唐徠渠支渠灌溉專家決策系統應用研究

楊 志，吳曉峰，溫江麗，聶銘君，郭文忠，楊 偉

（1.寧夏唐徠渠管理處，750001，銀川；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，100097，北京）

唐徠渠支渠灌溉專家決策系統應用研究

楊 志1，吳曉峰1，溫江麗2，聶銘君2，郭文忠2，楊 偉1

（1.寧夏唐徠渠管理處，750001，銀川；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，100097，北京）

灌區；專家決策系統；寧夏；唐徠渠

唐徠渠灌區位于寧夏青銅峽灌區腹地，東西寬5~30 km，南北長約160 km，灌區可控制面積約300萬畝（15畝=1 hm2，下同），其中灌溉面積120萬畝。可覆蓋青銅峽市，銀川市的永寧縣、興慶區、金風區、西夏區、賀蘭縣，石嘴山市的平羅縣、大武口區、惠農縣等9個縣區，西湖農場、南梁農場、暖泉農場等6大農場。灌區農作物種植以小麥、水稻、玉米等為主，是全國重要的商品糧基地之一，素有“塞上乳管”之稱。唐徠渠最大引水流量127 m3/s，由于唐徠渠灌區屬典型的大陸性季風氣候，多年平均年降水量 205.2 mm，年蒸發量 1 626 mm，干旱少雨，地下水水位高，鹽堿化嚴重，可以說無灌溉就無農業。

灌區對今后一個時期黃河缺水的嚴峻形勢和抗旱節水的艱巨性、長期性認識不足，灌區用水管理方法滯后，農業灌溉用水浪費嚴重，灌溉水利用率僅40%左右。其中管理水平低下是一個主要原因。實踐證明，灌溉節水50%的潛力在管理。為有效緩解干渠來水不足及水資源供需矛盾，建立了唐徠渠支渠灌溉決策專家系統，減少了灌溉管理中的盲目性，為灌區優化調度灌溉用水提供了科學依據，對提高灌區科學用水、節約用水具有十分重要的意義。

一、系統開發目標

項目以唐徠渠支渠——王家三戶渠灌域農田灌溉為例，通過研究應用農田水利智能管理系統，采用物聯網管理技術手段，通過實時的氣象數據估算土壤實時含水率，構建不同作物參照騰發量的實時預報系統。根據土壤水分平衡，即作物根系層一定深度內得到的水分和損失水分之間的平衡關系，制定灌溉制度。根據這個原理建立農田水量平衡模型，在估算土壤水分儲量、制定農田灌溉計劃、預報作物產量以及區域水資源評價基礎上，構建土壤墑情預測模型、渠系蒸發滲漏模型和灌溉預測模型，建立王家三戶渠農田灌溉專家決策系統，為實現數字唐徠農田灌溉智能管控系統奠定良好的基礎。

二、系統功能設計

根據項目要求和灌區調研結果及系統需求分析，開發良好的人機用戶界面、基本視圖操作功能、數據庫管理功能，對灌區內不同作物實現智能灌溉決策和閘門自動化控制是系統開發的最終目的。因此，整個系統從功能上可分為系統流程、實時監測、灌溉決策、渠道水量分析和閘門遠程控制5個模塊。

1.系統流程模塊

模塊的主要功能是對整個系統按流程進行介紹，包括設備運行監測、現場數據采集的具體參數、專家決策的實現原理、決策結果、供水分析和智能實施等基本資料介紹。

2.實時監測模塊

實時監測模塊用地圖方式展示了唐徠渠之王家三戶支渠灌區的主要概況、影像圖、設備圖分布等情況。影像圖主要包括作物種植分布示意圖、衛星影像圖。設備圖主要包括閥門、攝像頭、氣象站和墑情監測站。界面展示了氣象站監測的濕度、風力、降雨、蒸發量等情況，為計算作物需水量和灌溉預測提供基礎氣象數據。墑情監測站展示了不同土層 （20 cm、40 cm和60 cm）實時的土壤含水率，為土壤分層水量平衡計算和灌溉預測提供基礎服務。

3.灌溉決策模塊

灌溉決策模塊分為智能灌溉簡介、當前灌溉計劃、歷史灌溉計劃、模型參數4個部分。灌溉決策是系統的核心功能，是精細田間灌溉計劃和管理的智能化系統，考慮了SPAC系統中各因子對作物生長的影響，從而進行綜合精細的灌溉決策。該系統將灌區內作物概化為水田和旱作物兩種，并考慮寧夏當地特殊的冬灌措施。灌區灌溉水量由稻田需水、旱作物（小麥、玉米和麥套玉米）需水和冬灌需水三個主要部分組成。根據農田土壤水分平衡，即作物根系層一定深度內得到的水分和損失水分之間的平衡關系制定灌溉決策。并統計歷史灌溉計劃等。該系統具有適時、適量、實時和自動灌溉的特點。

4.渠道水量分析模塊

該模塊主要分析渠道毛灌溉水量、凈灌溉水量、水面蒸發量和渠道滲漏量4個部分。通過灌溉決策結果的發布，已知不同作物控制面積所需要的灌水量，即可知渠道凈灌溉水量。

渠道輸水損失，包括滲漏損失和水面蒸發。其中渠道滲漏損失約占渠道輸水總損失量的80%；渠道水面蒸發占渠道輸水損失的比例較小，主要與當地多年平均水面蒸發量和渠道參數有關。渠道滲漏損失量可根據渠道參數以及襯砌情況計算得知。

5.閘門遠程監控模塊

閘門遠程監控模塊提供閘門的遠程查看、監測、控制功能，并可以根據灌溉預測結果，實現對閘門的自動和手動開啟，實現自動、智能化灌溉。

三、數據庫設計

1.屬性數據庫

屬性數據庫是以屬性數據組成的集合體。屬性數據庫主要包括作物、土壤和氣象三大數據庫，三大數據庫又分為具體的不同的數據庫。作物數據庫包括各種作物水分上下限等數據庫和作物種植數據庫；土壤特性數據庫包括田間持水量數據庫、土壤容重數據庫、土壤質地數據庫和土壤墑情監測數據庫；氣象數據庫主要就是氣象參數數據庫。

2.系統空間數據庫

空間數據庫是以空間數據組成的數據集合體。空間數據庫主要是地圖的矢量數據庫，主要包括唐徠渠之王家三戶渠灌區圖和采樣點的分布圖。農田土壤墑情監測和灌溉決策支持系統的空間數據庫和屬性數據庫是由一系列的空間數據表和屬性數據表組成的，空間數據庫是基于ArcGIS平臺上開發的，在Mapinfo5.0的支持下，將收集到的灌區衛星遙感圖，灌區地形地貌圖，干渠、支渠、斗渠和農渠等分布圖，作物種植分布圖形成矢量格式的地圖數字化數據，形成原始矢量結構的數據文件，建立空間信息數據庫，各圖形數據以.tab文件格式分別存儲于系統的點文件、線文件和面文件中。

四、支渠灌溉決策專家系統的實現

1.支渠決策流程圖

打開唐徠渠支渠灌溉專家決策系統應用程序，首先進入的是整個系統的決策流程，打開模型介紹，便可看到系統用到的主要模型以及參數等。

2.實時監測

在實時監測模塊中，可方便查看灌區灌溉面積，種植作物分布情況、閥門、攝像頭、氣象站和墑情監測站的位置情況，并且對灌區內唐徠渠、支渠、斗渠和農渠以不同的顏色分別進行展示。點擊氣象站詳細信息，可以查看實時監測溫度、風速、太陽輻射和降雨量等氣象參數，并以圖表的形式展現歷史氣象資料。點擊墑情監測站詳細信息，可以查看灌區內3個墑情監測站不同土層的實時含水率和土壤表層含水率的統計特征值。

3.灌溉決策

在灌溉決策模塊中，可方便查看智能灌溉簡介，點擊智能灌溉決策模型，可對玉米、小麥和麥套玉米不同生育階段的作物系數、計劃濕潤層深度和水稻不同生育階段的水層臨界值等進行修改及查詢等，并可以對旱田和水田的土壤水力特性參數以及作物參數進行修改和查詢。根據土壤、氣象等對不同作物進行實時灌溉決策。點擊作物實際灌溉制度，可以查看當地不同作物的實際灌溉制度。點擊歷史灌溉計劃，可以查詢不同作物的歷史灌溉計劃。

4.渠道水量分析

在渠道水量分析模塊中，可方便查看灌溉周期內的渠道毛灌溉水量、凈灌溉水量、渠道蒸發量和滲漏損失量。并以圖表的形式對灌溉周期內的渠道水量進行統計分析。

5.閘門遠程監控

在閘門遠程監控模塊中，根據灌溉決策結果可以選擇閘門的控制方式，可以通過自動、開度和流量三種方式進行控制，并可以查看實時監測的閘門開度、閘前水位、斷面水位等。

五、結 語

寧夏唐淶渠支渠灌溉專家決策系統立足田間，面向基層管理者，使用Java和jsp開發技術，成功實現地理空間數據與屬性數據的可視化查詢，建立了可視化的唐徠渠支渠灌溉專家決策系統，根據灌區內土壤類型、作物種植分區、氣象和土壤墑情實時監測、灌溉模型預測診斷、灌溉控制系統實時控制灌溉，實現對灌區內不同土壤、不同作物按時、按需供水，減少水量損失，提高作物產量和品質，從而達到節水、高產和保護環境的目的。

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[3]楊國范.基于GIS和智能數據采集技術的大中型灌區用水管理系統的建立[J].沈陽農業大學學報，2003，34(1).

[4]王玉寶，何武全，尚虎君.GIS技術在灌區灌溉管理中的應用[J].西北水資源與水工程，2003，14(3).

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責任編輯 軒 瑋

TV93+TP

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1000-1123（2016）12-0043-02

2016-05-10

楊志，教授級高級工程師。