農(nóng)田水利工程灌溉智能系統(tǒng)應用分析

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摘要：為了有效提高農(nóng)田水利的灌溉效率與節(jié)約水資源，文章以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，深入研究了節(jié)水智能灌溉系統(tǒng)的應用。新型農(nóng)田水利工程灌溉智能系統(tǒng)由于涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及傳感器等的應用，因此可以實時完成對信息的采集和傳輸，并可以通過嵌入式技術(shù)來控制灌溉執(zhí)行裝置。與此同時，其借助移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及GPRS/CDMA等技術(shù)，真正實現(xiàn)了智能灌溉，從而更為科學灌溉提供更多的建議和決策。

關(guān)鍵詞：節(jié)水智能；新型農(nóng)田；水利工程；灌溉系統(tǒng)

在農(nóng)業(yè)用水中，最突出的矛盾是農(nóng)業(yè)用水浪費嚴重和水資源短缺。對此，必須發(fā)展和應用科學合理的節(jié)水灌溉技術(shù)。傳統(tǒng)灌溉方式往往根據(jù)以往經(jīng)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(xiàn)精準且高效的灌溉?，F(xiàn)階段，節(jié)水智能灌溉技術(shù)的應用，實際是指參考土壤吸力等各種參數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物不同的生長要求，綜合考慮當?shù)氐牡乩憝h(huán)境，通過應用智能儀器控制灌溉裝置，從而實現(xiàn)高效灌溉。

1新型灌溉技術(shù)概述

新型灌溉技術(shù)是建立在先進的節(jié)水技術(shù)和農(nóng)業(yè)理論基礎(chǔ)上所形成的一種灌溉方式，是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)過理念發(fā)展所形成的一種高水平的產(chǎn)物。通過應用各種新型的灌溉技術(shù)，可以利用最少的水資源，獲得最大的農(nóng)作物產(chǎn)出。調(diào)查顯示，在西方發(fā)達國家中，農(nóng)業(yè)用水占國家用水總量的50%，而我國的農(nóng)業(yè)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(shù)的推廣和應用十分有必要。近年來，隨著國內(nèi)生活和生產(chǎn)用水需求量的增加，農(nóng)業(yè)用水相關(guān)主體機構(gòu)必須加大對新型灌溉技術(shù)的推廣和應用力度，提高農(nóng)業(yè)用水的灌溉效率及灌溉保證率，進而促進我國農(nóng)業(yè)和諧可持續(xù)發(fā)展的同時，高效節(jié)約水資源。概言之，節(jié)水智能灌溉技術(shù)的應用可真正地實現(xiàn)用最小的水獲得最高的農(nóng)作物產(chǎn)出，提高農(nóng)田的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，同時還能夠大幅度地緩解國內(nèi)農(nóng)業(yè)用水短缺的問題。

2新型農(nóng)田水利工程灌溉智能系統(tǒng)總體設(shè)計

（1）通過應用多深度土壤水分傳感器對多個監(jiān)測點進行連續(xù)監(jiān)測，針對同一個地點，對不同深度的土壤進行監(jiān)測，獲取農(nóng)作物根系附近的土壤墑情數(shù)據(jù)，為智能灌溉提供科學的灌溉決策。（2）通過實時監(jiān)測獲得土壤連續(xù)的變化曲線、土壤含水率、土壤溫度、地表溫度等數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)以農(nóng)作物需水規(guī)律，進行數(shù)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(xù)時間、灌溉周期及每次灌溉量的決定提供正確的依據(jù)。（3）灌溉系統(tǒng)還可以對電磁閥開光的運行狀態(tài)、閥門開度、水泵等運行狀態(tài)進行實時性的監(jiān)測，為灌溉目標的執(zhí)行提供依據(jù)。同時，備份的數(shù)據(jù)還可為以后區(qū)域的灌溉定額修正提供科學的指導。

3新型農(nóng)田水利工程灌溉智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應用

3.1田間信息監(jiān)測單元

田間信息監(jiān)測單元的主要作用是對以下參數(shù)進行監(jiān)測：土壤墑情、土壤溫度、灌溉流量和地表蒸發(fā)量。其中，通過采集土壤含水率可以正確地判斷農(nóng)田是否處于缺水的狀態(tài)，而通過監(jiān)測土壤蒸發(fā)量和降雨量可以判斷農(nóng)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(shù)據(jù)中心備份及存儲。（2）通信組網(wǎng)。該系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)全部為文本數(shù)據(jù)，所占帶寬小，傳輸速率要求低。故可應用ZigBee實現(xiàn)傳感器與控制器間的組網(wǎng)，而應用GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)控制器與遠程決策監(jiān)控平臺間的組網(wǎng)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、距離短和成本低等一系列優(yōu)勢，適用于監(jiān)控點較為密集布線難度較大的場合；而GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)與Inter-net網(wǎng)絡(luò)更加安全地連接[1]。（3）供電系統(tǒng)。因田間區(qū)域不能設(shè)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(jiān)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(guān)以及水泵構(gòu)成，系統(tǒng)主要通過無線方式實現(xiàn)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(zhuǎn)速，揚程及流量。在智能灌溉決策系統(tǒng)中，通過GPRS/CDMA將執(zhí)行命令發(fā)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(xiàn)對上述各種設(shè)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(tǒng)出現(xiàn)故障或者問題，灌溉的過程中，現(xiàn)場控制器通過對閥門的開度狀態(tài)、水泵以及電磁閥門的開閉狀態(tài)進行實時性的監(jiān)測，然后將監(jiān)測到的結(jié)果反饋到灌溉決策平臺，真正實現(xiàn)閉環(huán)反饋和科學決策。

3.3智能決策監(jiān)控平臺單元

中心軟件平臺的建設(shè)依賴于前端基礎(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計，但又保持著相對的兼容性和擴展性。隨著技術(shù)的發(fā)展，前端采集和測量的技術(shù)、設(shè)備會更新變化，但獲取數(shù)據(jù)的需求沒有變，利用這些數(shù)據(jù)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(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，為各類數(shù)據(jù)提供進入系統(tǒng)的接口，包括地圖數(shù)據(jù)、前端水文傳感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、輿情數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)進行整理、歸檔和存儲利用，實現(xiàn)水利情報的匯集和電子化。第二，作為灌區(qū)日常業(yè)務的信息化辦公平臺和信息公示平臺，提高灌區(qū)日常工作的效率，拉近和涉水群眾的距離。第三，實現(xiàn)科學管理的目標，在系統(tǒng)夯實了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)并承載了業(yè)務流轉(zhuǎn)功能之后，可以借助信息化手段為決策領(lǐng)導提供豐富的情報信息，如利用趨勢分析、統(tǒng)計報表、危機預警、模擬演練等功能，輔助決策者實現(xiàn)科學管理。

（1）決策監(jiān)控平臺單元的構(gòu)成。①渠道、庫塘水位流量監(jiān)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(tài)。水位過高，設(shè)備故障等異常在地圖上動態(tài)展現(xiàn)。②水工建筑工情監(jiān)測模塊：在地圖上標注灌區(qū)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(shè)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(shè)備，還可以實時顯示傳感數(shù)據(jù)，如閘壩的應力、滲流量、土壓力、孔隙水壓力等參數(shù)。③田間水位、土壤墑情監(jiān)測模塊：傳感器回傳田間水位、土壤墑情（土壤濕度）的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)后能夠全面、科學、真實地反映被監(jiān)測區(qū)的土壤變化，可及時、準確地提供各監(jiān)測點的土壤狀況，為田間供水需求提供了重要的基礎(chǔ)信息。④滴灌、噴灌、微灌系統(tǒng)監(jiān)控模塊：系統(tǒng)可獲取灌區(qū)內(nèi)大棚、經(jīng)果林灌溉系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)，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(tǒng)監(jiān)控模塊：實現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)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(jié)構(gòu)采集上報模塊：建立灌區(qū)農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，支持對種植結(jié)構(gòu)、種植大戶、養(yǎng)殖企業(yè)等基礎(chǔ)信息進行上報，支持批量導入和更新。在動態(tài)地圖上展現(xiàn)灌區(qū)耕地分布情況、各區(qū)域的種植結(jié)構(gòu)，種植企業(yè)的基本情況，可以按季度、年度展現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化情況

（2）決策支持系統(tǒng)。①報警及預警模塊：綜合信息預警監(jiān)視主要實現(xiàn)對灌區(qū)渠道、（預留灌溉水井、滴灌系統(tǒng)）、閘門開啟、取水計量、系統(tǒng)運行狀態(tài)等各類實時信息的監(jiān)視，提供各類實時數(shù)據(jù)的顯示與動態(tài)更新，當出現(xiàn)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(guān)工作人員發(fā)出預警信息。對預警信息分等級，并在系統(tǒng)內(nèi)跟蹤預警信息的狀態(tài)，比如預警的信息已發(fā)生、未發(fā)生、處理結(jié)果，責任人等。②監(jiān)視方式：監(jiān)視信息包括取用水計量、渠道、水井、滴灌系統(tǒng)、閘門、系統(tǒng)運行情況等，以圖、表等方式顯示以上信息，實現(xiàn)監(jiān)測信息動態(tài)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(jiān)視數(shù)據(jù)詳細信息，包括實時監(jiān)視及過程數(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)的各類對象信息，包括基礎(chǔ)設(shè)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(qū)域、道路、渠道、站點和地名等圖層選擇，在基礎(chǔ)地圖底圖基礎(chǔ)上疊加預警監(jiān)視結(jié)果。⑥預警：當實時監(jiān)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(guān)工作人員發(fā)送預警信息。⑦預警閾值設(shè)置：用戶可以設(shè)定監(jiān)視對象某一監(jiān)測信息的閾值，當超過該閾值時系統(tǒng)自動實現(xiàn)預警。報警方式的選擇可由用戶設(shè)置，并可設(shè)置時間間隔刷新有關(guān)監(jiān)視信息。⑧預警內(nèi)容管理：用戶可以根據(jù)需要，定義自己關(guān)注的重點測站以進行監(jiān)視，報警信息的內(nèi)容可編輯。⑨預警級別設(shè)置：預警可按不同內(nèi)容設(shè)置級別，可用不同的顏色、聲音、頻次的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(tǒng)對防汛抗旱工作進行推演，支持設(shè)立多種預案，如設(shè)立泄洪預案，人工降雨預案等。供水調(diào)度決策支持：提供灌區(qū)渠道內(nèi)水運動的動態(tài)模擬仿真，演示在不同的調(diào)配水狀態(tài)下，水系的流向、水位上漲過程及灌溉的范圍。供水調(diào)度專家數(shù)據(jù)庫：將供水系統(tǒng)在多種工況條件下的供水調(diào)度規(guī)律，閘門的開度方案、經(jīng)驗及正常運行所必需的基本條件和規(guī)則儲存在專家數(shù)據(jù)庫中。經(jīng)計算系統(tǒng)優(yōu)化的調(diào)度方案通過專家評估系統(tǒng)過濾后，生成新的調(diào)度方案。

4結(jié)束語

綜上所述，與傳統(tǒng)的人工灌溉模式相比，智能灌溉系統(tǒng)具有省水、節(jié)能、省工等優(yōu)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(xiàn)水資源的高效利用和農(nóng)田的增產(chǎn)豐收。對此，相關(guān)機構(gòu)要充分發(fā)揮計算機的數(shù)據(jù)處理和分析能力，實時采集農(nóng)作物生長等相關(guān)數(shù)據(jù)，分析灌溉系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以大數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果作為依據(jù)，制定科學合理的灌溉計劃，確保其可精準地執(zhí)行灌溉指令。

參考文獻：

[1]陳天成.基于ZigBee農(nóng)田水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].中國設(shè)備工程,2018(23):166-168.

[2]張彥偉.農(nóng)田水利工程高效節(jié)水灌溉發(fā)展思路探討[J].工程技術(shù)研究,2019,4(8):255-256.

作者：陳南山 單位：安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局設(shè)計院