂層設計和“以電折水”工作基礎,建議在水利部政務服務平臺中開發農業灌溉機井“以電折水”管理系統,該系統架構應包含終端系統、小程序系統、SaaS系統和對接系統四部分,實現對農業灌溉機井基本信息的管理、查詢以及機井用水量統計等功能。