智慧灌区智能节水灌溉系统设计与应用

谭剑波，宋 亮，王立青

（1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西北水利水电建筑勘察设计院，陕西 杨凌 712100）

0 引言

智慧灌区智能节水灌溉系统建设是集成计算机技术、传感器技术、网络自动化技术等技术为一体，推动农业现代化发展的重要举措，其不仅可以提高水资源综合利用效率，提升粮食和重要农产品用水供给保障能力，同时按作物需水精准化、实时化自动灌溉，降低了传统人工灌溉的劳动强度，有效推进农业科技化进程[1-2]。渭南抽洛灌区位于陕西省关中东部，以洛河为灌溉水源，设计抽水流量为7.18m3/s，设计灌溉面积23万亩，受益人口21万人。为进一步提高灌区节水灌溉和运营管理水平，按照“科学合理、技术可行、实用经济”等原则，实施灌区灌溉智能自动化系统升级改造，建设智慧管理信息管理平台，对灌溉设备和水资源进行自动化、精细化配水和优化调度，促进灌区可持续稳定发展。

1 灌区信息化现状

渭南抽洛灌区为大型灌区，工程体系庞杂且分散，建设下寨、韩河、龙阳、石羊四个抽水灌溉系统，共17座泵站，安装水泵机组70台套，总装机功率1.28万kW，主要由水源、泵站、灌区渠系等系统组成。灌区灌溉覆盖面广，且所处的渭北黄土高原水资源有限。因此，无论是泵站全面安全监控，还是灌区综合协调灌溉水高效利用，建设集数据采集、信息传输和综合调度等功能为一体的信息化管理系统是目前灌区信息化管理迫切需解决的关键内容。但由于缺乏统一规划，抽洛灌区信息化系统现存监测点分散、应用基础薄弱和智慧化程度偏低等问题。

1.1 监测点分散

“十二五”“十三五”期间，陕西大型灌区改造以应用业务需求为导向，以具体工程项目功能需求带动信息化系统建设为抓手，在灌区布置了集水情、工情、土壤墒情、农业虫情等功能为一体的各类信息采集监测点，用以支撑灌区高效灌溉管理业务需求。但由于缺乏统一规划，各系统建设采购的软件系统，存在监测点分散、系统兼容性差、调度分配不协调等问题，信息孤岛、信息数据利用低、预警预报机制不完善等，严重制约灌区信息化业务工作的高效开展。

1.2 应用基础薄弱

由于灌区水源、泵站、渠道和用水终端等各级业务部门其在实际工作中侧重点不同，其建设的应用子系统功能存在单一、系统性差、兼容性低和信息共享机制缺失等问题，存在部分系统重复冗余建设或某些功能系统缺失等问题[3]。各业务子系统相互独立，信息开发利用层次偏低、综合成本高且维护难度较大，未能形成统筹、系统、全面的高水平、高兼容性和易维护的基础应用服务信息资源系统。

1.3 智慧化程度偏低

由于抽洛灌区灌溉面积广，而水资源又存在流动性和分散性等问题，其信息采集、远程传输和综合集成等难度均较大。目前，灌区已建成的信息化管理系统主要以泵站、灌溉干渠为分散独立单元进行系统建设，很多功能子系统仍处于初步建设阶段。信息采集终端大多配置为实测单元，不能满足智慧管理模拟推演搭建基础数据需求。另外，《“十三五”期间智慧水务信息化建设》中对灌区解放生产力、信息预测预报、辅助功能决策等方面均提出了更高的要求，急需在灌区现有信息化系统的基础上，依托大数据、云计算、人工智能等新技术对灌区信息化系统进行全面升级改造，以实现灌区智能化、精细化节水灌溉[4]。

2 智慧灌区关键内容

抽洛灌区节水灌溉调度运行所需的支撑信息类型多且涉及范围较广，主要包括水雨情、水质、土壤墒情、泵站运行状况、配水调度、防汛调度、工程建设与管理等方面内容，除了涉及到灌区各管理部门间的联系外，还涉及到水文、气象等政府相关管理单位，相应其数据信息存在时空间隔、多样化、服务目标单一化等特征[5]。要实现灌区智慧化、智能化和精细化节水灌溉，就需要跳出常规数值化和信息化层面，从整个灌区高效节水灌溉出发，高度融合现有的网络信息、大数据、云平台等先进技术，强化物联网建设、深挖大数据资源，探索灌区的数智化转型，建成集数字化感知、网络化远程传输、大数据处理和智能化应用等功能为一体的集成智能自动化信息管理平台。

（1）全面感知

全要素数字感知是灌区智慧管理的基础，通过对重点对象的全方位、全对象、全指标的动态监测，为灌区节水灌溉提供详实、精细化的数据支撑。根据节水灌区信息化要求，主要采集的终端数据有土壤墒情、地下水、地表水、气象（雨情预测预报）、渠道流量、水质及泥沙含量、金属闸门运行工况等基础数据。全面感知在系统设计时，要充分运用灌区现有的监测仪器和监测终端，充分发挥现有资源的再利用价值。根据需要整合物联网、无线GPRS、视频监控和神经网络预测等新技术的应用，充分挖掘土壤墒情、流量/水位监测、气象（水情、旱情、虫情）等灌区主要特征数据中的有用价值，实时动态感知基础环境特征数据信息，经运算分析形成对应的调控策略，提高灌区管理效率和质量。

（2）系统互联

大量终端数据采集后，如何将数据可靠传输到数据分析中心，就成为灌区节水灌溉智慧管理的通讯网络互联关键。要充分利用灌区已建成的光纤、RS485、RS232等传统有线通信，结合移动互联网、GPRS无线通信、物联网等通讯新技术，构建全面融合的“四网”（局域网、广域网、卫星网和移动网）的动态数据传输通道，支撑灌区重点监测对象的数据、图形和视频等信息的实时传输。考虑到灌区节水灌溉监测对象和信息采集系统的多样性和复杂性，在更新改造过程中要充分整合现有管理平台的数据信息，全面收集工程基础数据（如：气象、地质水文、设计和施工建设等）、调度运行数据、实时监测数据和检修维护等多源数据，结合“四网”技术，合理开发灌区节水灌溉的基础信息平台、气象信息平台、虫情墒情平台、预测预警平台和智能预测预报平台等多源信息全景平台。同时，结合模拟仿真技术，充分挖掘数据信息，实现重点监测部位、水位、流量、墒情等信息的动态可视化三维仿真展示。

（3）智能应用

灌区智慧管理的最终目标就是实现智能应用。在整合灌区现有自动控制系统的基础上，结合云网络、大数据和人工智能等先进技术，根据灌区节水灌溉需求，按照人性化、便捷化和个性化要求，合理组建灌区节水灌溉业务管理系统。充分利用大数据的汇集与存储技术、接口与服务协议技术等，有效解决灌区现有系统平台间的协同与信息交互共享问题，实现智能一体化管理和调度[6]。针对灌区各级调控和服务对象需求，综合集成与共享海量数据，实现灌区各级管理单位应用系统的集成统一，形成灌区节水灌溉的智能化、自动化和网络化的智慧管理。

3 智慧灌区信息管理系统结构及功能

3.1 智慧灌区信息管理系统结构

在水利部《智慧水利总体方案（监测整体解决方案）》的总体框架下，分析研究抽洛灌区灌溉现状及业务需求，以推进用水户、基层站、直属站、灌区管理单位和各级行业管理机构间的融合，基于“一测、一控、一平台”建立数据共享、业务兼容的多元化业务信息管理系统，以实现“数据资源交互共享、应用业务协同”为目标的智慧灌区信息自动化管理系统，其逻辑组成框图如图1所示。

图1 智慧灌区信息管理系统拓扑结构

3.2 智慧灌区信息管理系统功能

（1）数据采集

“一测”是指智慧灌区节水灌溉全程数据信息的统一采集，主要包括灌区基础资料、水资源监测（地下水，地表水）、降雨量监测、气象监测、渠道水位（流量）监测、土壤墒情（虫情）监测等，同时还包括统一采集监视点、监控点的视频、图片、运行工况等可视化信息。信息源根据灌区总平面布置，分设在水源、加压泵站、干（支）渠、闸门、泵站管理站和灌区调度中心等监测点和业务相关单位。智慧灌区信息自动化管理平台基于物联网、GPRS无线网、通讯网等接收来自各监测点传感器采集的信号数据，并通过统一数据信息转换建立统一数据库供不同子系统共享和资源利用。

（2)智能控制

“一控”是指智慧灌区节水灌溉全程能实现“现地控制+远程集控”相结合的统一调控。管理系统配备有现地手动操作、中控室集控和管理中心遥控三种控制方式，三种控制方式可独立运行也可以同时运行。管理人员在现地、中控室和管理中心通过计算机发出对应的控制命令，由物联网、GPRS无线网、通讯网等下传控制命令到现地设备，实现对进水闸、水泵机组、开关设备、监控视频等设备进行集中控制。同时，信息自动化平台结合田间需水要求，控制开启与作物需水量相匹配的机组台数、闸门开度等运行条件，确保灌区灌溉全程具备保持在“供需基本平衡”的良好运行局面。

（3）智能灌溉一体化平台

“一平台”是指智慧灌区建设实现智能节水灌溉统一平台管理。基于win10操作系统在WEB开发平台开发智能灌溉控制软件及平台，可以实现用水户、基层站、直属站、灌区管理单位和各级行业管理机构间的应用业务的统一。信息自动化管理平台集成了水雨情动态监测系统、量测水管理系统、配水调度系统、水费计收管理系统等功能子系统，通过各系统数据信息的整合和运行分析，最终实现根据作物用水量需求的按需节水灌溉。可视化界面实时显示当前土壤参数（温度、湿度）、气象（风速、雨量、光照）以及灌溉状态。采用各种内置模式控制灌溉设备，实现定量自动灌溉并自动保存灌溉记录；在系统软件中可以进行灌溉参数设置及对灌溉情况进行统计，并在计算机上存储、显示。信息化平台可以通过手机、PAD、计算机等信息终端向管理者推送实时监测信息、报警信息，实现田间作物的信息化、智能化远程管理。智能节水灌溉可视化主界面，如图2所示。

图2 智能节水灌溉可视化主界面

系统采集土壤（温度，湿度）参数、气象（风速，雨量，光照）等信息，便于技术人员及时掌握农作物生长环境信息，并根据作物灌溉制度形成对应的灌溉调控策略，确保按作物生长需求实时精准灌溉。通过水位和视频监控模块，能实时监测灌溉系统水源状况，及时发布缺水、爆管、漏水、低压运行等预警信息，便于技术人员及时查看及维修。另外，用户可以通过云平台、APP等移动平台，无论身在何处均可通过4G（5G）网络查看实时数据并可远控，遇到状况及时处理，确保作物高效生长。

4 智能节水灌溉系统应用实施

2020年，渭南抽洛智慧灌区智能节水灌溉系统建成后，管理人员在集控室即可掌握从田间4GDTU上传回管理中心的土壤墒情、虫情、气象、渠道闸门、加压水泵、灌溉流量、水位等特征数据，经系统内部神经网络智能预测系统形成的对应调控策略，便于管理人员结合历史灌溉数据，根据作物生长环境信息、作物生长状况、灌溉制度等制定相关的节水灌溉方案，实现智能节水灌溉。智能节水灌溉系统实施后，近2年运行统计数据分析可知，单次灌水节水率可达15%—20%。亩次灌水按50m3估算，万亩每年灌溉可节水7.5—10万m3，按灌溉用电电费0.3元/m3算，节水经济效益约2.25—3万元，农民纯收入总额增加约2.46—3.28万元/年。同时，通过实施精准化智能节水灌溉后，灌区将大幅度缓解水资源的供需紧张局势，减少新增水资源量的供给，增强了水资源保障灌区经济建设与发展的能力。

5 结束语

利用信息网络技术实现灌区灌溉运行中信息数据的有效采集、传输与处理，推动了灌区现代节水农业的升级。设计集成计算机技术、自动化控制技术、4G（5G）网络通信、视频监控技术等为一体的智能节水灌溉系统，通过采集环境中的温度、湿度、风速、雨量、光照等环境参数，结合作物灌溉制度自动分析形成对应智能节水灌溉策略，实现农业灌溉水资源的精细化、精准化和精益化管理。在以后智慧灌区系统优化设计中，还需严格遵循“水利工程补短板、水利行业强监管”的总基调，进一步拓展信息化管理平台的广度和深度，推动乡村振兴现代农业建设和精准节水灌溉高质量发展。□