摘要 農(nóng)田水利工程的現(xiàn)代化管理水平對民生及“三農(nóng)”問題的解決均舉足輕重。小型水庫占我國水庫總數(shù)的90%以上，且主要功能為農(nóng)業(yè)灌溉。我國小型水庫普遍存在建設(shè)工程不符合現(xiàn)行規(guī)范、現(xiàn)代化管理水平低下等問題。運用物聯(lián)網(wǎng)、三維仿真、云計算、空間分析等技術(shù)，將農(nóng)業(yè)灌溉、水利調(diào)度、災(zāi)害預(yù)防等應(yīng)用需求有機耦合，建立了符合農(nóng)業(yè)灌區(qū)實際情況的生態(tài)流量計算與調(diào)控補給模型，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌區(qū)、河堤大壩、水環(huán)境、用水等的實時感知體系，較好解決了灌區(qū)三維仿真與可視化管理問題，并開發(fā)了防汛會診的移動APP，構(gòu)建了面向農(nóng)業(yè)灌溉的小型三維GIS水庫智慧管理平臺，成功應(yīng)用于3 914座水庫和13個灌區(qū)的水行政主管部門和水利工程管理單位，為有效提高面向農(nóng)業(yè)灌溉的小型水庫的現(xiàn)代化運行管理水平提供了技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)灌溉;小型水庫;三維GIS;智慧管理

　　根據(jù)《2020年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報》，小型水庫占我國水庫總數(shù)的90%以上[1]。小型水庫的主要功能為農(nóng)業(yè)灌溉，維護著農(nóng)村經(jīng)濟的穩(wěn)定和社會的和諧發(fā)展[2]。然而，小型水庫大多建于20世紀(jì)60至70年代，這些水庫年久失修、淤積嚴(yán)重[3]，雖然幾十年來經(jīng)過數(shù)輪除危加固[4]，但由于現(xiàn)代化管理水平有限、智能化建設(shè)能力落后、建設(shè)工程不符合現(xiàn)行規(guī)范[5]以及業(yè)務(wù)專業(yè)化協(xié)同程度不足等問題，導(dǎo)致運行效益普遍不佳，無法適應(yīng)農(nóng)業(yè)與水利現(xiàn)代化管理的要求[6]。

　　為使小型水庫從松散式、粗放式、人工管理變?yōu)橄到y(tǒng)化、專業(yè)化、精細(xì)化、智能化管理[7]，亟待運用物聯(lián)網(wǎng)、三維仿真、云計算、空間數(shù)據(jù)庫等先進技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌區(qū)信息化管理、水資源實時調(diào)度、水文預(yù)報與災(zāi)害預(yù)警、防汛抗旱輔助決策、生態(tài)流量與水質(zhì)監(jiān)測、水利工程運行管理、電子政務(wù)管理等技術(shù)需求。因此，該研究利用GPS、RS和GIS技術(shù)為支撐，組建了一個由基礎(chǔ)地理底圖數(shù)據(jù)、高清衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、水文水資源數(shù)據(jù)和河道專題數(shù)據(jù)組成的空間數(shù)據(jù)庫;根據(jù)灌區(qū)特征、河段形態(tài)、補充水量的總貯水量和調(diào)蓄設(shè)施的分布及數(shù)量等條件，建立了符合農(nóng)業(yè)灌區(qū)實際情況的生態(tài)流量計算與調(diào)控補給模型;通過當(dāng)前主流的中間件、Web Service、SOA架構(gòu)等技術(shù)，將農(nóng)業(yè)灌溉、水利調(diào)度、災(zāi)害預(yù)防等應(yīng)用需求有機耦合，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌區(qū)、河堤大壩、水環(huán)境、用水等的實時感知體系，較好解決了灌區(qū)三維仿真與可視化管理問題，并開發(fā)了防汛會診的移動APP，構(gòu)建了面向農(nóng)業(yè)灌溉的小型水庫三維GIS智慧管理平臺，極大縮減防汛人員工作量，促進防汛工作的順利推進，有效提高水庫的信息化管理水平[8]，并成功應(yīng)用于3 914座水庫、285條堤防、138座水閘、29個供水工程、28個泵站、13個灌區(qū)的水行政主管部門和水利工程管理單位，以期為有效提高面向農(nóng)業(yè)灌溉的小型水庫的現(xiàn)代化運行管理水平提供技術(shù)支撐。鑒于此，筆者介紹了面向農(nóng)業(yè)灌溉的小型水庫三維GIS智慧管理平臺的總體設(shè)計與架構(gòu)、平臺實現(xiàn)與應(yīng)用。

　　1 關(guān)鍵技術(shù)方法

　　1.1 總體設(shè)計與架構(gòu) 面向農(nóng)業(yè)灌溉的小型水庫三維GIS智慧管理平臺架構(gòu)如圖1所示。總體框架可分為“五層兩翼”。五層分別是感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、智慧應(yīng)用層;兩翼是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保障體系和信息安全防護體系。其中，感知層采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括水位、雨量、工情、水質(zhì)、水量和視頻等采集內(nèi)容，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌區(qū)、河堤大壩、水環(huán)境、用水等的實時感知體系，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐;智慧應(yīng)用層包括數(shù)字孿生水庫、水庫運行管理系統(tǒng)和水庫洪水預(yù)報系統(tǒng)。數(shù)字孿生水庫基于大屏端可視化展示工程概況、運行管理、水庫遨游、線上巡檢和仿真演練等圖層，輔助領(lǐng)導(dǎo)決策分析;水庫運行管理系統(tǒng)基于電腦端和移動端分別按綜合首頁、安全監(jiān)測、巡視檢查、運行管理、工程管理、資料整編、移動端等提供各類專題應(yīng)用系統(tǒng)，滿足水庫各業(yè)務(wù)維度的管理需求;水庫洪水預(yù)報系統(tǒng)根據(jù)前期和現(xiàn)時的水文、氣象等信息，利用模型技術(shù)揭示和預(yù)測水庫入庫洪水的發(fā)生及其變化過程，主要包括預(yù)報調(diào)度、洪水演進、風(fēng)險圖和三維電子沙盤。

　　1.2 云計算與三維WebGIS灌區(qū)仿真平臺架構(gòu) 通過運用云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)管理和業(yè)務(wù)集中，對數(shù)據(jù)中心資源進行動態(tài)調(diào)整與分配，可以滿足用戶關(guān)鍵應(yīng)用向X86系統(tǒng)遷移時對于資源高性能、高可靠、安全性和高可適應(yīng)性的要求，提高基礎(chǔ)架構(gòu)自動化管理水平[8]，滿足基礎(chǔ)設(shè)施快速適應(yīng)業(yè)務(wù)敏捷訴求，進一步減少投入，適用于該平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用種類多、計算時效性要求高的現(xiàn)狀，以及不斷擴展的業(yè)務(wù)應(yīng)用和不斷增加的計算需求。云架構(gòu)共分為服務(wù)和管理兩大部分：在服務(wù)方面，主要以提供用戶基于云的各種服務(wù)為主，共包含3個層次：一是Software as a Service軟件即服務(wù)，作用是將應(yīng)用主要以基于Web的方式提供給客戶;二是Platform as a Service平臺即服務(wù)，作用是將一個應(yīng)用的開發(fā)和部署平臺作為服務(wù)提供給用戶;三是Infrastructure as a Service基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)，作用是將各種底層的計算(比如虛擬機)和存儲等資源作為服務(wù)提供給用戶。在管理方面，主要以云的管理層為主，功能是確保整個云計算中心能夠安全和穩(wěn)定的運行，并且能夠被有效管理[9-11]。

　　3D WebGIS技術(shù)通過新的技術(shù)手段實現(xiàn)空間信息的快速發(fā)布，打破了傳統(tǒng)Web GIS數(shù)據(jù)發(fā)布的思路與模式[12]，可極大降低服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)擔(dān)，使人們和空間信息的交互方式發(fā)生深刻變革[13]。通過全局考慮，將農(nóng)業(yè)灌溉、水利調(diào)度、災(zāi)害預(yù)防等應(yīng)用需求有機耦合，系統(tǒng)構(gòu)架于“三維WebGIS” 平臺之上，通過當(dāng)前主流中間件技術(shù)、存儲與備份技術(shù)、Web Service技術(shù)、SOA架構(gòu)、J2EE架構(gòu)與XML，可以很好地滿足該平臺與各類系統(tǒng)、服務(wù)等的有效兼容，較好解決了灌區(qū)三維仿真與可視化管理問題。

　　通過三維WebGIS灌區(qū)仿真，平臺主要實現(xiàn)如下功能：農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能管理模塊、水資源實時調(diào)度管理模塊、水文預(yù)報與災(zāi)害預(yù)警模塊、防汛抗旱輔助決策支持模塊、生態(tài)流量與水質(zhì)監(jiān)測模塊、水利工程運行管理模塊、電子政務(wù)管理模塊等，其平臺架構(gòu)如圖2所示。

　　1.3 農(nóng)業(yè)灌區(qū)生態(tài)流量模型 根據(jù)灌區(qū)特征、河段形態(tài)、補充水量的總貯水量和調(diào)蓄設(shè)施的分布及數(shù)量等條件，建立了符合農(nóng)業(yè)灌區(qū)實際情況的生態(tài)流量計算與調(diào)控補給模型，如圖3所示。以利用GPS、RS和GIS技術(shù)為支撐，組建了一個由基礎(chǔ)地理底圖數(shù)據(jù)、高清衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、水文水資源數(shù)據(jù)和河道專題數(shù)據(jù)組成的空間數(shù)據(jù)庫。

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