基于農(nóng)田灌溉監(jiān)測(cè)管理技術(shù)應(yīng)用

管廷存

（新疆維吾爾自治區(qū)水利廳建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，烏魯木齊 830000）

新疆農(nóng)業(yè)灌溉用水占供水總量的90%［1］為各業(yè)用水之首，研究分析農(nóng)業(yè)水資源綜合利用效果進(jìn)行“總量控制、定額管理”［2-3］水資源管理，推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)管理的重要內(nèi)容?；诠喔人梅治鲂枨?，重點(diǎn)是對(duì)農(nóng)業(yè)用水定額、灌溉水利用效率、農(nóng)田墑情、灌溉制度［4-7］實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)分析，關(guān)鍵技術(shù)是農(nóng)田土壤水分觀測(cè)數(shù)量、信息采集、穩(wěn)定傳輸，以及采集信息應(yīng)用需求響應(yīng)分析處理平臺(tái)與資源共享。國內(nèi)在信息技術(shù)應(yīng)用方面，多采用遙感與GIS、動(dòng)態(tài)交互網(wǎng)頁、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、GPRS無線技術(shù)［8-11］，實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)、發(fā)布、查詢自動(dòng)生成功能，在監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)用方面，多體現(xiàn)為農(nóng)田墑情監(jiān)測(cè)方法、分布規(guī)律、墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)及墑情預(yù)測(cè)管理［12-14］等。本研究為進(jìn)一步提升農(nóng)田灌溉水利用信息準(zhǔn)確、科學(xué)、時(shí)效性，最大限度利用農(nóng)田土壤水分監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)信息，集水分信息采集、數(shù)據(jù)傳送、需求響應(yīng)、系統(tǒng)管理于一體，綜合集成農(nóng)業(yè)用水定額、灌溉水利用效率、土壤墑情、灌溉制度、灌溉效益監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉水利用監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化管理模式。

1 灌溉用水監(jiān)測(cè)管理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

農(nóng)田土壤水分傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，其重要意義是針對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉水資源管理需求，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水管理對(duì)數(shù)據(jù)信息分析如圖1～圖2。

圖1 農(nóng)田土壤水分監(jiān)測(cè)應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)

圖2 管理信息系統(tǒng)模塊

1.2 系統(tǒng)模塊

1.2.1 土壤水分土溫監(jiān)測(cè)信息

（1）農(nóng)田代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》［15］規(guī)定，每縣3～5墑情站網(wǎng)布設(shè)，每站網(wǎng)安排2～3個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選在平坦農(nóng)田范圍，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置一經(jīng)確定應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定，不應(yīng)做較大改變。本研究基于土壤類型和種植作物考慮，為提高代表精度，其測(cè)點(diǎn)數(shù)量≥鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量（鄉(xiāng)鎮(zhèn)灌區(qū)面積，或土壤類型差異較大多設(shè)測(cè)點(diǎn)），以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

采集點(diǎn)土壤剖面深度一般為10，20，40cm，總深度70cm。本研究采集點(diǎn)剖面深100cm，每層10～20cm采樣。固定埋設(shè)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)，采集時(shí)間每日8：00開始，間隔1h采集信息1次，每日8：00上傳數(shù)據(jù)1次。農(nóng)田封凍期停止監(jiān)測(cè)，融凍期，及時(shí)恢復(fù)監(jiān)測(cè)。結(jié)合新疆灌區(qū)，每年監(jiān)測(cè)時(shí)段3月1日～10月31日。

（2）建立農(nóng)田代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本信息。監(jiān)測(cè)點(diǎn)方位（徑、緯度）；行政區(qū)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)村隊(duì)）種植作物及面積；灌溉方法（膜下滴灌、溝畦灌、噴灌）；灌區(qū)類型（河庫水灌區(qū)、純井灌、井渠混灌）；灌溉面積；地下水位；土壤物理性狀（土壤容重、田間持水量、土壤類型、土壤質(zhì)地）。每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器實(shí)時(shí)自動(dòng)獲得原始化數(shù)據(jù)，每天每隔1h自動(dòng)監(jiān)測(cè)、傳輸發(fā)送和存貯。

1.2.2 農(nóng)田灌溉土壤墑情信息

基于代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)點(diǎn)作物灌溉用水、土壤墑情成果。

（1）發(fā)生非灌水時(shí)土壤水分逐步由大到小變化，若某日土壤水分由小增大，增大水分變化時(shí)間，系灌水或較大降水引起，其判別如式（1）：

式中 θ2為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)突然增加時(shí)間段土壤層深含水量（%）；θ1為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)未增加時(shí)間段土壤層深土壤含水量（%）。

由此，此時(shí)土壤含水量增加，是由于灌水導(dǎo)致，因此，發(fā)生時(shí)間即為灌水時(shí)間。

灌水定額以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤含水量，按式 （2）計(jì)算：

因監(jiān)測(cè)點(diǎn)是體積含水量，式（2）計(jì)算要求為重量含水量，重量含水量%=體積含水量θ/土壤容重γ。式中 m為灌水定額（m3/hm2）；γ為土壤容量（g/cm3）；H為作物灌溉濕潤層深（m），取1m；i為不同土壤層深度，100cm（每隔10cm 1層，共10層，）；n為不同土壤層深觀測(cè)次數(shù)，此處n=10次；β2為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)突然增加時(shí)間段100cm（每隔10cm 1層，共10層，）深度土壤重量含水量%；β1為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沒有增加時(shí)間段100cm（每隔10cm 1層，共10層）深度土壤重量含水量（%）。

鑒于代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量按每層觀測(cè)的，分析時(shí)按多層土壤平均含水量計(jì)算，因此，土壤平均含水量按式（3）計(jì)算：

（2）土壤墑情對(duì)作物生長影響，以土壤相對(duì)濕度表示，按式（4）計(jì)算：

表1依據(jù)水利部SL568—2012 《土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)》［16］，結(jié)合不同作物對(duì)水分需求變化有所擴(kuò)充。墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)均為下限，作物生長期階段劃分，前期為3～5月；中期為6～7月；后期為8～9月。

表1 主要大田作物土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo) 單位：%

續(xù)表1

（3）農(nóng)田代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)作物需水量按式（5）計(jì)算：

式中 ET為監(jiān)測(cè)區(qū)作物需水量（m3/d）；γ為土壤容量（g/cm3）；H為作物灌溉濕潤層深（m），取1.0m；β1為起始時(shí)間監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤剖面平均重量含水量（%）；β2為末期10d后監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤剖面平均重量含水量 （%）；d為起始和末期間隔時(shí)間（d），按10 d平均。土壤溫度以監(jiān)督的數(shù)據(jù)按算術(shù)平均法計(jì)算。

1.2.3 灌區(qū)用水灌溉成果測(cè)報(bào)

（1）基于農(nóng)田各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元灌區(qū)灌溉，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)作物全年田間平均灌水定額為基數(shù)，并以監(jiān)測(cè)點(diǎn)作物的田間灌溉用水量，作為加權(quán)平均計(jì)算鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及灌區(qū)匯總的作物灌溉制度，按式（6）計(jì)算：

式中 m平均為加權(quán)平均灌水定額（m3/hm2）；mi為第i次灌水定額（m3/hm2）；wi為第i次田間灌溉用水量（萬m3）；W為全年度灌溉用水總量（萬m3）。

（2）由系統(tǒng)生成縣（市）→地（州）→?。▍^(qū)）逐級(jí)自動(dòng)匯總灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率測(cè)驗(yàn)報(bào)告。成果報(bào)告重要技術(shù)指標(biāo)是農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)，由首尾法計(jì)算，如式（7）：

式中 ηg為農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；∑v為進(jìn)入田間為作物有效利用水量（m3）；A為作物灌溉面積 （hm2）；M為作物田間灌水定額（m3/hm2）；W為灌區(qū)渠首引用毛水量（m3）。

2 基于互聯(lián)網(wǎng)信息管理

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同客戶端程序共訪中心數(shù)據(jù)庫（圖3），每個(gè)計(jì)算機(jī)需要安裝瀏覽器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用MySql。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)s端技術(shù)

s端（服務(wù)器端）選用阿里云提供的云端服務(wù)技術(shù)構(gòu)架如圖4。

圖4 系統(tǒng)服務(wù)器阿里云端技術(shù)構(gòu)架

CDN內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)將源站內(nèi)容分發(fā)至用戶所有節(jié)點(diǎn)，縮短用戶查看對(duì)象的延遲，提高用戶訪問網(wǎng)站響應(yīng)速度與網(wǎng)站可用性；對(duì)象存儲(chǔ)OSS，基于阿里云飛天分布式系統(tǒng)海量、安全和高可靠性云存儲(chǔ)服務(wù)，用于存儲(chǔ)設(shè)備原始格式數(shù)據(jù)文件；云盾、云監(jiān)控，提供云服務(wù)監(jiān)測(cè)和防護(hù)能力；負(fù)載均衡，對(duì)多臺(tái)云服務(wù)器進(jìn)行流量分發(fā)負(fù)載均衡服務(wù)，可通過流量分發(fā)擴(kuò)展應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)外服務(wù)能力，消除單點(diǎn)故障提升應(yīng)用系統(tǒng)可用性；云服務(wù)器ECS，一種簡單高效、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)，可快速構(gòu)建更穩(wěn)定、安全的應(yīng)用，用于部署應(yīng)用服務(wù)；云數(shù)據(jù)庫Redis穩(wěn)定可靠、性能卓越、可彈性伸縮數(shù)據(jù)庫服務(wù)?；陲w天分布式系統(tǒng)和全SSD盤高性能存儲(chǔ)，用于存儲(chǔ)對(duì)象數(shù)據(jù)，提高對(duì)象數(shù)據(jù)訪問效率；RDS數(shù)據(jù)庫，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用MySql引擎，存儲(chǔ)系統(tǒng)除去設(shè)備原始數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)。

s端（服務(wù)器端）主體程序采用Spring Web MVC框架，運(yùn)用Java語言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)Webmvc設(shè)計(jì)模式請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)類型的輕量級(jí)管理應(yīng)用程序如圖5。

圖5 Web MVC框架式管理應(yīng)用程序響應(yīng)

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

（1）Web服務(wù)器環(huán)境：CPU4核，內(nèi)存8192MB，硬盤50 GB，操作系統(tǒng)CentOS6.5 64位。

（2）數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：CPU8核，內(nèi)存32768MB，硬盤50GB，操作系統(tǒng)：CentOS6.5 64位。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：數(shù)據(jù)庫類型MySql，CPU9核，內(nèi)存2400MB，存儲(chǔ)空間500G，最大連接數(shù)600，最大IOPS1200。

3 管理系統(tǒng)

3.1 應(yīng)用示范區(qū)

某流域位于新疆天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，流域灌區(qū)年均降水181.7mm，年蒸發(fā)1739.1mm，日照時(shí)數(shù)7.8h，年均氣溫13.1 ℃，≥0 ℃積溫3834.3 ℃以上，屬典型內(nèi)陸干旱性氣候。灌區(qū)為棕漠土類，土壤質(zhì)地以中、重壤為主，部分為輕或沙壤且多在耕作層以下分布，0～100cm土層土壤容重1.45～1.65g/cm3，耕作層1.50～1.60g/cm3；田間持水量18.5%～26.9%，耕作層20.1%～26.9%；耕作層土壤有機(jī)質(zhì)1.0%～1.59%肥力中偏下水平，土壤有效養(yǎng)分表現(xiàn)為缺氮少磷鉀豐富特點(diǎn)。流域灌區(qū)灌溉面積6.7萬hm2，灌區(qū)有地表水、井灌和井、渠混合灌3種類型，有膜下滴灌、常規(guī)溝、畦灌3種灌溉方法，種植小麥、水稻、玉米、油料、食葵、棉花、番茄、甜菜、蔬菜、瓜類、飼草等多種作物。表2為流域灌區(qū)示范應(yīng)用23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本信息，代表了流域灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用監(jiān)測(cè)不同土質(zhì)、灌溉類型、種植作物區(qū)域范圍基本要求。參考土壤水分（墑情）監(jiān)測(cè)儀器基本技術(shù)條件［17］，代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤水分、溫度監(jiān)測(cè)，采用國產(chǎn)E生態(tài)固定智能式土壤墑情儀（lST HRG C-110S）。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息

進(jìn)入系統(tǒng)可在首頁地圖查詢、導(dǎo)出、打印所屬灌區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備分布信息。點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)容框，進(jìn)入監(jiān)測(cè)點(diǎn)詳細(xì)信息頁面，查看設(shè)備詳情、土壤水分監(jiān)測(cè)信息、土壤墑情信息、水利用系數(shù)報(bào)告、監(jiān)測(cè)點(diǎn)詳細(xì)信息、監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)量產(chǎn)值6項(xiàng)信息模塊。某流域具體監(jiān)測(cè)信息如表2。

表2 某流域灌區(qū)示范應(yīng)用23個(gè)代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本信息

4 結(jié)語

（1）采用國產(chǎn)E生態(tài)固定智能式土壤墑情儀，進(jìn)行農(nóng)田定位式土壤水分、土壤溫度長期監(jiān)測(cè)，基于互聯(lián)網(wǎng)和B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，終端程序共訪中心數(shù)據(jù)庫構(gòu)架，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田灌溉用水定額、灌溉水利用率、土壤墑情、灌溉制度、作物灌溉效益5方面的管理成果，為提升農(nóng)田灌溉水資源有效利用現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)管理技術(shù)水平，提供了技術(shù)支撐。

（2）基于互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田灌溉水利用監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，重要基礎(chǔ)設(shè)備是農(nóng)田水分監(jiān)測(cè)傳感器，其關(guān)鍵技術(shù)性能要求能夠長期穩(wěn)定采集信息，其次是要求水分監(jiān)測(cè)傳感器，確保外業(yè)農(nóng)田長期處于正常運(yùn)行工作狀態(tài)，且不可受人為或農(nóng)業(yè)耕作破壞或擾動(dòng)影響。因此，農(nóng)田多點(diǎn)安裝分布的水分監(jiān)測(cè)傳感器，不受人為因素影響損害注意維護(hù)管理尤顯重要。