計算機科學(xué)與技術(shù)在節(jié)水管理中的應(yīng)用

張洋+黃姝妤

摘要：為了應(yīng)對日趨嚴(yán)重的水資源短缺現(xiàn)狀，必須改變現(xiàn)有的浪費嚴(yán)重的用水方式，大力發(fā)展抗旱節(jié)水新技術(shù)，走節(jié)水農(nóng)業(yè)之路，使有限的水資源發(fā)揮出了最大的效益，這對于中國這樣一個水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國尤為重要，是保證我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞：計算機科學(xué)與技術(shù)；節(jié)水管理

中圖分類號：R977.7

水是農(nóng)業(yè)的命脈， 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水總量為 4.0×103 億立方米，占全國總用水量的 70%左右，而灌溉用水量占到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量的絕大部分（約為 90%）。長期以來，受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作模式和生產(chǎn)水平限制，我國農(nóng)業(yè)灌溉用水存在浪費嚴(yán)重現(xiàn)象，利用率僅為 45%，遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家的平均水平（70%～80%），特別是近年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遭遇的嚴(yán)重干旱給我們敲響了警鐘，例如在 2010 年年初，我國四川、廣西、云南、貴州和重慶西南五省市地區(qū)遭遇嚴(yán)重干旱，部分旱區(qū)旱情持續(xù)時間長達(dá) 5 個月，耕地受旱面積達(dá) 1.11 億畝，農(nóng)作物絕收面積超過110 萬公頃，經(jīng)濟(jì)損失超過 350 億元。

一、計算機科學(xué)與技術(shù)在節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

1 數(shù)據(jù)采集與分析

以計算機為工具，建立農(nóng)田水資源利用的決策支持系統(tǒng)（DecisionSupport Systems，DSS），提 高 節(jié) 水 農(nóng) 業(yè) 決 策 的 科學(xué) 化 ，它 是實 現(xiàn) 處 方 農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)的核心。 所謂 DSS 是指通過決策科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的理論知識和數(shù)據(jù)、模型，以人機交互方式輔助決策者進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化決策的計算機應(yīng)用系統(tǒng)，節(jié)水灌溉系統(tǒng)是一個典型的 DSS 能解決的問題，通過模擬作物的產(chǎn)量和需水過程的關(guān)系，預(yù)測農(nóng)田土壤鹽分及水分脅迫對產(chǎn)量的影響，制定農(nóng)田科學(xué)的灌溉措施，實現(xiàn)適時適量的精確灌溉，降低灌溉用水量，提高水資源利用效率，達(dá)到節(jié)約和高效利用水資源之目的。農(nóng)田灌溉 DSS 以支持模型運算必需的各種靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫和反映不同地區(qū)自然生態(tài)條件等作物栽培和用水管理經(jīng)驗知識以及具有知識推理機制的專家知識庫作為基本信息支撐，通過總控程序構(gòu)筑灌溉用水決策支持系統(tǒng)的運行環(huán)境，輔以友好的人機界面和人機對話過程，有效地實現(xiàn)了信息查詢、用水管理和系統(tǒng)控制等主要操作功能。

2 地下滴灌

地下滴灌技術(shù)（Subsurface Drip Irrigation，SDI）是指通過地埋毛管上的灌水器將農(nóng)作物所需要的水、肥、藥以均勻、緩慢、準(zhǔn)確地滲入到作物根部的新型灌溉技術(shù)，尤其適合我國干旱的西北地區(qū)。 地下滴灌具有顯著的節(jié)水優(yōu)勢 （采用地下滴灌方式水的利用率可達(dá) 95% 以上），且有利于作物生長，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及改善土壤環(huán)境等多方面優(yōu)點。采用計算機灌溉系統(tǒng)，可以自動控制地下滴灌作業(yè)，主要是采用ADI 壓力補償管理作業(yè)。 該技術(shù)已被許多農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家所應(yīng)用，其主要設(shè)備 ADI 壓力補償?shù)喂喙懿捎玫晤^雙入口、寬流道、梯形迷宮式結(jié)構(gòu)以降低水流壓力，并與上部的彈性片配合調(diào)整流道的寬度，從而達(dá)到穩(wěn)定出水口流量的目的，對提高節(jié)水效率非常明顯。

3 智能化灌溉管理

智能化灌溉管理是通過配備先進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對氣候的準(zhǔn)確測量，自動確定是否需要進(jìn)行灌溉，或由此確定何時進(jìn)行灌溉等，自動發(fā)出信號，進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控，實施灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)完全依靠計算機自動操作和執(zhí)行的，無需人為干涉，最大程度地實現(xiàn)自動化作業(yè)。通過監(jiān)測設(shè)備得到的數(shù)據(jù)可以自動啟動或關(guān)閉灌溉程序，如通過雨量計得到的數(shù)據(jù)，自動確定灌溉水量，通過土壤濕度計確定灌溉的深度。 操作人員可以通過電話或計算機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、查看、獲得并控制正在發(fā)生的一切灌溉數(shù)據(jù)和動作，系統(tǒng)自動紀(jì)錄所有發(fā)生過的事件的詳細(xì)數(shù)據(jù)。操作人員和管理者根據(jù)過去發(fā)生的紀(jì)錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，做出相應(yīng)的調(diào)整和決策，真正達(dá)到農(nóng)業(yè)灌溉管理系統(tǒng)化和科學(xué)化。

4 自動化灌溉控制

自動化的灌溉控制技術(shù)是指在無人干預(yù)的情況下，通過由計算機控制的中央灌溉管理系統(tǒng)，根據(jù)地塊和作物的要求適時、適量進(jìn)行自動灌溉的技術(shù)。這種自動化灌溉管理系統(tǒng)可通過反映作物需水的某些參量，預(yù)先編制好灌溉程序軟件，灌溉機械自動地按照程序指令，按規(guī)定時間、不同地塊要求，提供不同的灌溉水量。 該系統(tǒng)加上遙控裝置后，能夠儲存數(shù)據(jù)，通過個人計算機和通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉控制和管理。

二、計算機自動控節(jié)水灌溉的設(shè)計研究

1.大棚（或連棟）溫室自動化灌溉的設(shè)計

在日光溫室中，由于栽培空間封閉，環(huán)境狀況優(yōu)越，用于系統(tǒng)自動控制的設(shè)備可達(dá)到較高的精確度。其研究設(shè)計采用計算機統(tǒng)一管理全部參數(shù)數(shù)據(jù)，電腦工控機控制所有的操作對象，如濕度、溫度、電導(dǎo)率、PH值、CO濃度、徽噴或滴灌時間、施肥、風(fēng)機、水簾開閉、自動閥門、加壓泵、電子加藥泵等等。將遙控和自控相結(jié)合，達(dá)到全過程計算機控制自動化。

（l）計算機自動拉制系統(tǒng)

計算機自動控制系統(tǒng)由微機、主控機、分控機等組成。其中徽機和主控機安裝在中心控制室，每個溫室配備一個分控機。主控機主要是采集各分控機反饋的溫室實際狀況（如溫度、濕度、PH值、電導(dǎo)等）并傳遞給微機，微機用來軟件編程、翰人、修改各種數(shù)據(jù)，管理人員通過顯示器了解環(huán)境的狀況和參數(shù)變化，用鍵盤或鼠標(biāo)向各分控機發(fā)出工作命令，由分控機自動關(guān)啟溫室的水泵、風(fēng)機、照明和微灌系統(tǒng)的閘閥等開關(guān)，實現(xiàn)定時定量灌溉。系統(tǒng)的配套管理軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、顯示子程序、鍵盤中斷服務(wù)程序、打印子程序及定時中斷服務(wù)程序等組成。

整個系統(tǒng)不需要體力工人直接參與，通過預(yù)先編制好的控制程序和根據(jù)反映作物需水的某些參數(shù)可以自動啟閉水泵和自動按一定的輪灌順序進(jìn)行灌溉，人工的輔助作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。

（2）自控設(shè)備及工作流程自控系統(tǒng)中，除一般常用的灌水器、管道、管件及水泵、電機外，還包括有計算機、主控機、分控機、自動閥、傳感器（土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等）及電線等。

其中土壤水分傳感器就是真空負(fù)壓表，表上顯示出的數(shù)字即是土壤含水量的大小，需根據(jù)不同作物所需適宜土壤含水量的上下限來確定真空負(fù)壓表讀數(shù)的上下限，預(yù)備灌溉時使用。

空氣濕度傳感器用來測量大棚溫室內(nèi)空氣濕度變化情況，通過分控機上的指示燈來顯示。

電接點溫度計用來測量溫室內(nèi)土壤溫度。

2.大面積農(nóng)田自動化灌溉的設(shè)計

農(nóng)作物大田的全自動灌溉控制系統(tǒng)也是由計算機（包括系統(tǒng)程序和打印機）、主控機、分控機、傳感器等組成，但自控設(shè)備的種類和數(shù)量相對溫室較少。傳感器一般預(yù)埋在農(nóng)田里，計算機、打印機和主控機安裝在中央控制室，分控機則安裝在易于控制水泵和管道閥門的地方。

其工作流程是：土壤水分傳感器自動檢測出農(nóng)田中的水分與溫度等參數(shù)，并反饋顯示在計算機屏幕上，計算機根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析預(yù)報和土坡墑情側(cè)算與灌水指導(dǎo)系統(tǒng)，自動確定需要灌概的時間與灌概用水量；當(dāng)指定時間一到，微機根據(jù)預(yù)設(shè)的程序立即進(jìn)行處理，并操作主控機工作，主控機將開機信號傳給分控機，分控機接收到主控機發(fā)出的開啟指令后，經(jīng)強電伺服裝置開啟電磁閥進(jìn)行灌水；灌水到一定時間后，當(dāng)土壤水分傳感器檢側(cè)到土壤墑情已達(dá)到設(shè)計要求，灌水量已夠時，就將信號反饋傳送到計算機，通知停水，計算機接到反饋信號后，依次把停水命令傳給主控機、分控機，分控機則控制關(guān)閉電磁閥，停止灌概。停水后，計算機上自動顯示出此時土坡的含水盤、本次灌溉所用水量、灌溉起止時間以及應(yīng)付水費等，同時預(yù)報下次灌溉的時間及灌水量，并將結(jié)果打印出來。

結(jié)語

現(xiàn)在，節(jié)水灌溉計算機控制管理系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用和重要性越來越明顯，其推廣應(yīng)用也十分緊迫，但整體的自動化水平和程度還不是很高，特別是我國的農(nóng)業(yè)設(shè)施還尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。因此，進(jìn)一步開發(fā)更為實用、更加科學(xué)的節(jié)水灌溉計算機管理系統(tǒng)，真正實現(xiàn)因時、因作物、因地用水以及用肥自動控制，科學(xué)合理地利用有限的水資源。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許 迪 ， 康 紹 忠 . 現(xiàn) 代 節(jié) 水 農(nóng) 業(yè) 技術(shù) 研究 進(jìn)展 及 發(fā)展 趨 勢 [J]. 高 技術(shù) 通 訊 ，2002，12（12）：103-108.endprint