集成水聯(lián)網(wǎng)和水權(quán)交易的灌區(qū)智能管理技術(shù)

王鵬全 吳元梅 張霞

摘要：為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水管理的智能化、規(guī)范化和科學(xué)化，基于水聯(lián)網(wǎng)和水權(quán)交易，研究了灌區(qū)智能管理技術(shù)，提出了作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、水聯(lián)網(wǎng)灌溉自動(dòng)化閘門控制系統(tǒng)、灌溉效果監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)、灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)的功能、組成。水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉技術(shù)與水權(quán)交易的集成應(yīng)用，對(duì)提升水資源利用效能和智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：水聯(lián)網(wǎng);水權(quán)交易;精準(zhǔn)灌溉;智能管理

中圖分類號(hào)：TV213.4;5274.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

農(nóng)業(yè)是我國(guó)用水大戶，農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)用水量的60%以上。據(jù)測(cè)算，如果農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)從目前的0.5提高到0.7，就可節(jié)約灌溉水量約900億m³，是我國(guó)灌溉缺水量的3倍。在用水總量和強(qiáng)度雙控的條件下，要保證21世紀(jì)糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，須落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先”的治水思路，以綠色發(fā)展理念引領(lǐng)農(nóng)業(yè)水利發(fā)展，融合交叉產(chǎn)業(yè)技術(shù)，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和灌區(qū)水權(quán)管理技術(shù)，從而盤活水資源存量，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展，高效節(jié)水灌溉與“互聯(lián)網(wǎng)+”的有機(jī)融合創(chuàng)新了新一輪節(jié)水灌溉技術(shù)。水利部水權(quán)改革試點(diǎn)工作的有效實(shí)施為全國(guó)水權(quán)改革提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。左其亭[1]提出了“水利4.0”戰(zhàn)略構(gòu)想，水利發(fā)展進(jìn)入“智慧水利”階段;王忠靜等[2]以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)提出了“實(shí)時(shí)感知、水信互聯(lián)、過(guò)程控制、精準(zhǔn)配送”的灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉技術(shù)體系;楊得瑞等[3]、黃建水等[4]、侯慧敏等[5]對(duì)水權(quán)分配、水權(quán)交易、水市場(chǎng)等水資源管理理論進(jìn)行了總結(jié)完善與實(shí)踐應(yīng)用;倪建軍等[6]研究了水聯(lián)網(wǎng)與水利信息化理論;金永奎等[7]設(shè)計(jì)了高效節(jié)水灌溉自動(dòng)監(jiān)控及信息化系統(tǒng)。以上技術(shù)均在不同尺度灌區(qū)進(jìn)行了水聯(lián)網(wǎng)灌溉或水權(quán)交易應(yīng)用與示范，但其集成協(xié)作的潛力和效果提升尚需進(jìn)一步挖掘和論證。

本文在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與集成，提出了灌區(qū)作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、水聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化閘門控制系統(tǒng)、灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)、灌區(qū)水資源確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)的功能、組成，旨在提高水資源利用效率，適時(shí)適量地按照作物需水規(guī)律和灌溉制度精準(zhǔn)灌溉，實(shí)現(xiàn)水資源統(tǒng)一調(diào)度的自動(dòng)化、規(guī)范化、科學(xué)化和現(xiàn)代化。

1 灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)智能灌概技術(shù)

水聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)是指根據(jù)灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積、灌溉方式以及不同作物在不同灌溉方式下的灌溉制度，進(jìn)行需水預(yù)測(cè)和灌溉決策研究，并集成水聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，采集、感知、傳輸和反饋田間土壤墑情以及作物需水信息，通過(guò)水聯(lián)網(wǎng)測(cè)控一體化閘門的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，完成各時(shí)段水量的精準(zhǔn)配送任務(wù)，實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和灌溉系統(tǒng)智能化、信息化控制及管理。該技術(shù)由作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、水聯(lián)網(wǎng)灌溉自動(dòng)化閘門控制系統(tǒng)和灌溉效果監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)組成。

1.1 作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)

作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)利用土壤墑情傳感器、光照量子數(shù)傳感器、空氣濕度溫度傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器等，適時(shí)地將濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、光量子數(shù)、CO₂濃度、降水量、土壤溫度以及土壤水分等各種物理信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，服務(wù)灌溉決策專家支持系統(tǒng)，并利用視頻探頭、3S技術(shù)和衛(wèi)星圖像對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)、土壤墑情、植物冠層尺度、蟲害等進(jìn)行可視化遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境因子和視頻圖像信息的實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集，并對(duì)各項(xiàng)信息參數(shù)和作物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以適應(yīng)精準(zhǔn)灌溉的需求。作物環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)供電不便的情況下可采用太陽(yáng)能供電。

該系統(tǒng)基于以上技術(shù)獲取土壤墑情、作物長(zhǎng)勢(shì)、蟲情、苗情以及濕度、溫度、風(fēng)向等地面氣象數(shù)據(jù)，從而確定作物需水量。作物需水量、灌溉制度、灌溉決策和灌溉水管理信息可通過(guò)GPRS無(wú)線通信方式和4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用水戶和農(nóng)民用水協(xié)會(huì)，通過(guò)PC端可視化軟件、手機(jī)APP客戶端、微信公眾服務(wù)平臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)LED顯示屏等終端可以查看用水信息。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)云計(jì)算和數(shù)據(jù)云服務(wù)進(jìn)行終端數(shù)字圖像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可查看灌溉數(shù)據(jù)報(bào)表、24h灌溉曲線、作物灌溉實(shí)況、雨情墑情預(yù)報(bào)、作物長(zhǎng)勢(shì)等信息。系統(tǒng)組成框架結(jié)構(gòu)見圖1。

該系統(tǒng)協(xié)同灌溉制度和灌溉決策專家支持系統(tǒng)與水聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，可適應(yīng)現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，為科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供及時(shí)準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。

1.2 水聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化閘門控制系統(tǒng)

水聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化閘門控制系統(tǒng)集成水聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，植人作物需水規(guī)律與灌溉決策信息，匹配作物耗水過(guò)程，對(duì)田間作物生長(zhǎng)環(huán)境因子連續(xù)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)信息處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器及云端服務(wù)器，系統(tǒng)根據(jù)田間土壤墑情及期望閾值發(fā)出智能指令，控制閘門的啟閉和開度，完成灌溉作業(yè)。

系統(tǒng)主要組成設(shè)備包括：作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、協(xié)調(diào)器、信號(hào)交換器、信號(hào)接收器、防火墻、云端服務(wù)器、超聲波水位儀、測(cè)灌聯(lián)控一體化閘門、監(jiān)控設(shè)備、信號(hào)塔、LED顯示屏、PC/手機(jī)控制終端等。測(cè)灌聯(lián)控一體化閘門是該自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的核心，對(duì)上下游水位、閘門開度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)云端服務(wù)器發(fā)送指令控制閘門，實(shí)現(xiàn)智能灌溉的遠(yuǎn)程控制，無(wú)需人工操作。通過(guò)云端服務(wù)器還能夠?qū)崟r(shí)查看土壤墑情、水位、流量、灌溉時(shí)段、閘門開度和運(yùn)行實(shí)況等信息，用水戶可對(duì)自己的用水計(jì)量、水費(fèi)征繳、農(nóng)業(yè)水價(jià)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，推動(dòng)透明化、陽(yáng)光化灌區(qū)水務(wù)建設(shè)。

灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行示意見圖2。

1.3 灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)

灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的主要功能包括灌區(qū)各級(jí)渠道水情采集監(jiān)測(cè)、渠系建筑物運(yùn)行監(jiān)測(cè)、配套工程利用率測(cè)算、灌溉水量計(jì)量、灌溉水利用系數(shù)測(cè)算、水費(fèi)計(jì)量收繳、作物水分生產(chǎn)函數(shù)運(yùn)算、灌區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)、鹽堿度監(jiān)測(cè)、灌溉退水水質(zhì)監(jiān)測(cè)、洪澇和干旱預(yù)警、超定額灌溉預(yù)警、用水總量控制以及灌溉成本一效益評(píng)估等，從而提升最嚴(yán)格水資源管理的能力，為節(jié)水型灌區(qū)評(píng)估提供相關(guān)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可供灌區(qū)用水戶和管理單位注冊(cè)后直接使用，通過(guò)對(duì)灌溉經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)、灌區(qū)管理指標(biāo)和灌區(qū)工程運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評(píng)估，可為用水戶推薦最優(yōu)的種植模式和灌溉制度，也可為灌區(qū)管理單位的決策提供相關(guān)參考。灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的功能見圖3。

2 水權(quán)交易自動(dòng)化管理技術(shù)

水權(quán)交易自動(dòng)化管理技術(shù)將需水、訂購(gòu)、供水、配水和水權(quán)交易連接起來(lái)，初步建成水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利框架下的市場(chǎng)水網(wǎng)，促進(jìn)水效能的提升[1]。該系統(tǒng)主要包括灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)。

2.1 灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)

水資源使用權(quán)確權(quán)是進(jìn)行水權(quán)交易的前提條件。水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)水權(quán)的登記和水權(quán)使用權(quán)流轉(zhuǎn)的登記功能，對(duì)用戶水權(quán)信息進(jìn)行登記、查詢、添加、變更和刪除。依據(jù)水聯(lián)網(wǎng)調(diào)度云端服務(wù)器提供的灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、灌區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和灌區(qū)水權(quán)水量，開展水資源使用權(quán)分配登記，建立網(wǎng)上水資源使用權(quán)登記臺(tái)賬，并為用水戶頒發(fā)水資源使用權(quán)確權(quán)登記證（水權(quán)證），載明用戶初始水權(quán)用途、期限、使用量、結(jié)余量、交易量、農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)、種植面積、灌溉方式等信息。借助水聯(lián)網(wǎng)調(diào)度云端服務(wù)器，植人水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易數(shù)據(jù)，利用水聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)和云平臺(tái)分析灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，認(rèn)定可交易水權(quán)水量，自動(dòng)核減用水戶的水權(quán)水量，以達(dá)到灌區(qū)水資源管理的精確調(diào)度和準(zhǔn)確計(jì)量，確保交易水量的市場(chǎng)準(zhǔn)人。灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)的綜合功能見圖4。

2.2 水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)

水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)為水權(quán)交易雙方提供閑置水權(quán)或節(jié)余水權(quán)交易信息掛牌公布、水權(quán)交易標(biāo)的查詢、水權(quán)交易申請(qǐng)、水權(quán)交易規(guī)則和政策咨詢。水權(quán)交易主體可以利用手機(jī)下載水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)客戶端，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端查看相關(guān)信息;水管部門可以登錄系統(tǒng)進(jìn)行水權(quán)交易網(wǎng)上三級(jí)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源辦公室、灌區(qū)管理處、灌區(qū)管理站）審批和準(zhǔn)人、水權(quán)交易數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、水權(quán)交易監(jiān)督跟蹤、水權(quán)交割變更登記等業(yè)務(wù)。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源辦公室設(shè)置專人負(fù)責(zé)水權(quán)交易合同的審核與檢查，最后生成一份唯一的數(shù)字檔案，準(zhǔn)確記錄水權(quán)交易過(guò)程以及合同期各方的權(quán)利義務(wù)，為規(guī)范水權(quán)交易提供有效保證，同時(shí)也為水事糾紛處理提供依據(jù)。水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)操作規(guī)程見圖5。

3 討論

（1）水權(quán)分配、水權(quán)交易等水資源精細(xì)化管理機(jī)制的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)水資源管理方式。水權(quán)制度從源頭和過(guò)程“倒逼”農(nóng)業(yè)節(jié)水，促進(jìn)水資源向高效益、低消耗的產(chǎn)業(yè)流轉(zhuǎn)。灌區(qū)通過(guò)土地流轉(zhuǎn)形成規(guī)模化設(shè)施農(nóng)業(yè)、經(jīng)果林農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及通過(guò)建設(shè)工業(yè)園區(qū)招商引資等成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化的新趨勢(shì)，其新增水量指標(biāo)必須通過(guò)與農(nóng)民用水協(xié)會(huì)或農(nóng)民用水戶之間的水權(quán)交易獲得，基于水聯(lián)網(wǎng)的水權(quán)交易自動(dòng)化管理技術(shù)成為迫切需要。筆者提出的灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，可為解決該問(wèn)題提供技術(shù)支撐。

（2）我國(guó)自流灌區(qū)大多沿襲了傳統(tǒng)的地面灌溉方式，渠道標(biāo)準(zhǔn)化程度低，灌溉定額高，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著小畦灌溉、微噴灌、滴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，植人水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉技術(shù)，農(nóng)業(yè)節(jié)水效果將十分顯著，田間凈灌溉定額可大大降低，為開展農(nóng)業(yè)節(jié)水向工業(yè)企業(yè)流轉(zhuǎn)、灌區(qū)用水戶間水權(quán)交易提供了可能。因此，本文提出的水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水權(quán)交易的技術(shù)保障。

（3）本文提出的灌區(qū)智能管理技術(shù)體系集成了作物環(huán)境信息采集、水聯(lián)網(wǎng)調(diào)度云服務(wù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制和水權(quán)交易自動(dòng)化管理技術(shù)，是“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的創(chuàng)新發(fā)展。該技術(shù)利用智能設(shè)備自動(dòng)采集水文氣象、作物長(zhǎng)勢(shì)、土壤墑情等信息，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速傳輸、需水預(yù)報(bào)、訂單供水、精準(zhǔn)配水、高效管理和水權(quán)交易連接起來(lái)，并且利用測(cè)灌聯(lián)控一體化閘門的智能控制實(shí)現(xiàn)精量灌溉，從而促進(jìn)灌區(qū)水管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、規(guī)范化和科學(xué)化，提高水資源的利用效能。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉與水權(quán)交易技術(shù)的集成應(yīng)用做了一定創(chuàng)新與設(shè)計(jì)，提出的智能化灌區(qū)管理技術(shù)體系主要適用于水資源短缺、用水矛盾突出的內(nèi)陸自流灌區(qū)。在最嚴(yán)格水資源管理制度“倒逼”下，在內(nèi)陸干旱區(qū)建成一批高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高水平的現(xiàn)代化農(nóng)田水利示范區(qū)，促進(jìn)節(jié)水，并將節(jié)約的用水指標(biāo)流轉(zhuǎn)市場(chǎng)，利用市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的杠桿作用提高灌區(qū)水資源的利用效能，實(shí)現(xiàn)取用水管理的智能化、規(guī)范化和科學(xué)化，可大大節(jié)省灌區(qū)管理的人力、物力和財(cái)力。在控制灌區(qū)水資源總量的同時(shí)盤活存量，不僅能保證灌區(qū)糧食安全、生態(tài)健康，而且能保證水權(quán)交易配套工程和設(shè)施的節(jié)水效益，為水權(quán)交易工作的跟蹤評(píng)估和灌區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)度提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)決策支撐。

該項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的推廣前景和應(yīng)用潛力，但其集成應(yīng)用效果和技術(shù)對(duì)接問(wèn)題需要通過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)和改進(jìn)。

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