新型农田水利工程灌溉智能系统的应用

陈南山

（安徽省淠史杭灌区管理总局设计院，安徽 六安 230088）

在农业用水中，最突出的矛盾是农业用水浪费严重和水资源短缺。对此，必须发展和应用科学合理的节水灌溉技术。传统灌溉方式往往根据以往经验来确定灌溉水量，易导致水资源浪费或无效灌溉等情况，不利于实现精准且高效的灌溉。现阶段，节水智能灌溉技术的应用，实际是指参考土壤吸力等各种参数，根据农作物不同的生长要求，综合考虑当地的地理环境，通过应用智能仪器控制灌溉装置，从而实现高效灌溉。

1 新型灌溉技术概述

新型灌溉技术是建立在先进的节水技术和农业理论基础上所形成的一种灌溉方式，是我国农业经过理念发展所形成的一种高水平的产物。通过应用各种新型的灌溉技术，可以利用最少的水资源，获得最大的农作物产出。调查显示，在西方发达国家中，农业用水占国家用水总量的50%，而我国的农业用水占比明显高出该值。目前我国人均水资源占有量较少，水资源的应用存在着地域分布不平衡的问题，正因如此，新型灌溉技术的推广和应用十分有必要。近年来，随着国内生活和生产用水需求量的增加，农业用水相关主体机构必须加大对新型灌溉技术的推广和应用力度，提高农业用水的灌溉效率及灌溉保证率，进而促进我国农业和谐可持续发展的同时，高效节约水资源。概言之，节水智能灌溉技术的应用可真正地实现用最小的水获得最高的农作物产出，提高农田的经济效益和生态效益，同时还能够大幅度地缓解国内农业用水短缺的问题。

2 新型农田水利工程灌溉智能系统总体设计

（1）通过应用多深度土壤水分传感器对多个监测点进行连续监测，针对同一个地点，对不同深度的土壤进行监测，获取农作物根系附近的土壤墒情数据，为智能灌溉提供科学的灌溉决策。

（2）通过实时监测获得土壤连续的变化曲线、土壤含水率、土壤温度、地表温度等数据，结合气象卫星数据以农作物需水规律，进行数学模型分析，科学地预测未来的降雨量与作物需水量等信息，为灌溉的开始及持续时间、灌溉周期及每次灌溉量的决定提供正确的依据。

（3）灌溉系统还可以对电磁阀开光的运行状态、阀门开度、水泵等运行状态进行实时性的监测，为灌溉目标的执行提供依据。同时，备份的数据还可为以后区域的灌溉定额修正提供科学的指导。

3 新型农田水利工程灌溉智能系统结构及应用

3.1 田间信息监测单元

田间信息监测单元的主要作用是对以下参数进行监测：土壤墒情、土壤温度、灌溉流量和地表蒸发量。其中，通过采集土壤含水率可以正确地判断农田是否处于缺水的状态，而通过监测土壤蒸发量和降雨量可以判断农田灌溉需水量。具体来说，有以下三点。

（1）田间信息采集。通过传感器采集土壤墒情、降雨量、温度、流量等信息，并上传至数据中心备份及存储。

（2）通信组网。该系统需采集的数据全部为文本数据，所占带宽小，传输速率要求低。故可应用ZigBee实现传感器与控制器间的组网，而应用GPRS/CDMA无线网络可实现控制器与远程决策监控平台间的组网。ZigBee无线网络具有低功耗、距离短和成本低等一系列优势，适用于监控点较为密集布线难度较大的场合；而GPRS/CDMA网络的应用往往不会受到距离的限制，通信程度更加可靠，且可以让底层的ZigBee网络与Internet网络更加安全地连接[1]。

（3）供电系统。因田间区域不能设置线缆，再加上ZigBee无线模块和田间传感器的运行功耗情况较低，所以可以应用高性能铿电池供电，而对于气象监测站、控制器以及GPRS/CDMA无线模块则需要采用太阳能板供电，电磁流量计与水泵共用电源。

3.2 控制灌溉单元

灌溉控制单元主要由电磁阀控制阀门开关以及水泵构成，系统主要通过无线方式实现阀门、水泵开闭。通过水泵控制器和电磁阀来控制控制阀门开启度与水泵的转速，扬程及流量。在智能灌溉决策系统中，通过GPRS/CDMA将执行命令发送到田间控制器，控制器识别命令的后传输给水泵控制器、电磁阀，实现对上述各种设备的控制，从而真正完成灌溉的全自动控制[2]。

为了避免系统出现故障或者问题，灌溉的过程中，现场控制器通过对阀门的开度状态、水泵以及电磁阀门的开闭状态进行实时性的监测，然后将监测到的结果反馈到灌溉决策平台，真正实现闭环反馈和科学决策。

3.3 智能决策监控平台单元

中心软件平台的建设依赖于前端基础系统的设计，但又保持着相对的兼容性和扩展性。随着技术的发展，前端采集和测量的技术、设备会更新变化，但获取数据的需求没有变，利用这些数据辅助决策、解决问题的管理目标也没有变。中心软件平台主要解决三类问题：第一，作为基础信息数据库，为各类数据提供进入系统的接口，包括地图数据、前端水文传感数据、气象数据、舆情数据等，对数据进行整理、归档和存储利用，实现水利情报的汇集和电子化。第二，作为灌区日常业务的信息化办公平台和信息公示平台，提高灌区日常工作的效率，拉近和涉水群众的距离。第三，实现科学管理的目标，在系统夯实了数据基础并承载了业务流转功能之后，可以借助信息化手段为决策领导提供丰富的情报信息，如利用趋势分析、统计报表、危机预警、模拟演练等功能，辅助决策者实现科学管理。

（1）决策监控平台单元的构成。①渠道、库塘水位流量监测模块：在地图上显示多级渠道、库塘的分布图，并标注各量测水站点的位置，实时显示各量测点的流量、水位等信息，了解明渠输水状态。水位过高，设备故障等异常在地图上动态展现。②水工建筑工情监测模块：在地图上标注灌区所有水工建筑物如水闸、涵闸、河槽、泵站、大坝等建筑，可以在地图上按类型进行筛选，也可以按名称模糊查询。比如选中某渠道，可以查看渠道名称、长度、管理单位、设计流量、施工单位、灌溉面积等工程信息。如果水工建筑物上加装了传感设备，还可以实时显示传感数据，如闸坝的应力、渗流量、土压力、孔隙水压力等参数。③田间水位、土壤墒情监测模块：传感器回传田间水位、土壤墒情（土壤湿度）的数据，系统分析数据后能够全面、科学、真实地反映被监测区的土壤变化，可及时、准确地提供各监测点的土壤状况，为田间供水需求提供了重要的基础信息。④滴灌、喷灌、微灌系统监控模块：系统可获取灌区内大棚、经果林灌溉系统的监控数据，了解灌溉的进度、用水量、土壤墒情等信息。⑤闸门及电磁阀系统监控模块：实现灌区内所有闸门的集中管控，提高管理效率；使闸站远程自动运行控制及无人值守。⑥种植结构采集上报模块：建立灌区农田基础数据库，支持对种植结构、种植大户、养殖企业等基础信息进行上报，支持批量导入和更新。在动态地图上展现灌区耕地分布情况、各区域的种植结构，种植企业的基本情况，可以按季度、年度展现数据的变化情况

（2）决策支持系统。①报警及预警模块：综合信息预警监视主要实现对灌区渠道、（预留灌溉水井、滴灌系统）、闸门开启、取水计量、系统运行状态等各类实时信息的监视，提供各类实时数据的显示与动态更新，当出现故障或预警状况时，以声音、图像、短信、邮件、传真、终端推送等各种手段向相关工作人员发出预警信息。对预警信息分等级，并在系统内跟踪预警信息的状态，比如预警的信息已发生、未发生、处理结果，责任人等。②监视方式：监视信息包括取用水计量、渠道、水井、滴灌系统、闸门、系统运行情况等，以图、表等方式显示以上信息，实现监测信息动态刷新。③鼠标悬停显示：在地图上鼠标悬停在站点图标上时，可以查看监视数据详细信息，包括实时监视及过程数据信息。④交互式查询：在对象查询时，可以交互方式查询到与该对象相关联的各类对象信息，包括基础设施情况、地理信息、图像资料等。⑤界面地图展示：整体地图作为底图，包括行政、区域、道路、渠道、站点和地名等图层选择，在基础地图底图基础上叠加预警监视结果。⑥预警发布：当实时监视信息达到预警阈值时，以声音、图像、短信、邮件、传真、终端推送等各种手段向相关工作人员发送预警信息。⑦预警阈值设置：用户可以设定监视对象某一监测信息的阈值，当超过该阈值时系统自动实现预警发布。报警方式的选择可由用户设置，并可设置时间间隔刷新有关监视信息。⑧预警内容管理：用户可以根据需要，定义自己关注的重点测站以进行监视，报警信息的内容可编辑。⑨预警级别设置：预警可按不同内容设置级别，可用不同的颜色、声音、频次的发布方式显示出事件的紧急程度。⑩防汛抗旱决策支持：利用GIS系统对防汛抗旱工作进行推演，支持设立多种预案，如设立泄洪预案，人工降雨预案等。供水调度决策支持：提供灌区渠道内水运动的动态模拟仿真，演示在不同的调配水状态下，水系的流向、水位上涨过程及灌溉的范围。供水调度专家数据库：将供水系统在多种工况条件下的供水调度规律，闸门的开度方案、经验及正常运行所必需的基本条件和规则储存在专家数据库中。经计算系统优化的调度方案通过专家评估系统过滤后，生成新的调度方案。

4 结束语

综上所述，与传统的人工灌溉模式相比，智能灌溉系统具有省水、节能、省工等优点，可以在一定程度上解决灌溉过程中人为因素的不利影响，从而提高灌溉过程的科学性和合理性，真正实现水资源的高效利用和农田的增产丰收。对此，相关机构要充分发挥计算机的数据处理和分析能力，实时采集农作物生长等相关数据，分析灌溉系统的运行状态，以大数据调查结果作为依据，制定科学合理的灌溉计划，确保其可精准地执行灌溉指令。