杭程光,李 偉,祝清震,韓文霆,2,黃玉祥
(1. 西北農林科技大學機械與電子工程學院,陜西 楊凌 712100;2. 西北農林科技大學水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)
近年來,隨著我國北方地區持續干旱以及地下水的嚴重超采,農業水資源的供需矛盾在不斷加劇[1-3]。根據我國農業用水現狀及相關政策要求,合理高效地利用現有的水資源是農業發展的關鍵,而水資源高效利用的信息化技術與管理是實現農業用水可持續發展的一種必要途徑[1,4]。因此,提高農業用水信息化水平顯得尤為重要。
農業用水信息化的目的是通過實現信息采集自動化、數據傳輸網絡化、應用服務智能化、決策支持最優化來實現水資源的最優配置[5]。通過將水文信息數字化展現,利用計算機在可視化的條件下,對水管理活動作出科學的分析與預測,并依據水資源工程狀況和水資源配置計劃進行模擬、分析和研究,為決策者提供科學、準確、高效的信息支持,使之作出科學的決策,最終實現水資源的高效利用[6-8]。
本文以內蒙古河套灌區巴彥淖爾市磴口縣灌溉示范區為對象,在分析該地區用水信息化發展現狀及存在問題的基礎上,結合西北地區黃河流域井渠結合灌溉的發展需求,提出促進灌區農業用水信息化發展的對策與建議,旨在為提高我國旱區農業用水信息化水平提供依據。
河套灌區是中國的3大灌區之一[9,10],總控制面積119萬hm2,其中灌溉面積約70萬hm2,年降水量為139~222 mm[11-13]。自三盛公水利樞紐工程建成后,南北兩岸修建總干渠約500 km,灌溉面積由20世紀50年代以前的16.67萬hm2擴大到66.67萬hm2[14]。
河套灌區自20世紀70年代末就開展了以測流量水為主要目的的信息自動采集系統的研發工作。2003年12月,灌區正式開始實施信息化建設工程,并于2008年完成基礎設施配套工程建設[15]。
巴彥淖爾市位于河套平原的核心位置,是我國重要的商品糧生產基地。經過長期的發展,目前該地區形成了總干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠、農渠和毛渠七級阡陌縱橫、溝渠相連的灌溉網絡[16]。灌區的種植方式為一年一作,以種植牧草和玉米為主,葵花、小麥等作物為輔[13]。灌溉水源主要為黃河水,水質較差,水體污染較為嚴重[17]。灌溉方式以井渠結合的灌溉方式為主,部分區域也采用滴灌、噴灌等灌溉方式。目前,該地區用水信息化正處于示范推廣階段。
河套灌區用水信息化經過近40年的發展,在基礎數據的自動獲取、渠系水情的自動檢測與配水控制、作物需水信息感知等方面取得顯著成效,如圖1所示。

圖1 河套灌區用水信息化技術研究現狀Fig.1 Present situation of development of information technology of Hetao irrigation area
(1)在基礎數據自動獲取方面,灌區已經實現了土地信息編碼、氣象信息、農戶用水信息、支渠以上渠系水文信息等4個方面信息的獲取,主要包括:第一、灌區已完成示范區內所有農田作物種植類型信息、戶主信息、農田面積等信息的編碼工作,形成了農戶信息與地塊信息編碼圖,且農戶用水協會能夠根據編碼圖對區域內作物種植類型、渠系分布狀況等信息進行監管(編碼圖有效期為1 a),同時可以對各個編碼單位的用水信息進行評估與分析;第二、河套灌區水利總局能夠通過田間小氣候監測系統(由氣象傳感器,氣象數據記錄儀,太陽能電池板以及氣象環境監測軟件等組成)對種植區域內的風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、土壤溫濕度等常規氣象要素進行采集與記錄,并通過分析采集到的信息優化被監測區域內的輸、配水過程,實現水資源的精量配置。該監測系統僅在灌區部分試點進行使用,尚未實現全面推廣;第三、農戶能夠通過農戶用水信息終端對各自農田的用水信息進行申報、反饋、舉報、后臺管理、稅費核算以及查詢核實等,例如農戶可以根據農田的需水情況以及灌溉標準對灌溉需水量進行申報;第四、灌區能夠通過自動閘門控制室對支渠以上渠系的水位、流速、流向、波浪等信息進行連續采集,并結合氣象信息與水文信息對灌區的農業用水進行整體規劃。
(2)在渠系水情自動檢測與配水控制方面,灌區已經實現了支渠及以上渠系閘門的自動控制、自動測流以及輸、配水的自動化。例如,灌區能夠采用超聲波傳感器通過非接觸式測量獲取閘前、閘后水位信息,同時根據流速以及閘門抬起高度計算瞬時流量、累積水量、判斷流態,為提高水的精量配置提供依據;水利調度中心能夠根據農戶對用水信息的申報情況,通過激光閘位計對支渠閘門進行自動控制,并通過閘位、水位、流量采集顯示單元實現信息的遠程采集與傳輸;能夠通過水文信息監測站實時監測支渠、分干渠以及干渠閘門前后的水流速度。
(3)灌區在作物需水信息感知方面的信息化發展還較為薄弱,主要通過土壤墑情信息來間接反映作物的需水信息。目前灌區能夠對土壤鹽分信息、地下水位信息以及小麥地、玉米地、葵花地土壤水分信息進行監測,并通過獲取的信息結合渠系水情、氣象信息等建立了各類作物的灌溉制度。例如,以旱水年、平水年、豐水年為依據,制定了按輪次澆灌的灌溉制度。灌區以土壤墑情為依據,制定了土壤適宜含水率及灌溉標準。表1為壩楞區與沙壕區土壤適宜含水率及灌溉標準。

表1 壩楞區與沙壕區土壤適宜含水率及灌溉標準Tab.1 Suitable soil moisture content and water standard of Baleng and Shahao areas
在分析灌區用水信息化發展現狀的基礎上,探討了目前制約灌區農業用水信息化發展的問題。
(1)灌區經過多年發展,形成了縱橫交錯的渠系網絡,然而斗渠、農渠與毛渠等多為土渠,硬化程度較低,且各級渠系并無統一標準,這不僅會增加灌溉過程中的輸水損失和田間損失,降低水資源的利用效率,使得灌溉過程難以實現水資源的精量配置[18],而且導致渠系水文信息采集難度增大且準確性變低,進而降低輸、配水決策模型應用的準確程度。同時還會增加各級渠系測流、計量及閘門自動化控制設備配置的成本,增加用水信息化技術和裝備推廣的難度。
(2)目前灌區的輸、配水決策主要以土壤墑情和黃河水情為依據,缺乏先進、適用的輸、配水決策模型。同時,灌區水利部門利用現代化設備對各級水資源的應用情況及水文、氣候等信息進行了大量的采集,但利用率較低。部分依靠人工采集到的信息的準確度和實效性較低,不能滿足實時指導灌溉的需求。另外,部分信息主要通過模擬信號進行傳遞,缺乏多元化的傳輸方式,這將會降低信息的時效性。
(3)目前,灌區重視高效用水信息化硬件設備的配置與開發工作,但缺乏有效地基礎數據、輸配水、作物需水信息感知等方面的管理軟件,制約了用水信息化水平的提高。
(4)長期以來,由于灌區缺乏用水信息化管理方面的專門人才,導致部分硬件設施和軟件系統難以充分發揮其效益。
(5)灌區內土地集約化程度較低,作物分布情況復雜,且各類作物的需水情況并不一致,這增加了輸、配水自動控制的難度。同時,灌區農戶受教育程度差異較大,為用水信息化設備的普及和推廣增添了難度。
提高農業用水信息化的發展水平是解決河套灌區水資源匱乏及利用率低等問題的有效途徑之一。結合研究區域的地貌、資源、氣候等情況,從基礎設施建設、基礎數據的自動獲取、信息傳輸及網絡結構的構建、自動化控制設備及信息化運行與管理等5個方面[19],提出了灌區用水信息化發展的對策。圖2給出了研究區域用水信息化發展的主要內容。

圖2 河套灌區用水信息化發展主要內容Fig.2 Information development model of water of Hetao irrigation area
完善的基礎設施是提高農業用水信息化發展水平的前提條件,其主要包括硬件基礎設施建設與軟件基礎設施建設兩個方面。
(1)硬件設施建設。渠系及閘口的規格不統一是制約灌區信息化發展的重要因素,因此灌區需要對各級渠系及閘口規格進行標準化。例如,規定斗渠頂寬160 cm、深度70 cm,這不僅可以提高信息采集設備以及閘門自動控制設備的標準化程度,降低信息采集與自動化設備配置的成本,同時也能夠提高信息采集的效率、準確程度以及降低設備運行管理方面的難度。渠系硬化程度較低會造成水資源輸送損失,降低信息采集的準確程度。因此灌區需要采用混凝土、塑模、聚苯保溫板等材料對渠系進行襯砌,實現輸水渠道的全程硬化,這不僅能夠提高用水信息采集的精確度,同時也可以減少水生植物的耗水量,減少輸水過程中的渠道溢流損失、渠道滲漏,提高輸水效率,使得渠系便于清理,減少在渠系疏通方面投入的人力、物力[20,21]。灌區局部地區已實現番茄、玉米、葵花、小麥等作物的膜下滴管,而膜下滴灌技術的用水效率遠遠高于溝灌與渠系灌溉[22]。河套地區屬于水資源匱乏地區,且水質較差,而滴灌/噴灌技術的發展不僅能夠緩解水資源匱乏帶來的用水壓力,同時能夠推動高效用水信息化技術的發展,因此需要逐步對滴灌/噴灌過程中所需要的管道網絡等基礎設施進行完善,從而為滴灌/噴灌技術在灌區的應用提供基礎條件。
(2)軟件設施建設。完善的輸、配水決策模型是實現灌區用水信息化、水資源精量配置的核心技術。因此,灌區首先要根據已有的信息與資源初步建立灌溉用水的決策模型,并隨著農業用水信息化系統的不斷完善以及作物需水信息檢測技術的不斷發展,逐步對輸、配水決策模型進行完善,最終實現用水的信息化管理。完善的網絡系統為各類水利信息的傳輸與交換提供了統一的平臺,是最重要的用水信息化基礎設施之一[23],因此搭建完善的網絡平臺能夠有效地提高信息采集、傳輸、利用的效率,從而為灌區農業用水信息化水平的提高提供基礎條件。
基礎數據的自動獲取主要包括水情信息、作物需水信息的獲取等方面。完善的基礎信息獲取系統是提高用水信息化水平的基礎。
(1)水情信息的監測。水情信息主要包括渠系水情及地下水情信息的監測,檢測內容主要包括水位、流量、地下水埋深、雨量、水質等信息。①渠系水信息的獲取是輸、配水決策的前提條件。渠系水文信息監測主要是對各級渠交匯點閘前、閘后系實時水量、流速等信息的監測。對干渠、支干渠等大型渠系采用激光閘位計進行測控,需要在各交互點建立自動閘門控制室,通過太陽能電池板或鋰電池進行供電;對各支渠、斗渠等中型渠系采用明渠流量計進行測量,閘門的開合采用自動控制終端通過電磁閥進行遠程控制,系統供電采用太陽能電池以及鋰電池;農戶用水采用IC智能水表進行水量、電量的監控,設備主要包括IC卡智能控制器、用戶卡、GPRS、無線模塊與電表,能夠實現各次灌溉用電量、用水量、用電時間以及用水時間的實時監測和控制[19]。上述信息主要通過閘位、水位、流量采集顯示單元,并利用水利網絡實現遠程采集與傳輸。②地下水水文信息影響著灌區秋澆的時間以及秋澆量的大小,因此對地下水位進行監測十分必要。地下水水文信息監測主要采用水位/水溫傳感器,加入遠程測控終端,采用太陽能電池板和鋰電池板持續供電[19],實現對地下水位、水溫等信息的實時監控。同時根據灌區的特點,如河套灌區土地鹽堿程度較大,可適當加入水質傳感器,根據不同地區的水質檢測結果采取相應的凈化措施,從而減少由于水質因素引發的土壤鹽堿化問題,降低其對農作物的危害。
(2)作物需水信息的檢測。土壤物理特性、土壤水分狀態、氣象條件與作物種類及生長發育狀況是墑情和旱情監測的四 大要素[24,25]。目前,灌區對作物需水信息的檢測主要是依靠土壤墑情進行判斷,在沒有加入其他作物需水信息評價指標的前提下,提高信息檢測的準確性及信息的時效性是提高用水信息決策準確性的必然途徑。①土壤墑情信息主要通過土壤墑情采集儀表,如TDR[26](時域反射型儀表),加入遠程控制及供電單元進行測控。灌區可設置固定監測站(長年監測)、季節性監測站(收獲后拆除)、移動監測站(臨時性監測站)[19],對灌區農田不同季節、不同地域、不同土壤層的含水率進行測量。②僅僅依靠土壤墑情信息并不能實現作物需水信息的準確決策,因此采用微氣象學法、水分平衡法相結合的方法,通過氣象綜合信息、土壤墑情信息反映作物的需水情況并指導灌溉過程中的高效用水是提高水資源利用率的有效措施[27,28]。為此,灌區可定點設立田間小氣候檢測系統,對空氣溫濕度、降水量、風速等信息進行實時監控,并結合氣象部門發布的氣象預警輔助區域內的輸、配水決策。
作物需水信息評價指標的完善程度是評價輸、配水決策模型及信息化程度的重要組成部分。現有研究表明,葉水勢、葉鮮重含水量、細胞液濃度和氣孔導度可以較好地反映作物需水信息及土壤水分狀況[28,29]。
(2)網絡結構。用水信息化發展需要各級單位相互結合,系統內存在多級用戶,因此系統模式可選擇B/S架構,采用Web的方式提供服務,即利用數據服務中心向用戶提供統一的網絡內容服務[29,31],在各級用戶中實現信息交流與傳輸,從而提高信息的利用率。
灌溉與信息采集的自動化設備是實現信息化的媒介,因此自動控制設備配置的不斷完善是推動信息化水平不斷發展的重要因素。自動控制設備主要包括信息采集的自動化控制設備和灌溉控制的自動化設備。
信息采集的自動化設備主要由各類傳感器、信號接收設備、記錄與發送設備、供電設備等部分組成,例如測量水流速度的流量計、測量土壤水分的墑情測試儀等。將采集到的信息通過無線網絡或區域組網傳輸到控制終端,通過數據控制中心進行加工處理,反饋到其他控制終端,實現用水信息的決策與配置。
灌溉的自動化主要為各級渠系閘門的控制設備,主要由激光閘位計等自動控制設備,以及閘位傳感器、遠程控制終端、監測設備、水文信息監測設備、信號發送與接收設備等構成。灌溉自動化設備的主要功能是實現閘門的自動控制,對閘前、閘后水位、閘門提升高度等信息進行實時監測,同時根據水資源配置信息、作物需水信息以及灌溉情況等信息實現輸、配水過程的自動控制。
信息化運行與管理系統的構建主要包括信息化管理系統、軟件系統以及數據庫系統等3個方面。
(1)信息化管理系統。信息化管理系統是用水信息化系統運行的平臺,其完善程度決定了用水信息化系統運行過程的穩定性與可靠性。信息化運行與管理系統主要包括:信息管理系統、水務調度運行系統、水務信息公開系統、運行監控管理系統、水信息遙測管理系統、灌溉預報系統、信息發布系統、灌溉用水決策支持系統等[32]。
信息管理系統的主要功能是對信息化建設過程中所需的各類信息進行管理,主要包括水量的分配調度、作物信息(種類、面積、產量、生長等)、各級渠系的運行狀態、氣象信息以及水利設施的供水狀態等。信息管理系統主要包括信息采集、傳輸、分析、歸類、存檔等模塊組成,通過這五大模塊對數據進行分析與處理,為輸、配水決策模型提供服務,是實現灌區用水信息化的基礎。
我們的團隊采用這種隧道內游離輸尿管方法,結合經典Wertheim手術的輸尿管內側入路法,找到輸尿管入膀胱“輸尿管末端”的解剖標志點,切除2 cm的膀胱宮頸韌帶,ligasure離斷子宮神靜脈和膀胱下靜脈的陰道支,解剖無血管區的膀胱陰道側間隙(paravesico vaginal space, PVVS;圖2),完整向外推移輸尿管伴行,位于輸尿管下方的盆神經叢;子宮頸主韌帶暴露在直視下,切除3 cm宮旁組織。2011年11月11日上述技術成功后,我們在國際手術同行透明監督下,由探索性研究,延推2期注冊登記的標準化臨床研究。
水務調度運行系統主要是根據各渠系的儲水、配水以及灌區的蓄水狀況,結合各類實時信息,采用人機交互的方式,實現水量分配的最優化。該系統主要由灌溉預測、水資源優化配置、渠系水文信息調控、灌溉配水、水資源管理等模塊組成。
水務信息公開系統是通過無線網絡/Internet等網絡通訊技術,實現對灌區內用水申報、匿名舉報、農戶用水信息、水費繳納、用水政策、水量分配情況等信息的統一管理。它是實現水量調度、繳費信息透明化、公開化的基礎,是用水信息化發展的基本保證。
運行監控管理系統是通過計算機網絡、多媒體技術、衛星遙感技術及自動控制技術對灌區內各級渠系的閘門運行狀態進行監控。該系統的運行一般為閉環系統,為保證系統的安全性,一般采用半自動化控制。該系統對閘門自動控制主要是通過調度中心下達的指令和閘門控制器實現的。
水信息遙測管理系統的功能主要是實現對各遙測點降雨量、各級渠系及其上渠道入水口的水流、水位等情況進行實時監測。該系統主要包括信息采集與信息傳輸模塊。
灌溉預報系統是根據灌區各遙測點提供的水文信息、田間小氣候觀測站和氣象部門提供的氣象信息,結合作物生長信息以及灌溉制度,建立作物各生長期的輸、配水預測模型。同時對由于氣象原因造成的灌溉風險進行預警,降低信息化輸配水的風險。
信息發布系統是指各灌區水利總局調度中心通過對數據庫信息進行綜合分析,完善灌溉模式與灌溉制度,同時將各類用水信息、墑情、氣象以及相關政策法規等信息進行公示,指導下級水利部門及農戶進行科學灌溉的過程。
灌溉用水決策支持系統通過人機交互模式,綜合分析以上各系統反饋的信息,實現灌溉用水的最優化配置,進行水量的調度與配比,提高灌區水資源的利用效率。
(2)數據庫系統。數據庫系統的主要功能是實現信息化系統運行過程中所需的作物、水、氣象、灌溉等信息的實時更新、分析、存儲等,主要包括動態信息數據庫、決策支持數據庫、工程運行數據庫等[31],它是優化輸配水決策模型和完善信息化系統的基礎。其中,決策支持數據庫在用水信息化系統中占據重要作用。
決策支持數據庫主要包括的內容有:農作物資料庫、土壤數據資料庫、監測數據庫、氣象資料數據庫、灌溉數據庫、現有設備數據庫等[19,26,31]。該系統能夠提供作物、土壤、氣象等方面的實時信息、業務數據、歷史信息,通過對這些信息進行分析與利用,能夠有效地優化信息化系統的各個模塊,提升信息化系統完善程度與穩定性。
本文通過探討內蒙古巴彥淖爾市磴口縣灌溉示范區在農業用水信息化發展過程中存在的問題,提出了相應的解決對策,可以為河套灌區農業用水信息化的發展提供參考。
結合灌區農業用水信息化的發展需求,提出以下建議:第一,作物需水信息感知的準確性是評價灌溉輸、配水決策模型可靠性的主要依據,然而目前灌區評價作物需水狀況的指標單一,準確性較低,因此完善作物需水信息評價系統是實現高效用水的重要研究課題;第二,隨著物聯網技術、3S技術、無人機等新技術的不斷發展,其在農業用水信息化領域應用的潛力很大,迫切需要加大應用和推廣的力度。同時,應重視對現有信息化系統的利用,以提高用水的效率和效益;第三,目前灌區土地集約化程度較低、信息化管理人員的缺乏是制約用水信息化發展的重要因素。因此,需要利用國家相關政策,不斷提高土地的集約化程度,降低用水信息化技術與裝備推廣的成本;同時,積極引進信息化管理方面的人才,推動灌區農業用水信息化事業的可持續發展。
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