农田灌溉智能计量与水资源信息化管理研究进展

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　　摘要：中国华北井灌区水资源形势严峻，地下水普遍超采，农业机井点多面广，开采无计量，灌溉缺乏监管措施和控采手段。为了遏制地下水超采局面，开始在机井上推广智能灌溉计量等设备，目标是将自动化技术、智能化技术、监测传感技术、管理信息网络化技术用于井灌区灌溉水资源的管理。在阅读大量文献的基础上，分析讨论了地下水模拟及管理研究、智能计量及灌溉系统和水资源信息化管理系统的国内外研究进展，以期为相关研究提供借鉴。
　　关键词：农田灌溉;智能计量;水资源信息化;节水灌溉
　　中图分类号：S28
　　文献标识码：A
　　DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.039
　　1 引言
　　在华北地区，农业机井点多面广，开采无计量，灌溉缺乏监管措施和控采手段，引起了水资源管理部门的高度重视。河北省根据中央精神，2014年选择了河北省地下水超采最严重的黑龙港流域（包括衡水、沧州、邯郸、邢台市共计49个县）作为治理项目区，开展了华北地区地下水超采综合治理试点工作[1]。
　　据统计，全省灌溉用水量占用水总量的70%以上，其中地下水占灌溉用水量的75%以上，全省节水灌溉率仅为41.4%.灌溉水利用系数仅为0.65，农业用水效率、节水发展水平与全省水资源极度匮乏的形势不相适应。大力发展高效节水灌溉，采取综合节水措施，提高农业用水效率和效益，是减少农业灌溉用水的根本措施，也是落实最严格水资源管理制度的重要手段[2]。
　　为了遏制地下水超采局面，近几年开始在农业节水项目区机井上推广智能灌溉计量等设备，目标是将自动化技术、智能化技术、监测传感技术、管理信息网络化技术用于井灌区灌溉水资源的管理[3]，突破传统、落后灌溉管理方式瓶颈。针对该项问题，本研究以实现井灌区农业用水计量控制、信息化管理为目标，开展了农田灌溉智能计量与水资源信息化管理研究。
　　2 地下水模拟及管理研究
　　2.1 国外研究进展
　　就地下水管理而言，目前无论在研究深度和广度方面，发展中国家与发达国家之间尚存一定差距。西方发达国家在地下水管理方面非常重视，在地下水质量研究、开发利用，土壤中有机物污染，地下水、地表水的迁移、衰减、转化依然是研究者共同关注的问题。国外还开发了许多功能多样的地下水系统数值模拟软件，尤其是MODFLOW，这些模拟软件以其模块化、可视化、交互性、求解方法多样化等特点在地下水管理方面得到广泛使用，其功能不断完善[4-5】。地下水系统数值模拟模型与相关领域模型的耦合[6-7]为地下水管理提供了技术支撑，可以解决更多的实际问题。
　　澳大利亚采取统一管理，以色列实行水资源管理高度集中，韩国颁布较全的地下水法，荷兰征收地下水税，英国建立地下水水源保护区，德国重新修订的《自然保护法》中对开采地下水作出了严格限制，国外各国通过各种政策和科学手段对地下水进行全面管理[8]。美国采用政府引导的水价管理模式，灌溉水价不仅包括运行和管理成本，还包括政府为保护水资源附加的费用。
　　2.2 国内研究进展
　　国内在地下水模拟模型方面颇有成果，可地下水动态模拟中使用的软件大部分是国外软件，国产实用软件极少，能检索到的主要有中国地质大学（武汉）陈崇希等开发的PGMS、中国矿业大学（北京）武强等开发的CSS、中国地质科学院聂振龙等开发的地下水功能评价可视化平台、水利部中央地下水委员会（ CGWB）为水文工程开发的地下水预测与管理系统（ GEMS）等。这些软件与MODFLOW等国外软件比较，有了一定的优化和完善，但都仅在软件编制单位的相关项目中得到应用和验证，还没有实现商业化[9-10]。
　　许多省区把加强地下水管理列为水资源管理的重要工作之一。为了遏制地下水超采和水位下降，各地区、各级水利部门积极控制地下水超采，江苏省全面实施了苏锡常地区全面禁采，并创造出地下水管理“四个一”管理模式;北京市开展了地下水普查，摸清了地下水井数量，全面掌握了污染源分布和地下水水质状况，基础工作水平和管理能力得到较大提升;辽宁省、新疆维吾尔自治区制定了地下水管理地方法规;河南省还开展了地下水保护行动试点;河北省对地下水管理也非常重视，制定了一系列政策及压采要求。
　　3 智能计量及灌溉系统
　　3.1 国外研究进展
　　国外灌溉用水管理正在向信息化、自动化、高效化的方向发展。智能技术、计算机应用技术、气象数据监测技术陆续应用于灌区信息管理和运行决策。与此同时，国外还十分重视灌溉用水管理软件的开发和应用，灌溉用水管理基本上已经达到了信息化、自动化、多功能化的水平。目前，国外智能节水灌溉控制技术能实现以下功能：①根据实时气象数据按需灌水。②避免过量灌溉。智能控制可以根据最小ET值设置，实现根系不同灌溉深度的目标。③系统流量管理和分区灌溉。根据植物的不同类型将灌溉系统分成若干区域，每个区域单独设置运行时间就可以确保每种植物获得需要的水量。④合理利用天然降水。当雨量达到一定值后，传感器就将这一数值信号传到控制器，灌溉系统将自动断停或中断，从而充分利用雨水资源。
　　在管理技术上注重信息化技术应用，采用计算机联网控制，精确灌水，使时间、空间、数量、质量方面恰到好处满足作物不同生育期的需水[11]。
　　1988年H.U.Khan、S.M.khan和T.Husain等为沙特阿拉伯王国水利农业部水资源开发部开发研制国家地下水微机数据库管理系统[12]。该系统存储了井位、水文地质和气候三方面的数据，井位包括井的一般信息、井的结构、井的出水量资料;水文地质包括地质含水层、水文、水位、水质资料;气候包括疆域和地面径流资料。1989年美国密执安州大学水资源系B artholic.J和Vicnx.B研制了美国密执安州内陆水资源环境管理系统，并结合空间信息系统技术和有限元法，建立了密执安州数据库，為广大的水资源管理者提供了决策信息[13-14]。 　　3.2 国内研究进展
　　随着信息化的发展与普及，中国灌溉智能计量得到一定的发展，但地下水智能化管理在中国尚未大面积推广，没有成功的经验可以借鉴，具体技术指标和功能要求较为混乱，制约了智能化计量设施的设备发展和地下水管理的技术进步[15-17]。《国家农业节水纲要（2012- 2020年）》提出建立农业节水体系，健全农业节水管理措施;完善农业用水计量设施，加强水费计收与管理;完善农业节水社会化服务体系，加强技术指导和示范培训;积极推行农业节水信息化，有条件的灌区要实行灌溉用水自动化[18-19]，数字化管理，实行分区指导。目前黄淮海地区，包括北京、天津、河北、山东、河南五省（市）和山西东部以及江苏、安徽两省北部，都在推广用水计量和智能控制水资源保护技术。
　　4 水资源信息化管理系统
　　4.1 国外研究进展
　　发达国家节水灌溉技术的基本特点是高技术、高投入和管理现代化，同时高效益则是维系节水灌溉能否持续发展的经济基础。在精量控制用技术方面，发达国家普遍采用灌溉预报、遥感遥测、传感器监测与计算机信息处理与智能控制等技术，对灌区用水进行监测预报与实时信息采集，实施用水管理的自动化。如以色列的微、滴灌系统，美国的恒压喷灌系统都采用自动控制。
　　特别是20世纪90年代精准农业（Precision Agriculture）的发展，“3S”技术支持的田间微尺度空间变异条件下的精准变量控制灌溉技术达到较大幅度的示范，形成了集土壤水分监测系统、灌溉设备自动化控制、变量灌溉、施肥系统一整套精量控制用水的智能灌溉系统[20]。综上分析，节水农业技术体系未来发展趋势可概况为节水模式集成化、节水技术高新化、管理模式信息化、节水布局区域化、节水推广产业化。
　　4.2 国内研究进展
　　国内近些年已经开始研究基于MODFLOW和WebGIS的灌溉信息化系统整合研究[21]。在国内，随着GIS技术的发展，地下水模型与GIS的集成开发处于起步阶段，主要体现在利用GIS軟件进行图层信息的分层管理、自动绘制等值线图、控制点的添加、空间查询等方面，为地下水资源的合理开发和利用提供了科学依据[22-24]。从现有的资料来看，地下水流数值模拟软件主要有两类，分别是河北保定水文地质工程地质研究所GWMSI.O（三维地下水水流和溶质运移模型系统（ 2001）和清华兴达地下水地理信息系统软件，但是到目前为止还没有一个完善可以普及使用的软件。在地下水模型与GIS集成方面的研究有地下水模型与MAPGIS的耦合集成[25]，苏州、武进地区地下水资源管理所进行的地下水资源评价模型与GIS集成研究[26]，清华大学的魏家华[27-28]等人在对北京密怀顺的地下水模型中基于GIS建立了一个可以交互式剖分的建模环境。
　　5 总结
　　在阅读相关文献时，发现对于农田灌溉智能计量与水资源信息化管理的整合研究较少，利用智能灌溉设备获取数据模拟地下水状况以及对水资源进行精细化控制管理的相关研究可作为一个研究方向，对于改善目前河北省水资源形势会有很大的帮助。
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