唐徠渠支渠灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)應(yīng)用研究

楊 志，吳曉峰，溫江麗，聶銘君，郭文忠，楊 偉

（1.寧夏唐徠渠管理處，750001，銀川；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，100097，北京）

唐徠渠支渠灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)應(yīng)用研究

楊 志1，吳曉峰1，溫江麗2，聶銘君2，郭文忠2，楊 偉1

（1.寧夏唐徠渠管理處，750001，銀川；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，100097，北京）

灌區(qū)；專(zhuān)家決策系統(tǒng)；寧夏；唐徠渠

唐徠渠灌區(qū)位于寧夏青銅峽灌區(qū)腹地，東西寬5~30 km，南北長(zhǎng)約160 km，灌區(qū)可控制面積約300萬(wàn)畝（15畝=1 hm2，下同），其中灌溉面積120萬(wàn)畝?？筛采w青銅峽市，銀川市的永寧縣、興慶區(qū)、金風(fēng)區(qū)、西夏區(qū)、賀蘭縣，石嘴山市的平羅縣、大武口區(qū)、惠農(nóng)縣等9個(gè)縣區(qū)，西湖農(nóng)場(chǎng)、南梁農(nóng)場(chǎng)、暖泉農(nóng)場(chǎng)等6大農(nóng)場(chǎng)。灌區(qū)農(nóng)作物種植以小麥、水稻、玉米等為主，是全國(guó)重要的商品糧基地之一，素有“塞上乳管”之稱(chēng)。唐徠渠最大引水流量127 m3/s，由于唐徠渠灌區(qū)屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，多年平均年降水量 205.2 mm，年蒸發(fā)量 1 626 mm，干旱少雨，地下水水位高，鹽堿化嚴(yán)重，可以說(shuō)無(wú)灌溉就無(wú)農(nóng)業(yè)。

灌區(qū)對(duì)今后一個(gè)時(shí)期黃河缺水的嚴(yán)峻形勢(shì)和抗旱節(jié)水的艱巨性、長(zhǎng)期性認(rèn)識(shí)不足，灌區(qū)用水管理方法滯后，農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費(fèi)嚴(yán)重，灌溉水利用率僅40%左右。其中管理水平低下是一個(gè)主要原因。實(shí)踐證明，灌溉節(jié)水50%的潛力在管理。為有效緩解干渠來(lái)水不足及水資源供需矛盾，建立了唐徠渠支渠灌溉決策專(zhuān)家系統(tǒng)，減少了灌溉管理中的盲目性，為灌區(qū)優(yōu)化調(diào)度灌溉用水提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)提高灌區(qū)科學(xué)用水、節(jié)約用水具有十分重要的意義。

一、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目標(biāo)

項(xiàng)目以唐徠渠支渠——王家三戶(hù)渠灌域農(nóng)田灌溉為例，通過(guò)研究應(yīng)用農(nóng)田水利智能管理系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)管理技術(shù)手段，通過(guò)實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)估算土壤實(shí)時(shí)含水率，構(gòu)建不同作物參照騰發(fā)量的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。根據(jù)土壤水分平衡，即作物根系層一定深度內(nèi)得到的水分和損失水分之間的平衡關(guān)系，制定灌溉制度。根據(jù)這個(gè)原理建立農(nóng)田水量平衡模型，在估算土壤水分儲(chǔ)量、制定農(nóng)田灌溉計(jì)劃、預(yù)報(bào)作物產(chǎn)量以及區(qū)域水資源評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，構(gòu)建土壤墑情預(yù)測(cè)模型、渠系蒸發(fā)滲漏模型和灌溉預(yù)測(cè)模型，建立王家三戶(hù)渠農(nóng)田灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字唐徠農(nóng)田灌溉智能管控系統(tǒng)奠定良好的基礎(chǔ)。

二、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目要求和灌區(qū)調(diào)研結(jié)果及系統(tǒng)需求分析，開(kāi)發(fā)良好的人機(jī)用戶(hù)界面、基本視圖操作功能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，對(duì)灌區(qū)內(nèi)不同作物實(shí)現(xiàn)智能灌溉決策和閘門(mén)自動(dòng)化控制是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的最終目的。因此，整個(gè)系統(tǒng)從功能上可分為系統(tǒng)流程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、灌溉決策、渠道水量分析和閘門(mén)遠(yuǎn)程控制5個(gè)模塊。

1.系統(tǒng)流程模塊

模塊的主要功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)按流程進(jìn)行介紹，包括設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的具體參數(shù)、專(zhuān)家決策的實(shí)現(xiàn)原理、決策結(jié)果、供水分析和智能實(shí)施等基本資料介紹。

2.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊用地圖方式展示了唐徠渠之王家三戶(hù)支渠灌區(qū)的主要概況、影像圖、設(shè)備圖分布等情況。影像圖主要包括作物種植分布示意圖、衛(wèi)星影像圖。設(shè)備圖主要包括閥門(mén)、攝像頭、氣象站和墑情監(jiān)測(cè)站。界面展示了氣象站監(jiān)測(cè)的濕度、風(fēng)力、降雨、蒸發(fā)量等情況，為計(jì)算作物需水量和灌溉預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)。墑情監(jiān)測(cè)站展示了不同土層 （20 cm、40 cm和60 cm）實(shí)時(shí)的土壤含水率，為土壤分層水量平衡計(jì)算和灌溉預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)服務(wù)。

3.灌溉決策模塊

灌溉決策模塊分為智能灌溉簡(jiǎn)介、當(dāng)前灌溉計(jì)劃、歷史灌溉計(jì)劃、模型參數(shù)4個(gè)部分。灌溉決策是系統(tǒng)的核心功能，是精細(xì)田間灌溉計(jì)劃和管理的智能化系統(tǒng)，考慮了SPAC系統(tǒng)中各因子對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，從而進(jìn)行綜合精細(xì)的灌溉決策。該系統(tǒng)將灌區(qū)內(nèi)作物概化為水田和旱作物兩種，并考慮寧夏當(dāng)?shù)靥厥獾亩啻胧?。灌區(qū)灌溉水量由稻田需水、旱作物（小麥、玉米和麥套玉米）需水和冬灌需水三個(gè)主要部分組成。根據(jù)農(nóng)田土壤水分平衡，即作物根系層一定深度內(nèi)得到的水分和損失水分之間的平衡關(guān)系制定灌溉決策。并統(tǒng)計(jì)歷史灌溉計(jì)劃等。該系統(tǒng)具有適時(shí)、適量、實(shí)時(shí)和自動(dòng)灌溉的特點(diǎn)。

4.渠道水量分析模塊

該模塊主要分析渠道毛灌溉水量、凈灌溉水量、水面蒸發(fā)量和渠道滲漏量4個(gè)部分。通過(guò)灌溉決策結(jié)果的發(fā)布，已知不同作物控制面積所需要的灌水量，即可知渠道凈灌溉水量。

渠道輸水損失，包括滲漏損失和水面蒸發(fā)。其中渠道滲漏損失約占渠道輸水總損失量的80%；渠道水面蒸發(fā)占渠道輸水損失的比例較小，主要與當(dāng)?shù)囟嗄昶骄嬲舭l(fā)量和渠道參數(shù)有關(guān)。渠道滲漏損失量可根據(jù)渠道參數(shù)以及襯砌情況計(jì)算得知。

5.閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊提供閘門(mén)的遠(yuǎn)程查看、監(jiān)測(cè)、控制功能，并可以根據(jù)灌溉預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的自動(dòng)和手動(dòng)開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能化灌溉。

三、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1.屬性數(shù)據(jù)庫(kù)

屬性數(shù)據(jù)庫(kù)是以屬性數(shù)據(jù)組成的集合體。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括作物、土壤和氣象三大數(shù)據(jù)庫(kù)，三大數(shù)據(jù)庫(kù)又分為具體的不同的數(shù)據(jù)庫(kù)。作物數(shù)據(jù)庫(kù)包括各種作物水分上下限等數(shù)據(jù)庫(kù)和作物種植數(shù)據(jù)庫(kù)；土壤特性數(shù)據(jù)庫(kù)包括田間持水量數(shù)據(jù)庫(kù)、土壤容重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和土壤墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)；氣象數(shù)據(jù)庫(kù)主要就是氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)

空間數(shù)據(jù)庫(kù)是以空間數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集合體?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)主要是地圖的矢量數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括唐徠渠之王家三戶(hù)渠灌區(qū)圖和采樣點(diǎn)的分布圖。農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)和灌溉決策支持系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)是由一系列的空間數(shù)據(jù)表和屬性數(shù)據(jù)表組成的，空間數(shù)據(jù)庫(kù)是基于ArcGIS平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，在Mapinfo5.0的支持下，將收集到的灌區(qū)衛(wèi)星遙感圖，灌區(qū)地形地貌圖，干渠、支渠、斗渠和農(nóng)渠等分布圖，作物種植分布圖形成矢量格式的地圖數(shù)字化數(shù)據(jù)，形成原始矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)文件，建立空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)，各圖形數(shù)據(jù)以.tab文件格式分別存儲(chǔ)于系統(tǒng)的點(diǎn)文件、線(xiàn)文件和面文件中。

四、支渠灌溉決策專(zhuān)家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.支渠決策流程圖

打開(kāi)唐徠渠支渠灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)應(yīng)用程序，首先進(jìn)入的是整個(gè)系統(tǒng)的決策流程，打開(kāi)模型介紹，便可看到系統(tǒng)用到的主要模型以及參數(shù)等。

2.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊中，可方便查看灌區(qū)灌溉面積，種植作物分布情況、閥門(mén)、攝像頭、氣象站和墑情監(jiān)測(cè)站的位置情況，并且對(duì)灌區(qū)內(nèi)唐徠渠、支渠、斗渠和農(nóng)渠以不同的顏色分別進(jìn)行展示。點(diǎn)擊氣象站詳細(xì)信息，可以查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射和降雨量等氣象參數(shù)，并以圖表的形式展現(xiàn)歷史氣象資料。點(diǎn)擊墑情監(jiān)測(cè)站詳細(xì)信息，可以查看灌區(qū)內(nèi)3個(gè)墑情監(jiān)測(cè)站不同土層的實(shí)時(shí)含水率和土壤表層含水率的統(tǒng)計(jì)特征值。

3.灌溉決策

在灌溉決策模塊中，可方便查看智能灌溉簡(jiǎn)介，點(diǎn)擊智能灌溉決策模型，可對(duì)玉米、小麥和麥套玉米不同生育階段的作物系數(shù)、計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和水稻不同生育階段的水層臨界值等進(jìn)行修改及查詢(xún)等，并可以對(duì)旱田和水田的土壤水力特性參數(shù)以及作物參數(shù)進(jìn)行修改和查詢(xún)。根據(jù)土壤、氣象等對(duì)不同作物進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉決策。點(diǎn)擊作物實(shí)際灌溉制度，可以查看當(dāng)?shù)夭煌魑锏膶?shí)際灌溉制度。點(diǎn)擊歷史灌溉計(jì)劃，可以查詢(xún)不同作物的歷史灌溉計(jì)劃。

4.渠道水量分析

在渠道水量分析模塊中，可方便查看灌溉周期內(nèi)的渠道毛灌溉水量、凈灌溉水量、渠道蒸發(fā)量和滲漏損失量。并以圖表的形式對(duì)灌溉周期內(nèi)的渠道水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

5.閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控

在閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊中，根據(jù)灌溉決策結(jié)果可以選擇閘門(mén)的控制方式，可以通過(guò)自動(dòng)、開(kāi)度和流量三種方式進(jìn)行控制，并可以查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的閘門(mén)開(kāi)度、閘前水位、斷面水位等。

五、結(jié) 語(yǔ)

寧夏唐淶渠支渠灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)立足田間，面向基層管理者，使用Java和jsp開(kāi)發(fā)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的可視化查詢(xún)，建立了可視化的唐徠渠支渠灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)，根據(jù)灌區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型、作物種植分區(qū)、氣象和土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、灌溉模型預(yù)測(cè)診斷、灌溉控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制灌溉，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)內(nèi)不同土壤、不同作物按時(shí)、按需供水，減少水量損失，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，從而達(dá)到節(jié)水、高產(chǎn)和保護(hù)環(huán)境的目的。

[1]李靖，傅驊，顧世祥.基于地理信息系統(tǒng)的灌區(qū)用水管理系統(tǒng)初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17(6).

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責(zé)任編輯 軒 瑋

TV93+TP

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1000-1123（2016）12-0043-02

2016-05-10

楊志，教授級(jí)高級(jí)工程師。