唐徕渠支渠灌溉专家决策系统应用研究

杨 志，吴晓峰，温江丽，聂铭君，郭文忠，杨 伟

（1.宁夏唐徕渠管理处，750001，银川；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，100097，北京）

唐徕渠支渠灌溉专家决策系统应用研究

杨 志1，吴晓峰1，温江丽2，聂铭君2，郭文忠2，杨 伟1

（1.宁夏唐徕渠管理处，750001，银川；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，100097，北京）

灌区；专家决策系统；宁夏；唐徕渠

唐徕渠灌区位于宁夏青铜峡灌区腹地，东西宽5~30 km，南北长约160 km，灌区可控制面积约300万亩（15亩=1 hm2，下同），其中灌溉面积120万亩。可覆盖青铜峡市，银川市的永宁县、兴庆区、金风区、西夏区、贺兰县，石嘴山市的平罗县、大武口区、惠农县等9个县区，西湖农场、南梁农场、暖泉农场等6大农场。灌区农作物种植以小麦、水稻、玉米等为主，是全国重要的商品粮基地之一，素有“塞上乳管”之称。唐徕渠最大引水流量127 m3/s，由于唐徕渠灌区属典型的大陆性季风气候，多年平均年降水量 205.2 mm，年蒸发量 1 626 mm，干旱少雨，地下水水位高，盐碱化严重，可以说无灌溉就无农业。

灌区对今后一个时期黄河缺水的严峻形势和抗旱节水的艰巨性、长期性认识不足，灌区用水管理方法滞后，农业灌溉用水浪费严重，灌溉水利用率仅40%左右。其中管理水平低下是一个主要原因。实践证明，灌溉节水50%的潜力在管理。为有效缓解干渠来水不足及水资源供需矛盾，建立了唐徕渠支渠灌溉决策专家系统，减少了灌溉管理中的盲目性，为灌区优化调度灌溉用水提供了科学依据，对提高灌区科学用水、节约用水具有十分重要的意义。

一、系统开发目标

项目以唐徕渠支渠——王家三户渠灌域农田灌溉为例，通过研究应用农田水利智能管理系统，采用物联网管理技术手段，通过实时的气象数据估算土壤实时含水率，构建不同作物参照腾发量的实时预报系统。根据土壤水分平衡，即作物根系层一定深度内得到的水分和损失水分之间的平衡关系，制定灌溉制度。根据这个原理建立农田水量平衡模型，在估算土壤水分储量、制定农田灌溉计划、预报作物产量以及区域水资源评价基础上，构建土壤墒情预测模型、渠系蒸发渗漏模型和灌溉预测模型，建立王家三户渠农田灌溉专家决策系统，为实现数字唐徕农田灌溉智能管控系统奠定良好的基础。

二、系统功能设计

根据项目要求和灌区调研结果及系统需求分析，开发良好的人机用户界面、基本视图操作功能、数据库管理功能，对灌区内不同作物实现智能灌溉决策和闸门自动化控制是系统开发的最终目的。因此，整个系统从功能上可分为系统流程、实时监测、灌溉决策、渠道水量分析和闸门远程控制5个模块。

1.系统流程模块

模块的主要功能是对整个系统按流程进行介绍，包括设备运行监测、现场数据采集的具体参数、专家决策的实现原理、决策结果、供水分析和智能实施等基本资料介绍。

2.实时监测模块

实时监测模块用地图方式展示了唐徕渠之王家三户支渠灌区的主要概况、影像图、设备图分布等情况。影像图主要包括作物种植分布示意图、卫星影像图。设备图主要包括阀门、摄像头、气象站和墒情监测站。界面展示了气象站监测的湿度、风力、降雨、蒸发量等情况，为计算作物需水量和灌溉预测提供基础气象数据。墒情监测站展示了不同土层 （20 cm、40 cm和60 cm）实时的土壤含水率，为土壤分层水量平衡计算和灌溉预测提供基础服务。

3.灌溉决策模块

灌溉决策模块分为智能灌溉简介、当前灌溉计划、历史灌溉计划、模型参数4个部分。灌溉决策是系统的核心功能，是精细田间灌溉计划和管理的智能化系统，考虑了SPAC系统中各因子对作物生长的影响，从而进行综合精细的灌溉决策。该系统将灌区内作物概化为水田和旱作物两种，并考虑宁夏当地特殊的冬灌措施。灌区灌溉水量由稻田需水、旱作物（小麦、玉米和麦套玉米）需水和冬灌需水三个主要部分组成。根据农田土壤水分平衡，即作物根系层一定深度内得到的水分和损失水分之间的平衡关系制定灌溉决策。并统计历史灌溉计划等。该系统具有适时、适量、实时和自动灌溉的特点。

4.渠道水量分析模块

该模块主要分析渠道毛灌溉水量、净灌溉水量、水面蒸发量和渠道渗漏量4个部分。通过灌溉决策结果的发布，已知不同作物控制面积所需要的灌水量，即可知渠道净灌溉水量。

渠道输水损失，包括渗漏损失和水面蒸发。其中渠道渗漏损失约占渠道输水总损失量的80%；渠道水面蒸发占渠道输水损失的比例较小，主要与当地多年平均水面蒸发量和渠道参数有关。渠道渗漏损失量可根据渠道参数以及衬砌情况计算得知。

5.闸门远程监控模块

闸门远程监控模块提供闸门的远程查看、监测、控制功能，并可以根据灌溉预测结果，实现对闸门的自动和手动开启，实现自动、智能化灌溉。

三、数据库设计

1.属性数据库

属性数据库是以属性数据组成的集合体。属性数据库主要包括作物、土壤和气象三大数据库，三大数据库又分为具体的不同的数据库。作物数据库包括各种作物水分上下限等数据库和作物种植数据库；土壤特性数据库包括田间持水量数据库、土壤容重数据库、土壤质地数据库和土壤墒情监测数据库；气象数据库主要就是气象参数数据库。

2.系统空间数据库

空间数据库是以空间数据组成的数据集合体。空间数据库主要是地图的矢量数据库，主要包括唐徕渠之王家三户渠灌区图和采样点的分布图。农田土壤墒情监测和灌溉决策支持系统的空间数据库和属性数据库是由一系列的空间数据表和属性数据表组成的，空间数据库是基于ArcGIS平台上开发的，在Mapinfo5.0的支持下，将收集到的灌区卫星遥感图，灌区地形地貌图，干渠、支渠、斗渠和农渠等分布图，作物种植分布图形成矢量格式的地图数字化数据，形成原始矢量结构的数据文件，建立空间信息数据库，各图形数据以.tab文件格式分别存储于系统的点文件、线文件和面文件中。

四、支渠灌溉决策专家系统的实现

1.支渠决策流程图

打开唐徕渠支渠灌溉专家决策系统应用程序，首先进入的是整个系统的决策流程，打开模型介绍，便可看到系统用到的主要模型以及参数等。

2.实时监测

在实时监测模块中，可方便查看灌区灌溉面积，种植作物分布情况、阀门、摄像头、气象站和墒情监测站的位置情况，并且对灌区内唐徕渠、支渠、斗渠和农渠以不同的颜色分别进行展示。点击气象站详细信息，可以查看实时监测温度、风速、太阳辐射和降雨量等气象参数，并以图表的形式展现历史气象资料。点击墒情监测站详细信息，可以查看灌区内3个墒情监测站不同土层的实时含水率和土壤表层含水率的统计特征值。

3.灌溉决策

在灌溉决策模块中，可方便查看智能灌溉简介，点击智能灌溉决策模型，可对玉米、小麦和麦套玉米不同生育阶段的作物系数、计划湿润层深度和水稻不同生育阶段的水层临界值等进行修改及查询等，并可以对旱田和水田的土壤水力特性参数以及作物参数进行修改和查询。根据土壤、气象等对不同作物进行实时灌溉决策。点击作物实际灌溉制度，可以查看当地不同作物的实际灌溉制度。点击历史灌溉计划，可以查询不同作物的历史灌溉计划。

4.渠道水量分析

在渠道水量分析模块中，可方便查看灌溉周期内的渠道毛灌溉水量、净灌溉水量、渠道蒸发量和渗漏损失量。并以图表的形式对灌溉周期内的渠道水量进行统计分析。

5.闸门远程监控

在闸门远程监控模块中，根据灌溉决策结果可以选择闸门的控制方式，可以通过自动、开度和流量三种方式进行控制，并可以查看实时监测的闸门开度、闸前水位、断面水位等。

五、结 语

宁夏唐涞渠支渠灌溉专家决策系统立足田间，面向基层管理者，使用Java和jsp开发技术，成功实现地理空间数据与属性数据的可视化查询，建立了可视化的唐徕渠支渠灌溉专家决策系统，根据灌区内土壤类型、作物种植分区、气象和土壤墒情实时监测、灌溉模型预测诊断、灌溉控制系统实时控制灌溉，实现对灌区内不同土壤、不同作物按时、按需供水，减少水量损失，提高作物产量和品质，从而达到节水、高产和保护环境的目的。

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[3]杨国范.基于GIS和智能数据采集技术的大中型灌区用水管理系统的建立[J].沈阳农业大学学报，2003，34(1).

[4]王玉宝，何武全，尚虎君.GIS技术在灌区灌溉管理中的应用[J].西北水资源与水工程，2003，14(3).

[5]陈玲，黄介生.灌区管理模型与GIS的集成及应用[J].灌溉排水学报，2003，22(3).

责任编辑 轩 玮

TV93+TP

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1000-1123（2016）12-0043-02

2016-05-10

杨志，教授级高级工程师。