基于GIS的山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息管理平臺研究與應(yīng)用

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的基礎(chǔ)條件，灌溉現(xiàn)代化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，對灌溉精細(xì)化、數(shù)字化、信息化的要求也越來越高，精細(xì)灌溉(Precision Irrigation)已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點[1]。精細(xì)灌溉是指采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的實時監(jiān)控手段，對農(nóng)作物生長情況以及環(huán)境指標(biāo)變化進(jìn)行智能監(jiān)控，運用計算機、物聯(lián)網(wǎng)和4S(地理信息系統(tǒng)GIS、遙感RS、全球定位系統(tǒng)GPS、數(shù)字?jǐn)z影測量DPS)等技術(shù)手段，對農(nóng)作物、土壤墑情和環(huán)境指標(biāo)等進(jìn)行實時監(jiān)測和預(yù)報，再結(jié)合當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，配合適當(dāng)?shù)墓喔仍O(shè)施對農(nóng)作物進(jìn)行科學(xué)化、精細(xì)化的灌溉，實現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)和水資源的優(yōu)化配置及高效利用[2-4]。

在水資源分布不均的北方地區(qū)，灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著基礎(chǔ)支撐作用，灌溉信息數(shù)據(jù)的獲得、存儲、提取和分析是灌區(qū)良性發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)的基本保障[5]。山西地處我國北方內(nèi)陸，受太行山脈、中條山脈和呂梁山脈的環(huán)繞阻隔，是典型大陸性季風(fēng)氣候，降雨量年內(nèi)分布不均，干旱少雨，農(nóng)業(yè)所受自然災(zāi)害主要為旱災(zāi)，民間有所謂“十年九旱”的說法，灌溉在山西農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要地位和基礎(chǔ)支撐作用較其他地區(qū)更為突出。根據(jù)《2018年山西省水利統(tǒng)計年鑒》，山西省農(nóng)田有效灌溉面積2169.62萬畝，農(nóng)田實灌面積2079.33萬畝，灌溉面積分散，灌溉工程類型、灌溉方式、灌溉水源、作物類型等差異較大。多年來，山西省農(nóng)田灌溉工程類別、灌溉方式、水源情況、作物種類等數(shù)據(jù)主要依靠人工記錄管理，信息化投入缺乏，業(yè)務(wù)規(guī)范化、流程化程度較低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)灌溉對準(zhǔn)確性、時效性及數(shù)據(jù)整合分析的需求。

根據(jù)山西省農(nóng)業(yè)灌溉的需要，從山西省灌溉信息數(shù)據(jù)現(xiàn)狀出發(fā)，以山西省基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)(電子地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等)、農(nóng)業(yè)灌溉基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)(灌溉面積、灌溉水源、灌溉方式、土壤類型、主要作物灌溉制度等)及現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉相關(guān)設(shè)施為基礎(chǔ)，進(jìn)行山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息數(shù)據(jù)管理平臺研究，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉信息的數(shù)字化管理，更好地輔助管理部門和相關(guān)從業(yè)者對農(nóng)田水利信息進(jìn)行管理、分析與共享，為農(nóng)業(yè)灌溉的管理部門提供決策輔助。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

農(nóng)業(yè)灌溉信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉信息管理的核心，是實現(xiàn)精細(xì)灌溉信息監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。灌溉信息數(shù)據(jù)繁雜瑣碎，灌區(qū)管理涉及灌區(qū)規(guī)劃、氣候條件、作物種類、水源情況、管理條件、現(xiàn)狀設(shè)施等綜合因素[6]。平臺需構(gòu)建地理信息數(shù)據(jù)庫，集成歷史信息數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息的顯示、查詢、分析、共享等功能，并將地理信息與灌溉屬性數(shù)據(jù)通過圖形圖表的形式直觀表現(xiàn)出來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)數(shù)字化、可視化管理?？紤]到管理人員水平不一和現(xiàn)狀灌溉設(shè)施及監(jiān)測水平的差異，數(shù)據(jù)庫主要結(jié)合現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)和部分預(yù)測數(shù)據(jù)對灌區(qū)需水量進(jìn)行預(yù)測，為管理部門提供一定的決策輔助。同時，平臺搭建過程中，預(yù)留多個接口，以滿足今后與農(nóng)田退水口管理、田間實時監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及氣象預(yù)報、海綿城市管理、河長制平臺、雨洪管理等平臺的對接工作。山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息管理平臺框架見圖1。

圖1 山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息管理平臺框架

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)即GIS數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)包括預(yù)測模型、決策模型等。設(shè)計數(shù)據(jù)庫的過程是以安全性和可擴充性為原則，將空間數(shù)據(jù)提取并轉(zhuǎn)制，再通過屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，最終在數(shù)據(jù)庫中部署出來的過程[7-9]。

空間數(shù)據(jù)以ArcSDE作為數(shù)據(jù)通路在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)中儲存并管理，再通過ArcIMS服務(wù)器軟件構(gòu)建WebGIS客戶端，使平臺能夠提供GIS數(shù)據(jù)和服務(wù)。通過平臺建設(shè)可將信息管理系統(tǒng)與WebGIS進(jìn)行擴展和交互整合?？臻g數(shù)據(jù)由管理部門負(fù)責(zé)發(fā)布和更新，屬性數(shù)據(jù)則由登錄用戶負(fù)責(zé)維護(hù)和修改。這樣，設(shè)計數(shù)據(jù)庫既保證了已發(fā)布數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，又可以靈活方便地通過用戶進(jìn)行修正和維護(hù)，極大地提高了數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性和運行效率。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括地理信息數(shù)據(jù)庫、歷史信息數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫3部分。本系統(tǒng)的地理信息數(shù)據(jù)庫包括山西省行政區(qū)劃圖、道路交通圖和水系分布圖。各圖中的地理信息要素都按類進(jìn)行了圖層分層，通過圖層控制可分層顯示不同內(nèi)容，方便查看。全省行政信息數(shù)據(jù)見表1。

表1 全省行政信息

歷史信息數(shù)據(jù)庫包括山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息歷史數(shù)據(jù)，主要為農(nóng)業(yè)氣候特征分布信息、灌溉工程現(xiàn)狀信息、歷年重點縣項目縣農(nóng)田水利項目建設(shè)情況信息、歷年農(nóng)業(yè)灌溉面積信息、用水量信息、用水有效利用系數(shù)信息、主要年份農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本情況、作物種植結(jié)構(gòu)分布信息等。

專題數(shù)據(jù)庫包括山西省土壤類型分布數(shù)據(jù)庫、灌溉制度數(shù)據(jù)庫、歷年區(qū)域降雨量數(shù)據(jù)庫等。其中，灌溉制度數(shù)據(jù)庫為本系統(tǒng)的特色數(shù)據(jù)庫。灌溉制度分為充分供水灌溉制度和經(jīng)濟灌溉制度。其內(nèi)容包括各地、市、區(qū)的水文年型、作物生育期降水量、有效降水量、作物耗水量、灌溉定額、灌水次數(shù)、灌溉日期等數(shù)據(jù)。平臺結(jié)合山西省水利水電科學(xué)研究院編制的《山西省主要農(nóng)作物需水量與灌溉制度試驗總結(jié)》及《山西農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與作物高效用水模式》，制定并集成了山西省常見的小麥、玉米兩種糧食作物，黃豆、黍子、紅小豆、夏大豆4種雜糧作物，油葵、馬鈴薯、西瓜、棉花、花生、黃花6種經(jīng)濟作物，番茄、黃瓜、尖椒、辣椒、青椒、南瓜、茄子、西葫蘆8種蔬菜，共20種作物的灌溉制度。

2 平臺功能實現(xiàn)

系統(tǒng)主要包含四大功能模塊：信息檢索、數(shù)據(jù)分析、灌溉決策和系統(tǒng)管理。打開瀏覽器輸入平臺地址進(jìn)入“山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息管理平臺”，通過用戶名和密碼進(jìn)行登錄，通過系統(tǒng)主界面菜單選擇相應(yīng)功能，操作界面。界面中的系統(tǒng)工具欄，包括信息檢索功能中的空間查詢和條件查詢，數(shù)據(jù)分析中的測量分析、統(tǒng)計分析和網(wǎng)格疊加，需水量預(yù)測功能，系統(tǒng)管理中的用戶管理、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)工具，以及打印、添加數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)快捷導(dǎo)出。

2.1 信息檢索

該模塊是根據(jù)決策部門和管理人員的需求，查詢平臺已集成數(shù)據(jù)，包括空間查詢、條件查詢?？臻g查詢可通過單擊界面中的地圖要素查詢對應(yīng)屬性數(shù)據(jù)。條件查詢是單擊進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢界面，根據(jù)輸入的查詢條件，查詢對應(yīng)屬性數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

該模塊的主要功能為測量分析和統(tǒng)計分析等。測量分析可在地圖界面進(jìn)行距離、面積和坐標(biāo)的測量。統(tǒng)計分析主要是對農(nóng)業(yè)灌溉信息根據(jù)不同級別、不同類型、分布狀況等進(jìn)行統(tǒng)計分析及匯總，可根據(jù)輸入的參數(shù)和條件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果通過圖表和圖形等形式展現(xiàn)。

2.3 灌溉預(yù)測

灌溉預(yù)測是決策部門和管理人員在制定灌溉規(guī)劃的過程中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的信息、方法和模型，模擬灌區(qū)灌溉過程，通過數(shù)據(jù)分析向決策部門和管理人員推薦可行的灌溉方案和指標(biāo)，為灌區(qū)高效管理及水資源優(yōu)化配置提供決策輔助。

本平臺按照統(tǒng)籌分析、綜合考慮的原則，從現(xiàn)狀設(shè)施和現(xiàn)狀管理水平入手，通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用基于灌溉制度的灌區(qū)用水量預(yù)測模型對灌區(qū)灌溉用水量進(jìn)行預(yù)測。模型主要公式如下。

a.綜合灌溉凈定額計算：

式中：m為綜合灌溉凈定額,m3/畝；ai為作物種植比例；mi為作物灌溉定額,m3/畝。

b.灌溉用水量計算：

式中：W灌為灌溉用水量，m3；m為綜合灌溉凈定額，m3/畝；F為灌溉面積，畝；η綜為灌溉水有效利用系數(shù)。

2.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)工具。用戶管理模塊可完成用戶賬號信息的維護(hù)和管理。根據(jù)服務(wù)對象的不同，可將用戶分為普通用戶、水利管理人員、高級管理人員和系統(tǒng)管理員4種級別。數(shù)據(jù)管理模塊主要是對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編輯、更新、備份等操作，并且可以批量導(dǎo)入或?qū)С鰯?shù)據(jù)。系統(tǒng)工具模塊包括對系統(tǒng)生成的專題圖、表格等結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出、打印等輸出操作，以及幫助用戶操作的系統(tǒng)幫助手冊。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實例

基于前述平臺數(shù)據(jù)構(gòu)建和模型開發(fā)，建立了基于GIS的山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息管理平臺，可以對山西省各灌區(qū)用水需求進(jìn)行預(yù)測，本文選擇申村灌區(qū)作為應(yīng)用實例進(jìn)行說明。

申村灌區(qū)位于山西省東南部，覆蓋5個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))45個行政村，設(shè)計灌溉面積2.7萬畝，有效灌溉面積達(dá)2.0萬畝，其中蔬菜1.0萬畝，采用地下水灌溉，其余采用水庫水灌溉。灌區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1686mm；平均年氣溫8.6℃，極端最高氣溫37.0℃，極端最低氣溫-27.0℃；多年平均年降水量608.6mm；灌區(qū)內(nèi)主要作物為小麥和谷子等。

由于曾對申村灌區(qū)2013年灌溉水源及水量情況進(jìn)行了相關(guān)調(diào)研，數(shù)據(jù)較為可靠，故本次選取灌區(qū)2013年水庫水源灌溉農(nóng)田為例，對其灌溉需水量進(jìn)行快速預(yù)測比對。2013年申村灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.52，主要種植作物、種植面積和種植比例不變，選取充分灌溉的灌溉定額，輸入系統(tǒng)，得到不同年型水庫水作為水源灌溉的灌溉用水量，對應(yīng)結(jié)果見表2。

表2 2013年申村灌區(qū)灌溉用水量

根據(jù)申村灌區(qū)實測降水量系列(1962—2013年),將本系統(tǒng)平臺預(yù)測出的2013年申村灌區(qū)灌溉用水量與2013年實際值進(jìn)行對比，預(yù)測值與實際值的差異不顯著，預(yù)測結(jié)果可信度較高，可以為管理部門制定灌溉方案提供有效的參考。

4 結(jié) 論

山西省農(nóng)業(yè)灌溉信息管理平臺采用WebGIS管理山西省多年灌溉信息歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了灌溉信息的統(tǒng)一管理、整合、交換和共享，提高了灌區(qū)信息化水平和管理效率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化管理和數(shù)據(jù)共享，可為農(nóng)田水利行業(yè)提供信息化、網(wǎng)絡(luò)化的地理信息服務(wù)。

通過結(jié)合山西省當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)狀，綜合考慮現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)施不足和管理人員水平不一的現(xiàn)狀，利用成果優(yōu)勢制定了20種主要作物在山西省不同片區(qū)的灌溉制度，采用基于灌溉制度的灌區(qū)用水量預(yù)測模型，實現(xiàn)了利用歷史數(shù)據(jù)對灌區(qū)需水量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，可為管理部門進(jìn)行灌區(qū)管理及水資源配置提供決策輔助。采用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，與實施監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測模型相比，雖有一定的局限性，但對于山西省實施監(jiān)測水平不足的地區(qū)，具有很高的現(xiàn)實意義。同時，平臺預(yù)留多個接口，以滿足今后與田間監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、氣象預(yù)測平臺、雨洪管理平臺等相關(guān)平臺的對接及平臺功能的擴展。