鄭振浩，程闖闖

（1.寧波市農(nóng)村水利管理處，浙江 寧波 315000；2.寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000）

1 問題的提出

灌溉水有效利用系數(shù)是指灌入田間可被作物利用的水量與灌溉系統(tǒng)取用的灌溉總水量的比值，反映灌區(qū)渠系輸水和田間灌溉用水狀況，是衡量灌區(qū)從水源引水到田間作物水分利用過程中灌溉水利用程度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是國(guó)家實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”控制的主要指標(biāo)之一，是浙江省“五水共治”中“保供水、抓節(jié)水”的重要抓手，也是《“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)方案》中用水強(qiáng)度三大控制目標(biāo)之一，科學(xué)反映各地區(qū)農(nóng)田灌溉用水管理水平，是農(nóng)田水利建設(shè)的重要依據(jù)，對(duì)于促進(jìn)最嚴(yán)格水資源管理制度的貫徹落實(shí)、節(jié)約和保障農(nóng)田灌溉用水具有重要指導(dǎo)意義。

以往的測(cè)算工作多以人工量水和系數(shù)計(jì)算，存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、易被篡改、效率低下、監(jiān)管難度大等缺點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步，先進(jìn)技術(shù)在農(nóng)田水利行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，充分發(fā)揮自動(dòng)化、信息化等先進(jìn)技術(shù)手段，構(gòu)建寧波市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)智能測(cè)算分析管理系統(tǒng)，可大為提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作的自動(dòng)化水平和信息化管理水平，為全省甚至全國(guó)推廣提供現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)為領(lǐng)導(dǎo)決策提供重要數(shù)據(jù)支撐。

2 灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析方法

寧波市樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析采用首尾分析法，其計(jì)算步驟：首先選取典型田塊，然后依照一定方法測(cè)算分析典型田塊年畝均凈灌溉用水量；其次，分析計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水量；最后，以樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水量、年毛灌溉用水量為基礎(chǔ)，分析計(jì)算得到樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)。

樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算流程見圖1。

圖1 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算流程圖

2.1 首尾測(cè)算分析法

采用首尾測(cè)算分析法，即直接用灌入田間可被作物吸收利用的水量（凈灌溉用水量）與灌區(qū)從水源取用的灌溉總水量（毛灌溉用水量）的比值來計(jì)算灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：η為樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W凈為樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量，萬m3；W毛為樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉用水量，萬m3。

2.2 灌區(qū)凈灌溉用水量計(jì)算

灌區(qū)凈灌溉用水量W凈由灌區(qū)內(nèi)各作物畝均凈灌溉用水量與對(duì)應(yīng)作物實(shí)際灌溉面積相乘累加得到，計(jì)算公式如下：

式中：W凈為樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量，萬m3；wij為樣點(diǎn)灌區(qū)第j個(gè)片區(qū)第i種作物畝均凈灌溉用水量，m3/畝；Aij為樣點(diǎn)灌區(qū)第j個(gè)片區(qū)第i種作物實(shí)際灌溉面積，萬畝；n為樣點(diǎn)灌區(qū)片區(qū)數(shù)量，個(gè)；m為不同片區(qū)下對(duì)應(yīng)的作物種類，種。

2.3 灌區(qū)毛灌溉用水量計(jì)算

灌區(qū)毛灌溉用水量W毛是指灌區(qū)全年從水源（1個(gè)或多個(gè)）取用的用于農(nóng)田灌溉的總水量，計(jì)算公式如下：

式中：W毛為樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉用水量，萬m3；W毛i為樣點(diǎn)灌區(qū)第i個(gè)水源年取水量（灌溉水量），萬m3；n為樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水源數(shù)量，個(gè)。

3 自動(dòng)化量水設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)感知系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)實(shí)際田塊提水方式，一般包括渠道自流和水泵提水2種方式，所以在本項(xiàng)目中物聯(lián)感知系統(tǒng)的主要任務(wù)就是分別實(shí)時(shí)感知監(jiān)測(cè)明渠流量、提水管道流量和降雨量，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，處理入庫(kù)，供測(cè)算分析系統(tǒng)使用，系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖2。

圖2 感知系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 灌溉水量感知量測(cè)

3.2.1 明渠流量監(jiān)測(cè)

明渠流量監(jiān)測(cè)采用超聲波流量計(jì)。超聲波明渠流量計(jì)的工作原理是利用超聲波技術(shù)，通過測(cè)量流體液位高度，再經(jīng)過儀器內(nèi)部的微處理器運(yùn)算得到流量。

從儀表上輸出的電信號(hào)有3種：4 ～ 20 mA電流信號(hào)，為瞬時(shí)流量；繼電器的開關(guān)量，根據(jù)參數(shù)設(shè)置，或按每累計(jì)多少流量動(dòng)作1次，或按液位的報(bào)警點(diǎn)，或按液位的上下限動(dòng)作；RS - 485信號(hào)，為瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。

明渠流量計(jì)可以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)瞬時(shí)流量和累積水量，并在液晶屏上同步顯示。為便于查看數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)地儲(chǔ)存，方便隨時(shí)調(diào)用查看。該設(shè)備主要功能：①自動(dòng)采集水位信息，并自動(dòng)計(jì)算瞬時(shí)流量、累計(jì)水量；②采集水位信息（測(cè)流）間隙時(shí)間可以控制在很短的時(shí)間內(nèi)，基本相當(dāng)于連續(xù)測(cè)流，測(cè)量精度高；③便于后期功能拓展，為今后實(shí)現(xiàn)信息化管理預(yù)留接口。

3.2.2 管道流量監(jiān)測(cè)

管道流量采用超聲波外夾式管道流量計(jì)。超聲波外夾式管道流量計(jì)是基于時(shí)差技術(shù)的超聲波儀表，應(yīng)用非插入式外夾安裝方式，提供優(yōu)異的性能。超聲波換能器發(fā)射和接收穿過管道壁的聲波信號(hào)，流體折射角由斯涅耳折射定律決定。外夾式換能器采用反射式安裝結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 超聲波外夾式管道流量計(jì)原理圖

3.3 降雨量監(jiān)測(cè)

寧波市年均降水量1506.0 mm，且降水時(shí)間分布主要集中于4 — 10月，與農(nóng)作物生長(zhǎng)重合度高，因此雨量作為灌溉用水量測(cè)計(jì)算的“特殊因素”必須考慮，作為凈灌溉用水量的一個(gè)重要組成部分。降雨量量測(cè)采用翻斗式雨量計(jì)，精度為0.5 mm，即每發(fā)生0.5 mm降雨，雨量計(jì)就輸出1個(gè)信號(hào)，供遙測(cè)終端采集計(jì)數(shù)，發(fā)訊方式為雙觸點(diǎn)通斷信號(hào)輸出。

4 測(cè)算分析系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

寧波市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)智能測(cè)算分析系統(tǒng)基于GIS平臺(tái)技術(shù)，以田間量水遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，基于B/S形式開發(fā)，在電子平臺(tái)上顯示全面詳細(xì)的灌區(qū)、典型田塊、渠首、量水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息，并提供相關(guān)信息的查詢、分析、統(tǒng)計(jì)和預(yù)警等功能，并通過首尾測(cè)算分析法進(jìn)行灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，為灌溉水有效利用系數(shù)管理工作提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息支持服務(wù)。

（1）灌區(qū)信息模塊。灌區(qū)、典型田塊、渠首的基本信息表，在地圖上標(biāo)出灌區(qū)、典型田塊、渠首的位置和范圍，以及相關(guān)田塊和設(shè)備照片。

（2）量水監(jiān)測(cè)模塊。通過列表和過程線展示渠首和典型田塊進(jìn)出口量測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)；對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；通過量水歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出灌水次數(shù)、歷時(shí)、灌水量等量水統(tǒng)計(jì)功能。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)量水統(tǒng)計(jì)，通過灌排水歷史流量表，統(tǒng)計(jì)出灌排開始時(shí)間、灌溉歷時(shí)、灌排水量、平均流量、灌溉次數(shù)等，并提供降水排水篩選功能，即通過排水與降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比自動(dòng)篩選并標(biāo)注出降水達(dá)到5.0 mm的日期灌排水記錄，管理員可據(jù)此剔除降雨期渠道排水產(chǎn)生的水量。

（3）雨情監(jiān)測(cè)模塊。灌區(qū)典型雨量站數(shù)據(jù)的展示和查詢，以輔助作物灌水量分析。

（4）信息錄入模塊。灌區(qū)基本信息、作物信息、田塊信息、渠首信息、量水記錄的編輯和錄入。

（5）系數(shù)計(jì)算模塊?；谑孜矞y(cè)算分析法可按步驟實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的自動(dòng)計(jì)算和區(qū)縣灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算。

（6）考核管理模塊。對(duì)各灌溉水有效利用系數(shù)管理工作中產(chǎn)生的報(bào)告、臺(tái)賬等文檔進(jìn)行管理，查詢和分析灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的成果。

（7）賬戶管理模塊。對(duì)本管理系統(tǒng)的使用用戶進(jìn)行權(quán)限管理，由市級(jí)管理員分配各區(qū)縣（市）管理賬號(hào)，各區(qū)縣（市）管理員僅能操作和管理本區(qū)縣（市）的灌區(qū)、田塊、量水設(shè)施等信息管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過近幾年的逐步推廣完善，寧波市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作基本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、系數(shù)測(cè)算信息化、工作考核網(wǎng)絡(luò)化的“三化”目標(biāo)，大大降低測(cè)算分析工作中的主觀誤差和數(shù)據(jù)缺失，進(jìn)一步提升測(cè)算和考核成果的客觀性和準(zhǔn)確性。這一局面的實(shí)現(xiàn)得益于先進(jìn)的物聯(lián)感知技術(shù)、數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)（通信技術(shù)）以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有效應(yīng)用，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，為各行各業(yè)的業(yè)務(wù)升級(jí)改造提供一個(gè)新的解決方案，信息時(shí)代新技術(shù)與行業(yè)新需求的深度融合勢(shì)必為灌區(qū)管理帶來更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

（責(zé)任編輯 黃 超）

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