智慧灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

譚劍波，宋 亮，王立青

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北水利水電建筑勘察設(shè)計院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

智慧灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)建設(shè)是集成計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)自動化技術(shù)等技術(shù)為一體，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要舉措，其不僅可以提高水資源綜合利用效率，提升糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品用水供給保障能力，同時按作物需水精準(zhǔn)化、實時化自動灌溉，降低了傳統(tǒng)人工灌溉的勞動強(qiáng)度，有效推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技化進(jìn)程[1-2]。渭南抽洛灌區(qū)位于陜西省關(guān)中東部，以洛河為灌溉水源，設(shè)計抽水流量為7.18m3/s，設(shè)計灌溉面積23萬畝，受益人口21萬人。為進(jìn)一步提高灌區(qū)節(jié)水灌溉和運營管理水平，按照“科學(xué)合理、技術(shù)可行、實用經(jīng)濟(jì)”等原則，實施灌區(qū)灌溉智能自動化系統(tǒng)升級改造，建設(shè)智慧管理信息管理平臺，對灌溉設(shè)備和水資源進(jìn)行自動化、精細(xì)化配水和優(yōu)化調(diào)度，促進(jìn)灌區(qū)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

1 灌區(qū)信息化現(xiàn)狀

渭南抽洛灌區(qū)為大型灌區(qū)，工程體系龐雜且分散，建設(shè)下寨、韓河、龍陽、石羊四個抽水灌溉系統(tǒng)，共17座泵站，安裝水泵機(jī)組70臺套，總裝機(jī)功率1.28萬kW，主要由水源、泵站、灌區(qū)渠系等系統(tǒng)組成。灌區(qū)灌溉覆蓋面廣，且所處的渭北黃土高原水資源有限。因此，無論是泵站全面安全監(jiān)控，還是灌區(qū)綜合協(xié)調(diào)灌溉水高效利用，建設(shè)集數(shù)據(jù)采集、信息傳輸和綜合調(diào)度等功能為一體的信息化管理系統(tǒng)是目前灌區(qū)信息化管理迫切需解決的關(guān)鍵內(nèi)容。但由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，抽洛灌區(qū)信息化系統(tǒng)現(xiàn)存監(jiān)測點分散、應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱和智慧化程度偏低等問題。

1.1 監(jiān)測點分散

“十二五”“十三五”期間，陜西大型灌區(qū)改造以應(yīng)用業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以具體工程項目功能需求帶動信息化系統(tǒng)建設(shè)為抓手，在灌區(qū)布置了集水情、工情、土壤墑情、農(nóng)業(yè)蟲情等功能為一體的各類信息采集監(jiān)測點，用以支撐灌區(qū)高效灌溉管理業(yè)務(wù)需求。但由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，各系統(tǒng)建設(shè)采購的軟件系統(tǒng)，存在監(jiān)測點分散、系統(tǒng)兼容性差、調(diào)度分配不協(xié)調(diào)等問題，信息孤島、信息數(shù)據(jù)利用低、預(yù)警預(yù)報機(jī)制不完善等，嚴(yán)重制約灌區(qū)信息化業(yè)務(wù)工作的高效開展。

1.2 應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱

由于灌區(qū)水源、泵站、渠道和用水終端等各級業(yè)務(wù)部門其在實際工作中側(cè)重點不同，其建設(shè)的應(yīng)用子系統(tǒng)功能存在單一、系統(tǒng)性差、兼容性低和信息共享機(jī)制缺失等問題，存在部分系統(tǒng)重復(fù)冗余建設(shè)或某些功能系統(tǒng)缺失等問題[3]。各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)相互獨立，信息開發(fā)利用層次偏低、綜合成本高且維護(hù)難度較大，未能形成統(tǒng)籌、系統(tǒng)、全面的高水平、高兼容性和易維護(hù)的基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)信息資源系統(tǒng)。

1.3 智慧化程度偏低

由于抽洛灌區(qū)灌溉面積廣，而水資源又存在流動性和分散性等問題，其信息采集、遠(yuǎn)程傳輸和綜合集成等難度均較大。目前，灌區(qū)已建成的信息化管理系統(tǒng)主要以泵站、灌溉干渠為分散獨立單元進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，很多功能子系統(tǒng)仍處于初步建設(shè)階段。信息采集終端大多配置為實測單元，不能滿足智慧管理模擬推演搭建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求。另外，《“十三五”期間智慧水務(wù)信息化建設(shè)》中對灌區(qū)解放生產(chǎn)力、信息預(yù)測預(yù)報、輔助功能決策等方面均提出了更高的要求，急需在灌區(qū)現(xiàn)有信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依托大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)對灌區(qū)信息化系統(tǒng)進(jìn)行全面升級改造，以實現(xiàn)灌區(qū)智能化、精細(xì)化節(jié)水灌溉[4]。

2 智慧灌區(qū)關(guān)鍵內(nèi)容

抽洛灌區(qū)節(jié)水灌溉調(diào)度運行所需的支撐信息類型多且涉及范圍較廣，主要包括水雨情、水質(zhì)、土壤墑情、泵站運行狀況、配水調(diào)度、防汛調(diào)度、工程建設(shè)與管理等方面內(nèi)容，除了涉及到灌區(qū)各管理部門間的聯(lián)系外，還涉及到水文、氣象等政府相關(guān)管理單位，相應(yīng)其數(shù)據(jù)信息存在時空間隔、多樣化、服務(wù)目標(biāo)單一化等特征[5]。要實現(xiàn)灌區(qū)智慧化、智能化和精細(xì)化節(jié)水灌溉，就需要跳出常規(guī)數(shù)值化和信息化層面，從整個灌區(qū)高效節(jié)水灌溉出發(fā)，高度融合現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)信息、大數(shù)據(jù)、云平臺等先進(jìn)技術(shù)，強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、深挖大數(shù)據(jù)資源，探索灌區(qū)的數(shù)智化轉(zhuǎn)型，建成集數(shù)字化感知、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程傳輸、大數(shù)據(jù)處理和智能化應(yīng)用等功能為一體的集成智能自動化信息管理平臺。

（1）全面感知

全要素數(shù)字感知是灌區(qū)智慧管理的基礎(chǔ)，通過對重點對象的全方位、全對象、全指標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測，為灌區(qū)節(jié)水灌溉提供詳實、精細(xì)化的數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)節(jié)水灌區(qū)信息化要求，主要采集的終端數(shù)據(jù)有土壤墑情、地下水、地表水、氣象（雨情預(yù)測預(yù)報）、渠道流量、水質(zhì)及泥沙含量、金屬閘門運行工況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。全面感知在系統(tǒng)設(shè)計時，要充分運用灌區(qū)現(xiàn)有的監(jiān)測儀器和監(jiān)測終端，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的再利用價值。根據(jù)需要整合物聯(lián)網(wǎng)、無線GPRS、視頻監(jiān)控和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等新技術(shù)的應(yīng)用，充分挖掘土壤墑情、流量/水位監(jiān)測、氣象（水情、旱情、蟲情）等灌區(qū)主要特征數(shù)據(jù)中的有用價值，實時動態(tài)感知基礎(chǔ)環(huán)境特征數(shù)據(jù)信息，經(jīng)運算分析形成對應(yīng)的調(diào)控策略，提高灌區(qū)管理效率和質(zhì)量。

（2）系統(tǒng)互聯(lián)

大量終端數(shù)據(jù)采集后，如何將數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析中心，就成為灌區(qū)節(jié)水灌溉智慧管理的通訊網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)關(guān)鍵。要充分利用灌區(qū)已建成的光纖、RS485、RS232等傳統(tǒng)有線通信，結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)、GPRS無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等通訊新技術(shù)，構(gòu)建全面融合的“四網(wǎng)”（局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)和移動網(wǎng)）的動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸通道，支撐灌區(qū)重點監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)、圖形和視頻等信息的實時傳輸。考慮到灌區(qū)節(jié)水灌溉監(jiān)測對象和信息采集系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性，在更新改造過程中要充分整合現(xiàn)有管理平臺的數(shù)據(jù)信息，全面收集工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如：氣象、地質(zhì)水文、設(shè)計和施工建設(shè)等）、調(diào)度運行數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和檢修維護(hù)等多源數(shù)據(jù)，結(jié)合“四網(wǎng)”技術(shù)，合理開發(fā)灌區(qū)節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)信息平臺、氣象信息平臺、蟲情墑情平臺、預(yù)測預(yù)警平臺和智能預(yù)測預(yù)報平臺等多源信息全景平臺。同時，結(jié)合模擬仿真技術(shù)，充分挖掘數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)重點監(jiān)測部位、水位、流量、墑情等信息的動態(tài)可視化三維仿真展示。

（3）智能應(yīng)用

灌區(qū)智慧管理的最終目標(biāo)就是實現(xiàn)智能應(yīng)用。在整合灌區(qū)現(xiàn)有自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合云網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)灌區(qū)節(jié)水灌溉需求，按照人性化、便捷化和個性化要求，合理組建灌區(qū)節(jié)水灌溉業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。充分利用大數(shù)據(jù)的匯集與存儲技術(shù)、接口與服務(wù)協(xié)議技術(shù)等，有效解決灌區(qū)現(xiàn)有系統(tǒng)平臺間的協(xié)同與信息交互共享問題，實現(xiàn)智能一體化管理和調(diào)度[6]。針對灌區(qū)各級調(diào)控和服務(wù)對象需求，綜合集成與共享海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)灌區(qū)各級管理單位應(yīng)用系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，形成灌區(qū)節(jié)水灌溉的智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化的智慧管理。

3 智慧灌區(qū)信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

3.1 智慧灌區(qū)信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在水利部《智慧水利總體方案（監(jiān)測整體解決方案）》的總體框架下，分析研究抽洛灌區(qū)灌溉現(xiàn)狀及業(yè)務(wù)需求，以推進(jìn)用水戶、基層站、直屬站、灌區(qū)管理單位和各級行業(yè)管理機(jī)構(gòu)間的融合，基于“一測、一控、一平臺”建立數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)兼容的多元化業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)“數(shù)據(jù)資源交互共享、應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)同”為目標(biāo)的智慧灌區(qū)信息自動化管理系統(tǒng)，其邏輯組成框圖如圖1所示。

圖1 智慧灌區(qū)信息管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 智慧灌區(qū)信息管理系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)采集

“一測”是指智慧灌區(qū)節(jié)水灌溉全程數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一采集，主要包括灌區(qū)基礎(chǔ)資料、水資源監(jiān)測（地下水，地表水）、降雨量監(jiān)測、氣象監(jiān)測、渠道水位（流量）監(jiān)測、土壤墑情（蟲情）監(jiān)測等，同時還包括統(tǒng)一采集監(jiān)視點、監(jiān)控點的視頻、圖片、運行工況等可視化信息。信息源根據(jù)灌區(qū)總平面布置，分設(shè)在水源、加壓泵站、干（支）渠、閘門、泵站管理站和灌區(qū)調(diào)度中心等監(jiān)測點和業(yè)務(wù)相關(guān)單位。智慧灌區(qū)信息自動化管理平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)、通訊網(wǎng)等接收來自各監(jiān)測點傳感器采集的信號數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫供不同子系統(tǒng)共享和資源利用。

（2)智能控制

“一控”是指智慧灌區(qū)節(jié)水灌溉全程能實現(xiàn)“現(xiàn)地控制+遠(yuǎn)程集控”相結(jié)合的統(tǒng)一調(diào)控。管理系統(tǒng)配備有現(xiàn)地手動操作、中控室集控和管理中心遙控三種控制方式，三種控制方式可獨立運行也可以同時運行。管理人員在現(xiàn)地、中控室和管理中心通過計算機(jī)發(fā)出對應(yīng)的控制命令，由物聯(lián)網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)、通訊網(wǎng)等下傳控制命令到現(xiàn)地設(shè)備，實現(xiàn)對進(jìn)水閘、水泵機(jī)組、開關(guān)設(shè)備、監(jiān)控視頻等設(shè)備進(jìn)行集中控制。同時，信息自動化平臺結(jié)合田間需水要求，控制開啟與作物需水量相匹配的機(jī)組臺數(shù)、閘門開度等運行條件，確保灌區(qū)灌溉全程具備保持在“供需基本平衡”的良好運行局面。

（3）智能灌溉一體化平臺

“一平臺”是指智慧灌區(qū)建設(shè)實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉統(tǒng)一平臺管理?；趙in10操作系統(tǒng)在WEB開發(fā)平臺開發(fā)智能灌溉控制軟件及平臺，可以實現(xiàn)用水戶、基層站、直屬站、灌區(qū)管理單位和各級行業(yè)管理機(jī)構(gòu)間的應(yīng)用業(yè)務(wù)的統(tǒng)一。信息自動化管理平臺集成了水雨情動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、量測水管理系統(tǒng)、配水調(diào)度系統(tǒng)、水費計收管理系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)，通過各系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的整合和運行分析，最終實現(xiàn)根據(jù)作物用水量需求的按需節(jié)水灌溉?？梢暬缑鎸崟r顯示當(dāng)前土壤參數(shù)（溫度、濕度）、氣象（風(fēng)速、雨量、光照）以及灌溉狀態(tài)。采用各種內(nèi)置模式控制灌溉設(shè)備，實現(xiàn)定量自動灌溉并自動保存灌溉記錄；在系統(tǒng)軟件中可以進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置及對灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計，并在計算機(jī)上存儲、顯示。信息化平臺可以通過手機(jī)、PAD、計算機(jī)等信息終端向管理者推送實時監(jiān)測信息、報警信息，實現(xiàn)田間作物的信息化、智能化遠(yuǎn)程管理。智能節(jié)水灌溉可視化主界面，如圖2所示。

圖2 智能節(jié)水灌溉可視化主界面

系統(tǒng)采集土壤（溫度，濕度）參數(shù)、氣象（風(fēng)速，雨量，光照）等信息，便于技術(shù)人員及時掌握農(nóng)作物生長環(huán)境信息，并根據(jù)作物灌溉制度形成對應(yīng)的灌溉調(diào)控策略，確保按作物生長需求實時精準(zhǔn)灌溉。通過水位和視頻監(jiān)控模塊，能實時監(jiān)測灌溉系統(tǒng)水源狀況，及時發(fā)布缺水、爆管、漏水、低壓運行等預(yù)警信息，便于技術(shù)人員及時查看及維修。另外，用戶可以通過云平臺、APP等移動平臺，無論身在何處均可通過4G（5G）網(wǎng)絡(luò)查看實時數(shù)據(jù)并可遠(yuǎn)控，遇到狀況及時處理，確保作物高效生長。

4 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)用實施

2020年，渭南抽洛智慧灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)建成后，管理人員在集控室即可掌握從田間4GDTU上傳回管理中心的土壤墑情、蟲情、氣象、渠道閘門、加壓水泵、灌溉流量、水位等特征數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能預(yù)測系統(tǒng)形成的對應(yīng)調(diào)控策略，便于管理人員結(jié)合歷史灌溉數(shù)據(jù)，根據(jù)作物生長環(huán)境信息、作物生長狀況、灌溉制度等制定相關(guān)的節(jié)水灌溉方案，實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉。智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)實施后，近2年運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，單次灌水節(jié)水率可達(dá)15%—20%。畝次灌水按50m3估算，萬畝每年灌溉可節(jié)水7.5—10萬m3，按灌溉用電電費0.3元/m3算，節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益約2.25—3萬元，農(nóng)民純收入總額增加約2.46—3.28萬元/年。同時，通過實施精準(zhǔn)化智能節(jié)水灌溉后，灌區(qū)將大幅度緩解水資源的供需緊張局勢，減少新增水資源量的供給，增強(qiáng)了水資源保障灌區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的能力。

5 結(jié)束語

利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)灌區(qū)灌溉運行中信息數(shù)據(jù)的有效采集、傳輸與處理，推動了灌區(qū)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)的升級。設(shè)計集成計算機(jī)技術(shù)、自動化控制技術(shù)、4G（5G）網(wǎng)絡(luò)通信、視頻監(jiān)控技術(shù)等為一體的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，通過采集環(huán)境中的溫度、濕度、風(fēng)速、雨量、光照等環(huán)境參數(shù)，結(jié)合作物灌溉制度自動分析形成對應(yīng)智能節(jié)水灌溉策略，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源的精細(xì)化、精準(zhǔn)化和精益化管理。在以后智慧灌區(qū)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，還需嚴(yán)格遵循“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的總基調(diào)，進(jìn)一步拓展信息化管理平臺的廣度和深度，推動鄉(xiāng)村振興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)和精準(zhǔn)節(jié)水灌溉高質(zhì)量發(fā)展?！?/p>