智慧灌區(qū)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

張 波 陳武奮 江顯群

(珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610)

灌區(qū)在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要保障。為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，避免水資源嚴(yán)重浪費，我國各地相繼開展了灌區(qū)信息化建設(shè)工作，以此來提升灌區(qū)管理服務(wù)水平，降低運行成本，實現(xiàn)灌區(qū)水資源統(tǒng)一管理，優(yōu)化水資源配置[1-6]。但當(dāng)前的灌區(qū)信息化建設(shè)還僅停留在信息采集、傳輸及管理的層面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到精準(zhǔn)灌溉的目標(biāo)。為此，許多專家學(xué)者進(jìn)行了技術(shù)探索。2013年劉海燕等人研發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)與云計算的灌區(qū)信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)在灌區(qū)信息管理領(lǐng)域的無縫對接[7]。2018年田甜等人設(shè)計了測控一體化閘門控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了灌區(qū)供水遠(yuǎn)程自動化控制[8]。2018年邵秋芳等人提出了將遙感技術(shù)應(yīng)用在灌區(qū)信息化建設(shè)中，能夠大范圍監(jiān)測土壤含水量及干旱分布范圍[9]。2019年江顯群等人研發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)痕量灌溉系統(tǒng)，對農(nóng)作物需水模型對農(nóng)作物生長階段進(jìn)行了分析，獲得了農(nóng)作物最佳灌溉策略，實現(xiàn)了對農(nóng)作物精準(zhǔn)灌溉[10]。2019年倪士超設(shè)計了基于GIS技術(shù)的劉大灌區(qū)用水管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)用水?dāng)?shù)據(jù)實時采集、傳輸、匯總、分析，并制定了相應(yīng)的用水管理計劃[11]。

面對我國水資源匱乏日益加劇的現(xiàn)狀，精準(zhǔn)灌溉的需求越來越迫切，因此，智慧灌區(qū)的建設(shè)勢在必行。智慧灌區(qū)建設(shè)就是要對灌區(qū)運行過程中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行深度挖掘，實現(xiàn)對用水過程的全程監(jiān)控，加強對水資源的管理、控制。

1 智慧灌區(qū)體系結(jié)構(gòu)

智慧灌區(qū)信息化的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個體系結(jié)構(gòu)分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層3層。感知層負(fù)責(zé)灌區(qū)水位、雨量、流量、墑情、溫度、濕度等數(shù)據(jù)的采集工作。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)傳輸感知層采集的數(shù)據(jù)信息，目前所采用的傳輸方式包括有線鏈路、無線鏈路、超短波傳輸?shù)?。?yīng)用層是整個體系結(jié)構(gòu)的核心，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算和數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)智慧預(yù)警，生成合理的輸配水方案。

圖1 智慧灌區(qū)信息化的體系結(jié)構(gòu)

智慧灌區(qū)融合了當(dāng)前先進(jìn)的人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、測控一體化技術(shù)等，實現(xiàn)灌區(qū)輸配水遠(yuǎn)程控制、水質(zhì)水雨情實時測報、閘門遠(yuǎn)程啟閉等多項功能，為灌區(qū)管理者提供方便、快捷的智能化服務(wù)，保障灌區(qū)工程安全運行，優(yōu)化水資源配。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 遙感技術(shù)

當(dāng)前測量灌區(qū)內(nèi)土壤墑情的方式主要是通過安裝在土壤中的墑情傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，用戶通過信息化軟件系統(tǒng)查閱土壤墑情。由于受到傳感器安裝密度、灌區(qū)內(nèi)地形地貌、氣候等因素影響，該種方式不能全方位、真實地了解灌區(qū)內(nèi)土壤墑情。僅僅依靠信息化系統(tǒng)提供的“簡單”的墑情數(shù)據(jù)，無法對灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。漫灌的方式不僅造成水資源浪費，還可能影響農(nóng)作物的生長。

遙感技術(shù)具有較大的觀察范圍，可對整個灌區(qū)內(nèi)的各項基本信息進(jìn)行全方位了解。因遙感技術(shù)具有較強的實時性，能夠?qū)崟r了解灌區(qū)內(nèi)作物的種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)作物長勢以及干旱分布范圍，將遙感影像通過數(shù)據(jù)服務(wù)的形式提供到灌區(qū)信息化系統(tǒng)中，灌區(qū)管理人員可通過信息化系統(tǒng)中提供的GIS功能，全方位了解灌區(qū)的運行狀況。通過監(jiān)測灌區(qū)內(nèi)干旱分布范圍，參照不同作物在不同生長期的需水量，進(jìn)行合理的水資源配置，既有利于農(nóng)作物生長，也達(dá)到了精準(zhǔn)灌溉的目的。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)

當(dāng)前已完成建設(shè)的灌區(qū)信息化系統(tǒng)，由不同的承建單位完成。每個承建單位在構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)的過程中，使用各自的技術(shù)框架，且各個灌區(qū)承建單位在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計時，由于數(shù)據(jù)分類、定義、規(guī)范、結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一等問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享能力較低，造成了“信息孤島”。若灌區(qū)信息化系統(tǒng)的原建設(shè)單位不再對已建立的信息化系統(tǒng)進(jìn)行維護，承接運維的單位往往采取“推倒重建”的粗暴方式對原有的信息化系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)。因此，在灌區(qū)長期的運維工作中必定存在大量的重復(fù)建設(shè)工作，嚴(yán)重影響灌區(qū)管理工作的正常開展，限制了灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)應(yīng)用于灌區(qū)信息化中可解決以上問題。首先，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對灌區(qū)內(nèi)的設(shè)施、設(shè)備進(jìn)行全面感知，對灌區(qū)內(nèi)的水位、雨量、流量、溫度、濕度、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，通過有線網(wǎng)絡(luò)(無線網(wǎng)路)將數(shù)據(jù)傳輸至云計算平臺。通過在云計算平臺建立標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，接收來自不同灌區(qū)采集的數(shù)據(jù)，方便了數(shù)據(jù)交換及共享。由于云計算平臺接入靈活、安全、可用性高，且能夠提供動態(tài)池，可以高效提供信息服務(wù)。

云計算平臺提供便利的數(shù)據(jù)交換及資源共享服務(wù)，灌區(qū)信息化系統(tǒng)承建單位，可根據(jù)需求從云平臺獲取數(shù)據(jù)，服務(wù)用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)及維護，從而降低系統(tǒng)的開發(fā)難度，節(jié)約開發(fā)時間，為灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

2.3 測控一體化技術(shù)

我國大部分灌區(qū)的閘門控制仍然依靠人工操作,落后的管理手段，導(dǎo)致灌區(qū)運行效率較低。當(dāng)旱情來臨需要對農(nóng)田灌溉時，灌區(qū)管理單位需要通知各個水閘的管理人員進(jìn)行閘門啟閉工作，由于缺少水量計量設(shè)施，用水戶往往根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗判定用水量，灌溉方式仍然采用傳統(tǒng)的漫灌形式，不僅導(dǎo)致水資源嚴(yán)重浪費，容易誘發(fā)灌區(qū)內(nèi)土壤板結(jié)及蟲害，而且增加了灌區(qū)管理單位的工作量。

依照“無人值守、少人值守、統(tǒng)一調(diào)度”的原則，研發(fā)測控一體化閘門技術(shù)并應(yīng)用于灌區(qū)管理中，通過多級閘門聯(lián)合調(diào)度機制對灌區(qū)內(nèi)的用水量進(jìn)行合理調(diào)度。該項技術(shù)集成了閘門控制技術(shù)、水量計量及視頻監(jiān)控等功能。閘門控制技術(shù)可以根據(jù)需求，遠(yuǎn)程對閘門進(jìn)行啟閉操作，具有較強的實時性，視頻監(jiān)控功能可以更加直觀、便捷地輔助閘門啟閉操作，同時還能精確地控制閘門的開啟高度，極大地節(jié)約了人力資源。水量計量則可精確控制過閘水量，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

3 智慧灌區(qū)應(yīng)用案例分析

3.1 錦江灌區(qū)信息化建設(shè)現(xiàn)狀

錦江灌區(qū)位于江門市轄區(qū)的恩平市大田鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計灌溉面積為20.20萬畝，是恩平市境內(nèi)最大的灌溉工程。錦江灌區(qū)灌溉水源主要來自錦江，結(jié)合渠道沿線各小水庫、小山塘，組成一個“長藤結(jié)瓜”式灌溉工程。錦江灌區(qū)以錦江河為界分為兩部分，錦江河右岸為江南灌區(qū)，錦江河左岸為江北灌區(qū)。

錦江灌區(qū)于2019年完成了智慧灌區(qū)建設(shè)，該項目前期建立了37個遙測站點，后期進(jìn)行了補充完善，新增了8個遙測站點，目前灌區(qū)內(nèi)共有45個遙測站點。本次項目建設(shè)包括硬件設(shè)施、軟件系統(tǒng)兩個部分。

a.硬件設(shè)施：包括錦江灌區(qū)45個遙測站點硬件設(shè)施，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝的遙測站點全面感知，對錦江灌區(qū)內(nèi)的水位、雨量、墑情、溫度、濕度圖像、視頻等信息進(jìn)行采集，并通過有線傳輸和無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲渴鹪谠破脚_的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化存儲及管理。

b.軟件系統(tǒng)：根據(jù)灌區(qū)管理單位的需求，開發(fā)了錦江灌區(qū)管理信息系統(tǒng)。通過該軟件系統(tǒng)，灌區(qū)管理單位工作人員，可以查看灌區(qū)渠系分布、遙測站點安裝位置及各項監(jiān)測要素實時信息，系統(tǒng)還可根據(jù)渠系閘群的實測水位、流量及供水計劃，自動生成調(diào)度方案。

3.2 錦江灌區(qū)信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

錦江灌區(qū)信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為感知層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用支撐層、綜合應(yīng)用層、應(yīng)用交互層5個層面。

圖2 錦江灌區(qū)信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 遙感技術(shù)在錦江灌區(qū)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)具有實時性強、觀察范圍廣的特點，錦江灌區(qū)將遙感技術(shù)應(yīng)用在灌區(qū)信息化中，可實時、全面地觀察灌區(qū)內(nèi)干旱分布范圍情況。遙感影像以服務(wù)的形式接入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)將影像以圖層的形式加載到GIS功能模塊呈現(xiàn)給用戶，如圖3所示。將遙感影像與灌區(qū)內(nèi)安裝的各類智能感知設(shè)備采集的實時數(shù)據(jù)相結(jié)合，為灌區(qū)內(nèi)的水資源配置提供科學(xué)的依據(jù)。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)在錦江灌區(qū)中的應(yīng)用

在灌區(qū)信息化建設(shè)中，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)及管理，導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享能力低，人為地制造了“信息孤島”。為了解決這一問題，將物聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)應(yīng)用到錦江灌區(qū)信息化建設(shè)中，其體系分為結(jié)構(gòu)感知層、傳輸層、應(yīng)用層，如圖4所示。感知層實現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)所有遙測站點全面物聯(lián)，傳輸層負(fù)責(zé)將遙測站點采集到的水位、雨量、墑情、圖像等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計算平臺，進(jìn)行統(tǒng)一管理，為灌區(qū)的信息化建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。部署在云計算平臺的錦江灌區(qū)管理信息系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對所有遙測站點采集的信息進(jìn)行分析、處理，生成調(diào)度方案，并通過物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)指令，實現(xiàn)灌區(qū)輸配水遠(yuǎn)程控制，為灌區(qū)內(nèi)水資源合理利用提供科學(xué)的依據(jù)。

圖4 錦江灌區(qū)管理信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.5 測控一體化技術(shù)在錦江灌區(qū)中的應(yīng)用

為了提高灌區(qū)的運行效率，測控一體化技術(shù)在錦江灌區(qū)中得到了應(yīng)用，如圖5所示。該項技術(shù)依照“無人值守、少人值守、統(tǒng)一調(diào)度”的原則進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)可根據(jù)渠系閘群的實測水位、流量及供水計劃，自動生成不同運行工況下的節(jié)制閘、分水閘的運行調(diào)度方案。利用智能感知技術(shù)、智能控制技術(shù)，實現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制。用戶通過系統(tǒng)下發(fā)指令，即可遠(yuǎn)程對閘門進(jìn)行啟閉操作。由于系統(tǒng)可實時監(jiān)測閘門開度、上下游水位及工況，因此可對過閘水量精確控制，實現(xiàn)了水資源的科學(xué)調(diào)度、合理分配。

圖5 測控一體化技術(shù)在錦江灌區(qū)中的應(yīng)用

4 結(jié) 語

灌區(qū)信息化是灌區(qū)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本保障。在“以水定需、量水而行、因水制宜”的方針指導(dǎo)下，建設(shè)智慧灌區(qū)是灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。智慧灌區(qū)的建設(shè),不僅可以對灌區(qū)內(nèi)各類感知設(shè)備進(jìn)行全面感知、統(tǒng)一管理，而且借助于云計算平臺高性能、可擴展的計算資源及存儲能力，可對灌區(qū)內(nèi)各類感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理，并根據(jù)不同的業(yè)務(wù)部門需求提供數(shù)據(jù)共享，避免“信息孤島”，通過對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，可得出科學(xué)合理調(diào)度方案，實現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)水資源科學(xué)調(diào)度、合理利用，進(jìn)而提升灌區(qū)管理水平。未來可將人工智能技術(shù)應(yīng)用到灌區(qū)管理中，通過對不同作物建設(shè)需水模型，實現(xiàn)灌區(qū)用水精細(xì)化管理，進(jìn)一步推動灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展。