集成水聯網和水權交易的灌區智能管理技術

王鵬全 吳元梅 張霞

摘要：為實現灌區用水管理的智能化、規范化和科學化，基于水聯網和水權交易，研究了灌區智能管理技術，提出了作物環境智能采集系統、水聯網灌溉自動化閘門控制系統、灌溉效果監測評估系統、灌區水資源使用權確權登記系統和水權交易互聯網平臺系統的功能、組成。水聯網智能灌溉技術與水權交易的集成應用，對提升水資源利用效能和智慧農業建設具有現實意義。

關鍵詞：水聯網;水權交易;精準灌溉;智能管理

中圖分類號：TV213.4;5274.3 文獻標志碼：A

農業是我國用水大戶，農業用水量占全國用水量的60%以上。據測算，如果農業灌溉水利用系數從目前的0.5提高到0.7，就可節約灌溉水量約900億m³，是我國灌溉缺水量的3倍。在用水總量和強度雙控的條件下，要保證21世紀糧食安全、農業生產的可持續發展，須落實“節水優先”的治水思路，以綠色發展理念引領農業水利發展，融合交叉產業技術，大力發展節水農業和灌區水權管理技術，從而盤活水資源存量，實現水資源的可持續利用。

隨著“互聯網+”技術的發展，高效節水灌溉與“互聯網+”的有機融合創新了新一輪節水灌溉技術。水利部水權改革試點工作的有效實施為全國水權改革提供了寶貴經驗。左其亭[1]提出了“水利4.0”戰略構想，水利發展進入“智慧水利”階段;王忠靜等[2]以“互聯網+”為基礎提出了“實時感知、水信互聯、過程控制、精準配送”的灌區水聯網節水灌溉技術體系;楊得瑞等[3]、黃建水等[4]、侯慧敏等[5]對水權分配、水權交易、水市場等水資源管理理論進行了總結完善與實踐應用;倪建軍等[6]研究了水聯網與水利信息化理論;金永奎等[7]設計了高效節水灌溉自動監控及信息化系統。以上技術均在不同尺度灌區進行了水聯網灌溉或水權交易應用與示范，但其集成協作的潛力和效果提升尚需進一步挖掘和論證。

本文在總結前人經驗的基礎上進行技術創新與集成，提出了灌區作物環境智能采集系統、水聯網自動化閘門控制系統、灌區灌溉效果監測評估系統、灌區水資源確權登記系統和水權交易互聯網技術平臺的功能、組成，旨在提高水資源利用效率，適時適量地按照作物需水規律和灌溉制度精準灌溉，實現水資源統一調度的自動化、規范化、科學化和現代化。

1 灌區水聯網智能灌概技術

水聯網精準灌溉技術是指根據灌區作物種植結構、灌溉面積、灌溉方式以及不同作物在不同灌溉方式下的灌溉制度，進行需水預測和灌溉決策研究，并集成水聯網遠程控制技術，采集、感知、傳輸和反饋田間土壤墑情以及作物需水信息，通過水聯網測控一體化閘門的自動化控制系統，完成各時段水量的精準配送任務，實現田間環境、設備運行狀態監測和灌溉系統智能化、信息化控制及管理。該技術由作物環境智能采集系統、水聯網灌溉自動化閘門控制系統和灌溉效果監測評估系統組成。

1.1 作物環境智能采集系統

作物環境智能采集系統利用土壤墑情傳感器、光照量子數傳感器、空氣濕度溫度傳感器、風向風速傳感器等，適時地將濕度、溫度、風向、風速、光量子數、CO₂濃度、降水量、土壤溫度以及土壤水分等各種物理信息轉換為電信號，傳輸到數據控制模塊、數據存儲模塊和數據交換平臺，服務灌溉決策專家支持系統，并利用視頻探頭、3S技術和衛星圖像對作物長勢、土壤墑情、植物冠層尺度、蟲害等進行可視化遠程自動監測，實現田間環境因子和視頻圖像信息的實時、自動采集，并對各項信息參數和作物生長態勢進行遠程監控，以適應精準灌溉的需求。作物環境數據采集系統在現場供電不便的情況下可采用太陽能供電。

該系統基于以上技術獲取土壤墑情、作物長勢、蟲情、苗情以及濕度、溫度、風向等地面氣象數據，從而確定作物需水量。作物需水量、灌溉制度、灌溉決策和灌溉水管理信息可通過GPRS無線通信方式和4G網絡發送給用水戶和農民用水協會，通過PC端可視化軟件、手機APP客戶端、微信公眾服務平臺、現場LED顯示屏等終端可以查看用水信息。同時，利用數據云計算和數據云服務進行終端數字圖像動態監測，可查看灌溉數據報表、24h灌溉曲線、作物灌溉實況、雨情墑情預報、作物長勢等信息。系統組成框架結構見圖1。

該系統協同灌溉制度和灌溉決策專家支持系統與水聯網自動化灌溉系統，可適應現代智慧農業發展需求，為科學指導農業生產提供及時準確的技術支撐。

1.2 水聯網自動化閘門控制系統

水聯網自動化閘門控制系統集成水聯網技術，植人作物需水規律與灌溉決策信息，匹配作物耗水過程，對田間作物生長環境因子連續監測，將數據信息處理后發送到數據接收器及云端服務器，系統根據田間土壤墑情及期望閾值發出智能指令，控制閘門的啟閉和開度，完成灌溉作業。

系統主要組成設備包括：作物環境智能采集系統、協調器、信號交換器、信號接收器、防火墻、云端服務器、超聲波水位儀、測灌聯控一體化閘門、監控設備、信號塔、LED顯示屏、PC/手機控制終端等。測灌聯控一體化閘門是該自動化灌溉系統的核心，對上下游水位、閘門開度進行實時監測，并通過云端服務器發送指令控制閘門，實現智能灌溉的遠程控制，無需人工操作。通過云端服務器還能夠實時查看土壤墑情、水位、流量、灌溉時段、閘門開度和運行實況等信息，用水戶可對自己的用水計量、水費征繳、農業水價等信息進行實時查詢，推動透明化、陽光化灌區水務建設。

灌區水聯網智能灌溉系統設備運行示意見圖2。

1.3 灌區灌溉效果監測評估系統

灌區灌溉效果監測評估系統的主要功能包括灌區各級渠道水情采集監測、渠系建筑物運行監測、配套工程利用率測算、灌溉水量計量、灌溉水利用系數測算、水費計量收繳、作物水分生產函數運算、灌區地下水位監測、鹽堿度監測、灌溉退水水質監測、洪澇和干旱預警、超定額灌溉預警、用水總量控制以及灌溉成本一效益評估等，從而提升最嚴格水資源管理的能力，為節水型灌區評估提供相關數據。該系統可供灌區用水戶和管理單位注冊后直接使用，通過對灌溉經濟效益指標、生態環境指標、灌區管理指標和灌區工程運行指標進行綜合分析評估，可為用水戶推薦最優的種植模式和灌溉制度，也可為灌區管理單位的決策提供相關參考。灌區灌溉效果監測評估系統的功能見圖3。

2 水權交易自動化管理技術

水權交易自動化管理技術將需水、訂購、供水、配水和水權交易連接起來，初步建成水聯網及智慧水利框架下的市場水網，促進水效能的提升[1]。該系統主要包括灌區水資源使用權確權登記系統和水權交易互聯網技術平臺。

2.1 灌區水資源使用權確權登記系統

水資源使用權確權是進行水權交易的前提條件。水資源使用權確權登記系統主要實現水權的登記和水權使用權流轉的登記功能，對用戶水權信息進行登記、查詢、添加、變更和刪除。依據水聯網調度云端服務器提供的灌區基礎數據、灌區監測數據和灌區水權水量，開展水資源使用權分配登記，建立網上水資源使用權登記臺賬，并為用水戶頒發水資源使用權確權登記證（水權證），載明用戶初始水權用途、期限、使用量、結余量、交易量、農田種植結構、種植面積、灌溉方式等信息。借助水聯網調度云端服務器，植人水資源使用權確權登記系統和水權交易數據，利用水聯網精準灌溉技術和云平臺分析灌區農業節水潛力，認定可交易水權水量，自動核減用水戶的水權水量，以達到灌區水資源管理的精確調度和準確計量，確保交易水量的市場準人。灌區水資源使用權確權登記系統的綜合功能見圖4。

2.2 水權交易互聯網技術平臺

水權交易互聯網技術平臺為水權交易雙方提供閑置水權或節余水權交易信息掛牌公布、水權交易標的查詢、水權交易申請、水權交易規則和政策咨詢。水權交易主體可以利用手機下載水權交易互聯網技術平臺客戶端，實現在移動終端查看相關信息;水管部門可以登錄系統進行水權交易網上三級（鄉鎮水資源辦公室、灌區管理處、灌區管理站）審批和準人、水權交易數據統計分析、水權交易監督跟蹤、水權交割變更登記等業務。在鄉鎮水資源辦公室設置專人負責水權交易合同的審核與檢查，最后生成一份唯一的數字檔案，準確記錄水權交易過程以及合同期各方的權利義務，為規范水權交易提供有效保證，同時也為水事糾紛處理提供依據。水權交易互聯網技術平臺操作規程見圖5。

3 討論

（1）水權分配、水權交易等水資源精細化管理機制的出現，改變了傳統水資源管理方式。水權制度從源頭和過程“倒逼”農業節水，促進水資源向高效益、低消耗的產業流轉。灌區通過土地流轉形成規模化設施農業、經果林農業生產以及通過建設工業園區招商引資等成為農業生產集約化的新趨勢，其新增水量指標必須通過與農民用水協會或農民用水戶之間的水權交易獲得，基于水聯網的水權交易自動化管理技術成為迫切需要。筆者提出的灌區水資源使用權確權登記系統和水權交易互聯網技術平臺，具有一定的創新性和實用性，可為解決該問題提供技術支撐。

（2）我國自流灌區大多沿襲了傳統的地面灌溉方式，渠道標準化程度低，灌溉定額高，水資源浪費嚴重。隨著小畦灌溉、微噴灌、滴灌等高效節水灌溉技術的推廣，植人水聯網智能灌溉技術，農業節水效果將十分顯著，田間凈灌溉定額可大大降低，為開展農業節水向工業企業流轉、灌區用水戶間水權交易提供了可能。因此，本文提出的水聯網智能灌溉技術是實現水權交易的技術保障。

（3）本文提出的灌區智能管理技術體系集成了作物環境信息采集、水聯網調度云服務、遠程自動化控制和水權交易自動化管理技術，是“互聯網+農業”的創新發展。該技術利用智能設備自動采集水文氣象、作物長勢、土壤墑情等信息，將實時監測、快速傳輸、需水預報、訂單供水、精準配水、高效管理和水權交易連接起來，并且利用測灌聯控一體化閘門的智能控制實現精量灌溉，從而促進灌區水管理實現自動化、規范化和科學化，提高水資源的利用效能。

4 結語

筆者在現有的技術基礎上，對水聯網智能灌溉與水權交易技術的集成應用做了一定創新與設計，提出的智能化灌區管理技術體系主要適用于水資源短缺、用水矛盾突出的內陸自流灌區。在最嚴格水資源管理制度“倒逼”下，在內陸干旱區建成一批高起點、高標準、高水平的現代化農田水利示范區，促進節水，并將節約的用水指標流轉市場，利用市場經濟的杠桿作用提高灌區水資源的利用效能，實現取用水管理的智能化、規范化和科學化，可大大節省灌區管理的人力、物力和財力。在控制灌區水資源總量的同時盤活存量，不僅能保證灌區糧食安全、生態健康，而且能保證水權交易配套工程和設施的節水效益，為水權交易工作的跟蹤評估和灌區水資源統一調度提供相關數據支撐和技術決策支撐。

該項技術具有廣闊的推廣前景和應用潛力，但其集成應用效果和技術對接問題需要通過實踐來檢驗和改進。

參考文獻：

[1]左其亭.中國水利發展階段及未來“水利4.0”戰略構想[J].水電能源科學，2015，33（4）：1-5.

[2]王忠靜，王光謙，王建華，等.基于水聯網及智慧水利提高水資源效能[J].水利水電技術，2013，44（1）：1-6.

[3]楊得瑞，李晶，王曉娟，等.我國水權之路如何走[J].水利發展研究，2011，14（1）：10-17.

[4]黃建水，胡玉嬌，喬鈕.黃河水權與水市場建設研究[J].人民黃河，2013，35（7）：40-43.

[5]侯慧敏，王鵬全，張永明，等.石羊河流域水權交易試點實踐方案[J].節水灌溉，2016（4）：86-89.

[6]倪建軍，湯敏，詹萬林，等.水聯網與水利信息化理論探討及應用實踐[J].水利信息化，2016（4）：32-35.

[7]金永奎，李強，袁圓.高效節水灌溉自動監控及信息化系統設計與應用[J].中國農村水利水電，2017（1）：18-22.