智慧灌区智能节水灌溉系统设计与应用_谭剑波

第 10 期(总第 485 期)

0 引言

智慧灌区智能节水灌溉系统建设是集成计算 机技术 、传感器技术 、网络自动化技术等技术为一 体，推动农业现代化发展的重要举措 ，其不仅可以 提高水资源综合利用效率 ， 提升粮食和重要农产

品用水供给保障能力，同时按作物需水精准化 、实 时化自动灌溉，降低了传统人工灌溉的劳动强度 ， 有效推进农业科技化进程[1-2] 。渭南抽洛灌区位于 陕西省关中东部，以洛河为灌溉水源 ，设计抽水流 量为 7.18m3/s，设计灌溉面积 23 万亩，受益人口 21 万人 。为进一步提高灌区节水灌溉和运营管理水 平，按照“科学合理 、技术可行 、实用经济”等原则 ，

[收稿日期] 2022-07-01

[基金项目] 杨凌职业技术学院 2019 年 自然科学研究基金项目“陕西省渭南市抽洛灌区智能 自动化灌溉系统研发与应用”阶段成果 。项目 编号：A2019011。

[作者简介] 谭剑波(1983- )，男，汉族，四 川江安人，硕士，副教授，研究方向为智慧水利、水利信息化 。

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实施灌区灌溉智能自动化系统升级改造 ， 建设智 慧管理信息管理平台 ，对灌溉设备和水资源进行 自动化 、精细化配水和优化调度，促进灌区可持续 稳定发展。

1 灌区信息化现状

渭南抽洛灌区为大型灌区 ， 工程体系庞杂且 分散，建设下寨 、韩河 、龙阳 、石羊四个抽水灌溉系 统 ，共 17 座泵站 ，安装水泵机组 70 台套 ，总装机 功率 1.28 万 kW，主要由水源、泵站 、灌区渠系等系 统组成 。灌区灌溉覆盖面广，且所处的渭北黄土高 原水资源有限 。 因此，无论是泵站全面安全监控 ， 还是灌区综合协调灌溉水高效利用 ， 建设集数据 采集 、信息传输和综合调度等功能为一体的信息 化管理系统是目前灌区信息化管理迫切需解决的 关键内容 。但由于缺乏统一规划，抽洛灌区信息化 系统现存监测点分散 、应用基础薄弱和智慧化程 度偏低等问题。

1.1 监测点分散

“十二五”“十三五”期间 ，陕西大型灌区改造 以应用业务需求为导向 ， 以具体工程项目功能需 求带动信息化系统建设为抓手 ， 在灌区布置了集 水情 、工情 、土壤墒情 、农业虫情等功能为一体的 各类信息采集监测点 ， 用以支撑灌区高效灌溉管 理业务需求 。但由于缺乏统一规划，各系统建设采 购的软件系统 ，存在监测点分散 、系统兼容性差 、 调度分配不协调等问题，信息孤岛 、信息数据利用 低 、预警预报机制不完善等，严重制约灌区信息化 业务工作的高效开展。

1.2 应用基础薄弱

由于灌区水源 、泵站 、渠道和用水终端等各级 业务部门其在实际工作中侧重点不同 ， 其建设的 应用子系统功能存在单一 、系统性差 、兼容性低和 信息共享机制缺失等问题 ， 存在部分系统重复冗 余建设或某些功能系统缺失等问题[3] 。各业务子系 统相互独立，信息开发利用层次偏低 、综合成本高 且维护难度较大 ，未能形成统筹 、系统 、全面的高 水平 、高兼容性和易维护的基础应用服务信息资 源系统。

1.3 智慧化程度偏低

由于抽洛灌区灌溉面积广 ， 而水资源又存在 流动性和分散性等问题，其信息采集 、远程传输和

综合集成等难度均较大 。 目前，灌区已建成的信息 化管理系统主要以泵站 、灌溉干渠为分散独立单 元进行系统建设 ，很多功能子系统仍处于初步建 设阶段 。信息采集终端大多配置为实测单元，不能 满足智慧管理模拟推演搭建基础数据需求 。另外， 《“十三五”期间智慧水务信息化建设》中对灌区解 放生产力 、信息预测预报 、辅助功能决策等方面均 提出了更高的要求 ， 急需在灌区现有信息化系统 的基础上 ，依托大数据 、云计算 、人工智能等新技 术对灌区信息化系统进行全面升级改造 ， 以实现 灌区智能化、精细化节水灌溉[4]。

2 智慧灌区关键内容

抽洛灌区节水灌溉调度运行所需的支撑信息 类型多且涉及范围较广 ，主要包括水雨情 、水质 、 土壤墒情 、泵站运行状况 、配水调度 、防汛调度 、工 程建设与管理等方面内容 ， 除了涉及到灌区各管 理部门间的联系外，还涉及到水文 、气象等政府相 关管理单位，相应其数据信息存在时空间隔 、多样 化、服务目标单一化等特征[5] 。要实现灌区智慧化、 智能化和精细化节水灌溉 ， 就需要跳出常规数值 化和信息化层面，从整个灌区高效节水灌溉出发 ， 高度融合现有的网络信息 、大数据 、云平台等先进 技术 ，强化物联网建设 、深挖大数据资源 ，探索灌 区的数智化转型，建成集数字化感知 、网络化远程 传输 、大数据处理和智能化应用等功能为一体的 集成智能自动化信息管理平台。

(1)全面感知

全要素数字感知是灌区智慧管理的基础 ，通 过对重点对象的全方位 、全对象 、全指标的动态监 测 ， 为灌区节水灌溉提供详实 、精细化的数据支 撑 。根据节水灌区信息化要求，主要采集的终端数 据有土壤墒情 、地下水 、地表水 、气象(雨情预测预 报)、渠道流量 、水质及泥沙含量 、金属闸门运行工 况等基础数据 。全面感知在系统设计时，要充分运 用灌区现有的监测仪器和监测终端 ， 充分发挥现 有资源的再利用价值 。根据需要整合物联网、无线 GPRS、视频监控和神经网络预测等新技术的应用， 充分挖掘土壤墒情 、流量/水位监测 、气象(水情 、旱 情 、虫情)等灌区主要特征数据中的有用价值 ，实 时动态感知基础环境特征数据信息 ， 经运算分析 形成对应的调控策略，提高灌区管理效率和质量。

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(2)系统互联

大量终端数据采集后 ， 如何将数据可靠传输 到数据分析中心 ， 就成为灌区节水灌溉智慧管理 的通讯网络互联关键 。要充分利用灌区已建成的 光纤 、RS485、RS232 等传统有线通信 ，结合移动互 联网 、GPRS 无线通信 、物联网等通讯新技术，构建 全面融合的“四网”(局域网 、广域网 、卫星网和移 动网)的动态数据传输通道，支撑灌区重点监测对 象的数据、图形和视频等信息的实时传输 。考虑到 灌区节水灌溉监测对象和信息采集系统的多样性 和复杂性 ， 在更新改造过程中要充分整合现有管 理平台的数据信息 ，全面收集工程基础数据(如： 气象 、地质水文 、设计和施工建设等)、调度运行数 据 、实时监测数据和检修维护等多源数据 ， 结合 “四网”技术 ，合理开发灌区节水灌溉的基础信息 平台 、气象信息平台 、虫情墒情平台 、预测预警平 台和智能预测预报平台等多源信息全景平台 。 同 时 ，结合模拟仿真技术 ，充分挖掘数据信息 ，实现 重点监测部位 、水位 、流量 、墒情等信息的动态可 视化三维仿真展示。

(3)智能应用

灌 区 智 慧 管 理 的 最 终 目 标 就 是 实 现 智 能 应

用 。在整合灌区现有自动控制系统的基础上，结合 云网络 、大数据和人工智能等先进技术 ，根据灌区 节水灌溉需求 ，按照人性化 、便捷化和个性化要 求，合理组建灌区节水灌溉业务管理系统 。充分利 用大数据的汇集与存储技术 、接口与服务协议技 术等 ， 有效解决灌区现有系统平台间的协同与信 息交互共享问题 ， 实现智能一体化管理和调度[6]。 针对灌区各级调控和服务对象需求 ， 综合集成与 共享海量数据 ， 实现灌区各级管理单位应用系统 的集成统一，形成灌区节水灌溉的智能化 、自动化 和网络化的智慧管理。

3 智慧灌区信息管理系统结构及功能

3.1 智慧灌区信息管理系统结构

在水利部《智慧水利总体方案(监测整体解决 方案)》的总体框架下 ，分析研究抽洛灌区灌溉现 状及业务需求，以推进用水户 、基层站 、直属站 、灌 区管理单位和各级行业管理机构间的融合 ， 基于 “ 一 测 、一控 、一平台”建立数据共享 、业务兼容的 多元化业务信息管理系统，以实现“数据资源交互

共享 、应用业务协同”为目标的智慧灌区信息自动 化管理系统，其逻辑组成框图如图 1 所示。

图 1 智慧灌区信息管理系统拓扑结构

3.2 智慧灌区信息管理系统功能

(1)数据采集

“ 一测”是指智慧灌区节水灌溉全程数据信息 的统一采集，主要包括灌区基础资料 、水资源监测 (地下水，地表水)、降雨量监测 、气象监测 、渠道水 位(流量)监测 、土壤墒情(虫情)监测等，同时还包 括统 一 采集监视点 、监控点的视频 、图片 、运行工 况等可视化信息 。信息源根据灌区总平面布置，分 设在水源 、加压泵站 、干(支)渠 、闸门 、泵站管理站 和灌区调度中心等监测点和业务相关单位 。智慧 灌区信息自动化管理平台基于物联网 、GPRS 无线 网 、通讯网等接收来自各监测点传感器采集的信 号数据 ，并通过统一数据信息转换建立统一数据 库供不同子系统共享和资源利用。

(2)智能控制

“一控” 是指智慧灌区节水灌溉全程能实现 “现地控制+远程集控”相结合的统一调控 。管理系 统配备有现地手动操作 、 中控室集控和管理中心 遥控三种控制方式 ， 三种控制方式可独立运行也 可以同时运行 。管理人员在现地、中控室和管理中 心通过计算机发出对应的控制命令 ， 由物联网 、 GPRS 无线网 、通讯网等下传控制命令到现地设 备，实现对进水闸 、水泵机组 、开关设备 、监控视频 等设备进行集中控制 。同时，信息自动化平台结合 田间需水要求 ，控制开启与作物需水量相匹配的 机组台数 、闸门开度等运行条件，确保灌区灌溉全 程具备保持在“供需基本平衡”的良好运行局面。

(3)智能灌溉一体化平台

“一平台”是指智慧灌区建设实现智能节水灌

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溉统一平台管理 。基于 win10 操作系统在 WEB 开 发平台开发智能灌溉控制软件及平台 ， 可以实现 用水户 、基层站 、直属站 、灌区管理单位和各级行 业管理机构间的应用业务的统一 。信息自动化管 理平台集成了水雨情动态监测系统 、量测水管理 系统 、配水调度系统 、水费计收管理系统等功能子 系统，通过各系统数据信息的整合和运行分析 ，最 终实现根据作物用水量需求的按需节水灌溉 。可 视化界面实时显示当前土壤参数 (温度 、湿度)、气 象(风速 、雨量 、光照)以及灌溉状态 。采用各种内 置模式控制灌溉设备 ， 实现定量自动灌溉并自动 保存灌溉记录； 在系统软件中可以进行灌溉参数 设置及对灌溉情况进行统计，并在计算机上存储 、 显示。信息化平台可以通过手机、PAD、计算机等信 息终端向管理者推送实时监测信息 、报警信息 ，实 现田间作物的信息化、智能化远程管理 。智能节水 灌溉可视化主界面，如图 2 所示。

图 2 智能节水灌溉可视化主界面

系统采集土壤(温度，湿度)参数 、气象(风速 ， 雨量 ，光照)等信息 ，便于技术人员及时掌握农作 物生长环境信息 ，并根据作物灌溉制度形成对应 的灌溉调控策略 ， 确保按作物生长需求实时精准 灌溉 。通过水位和视频监控模块，能实时监测灌溉 系统水源状况，及时发布缺水 、爆管 、漏水 、低压运 行等预警信息，便于技术人员及时查看及维修 。另 外 ，用户可以通过云平台 、APP 等移动平台 ，无论 身在何处均可通过 4G(5G)网络查看实时数据并 可远控，遇到状况及时处理，确保作物高效生长。

4 智能节水灌溉系统应用实施

2020 年 ，渭南抽洛智慧灌区智能节水灌溉系

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统建成后，管理人员在集控室即可掌握从田间 4G- DTU 上传回管理中心的土壤墒情 、虫情 、气象 、渠 道闸门 、加压水泵 、灌溉流量 、水位等特征数据 ，经 系统内部神经网络智能预测系统形成的对应调控 策略，便于管理人员结合历史灌溉数据 ，根据作物 生长环境信息 、作物生长状况 、灌溉制度等制定相 关的节水灌溉方案，实现智能节水灌溉 。智能节水 灌溉系统实施后，近 2 年运行统计数据分析可知 ， 单 次 灌 水 节 水 率 可 达 15% —20% 。 亩 次 灌 水 按 50m3 估算，万亩每年灌溉可节水 7.5— 10 万 m3，按 灌 溉 用 电 电 费 0.3 元/m3 算 ， 节 水 经 济 效 益 约 2.25— 3 万元 ，农民纯收入总额增加约 2.46— 3.28 万元/年 。 同时，通过实施精准化智能节水灌溉后， 灌区将大幅度缓解水资源的供需紧张局势 ， 减少 新增水资源量的供给 ，增强了水资源保障灌区经 济建设与发展的能力。

5 结束语

利用信息网络技术实现灌区灌溉运行中信息 数据的有效采集 、传输与处理，推动了灌区现代节 水农业的升级 。设计集成计算机技术、自动化控制 技术、4G(5G)网络通信 、视频监控技术等为一体的 智能节水灌溉系统 ， 通过采集环境中的温度 、湿 度 、风速 、雨量 、光照等环境参数，结合作物灌溉制 度自动分析形成对应智能节水灌溉策略 ， 实现农 业灌溉水资源的精细化、精准化和精益化管理 。在 以后智慧灌区系统优化设计中，还需严格遵循“水 利工程补短板 、水利行业强监管”的总基调 ，进一 步拓展信息化管理平台的广度和深度 ， 推动乡村 振兴现代农业建设和精准节水灌溉高质量发展 。 □

参考文献：

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