大型灌區(qū)智慧灌溉系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

李增煥，毛崇華，楊 鋮，汪文超，吳志炎，崔遠(yuǎn)來(lái)，劉方平

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，武漢430070；3.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201)

大型灌區(qū)具有工程分散性、水資源有限性、水情雨情變化性、農(nóng)作物需水時(shí)效性、灌溉供水動(dòng)態(tài)性等方面的特點(diǎn)，導(dǎo)致灌區(qū)水管理工作的復(fù)雜性。如何綜合利用灌區(qū)各類監(jiān)測(cè)信息和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)適用于大型灌區(qū)的智慧灌溉系統(tǒng)，已成為新時(shí)期灌區(qū)管理的重要任務(wù)之一。大型灌區(qū)與果園、草地及大棚等小型區(qū)域在區(qū)域特點(diǎn)及管理模式上的差異，使得其智慧灌溉系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路不同。小型區(qū)域作物種類單一，可由土壤墑情、適宜水分上下限和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉[1-4]，且基本沒(méi)有考慮未來(lái)降雨對(duì)灌溉的影響，陳一飛等綜合考慮降雨有效利用和受旱減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)了針對(duì)小型灌溉系統(tǒng)的智慧灌溉決策平臺(tái)[5]。小型區(qū)域空間差異性小，信息監(jiān)測(cè)只需考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性、及時(shí)性等問(wèn)題，而大型灌區(qū)空間變異性大，必須優(yōu)化各類信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。大型灌區(qū)采用2級(jí)或多級(jí)渠道進(jìn)行輸配水工作，渠系動(dòng)態(tài)配水制度的優(yōu)化是大型灌區(qū)智慧灌溉系統(tǒng)的特點(diǎn)。汪志農(nóng)等[6]，趙文舉等[7]對(duì)此開(kāi)展了有效的研究，但如何提高模型適應(yīng)性及將優(yōu)化模型嵌入到軟件管理平臺(tái)有待研究。汪文超等考慮未來(lái)天氣預(yù)報(bào)和灌區(qū)渠系結(jié)構(gòu)，建立了智能化的渠灌區(qū)決策支持系統(tǒng)(WIDSS)[8]，但沒(méi)有考慮渠系動(dòng)態(tài)配水優(yōu)化問(wèn)題。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用水文地質(zhì)分析法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)，結(jié)合實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型和渠系動(dòng)態(tài)配水模型實(shí)現(xiàn)灌區(qū)配水決策，同時(shí)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的大型灌區(qū)智慧灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)智慧用水管理。

1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧灌溉系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)及渠系動(dòng)態(tài)配水子系統(tǒng)、閘門監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)、文件管理子系統(tǒng)共6大功能模塊。實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)田間水層/土壤墑情、渠道水位/流量、閘門開(kāi)度、氣象信息、作物信息等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通訊子系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS技術(shù)上傳至服務(wù)器端，同時(shí)接收服務(wù)器端指令；歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)通訊子系統(tǒng)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、查詢、展示等管理；實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)及渠系動(dòng)態(tài)配水子系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)和渠系動(dòng)態(tài)配水決策；閘門監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)根據(jù)渠系配水決策結(jié)果對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程啟閉操作；此外，文件管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、配水?dāng)?shù)據(jù)，以文檔或圖表形式提供下載或打印接口。系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 總體架構(gòu)Fig.1 The system architecture

1.2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)功能Fig.2 The structure of system function

(1)實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)。對(duì)灌區(qū)全范圍內(nèi)各類信息進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型包括田間水層/土壤墑情、渠道水位/流量、閘門開(kāi)度、氣象信息、作物信息等。

(2)信息通訊。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)GPRS技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，上傳至服務(wù)器端的相應(yīng)模塊。

(3)歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)地圖標(biāo)注和表格形式展示，歷史數(shù)據(jù)采用折線圖和表格形式展示。

(4)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)及渠系動(dòng)態(tài)配水。根據(jù)各類信息進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)，包括天氣預(yù)報(bào)、參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0預(yù)報(bào)、田間水層預(yù)報(bào)和灌水預(yù)報(bào)。從中國(guó)天氣網(wǎng)上抓取天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，通過(guò)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和2種模型計(jì)算ET0，根據(jù)水平衡原理進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)，根據(jù)灌溉預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行渠系動(dòng)態(tài)配水，并生成渠系配水結(jié)果表。

(5)閘門監(jiān)測(cè)控制。根據(jù)渠系配水結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的閘門啟閉控制，同時(shí)監(jiān)測(cè)閘門的實(shí)時(shí)閘前水位、流量和開(kāi)度等信息。

(6)文件管理。對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的基礎(chǔ)信息、監(jiān)測(cè)信息、預(yù)報(bào)信息、配水信息、閘門信息等均提供圖表文件下載和打印接口，以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水調(diào)度的文件管理。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能和信息類別，將數(shù)據(jù)庫(kù)劃分為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、決策數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表、基本信息表，其中基本信息表存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理位置，名稱等信息。

決策數(shù)據(jù)庫(kù)包含歷史天氣預(yù)報(bào)表、灌溉預(yù)報(bào)表和渠系配水表。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括灌區(qū)工程情況表、用戶信息表以及實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)和渠系動(dòng)態(tài)配水模型所需的基本參數(shù)表。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

各類信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)是否合理決定了監(jiān)測(cè)信息是否能全面有效地反映灌區(qū)水情等信息狀況。大型灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積在2萬(wàn)hm2以上，作物情況、水文條件、地形地理、工程情況復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)目的、布設(shè)原則和相關(guān)方法，逐層考慮、逐步細(xì)化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)整體思路見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)框架Fig.3 Framework of monitoring point layout

2.1 布點(diǎn)數(shù)量

田間水層/土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量與灌區(qū)內(nèi)作物種類和作物比例、土壤類型、地形地貌、氣候條件等相關(guān)，實(shí)際布點(diǎn)時(shí)可根據(jù)作物、氣候、土壤等因素進(jìn)行分區(qū)，對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。根據(jù)影響田間水層或土壤墑情的動(dòng)態(tài)因素，可給出如下總表達(dá)式：

N=f1(A0)f2(P)f3(S)f4(F)f5(O)

(1)

式中：N為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量；f1(A0)為大氣因素項(xiàng)；f2(P)為作物因素項(xiàng)；f3(S)為土壤因素項(xiàng)；f4(F)為監(jiān)測(cè)頻率和精度項(xiàng)；f5(O)為其他因素項(xiàng)，包括地形地貌、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、渠道拓?fù)潢P(guān)系等。

根據(jù)作物種類和地形地勢(shì)進(jìn)行分區(qū)，平原區(qū)地形平坦，田間水層/土壤墑情變化狀況差異性小，1條支渠或666.7 hm2范圍內(nèi)可布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；丘陵區(qū)地形差異性大，水情變化狀況差異大，1條支渠或666.7 hm2范圍內(nèi)可布設(shè)2～3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。分區(qū)內(nèi)氣候條件和水文條件變化較大的區(qū)域可增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。若經(jīng)費(fèi)較少，在保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性和精度的前提下，平原地區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)密度可適當(dāng)降低至3～5條支渠或0.20～0.33 萬(wàn)hm2范圍內(nèi)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 布點(diǎn)方式

針對(duì)不同水文監(jiān)測(cè)對(duì)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)提出了許多方法，如水文地質(zhì)法、克里格方法、主成分分析法、信息熵法等[9]，針對(duì)反映灌區(qū)水情監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)優(yōu)化方式不多。采用水文地質(zhì)法分區(qū)定點(diǎn)，分區(qū)內(nèi)采用均勻布點(diǎn)方式，并通過(guò)聚類分析和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)加以優(yōu)化。

3 模型開(kāi)發(fā)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的要求，將灌區(qū)用水管理模型分為實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型、渠系動(dòng)態(tài)配水模型，模型以模塊化的形式存儲(chǔ)于服務(wù)器端的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)及動(dòng)態(tài)用水決策子系統(tǒng)中。

3.1 實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型

(1)ET0預(yù)報(bào)模型。系統(tǒng)采用2種ET0預(yù)報(bào)模型，包括逐日均值修正法和簡(jiǎn)化P-M法。

逐日均值修正法[10]：

(2)

簡(jiǎn)化P-M法[11]：

(3)

式中：ET0i為第i日參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為溫度～飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率；Rni為第i日凈輻射，MJ/(m2·d)；G為第i-1日土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度表常數(shù)，kPa/數(shù)；Ti為2 m高處溫度，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；esi為飽和水汽壓，kPa；eai為實(shí)際水汽壓，kPa。

式(3)中，飽和水汽壓esi、實(shí)際水汽壓eai、溫度～飽和水汽壓曲線在T處的切線斜率Δ，均通過(guò)天氣預(yù)報(bào)的最高溫和最低溫進(jìn)行換算，2 m高處風(fēng)速u2采用灌區(qū)多年日均值，凈輻射Rni通過(guò)第i日實(shí)際日照時(shí)數(shù)ni計(jì)算，詳細(xì)預(yù)報(bào)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

(2)作物騰發(fā)量計(jì)算模型。即：

ETCi=ET0iKCiKS

(4)

式中：KCi為作物系數(shù)；KS為土壤水分修正系數(shù)；ETCi為第i日作物蒸騰蒸發(fā)量，mm/d。

(3)田間水量平衡模型。即：

hi-hi-1-ETCi-1-Si-1+Pi-1-Di-1

(5)

式中：i為日期；hi-1、hi為第i-1日、第i日的田間水層深度；ETi-1為第i-1日作物蒸發(fā)蒸騰量；Si-1為第i-1日的田間滲漏量；Pi-1為第i-1日的有效降雨量；Di-i為第i-1日的排水量；所有變量單位均為mm。

(4)灌水量預(yù)報(bào)模型。即：

I=hmax-hmin

(6)

式中：I為灌水量；hmax為統(tǒng)一灌水中間日的作物適宜水層上限；hmin為統(tǒng)一灌水中間日的作物適宜水層下限，本系統(tǒng)中，hmin為統(tǒng)一灌水中間日的當(dāng)前水深；所有變量單位均為mm。

3.2 渠系動(dòng)態(tài)配水模型

3.2.1 建模思路

大型灌區(qū)渠系多在3級(jí)及以上，因支渠及以下渠道錯(cuò)綜復(fù)雜，數(shù)量多，系統(tǒng)只考慮3級(jí)配水模型，即總干渠-干渠-支渠配水模型。3級(jí)渠系配水問(wèn)題，即給定干渠和總干渠斷面尺寸、工程參數(shù)及其下支渠的設(shè)計(jì)流量、需水量、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、灌溉水利用系數(shù)等，確定支渠的實(shí)際流量和開(kāi)閘時(shí)間，以保證干渠和總干渠開(kāi)關(guān)閘操作次數(shù)少且流量平穩(wěn)等多個(gè)目標(biāo)。支渠流量可以在設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)變化，配水時(shí)間根據(jù)流量變化而變化，開(kāi)閘時(shí)間在給定最大輪期內(nèi)變化。

對(duì)下級(jí)渠道進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分輪灌組，劃分方式有2種：①延續(xù)時(shí)間相似，采用時(shí)間疊加的形式進(jìn)行劃分，即下級(jí)渠道同時(shí)開(kāi)閘和關(guān)閘；②設(shè)計(jì)流量相似的渠道，采用平鋪劃分，即采用同一流量先后進(jìn)行下級(jí)渠道放水。時(shí)間和流量相似的標(biāo)準(zhǔn)為劃分調(diào)整流量不超過(guò)所有下級(jí)渠道設(shè)計(jì)流量的20%。

3.2.2 目標(biāo)函數(shù)

多級(jí)渠系配水要盡可能考慮人為操作便利性，同時(shí)考慮渠系滲漏損失少和流量平穩(wěn)輸送等目標(biāo)，以保證模型的實(shí)用性。本文采用干渠及總干渠閘門操作次數(shù)少、渠道輸水平穩(wěn)、渠系輸水損失小這3個(gè)目標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)模型結(jié)果優(yōu)劣。

(1)閘門操作次數(shù)少。即：

(7)

式中：NUM為干渠及總干渠閘門操作總次數(shù)；COUNTIF為閘門操作計(jì)數(shù)函數(shù)；Qi為干渠流量，m3/s；Qz為總干渠流量，m3/s；i為干渠渠道序號(hào)；n為干渠渠道總數(shù)。

(2)渠道輸水平穩(wěn)。即：

(8)

式中：SCv為干渠及總干渠輸水平穩(wěn)的變異系數(shù)；Cv,i為第i條干渠的流量變異系數(shù)；Cv,z為總干渠的流量變異系數(shù)。

(3)渠系輸水損失小。即：

(9)

(10)

(11)

Wd=qd(1-η)td

(12)

式中：Wloss為渠系總損失水量，m3；Wz為總干渠損失水量，m3；Wi為第i條干渠損失水量，m3；Wd為第d條支渠損失水量，m3；n、M分別為干渠的數(shù)量和支渠的數(shù)量；Qz為總干渠流量，m3/s；Qi為第i條干渠流量，m3/s；qd為第d條支渠流量，m3/s；tz為總干渠放水延續(xù)時(shí)間，s；ti為第i條干渠放水延續(xù)時(shí)間，s；td為第d條支渠放水延續(xù)時(shí)間，s；η為支渠灌溉水利用系數(shù)；β為干渠襯砌比例；A為渠床透水系數(shù)；m為渠床土壤透水指數(shù)；L為損失計(jì)算渠道長(zhǎng)度， km。

3.2.3 約束條件

(1)支渠配水流量約束。支渠流量為設(shè)計(jì)流量的0.6～1.0倍，即：

qd=αqd設(shè)

(12)

式中：qd為第d條支渠實(shí)際配水流量，m3/s；qd設(shè)為該支渠設(shè)計(jì)流量，m3/s；α為實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量比值，取值為0.6～1.0。

(2)最大輪期約束。即：

t總

(13)

式中：t總為渠系總配水時(shí)間，s；tmax為允許最大總配水時(shí)間，s，根據(jù)預(yù)報(bào)的灌水中間日確定。

其他還有水量平衡約束、上下級(jí)渠道輸水連續(xù)性約束等。以上模型屬于非線性組合優(yōu)化模型，可采用遺傳算法或差分分組協(xié)同進(jìn)化算法求解，具體求解方法限于篇幅略。

灌溉決策過(guò)程：每旬旬初進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)決策，查詢未來(lái)一旬內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)，進(jìn)行降雨預(yù)報(bào)和作物ET0預(yù)報(bào)，根據(jù)水量平衡原理，對(duì)所有站點(diǎn)進(jìn)行田間水層預(yù)報(bào)，若所有站點(diǎn)未來(lái)一旬內(nèi)均未出現(xiàn)缺水，則不灌溉；若部分或所有站點(diǎn)未來(lái)一旬內(nèi)田間水層先后達(dá)到適宜水層下限，則統(tǒng)一灌水中間日和灌水定額，進(jìn)行渠系配水，以保證各站點(diǎn)田間水層灌至適宜水層上限。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)采用多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言或技術(shù)。其中，硬件數(shù)據(jù)傳輸通訊模塊采用Python通訊程序，數(shù)據(jù)獲取模塊采用Windows定時(shí)任務(wù)和PHP、Bat程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作模塊采用MySQL語(yǔ)言和phpMyAdmin數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，用戶交互模塊采用jQuery和Bootstrap框架。用戶界面采用HTML、CSS、JavaScript語(yǔ)言，服務(wù)器端開(kāi)發(fā)框架采用THINKPHP框架，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用PHP語(yǔ)言，IDE采用PhpStorm。根據(jù)1.2中的功能設(shè)計(jì)進(jìn)行功能模塊劃分和代碼實(shí)現(xiàn)。

(1)實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)。灌區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)Python程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，田間水層、渠道水位、閘門開(kāi)度、實(shí)時(shí)氣象等數(shù)據(jù)分表存儲(chǔ)。

(2)歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理。采用百度地圖API二次開(kāi)發(fā)和DTGrid表格實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢，用戶通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型選擇，實(shí)現(xiàn)不同類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)切換功能，其中Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)前后臺(tái)數(shù)據(jù)交互。

(3)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)及動(dòng)態(tài)用水決策。通過(guò)PHP程序和Windows定時(shí)任務(wù)抓取中國(guó)天氣網(wǎng)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，調(diào)用ET0預(yù)報(bào)模型程序，實(shí)現(xiàn)ET0預(yù)報(bào)計(jì)算，同時(shí)通過(guò)SQL語(yǔ)言查詢最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)灌溉預(yù)報(bào)。通過(guò)ECHARTS圖表和DTGrid表格插件，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)。采用SQL語(yǔ)言獲取灌溉預(yù)報(bào)結(jié)果和灌區(qū)渠道工程情況，調(diào)用渠系動(dòng)態(tài)配水模型程序，生成灌區(qū)配水結(jié)果表，表中包含每條干渠和支渠的配水流量、灌水量、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、延續(xù)時(shí)間。

(4)閘門監(jiān)測(cè)控制。通過(guò)通訊子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門開(kāi)度并上傳至服務(wù)器，通過(guò)PHP程序調(diào)用閘門信息，并使用DTGrid表格展現(xiàn)，其中通過(guò)“開(kāi)”、“關(guān)”、“?！?個(gè)用戶按鈕，實(shí)現(xiàn)閘門操作，用戶通過(guò)此接口將啟閉命令通過(guò)GPRS技術(shù)傳至閘門控制器，控制閘門啟閉。因閘門屬于重要建筑物，每個(gè)閘門均設(shè)置了操作密碼，以防誤操作。

(5)文件管理。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、配水結(jié)果、閘門開(kāi)度表格等均提供EXCEL、TXT、CSV、PDF格式下載，同時(shí)提供打印接口。

4.2 基本操作

作物生育期間，在任一天登錄系統(tǒng)，點(diǎn)擊“信息中心”標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、校核，以確保其準(zhǔn)確性；點(diǎn)擊“灌溉預(yù)報(bào)”標(biāo)簽，系統(tǒng)依次進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)、ET0預(yù)報(bào)、水層預(yù)報(bào)和灌溉預(yù)報(bào)，得到灌區(qū)實(shí)時(shí)需水預(yù)報(bào)表；再點(diǎn)擊“渠系配水”標(biāo)簽，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)渠系動(dòng)態(tài)配水決策，得到渠系配水表；點(diǎn)擊“閘門監(jiān)控”標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程操作；最后根據(jù)灌區(qū)管理者需求對(duì)不同的決策表格進(jìn)行下載和保存。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 試驗(yàn)區(qū)概況

系統(tǒng)在江西省贛撫平原灌區(qū)西總干渠范圍推廣。西總干渠設(shè)計(jì)灌溉面積6.4 萬(wàn)hm2，2017年晚稻實(shí)際灌溉面積3.92 萬(wàn)hm2。重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)有2個(gè)：二干渠二分渠和二干渠夯里渠，2條渠道實(shí)際灌溉面積分別為573 hm2和200 hm2。

5.2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

基于灌區(qū)工程布置圖和作物分區(qū)，結(jié)合灌區(qū)地形地貌和氣候條件，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型和位置，其中西總干示范區(qū)內(nèi)總計(jì)布設(shè)田間水層/土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)20個(gè)，渠道水位/流量監(jiān)測(cè)點(diǎn) 9個(gè)，閘門遠(yuǎn)程控制點(diǎn)1個(gè)，灌區(qū)已有水位/流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)接入10個(gè)，實(shí)際布局圖見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局Fig.4 Layout of system monitoring points

5.3 實(shí)施效益

本系統(tǒng)2017年應(yīng)用于贛撫平原灌區(qū)的晚稻生育期水管理。2017年晚稻生育期內(nèi)降雨量為363.7 mm，相當(dāng)于平水年降雨量，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，西總干渠范圍實(shí)際灌溉面積合計(jì)3.92 萬(wàn)hm2，實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明晚稻期間毛灌水量比多年平均毛灌水量減少6 530 萬(wàn)m3，節(jié)水率15.3%。系統(tǒng)同時(shí)通過(guò)提高降雨利用率和降低滲漏損失實(shí)現(xiàn)節(jié)水，其中提高降雨利用率的途徑是灌溉預(yù)報(bào)時(shí)考慮未來(lái)降雨的影響，提高灌溉實(shí)時(shí)性和有效性，減少排水損失；降低滲漏損失的途徑是在渠系配水模型中保證各級(jí)渠道流量在0.6～1.0設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)，且盡可能逼近設(shè)計(jì)流量，減少渠系流量損失。

6 結(jié)論與展望

本文從總體設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、模型開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)應(yīng)用4個(gè)方面詳細(xì)闡述了智慧灌溉系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程。通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了大型灌區(qū)智慧灌溉系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)思路，建立了適用于大型灌區(qū)的集實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)、渠系動(dòng)態(tài)配水、閘門監(jiān)測(cè)控制等多功能的通用型智慧灌溉系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則及方法的研究，探討了適用于大型灌區(qū)水情監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的合理方式，避免了信息孤島等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型和渠系動(dòng)態(tài)配水模型的開(kāi)發(fā)，建立了保證多級(jí)渠系閘門操作次數(shù)少且流量平穩(wěn)的配水決策方案，可減少灌區(qū)配水流量損失，降低閘門人工操作成本。通過(guò)開(kāi)發(fā)基于B/S架構(gòu)的智慧灌溉系統(tǒng)，搭載互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)用戶聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)，可極大地降低開(kāi)發(fā)、運(yùn)維等成本，同時(shí)采用先進(jìn)的Bootstrap框架、ECHARTS、DTGrid插件，使用戶界面更加簡(jiǎn)潔和美觀，用戶體驗(yàn)更加友好。

大型灌區(qū)用水管理中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障，本文僅從監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的原則、方法和流程等進(jìn)行簡(jiǎn)要的定性分析，未做深入優(yōu)化和探究，灌區(qū)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的布局優(yōu)化等應(yīng)結(jié)合空間變異理論和實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析和數(shù)學(xué)量化。此外，因贛撫平原灌區(qū)水源水量豐沛，系統(tǒng)未考慮水源缺水等情況，以后的系統(tǒng)升級(jí)中可作相應(yīng)補(bǔ)充。