智慧灌区建设中的关键技术应用

张 波 陈武奋 江显群

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510610)

灌区在我国农业发展过程中起着举足轻重的作用，是农业发展的重要保障。为了促进农业的可持续发展，避免水资源严重浪费，我国各地相继开展了灌区信息化建设工作，以此来提升灌区管理服务水平，降低运行成本，实现灌区水资源统一管理，优化水资源配置[1-6]。但当前的灌区信息化建设还仅停留在信息采集、传输及管理的层面，远远不能达到精准灌溉的目标。为此，许多专家学者进行了技术探索。2013年刘海燕等人研发的基于物联网与云计算的灌区信息管理系统，实现了物联网与云计算技术在灌区信息管理领域的无缝对接[7]。2018年田甜等人设计了测控一体化闸门控制系统，实现了灌区供水远程自动化控制[8]。2018年邵秋芳等人提出了将遥感技术应用在灌区信息化建设中，能够大范围监测土壤含水量及干旱分布范围[9]。2019年江显群等人研发的基于物联网的农业痕量灌溉系统，对农作物需水模型对农作物生长阶段进行了分析，获得了农作物最佳灌溉策略，实现了对农作物精准灌溉[10]。2019年倪士超设计了基于GIS技术的刘大灌区用水管理系统，能够实现用水数据实时采集、传输、汇总、分析，并制定了相应的用水管理计划[11]。

面对我国水资源匮乏日益加剧的现状，精准灌溉的需求越来越迫切，因此，智慧灌区的建设势在必行。智慧灌区建设就是要对灌区运行过程中的各个环节进行深度挖掘，实现对用水过程的全程监控，加强对水资源的管理、控制。

1 智慧灌区体系结构

智慧灌区信息化的体系结构如图1所示。整个体系结构分为感知层、传输层、应用层3层。感知层负责灌区水位、雨量、流量、墒情、温度、湿度等数据的采集工作。网络层主要负责传输感知层采集的数据信息，目前所采用的传输方式包括有线链路、无线链路、超短波传输等。应用层是整个体系结构的核心，负责对数据进行分析计算和数据挖掘，实现智慧预警，生成合理的输配水方案。

图1 智慧灌区信息化的体系结构

智慧灌区融合了当前先进的人工智能技术、物联网技术、云计算技术、测控一体化技术等，实现灌区输配水远程控制、水质水雨情实时测报、闸门远程启闭等多项功能，为灌区管理者提供方便、快捷的智能化服务，保障灌区工程安全运行，优化水资源配。

2 主要关键技术

2.1 遥感技术

当前测量灌区内土壤墒情的方式主要是通过安装在土壤中的墒情传感器，将采集到的数据通过网络传输到数据中心，用户通过信息化软件系统查阅土壤墒情。由于受到传感器安装密度、灌区内地形地貌、气候等因素影响，该种方式不能全方位、真实地了解灌区内土壤墒情。仅仅依靠信息化系统提供的“简单”的墒情数据，无法对灌区内的农作物进行精准灌溉。漫灌的方式不仅造成水资源浪费，还可能影响农作物的生长。

遥感技术具有较大的观察范围，可对整个灌区内的各项基本信息进行全方位了解。因遥感技术具有较强的实时性，能够实时了解灌区内作物的种植结构、农作物长势以及干旱分布范围，将遥感影像通过数据服务的形式提供到灌区信息化系统中，灌区管理人员可通过信息化系统中提供的GIS功能，全方位了解灌区的运行状况。通过监测灌区内干旱分布范围，参照不同作物在不同生长期的需水量，进行合理的水资源配置，既有利于农作物生长，也达到了精准灌溉的目的。

2.2 物联网及云计算技术

当前已完成建设的灌区信息化系统，由不同的承建单位完成。每个承建单位在构建业务系统的过程中，使用各自的技术框架，且各个灌区承建单位在进行数据库系统设计时，由于数据分类、定义、规范、结构不统一等问题，导致数据共享能力较低，造成了“信息孤岛”。若灌区信息化系统的原建设单位不再对已建立的信息化系统进行维护，承接运维的单位往往采取“推倒重建”的粗暴方式对原有的信息化系统进行重构。因此，在灌区长期的运维工作中必定存在大量的重复建设工作，严重影响灌区管理工作的正常开展，限制了灌区可持续发展。

物联网及云计算技术应用于灌区信息化中可解决以上问题。首先，通过物联网技术，对灌区内的设施、设备进行全面感知，对灌区内的水位、雨量、流量、温度、湿度、蒸发量等数据进行实时采集，通过有线网络(无线网路)将数据传输至云计算平台。通过在云计算平台建立标准、统一的数据库管理系统，接收来自不同灌区采集的数据，方便了数据交换及共享。由于云计算平台接入灵活、安全、可用性高，且能够提供动态池，可以高效提供信息服务。

云计算平台提供便利的数据交换及资源共享服务，灌区信息化系统承建单位，可根据需求从云平台获取数据，服务用于业务系统的开发及维护，从而降低系统的开发难度，节约开发时间，为灌区的可持续发展提供技术支持。

2.3 测控一体化技术

我国大部分灌区的闸门控制仍然依靠人工操作,落后的管理手段，导致灌区运行效率较低。当旱情来临需要对农田灌溉时，灌区管理单位需要通知各个水闸的管理人员进行闸门启闭工作，由于缺少水量计量设施，用水户往往根据生产经验判定用水量，灌溉方式仍然采用传统的漫灌形式，不仅导致水资源严重浪费，容易诱发灌区内土壤板结及虫害，而且增加了灌区管理单位的工作量。

依照“无人值守、少人值守、统一调度”的原则，研发测控一体化闸门技术并应用于灌区管理中，通过多级闸门联合调度机制对灌区内的用水量进行合理调度。该项技术集成了闸门控制技术、水量计量及视频监控等功能。闸门控制技术可以根据需求，远程对闸门进行启闭操作，具有较强的实时性，视频监控功能可以更加直观、便捷地辅助闸门启闭操作，同时还能精确地控制闸门的开启高度，极大地节约了人力资源。水量计量则可精确控制过闸水量，达到节水灌溉的目的。

3 智慧灌区应用案例分析

3.1 锦江灌区信息化建设现状

锦江灌区位于江门市辖区的恩平市大田镇境内，设计灌溉面积为20.20万亩，是恩平市境内最大的灌溉工程。锦江灌区灌溉水源主要来自锦江，结合渠道沿线各小水库、小山塘，组成一个“长藤结瓜”式灌溉工程。锦江灌区以锦江河为界分为两部分，锦江河右岸为江南灌区，锦江河左岸为江北灌区。

锦江灌区于2019年完成了智慧灌区建设，该项目前期建立了37个遥测站点，后期进行了补充完善，新增了8个遥测站点，目前灌区内共有45个遥测站点。本次项目建设包括硬件设施、软件系统两个部分。

a.硬件设施：包括锦江灌区45个遥测站点硬件设施，通过物联网技术对安装的遥测站点全面感知，对锦江灌区内的水位、雨量、墒情、温度、湿度图像、视频等信息进行采集，并通过有线传输和无线传输方式将数据传输到部署在云平台的数据库系统中，实现数据标准化存储及管理。

b.软件系统：根据灌区管理单位的需求，开发了锦江灌区管理信息系统。通过该软件系统，灌区管理单位工作人员，可以查看灌区渠系分布、遥测站点安装位置及各项监测要素实时信息，系统还可根据渠系闸群的实测水位、流量及供水计划，自动生成调度方案。

3.2 锦江灌区信息化系统结构

锦江灌区信息化系统结构如图2所示。该系统结构分为感知层、数据支撑层、应用支撑层、综合应用层、应用交互层5个层面。

图2 锦江灌区信息化系统结构

3.3 遥感技术在锦江灌区中的应用

遥感技术具有实时性强、观察范围广的特点，锦江灌区将遥感技术应用在灌区信息化中，可实时、全面地观察灌区内干旱分布范围情况。遥感影像以服务的形式接入到系统中，系统将影像以图层的形式加载到GIS功能模块呈现给用户，如图3所示。将遥感影像与灌区内安装的各类智能感知设备采集的实时数据相结合，为灌区内的水资源配置提供科学的依据。

3.4 物联网及云计算技术在锦江灌区中的应用

在灌区信息化建设中，由于缺乏统一规划建设及管理，导致业务系统之间数据共享能力低，人为地制造了“信息孤岛”。为了解决这一问题，将物联网及云计算技术应用到锦江灌区信息化建设中，其体系分为结构感知层、传输层、应用层，如图4所示。感知层实现灌区内所有遥测站点全面物联，传输层负责将遥测站点采集到的水位、雨量、墒情、图像等信息通过无线网络传输至云计算平台，进行统一管理，为灌区的信息化建设提供数据支撑。部署在云计算平台的锦江灌区管理信息系统，负责对所有遥测站点采集的信息进行分析、处理，生成调度方案，并通过物联网下发指令，实现灌区输配水远程控制，为灌区内水资源合理利用提供科学的依据。

图4 锦江灌区管理信息系统体系结构

3.5 测控一体化技术在锦江灌区中的应用

为了提高灌区的运行效率，测控一体化技术在锦江灌区中得到了应用，如图5所示。该项技术依照“无人值守、少人值守、统一调度”的原则进行设计。系统可根据渠系闸群的实测水位、流量及供水计划，自动生成不同运行工况下的节制闸、分水闸的运行调度方案。利用智能感知技术、智能控制技术，实现闸门的远程控制。用户通过系统下发指令，即可远程对闸门进行启闭操作。由于系统可实时监测闸门开度、上下游水位及工况，因此可对过闸水量精确控制，实现了水资源的科学调度、合理分配。

图5 测控一体化技术在锦江灌区中的应用

4 结 语

灌区信息化是灌区持续发展的基础，也是我国农业可持续发展的根本保障。在“以水定需、量水而行、因水制宜”的方针指导下，建设智慧灌区是灌区可持续发展的必然趋势。智慧灌区的建设,不仅可以对灌区内各类感知设备进行全面感知、统一管理，而且借助于云计算平台高性能、可扩展的计算资源及存储能力，可对灌区内各类感知设备采集的数据资源统一管理，并根据不同的业务部门需求提供数据共享，避免“信息孤岛”，通过对各类数据进行深度挖掘，可得出科学合理调度方案，实现灌区内水资源科学调度、合理利用，进而提升灌区管理水平。未来可将人工智能技术应用到灌区管理中，通过对不同作物建设需水模型，实现灌区用水精细化管理，进一步推动灌区可持续发展。