集成水联网和水权交易的灌区智能管理技术

王鹏全 吴元梅 张霞

摘要：为实现灌区用水管理的智能化、规范化和科学化，基于水联网和水权交易，研究了灌区智能管理技术，提出了作物环境智能采集系统、水联网灌溉自动化闸门控制系统、灌溉效果监测评估系统、灌区水资源使用权确权登记系统和水权交易互联网平台系统的功能、组成。水联网智能灌溉技术与水权交易的集成应用，对提升水资源利用效能和智慧农业建设具有现实意义。

关键词：水联网;水权交易;精准灌溉;智能管理

中图分类号：TV213.4;5274.3 文献标志码：A

农业是我国用水大户，农业用水量占全国用水量的60%以上。据测算，如果农业灌溉水利用系数从目前的0.5提高到0.7，就可节约灌溉水量约900亿m³，是我国灌溉缺水量的3倍。在用水总量和强度双控的条件下，要保证21世纪粮食安全、农业生产的可持续发展，须落实“节水优先”的治水思路，以绿色发展理念引领农业水利发展，融合交叉产业技术，大力发展节水农业和灌区水权管理技术，从而盘活水资源存量，实现水资源的可持续利用。

随着“互联网+”技术的发展，高效节水灌溉与“互联网+”的有机融合创新了新一轮节水灌溉技术。水利部水权改革试点工作的有效实施为全国水权改革提供了宝贵经验。左其亭[1]提出了“水利4.0”战略构想，水利发展进入“智慧水利”阶段;王忠静等[2]以“互联网+”为基础提出了“实时感知、水信互联、过程控制、精准配送”的灌区水联网节水灌溉技术体系;杨得瑞等[3]、黄建水等[4]、侯慧敏等[5]对水权分配、水权交易、水市场等水资源管理理论进行了总结完善与实践应用;倪建军等[6]研究了水联网与水利信息化理论;金永奎等[7]设计了高效节水灌溉自动监控及信息化系统。以上技术均在不同尺度灌区进行了水联网灌溉或水权交易应用与示范，但其集成协作的潜力和效果提升尚需进一步挖掘和论证。

本文在总结前人经验的基础上进行技术创新与集成，提出了灌区作物环境智能采集系统、水联网自动化闸门控制系统、灌区灌溉效果监测评估系统、灌区水资源确权登记系统和水权交易互联网技术平台的功能、组成，旨在提高水资源利用效率，适时适量地按照作物需水规律和灌溉制度精准灌溉，实现水资源统一调度的自动化、规范化、科学化和现代化。

1 灌区水联网智能灌概技术

水联网精准灌溉技术是指根据灌区作物种植结构、灌溉面积、灌溉方式以及不同作物在不同灌溉方式下的灌溉制度，进行需水预测和灌溉决策研究，并集成水联网远程控制技术，采集、感知、传输和反馈田间土壤墒情以及作物需水信息，通过水联网测控一体化闸门的自动化控制系统，完成各时段水量的精准配送任务，实现田间环境、设备运行状态监测和灌溉系统智能化、信息化控制及管理。该技术由作物环境智能采集系统、水联网灌溉自动化闸门控制系统和灌溉效果监测评估系统组成。

1.1 作物环境智能采集系统

作物环境智能采集系统利用土壤墒情传感器、光照量子数传感器、空气湿度温度传感器、风向风速传感器等，适时地将湿度、温度、风向、风速、光量子数、CO₂浓度、降水量、土壤温度以及土壤水分等各种物理信息转换为电信号，传输到数据控制模块、数据存储模块和数据交换平台，服务灌溉决策专家支持系统，并利用视频探头、3S技术和卫星图像对作物长势、土壤墒情、植物冠层尺度、虫害等进行可视化远程自动监测，实现田间环境因子和视频图像信息的实时、自动采集，并对各项信息参数和作物生长态势进行远程监控，以适应精准灌溉的需求。作物环境数据采集系统在现场供电不便的情况下可采用太阳能供电。

该系统基于以上技术获取土壤墒情、作物长势、虫情、苗情以及湿度、温度、风向等地面气象数据，从而确定作物需水量。作物需水量、灌溉制度、灌溉决策和灌溉水管理信息可通过GPRS无线通信方式和4G网络发送给用水户和农民用水协会，通过PC端可视化软件、手机APP客户端、微信公众服务平台、现场LED显示屏等终端可以查看用水信息。同时，利用数据云计算和数据云服务进行终端数字图像动态监测，可查看灌溉数据报表、24h灌溉曲线、作物灌溉实况、雨情墒情预报、作物长势等信息。系统组成框架结构见图1。

该系统协同灌溉制度和灌溉决策专家支持系统与水联网自动化灌溉系统，可适应现代智慧农业发展需求，为科学指导农业生产提供及时准确的技术支撑。

1.2 水联网自动化闸门控制系统

水联网自动化闸门控制系统集成水联网技术，植人作物需水规律与灌溉决策信息，匹配作物耗水过程，对田间作物生长环境因子连续监测，将数据信息处理后发送到数据接收器及云端服务器，系统根据田间土壤墒情及期望阈值发出智能指令，控制閘门的启闭和开度，完成灌溉作业。

系统主要组成设备包括：作物环境智能采集系统、协调器、信号交换器、信号接收器、防火墙、云端服务器、超声波水位仪、测灌联控一体化闸门、监控设备、信号塔、LED显示屏、PC/手机控制终端等。测灌联控一体化闸门是该自动化灌溉系统的核心，对上下游水位、闸门开度进行实时监测，并通过云端服务器发送指令控制闸门，实现智能灌溉的远程控制，无需人工操作。通过云端服务器还能够实时查看土壤墒情、水位、流量、灌溉时段、闸门开度和运行实况等信息，用水户可对自己的用水计量、水费征缴、农业水价等信息进行实时查询，推动透明化、阳光化灌区水务建设。

灌区水联网智能灌溉系统设备运行示意见图2。

1.3 灌区灌溉效果监测评估系统

灌区灌溉效果监测评估系统的主要功能包括灌区各级渠道水情采集监测、渠系建筑物运行监测、配套工程利用率测算、灌溉水量计量、灌溉水利用系数测算、水费计量收缴、作物水分生产函数运算、灌区地下水位监测、盐碱度监测、灌溉退水水质监测、洪涝和干旱预警、超定额灌溉预警、用水总量控制以及灌溉成本一效益评估等，从而提升最严格水资源管理的能力，为节水型灌区评估提供相关数据。该系统可供灌区用水户和管理单位注册后直接使用，通过对灌溉经济效益指标、生态环境指标、灌区管理指标和灌区工程运行指标进行综合分析评估，可为用水户推荐最优的种植模式和灌溉制度，也可为灌区管理单位的决策提供相关参考。灌区灌溉效果监测评估系统的功能见图3。

2 水权交易自动化管理技术

水权交易自动化管理技术将需水、订购、供水、配水和水权交易连接起来，初步建成水联网及智慧水利框架下的市场水网，促进水效能的提升[1]。该系统主要包括灌区水资源使用权确权登记系统和水权交易互联网技术平台。

2.1 灌区水资源使用权确权登记系统

水资源使用权确权是进行水权交易的前提条件。水资源使用权确权登记系统主要实现水权的登记和水权使用权流转的登记功能，对用户水权信息进行登记、查询、添加、变更和删除。依据水联网调度云端服务器提供的灌区基础数据、灌區监测数据和灌区水权水量，开展水资源使用权分配登记，建立网上水资源使用权登记台账，并为用水户颁发水资源使用权确权登记证（水权证），载明用户初始水权用途、期限、使用量、结余量、交易量、农田种植结构、种植面积、灌溉方式等信息。借助水联网调度云端服务器，植人水资源使用权确权登记系统和水权交易数据，利用水联网精准灌溉技术和云平台分析灌区农业节水潜力，认定可交易水权水量，自动核减用水户的水权水量，以达到灌区水资源管理的精确调度和准确计量，确保交易水量的市场准人。灌区水资源使用权确权登记系统的综合功能见图4。

2.2 水权交易互联网技术平台

水权交易互联网技术平台为水权交易双方提供闲置水权或节余水权交易信息挂牌公布、水权交易标的查询、水权交易申请、水权交易规则和政策咨询。水权交易主体可以利用手机下载水权交易互联网技术平台客户端，实现在移动终端查看相关信息;水管部门可以登录系统进行水权交易网上三级（乡镇水资源办公室、灌区管理处、灌区管理站）审批和准人、水权交易数据统计分析、水权交易监督跟踪、水权交割变更登记等业务。在乡镇水资源办公室设置专人负责水权交易合同的审核与检查，最后生成一份唯一的数字档案，准确记录水权交易过程以及合同期各方的权利义务，为规范水权交易提供有效保证，同时也为水事纠纷处理提供依据。水权交易互联网技术平台操作规程见图5。

3 讨论

（1）水权分配、水权交易等水资源精细化管理机制的出现，改变了传统水资源管理方式。水权制度从源头和过程“倒逼”农业节水，促进水资源向高效益、低消耗的产业流转。灌区通过土地流转形成规模化设施农业、经果林农业生产以及通过建设工业园区招商引资等成为农业生产集约化的新趋势，其新增水量指标必须通过与农民用水协会或农民用水户之间的水权交易获得，基于水联网的水权交易自动化管理技术成为迫切需要。笔者提出的灌区水资源使用权确权登记系统和水权交易互联网技术平台，具有一定的创新性和实用性，可为解决该问题提供技术支撑。

（2）我国自流灌区大多沿袭了传统的地面灌溉方式，渠道标准化程度低，灌溉定额高，水资源浪费严重。随着小畦灌溉、微喷灌、滴灌等高效节水灌溉技术的推广，植人水联网智能灌溉技术，农业节水效果将十分显著，田间净灌溉定额可大大降低，为开展农业节水向工业企业流转、灌区用水户间水权交易提供了可能。因此，本文提出的水联网智能灌溉技术是实现水权交易的技术保障。

（3）本文提出的灌区智能管理技术体系集成了作物环境信息采集、水联网调度云服务、远程自动化控制和水权交易自动化管理技术，是“互联网+农业”的创新发展。该技术利用智能设备自动采集水文气象、作物长势、土壤墒情等信息，将实时监测、快速传输、需水预报、订单供水、精准配水、高效管理和水权交易连接起来，并且利用测灌联控一体化闸门的智能控制实现精量灌溉，从而促进灌区水管理实现自动化、规范化和科学化，提高水资源的利用效能。

4 结语

笔者在现有的技术基础上，对水联网智能灌溉与水权交易技术的集成应用做了一定创新与设计，提出的智能化灌区管理技术体系主要适用于水资源短缺、用水矛盾突出的内陆自流灌区。在最严格水资源管理制度“倒逼”下，在内陆干旱区建成一批高起点、高标准、高水平的现代化农田水利示范区，促进节水，并将节约的用水指标流转市场，利用市场经济的杠杆作用提高灌区水资源的利用效能，实现取用水管理的智能化、规范化和科学化，可大大节省灌区管理的人力、物力和财力。在控制灌区水资源总量的同时盘活存量，不仅能保证灌区粮食安全、生态健康，而且能保证水权交易配套工程和设施的节水效益，为水权交易工作的跟踪评估和灌区水资源统一调度提供相关数据支撑和技术决策支撑。

该项技术具有广阔的推广前景和应用潜力，但其集成应用效果和技术对接问题需要通过实践来检验和改进。

参考文献：

[1]左其亭.中国水利发展阶段及未来“水利4.0”战略构想[J].水电能源科学，2015，33（4）：1-5.

[2]王忠静，王光谦，王建华，等.基于水联网及智慧水利提高水资源效能[J].水利水电技术，2013，44（1）：1-6.

[3]杨得瑞，李晶，王晓娟，等.我国水权之路如何走[J].水利发展研究，2011，14（1）：10-17.

[4]黄建水，胡玉娇，乔钮.黄河水权与水市场建设研究[J].人民黄河，2013，35（7）：40-43.

[5]侯慧敏，王鹏全，张永明，等.石羊河流域水权交易试点实践方案[J].节水灌溉，2016（4）：86-89.

[6]倪建军，汤敏，詹万林，等.水联网与水利信息化理论探讨及应用实践[J].水利信息化，2016（4）：32-35.

[7]金永奎，李强，袁圆.高效节水灌溉自动监控及信息化系统设计与应用[J].中国农村水利水电，2017（1）：18-22.