王鵬全 吳元梅 張霞

摘要：為實現(xiàn)灌區(qū)用水管理的智能化、規(guī)范化和科學(xué)化，基于水聯(lián)網(wǎng)和水權(quán)交易，研究了灌區(qū)智能管理技術(shù)，提出了作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、水聯(lián)網(wǎng)灌溉自動化閘門控制系統(tǒng)、灌溉效果監(jiān)測評估系統(tǒng)、灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)的功能、組成。水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉技術(shù)與水權(quán)交易的集成應(yīng)用，對提升水資源利用效能和智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：水聯(lián)網(wǎng);水權(quán)交易;精準(zhǔn)灌溉;智能管理

中圖分類號：TV213.4;5274.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

農(nóng)業(yè)是我國用水大戶，農(nóng)業(yè)用水量占全國用水量的60%以上。據(jù)測算，如果農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)從目前的0.5提高到0.7，就可節(jié)約灌溉水量約900億m³，是我國灌溉缺水量的3倍。在用水總量和強(qiáng)度雙控的條件下，要保證21世紀(jì)糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，須落實“節(jié)水優(yōu)先”的治水思路，以綠色發(fā)展理念引領(lǐng)農(nóng)業(yè)水利發(fā)展，融合交叉產(chǎn)業(yè)技術(shù)，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和灌區(qū)水權(quán)管理技術(shù)，從而盤活水資源存量，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展，高效節(jié)水灌溉與“互聯(lián)網(wǎng)+”的有機(jī)融合創(chuàng)新了新一輪節(jié)水灌溉技術(shù)。水利部水權(quán)改革試點工作的有效實施為全國水權(quán)改革提供了寶貴經(jīng)驗。左其亭[1]提出了“水利4.0”戰(zhàn)略構(gòu)想，水利發(fā)展進(jìn)入“智慧水利”階段;王忠靜等[2]以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)提出了“實時感知、水信互聯(lián)、過程控制、精準(zhǔn)配送”的灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉技術(shù)體系;楊得瑞等[3]、黃建水等[4]、侯慧敏等[5]對水權(quán)分配、水權(quán)交易、水市場等水資源管理理論進(jìn)行了總結(jié)完善與實踐應(yīng)用;倪建軍等[6]研究了水聯(lián)網(wǎng)與水利信息化理論;金永奎等[7]設(shè)計了高效節(jié)水灌溉自動監(jiān)控及信息化系統(tǒng)。以上技術(shù)均在不同尺度灌區(qū)進(jìn)行了水聯(lián)網(wǎng)灌溉或水權(quán)交易應(yīng)用與示范，但其集成協(xié)作的潛力和效果提升尚需進(jìn)一步挖掘和論證。

本文在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與集成，提出了灌區(qū)作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、水聯(lián)網(wǎng)自動化閘門控制系統(tǒng)、灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測評估系統(tǒng)、灌區(qū)水資源確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺的功能、組成，旨在提高水資源利用效率，適時適量地按照作物需水規(guī)律和灌溉制度精準(zhǔn)灌溉，實現(xiàn)水資源統(tǒng)一調(diào)度的自動化、規(guī)范化、科學(xué)化和現(xiàn)代化。

1 灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)智能灌概技術(shù)

水聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)是指根據(jù)灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積、灌溉方式以及不同作物在不同灌溉方式下的灌溉制度，進(jìn)行需水預(yù)測和灌溉決策研究，并集成水聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，采集、感知、傳輸和反饋田間土壤墑情以及作物需水信息，通過水聯(lián)網(wǎng)測控一體化閘門的自動化控制系統(tǒng)，完成各時段水量的精準(zhǔn)配送任務(wù)，實現(xiàn)田間環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和灌溉系統(tǒng)智能化、信息化控制及管理。該技術(shù)由作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、水聯(lián)網(wǎng)灌溉自動化閘門控制系統(tǒng)和灌溉效果監(jiān)測評估系統(tǒng)組成。

1.1 作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)

作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)利用土壤墑情傳感器、光照量子數(shù)傳感器、空氣濕度溫度傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器等，適時地將濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、光量子數(shù)、CO₂濃度、降水量、土壤溫度以及土壤水分等各種物理信息轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)交換平臺，服務(wù)灌溉決策專家支持系統(tǒng)，并利用視頻探頭、3S技術(shù)和衛(wèi)星圖像對作物長勢、土壤墑情、植物冠層尺度、蟲害等進(jìn)行可視化遠(yuǎn)程自動監(jiān)測，實現(xiàn)田間環(huán)境因子和視頻圖像信息的實時、自動采集，并對各項信息參數(shù)和作物生長態(tài)勢進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以適應(yīng)精準(zhǔn)灌溉的需求。作物環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在現(xiàn)場供電不便的情況下可采用太陽能供電。

該系統(tǒng)基于以上技術(shù)獲取土壤墑情、作物長勢、蟲情、苗情以及濕度、溫度、風(fēng)向等地面氣象數(shù)據(jù)，從而確定作物需水量。作物需水量、灌溉制度、灌溉決策和灌溉水管理信息可通過GPRS無線通信方式和4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用水戶和農(nóng)民用水協(xié)會，通過PC端可視化軟件、手機(jī)APP客戶端、微信公眾服務(wù)平臺、現(xiàn)場LED顯示屏等終端可以查看用水信息。同時，利用數(shù)據(jù)云計算和數(shù)據(jù)云服務(wù)進(jìn)行終端數(shù)字圖像動態(tài)監(jiān)測，可查看灌溉數(shù)據(jù)報表、24h灌溉曲線、作物灌溉實況、雨情墑情預(yù)報、作物長勢等信息。系統(tǒng)組成框架結(jié)構(gòu)見圖1。

該系統(tǒng)協(xié)同灌溉制度和灌溉決策專家支持系統(tǒng)與水聯(lián)網(wǎng)自動化灌溉系統(tǒng)，可適應(yīng)現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，為科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供及時準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。

1.2 水聯(lián)網(wǎng)自動化閘門控制系統(tǒng)

水聯(lián)網(wǎng)自動化閘門控制系統(tǒng)集成水聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，植人作物需水規(guī)律與灌溉決策信息，匹配作物耗水過程，對田間作物生長環(huán)境因子連續(xù)監(jiān)測，將數(shù)據(jù)信息處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器及云端服務(wù)器，系統(tǒng)根據(jù)田間土壤墑情及期望閾值發(fā)出智能指令，控制閘門的啟閉和開度，完成灌溉作業(yè)。

系統(tǒng)主要組成設(shè)備包括：作物環(huán)境智能采集系統(tǒng)、協(xié)調(diào)器、信號交換器、信號接收器、防火墻、云端服務(wù)器、超聲波水位儀、測灌聯(lián)控一體化閘門、監(jiān)控設(shè)備、信號塔、LED顯示屏、PC/手機(jī)控制終端等。測灌聯(lián)控一體化閘門是該自動化灌溉系統(tǒng)的核心，對上下游水位、閘門開度進(jìn)行實時監(jiān)測，并通過云端服務(wù)器發(fā)送指令控制閘門，實現(xiàn)智能灌溉的遠(yuǎn)程控制，無需人工操作。通過云端服務(wù)器還能夠?qū)崟r查看土壤墑情、水位、流量、灌溉時段、閘門開度和運(yùn)行實況等信息，用水戶可對自己的用水計量、水費(fèi)征繳、農(nóng)業(yè)水價等信息進(jìn)行實時查詢，推動透明化、陽光化灌區(qū)水務(wù)建設(shè)。

灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行示意見圖2。

1.3 灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測評估系統(tǒng)

灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測評估系統(tǒng)的主要功能包括灌區(qū)各級渠道水情采集監(jiān)測、渠系建筑物運(yùn)行監(jiān)測、配套工程利用率測算、灌溉水量計量、灌溉水利用系數(shù)測算、水費(fèi)計量收繳、作物水分生產(chǎn)函數(shù)運(yùn)算、灌區(qū)地下水位監(jiān)測、鹽堿度監(jiān)測、灌溉退水水質(zhì)監(jiān)測、洪澇和干旱預(yù)警、超定額灌溉預(yù)警、用水總量控制以及灌溉成本一效益評估等，從而提升最嚴(yán)格水資源管理的能力，為節(jié)水型灌區(qū)評估提供相關(guān)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可供灌區(qū)用水戶和管理單位注冊后直接使用，通過對灌溉經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)、灌區(qū)管理指標(biāo)和灌區(qū)工程運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評估，可為用水戶推薦最優(yōu)的種植模式和灌溉制度，也可為灌區(qū)管理單位的決策提供相關(guān)參考。灌區(qū)灌溉效果監(jiān)測評估系統(tǒng)的功能見圖3。

2 水權(quán)交易自動化管理技術(shù)

水權(quán)交易自動化管理技術(shù)將需水、訂購、供水、配水和水權(quán)交易連接起來，初步建成水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利框架下的市場水網(wǎng)，促進(jìn)水效能的提升[1]。該系統(tǒng)主要包括灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺。

2.1 灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)

水資源使用權(quán)確權(quán)是進(jìn)行水權(quán)交易的前提條件。水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)主要實現(xiàn)水權(quán)的登記和水權(quán)使用權(quán)流轉(zhuǎn)的登記功能，對用戶水權(quán)信息進(jìn)行登記、查詢、添加、變更和刪除。依據(jù)水聯(lián)網(wǎng)調(diào)度云端服務(wù)器提供的灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、灌區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)和灌區(qū)水權(quán)水量，開展水資源使用權(quán)分配登記，建立網(wǎng)上水資源使用權(quán)登記臺賬，并為用水戶頒發(fā)水資源使用權(quán)確權(quán)登記證（水權(quán)證），載明用戶初始水權(quán)用途、期限、使用量、結(jié)余量、交易量、農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)、種植面積、灌溉方式等信息。借助水聯(lián)網(wǎng)調(diào)度云端服務(wù)器，植人水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易數(shù)據(jù)，利用水聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)和云平臺分析灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，認(rèn)定可交易水權(quán)水量，自動核減用水戶的水權(quán)水量，以達(dá)到灌區(qū)水資源管理的精確調(diào)度和準(zhǔn)確計量，確保交易水量的市場準(zhǔn)人。灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)的綜合功能見圖4。

2.2 水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺

水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺為水權(quán)交易雙方提供閑置水權(quán)或節(jié)余水權(quán)交易信息掛牌公布、水權(quán)交易標(biāo)的查詢、水權(quán)交易申請、水權(quán)交易規(guī)則和政策咨詢。水權(quán)交易主體可以利用手機(jī)下載水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺客戶端，實現(xiàn)在移動終端查看相關(guān)信息;水管部門可以登錄系統(tǒng)進(jìn)行水權(quán)交易網(wǎng)上三級（鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源辦公室、灌區(qū)管理處、灌區(qū)管理站）審批和準(zhǔn)人、水權(quán)交易數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、水權(quán)交易監(jiān)督跟蹤、水權(quán)交割變更登記等業(yè)務(wù)。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源辦公室設(shè)置專人負(fù)責(zé)水權(quán)交易合同的審核與檢查，最后生成一份唯一的數(shù)字檔案，準(zhǔn)確記錄水權(quán)交易過程以及合同期各方的權(quán)利義務(wù)，為規(guī)范水權(quán)交易提供有效保證，同時也為水事糾紛處理提供依據(jù)。水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺操作規(guī)程見圖5。

3 討論

（1）水權(quán)分配、水權(quán)交易等水資源精細(xì)化管理機(jī)制的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)水資源管理方式。水權(quán)制度從源頭和過程“倒逼”農(nóng)業(yè)節(jié)水，促進(jìn)水資源向高效益、低消耗的產(chǎn)業(yè)流轉(zhuǎn)。灌區(qū)通過土地流轉(zhuǎn)形成規(guī)?；O(shè)施農(nóng)業(yè)、經(jīng)果林農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及通過建設(shè)工業(yè)園區(qū)招商引資等成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化的新趨勢，其新增水量指標(biāo)必須通過與農(nóng)民用水協(xié)會或農(nóng)民用水戶之間的水權(quán)交易獲得，基于水聯(lián)網(wǎng)的水權(quán)交易自動化管理技術(shù)成為迫切需要。筆者提出的灌區(qū)水資源使用權(quán)確權(quán)登記系統(tǒng)和水權(quán)交易互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺，具有一定的創(chuàng)新性和實用性，可為解決該問題提供技術(shù)支撐。

（2）我國自流灌區(qū)大多沿襲了傳統(tǒng)的地面灌溉方式，渠道標(biāo)準(zhǔn)化程度低，灌溉定額高，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著小畦灌溉、微噴灌、滴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，植人水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉技術(shù)，農(nóng)業(yè)節(jié)水效果將十分顯著，田間凈灌溉定額可大大降低，為開展農(nóng)業(yè)節(jié)水向工業(yè)企業(yè)流轉(zhuǎn)、灌區(qū)用水戶間水權(quán)交易提供了可能。因此，本文提出的水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉技術(shù)是實現(xiàn)水權(quán)交易的技術(shù)保障。

（3）本文提出的灌區(qū)智能管理技術(shù)體系集成了作物環(huán)境信息采集、水聯(lián)網(wǎng)調(diào)度云服務(wù)、遠(yuǎn)程自動化控制和水權(quán)交易自動化管理技術(shù)，是“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的創(chuàng)新發(fā)展。該技術(shù)利用智能設(shè)備自動采集水文氣象、作物長勢、土壤墑情等信息，將實時監(jiān)測、快速傳輸、需水預(yù)報、訂單供水、精準(zhǔn)配水、高效管理和水權(quán)交易連接起來，并且利用測灌聯(lián)控一體化閘門的智能控制實現(xiàn)精量灌溉，從而促進(jìn)灌區(qū)水管理實現(xiàn)自動化、規(guī)范化和科學(xué)化，提高水資源的利用效能。

4 結(jié)語

筆者在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，對水聯(lián)網(wǎng)智能灌溉與水權(quán)交易技術(shù)的集成應(yīng)用做了一定創(chuàng)新與設(shè)計，提出的智能化灌區(qū)管理技術(shù)體系主要適用于水資源短缺、用水矛盾突出的內(nèi)陸自流灌區(qū)。在最嚴(yán)格水資源管理制度“倒逼”下，在內(nèi)陸干旱區(qū)建成一批高起點、高標(biāo)準(zhǔn)、高水平的現(xiàn)代化農(nóng)田水利示范區(qū)，促進(jìn)節(jié)水，并將節(jié)約的用水指標(biāo)流轉(zhuǎn)市場，利用市場經(jīng)濟(jì)的杠桿作用提高灌區(qū)水資源的利用效能，實現(xiàn)取用水管理的智能化、規(guī)范化和科學(xué)化，可大大節(jié)省灌區(qū)管理的人力、物力和財力。在控制灌區(qū)水資源總量的同時盤活存量，不僅能保證灌區(qū)糧食安全、生態(tài)健康，而且能保證水權(quán)交易配套工程和設(shè)施的節(jié)水效益，為水權(quán)交易工作的跟蹤評估和灌區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)度提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)決策支撐。

該項技術(shù)具有廣闊的推廣前景和應(yīng)用潛力，但其集成應(yīng)用效果和技術(shù)對接問題需要通過實踐來檢驗和改進(jìn)。

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