新型農田水利工程灌溉智能系統的應用

陳南山

（安徽省淠史杭灌區管理總局設計院，安徽 六安 230088）

在農業用水中，最突出的矛盾是農業用水浪費嚴重和水資源短缺。對此，必須發展和應用科學合理的節水灌溉技術。傳統灌溉方式往往根據以往經驗來確定灌溉水量，易導致水資源浪費或無效灌溉等情況，不利于實現精準且高效的灌溉。現階段，節水智能灌溉技術的應用，實際是指參考土壤吸力等各種參數，根據農作物不同的生長要求，綜合考慮當地的地理環境，通過應用智能儀器控制灌溉裝置，從而實現高效灌溉。

1 新型灌溉技術概述

新型灌溉技術是建立在先進的節水技術和農業理論基礎上所形成的一種灌溉方式，是我國農業經過理念發展所形成的一種高水平的產物。通過應用各種新型的灌溉技術，可以利用最少的水資源，獲得最大的農作物產出。調查顯示，在西方發達國家中，農業用水占國家用水總量的50%，而我國的農業用水占比明顯高出該值。目前我國人均水資源占有量較少，水資源的應用存在著地域分布不平衡的問題，正因如此，新型灌溉技術的推廣和應用十分有必要。近年來，隨著國內生活和生產用水需求量的增加，農業用水相關主體機構必須加大對新型灌溉技術的推廣和應用力度，提高農業用水的灌溉效率及灌溉保證率，進而促進我國農業和諧可持續發展的同時，高效節約水資源。概言之，節水智能灌溉技術的應用可真正地實現用最小的水獲得最高的農作物產出，提高農田的經濟效益和生態效益，同時還能夠大幅度地緩解國內農業用水短缺的問題。

2 新型農田水利工程灌溉智能系統總體設計

（1）通過應用多深度土壤水分傳感器對多個監測點進行連續監測，針對同一個地點，對不同深度的土壤進行監測，獲取農作物根系附近的土壤墑情數據，為智能灌溉提供科學的灌溉決策。

（2）通過實時監測獲得土壤連續的變化曲線、土壤含水率、土壤溫度、地表溫度等數據，結合氣象衛星數據以農作物需水規律，進行數學模型分析，科學地預測未來的降雨量與作物需水量等信息，為灌溉的開始及持續時間、灌溉周期及每次灌溉量的決定提供正確的依據。

（3）灌溉系統還可以對電磁閥開光的運行狀態、閥門開度、水泵等運行狀態進行實時性的監測，為灌溉目標的執行提供依據。同時，備份的數據還可為以后區域的灌溉定額修正提供科學的指導。

3 新型農田水利工程灌溉智能系統結構及應用

3.1 田間信息監測單元

田間信息監測單元的主要作用是對以下參數進行監測：土壤墑情、土壤溫度、灌溉流量和地表蒸發量。其中，通過采集土壤含水率可以正確地判斷農田是否處于缺水的狀態，而通過監測土壤蒸發量和降雨量可以判斷農田灌溉需水量。具體來說，有以下三點。

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

（2）通信組網。該系統需采集的數據全部為文本數據，所占帶寬小，傳輸速率要求低。故可應用ZigBee實現傳感器與控制器間的組網，而應用GPRS/CDMA無線網絡可實現控制器與遠程決策監控平臺間的組網。ZigBee無線網絡具有低功耗、距離短和成本低等一系列優勢，適用于監控點較為密集布線難度較大的場合；而GPRS/CDMA網絡的應用往往不會受到距離的限制，通信程度更加可靠，且可以讓底層的ZigBee網絡與Internet網絡更加安全地連接[1]。

（3）供電系統。因田間區域不能設置線纜，再加上ZigBee無線模塊和田間傳感器的運行功耗情況較低，所以可以應用高性能鏗電池供電，而對于氣象監測站、控制器以及GPRS/CDMA無線模塊則需要采用太陽能板供電，電磁流量計與水泵共用電源。

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以及水泵構成，系統主要通過無線方式實現閥門、水泵開閉。通過水泵控制器和電磁閥來控制控制閥門開啟度與水泵的轉速，揚程及流量。在智能灌溉決策系統中，通過GPRS/CDMA將執行命令發送到田間控制器，控制器識別命令的后傳輸給水泵控制器、電磁閥，實現對上述各種設備的控制，從而真正完成灌溉的全自動控制[2]。

為了避免系統出現故障或者問題，灌溉的過程中，現場控制器通過對閥門的開度狀態、水泵以及電磁閥門的開閉狀態進行實時性的監測，然后將監測到的結果反饋到灌溉決策平臺，真正實現閉環反饋和科學決策。

3.3 智能決策監控平臺單元

中心軟件平臺的建設依賴于前端基礎系統的設計，但又保持著相對的兼容性和擴展性。隨著技術的發展，前端采集和測量的技術、設備會更新變化，但獲取數據的需求沒有變，利用這些數據輔助決策、解決問題的管理目標也沒有變。中心軟件平臺主要解決三類問題：第一，作為基礎信息數據庫，為各類數據提供進入系統的接口，包括地圖數據、前端水文傳感數據、氣象數據、輿情數據等，對數據進行整理、歸檔和存儲利用，實現水利情報的匯集和電子化。第二，作為灌區日常業務的信息化辦公平臺和信息公示平臺，提高灌區日常工作的效率，拉近和涉水群眾的距離。第三，實現科學管理的目標，在系統夯實了數據基礎并承載了業務流轉功能之后，可以借助信息化手段為決策領導提供豐富的情報信息，如利用趨勢分析、統計報表、危機預警、模擬演練等功能，輔助決策者實現科學管理。

（1）決策監控平臺單元的構成。①渠道、庫塘水位流量監測模塊：在地圖上顯示多級渠道、庫塘的分布圖，并標注各量測水站點的位置，實時顯示各量測點的流量、水位等信息，了解明渠輸水狀態。水位過高，設備故障等異常在地圖上動態展現。②水工建筑工情監測模塊：在地圖上標注灌區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、長度、管理單位、設計流量、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備，還可以實時顯示傳感數據，如閘壩的應力、滲流量、土壓力、孔隙水壓力等參數。③田間水位、土壤墑情監測模塊：傳感器回傳田間水位、土壤墑情（土壤濕度）的數據，系統分析數據后能夠全面、科學、真實地反映被監測區的土壤變化，可及時、準確地提供各監測點的土壤狀況，為田間供水需求提供了重要的基礎信息。④滴灌、噴灌、微灌系統監控模塊：系統可獲取灌區內大棚、經果林灌溉系統的監控數據，了解灌溉的進度、用水量、土壤墑情等信息。⑤閘門及電磁閥系統監控模塊：實現灌區內所有閘門的集中管控，提高管理效率；使閘站遠程自動運行控制及無人值守。⑥種植結構采集上報模塊：建立灌區農田基礎數據庫，支持對種植結構、種植大戶、養殖企業等基礎信息進行上報，支持批量導入和更新。在動態地圖上展現灌區耕地分布情況、各區域的種植結構，種植企業的基本情況，可以按季度、年度展現數據的變化情況

（2）決策支持系統。①報警及預警模塊：綜合信息預警監視主要實現對灌區渠道、（預留灌溉水井、滴灌系統）、閘門開啟、取水計量、系統運行狀態等各類實時信息的監視，提供各類實時數據的顯示與動態更新，當出現故障或預警狀況時，以聲音、圖像、短信、郵件、傳真、終端推送等各種手段向相關工作人員發出預警信息。對預警信息分等級，并在系統內跟蹤預警信息的狀態，比如預警的信息已發生、未發生、處理結果，責任人等。②監視方式：監視信息包括取用水計量、渠道、水井、滴灌系統、閘門、系統運行情況等，以圖、表等方式顯示以上信息，實現監測信息動態刷新。③鼠標懸停顯示：在地圖上鼠標懸停在站點圖標上時，可以查看監視數據詳細信息，包括實時監視及過程數據信息。④交互式查詢：在對象查詢時，可以交互方式查詢到與該對象相關聯的各類對象信息，包括基礎設施情況、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、區域、道路、渠道、站點和地名等圖層選擇，在基礎地圖底圖基礎上疊加預警監視結果。⑥預警發布：當實時監視信息達到預警閾值時，以聲音、圖像、短信、郵件、傳真、終端推送等各種手段向相關工作人員發送預警信息。⑦預警閾值設置：用戶可以設定監視對象某一監測信息的閾值，當超過該閾值時系統自動實現預警發布。報警方式的選擇可由用戶設置，并可設置時間間隔刷新有關監視信息。⑧預警內容管理：用戶可以根據需要，定義自己關注的重點測站以進行監視，報警信息的內容可編輯。⑨預警級別設置：預警可按不同內容設置級別，可用不同的顏色、聲音、頻次的發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系統對防汛抗旱工作進行推演，支持設立多種預案，如設立泄洪預案，人工降雨預案等。供水調度決策支持：提供灌區渠道內水運動的動態模擬仿真，演示在不同的調配水狀態下，水系的流向、水位上漲過程及灌溉的范圍。供水調度專家數據庫：將供水系統在多種工況條件下的供水調度規律，閘門的開度方案、經驗及正常運行所必需的基本條件和規則儲存在專家數據庫中。經計算系統優化的調度方案通過專家評估系統過濾后，生成新的調度方案。

4 結束語

綜上所述，與傳統的人工灌溉模式相比，智能灌溉系統具有省水、節能、省工等優點，可以在一定程度上解決灌溉過程中人為因素的不利影響，從而提高灌溉過程的科學性和合理性，真正實現水資源的高效利用和農田的增產豐收。對此，相關機構要充分發揮計算機的數據處理和分析能力，實時采集農作物生長等相關數據，分析灌溉系統的運行狀態，以大數據調查結果作為依據，制定科學合理的灌溉計劃，確保其可精準地執行灌溉指令。