灌溉設備信息化技術的應用研究

龐復添，梁 丹，陳前軍

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

我國自古以來都是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)其平穩(wěn)運行是國家民生、經(jīng)濟良好發(fā)展的基本保障。二十大報告中明確提出要全面推進鄉(xiāng)村振興，加快建設農(nóng)業(yè)強國，展示了打造與我國大國地位相稱農(nóng)業(yè)強國的信心與決心，為中國式農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化指明了方向。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，灌溉工程的不斷發(fā)展以及水資源的合理使用對于農(nóng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著十分重大的意義，工程的運行維穩(wěn)和管理還有灌溉質量的監(jiān)控是其主要的工作內(nèi)容，灌溉工程信息技術的應用也在隨著社會的飛速發(fā)展而加大管理力度。通過建立完善的制度和完整的運作程序可以打破傳統(tǒng)的管理模式，提升管理的效率，使得規(guī)劃中的節(jié)水效果可以在實際的灌區(qū)灌溉中得以實現(xiàn)，從而降低用水成本，促進水資源的節(jié)約。

1 灌溉設備信息化的重要性

目前，灌區(qū)的主要灌溉設備一般由水泵、水肥一體機、管道以及各類噴頭等組成。傳統(tǒng)的灌溉方式是人工開啟水泵，水經(jīng)過管道自動輸送到種植區(qū)，通過噴頭進行澆灌，完成澆灌任務后再由人工關閉水泵。這種由簡單的人工控制農(nóng)作物澆灌時間和水量的方式，是一種比較粗放的使用管理方式，不能根據(jù)灌區(qū)及作物實際情況精準高效地控制水量，有可能造成農(nóng)作物水多或水少的問題。而灌溉設備信息化就是在上述傳統(tǒng)灌溉設備的基礎上，增加了信息采集器（包括土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器和土壤墑情傳感器）和灌溉噴頭控制器等設備，并將所有設備通過網(wǎng)絡信息傳輸控制的方式納入智慧灌溉系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。首先是布置在各個農(nóng)作物種植區(qū)的信息采集器通過網(wǎng)絡信號傳輸?shù)姆绞剑瑢崟r將農(nóng)作物、土壤和天氣等情況傳輸回智慧灌溉系統(tǒng)。其次，經(jīng)過系統(tǒng)計算分析后，即可自動打開相應水泵進行水量運輸。最后再由網(wǎng)絡信號傳輸控制的方式，通過灌溉噴頭控制器控制對應區(qū)域的噴頭開啟，使其在根據(jù)當下農(nóng)作物的需水量來進行澆灌，在這過程中信息采集器也實時監(jiān)測并反饋信息，從而控制水泵和噴頭的關閉，這樣就能通過設備信息化實現(xiàn)精準高效灌溉。

通過科學的方式將灌溉設備信息化，并運用到節(jié)水灌溉工程上，能夠提高灌溉效率，準確地實現(xiàn)灌溉目標。信息技術在灌區(qū)水情方面的運用，能夠準確地記錄反饋水位、水量和流量等水利參數(shù)，以便于水資源的優(yōu)化配置。對于農(nóng)業(yè)灌溉的工作人員來說，了解灌區(qū)內(nèi)作物的習性和生長狀況是十分有必要的，信息技術實時數(shù)據(jù)的即時性和大數(shù)據(jù)的多樣性，能夠讓工作人員更準確、更全面地掌握灌區(qū)內(nèi)作物的生長狀況，也讓工作人員對不同的狀態(tài)下的作物所做出的決策更有說服力。

而在節(jié)水灌溉方面的運用，工作人員通過對信息技術的應用，可以使灌溉設備的灌水量更精確，灌溉時間更合理，可以在用水情況上實現(xiàn)實時的監(jiān)控和控制。實行信息化管理，通過創(chuàng)建網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)并運用到灌區(qū)灌溉工程中，不僅可以全面管理和存儲數(shù)據(jù)信息，還能實現(xiàn)資源共享，精準控制，節(jié)約成本[1]。除此之外先進的信息設備足以替代一部分人工，降低管理方面成本，增加人力資源集成度，實現(xiàn)工程項目節(jié)約成本的目標。

2 智慧灌溉系統(tǒng)建立的信息技術

對于智慧灌溉信息化系統(tǒng)的建設有兩個核心的要求：首先是收集多年平均歷史數(shù)據(jù)，包括灌區(qū)來水量、用水量、不同農(nóng)作物的灌溉定額等，并對灌區(qū)長系列數(shù)據(jù)進行整理，獲得滿足灌區(qū)工作要求的歷史資料，通過信息技術對此進行大數(shù)據(jù)處理分析和動態(tài)管理。其次是對于水資源的監(jiān)控，可利用信息設備和技術，實現(xiàn)實時調(diào)度，便于管理。對于兩個核心功能的建設是實現(xiàn)灌溉信息化技術系統(tǒng)的重要目標，使在灌溉中所有的資源都能得到有效發(fā)揮，是信息化技術的優(yōu)勢。為了便于這兩個核心功能的實現(xiàn)，可采用分化的制度來建設，一是信息數(shù)據(jù)的采集和管理系統(tǒng)，另一個是調(diào)度管理水資源的系統(tǒng)，見圖1。

圖1 智慧灌溉信息化系統(tǒng)運行機制

在智慧灌溉系統(tǒng)中，對于灌區(qū)模型的建立，可以通過遙感和圖片成像等信息化技術，對灌區(qū)地形和渠道進行技術采集并建立3D 模型，利用科技技術使信息在系統(tǒng)上實時傳輸。此外，系統(tǒng)還會全天候運作對灌區(qū)進行嚴密的監(jiān)控，保證灌區(qū)的正常運作，一旦出現(xiàn)問題將會第一時間發(fā)現(xiàn)，并得到及時處理。另一個水力分析模塊，包含降雨量、灌區(qū)地表和地下水來流量、渠道沿途損失水量等數(shù)據(jù)信息處理，依照水力學計算分析得出相關結果。最后在水資源管理系統(tǒng)模塊，工作人員就可以針對不同水量和不同作物情況，結合實時天氣信息，合理安排灌溉時間和控制用水量，對水資源的調(diào)度實現(xiàn)合理化，使灌溉效果趨于最佳化。與此同時，為了保證灌溉工作呈現(xiàn)出最好的效果，還可以根據(jù)系統(tǒng)對配水量的計算結果，在實際灌溉運用以前進行相應的實驗和調(diào)整。

通過對基礎網(wǎng)絡的搭建和對基礎數(shù)據(jù)庫整理而建立成的智慧灌溉信息技術化系統(tǒng)，一定要對數(shù)據(jù)的質量嚴格把關。數(shù)據(jù)的真實準確性及時效性都是非常重要的，數(shù)據(jù)庫的建立和設計是整個系統(tǒng)的基礎，是系統(tǒng)得以完善的重中之重。數(shù)據(jù)庫的結構精確合理，才能對信息數(shù)據(jù)進行高效率的管理和儲存，整個灌溉系統(tǒng)中最基礎的就是信息傳輸網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)的傳送和分享都是通過網(wǎng)絡進行的。

創(chuàng)設系統(tǒng)的實際實施過程中，要把計算機技術和監(jiān)測技術作為基礎。通過嚴格詳細的實際調(diào)研，再按照實際灌溉所需，建立完整全面嚴謹?shù)男畔⒖萍枷到y(tǒng)。系統(tǒng)建立完成后，進入工作的第一步應從對于灌區(qū)內(nèi)部實際的信息采集開始，進而把所有已采集的信息輸入到智慧灌溉的核心系統(tǒng)中，再運用相關的模塊程序對其進行進一步的計算分析。根據(jù)所得到的分析結果，灌區(qū)工作人員再進行合理有科學依據(jù)的灌溉方案制定，得出最優(yōu)的灌溉方案，便于決策人工作。

3 灌溉設備信息化的實際應用效果

3.1 數(shù)據(jù)信息更準確

灌溉設備信息科技化可以為灌區(qū)提供更加精準的大數(shù)據(jù)，還有更加先進的技術支持，可以從更大范圍和更長時間跨度去更精確地分析灌區(qū)特點。由于地域和氣候的不同，南方和北方的灌溉區(qū)也有著不小的差距，對于南方而言，南方多有梅雨季節(jié)，會有長期的大雨量降雨現(xiàn)象并伴隨著洪澇災害的危險，超長的雨季是灌溉區(qū)工程的一項重大的挑戰(zhàn)，見圖2。對于北方來說，雨水的不規(guī)律，沒有預期性，突發(fā)暴雨的可能性很大，這種突發(fā)的強降雨現(xiàn)象更具北方特征，見圖3。

圖2 南方城市各月平均降水量

圖3 北方城市各月平均降水量

而在目前的狀況下，絕大多數(shù)的灌溉區(qū)域還是運用傳統(tǒng)的電話進行信息的輸送，在監(jiān)測環(huán)節(jié)也是采用人工監(jiān)測方式，因此采集到的數(shù)據(jù)量級和準確度都不高，并且還存在一定的滯后性。在科技時代來臨的今天，運用信息科技技術可以從根本上到改善，信息技術系統(tǒng)的構建可以讓數(shù)據(jù)傳送的及時性和準確性都大大增加，實現(xiàn)灌區(qū)的現(xiàn)代化管理，節(jié)省人工，提高效率。因此，對信息化灌區(qū)系統(tǒng)的科學合理化創(chuàng)建就成為了一項重要任務，其可以妥善地解決傳統(tǒng)落后的模式，并且在應對特大暴雨災害、洪水災害和旱災等等的自然災害問題上有著極大的優(yōu)勢。

在提倡環(huán)保節(jié)約用水的今天，對于水資源更合理的運用和更高效的配備是每個灌區(qū)都必需的，那么對于水資源的管理，信息系統(tǒng)的應用就可以給予很大技術支持，得到更合理優(yōu)越的方案。在國家跨地區(qū)搭配幫扶發(fā)展的前提下，將灌溉設備信息科技化技術運用到水資源的優(yōu)化部署，使整個系統(tǒng)程序更加靈活高效。以制度的不斷創(chuàng)新和對政策的不斷研究為基本的出發(fā)點，創(chuàng)建信息化的灌區(qū)管理系統(tǒng)，以保證灌區(qū)內(nèi)的降水用水情形和工作情況都得到及時精確的掌握，大大地增加了工作設備的效能，使流程的運行更加的具有安全性和可信度，而且對于防洪抗旱等問題的水資源調(diào)動指揮工作都能提供更準確、更有依據(jù)的數(shù)據(jù)支持，使調(diào)度工作及時進行得到保障[2]。

3.2 提高水資源的高效利用

灌溉設備信息化對于灌區(qū)灌溉水量的提升效率和水資源的節(jié)約都有著不可忽視的作用，在智慧灌溉系統(tǒng)建立并運行之后，灌溉工程能得到質的提升。先進的科學技術可以使運行設施的效能發(fā)揮到最大，通過信息化手段預測未來一定時間內(nèi)的來水量，結合灌區(qū)儲水量和不同作物的耐旱性，根據(jù)社會實際需求，將水資源實現(xiàn)跨時間用水和跨地區(qū)用水，做到豐水期減少棄水，枯水期合理分配灌溉用水。除此之外，還能滿足更多的灌區(qū)在水資源利用中的實際操作需求，改善了整個系統(tǒng)的收益均衡性，有力地響應了我國對于節(jié)約用水的號召，使水資源的利用更加高效，資源優(yōu)化配置達到最大化。

智慧灌溉系統(tǒng)的建立對數(shù)據(jù)的透明化也產(chǎn)生了極大的促進作用，在灌區(qū)信息展示方面可以做到詳細及時，這也能夠使人們的節(jié)水意識加強，極大地體現(xiàn)了和增強了人民監(jiān)督的作用。同時對于水資源的合理調(diào)用和分配，使灌溉中所產(chǎn)生的浪費極大減少，降低了廢棄水的產(chǎn)生，是節(jié)約用水的最直接的體現(xiàn)。最后，灌區(qū)的智慧灌溉系統(tǒng)就是對于整個管理系統(tǒng)的科學化武裝，實現(xiàn)管理模式的科學化，提升人民的節(jié)水觀念。

3.3 提升管理者的管理水平

在實現(xiàn)信息化的系統(tǒng)的構建的基礎上，首先要實現(xiàn)局域網(wǎng)的構造，以方便工作人員以局域網(wǎng)系統(tǒng)作為操作平臺，展開對工作的深入學習和實際體驗，大幅度提升工作效率，從根本上改變工作理念。先進科學的信息技術的應用，大大提高了灌區(qū)的管理水平，也能使工作的人員的工作理念得到轉變，管理模式得到優(yōu)化提升，灌區(qū)的管理力度得到增強，這是對灌溉行業(yè)的一次重大的改革。因為在信息化灌區(qū)的設備系統(tǒng)后，其運用的技術除了計算機通訊技術之外，還包含了當下大面積普及推廣的互聯(lián)網(wǎng)技術、辦公自動化操控技術和遙感監(jiān)測技術等。工作管理人員通過各種先進科技的結合運用，可以收集、分析、處理有用信息，為調(diào)度工作提供準確的技術支持，很大程度上實現(xiàn)了對于灌區(qū)情況的實時監(jiān)測。

另外，做好灌區(qū)定期維護檢修本是管理工作中必不可少的一個環(huán)節(jié)。但隨著灌區(qū)灌溉設備信息化的使用，對于設備的管理不僅僅只是傳統(tǒng)意義上的檢修更換，還包括灌區(qū)智慧灌溉信息系統(tǒng)的升級改造及相關軟件和硬件更新，讓整個信息系統(tǒng)能夠持續(xù)保有高精度的運行水平。

4 智慧灌溉系統(tǒng)建立的難點及對策

由于我國的國土面積大，所以地區(qū)之間的經(jīng)濟水平也有著極大的差別，一些地區(qū)由于相對偏遠或者是其他因素發(fā)展并不是十分有力，造成了經(jīng)濟水平還比較落后。這個經(jīng)濟差異的特點直接阻礙了對我國對于智慧灌溉系統(tǒng)的推廣和普及，所以在現(xiàn)階段對于灌溉設備信息化的運用還是更廣泛地存在于城市綠化設備和相對發(fā)達地區(qū)的農(nóng)村之中。因此我們要從基礎的設施設備開始著手，增大創(chuàng)建范圍，使信息化覆蓋更廣，讓更多的相對落后的地區(qū)也可以實現(xiàn)信息化，享受到先進的科技帶來的方便[3]。

系統(tǒng)建立之初，對于灌區(qū)當?shù)氐牡乩憝h(huán)境和水情特征的前期考查也是不容忽視的，有的地域存在著嚴重的水土流失的問題，會對灌區(qū)信息中的地形地勢和水量采集產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)誤差，影響數(shù)據(jù)處理的準確性，進而使獲取的數(shù)據(jù)和做出的決策有可能出現(xiàn)錯誤。所以為了保證當?shù)氐墓喔认到y(tǒng)的持續(xù)正常運行，建立一套完善的灌區(qū)信息化系統(tǒng)，必須對建設方案進行因地制宜的改革規(guī)劃，保證所有的工作都可以得到更好的落實。

與此同時，我們還可以建立培訓監(jiān)督機制，以滿足各灌區(qū)和管理單位對智慧灌溉系統(tǒng)的了解和對存在問題反饋的需求，進而能夠對系統(tǒng)進行調(diào)整升級。在方案設計之初要調(diào)查并尊重在基層用水單位所提出的意見，并對基層工作人員進行基礎應用培訓，不定時組織線上線下進階培訓和系統(tǒng)問題答疑，這樣既可以方便系統(tǒng)建立完成之后相關人員可以快速順利地開展工作，又能夠對系統(tǒng)的運行維護起到一定的效果。

5 結語

智慧灌溉系統(tǒng)在灌區(qū)工程項目的運用，就是實現(xiàn)水資源的更高效的利用，響應了國家節(jié)約用水的號召，還能夠實現(xiàn)灌區(qū)的更科學準確的調(diào)度，提升工程的工作效率。對于管理模式和灌溉條件的持續(xù)優(yōu)化，節(jié)約了工程的工作成本。雖然灌溉設備信息化有著諸多優(yōu)勢，但是其進程也必須要循序漸進，不能急于一時。應以不同地域的情況為基準改革灌溉模式，對傳統(tǒng)模式取其精華去其糟粕，從而實現(xiàn)灌溉的全面信息化。