農(nóng)田灌溉智能計量與水資源信息化管理研究進展

牛巖　雷光宇

摘要：中國華北井灌區(qū)水資源形勢嚴峻，地下水普遍超采，農(nóng)業(yè)機井點多面廣，開采無計量，灌溉缺乏監(jiān)管措施和控采手段。為了遏制地下水超采局面，開始在機井上推廣智能灌溉計量等設備，目標是將自動化技術、智能化技術、監(jiān)測傳感技術、管理信息網(wǎng)絡化技術用于井灌區(qū)灌溉水資源的管理。在閱讀大量文獻的基礎上，分析討論了地下水模擬及管理研究、智能計量及灌溉系統(tǒng)和水資源信息化管理系統(tǒng)的國內(nèi)外研究進展，以期為相關研究提供借鑒。

關鍵詞：農(nóng)田灌溉;智能計量;水資源信息化;節(jié)水灌溉

中圖分類號：S28

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.039

1 引言

在華北地區(qū)，農(nóng)業(yè)機井點多面廣，開采無計量，灌溉缺乏監(jiān)管措施和控采手段，引起了水資源管理部門的高度重視。河北省根據(jù)中央精神，2014年選擇了河北省地下水超采最嚴重的黑龍港流域（包括衡水、滄州、邯鄲、邢臺市共計49個縣）作為治理項目區(qū)，開展了華北地區(qū)地下水超采綜合治理試點工作[1]。

據(jù)統(tǒng)計，全省灌溉用水量占用水總量的70%以上，其中地下水占灌溉用水量的75%以上，全省節(jié)水灌溉率僅為41.4%.灌溉水利用系數(shù)僅為0.65，農(nóng)業(yè)用水效率、節(jié)水發(fā)展水平與全省水資源極度匱乏的形勢不相適應。大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉，采取綜合節(jié)水措施，提高農(nóng)業(yè)用水效率和效益，是減少農(nóng)業(yè)灌溉用水的根本措施，也是落實最嚴格水資源管理制度的重要手段[2]。

為了遏制地下水超采局面，近幾年開始在農(nóng)業(yè)節(jié)水項目區(qū)機井上推廣智能灌溉計量等設備，目標是將自動化技術、智能化技術、監(jiān)測傳感技術、管理信息網(wǎng)絡化技術用于井灌區(qū)灌溉水資源的管理[3]，突破傳統(tǒng)、落后灌溉管理方式瓶頸。針對該項問題，本研究以實現(xiàn)井灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計量控制、信息化管理為目標，開展了農(nóng)田灌溉智能計量與水資源信息化管理研究。

2 地下水模擬及管理研究

2.1 國外研究進展

就地下水管理而言，目前無論在研究深度和廣度方面，發(fā)展中國家與發(fā)達國家之間尚存一定差距。西方發(fā)達國家在地下水管理方面非常重視，在地下水質量研究、開發(fā)利用，土壤中有機物污染，地下水、地表水的遷移、衰減、轉化依然是研究者共同關注的問題。國外還開發(fā)了許多功能多樣的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，尤其是MODFLOW，這些模擬軟件以其模塊化、可視化、交互性、求解方法多樣化等特點在地下水管理方面得到廣泛使用，其功能不斷完善[4-5】。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與相關領域模型的耦合[6-7]為地下水管理提供了技術支撐，可以解決更多的實際問題。

澳大利亞采取統(tǒng)一管理，以色列實行水資源管理高度集中，韓國頒布較全的地下水法，荷蘭征收地下水稅，英國建立地下水水源保護區(qū)，德國重新修訂的《自然保護法》中對開采地下水作出了嚴格限制，國外各國通過各種政策和科學手段對地下水進行全面管理[8]。美國采用政府引導的水價管理模式，灌溉水價不僅包括運行和管理成本，還包括政府為保護水資源附加的費用。

2.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)在地下水模擬模型方面頗有成果，可地下水動態(tài)模擬中使用的軟件大部分是國外軟件，國產(chǎn)實用軟件極少，能檢索到的主要有中國地質大學（武漢）陳崇希等開發(fā)的PGMS、中國礦業(yè)大學（北京）武強等開發(fā)的CSS、中國地質科學院聶振龍等開發(fā)的地下水功能評價可視化平臺、水利部中央地下水委員會（ CGWB）為水文工程開發(fā)的地下水預測與管理系統(tǒng)（ GEMS）等。這些軟件與MODFLOW等國外軟件比較，有了一定的優(yōu)化和完善，但都僅在軟件編制單位的相關項目中得到應用和驗證，還沒有實現(xiàn)商業(yè)化[9-10]。

許多省區(qū)把加強地下水管理列為水資源管理的重要工作之一。為了遏制地下水超采和水位下降，各地區(qū)、各級水利部門積極控制地下水超采，江蘇省全面實施了蘇錫常地區(qū)全面禁采，并創(chuàng)造出地下水管理“四個一”管理模式;北京市開展了地下水普查，摸清了地下水井數(shù)量，全面掌握了污染源分布和地下水水質狀況，基礎工作水平和管理能力得到較大提升;遼寧省、新疆維吾爾自治區(qū)制定了地下水管理地方法規(guī);河南省還開展了地下水保護行動試點;河北省對地下水管理也非常重視，制定了一系列政策及壓采要求。

3 智能計量及灌溉系統(tǒng)

3.1 國外研究進展

國外灌溉用水管理正在向信息化、自動化、高效化的方向發(fā)展。智能技術、計算機應用技術、氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測技術陸續(xù)應用于灌區(qū)信息管理和運行決策。與此同時，國外還十分重視灌溉用水管理軟件的開發(fā)和應用，灌溉用水管理基本上已經(jīng)達到了信息化、自動化、多功能化的水平。目前，國外智能節(jié)水灌溉控制技術能實現(xiàn)以下功能：①根據(jù)實時氣象數(shù)據(jù)按需灌水。②避免過量灌溉。智能控制可以根據(jù)最小ET值設置，實現(xiàn)根系不同灌溉深度的目標。③系統(tǒng)流量管理和分區(qū)灌溉。根據(jù)植物的不同類型將灌溉系統(tǒng)分成若干區(qū)域，每個區(qū)域單獨設置運行時間就可以確保每種植物獲得需要的水量。④合理利用天然降水。當雨量達到一定值后，傳感器就將這一數(shù)值信號傳到控制器，灌溉系統(tǒng)將自動斷停或中斷，從而充分利用雨水資源。

在管理技術上注重信息化技術應用，采用計算機聯(lián)網(wǎng)控制，精確灌水，使時間、空間、數(shù)量、質量方面恰到好處滿足作物不同生育期的需水[11]。

1988年H.U.Khan、S.M.khan和T.Husain等為沙特阿拉伯王國水利農(nóng)業(yè)部水資源開發(fā)部開發(fā)研制國家地下水微機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)存儲了井位、水文地質和氣候三方面的數(shù)據(jù)，井位包括井的一般信息、井的結構、井的出水量資料;水文地質包括地質含水層、水文、水位、水質資料;氣候包括疆域和地面徑流資料。1989年美國密執(zhí)安州大學水資源系B artholic.J和Vicnx.B研制了美國密執(zhí)安州內(nèi)陸水資源環(huán)境管理系統(tǒng)，并結合空間信息系統(tǒng)技術和有限元法，建立了密執(zhí)安州數(shù)據(jù)庫，為廣大的水資源管理者提供了決策信息[13-14]。

3.2 國內(nèi)研究進展

隨著信息化的發(fā)展與普及，中國灌溉智能計量得到一定的發(fā)展，但地下水智能化管理在中國尚未大面積推廣，沒有成功的經(jīng)驗可以借鑒，具體技術指標和功能要求較為混亂，制約了智能化計量設施的設備發(fā)展和地下水管理的技術進步[15-17]。《國家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要（2012- 2020年）》提出建立農(nóng)業(yè)節(jié)水體系，健全農(nóng)業(yè)節(jié)水管理措施;完善農(nóng)業(yè)用水計量設施，加強水費計收與管理;完善農(nóng)業(yè)節(jié)水社會化服務體系，加強技術指導和示范培訓;積極推行農(nóng)業(yè)節(jié)水信息化，有條件的灌區(qū)要實行灌溉用水自動化[18-19]，數(shù)字化管理，實行分區(qū)指導。目前黃淮海地區(qū)，包括北京、天津、河北、山東、河南五省（市）和山西東部以及江蘇、安徽兩省北部，都在推廣用水計量和智能控制水資源保護技術。

4 水資源信息化管理系統(tǒng)

4.1 國外研究進展

發(fā)達國家節(jié)水灌溉技術的基本特點是高技術、高投入和管理現(xiàn)代化，同時高效益則是維系節(jié)水灌溉能否持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟基礎。在精量控制用技術方面，發(fā)達國家普遍采用灌溉預報、遙感遙測、傳感器監(jiān)測與計算機信息處理與智能控制等技術，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預報與實時信息采集，實施用水管理的自動化。如以色列的微、滴灌系統(tǒng)，美國的恒壓噴灌系統(tǒng)都采用自動控制。

特別是20世紀90年代精準農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）的發(fā)展，“3S”技術支持的田間微尺度空間變異條件下的精準變量控制灌溉技術達到較大幅度的示范，形成了集土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)、灌溉設備自動化控制、變量灌溉、施肥系統(tǒng)一整套精量控制用水的智能灌溉系統(tǒng)[20]。綜上分析，節(jié)水農(nóng)業(yè)技術體系未來發(fā)展趨勢可概況為節(jié)水模式集成化、節(jié)水技術高新化、管理模式信息化、節(jié)水布局區(qū)域化、節(jié)水推廣產(chǎn)業(yè)化。

4.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)近些年已經(jīng)開始研究基于MODFLOW和WebGIS的灌溉信息化系統(tǒng)整合研究[21]。在國內(nèi)，隨著GIS技術的發(fā)展，地下水模型與GIS的集成開發(fā)處于起步階段，主要體現(xiàn)在利用GIS軟件進行圖層信息的分層管理、自動繪制等值線圖、控制點的添加、空間查詢等方面，為地下水資源的合理開發(fā)和利用提供了科學依據(jù)[22-24]。從現(xiàn)有的資料來看，地下水流數(shù)值模擬軟件主要有兩類，分別是河北保定水文地質工程地質研究所GWMSI.O（三維地下水水流和溶質運移模型系統(tǒng)（ 2001）和清華興達地下水地理信息系統(tǒng)軟件，但是到目前為止還沒有一個完善可以普及使用的軟件。在地下水模型與GIS集成方面的研究有地下水模型與MAPGIS的耦合集成[25]，蘇州、武進地區(qū)地下水資源管理所進行的地下水資源評價模型與GIS集成研究[26]，清華大學的魏家華[27-28]等人在對北京密懷順的地下水模型中基于GIS建立了一個可以交互式剖分的建模環(huán)境。

5 總結

在閱讀相關文獻時，發(fā)現(xiàn)對于農(nóng)田灌溉智能計量與水資源信息化管理的整合研究較少，利用智能灌溉設備獲取數(shù)據(jù)模擬地下水狀況以及對水資源進行精細化控制管理的相關研究可作為一個研究方向，對于改善目前河北省水資源形勢會有很大的幫助。

參考文獻：

[1]邢榮利.衡水市桃城區(qū)“一提一補”節(jié)水機制的形成與應用[J].河北水利，2014（5）：9-10.

[2]連少偉，呂旺，李靜，等.河北省井灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水計量模式的探索與分析[J].河北水利，2012 （4）： 22.

[3]武保國.農(nóng)業(yè)灌溉計量智能IC卡控制技術在唐山的試驗示范推廣[J].水科學與工程技術，2008（6）：68-69.

[4]王仕琴.地下水模型MODFLOW與GIS的整合研究[D]北京：中國地質大學，2006.

[5]郭衛(wèi)星，盧國平.模塊化三維有限差分地下水流動模型[M].南京：南京大學出版社，1999.

[6] GEMM ER M.Decision support for flood risk managementat the Yangtze River by GIS RS based flood damageestimation[M].Giessen： Shaker， 2004.

[7] BHUYAN S J，MARZEN L J.Assessment of runoff andsediment yield using remote sensing， GIS， and AGNPS[J].Soil and Water Conservation， 2002， 57（6）：351-3 64.

[8] David M.Diodato.Soft、Arare spotligt[J].Ground Water，2001， 36（3）：3-4.

[9]張永波，張雪松，張禮中.地下水資源信息化管理的可視化技術應用[J].地理學與國土研究，2002（1）：87-89.

[10]李玉平.節(jié)水灌溉智能決策與管理專家系統(tǒng)研究[D].成陽：西北農(nóng)林科技大學，2006.

[11]FRANCISCO J， MONTERO R， ANTOMO B R.Land andwater use management in vine growing by usinggeographic information systems in CastillaLa Mancha，Spain[J].Agricultural Water Management， 2005（ 77）：82-95.

[12] H.U.Khan，S.M.khan，T.Husain，et a1.應用微機的地下資源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[J].河海大學科技情報，1992，20（3）：125-129.

[13]崔琰.利用GIS組件開發(fā)灌溉信息管理系統(tǒng)的研究[D1成陽：西北農(nóng)林科技大學，2003.

[14]姜斌，邵天一.國外地下水管理制度經(jīng)驗借鑒[J].水利發(fā)展研究，2010（ 6）： 68-73.

[15]楊井泉，王中根，于磊，等.縣級農(nóng)業(yè)灌溉智能決策工具的開發(fā)和應用[J].南水北調(diào)與水利科技，2014（3）： 180-185.

[16]熊偉.淺談農(nóng)業(yè)灌溉地下水智能計量設施的基本功能及技術要求[J].節(jié)水灌溉，2011（ 6）： 63-64，67.

[17]王驥，沈玉立，周文靜.基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能灌溉系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術，2008（ 15）：94-97.

[18]陳智芳，王景雷，劉祖貴，等.基于WebGIS的多指標灌溉信息管理系統(tǒng)[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2013 （9）： 1781-1789.

[19]周明耀，邵孝侯.精確灌溉技術體系研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2002 （2）： 35-37.

[20]盧麗娜.國外農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展現(xiàn)狀及特點[J].中國農(nóng)村小康科技，2007 （4）： 23-26.

[21]王仕琴.地下水模型MODFLOW與GIS的整合研究[D].北京：中國地質大學，2006.

[22]沈杰輝.基于GIS的灌溉信息管理和控制決策系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[23]葉勇.WebGIS與數(shù)據(jù)庫技術在地下水資源信息化管理中的應用[D].長春：吉林大學，2007.

[24]李玲.華北平原大型區(qū)域地下水流數(shù)值模型的構建與應用[D].北京：中國地質大學，2013.

[25]周德亮，丁繼紅，馬生忠.基于GIS的地下水模擬可視化系統(tǒng)開發(fā)的初步探討[J].吉林大學學報c地球科學版）， 2002， 32 （2）： 159-165.

[26]楊旭，黃家柱，陶建岳.基于GIS的地下水流可視化模擬系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代測繪，2005，28 （2）： 13-16.

[27]魏家華，王光謙，張紅武，等.基于GIS的地下水建模[J].工程勘察，2003 （4）： 27-31.

[28]魏家華，王光謙，李慈君，等.基于GIS的地下水資源評價[J].清華大學學報（自然科學版），2003，43（8）：1105-1107.