農(nóng)田灌溉節(jié)水物聯(lián)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭振浩，程闖闖

(1.寧波市農(nóng)村水利管理處，浙江 寧波 315000； 2.寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，而水資源短缺問(wèn)題是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉方式存在著耗水量大且灌溉利用系數(shù)低、水資源嚴(yán)重浪費(fèi)等問(wèn)題，在很大程度上加劇了我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源的供需矛盾[1]。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是各級(jí)政府部門(mén)工作的重要考核指標(biāo)之一，以往的測(cè)算工作多以人工進(jìn)行量水和系數(shù)計(jì)算，存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、易被篡改、效率低下、監(jiān)管難度大等缺點(diǎn)，缺乏準(zhǔn)確有效的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)量測(cè)手段一直是灌區(qū)主管部門(mén)和考核部門(mén)的相關(guān)工作難以開(kāi)展的掣肘[2]。

隨著科技的進(jìn)步，先進(jìn)技術(shù)在農(nóng)田水利行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)物聯(lián)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)以精細(xì)動(dòng)態(tài)方式管理生產(chǎn)生活，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然關(guān)系，近些年來(lái)已逐步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用但仍處于探索階段。充分發(fā)揮物聯(lián)感知等先進(jìn)技術(shù)手段，構(gòu)建農(nóng)田灌溉用水物聯(lián)感知系統(tǒng)，可大幅提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作的自動(dòng)化水平和信息化管理水平，提高工作效率和準(zhǔn)確性，對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水、農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)測(cè)算工作有著至關(guān)重要的作用[3-8]。

近年來(lái)，寧波市逐步推行寧波市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)智能測(cè)算分析系統(tǒng)。本文對(duì)該系統(tǒng)的原理、功能進(jìn)行介紹，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，以期為其它地區(qū)的農(nóng)田灌溉水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)建簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)最早在1999年被提出，后逐步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、安防、污水處理、電網(wǎng)、市政工程等領(lǐng)域。典型的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及應(yīng)用層3層。但由于農(nóng)業(yè)動(dòng)植物具有生命特征，故而在構(gòu)建3層次模型時(shí)，需要構(gòu)建“感知-傳輸-決策-控制”為基本操作程序的閉環(huán)體系。感知層的主要功能在于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知，精確收集農(nóng)業(yè)傳感信息、農(nóng)業(yè)物品的特征屬性、農(nóng)業(yè)工作狀態(tài)信息、農(nóng)業(yè)地理位置信息等方面的信息，同時(shí)需要具備低功耗、低成本和小型化等功能；網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將采集到的信息進(jìn)行匯聚，并提供進(jìn)一步的分析處理數(shù)據(jù)，如WSN、Wi-Fi、Zigbee等；應(yīng)用層則是將農(nóng)業(yè)行業(yè)信息和需求與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、精細(xì)化管理，并最終提供相對(duì)應(yīng)的行業(yè)應(yīng)用服務(wù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系示意見(jiàn)圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系示意

2 灌溉水物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 總體設(shè)計(jì)框架

農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的物聯(lián)監(jiān)測(cè)要素主要包括土壤濕度、降雨量以及流量等，因此傳感器選擇溫濕度傳感器、雨量傳感器和流量傳感器3類(lèi)。同時(shí)采用電磁閥控制和變頻控制，對(duì)灌溉實(shí)行啟動(dòng)和停止以及流量調(diào)節(jié)控制。而Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有成本低等特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域廣泛使用，因此采用Zigbee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行采集，再通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心，最終進(jìn)行決策和控制。灌溉水物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖2。

圖2 農(nóng)灌水物聯(lián)感知系統(tǒng)總體框架

2.2 農(nóng)灌水計(jì)量傳感器

農(nóng)灌水計(jì)量傳感器的選型非常重要，由于農(nóng)灌水計(jì)量設(shè)備類(lèi)型眾多，其測(cè)流原理、適用條件、設(shè)備價(jià)格、測(cè)流精度、安裝難度、維護(hù)難度不盡相同，選擇合適的設(shè)備是保證整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、準(zhǔn)確性、易使用的關(guān)鍵。常用的農(nóng)灌水計(jì)量設(shè)備包括超聲波明渠流量計(jì)、超聲波外夾管道流量計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)以及智能電量表等，在監(jiān)測(cè)選型過(guò)程中應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在斷面進(jìn)行配置，如標(biāo)準(zhǔn)斷面適宜采用雷達(dá)水位計(jì)，而不規(guī)則斷面則應(yīng)當(dāng)采用堰槽+超聲波明渠流量計(jì)，具體的各斷面農(nóng)灌水計(jì)量傳感器選型情況見(jiàn)表1。

表1 農(nóng)灌水計(jì)量傳感器選型

2.3 灌溉主控流程

農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序即根據(jù)土壤濕度與田間水深確定是否需要進(jìn)入灌溉模式以及確定灌溉水量，并根據(jù)實(shí)時(shí)的流量監(jiān)測(cè)以確保水資源的合理利用，系統(tǒng)的主控流程示意見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)的主控流程示意

3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)《全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則(2015)》和實(shí)驗(yàn)灌區(qū)實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)灌區(qū)選定6塊水稻典型田塊(每塊)，實(shí)驗(yàn)灌區(qū)渠首計(jì)量點(diǎn)為翻水站。對(duì)試驗(yàn)田地采取物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制及人工測(cè)量的方法進(jìn)行灌水試驗(yàn)，各典型田塊和渠首量水方法與量水設(shè)施依據(jù)上文分析原則進(jìn)行選型，見(jiàn)表2。田間灌溉節(jié)水物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)裝置情況見(jiàn)圖4。

表2 試驗(yàn)區(qū)量水方法與量水設(shè)施選擇情況

圖4 試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝情況

在生長(zhǎng)期某段時(shí)間t內(nèi)的作物需水量可根據(jù)農(nóng)田水量平衡原理推算得出[9]，即：

Wt=W0+Wr+P0+k+M-E

(1)

式中：W0為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的初始土壤含水量；Wt為時(shí)間t時(shí)土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層末的土壤含水量；Wr為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度增加而增加的水量；P0為t時(shí)間內(nèi)的降雨量；k為t時(shí)間內(nèi)地下水補(bǔ)給水量；M為t時(shí)間內(nèi)灌水量；E為t時(shí)間內(nèi)的作物需水量。

以水稻全壽命周期內(nèi)為例，并保證充分灌溉，計(jì)算得到A區(qū)1和B區(qū)2兩地農(nóng)田水稻的作物需水量分別為489和507 mm，將其乘以各田塊的面積，即可得到對(duì)應(yīng)試驗(yàn)田塊的理論需水量。同理，通過(guò)人工測(cè)量水深乘以面積，可得到人工測(cè)量供水量和農(nóng)田灌溉節(jié)水物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)田間灌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到實(shí)際的田間用水量，同時(shí)渠首處水量可通過(guò)抽水泵站量水(電量表)計(jì)算得到。

試驗(yàn)分析得到的各參數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

從表3中可以看到，人工測(cè)量控制供水量相較于系統(tǒng)控制供水量大，其主要原因在于經(jīng)多次測(cè)量累積產(chǎn)生的誤差，同時(shí)人工測(cè)量控制結(jié)果不能及時(shí)反饋給渠首處工作人員，從而導(dǎo)致供水量的誤差，這種誤差和不及時(shí)性最終導(dǎo)致過(guò)供現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。經(jīng)計(jì)算，采用物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平均供水總量較人工控制的供水量減少約30%。

灌溉水利用系數(shù)=水稻全壽命周期內(nèi)農(nóng)作物利用的凈水量/渠首處供水總量[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前灌溉的平均水利用系數(shù)為0.45，相較國(guó)外的0.7～0.8仍有較大差距，還有很大的節(jié)省空間。通過(guò)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，分別得到不同試驗(yàn)塊的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，測(cè)試地區(qū)的灌溉水利用系數(shù)較全國(guó)平均水平略高，這主要是由于當(dāng)?shù)匾恢弊⒅厍档绒r(nóng)田水利設(shè)施的建設(shè)，減少了輸水過(guò)程中的水量損耗；采用人工測(cè)量的灌溉水利用系數(shù)平均值為0.525，而采用農(nóng)田灌溉節(jié)水物聯(lián)監(jiān)測(cè)后，灌溉水平均利用系數(shù)提升至0.68?？梢?jiàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水物聯(lián)監(jiān)測(cè)在較大程度上提高農(nóng)業(yè)水資源的利用率，對(duì)于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

圖5 灌溉水利用系數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立以傳感器、遙測(cè)采集終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等組成的農(nóng)田灌溉水物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)灌區(qū)選定的6塊水稻典型田塊。結(jié)果表明，采取農(nóng)田灌溉節(jié)水物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有利于按需供水，精確控水，較人工測(cè)量時(shí)減少灌溉供水30%，平均灌溉水利用系數(shù)從0.525提升至0.68，該技術(shù)的應(yīng)用可大大提高農(nóng)業(yè)水資源的利用率，可在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣使用。