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，南北長約160 km，灌區(qū)可控制面積約300萬畝（15畝=1 hm2，下同），其中灌溉面積120萬畝。可覆蓋青銅峽市，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個縣區(qū)，西湖農(nóng)場、南梁農(nóng)場、暖泉農(nóng)場等6大農(nóng)場。灌區(qū)農(nóng)作物種植以小麥、水稻、玉米等為主，是全國重要的商品糧基地之一，素有“塞上乳管”之稱。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，鹽堿化嚴重，可以說無灌溉就無農(nóng)業(yè)。

灌區(qū)對今后一個時期黃河缺水的嚴峻形勢和抗旱節(jié)水的艱巨性、長期性認識不足，灌區(qū)用水管理方法滯后，農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費嚴重，灌溉水利用率僅40%左右。其中管理水平低下是一個主要原因。實踐證明，灌溉節(jié)水50%的潛力在管理。為有效緩解干渠來水不足及水資源供需矛盾，建立了唐徠渠支渠灌溉決策專家系統(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)開發(fā)目標

項目以唐徠渠支渠——王家三戶渠灌域農(nóng)田灌溉為例，通過研究應(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，通過實時的氣象數(shù)據(jù)估算土壤實時含水率，構(gòu)建不同作物參照騰發(fā)量的實時預(yù)報系統(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)這個原理建立農(nóng)田水量平衡模型，在估算土壤水分儲量、制定農(nóng)田灌溉計劃、預(yù)報作物產(chǎn)量以及區(qū)域水資源評價基礎(chǔ)上，構(gòu)建土壤墑情預(yù)測模型、渠系蒸發(fā)滲漏模型和灌溉預(yù)測模型，建立王家三戶渠農(nóng)田灌溉專家決策系統(tǒng)，為實現(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

根據(jù)項目要求和灌區(qū)調(diào)研結(jié)果及系統(tǒng)需求分析，開發(fā)良好的人機用戶界面、基本視圖操作功能、數(shù)據(jù)庫管理功能，對灌區(qū)內(nèi)不同作物實現(xiàn)智能灌溉決策和閘門自動化控制是系統(tǒng)開發(fā)的最終目的。因此，整個系統(tǒng)從功能上可分為系統(tǒng)流程、實時監(jiān)測、灌溉決策、渠道水量分析和閘門遠程控制5個模塊。

1.系統(tǒng)流程模塊

模塊的主要功能是對整個系統(tǒng)按流程進行介紹，包括設(shè)備運行監(jiān)測、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的具體參數(shù)、專家決策的實現(xiàn)原理、決策結(jié)果、供水分析和智能實施等基本資料介紹。

2.實時監(jiān)測模塊

實時監(jiān)測模塊用地圖方式展示了唐徠渠之王家三戶支渠灌區(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、攝像頭、氣象站和墑情監(jiān)測站。界面展示了氣象站監(jiān)測的濕度、風(fēng)力、降雨、蒸發(fā)量等情況，為計算作物需水量和灌溉預(yù)測提供基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)。墑情監(jiān)測站展示了不同土層 （20 cm、40 cm和60 cm）實時的土壤含水率，為土壤分層水量平衡計算和灌溉預(yù)測提供基礎(chǔ)服務(wù)。

3.灌溉決策模塊

灌溉決策模塊分為智能灌溉簡介、當(dāng)前灌溉計劃、歷史灌溉計劃、模型參數(shù)4個部分。灌溉決策是系統(tǒng)的核心功能，是精細田間灌溉計劃和管理的智能化系統(tǒng)，考慮了SPAC系統(tǒng)中各因子對作物生長的影響，從而進行綜合精細的灌溉決策。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９鄥^(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)計歷史灌溉計劃等。該系統(tǒng)具有適時、適量、實時和自動灌溉的特點。

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個部分。通過灌溉決策結(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)以及襯砌情況計算得知。

5.閘門遠程監(jiān)控模塊

閘門遠程監(jiān)控模塊提供閘門的遠程查看、監(jiān)測、控制功能，并可以根據(jù)灌溉預(yù)測結(jié)果，實現(xiàn)對閘門的自動和手動開啟，實現(xiàn)自動、智能化灌溉。

三、數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.屬性數(shù)據(jù)庫

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

2.系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫

空間數(shù)據(jù)庫是以空間數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集合體。空間數(shù)據(jù)庫主要是地圖的矢量數(shù)據(jù)庫，主要包括唐徠渠之王家三戶渠灌區(qū)圖和采樣點的分布圖。農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測和灌溉決策支持系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫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)庫是基于ArcGIS平臺上開發(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，各圖形數(shù)據(jù)以.tab文件格式分別存儲于系統(tǒng)的點文件、線文件和面文件中。

四、支渠灌溉決策專家系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.支渠決策流程圖

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

2.實時監(jiān)測

在實時監(jiān)測模塊中，可方便查看灌區(qū)灌溉面積，種植作物分布情況、閥門、攝像頭、氣象站和墑情監(jiān)測站的位置情況，并且對灌區(qū)內(nèi)唐徠渠、支渠、斗渠和農(nóng)渠以不同的顏色分別進行展示。點擊氣象站詳細信息，可以查看實時監(jiān)測溫度、風(fēng)速、太陽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。點擊墑情監(jiān)測站詳細信息，可以查看灌區(qū)內(nèi)3個墑情監(jiān)測站不同土層的實時含水率和土壤表層含水率的統(tǒng)計特征值。

3.灌溉決策

在灌溉決策模塊中，可方便查看智能灌溉簡介，點擊智能灌溉決策模型，可對玉米、小麥和麥套玉米不同生育階段的作物系數(shù)、計劃濕潤層深度和水稻不同生育階段的水層臨界值等進行修改及查詢等，并可以對旱田和水田的土壤水力特性參數(shù)以及作物參數(shù)進行修改和查詢。根據(jù)土壤、氣象等對不同作物進行實時灌溉決策。點擊作物實際灌溉制度，可以查看當(dāng)?shù)夭煌魑锏膶嶋H灌溉制度。點擊歷史灌溉計劃，可以查詢不同作物的歷史灌溉計劃。

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。并以圖表的形式對灌溉周期內(nèi)的渠道水量進行統(tǒng)計分析。

5.閘門遠程監(jiān)控

在閘門遠程監(jiān)控模塊中，根據(jù)灌溉決策結(jié)果可以選擇閘門的控制方式，可以通過自動、開度和流量三種方式進行控制，并可以查看實時監(jiān)測的閘門開度、閘前水位、斷面水位等。

五、結(jié) 語

寧夏唐淶渠支渠灌溉專家決策系統(tǒng)立足田間，面向基層管理者，使用Java和jsp開發(fā)技術(shù)，成功實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的可視化查詢，建立了可視化的唐徠渠支渠灌溉專家決策系統(tǒng)，根據(jù)灌區(qū)內(nèi)土壤類型、作物種植分區(qū)、氣象和土壤墑情實時監(jiān)測、灌溉模型預(yù)測診斷、灌溉控制系統(tǒng)實時控制灌溉，實現(xiàn)對灌區(qū)內(nèi)不同土壤、不同作物按時、按需供水，減少水量損失，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，從而達到節(jié)水、高產(chǎn)和保護環(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，2001，17(6).

[2]王艷芳，張紅玲，石建勛.唐徠渠灌區(qū)用水管理系統(tǒng)可視化研究[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，2007，28(4).

[3]楊國范.基于GIS和智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)的大中型灌區(qū)用水管理系統(tǒng)的建立[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，34(1).

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[5]陳玲，黃介生.灌區(qū)管理模型與GIS的集成及應(yīng)用[J].灌溉排水學(xué)報，2003，22(3).

責(zé)任編輯 軒 瑋

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1000-1123（2016）12-0043-02

2016-05-10

楊志，教授級高級工程師。