智慧灌區智能節水灌溉系統設計與應用

譚劍波，宋 亮，王立青

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2.西北水利水電建筑勘察設計院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

智慧灌區智能節水灌溉系統建設是集成計算機技術、傳感器技術、網絡自動化技術等技術為一體，推動農業現代化發展的重要舉措，其不僅可以提高水資源綜合利用效率，提升糧食和重要農產品用水供給保障能力，同時按作物需水精準化、實時化自動灌溉，降低了傳統人工灌溉的勞動強度，有效推進農業科技化進程[1-2]。渭南抽洛灌區位于陜西省關中東部，以洛河為灌溉水源，設計抽水流量為7.18m3/s，設計灌溉面積23萬畝，受益人口21萬人。為進一步提高灌區節水灌溉和運營管理水平，按照“科學合理、技術可行、實用經濟”等原則，實施灌區灌溉智能自動化系統升級改造，建設智慧管理信息管理平臺，對灌溉設備和水資源進行自動化、精細化配水和優化調度，促進灌區可持續穩定發展。

1 灌區信息化現狀

渭南抽洛灌區為大型灌區，工程體系龐雜且分散，建設下寨、韓河、龍陽、石羊四個抽水灌溉系統，共17座泵站，安裝水泵機組70臺套，總裝機功率1.28萬kW，主要由水源、泵站、灌區渠系等系統組成。灌區灌溉覆蓋面廣，且所處的渭北黃土高原水資源有限。因此，無論是泵站全面安全監控，還是灌區綜合協調灌溉水高效利用，建設集數據采集、信息傳輸和綜合調度等功能為一體的信息化管理系統是目前灌區信息化管理迫切需解決的關鍵內容。但由于缺乏統一規劃，抽洛灌區信息化系統現存監測點分散、應用基礎薄弱和智慧化程度偏低等問題。

1.1 監測點分散

“十二五”“十三五”期間，陜西大型灌區改造以應用業務需求為導向，以具體工程項目功能需求帶動信息化系統建設為抓手，在灌區布置了集水情、工情、土壤墑情、農業蟲情等功能為一體的各類信息采集監測點，用以支撐灌區高效灌溉管理業務需求。但由于缺乏統一規劃，各系統建設采購的軟件系統，存在監測點分散、系統兼容性差、調度分配不協調等問題，信息孤島、信息數據利用低、預警預報機制不完善等，嚴重制約灌區信息化業務工作的高效開展。

1.2 應用基礎薄弱

由于灌區水源、泵站、渠道和用水終端等各級業務部門其在實際工作中側重點不同，其建設的應用子系統功能存在單一、系統性差、兼容性低和信息共享機制缺失等問題，存在部分系統重復冗余建設或某些功能系統缺失等問題[3]。各業務子系統相互獨立，信息開發利用層次偏低、綜合成本高且維護難度較大，未能形成統籌、系統、全面的高水平、高兼容性和易維護的基礎應用服務信息資源系統。

1.3 智慧化程度偏低

由于抽洛灌區灌溉面積廣，而水資源又存在流動性和分散性等問題，其信息采集、遠程傳輸和綜合集成等難度均較大。目前，灌區已建成的信息化管理系統主要以泵站、灌溉干渠為分散獨立單元進行系統建設，很多功能子系統仍處于初步建設階段。信息采集終端大多配置為實測單元，不能滿足智慧管理模擬推演搭建基礎數據需求。另外，《“十三五”期間智慧水務信息化建設》中對灌區解放生產力、信息預測預報、輔助功能決策等方面均提出了更高的要求，急需在灌區現有信息化系統的基礎上，依托大數據、云計算、人工智能等新技術對灌區信息化系統進行全面升級改造，以實現灌區智能化、精細化節水灌溉[4]。

2 智慧灌區關鍵內容

抽洛灌區節水灌溉調度運行所需的支撐信息類型多且涉及范圍較廣，主要包括水雨情、水質、土壤墑情、泵站運行狀況、配水調度、防汛調度、工程建設與管理等方面內容，除了涉及到灌區各管理部門間的聯系外，還涉及到水文、氣象等政府相關管理單位，相應其數據信息存在時空間隔、多樣化、服務目標單一化等特征[5]。要實現灌區智慧化、智能化和精細化節水灌溉，就需要跳出常規數值化和信息化層面，從整個灌區高效節水灌溉出發，高度融合現有的網絡信息、大數據、云平臺等先進技術，強化物聯網建設、深挖大數據資源，探索灌區的數智化轉型，建成集數字化感知、網絡化遠程傳輸、大數據處理和智能化應用等功能為一體的集成智能自動化信息管理平臺。

（1）全面感知

全要素數字感知是灌區智慧管理的基礎，通過對重點對象的全方位、全對象、全指標的動態監測，為灌區節水灌溉提供詳實、精細化的數據支撐。根據節水灌區信息化要求，主要采集的終端數據有土壤墑情、地下水、地表水、氣象（雨情預測預報）、渠道流量、水質及泥沙含量、金屬閘門運行工況等基礎數據。全面感知在系統設計時，要充分運用灌區現有的監測儀器和監測終端，充分發揮現有資源的再利用價值。根據需要整合物聯網、無線GPRS、視頻監控和神經網絡預測等新技術的應用，充分挖掘土壤墑情、流量/水位監測、氣象（水情、旱情、蟲情）等灌區主要特征數據中的有用價值，實時動態感知基礎環境特征數據信息，經運算分析形成對應的調控策略，提高灌區管理效率和質量。

（2）系統互聯

大量終端數據采集后，如何將數據可靠傳輸到數據分析中心，就成為灌區節水灌溉智慧管理的通訊網絡互聯關鍵。要充分利用灌區已建成的光纖、RS485、RS232等傳統有線通信，結合移動互聯網、GPRS無線通信、物聯網等通訊新技術，構建全面融合的“四網”（局域網、廣域網、衛星網和移動網）的動態數據傳輸通道，支撐灌區重點監測對象的數據、圖形和視頻等信息的實時傳輸?？紤]到灌區節水灌溉監測對象和信息采集系統的多樣性和復雜性，在更新改造過程中要充分整合現有管理平臺的數據信息，全面收集工程基礎數據（如：氣象、地質水文、設計和施工建設等）、調度運行數據、實時監測數據和檢修維護等多源數據，結合“四網”技術，合理開發灌區節水灌溉的基礎信息平臺、氣象信息平臺、蟲情墑情平臺、預測預警平臺和智能預測預報平臺等多源信息全景平臺。同時，結合模擬仿真技術，充分挖掘數據信息，實現重點監測部位、水位、流量、墑情等信息的動態可視化三維仿真展示。

（3）智能應用

灌區智慧管理的最終目標就是實現智能應用。在整合灌區現有自動控制系統的基礎上，結合云網絡、大數據和人工智能等先進技術，根據灌區節水灌溉需求，按照人性化、便捷化和個性化要求，合理組建灌區節水灌溉業務管理系統。充分利用大數據的匯集與存儲技術、接口與服務協議技術等，有效解決灌區現有系統平臺間的協同與信息交互共享問題，實現智能一體化管理和調度[6]。針對灌區各級調控和服務對象需求，綜合集成與共享海量數據，實現灌區各級管理單位應用系統的集成統一，形成灌區節水灌溉的智能化、自動化和網絡化的智慧管理。

3 智慧灌區信息管理系統結構及功能

3.1 智慧灌區信息管理系統結構

在水利部《智慧水利總體方案（監測整體解決方案）》的總體框架下，分析研究抽洛灌區灌溉現狀及業務需求，以推進用水戶、基層站、直屬站、灌區管理單位和各級行業管理機構間的融合，基于“一測、一控、一平臺”建立數據共享、業務兼容的多元化業務信息管理系統，以實現“數據資源交互共享、應用業務協同”為目標的智慧灌區信息自動化管理系統，其邏輯組成框圖如圖1所示。

圖1 智慧灌區信息管理系統拓撲結構

3.2 智慧灌區信息管理系統功能

（1）數據采集

“一測”是指智慧灌區節水灌溉全程數據信息的統一采集，主要包括灌區基礎資料、水資源監測（地下水，地表水）、降雨量監測、氣象監測、渠道水位（流量）監測、土壤墑情（蟲情）監測等，同時還包括統一采集監視點、監控點的視頻、圖片、運行工況等可視化信息。信息源根據灌區總平面布置，分設在水源、加壓泵站、干（支）渠、閘門、泵站管理站和灌區調度中心等監測點和業務相關單位。智慧灌區信息自動化管理平臺基于物聯網、GPRS無線網、通訊網等接收來自各監測點傳感器采集的信號數據，并通過統一數據信息轉換建立統一數據庫供不同子系統共享和資源利用。

（2)智能控制

“一控”是指智慧灌區節水灌溉全程能實現“現地控制+遠程集控”相結合的統一調控。管理系統配備有現地手動操作、中控室集控和管理中心遙控三種控制方式，三種控制方式可獨立運行也可以同時運行。管理人員在現地、中控室和管理中心通過計算機發出對應的控制命令，由物聯網、GPRS無線網、通訊網等下傳控制命令到現地設備，實現對進水閘、水泵機組、開關設備、監控視頻等設備進行集中控制。同時，信息自動化平臺結合田間需水要求，控制開啟與作物需水量相匹配的機組臺數、閘門開度等運行條件，確保灌區灌溉全程具備保持在“供需基本平衡”的良好運行局面。

（3）智能灌溉一體化平臺

“一平臺”是指智慧灌區建設實現智能節水灌溉統一平臺管理?；趙in10操作系統在WEB開發平臺開發智能灌溉控制軟件及平臺，可以實現用水戶、基層站、直屬站、灌區管理單位和各級行業管理機構間的應用業務的統一。信息自動化管理平臺集成了水雨情動態監測系統、量測水管理系統、配水調度系統、水費計收管理系統等功能子系統，通過各系統數據信息的整合和運行分析，最終實現根據作物用水量需求的按需節水灌溉?？梢暬缑鎸崟r顯示當前土壤參數（溫度、濕度）、氣象（風速、雨量、光照）以及灌溉狀態。采用各種內置模式控制灌溉設備，實現定量自動灌溉并自動保存灌溉記錄；在系統軟件中可以進行灌溉參數設置及對灌溉情況進行統計，并在計算機上存儲、顯示。信息化平臺可以通過手機、PAD、計算機等信息終端向管理者推送實時監測信息、報警信息，實現田間作物的信息化、智能化遠程管理。智能節水灌溉可視化主界面，如圖2所示。

圖2 智能節水灌溉可視化主界面

系統采集土壤（溫度，濕度）參數、氣象（風速，雨量，光照）等信息，便于技術人員及時掌握農作物生長環境信息，并根據作物灌溉制度形成對應的灌溉調控策略，確保按作物生長需求實時精準灌溉。通過水位和視頻監控模塊，能實時監測灌溉系統水源狀況，及時發布缺水、爆管、漏水、低壓運行等預警信息，便于技術人員及時查看及維修。另外，用戶可以通過云平臺、APP等移動平臺，無論身在何處均可通過4G（5G）網絡查看實時數據并可遠控，遇到狀況及時處理，確保作物高效生長。

4 智能節水灌溉系統應用實施

2020年，渭南抽洛智慧灌區智能節水灌溉系統建成后，管理人員在集控室即可掌握從田間4GDTU上傳回管理中心的土壤墑情、蟲情、氣象、渠道閘門、加壓水泵、灌溉流量、水位等特征數據，經系統內部神經網絡智能預測系統形成的對應調控策略，便于管理人員結合歷史灌溉數據，根據作物生長環境信息、作物生長狀況、灌溉制度等制定相關的節水灌溉方案，實現智能節水灌溉。智能節水灌溉系統實施后，近2年運行統計數據分析可知，單次灌水節水率可達15%—20%。畝次灌水按50m3估算，萬畝每年灌溉可節水7.5—10萬m3，按灌溉用電電費0.3元/m3算，節水經濟效益約2.25—3萬元，農民純收入總額增加約2.46—3.28萬元/年。同時，通過實施精準化智能節水灌溉后，灌區將大幅度緩解水資源的供需緊張局勢，減少新增水資源量的供給，增強了水資源保障灌區經濟建設與發展的能力。

5 結束語

利用信息網絡技術實現灌區灌溉運行中信息數據的有效采集、傳輸與處理，推動了灌區現代節水農業的升級。設計集成計算機技術、自動化控制技術、4G（5G）網絡通信、視頻監控技術等為一體的智能節水灌溉系統，通過采集環境中的溫度、濕度、風速、雨量、光照等環境參數，結合作物灌溉制度自動分析形成對應智能節水灌溉策略，實現農業灌溉水資源的精細化、精準化和精益化管理。在以后智慧灌區系統優化設計中，還需嚴格遵循“水利工程補短板、水利行業強監管”的總基調，進一步拓展信息化管理平臺的廣度和深度，推動鄉村振興現代農業建設和精準節水灌溉高質量發展?！?/p>