摘要 農田水利工程的現代化管理水平對民生及“三農”問題的解決均舉足輕重。小型水庫占我國水庫總數的90%以上，且主要功能為農業灌溉。我國小型水庫普遍存在建設工程不符合現行規范、現代化管理水平低下等問題。運用物聯網、三維仿真、云計算、空間分析等技術，將農業灌溉、水利調度、災害預防等應用需求有機耦合，建立了符合農業灌區實際情況的生態流量計算與調控補給模型，實現了農業灌區、河堤大壩、水環境、用水等的實時感知體系，較好解決了灌區三維仿真與可視化管理問題，并開發了防汛會診的移動APP，構建了面向農業灌溉的小型三維GIS水庫智慧管理平臺，成功應用于3 914座水庫和13個灌區的水行政主管部門和水利工程管理單位，為有效提高面向農業灌溉的小型水庫的現代化運行管理水平提供了技術支撐。

　　關鍵詞 農業灌溉;小型水庫;三維GIS;智慧管理

　　根據《2020年全國水利發展統計公報》，小型水庫占我國水庫總數的90%以上[1]。小型水庫的主要功能為農業灌溉，維護著農村經濟的穩定和社會的和諧發展[2]。然而，小型水庫大多建于20世紀60至70年代，這些水庫年久失修、淤積嚴重[3]，雖然幾十年來經過數輪除危加固[4]，但由于現代化管理水平有限、智能化建設能力落后、建設工程不符合現行規范[5]以及業務專業化協同程度不足等問題，導致運行效益普遍不佳，無法適應農業與水利現代化管理的要求[6]。

　　為使小型水庫從松散式、粗放式、人工管理變為系統化、專業化、精細化、智能化管理[7]，亟待運用物聯網、三維仿真、云計算、空間數據庫等先進技術，實現農業灌區信息化管理、水資源實時調度、水文預報與災害預警、防汛抗旱輔助決策、生態流量與水質監測、水利工程運行管理、電子政務管理等技術需求。因此，該研究利用GPS、RS和GIS技術為支撐，組建了一個由基礎地理底圖數據、高清衛星影像數據、水文水資源數據和河道專題數據組成的空間數據庫;根據灌區特征、河段形態、補充水量的總貯水量和調蓄設施的分布及數量等條件，建立了符合農業灌區實際情況的生態流量計算與調控補給模型;通過當前主流的中間件、Web Service、SOA架構等技術，將農業灌溉、水利調度、災害預防等應用需求有機耦合，實現了農業灌區、河堤大壩、水環境、用水等的實時感知體系，較好解決了灌區三維仿真與可視化管理問題，并開發了防汛會診的移動APP，構建了面向農業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業灌溉的小型水庫的現代化運行管理水平提供技術支撐。鑒于此，筆者介紹了面向農業灌溉的小型水庫三維GIS智慧管理平臺的總體設計與架構、平臺實現與應用。

　　1 關鍵技術方法

　　1.1 總體設計與架構 面向農業灌溉的小型水庫三維GIS智慧管理平臺架構如圖1所示。總體框架可分為“五層兩翼”。五層分別是感知層、基礎設施層、數據層、應用支撐層、智慧應用層;兩翼是標準規范保障體系和信息安全防護體系。其中，感知層采用物聯網技術，包括水位、雨量、工情、水質、水量和視頻等采集內容，實現農業灌區、河堤大壩、水環境、用水等的實時感知體系，為業務應用提供數據支撐;智慧應用層包括數字孿生水庫、水庫運行管理系統和水庫洪水預報系統。數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，輔助領導決策分析;水庫運行管理系統基于電腦端和移動端分別按綜合首頁、安全監測、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用系統，滿足水庫各業務維度的管理需求;水庫洪水預報系統根據前期和現時的水文、氣象等信息，利用模型技術揭示和預測水庫入庫洪水的發生及其變化過程，主要包括預報調度、洪水演進、風險圖和三維電子沙盤。

　　1.2 云計算與三維WebGIS灌區仿真平臺架構 通過運用云計算技術和虛擬化技術，實現管理和業務集中，對數據中心資源進行動態調整與分配，可以滿足用戶關鍵應用向X86系統遷移時對于資源高性能、高可靠、安全性和高可適應性的要求，提高基礎架構自動化管理水平[8]，滿足基礎設施快速適應業務敏捷訴求，進一步減少投入，適用于該平臺業務應用種類多、計算時效性要求高的現狀，以及不斷擴展的業務應用和不斷增加的計算需求。云架構共分為服務和管理兩大部分：在服務方面，主要以提供用戶基于云的各種服務為主，共包含3個層次：一是Software as a Service軟件即服務，作用是將應用主要以基于Web的方式提供給客戶;二是Platform as a Service平臺即服務，作用是將一個應用的開發和部署平臺作為服務提供給用戶;三是Infrastructure as a Service基礎架構即服務，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定的運行，并且能夠被有效管理[9-11]。

　　3D WebGIS技術通過新的技術手段實現空間信息的快速發布，打破了傳統Web GIS數據發布的思路與模式[12]，可極大降低服務器和網絡帶寬負擔，使人們和空間信息的交互方式發生深刻變革[13]。通過全局考慮，將農業灌溉、水利調度、災害預防等應用需求有機耦合，系統構架于“三維WebGIS” 平臺之上，通過當前主流中間件技術、存儲與備份技術、Web Service技術、SOA架構、J2EE架構與XML，可以很好地滿足該平臺與各類系統、服務等的有效兼容，較好解決了灌區三維仿真與可視化管理問題。

　　通過三維WebGIS灌區仿真，平臺主要實現如下功能：農業灌區智能管理模塊、水資源實時調度管理模塊、水文預報與災害預警模塊、防汛抗旱輔助決策支持模塊、生態流量與水質監測模塊、水利工程運行管理模塊、電子政務管理模塊等，其平臺架構如圖2所示。

　　1.3 農業灌區生態流量模型 根據灌區特征、河段形態、補充水量的總貯水量和調蓄設施的分布及數量等條件，建立了符合農業灌區實際情況的生態流量計算與調控補給模型，如圖3所示。以利用GPS、RS和GIS技術為支撐，組建了一個由基礎地理底圖數據、高清衛星影像數據、水文水資源數據和河道專題數據組成的空間數據庫。

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