（水利水电工程专业论文）灌区信息化系统建设及现代化管理模式研究.pdf

摘要 国家“十五”计划期间要求东部沿海地区率先实现现代化，水利部在水利建设 “十五”计划期间明确提出东部地区水利建设要率先实现现代化，作出了加快推进 现代化建设的战略部署。山东省水利厅也明确了要在全省率先基本实现水利现代 化。灌区作为水利现代化建设中的重要内容，也应尽快改变目前落后的管理现状。 为此，本人立足我省农业生产实际需要和灌区现状条件，提出了灌区信息化系统建 设这一研究课题。 本论文针对灌溉管理中计量手段落后、水的利用率低等制约灌区节水发展的瓶 颈问题，探讨了通过运用信息技术等管理措施来降低水量损失、节约农业用水的途 径。论文围绕灌溉用水实时调配决策和灌区现代化管理模式两方面的内容，进行了 深入的研究。包括系统的实时灌溉预报及渠系动态配水原理及模型研究、灌溉用水 实时调配决策支持系统的开发、信息系统软件开发及灌区现代化管理模式等。以陡 山灌区为背景，结合课题研究提出的r i w a d s s 、新形势下灌区管理体制及运行机 制，提出了灌区现代化管理模式。 研究的主要结果： 1 、结合陡山灌区的实际情况，根据实时配水的要求，建立了灌溉用水信息管 理系统。该系统考虑因素全面，功能强大，操作便利。 2 、探讨了渠系动态配水的原理和方法。在灌溉用水信息管理系统的基础上， 建立了包括实时灌溉预报和渠系动态配水在内的灌区灌溉配水实时调度系统。 3 、利用v b 数据库开发的灌溉用水决策支持系统( i w a d s s ) 用于指导灌区用水 管理，可以实现调度人员心中有数，避免人为的盲动和随意性；可以缩短灌水周期， 确保农作物适时适量得到灌溉。经试运行证明该系统具有功能全面、结构简洁、界 面友好、运行性能稳定、适应性好。同时该系统还具有很好的通用性，稍作修改即 可用于其他灌区灌溉用水决策支持系统开发及应用。 4 、总体来说，我国灌区管理的现代化水平还较低，已不适应国民经济发展和 水利现代化的要求。灌区管理体制不顺和运行机制不活是造成目前我国灌区所面i 临 的各种问题的主要原因。国内外研究和实践表明，用水户参与式灌溉管理( s l d d ) 在 一定程度上兼顾了国家、集体和农民利益，有利于调动广大农民参与灌溉工程建设、 维修、养护以及灌溉用水管理的积极性，有利于提高灌溉用水效率，有利于农村基 层稳定与农村经济发展。 关键词：灌区；灌溉用水：决策支持系统；管理模式；节水灌溉：信息化；用 水户参与式管理；自主管理灌排区；现代化。 a b s t r a c t o u rs t a t eg o v e m m e n td e m o n dt h ee a s tm u s tt a k et h el e a do f r e a l i z i n gm o d e r n i z a t i o n d u r i n g t h et e n t h “f i v e y j a r p l a n ”s ot h ew a t e rr e s o u r c e m i n i s t r y a n d s h a n d o n g p r o v i n c em a k e as t r a t a g e mw i t hq u i c k e n i n gm o d e r n i z a t i o n b u i l d i n g i r r i g a t i o nd i s t r i c ti s o n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r to fm o d e m i z a t i o nb u i l d i n g s ot h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e d p r i n c i p l e a n dt e c h n i q u e si nf r a n l ew e r ko fi n f o r m a t i o n s y s t e r na n d m o d e m i z a f i o n m a n a g e m e n t m o d e lo f i r r i g a t i o n s c h e m e t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e dp r i n c i p l ea n d t e c h n i q u e si nf r a m ew e r ko fi n f o r m a t i o n s y s t e ma n d m o d e m i z a t i o nm a n a 【g e m e n tm o d e lo fi r r i g a t i o ns c h e m e m a i nc o n t e n t s i n c l u d e dd e c i s i o n s u p p o r ts y s t e mf o r r e a lt i m ei r r i g a t i o nw a t e ra 1 1 0 c a t i o n ，d a t a b a s e d e v e l o p i n g o f i r r i g a t i o n s c h e m e a n dm o d e r n i z a t i o nm a g a m e n tm o d e lo f i r r i g a t i o n s c h e m e e x i s t i n gi s s u e si ni r r i g a t i o nm a n a g e m e n t o fc h i n aw e r ed i s c u s s e db a s e do nt h e a n a l y s i so fi r r i g a t i o nm a n a g e m e n ts i t u a t i o n b a s e do ne x p e r i e n c ea n dl e s s o nf r o mb o t l l o v e r s e aa n d c h i n a ，t h e m e d e lo f s e l f - f i n a n c i n gi r r i g a t i o n a n d d r a i n a g e d i s t r i c t ( s i d d ) w h i c h s u i t a b l e f o r s i t r a t i o n o f c h i n a w a s d i s c u s s e d ，i n c l u d i n g i t s c o n c e p t i o n d e m a n d i m p l e m e n t a t i o na n di m p a c te t c am o d e m i z a t i o nm a n a g e m e n tm o d e lo fi r r i g a t i o ns c h e m e w a s p r o p o s e dw h i c hi n t e g r a t e dt h er n m s s ，唧s a n ds d d p a s s i n gt h es t u d y , f o l l o wc o n c l u s i o n sw e r em a d e o u t ： l 、ad a t a b a s e s y s t e m w a se s t a b l i s h e df o r i r r i g a t i o n w a t e r m a n a g e m e n t i n d o u s h a n i th a sc o n s i d e r e dm o s to ff a c t o r sw i t h t a b u l a t ei n s h e e t s t o m a n a g e i n f o r m a t i o n i th a sc o n s i d e r e dm o s to ff a c t o r sw i t hc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o na n dw a s e a s y t o l l s e ； 2 、t h e p h n c i p l e a n dm e t h o df o r d y n a m i ci r r i g a t i o n w a t e ra l l o c a t i o nw a s i n v e s t i g a t e d r e a lt i m ei r r i g a t i o n w a t e ra l l o c a t i o n s y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，w h i c h i n c l u d i n gr e a lt i m ei r r i g a t i o nf o r e c a s t i n ga n dd y n a m i cc a n a lw a t e ra l l o c a t i o n ，b a s e do n t h ed a t a b a s es y s t e mo f i r r i g a t i o nw a t e ra l l o c a t i o n ； 3 、ad e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m ( d s s ) f o rr e a l t i m e i r r i g a t i o n w a t e ra l l o c a t i o n ( r w 讥4 0 s s l w a sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n tw h i c hh a sa n e v e n t - d r i v e ns t r u c t u r ea n dh i g he f f i c i e n c yl i n kw i t ho t h e rd a t a b a s e at w oy e a r st e s ti n d o n s h a ns h o w nt h er i w a d s sw a sg o o di ns u p p o r t i n gi r r i g a t i o nw a t e rm a n a g e m e n t i t c o u l d a v o i db l i n d n e s sa n d r a n d o m n e s s ；l e t t h e o p e r a t e r k n o wi n f o r m a t i o n f a i r l y w e u ；s h o r t e ni r r i g a t i o nc y c l ea n de n s u r e t o i r r i g a t ec r o p s o nt i m ea n d q u a n t i t y t h e r i w a d s sh a sac o m p l e t e df u n c t i o nw i t hal a c e n i cs t r u c t u r e f r i e n d s h i pi n t e f f a c e ，e a s yf o r o p e r a t i o na n d l e a r n 4 、o v e ra 1 1 t h em o d e r n i z a t i o nm a n a g e m e n ti n i r r i g a t i o nd i s t r i c ti n0 1 1 1 c o u n t r yi s 1 0 w e r t h cm o s t l ym a t t e ri su n f a r o r a b l em a n a g e m e n ts y r s t e ma n du n s k i l l f u lo p e r a t i o n m e c h a n i s m i no n ed e g r e e s ) dg i v ea t t e n t i o nt ot h en a t i o n c o l l e c t i v i t y , i n d i v i d u a l k e yw o r d s ：i r r i g a t i o ns c h e m e ，i r r i g a t i o nw a t e rr e q u i r e m e n t ，r e a lt i m ea l l o c a t i o n ，d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，m a n a g e m e n t m o d e l ，w a t e rs a v i n g i r r i g a t i o n ，i n f o r m a t i o n ；i r r i g a t i o nm a n a g e m e n t m o d e l p a r t i c i p a t eb y w a t e r i j s e r $ ，s e l f - m a n a g i n gi r r i g a t i o n a n d d r m n a g ed i s t r i c t ( s i d d ) ，f r a m e w o r k o f i n f o r m a t i o ns y s t e m r d g a d o ns c h e m e 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 山东省是我国水资源十分缺乏的省份之一。据1 9 5 6 年1 9 9 9 年实测资料分析， 全省多年平均降水量为6 7 6 5 m m ，多年平均淡水资源总量3 0 5 8 2 亿3 ，仅占全国水 资源总量的1 1 。而山东省人口却占全国总人口的7 1 ，灌溉面积占全国有效灌 溉面积的7 4 。全省亩均占有水资源量为3 0 7 m 3 ，仅为全国平均占有量的 1 6 7 ( 1 6 ) ；人均占有水资源量3 4 4 m 3 ，仅为全国人均占有量的1 4 7 ，在全国各省 ( 市、自治区) 中倒数第三位。远小于国际公认的维持一个地区经济社会发展必需 的人均占有水资源量1 0 0 0 m 3 的临界值，属于人均占有量小于5 0 0 m 3 的严重缺水地区。 资源性缺水是造成山东省水资源供需矛盾十分突出的一个重要因素，而且水资源在 地区内分布也很不均匀，各地降水量差别较大；年际年内变化剧烈，全年降水量的 7 0 以上、径流量的9 1 集中在汛期。春季干旱少雨，汛期降雨集中，加大了水资源 开发利用的难度。作为山东省主要客水资源的黄河水也将随着黄河上中游引黄水量 增加呈减少趋势，黄河水“可用而不可靠”的局面已日趋明显。 山东省又是我国农业大省，灌溉大省。建国以来，农田灌溉事业迅速发展，灌 溉面积由建国初期的3 2 4 万亩发展到目前的7 2 5 0 万亩，占耕地面积的7 5 全省设 计灌溉面积万亩以上的灌区7 6 2 处，有效灌溉面积3 4 7 7 万亩；改革开放以来，工 农业生产迅速发展，城镇建设发展加快，城乡人民生活不断提高。山东省粮食产量 占全国的1 0 ，国内生产总值占全国9 3 。截止到2 0 0 0 年，工业用水量比1 9 8 6 年增加6 6 7 倍，生活用水量增加了2 0 倍。国民经济迅速发展的同时也加剧了水资 源的供需矛盾。2 0 多年来，农业用水量已由占全省用水总量的9 0 降低到目前朐 7 0 左右，农业用水一方面面临缺水的困境，另一方面由于灌溉工程标准低，用水 管理不善，用水浪费现象还很严重，全省灌溉水平均利用系数仅0 5 5 左右，农业用 水远未达到高效用水的水平，农业节水还有较大潜力。山东省委、省政府已经清醒 地认识到山东水资源开发利用的难度将越来越大，水资源已成为制约山东国民经济 发展的重要因素这一重大问题，开始下大力气解决水资源问题。9 8 年国家开始对设 计灌溉面积3 0 万亩以上的大型灌区进行以节水为中心的续建配套与节水改造，我 省农业节水进入了新阶段。 近十年来，山东省在农业灌溉节水方面取得了显著成效，农业用水总量变化很 小，灌溉定额呈递减趋势。全省农业节水灌溉的格局基本形成。截至2 0 0 4 年底节 水灌溉总面积已达到3 9 6 0 万亩，占有效灌溉面积的5 5 。“九五、十五”期间农业 节水投资达到5 0 亿元。全省建成设计灌溉面积3 0 万亩以上大型灌区6 5 处，其中 列入国家续建配套与节水改造规划的大型灌区4 8 处，设计灌溉面积为4 2 1 5 万亩， 有效灌溉面积2 6 8 9 万亩。灌区面广量大，拥有较高的旱涝保收面积比例，在农业 生产中发挥着基础设施的作用，成为我省粮食安全的重要保障。 本论文研究将从我省农业生产实际需要和灌区现状出发，在建立灌区实时控制 控制信息系统的基础上，从灌溉管理的软件着手，采用计算机辅助的灌溉用水实时 调度决策支持系统，运用灌区自动化测水量水设备及技术，对灌区各级渠道实时用 水计划作出决策，达到在对作物进行适时、适量供水，满足作物正常生长的前提下， 减少水量损失，提高灌溉水的利用率和水分生产率，最终达到节水、增产的目的。 1 2 节水灌溉及管理节水 1 2 1节水灌溉 节水灌溉是根据作物需水规律及当地条件，为了有效地利用降水和灌溉水，获 得农业的最佳经济效益、社会效益、生态环境效益而采取的多种措旆的总称。 灌溉水从水源到田间经过几个环节，每个环节中都存在水量无益损耗。凡是在 这些环节中能够减少灌溉水量损失，提高灌溉水利用系数的措施、技术和方法均属 于节水灌溉范畴。 1 2 2 节水技术系统分类 围绕发展节水农业的工程输水、田间储水和作物蒸发蒸腾三大关键环节，节水 农业形成了工程节水、农艺化学节水和管理节水三大基本节水技术系统。 1 、工程节水是节水农业的基本组成部分，主要包括低压管道输水、渠道防 渗、喷微灌、地面灌溉技术的改进和水稻节水灌溉。工程措施可以大大提高灌溉水利 用系数，从而达到减少水量的损失。 2 、农艺和化学节水是节水农业技术的重要组成部分，主要有耐旱作物与品 种的选育、改良耕作方法、地亟覆盖和化学节水。化学节水包括化学覆盖、保水剂和 抗蒸腾剂。 3 、管理节水是节水农业的重要组成部分，必须贯穿农业用水的全过程。 提高用水管理水平，达到从管理上节水的目的。 1 2 3 管理节水的特点 与工程节水和农艺化学节水相比，管理节水具有如下特点： 管理节水不象工程节水和农艺节水那样需要很大的硬件投资，它主要是软件 方面的投资，因此需要的投入就少，并且节水效益也很显著。 管理节水涉及的范围广，它融于从水源引水到形成作物产量的三个环节中， 而其它节水技术只涉及其中的一个或两个。 管理节水的应用比较灵活，它可根据灌区的具体情况，制订适合于本地区特 点的管理技术。 1 2 4 管理节水现状 近四十年科技的发展，特别是具有根本性和普遍带动意义的生物技术和信息技 术的突破性进展，拉开了新的农业技术革命的序幕。计算机技术、信息技术、空间 技术、生物技术及新材料的发展和应用，将加速农业技术革命的步伐。作为现代农 业重要组成部分的灌溉水管理技术得到了迅速的发展。它融合了地理信息系统 ( g i s ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 、遥感技术( r s ) 、计算机和自动控制系统等技 术综合应用于灌溉水的管理，最大限度的优化使用水资源。 现代的灌溉水管理技术把计算机技术、自动控制技术、信息技术、系统工程、 人工智能、地理信息系统等应用于水管理，实现集信息采集一处理信息反馈一监 控为一体的调度系统。这些技术的应用可以减少水在渠系调配过程中的损失，达到 节水的目的，可使水量分配合理，增加水量分布的均匀性，因而也是作物增产增效 的有效途径。在水的供需发生矛盾的时候，可以优化调度以达到效益最大值。 1 3 国内外研究现状综述 从8 0 年代后期开始，世界上许多学者致力于管理节水技术研究并取得了一些 经验。美国、澳大利亚、英国等国的学者已以发达国家的灌溉系统( 主要为喷灌) 和农场管理方式为基础提出了几种有代表性的管理程序，并已进行了几年的实践， 这些程序在发展中国家的灌区内却未能得到应用。近年来，在世界银行、联合国粮 农组织等支持下，国际水管理学院( i w m i ) 和英国水利研究中心( h y ) 等单位花 费大量人力、物力和财力正以斯里兰卡、印度、泰国和菲律宾等国的灌区为背景进 行节水研究。由于大量的历史资料和实时信息的贮存和处理，图形监视，计算迅速， 便于非专业人员操作及通用性方面的要求，使得过去以b a s i c 语言、f o r t r a n 语 言或其它语言编写的程序全部放弃，而改用目前世界上最先进的l o t u s 软件及相应 的l o t u s 宏程序语言。目前，这类软件已基本完成研制，但由于对通讯条件和渠系 建筑物要求过高，对管理水平估计过高，而使应用受到限制。近年来国内也有不少 学者对作物需水量的预测方法和模型作了一些研究，有些模型的理论和实用性均较 好。此外，也有单位开展了计算机在灌区用水管理中的应用尝试。但目前我国仅在 陕西、湖北、甘肃、山东、山西个别灌区进行了“动态用水计划”及优化配水的初 步尝试。近年来随着我国经济发展和灌区水费的改革。对灌区进行灌溉用水的管理 以及进行现代化改造的需求也越来越追切。 总体来说，国内灌区用水管理在研究领域来说已经达到较高的水平，但是在实 际应用中，仍然缺乏简便、有效、可以大范围推广的作法。随着计算机技术的发展 和灌区灌溉管理水平的提高，研究能被溧区乐于接受和有效使用的灌区用水决策支 持系统有了越来越广泛的需求。目前，微型计算机性自发展以及科学用水管理的实 际需求，为灌溉用水决策支持系统的研制开发创造了条件。国家在“十五”计划期间 要求东部沿海地区率先实现现代化，水利部在水利建设叫一五”计划期间明确指出东 部地区要水利建设率先现代化，国家和山东省政府作出了加快推进现代化建设的战 略部署，山东省水利厅根据国家“十五”计划，也明确确定要在全国率先基本实现水 利现代化。灌区管理作为水利现代化建设中的重要内容，也应尽快改交目前落后的 管理现状；本项目正是基于上述要求，立足于典型灌区，通过试验和管理软件开发， 最终实现典型灌区现代化管理。 水利现代化是一个由传统水利向现代水利转变的动态的、渐进的发展过程，不 同的时期和不同的地域具有不同的内涵。水利现代化的最终目标是水资源的可持续 利用和水利的可持续发展。目前对水利现代化还没有统一的认识，一般认为水利现 代化是指遵循人与水和谐相处的原则，运用现代先进的科学技术和管理手段，充分 发挥水资源多功能作用，不断提高水资源利用效率，改善水环境和生态，以实现水 资源的可持续发展来保障经济社会的可持续发展，为之进行的水事活动所有动态过 程、结果和特点。募基本特征为：一是实现水资源可持续利用；二是建立节水防污 型社会；三是恢复和建设良好的水生态系统；四是实现水资源的优化配置；五是坚 持体制、机制和科技创新。 水利信息化是指充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源， 实现水利信息采集、传输、存储、处理和服务的网络化与智能化，全面提升水利事 业各项活动的效率和效能的历史过程。 灌区现代化是水利现代化的重要组成部分，是水利现代化的微观体现，也是农 业现代化和农村经济发展的基础设施，现代化管理是灌区在市场形势下，借助于水 利和其他行业超前的先进的技术和管理方式，来全方位地进行灌区建设和运行管理 的动态过程，它涉及灌区的基础信息、工程规划、建设施工、水源调配、水费收缴、 行政事务及公众信息等几大管理系统。 水利信息化是水利现代化的基础和重要标志，同样，灌区信息化是灌区现代化 的基础和重要标志。“管理出效益”，要充分发挥灌区的作用，管理是关键。灌区现 代化首先是灌区管理的现代化，而要实现灌区管理的现代化，就要充分利用现代信 息化技术，实现灌区管理所需的水情、工情、农作物长势、气象等信息的采集、传 输、存储、处理与分析的现代化和自动化。 近年来我国在灌区现代化建设方面加大了投入力度。硬件建设方面，从1 9 9 8 年起国家发改委和水利部重点组织实施了大型灌区的续建配套节水改造项目。到 2 0 0 2 年底，共安排投资1 2 0 亿元，其中中央国债资金6 2 亿元，引导地方配套6 0 多 亿元，共对2 4 7 个大型灌区进行了续建配套和节水改造。衬砌干支防渗渠道5 3 0 0 多公里，配套改造建筑物3 8 0 0 0 多座，新增、恢复灌溉面积2 6 0 0 多万亩，改善灌 溉面积5 8 0 0 多万亩( 翟浩辉，2 0 0 3 ) 。 在软件建设方面，进行了灌区管理体制和运营机制改革。从2 0 0 0 年开始，国 家发改委和水利部首先在全国确定了2 0 个改革试点灌区。随着国务院关于水利 工程管理体制改革实旄意见的颁布实施，国家发改委在2 0 0 2 年安排了重大软课 题大型灌区管理体制和运营机制改革研究项目，对灌区改革深层次问题进行了 系统全面的研究。一些省和灌区相继出台了灌区管理办法或改革方案。新的灌区 管理暂行办法也正在修改。 在工程管理上，各地积极探索不同的管理模式。在国际上已经取得成功经验的 用水户协会模式，在近几年的推广过程中受到各地普遍认可。目前全国已成立用水 户协会2 0 0 0 多个，调动了农民的积极性，充分发挥了群众管理的作用。2 0 0 2 年4 月份，世界银行在我国举办了第六届用水户参与灌溉管理国际研讨会，世行与2 4 个国家和地区的代表对中国在开展用水户参与管理工作方面所取得的成效和经验 给予了高度评价。在枢纽和骨干工程方面，不少灌区进一步明确权责、规范管理， 强化了专管职能。有的灌区开展了管养分离的试点，提高了养护水平。 还有在用水管理上，积极推行水价和水费计收机制改革；在组织管理上，积极 开展人事、劳动、工资制度改革；在经营管理上，逐步分离并培育壮大经营实体。 2 0 0 2 年水利部又启动了2 6 个灌区信息化的试点建设工作。2 0 0 3 年7 月在黑龙 江召开了灌区信息化试点建设经验交流会，并下发了关于做好大型灌区信息 化建设试点工作的通知( 农水灌 2 0 0 2 31 5 号) 和全国灌区管理信息系统建设 规划( 征求意见稿) 。在这样的大形势下，灌区现代化及信息化建设面临着难得的 发展机遇。 虽然我国灌区的灌溉管理和信息化建设方面做了一些工作，国家也加大了投入 力度，但从总体上讲还处于比较低的水平。主要表现在以下几个方面( 胡和平，2 0 0 3 年，全国灌区信息化经验交流会材料) ； ( 1 ) 灌区信息采集点少、手段落后 ( 2 ) 灌区信息传输手段比较单一、落后 ( 3 ) 灌区管理人员信息化意识和技术水平亟需提高 ( 4 ) 重硬件、轻软件 ( 5 ) 灌区信息化建设没有一个统一的规划，信息的共享性差 ( 6 ) 我国灌区信息化的产品处于试验研究阶段，没有真正形成产品 ( 7 ) 灌区信息化系统的综合集成能力差 1 4 陡山灌区概况 1 4 1 灌区地理位置及范围 陡山灌区位于山东省临沂市莒南县境内西部，沭河以东，北邻莒县，南与临沭 县接壤。全灌区设计灌溉面积3 0 4 4 万亩，其中约6 0 的面积位于莒( 县) 一新( 浦) 公路以西沿沭平原区，约4 0 的面积分布在沿浔河、两岸及向东延伸分布，深入菖 南中部的十字路镇、北园镇及洙边、相邸等乡镇。灌区工程情况具体见灌区工程平 面布置图1 1 。 1 4 2 水文气象特征 1 、气象特征： 陡山水库灌区属温带季风区，半湿润过渡性气候。一年四季分明，光照充足， 雨量集中，适应各种作物生长。年平均气温1 2 7 ，因受大陆性气候和海洋性气候 交替作用的影响，形成春来迟，夏湿热，冬干长的气候特点。目前灌区自然灾害主 要有旱灾，少量涝灾，虫灾和较少量的冰雹灾害。 2 、水文特征 ( 1 ) 降水特征 陡山水库灌区位于菖南县境内西部，降水地域分布差异与全县趋势相同，即多 年平均降水量东部大于西部，南部多于北部，山区大于平原，最大差值6 5 r a m 。降 水不仅有地域差，而且年内分配极不均匀，夏涝、秋旱、春早。降水量年际变化很 大。 ( 2 ) 径流深 灌区多年平均地表径流深3 2 7 8 m m ，p = 5 0 地表径流深2 9 5 m mp = 7 5 径流 深1 9 3 4 0 r a m ；p = 9 5 地表径流深9 8 3 m m 。 ( 3 ) 地下水 灌区范围内地下水富水区主要分布在西部沿沭一带，东部丘陵区地下水贫瘠， 基本无水开采。灌区地下水水质良好，比较稳定，均符合灌溉水质标准。灌区水质 分布一般河流上游好于下游、山区好于平原。 1 4 3 工程地质与水文地质 1 、灌区地形 陡山水库灌区东、北、南、三面为丘陵山区，西临沭河，全灌区地势东高西低、 北高南低。灌区约6 0 的灌溉面积分布在莒一新公路以西的沭河冲积平原，地势平 坦，土地肥沃：另有约4 0 的灌溉面积为丘陵区，主要分布在菖一新公路以东的东 干渠沿线、水库南部及县城东南部。 2 、灌区地貌 ( 1 ) 水系分布 陡山水库灌区，主要河流东北一西南向发育，从北往南有浔河、芦沟河、鸡龙 河、武阳河四条河流贯穿其中，是灌区主要排水河道。四条河流支流发育，排水较 畅，源出东部丘陵山区，往西汇流注入沭河。与灌区田闯排水支沟相接，构成灌区 的排水系统。 ( 2 ) 平原、丘陵、涝洼地分布 灌区内红土岭为沿沭平原区范围内的凸起丘陵，北起刘家岭、南止前左山，东 至彭家岭，西至高家岭面积约1 5 万亩。灌区涝洼地有三处：一处分布在芦沟河沿 岸，另一处在鸡龙河刘庄闸上游柴沟村一带，一处分布在武阳河右岸的岔河一带。 匦酬婷匿睁戳h凶烘茸谜hi匦 4 水文地质 灌区内沿沭平原是全县最大的平原区、基岩以上覆盖层多为第四纪冲洪残积物， 地下水补给量大，含水层厚度6 - - 2 0 m ，水量丰富。灌区东部丘陵基岩以上覆盖层为 风化片麻岩，裂隙发育弱，覆盖较浅。地下水动态与地表水基本相同，地下水流向 大致为北东一南西向，补给条件为大气降水入渗。 1 4 4 灌区行政区划及社会经济状况 1 灌区行政区划 陡山水库灌区范围内涉及1 3 个乡镇，2 9 4 个行政村庄，耕地面积4 6 万亩，农 业人口4 4 1 万人，占全县总耕地面积的4 j 0 。 2 社会经济状况 陡山水库灌区大部分为黄淮海平原开发区，是莒南县的主要粮食产区和商品粮 基地，灌区内人均耕地面积1 0 5 亩，九九年人均总收入2 4 5 0 元。九九年全灌区工 农业总产值9 1 亿元，其中：农业产值6 8 亿元；粮食总产量2 1 1 6 8 万吨。 1 4 5 灌区管理状况 1 干支渠分布情况 全灌区干渠7 条总长7 2 6 1 k i n ，支渠2 1 条1 2 8 3 k m ，斗渠5 9 3 条2 7 7 7 k m ，干渠 建筑物3 4 7 座，支渠建筑物1 5 0 0 座。 2 管理机构设置 陡山水库灌区灌溉公司于1 9 8 4 年成立，隶属莒南县水利水产局领导。灌区现有 干部职工9 5 人，工程师3 名，助理工程师5 名，技术员1 2 名，公司设工程科、财务 科、水政监察中队、保卫科，灌区下设七处管理站。其中干渠每1 0 公里设一处管理 站，每个管理站配有技术业务强、善管理、会经营的管理人员7 1 2 名。受益村庄每 村设一名水管员，在管理站的组织指导下，负责田间用水管理及本村水费征收工作。 3 测水量水设备 公司现有微机测水及监控系统2 套。微机量水，实现了2 4 小时不间断测水，电 脑直接显示流量、累计方量，非常精确。公司还备有流速仪2 4 部，用于对用水户的 测水工作，确实达到了按亩配水、按方收费的要求。 1 5 论文主要研究内容 陡山灌区近年来在工程建设和管理措施上不断改进，促进了灌区发展，但是灌区 工农业尤其是工业生产发展迅速，水资源供需矛盾日益突出，灌区现有的工程标准及 管理模式已不能适应灌区发展需求，因此急需进行续建配套与节水改造以及以灌区信 息化为平台的实时灌溉用水决策支持系统和灌区现代化管理模式的研究。 本项目主要以山东省莒南县陡山灌区为研究示范区域，采用陡山灌区的历史及实 测资料，对各种灌溉管理措施的具体情况进行研究，构建和完善灌溉用水实时调配决 策支持系统。同时，紧密结合信息化技术理论，探求灌区新形势新体制下管理方式， 最后提出并建立灌区现代化管理模式。 具体研究内容包括： ( 1 ) 灌区基本数据库及实时信息系统的建立 建立与各种常用表格完全类似的计算机工作底稿( 原始数据) ，设计历史的与实 时的资料输入和管理程序模块，以建立供实时决策使用的数据库系统。数据库系统应 包括灌区基本情况、作物资料、工程资料、实时资料( 又称实时信息数据库) 等。 ( 2 ) 实时信息采集及通讯联络方式研究 研究适合我国管理体制和灌区现状的、满足实时决策要求的各种实时信息的采集 及通讯联络方式。 f 3 ) 实时灌溉预报 对不同作物、不同土壤类型田块、不同气候条件田块以及不同控制渠系的田块进 行水量平衡模拟，预测其所需灌水日期、灌水量；同时，根据渠系输水效率、灌区内 小型塘堰、河坝等当地的供水能力，在综合考虑不同区域水的重复利用，预测各渠道 应输水量。 f 4 ) 渠系动态输、配水计划 每次灌水的轮灌组合、各级渠道输水持续时间、开闸时间、关闸时间和流量的确 定及控制方法。 ( 5 ) 模型库子系统的建立 建立包括各种预测、预报、模拟和优化决策等模型的模型库子模块。此模型库要 便于修改和更新，同时有多种模型( 方案) 供决策者选择使用。模型库将包括以上 3 - 6 的所有内容。 ( 6 ) 人一机交互子系统的建立 建立计算杌系统与用户之间进行各种信息交互式对话、输入输出转换及问题处理 等功能的程序模块。此模块应采用菜单命令驱动、对话框提示、数据表格输入输出， 图示输出检验等，为操作者提供方便自由的程序运行方式，并把每一步所得结果的最 终决策权交给用户。 ( 7 ) 灌区信息化系绕研究与建设 研究建立了陡山灌区信息化系统，结合信息化试点建设，开发了水位、流量、闸 门开度等信息的实时监测、传输、存储、及闸门控制、调度软件，开发了远程视频监 视软硬件。对相关硬件设备进行安装、调试、运行。 ( 8 ) 陡山灌区现代化管理模式研究 论述我国灌区管理的历史沿革，在充分分析我l 雾灌区管理体制现状和借鉴国外先 进管理经验的基础上，根据灌区现代化及信息化管理理念，结合开发的灌溉用水决策 支持系统，建立陡山灌区现代化管理模式。 8 第二章灌溉配水系统实时调度 2 1 灌区基本资料及实时信息数据库的建立 2 1 1 灌溉用水信息管理系统 灌区灌溉用水信息管理是灌溉管理的基础和核心，合理灌溉、科学用水的一切措 施都取决于正确的灌溉用水信息。灌溉用水信息管理系统是以微机系统为基础，包括 数据采集系统，通讯系统，数据库与数据库管理系统，用水计划编制与调控系统等软 硬件在内的综合系统。按功能分为以下几部分。 1 ) 信息管理中心 灌区信息管理中心的任务是控制和管理各个子系统，因而最好是与灌区用水管理 中心合为一体，以便于使信息管理与灌溉运行管理紧密结合。它可接受来自信息采集 系统的信息，外部机构( 如水文、气象部门) 提供的信息和灌区历史资料，并通过数 据库管理系统送入数据库。数据处理辅助系统可进行数据加工存贮，调用数据库中的 数据，与采集的信息一同传到计划用水子系统进行处理，以获得用水管理中的反馈信 息，显示和打印成文件。按照信息系统所提供的用水信息进行灌溉系统运行管理。 2 ) 用水信息采集一传输子系统 任务是通过各种传感器、数模、模，数装置及电讯传输系统把所接受到的各种气 象、水文、土壤、作物等信息传送到信息管理中心。它又可分为四个= 级子系统： ( 1 ) 气象信息采集子系统。负责采集并传输气温、湿度、日照、风速、蒸发、 降雨等数据。 ( 2 ) 水文信息采集子系统。完成采集并传播河流水位、流量及地下水位、含盐 量等数据。 ( 3 ) 土壤信息采集子系统。进行土壤含水量、土壤温度、盐份等数据的采集传 输。 ( 4 ) 作物信息采集子系统。对田间作物生长发育状况，如根系深度、绿叶覆盖百 分率等实时信息采集和传输。 3 ) 数据库管理系统 该子系统的任务是管理灌区各种数据，进行数据存贮、增补、修改、加工、检 索、打印等工作。 4 ) 计划用水信息管理系统 接受信息管理中心的指令，从数据库管理系统和信息采集系统获取数据并加工处 理，进行水源预报和灌溉预报，拟定灌溉制度，指定和修改灌区用水计划，同时还进 行灌区用水经济管理。 5 ) 渠系配水管理系统 主要进行渠道水位、流量监测，闸门和灌溉设施的远动操作，与管理站( 段) 的 通讯联系。 6 ) 信息管理辅助系统 包括数据处理、文书档案管理、复印、绘图、打印等日常事务。 2 1 2 陡山灌区灌溉用水基本信息数据库 根据数据库系统的功能特性，结合陡山灌区的具体情况，建立了灌区灌溉用水信 息数据库。 1 ) 灌区概况 9 参照灌区自然地理、社会经济、工农业生产、渠系布置等情况，编写成综述性 的文字信息，用户进行程序系统操作之前可先从计算机屏幕上阅读此文件内容，以帮 助用户对灌区基本情况有一个轮廓性了解。如图2 1 所示。 图2 1灌区概况界面 2 ) 气象资料厍 在建立灌区作物需水量预报模型时收集了灌区1 9 8 7 2 0 0 0 年逐日气象观测资料， 有日最高、最低、平均温度，日照时数，相对湿度，风速等六项。分年度将资料输入 到数据库中。计算所得的参考作物腾发量亦同时列在最后一栏。并且还分年度将其单 独保存成备份的数据文件，以便在资料库遭到破坏或重新安装系统时，直接调用所需 年份数据。例如2 0 0 0 年气象资料如图2 2 。 3 ) 作物生长信息库 图2 2 灌区逐日气象数据库屏幕 1 0 主要包括作物种植面积、品种，播种日期，收获日期，当前生长阶段，各生育阶 段起始终止日期，各阶段每种作物根系深度变化，作物绿叶覆益百分率，冠层温度， 叶水势等。这些信息前七项为季节性信息，每年只需输入次即可，最后三项为实时 信息，需要用户在每次运行灌溉预报程序之前更新数据库内容。 考虑到实时预报分旬进行，实时信息量大，将这些信息分作物填到不同表格上， 待作物生长期结束后再对资料进行整理，分年度、作物品种保存每年生育期内的各种 作物信息，供今后的灌溉预报作参考之用。 4 ) 渠系特性信息库 按干、支渠划分建立表格式数据库。这些信息只需在建立数据库时一次性输入， 以后当某一渠道控制面积、水力特性等发生变化时才更新信息库的内容。如图4 - 3 所示。 5 ) 土壤信息库 包括灌区内土壤类型、分区，容重，饱和含水率，田闻持水率，凋萎点，孔隙率， 饱和水力传导率，非饱和水力传导率曲线，非饱和土壤扩散率曲线，导水系数以及土 壤化学成份等。由于受当地土壤监测、实验技术条件限制，该信息库在系统投入运行 之后还需不断补充和完善。 6 ) 陡山水库水量数据库 根据灌区现有保存的陡山水库来水量和用水量资料，建立1 9 5 1 2 0 0 0 年逐月来 用水量统计表，今后在系统投入运行之后，每一时段初的来水量都要及时输入实时水 源信息表中，年终对资料分析整理，再合并到历史数据库中。 7 ) 农业生产信息库 指灌区内的农业耕作、栽培技术，作物品种选育，灌水方式，农业综合节水技 术，作物田间管理方式，化肥、农药施放情况，农业节气时令及国家有关的农业发展 规划、政策等信息。 图2 - 3 渠系数据库屏幕 2 1 3 实时信息数据库 实时信息包括短期天气预报，陡山水库水情预测，作物生长情况，作物需水量， 田间土壤水分状况，工业、城镇生活用水量以及反馈流量等。每次运行预报程序之前 要根据系统菜单提示输入前一个时段的各项实测数据，以修正预报值；同时输入下一 时段的预测值辅助系统作出灌溉预报，实时信息输入界面见图2 4 。 2 2 实时灌溉预报 图2 - 4 实时信息管理主界面 实时灌溉预报强调正确地估计“初始状态”和掌握最新的预测资料。每一次预测 都是以修正后的初始状态为基础，然后利用短期水文气象预报资料，对灌水日期和灌 水定额作出预测。因此，在灌溉预报过程中利用各种反馈信息对前一句各种条件进行 逐日修正尤为重要。根据地形条件、土壤质地、作物品种、生育阶段、农田小气候、 水文地质等不同条件，选择代表性田块进行初始状态的修正，并且对所有田间水量平 衡要素和影响灌水日期、灌水定额的各种因素进行逐日递推或分析。 1 ) 初始田闯水分状况的修正 初始田间水分状况修正是实时灌溉预报中最关键的步骤之。可根据地形、地貌、 气候、土壤等条件，在每一条渠道选择几个代表田块，每个时段初的作物绿叶覆盖百 分率和土壤水分状况均以该田块为准。 对于旱作物，若为生育期初的第一次灌溉预报，应在旬初实测一次土壤含水率； 或选择灌溉季节前土壤含水率达到饱和或田间持永率的时刻作为初始值，运用实际降 水等气象观测值所计算的逐日作物需水量等资料，逐日递推至生育期开始。否则以上 一旬实测气象资料及反馈信息，对上旬各代表田块含水率进行逐日修正，遇灌水或降 透雨则自动修正土壤含水量为田间持水率。 水稻的田闯水分状况可以比较准确地估计，最方便的方法是要求基层将时段初的 田间水分状况告诉计算机处理者。实际工作中，常常在每一支渠系统或干渠、斗渠系 统根据地形、地貌、气候、土壤等条件选择几块代表田块，每个时段初的作物叶面覆 盖百分率及水分状况均以该田块为准。由于各田块之间的水分消长是不同的，在修正 各田间初始水分状况时，如果要求过高，则不利于资料的迅速获得，也无必要；如果 太租，则不能保证预测精度。一般可将稻田水分状况分为7 级，田间有5 日及其以上 田面不见水层为i 级，田面2 4 日无水层为2 级，田面处l o m m 水层至断水l 天为3 级，田面水层1 0 一3 0 r a m 为4 级，3 0 5 0 r a m 为5 级，