[01061999]灌区水资源地理信息管理系统开发与应用研究

项目背景：中国水资源紧张，农业用水占总用水量占70%以上，灌溉用水又占到农业用水的80%以上，中国灌区管理粗放，农田灌溉水有效利用系数只有0.51，远低于0.7-0.8的世界先进水平，平均每立方水生产粮食只有0.84kg，不到发达国家的一半。中国制定的目标是农田灌溉水有效利用系数到2015年达到0.53，2020年达到0.55，要实现这一目标，不仅要进行渠道防渗改造等工程措施，还需要进行灌区水资源的高效管理。灌区水资源信息处理主要依靠手工方式，工作繁重且效率低下。灌区各管理站和测控站分布在不同区域，各种信息比较分散，灌区水资源、各级渠系、土壤、气候、作物灌溉制度等都与地理信息密切相关，要实现长期精准的灌溉管理必须建立灌区水资源地理信息系统。灌区水资源地理信息系统是将GIS技术引入灌区用水管理，与先进的灌溉理论和模型结合，进行实时动态优化配水和工程管理控制，既节水又提高农作物品质同时改善灌区生态环境。研究内容与成果：该研究以沈阳浑北灌区、湖北漳河灌区和抚顺李石灌区为试验灌区，试验面积29.2万亩，历时9年，参与人员50余人，最终建立了灌区水资源地理信息管理系统。系统建立的目的是根据收集的灌区内田间实时水份状况、水资源现状和气象状况，以3S为技术手段，运用计算机和数学模型制定合理的灌溉制度，进行闸门调度、用水决策、用水管理及效益分析评价，并将所有信息展现在地理信息系统平台上。具体研究内容及成果如下：(1)灌区水资源管理数据采集与传输技术研究应用GPS、遥感等进行灌区地理信息采集；干渠和主要支渠取水口设置流量监测点和闸门控制点；灌区内布设水深、土壤墒情监测点，另配有移动式土壤墒情监测站作为补充；典型区域布设雨量站和气象站。数据传输前端采集设备以光纤、超短波、GSM短信等方式将数据传送至中心站。采集传输的实时信息包括田间水深、土壤墒情、渠道水位和流量、作物信息、灌区供水水库塘堰储水量、降雨蒸发等气象资料。(2)灌区水资源管理数据库建设研究系统数据库根据灌区实际情况和分析需求建立包括基础地理数据库、基本属性数据库、空间数据库、水文数据库、渠系数据库、工情数据库、农情数据库、遥感监测数据库、数学模型库和灌溉决策方案数据库在内的10大数据库。其中水文、渠系、工情和农情4个数据库为实时数据库。(3)灌区水资源管理系统设计与开发研究灌区水资源管理平台是一个综合性管理系统，管理者可以在一张电子地图上查阅包括前端采集数据、土壤墒情、遥感旱情、作物种植结构、田间水位、渠道流量、灌区气候、灌区水文、水工建筑工作状态等信息。通过模型库和决策库进行灌区需水分析、配水调度、实时灌溉预报、优化灌溉、辅助决策等方面的工作。主要创新点：该项目以数字灌区基础信息平台设计与建设和灌区水量调度优化技术为核心，建立了一个集GIS、用水灌溉决策支持为一体的灌区水资源管理系统。(1)建立了一套灌区水资源管理数据实时采集与传输的方法。以计算机技术、3S集成技术以及水位传感器和数据采集卡集成技术为基础，设计数据采集与传输应用程序。首次以灌区渠系为划分单元，建立起一套灌区用水管理数据实时采集、传输系统，经对采集数据实践分析，数据采集传输系统运行可靠。(2)提出了灌区水资源管理数据需求分类，设计了适用于灌区水资源管理的数据库。根据灌区用水管理决策数据需求分析，数据对重要用水事件决策的支持程度，首次对灌区用水管理数据进行了需求分类，并根据灌区水资源管理特点进行了灌区水资源管理数据库设计。(3)建立了渠系联合调度机制。以往的渠系配水仅由经验和个别闸门单独控制，该研究采用了闸门联动机制，各闸门启闭与渠系用水量均由决策系统计算得出并统一由远程控制系统操作，完全解决了配水困难大，操作复杂的问题。社会经济效益(1)经济效益该项目从2003年开始在沈阳浑北灌区、湖北漳河灌区和抚顺李石灌区进行试点研究。浑北灌区应用面积19.6×104ha，系统运行2年，节水0.76×108m<'3>，粮食增产1568×104kg，创造经济效益3587×104元；李石灌区应用面积2.6×104ha，系统运行6年，节水0.28×108m<'3>，粮食增产780×104kg，创造经济效益1732×104元；漳河灌区应用面积7×104ha，系统运行6年，节水1.26×108m<'3>，粮食增产1050×104kg，创造经济效益4124×104元。(2)社会效益项目实施后，实现了灌区少人或无人值守的智能化体系，科学的灌溉体制保证了粮食高产和抵御自然灾害的能力，节约了大量水资源，对于满足人们物质需求和促进社会和谐起到了重要的作用。此外，项目的实施也减少了化肥农药的用量，减轻了对地下水和周围环境的污染。监测信息显示，灌区周围水质总磷总氮含量平均下降20％左右，为灌区环境保护做出了突出的贡献。项目共培养骨干教师2人，博士2人，硕士6人，发表中文核心论文10篇，其中EI收录2篇,出版相关著作1部。获得教育部科学进步奖一等奖1项，辽宁省自然科学学术成果奖二等奖2项，湖北省科学进步奖三等奖1项，市级奖励3项。获得国家版权局软件著作权10项。