新型農(nóng)田水利工程灌溉智能系統(tǒng)的應(yīng)用

陳南山

（安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局設(shè)計(jì)院，安徽 六安 230088）

在農(nóng)業(yè)用水中，最突出的矛盾是農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)嚴(yán)重和水資源短缺。對(duì)此，必須發(fā)展和應(yīng)用科學(xué)合理的節(jié)水灌溉技術(shù)。傳統(tǒng)灌溉方式往往根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定灌溉水量，易導(dǎo)致水資源浪費(fèi)或無(wú)效灌溉等情況，不利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且高效的灌溉?，F(xiàn)階段，節(jié)水智能灌溉技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)際是指參考土壤吸力等各種參數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物不同的生長(zhǎng)要求，綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境，通過(guò)應(yīng)用智能儀器控制灌溉裝置，從而實(shí)現(xiàn)高效灌溉。

1 新型灌溉技術(shù)概述

新型灌溉技術(shù)是建立在先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)和農(nóng)業(yè)理論基礎(chǔ)上所形成的一種灌溉方式，是我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)過(guò)理念發(fā)展所形成的一種高水平的產(chǎn)物。通過(guò)應(yīng)用各種新型的灌溉技術(shù)，可以利用最少的水資源，獲得最大的農(nóng)作物產(chǎn)出。調(diào)查顯示，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家中，農(nóng)業(yè)用水占國(guó)家用水總量的50%，而我國(guó)的農(nóng)業(yè)用水占比明顯高出該值。目前我國(guó)人均水資源占有量較少，水資源的應(yīng)用存在著地域分布不平衡的問(wèn)題，正因如此，新型灌溉技術(shù)的推廣和應(yīng)用十分有必要。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)生活和生產(chǎn)用水需求量的增加，農(nóng)業(yè)用水相關(guān)主體機(jī)構(gòu)必須加大對(duì)新型灌溉技術(shù)的推廣和應(yīng)用力度，提高農(nóng)業(yè)用水的灌溉效率及灌溉保證率，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)和諧可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，高效節(jié)約水資源。概言之，節(jié)水智能灌溉技術(shù)的應(yīng)用可真正地實(shí)現(xiàn)用最小的水獲得最高的農(nóng)作物產(chǎn)出，提高農(nóng)田的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，同時(shí)還能夠大幅度地緩解國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水短缺的問(wèn)題。

2 新型農(nóng)田水利工程灌溉智能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（1）通過(guò)應(yīng)用多深度土壤水分傳感器對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，針對(duì)同一個(gè)地點(diǎn)，對(duì)不同深度的土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取農(nóng)作物根系附近的土壤墑情數(shù)據(jù)，為智能灌溉提供科學(xué)的灌溉決策。

（2）通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得土壤連續(xù)的變化曲線、土壤含水率、土壤溫度、地表溫度等數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)以農(nóng)作物需水規(guī)律，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，科學(xué)地預(yù)測(cè)未來(lái)的降雨量與作物需水量等信息，為灌溉的開始及持續(xù)時(shí)間、灌溉周期及每次灌溉量的決定提供正確的依據(jù)。

（3）灌溉系統(tǒng)還可以對(duì)電磁閥開光的運(yùn)行狀態(tài)、閥門開度、水泵等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)，為灌溉目標(biāo)的執(zhí)行提供依據(jù)。同時(shí)，備份的數(shù)據(jù)還可為以后區(qū)域的灌溉定額修正提供科學(xué)的指導(dǎo)。

3 新型農(nóng)田水利工程灌溉智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

3.1 田間信息監(jiān)測(cè)單元

田間信息監(jiān)測(cè)單元的主要作用是對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)：土壤墑情、土壤溫度、灌溉流量和地表蒸發(fā)量。其中，通過(guò)采集土壤含水率可以正確地判斷農(nóng)田是否處于缺水的狀態(tài)，而通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤蒸發(fā)量和降雨量可以判斷農(nóng)田灌溉需水量。具體來(lái)說(shuō)，有以下三點(diǎn)。

（1）田間信息采集。通過(guò)傳感器采集土壤墑情、降雨量、溫度、流量等信息，并上傳至數(shù)據(jù)中心備份及存儲(chǔ)。

（2）通信組網(wǎng)。該系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)全部為文本數(shù)據(jù)，所占帶寬小，傳輸速率要求低。故可應(yīng)用ZigBee實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器間的組網(wǎng)，而應(yīng)用GPRS/CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)控制器與遠(yuǎn)程決策監(jiān)控平臺(tái)間的組網(wǎng)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、距離短和成本低等一系列優(yōu)勢(shì)，適用于監(jiān)控點(diǎn)較為密集布線難度較大的場(chǎng)合；而GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用往往不會(huì)受到距離的限制，通信程度更加可靠，且可以讓底層的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)更加安全地連接[1]。

（3）供電系統(tǒng)。因田間區(qū)域不能設(shè)置線纜，再加上ZigBee無(wú)線模塊和田間傳感器的運(yùn)行功耗情況較低，所以可以應(yīng)用高性能鏗電池供電，而對(duì)于氣象監(jiān)測(cè)站、控制器以及GPRS/CDMA無(wú)線模塊則需要采用太陽(yáng)能板供電，電磁流量計(jì)與水泵共用電源。

3.2 控制灌溉單元

灌溉控制單元主要由電磁閥控制閥門開關(guān)以及水泵構(gòu)成，系統(tǒng)主要通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)閥門、水泵開閉。通過(guò)水泵控制器和電磁閥來(lái)控制控制閥門開啟度與水泵的轉(zhuǎn)速，揚(yáng)程及流量。在智能灌溉決策系統(tǒng)中，通過(guò)GPRS/CDMA將執(zhí)行命令發(fā)送到田間控制器，控制器識(shí)別命令的后傳輸給水泵控制器、電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各種設(shè)備的控制，從而真正完成灌溉的全自動(dòng)控制[2]。

為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者問(wèn)題，灌溉的過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)控制器通過(guò)對(duì)閥門的開度狀態(tài)、水泵以及電磁閥門的開閉狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)，然后將監(jiān)測(cè)到的結(jié)果反饋到灌溉決策平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和科學(xué)決策。

3.3 智能決策監(jiān)控平臺(tái)單元

中心軟件平臺(tái)的建設(shè)依賴于前端基礎(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但又保持著相對(duì)的兼容性和擴(kuò)展性。隨著技術(shù)的發(fā)展，前端采集和測(cè)量的技術(shù)、設(shè)備會(huì)更新變化，但獲取數(shù)據(jù)的需求沒(méi)有變，利用這些數(shù)據(jù)輔助決策、解決問(wèn)題的管理目標(biāo)也沒(méi)有變。中心軟件平臺(tái)主要解決三類問(wèn)題：第一，作為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為各類數(shù)據(jù)提供進(jìn)入系統(tǒng)的接口，包括地圖數(shù)據(jù)、前端水文傳感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、輿情數(shù)據(jù)等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸檔和存儲(chǔ)利用，實(shí)現(xiàn)水利情報(bào)的匯集和電子化。第二，作為灌區(qū)日常業(yè)務(wù)的信息化辦公平臺(tái)和信息公示平臺(tái)，提高灌區(qū)日常工作的效率，拉近和涉水群眾的距離。第三，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的目標(biāo)，在系統(tǒng)夯實(shí)了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)并承載了業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)功能之后，可以借助信息化手段為決策領(lǐng)導(dǎo)提供豐富的情報(bào)信息，如利用趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、危機(jī)預(yù)警、模擬演練等功能，輔助決策者實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。

（1）決策監(jiān)控平臺(tái)單元的構(gòu)成。①渠道、庫(kù)塘水位流量監(jiān)測(cè)模塊：在地圖上顯示多級(jí)渠道、庫(kù)塘的分布圖，并標(biāo)注各量測(cè)水站點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)顯示各量測(cè)點(diǎn)的流量、水位等信息，了解明渠輸水狀態(tài)。水位過(guò)高，設(shè)備故障等異常在地圖上動(dòng)態(tài)展現(xiàn)。②水工建筑工情監(jiān)測(cè)模塊：在地圖上標(biāo)注灌區(qū)所有水工建筑物如水閘、涵閘、河槽、泵站、大壩等建筑，可以在地圖上按類型進(jìn)行篩選，也可以按名稱模糊查詢。比如選中某渠道，可以查看渠道名稱、長(zhǎng)度、管理單位、設(shè)計(jì)流量、施工單位、灌溉面積等工程信息。如果水工建筑物上加裝了傳感設(shè)備，還可以實(shí)時(shí)顯示傳感數(shù)據(jù)，如閘壩的應(yīng)力、滲流量、土壓力、孔隙水壓力等參數(shù)。③田間水位、土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊：傳感器回傳田間水位、土壤墑情（土壤濕度）的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)后能夠全面、科學(xué)、真實(shí)地反映被監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤變化，可及時(shí)、準(zhǔn)確地提供各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤狀況，為田間供水需求提供了重要的基礎(chǔ)信息。④滴灌、噴灌、微灌系統(tǒng)監(jiān)控模塊：系統(tǒng)可獲取灌區(qū)內(nèi)大棚、經(jīng)果林灌溉系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，了解灌溉的進(jìn)度、用水量、土壤墑情等信息。⑤閘門及電磁閥系統(tǒng)監(jiān)控模塊：實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)所有閘門的集中管控，提高管理效率；使閘站遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行控制及無(wú)人值守。⑥種植結(jié)構(gòu)采集上報(bào)模塊：建立灌區(qū)農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，支持對(duì)種植結(jié)構(gòu)、種植大戶、養(yǎng)殖企業(yè)等基礎(chǔ)信息進(jìn)行上報(bào)，支持批量導(dǎo)入和更新。在動(dòng)態(tài)地圖上展現(xiàn)灌區(qū)耕地分布情況、各區(qū)域的種植結(jié)構(gòu)，種植企業(yè)的基本情況，可以按季度、年度展現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化情況

（2）決策支持系統(tǒng)。①報(bào)警及預(yù)警模塊：綜合信息預(yù)警監(jiān)視主要實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)渠道、（預(yù)留灌溉水井、滴灌系統(tǒng)）、閘門開啟、取水計(jì)量、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等各類實(shí)時(shí)信息的監(jiān)視，提供各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示與動(dòng)態(tài)更新，當(dāng)出現(xiàn)故障或預(yù)警狀況時(shí)，以聲音、圖像、短信、郵件、傳真、終端推送等各種手段向相關(guān)工作人員發(fā)出預(yù)警信息。對(duì)預(yù)警信息分等級(jí)，并在系統(tǒng)內(nèi)跟蹤預(yù)警信息的狀態(tài)，比如預(yù)警的信息已發(fā)生、未發(fā)生、處理結(jié)果，責(zé)任人等。②監(jiān)視方式：監(jiān)視信息包括取用水計(jì)量、渠道、水井、滴灌系統(tǒng)、閘門、系統(tǒng)運(yùn)行情況等，以圖、表等方式顯示以上信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息動(dòng)態(tài)刷新。③鼠標(biāo)懸停顯示：在地圖上鼠標(biāo)懸停在站點(diǎn)圖標(biāo)上時(shí)，可以查看監(jiān)視數(shù)據(jù)詳細(xì)信息，包括實(shí)時(shí)監(jiān)視及過(guò)程數(shù)據(jù)信息。④交互式查詢：在對(duì)象查詢時(shí)，可以交互方式查詢到與該對(duì)象相關(guān)聯(lián)的各類對(duì)象信息，包括基礎(chǔ)設(shè)施情況、地理信息、圖像資料等。⑤界面地圖展示：整體地圖作為底圖，包括行政、區(qū)域、道路、渠道、站點(diǎn)和地名等圖層選擇，在基礎(chǔ)地圖底圖基礎(chǔ)上疊加預(yù)警監(jiān)視結(jié)果。⑥預(yù)警發(fā)布：當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)視信息達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)，以聲音、圖像、短信、郵件、傳真、終端推送等各種手段向相關(guān)工作人員發(fā)送預(yù)警信息。⑦預(yù)警閾值設(shè)置：用戶可以設(shè)定監(jiān)視對(duì)象某一監(jiān)測(cè)信息的閾值，當(dāng)超過(guò)該閾值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)警發(fā)布。報(bào)警方式的選擇可由用戶設(shè)置，并可設(shè)置時(shí)間間隔刷新有關(guān)監(jiān)視信息。⑧預(yù)警內(nèi)容管理：用戶可以根據(jù)需要，定義自己關(guān)注的重點(diǎn)測(cè)站以進(jìn)行監(jiān)視，報(bào)警信息的內(nèi)容可編輯。⑨預(yù)警級(jí)別設(shè)置：預(yù)警可按不同內(nèi)容設(shè)置級(jí)別，可用不同的顏色、聲音、頻次的發(fā)布方式顯示出事件的緊急程度。⑩防汛抗旱決策支持：利用GIS系統(tǒng)對(duì)防汛抗旱工作進(jìn)行推演，支持設(shè)立多種預(yù)案，如設(shè)立泄洪預(yù)案，人工降雨預(yù)案等。供水調(diào)度決策支持：提供灌區(qū)渠道內(nèi)水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬仿真，演示在不同的調(diào)配水狀態(tài)下，水系的流向、水位上漲過(guò)程及灌溉的范圍。供水調(diào)度專家數(shù)據(jù)庫(kù)：將供水系統(tǒng)在多種工況條件下的供水調(diào)度規(guī)律，閘門的開度方案、經(jīng)驗(yàn)及正常運(yùn)行所必需的基本條件和規(guī)則儲(chǔ)存在專家數(shù)據(jù)庫(kù)中。經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)優(yōu)化的調(diào)度方案通過(guò)專家評(píng)估系統(tǒng)過(guò)濾后，生成新的調(diào)度方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)的人工灌溉模式相比，智能灌溉系統(tǒng)具有省水、節(jié)能、省工等優(yōu)點(diǎn)，可以在一定程度上解決灌溉過(guò)程中人為因素的不利影響，從而提高灌溉過(guò)程的科學(xué)性和合理性，真正實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和農(nóng)田的增產(chǎn)豐收。對(duì)此，相關(guān)機(jī)構(gòu)要充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理和分析能力，實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長(zhǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，分析灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以大數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果作為依據(jù)，制定科學(xué)合理的灌溉計(jì)劃，確保其可精準(zhǔn)地執(zhí)行灌溉指令。