信息技术在农业节水中的应用_赵春江，郑文刚著_9787030311511

本书较为全面系统地介绍了信息技术应用于农业节水的技术方法和应用实践，主要包括农业节水信息系统网络架构、墒情监测技术、节水灌溉自动化控制技术、农用水管理技术、水质监测技术、节水灌溉自动化工程设计与施工、典型应用案例等。
本书是作者多年研究成果的汇总，内容突出新颖性和实用性，可作为农业节水相关专业高年级本科生和研究生的参考用书，也可供从事农业节水教学、科研和管理人员参考使用。

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第1 章　绪　　论
农业节水是我国农业可持续发展的重要方向，信息技术是融合各种农业节水技术、充分发挥灌溉设施作用、实现农业节水效果最大化的重要技术手段。本章提出了信息节水的概念，系统总结分析了国内外信息技术在农业节水中研究应用现状。
1.1 　信息技术与农业节水
我国总体上是一个干旱缺水的国家。随着工业化和城市化进程的加快，供水形势将更加严峻，水资源短缺已成为我国经济与社会持续发展的制约因素。
农业是我国的用水大户。2008 年，农业用水占全国总用水的62.0 % （中华人民共和国水利部，2010），其中90 % 以上是灌溉用水。目前，我国农业水资源浪费严重，灌溉水有效利用系数仅为世界发达国家的56 % ～ 62 % 。农业用水效率方面，全国平均单方灌溉水产粮是世界先进水平国家的30 % ～ 40 % ，单位农产品产量耗水量和万元农业产值耗水量明显高于发达国家水平，旱作农业降水利用率低，进一步提高的潜力很大。随着农产品需求的日益增长，农业用水需求不断增加，但根据我国水资源条件和用水中长期规划，今后相当长时间内农业用水不可能有较大增加。要解决农业用水日趋严重的供需矛盾，必须从根本上调整农业发展思路，转变发展方式，大力发展节水农业。
根据农业用水过程分析，农业节水技术通常可归纳为工程节水技术、农艺节水技术、生物（生理）节水技术和管理节水技术四类。世界发达国家围绕提高灌溉（降）水利用率和作物水分生产率，将信息技术应用于农业节水中，从而大幅度提高了工程节水、农艺节水、生物（生理）节水、管理节水的效果，显现出信息技术对农业节水的重要作用。这种基于信息科学技术而实现农业节水的方式，我们定义为“农业信息节水”（information-based agri-cultural water saving）。用于农业节水的信息技术，我们定义为“农业节水信息技术”（information technology for agricultural water saving）。“农业信息节水”是“农业节水信息技术”的应用过程或结果，“农业节水信息技术”是实现“农业信息节水”的方法手段，也是实现农业节水的重要技术途径，对促进农业节水向现代化方向发展具有重要意义。
1.1.1 　农业信息节水的内涵
农业信息节水是指把先进的感知技术、数据传输技术、自动控制技术以及智能决策等现代信息技术与传统的农业节水技术相融合，用信息流调控农业用水过程，形成的一种新的农业节水技术方式。支持和实现农业信息节水的是农业节水信息技术，主要包括土壤墒情自动监测技术、节水灌溉自动控制技术和用水管理技术、水质自动监测技术等。
农业节水信息技术大幅度提升了现有节水设施的利用效率和用水管理水平，从而提高了水的利用效率和生产效率，促使农业水资源管理由单因素、单目标的静态管理，向多因素、多目标、多层次的动态管理方向发展，推动了传统灌溉管理模式向信息化、数字化、精准化管理模式发展，是对传统农业节水技术的进一步提升。农业信息节水的广度和深度决定了其丰富的内涵，主要表现为农业信息节水的基本目的、实现方法和基本作用。
农业信息节水的基本目的是针对我国农业水资源短缺以及水土资源流失等问题，利用信息技术手段，实现水资源的优化配置、合理开发、高效利用和有效保护，促进我国农业与水资源的可持续发展。农业信息节水给农业节水注入了新的活力，大力发展农业节水信息技术是进一步挖掘农业节水潜力、实现农业高效节水的重要方向。
农业信息节水是感知技术、传输技术、自动控制技术和智能决策等现代信息技术与传统农业节水有机融合的结果。感知技术是农业信息节水的“感觉器官” ，主要完成对农田信息（土壤温湿度和气象信息）、水资源信息以及作物生长生理信息的采集；传输技术是农业信息节水的“神经系统” ，主要完成采集信息从感知部分到智能决策终端的传送，同时负责把决策终端的命令发送到农业节水信息系统的各执行设备；自动控制和智能决策是农业信息节水的“大脑” ，它负责融合各种采集信息，形成相应的智能决策和下发相应的执行命令。
信息技术与传统农业节水技术的相互融合，将使农业水资源的管理方式和开发利用方式发生重大变革，改变过去传统粗放的用水管水方式，实现集约式现代管理。通过建立农业水资源动态监测网络，可实时获取农业水资源广域、大范围的实时动态信息，进而实现农业水源的联合调度与合理优化配置，从而从全局上保证水资源安全；通过智能决策分析技术，可根据农产品市场价格和国家战略发展需求，动态调整农业用水结构，从而最大限度发挥水资源的社会经济价值；通过建立数字化、自动化的灌溉施肥控制系统，不仅可实现农业水资源的高效利用，减少水资源浪费，而且还可大幅度减少传统施肥对环境的污染，从而实现“精细灌溉” 。
1.土壤墒情自动监测技术
土壤水分条件直接关系到农业收成。土壤水分是指作物整个根区剖面的土壤含水量。一个地区气候、地貌、土质、植被及农业生产活动等因素共同决定了当地的农田土壤水分状况，其中大气降水是影响土壤水分变化的最主要因素。此外，土壤水分还受到温度、湿度和风等气候要素的影响。随着季节变化，不同的气候要素使土壤水分状况也出现明显的变化（郑建星等，2002）。掌握土壤剖面水分的长期变化规律可以有效指导农业生产过程，但获取深层含水量信息比表层含水量困难得多（张丽丽等，2007）。对土壤水分状况进行监测、预报，采集作物对缺水反应等信息，从而根据作物缺水程度进行精量灌溉是建立高效灌溉制度的基础。
土壤墒情，是指作物根系层的土壤含水量状况，与作物的生长和产量有着直接的联系。墒情监测是对作物耕作层土壤水分的增长和消退程度进行跟踪，是制定合理的灌溉制度从而进行适时适量灌水的必要前提。在世界范围内水资源日益紧缺的情况下，实施农业节水、优化配置水资源、提高灌区灌排管理水平、实现灌溉现代化，必须开展对土壤墒情监测和预报研究。国内外学者以及广大农业领域从业人员已经取得了共识，并对相关领域的研究给予了极大关注。
对田间土壤水分监测方法的研究已经进行了一个多世纪，出现了多种测定方法，包括取土烘干法、张力计法、中子仪法、γ 射线仪法、时域反射仪法（time domain reflectmetry ，TDR）、频域反射法（frequency domain reflectmetry ， FDR）以及遥感监测法等。经过多年的研究发展，土壤墒情监测系统从原始的人工报告、手工记录发展到数据自动采集、发送和发布的自动化时代，并不断融合新的计算机、电子、自动控制等技术，体现出更高的智能化。
2.节水灌溉自动控制技术
农业节水技术正日益走向精准化和可控化，以便满足现代农业发展对灌溉系统在灵活性、准确性、快捷性等方面的要求。精量控制灌溉是现代节水灌溉发展的前沿技术，该技术的研究与应用，不仅可以有效提高灌溉水利用率和作物产量与品质，还可以大幅度提高化肥和农药的有效利用率，减少对农田生态环境的污染。精量控制灌溉技术的核心是节水灌溉自动控制系统，该系统综合利用计算机技术、传感器技术及人工智能方法，通过对作物生长状况及环境的监测数据来科学预测灌溉时间与灌溉量，并依据对管网供水和作物需水状况的智能分析完成灌水调度工作。
大力发展和应用节水灌溉自动控制技术是提高作物产量与效益的有效途径，是实现农业节水走向信息化、数字化和精准化的必然选择。“精准灌溉依赖于自动化控制系统，自动化控制为精准灌溉提供技术支撑。”节水灌溉自动控制技术可以实现以下目标：① 遵守灌溉制度，实现水利设计目标要求，保证灌溉均匀度；② 提高设备运转效率和电能利用率；③ 根据作物不同生育期的需水规律合理分配灌水量；④ 灵活调整灌溉水量，使有限的水资源得到最合理的分配；⑤ 减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约人力成本，完成不适宜人工劳动的工作。随着工业控制技术与相关技术产品成本的大幅度下降，节水灌溉必将逐步走向自动化控制，研制和推广节水灌溉自动控制系统是农业节水的重要发展方向。
3.数字化用水管理技术
现代化的灌溉用水管理可以合理配置灌溉水资源以及优化调度灌溉系统，利用有限的水资源获得较大的效益，达到节水增产的目的，是实现农业高效用水的重要措施。目前，世界发达国家已将农业节水灌溉的重心由灌溉工程建设转移到加强工程管理和水资源合理优化配置上。我国的现代化用水管理起步较晚，急需加快灌溉用水管理技术与现代化信息技术相结合的研发与应用。
灌溉用水管理体系包括管理体制、管理层次和管理技术三部分。
经过多年的发展，我国已经形成了中央、流域、省市、地市、县五级的水资源行政管理体制。
管理层次可分为流域、灌区和田间管理等层次，在流域管理中，需要将流域内灌溉用水作为整体，综合考虑流域内资源、环境、经济、社会和技术等因素，优化作物种植结构，充分利用降水，实现地表水和地下水统一调度，使流域内灌溉用水获得最大的经济社会效益；在灌区管理中，将灌区内输配水系统作为整体考虑，合理分配灌区内渠道上下游用水户之间水量，在水的输配过程中最大限度地减少损失和弃水，使灌区内灌溉用水获得最大的经济效益；在田间管理中，根据农田土壤墒情、作物需水量及可供水量，采用适时预报技术，制定合理的灌溉制度，提高田间灌溉水利用率及作物生产率。
灌溉管理技术的核心是自动灌溉系统（周垂田，2004）。为实现信息采集、处理、决策、反馈和监控的一体化管理，自动控制、通信、计算机、地理信息系统和遥感等现代技术已经广泛用于不同层次的用水管理系统中。随着计算机技术和系统分析技术的发展，基于模型预测和目标优化方法的灌溉用水计算机管理系统已开始应用于灌区灌溉用水管理中，使灌区灌溉用水实现了由静态用水向动态用水的转变，为提高灌区水资源的利用率提供了技术手段。将数据库、模型库、知识库与地理信息系统（ geographic information sys-tem ，GIS）、遥感技术（remote sensing ，RS）、全球定位系统（ global position system ，GPS）有机融合，建立灌区节水灌溉综合决策支持系统，可实现渠道水量、流量实时调控、渠系优化配水和田间灌水量的科学决策。近年来，发达国家基于田间作物长势和农田水肥等生产要素的空间差异性，大力发展精准灌溉技术，并与施肥有机结合，实现了GPS 支持下的农田水分、养分的精细管理，为充分挖掘田间水肥差异性所隐含的增产潜力创造了条件，大幅度提高了水、肥资源的利用效率。
4.水质自动监测技术
水质监测是水资源管理与保护中一项重要的基础性工作，也是政府管理与保护水资源的基本手段。近年来，由于水资源紧张，污水处理后的中水开始用于农田灌溉，水质监测显得非常重要，另外水产养殖业的发展也要求进行水质监测。我国的农业用水量占全国总用水量的62 % 左右，水资源的污染使得农业用水供需矛盾日益突出。在水资源比较丰富的浙、沪、苏地区，由于经济的快速发展和人口的增加，污染物排放量持续增加，造成“水乡缺水” ，这是典型的水质型缺水。水质型缺水是我国水资源危机的重要方面甚至是主要方面。为弥补水源的严重不足，利用工业废水和城市污水进行农业灌溉的现象在我国非常普遍。利用工业废水和城市污水进行农田灌溉，灌溉渠道下游最近取水点的水质必须符合农田灌溉水质标准，这一标准与污染物排放标准不是同一个标准。发达国家都规定了严格的水质控制指标和日常监测要求，如日本的水稻灌溉水的高锰酸盐指数标准为8mg/L 。我国目前选择的水质参数、水质标准和在线监测条件与发达国家相比还有较大差距。
水质信息一般要求很强的时效性，水质动态信息关系到人民的生活和各行各业的生产，也关系到社会的稳定。因此，水质预警预报要求快速、准确、实时地采集和传递监测信息。以实验室为主的检测手段已经不能满足水资源保护的多方位、高水平管理的要求，不能满足快速准确和实时测报水质信息的需要（刘晓茹等，2004）。2007 年5 月底，江苏省无锡市因太湖蓝藻引发公共饮用水危机，一夜之间让上百万群众的生活受到严重干扰。
这既说明了治理水污染的迫切性，也暴露了监测手段和能力的不足。
水质自动监测可以对水质进行自动、连续监测，数据远程自动传输，随时可以查询到所设站点的水质数据。水质自动监测工作的开展，可以解决现行的水质监测周期长、劳动强度大、数据采集和传输速度慢等问题，改变过去总在事后才向有关部门提供水质信息的被动局面，实现了在水质发生恶化时仪器自动报警或响应，对流域及下游发出水质污染的预警预报，防患于未然，具有重大的社会效益和经济效益（钱国明等，2008）。
未来物联网技术将广泛用于水质和水环境的动态监测预警，水质监测物联网包括水质感知层、信息传输层和应用决策层。目前，水质监测传感器缺乏，水质监测系统工作环境恶劣、通信不.，导致信息采集缺乏实时性。因此，必须突破水质感知层和低成本通信技术，才能使物联网技术在水质监测中得到广泛应用。
1.1.2 　农业节水信息技术现状
1.国外农业节水信息技术现状　　
美国、日本和欧洲等发达国家和地区在农业节水信息技术的研究应用开展较早，在农业信息采集感知技术、传输技术、自动控制技术以及智能决策方面具备比较坚实的基础，开展了信息技术在土壤墒情自动监测预报系统、节水灌溉自动控制系统、用水管理以及水质自动监测系统中的应用研究，形成了完善的农业节水信息技术产品体系，并得到广泛应用，促进了本国节水农业和生态农业的发展。
在土壤墒情自动监测技术方面，发达国家利用时域反射法技术、频域反射法（ fre-quency domain reflectmetry ， FDR）技术和近红外线技术研发出的土壤水分传感器和测量仪已经大面积应用在土壤墒情监测系统中，开发的基于作物蒸腾过程、叶面空气温差与作物受旱胁迫状况的快速测量仪表，可用于测量植物生理生态信息。最具代表性的公司包括美国的TRASE 公司、TRIME 公司以及澳大利亚的Enviroscan 公司等，他们均有自己系列土壤墒情监测传感器和植物生理信息传感器，并具有一整套成熟的土壤墒情解决方案。另外，美国、澳大利亚、以色列等国在研究土壤墒情及作物生理生态理论关系的基础上，通过各种传感器，从作物水分生理出发，综合考虑作物光合、呼吸、干物质分配、水分吸收以及蒸腾等过程，监测作物水分状态，建立土壤墒情与农作物生长的动态模型，形成比较完善的土壤墒情监测与预报系统。在大面积土壤墒情、作物旱情的监测和预报中，发达国家采用大尺度的遥感技术，能够监测短、中、长期的土壤墒情、作物旱情。如美国加利福尼亚州通过建立的162 个农业气象站，测定不同区域的基础蒸腾蒸发量，利用3S 技术，建立加州灌溉管理信息系统，并通过互联网对外发布。
在节水自动控制技术方面，美国、澳大利亚、加拿大、日本、以色列等发达国家已经将自动控制方式从最早的水力控制、机械控制及机械电子混合协调式控制，发展到目前的计算机控制、模糊控制、神经网络、专家系统控制，形成了先进的灌溉设备与控制系统。同时，发达国家运用先进的电子技术、计算机和控制技术，开发和制造了一系列控制精度高、功能强大的数字式灌溉控制器，并得到广泛的应用，使传统的充分灌溉向现在的非充分灌溉方向发展。其中具有代表性的包括以色列的Eldar-Shany ，美国的RainBird 、Toro 、Hunter 等公司，他们均有自己系列灌溉控制系统。以色列通过发展节水农业和节水灌溉工程技术，全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统。
Netfim 公司生产的自动灌溉系统基本由计算机自动控制运行，可根据作物的生长及水、肥状况进行灌水和施肥，可节约大量人力，且管理及时，使作物产量和品质都有较大幅度的提高。美国Toro 公司在先后并购澳大利亚哈迪灌溉公司和美国DRIPIN 公司后，大大丰富了其在农业及园林灌溉控制方面产品的种类，其JC 、IBOC 系列干电池控制器，RD 、TC 系列灌溉控制器，MM4500 农业专用中央控制系统等产品能够面对不同应用提供多种解决方案。
在用水管理技术方面，发达国家的灌溉水管理技术正朝着信息化、自动化和智能化的方向发展。近年来，发达国家开始以田间水肥等生产要素的空间差异性为基础，利用GPS 、GIS 、RS 和计算机控制系统，进行精准灌溉技术的研究应用，为最大限度地优化农业投入、充分挖掘田间水肥差异性所隐含的增产潜力提供了技术支撑，大大提高了灌溉系统的运行性能与效率。国外多采用基于下游控制模式的自控运行方式，利用中央自动监控（即遥测、遥信、遥调）系统对大型供水渠道进行自动化管理，开展灌区输配水系统的自控技术研究。在明渠自控系统运行软件方面，着重开展对供水系统的优化调度计划的研究，采用明渠非恒定流计算机模拟方法，结合闸门运行规律，编制系统运行的实时控制软件。
在水质监测技术方面，美国和欧洲等发达国家和地区的水质监测研究和应用开展得较早，开展了水质关键指标感知技术和多功能水质监测设备应用示范研究，实现了水质监测设备在饮用水源地、工业污水、水产养殖等多个方面的推广使用，形成了良好的产业化应用模式，形成了一批水质监测设备开发厂商，推动了相关产业的发展。如美国YSI 公司研制的便携式电极法溶解氧测量仪和OXYMON 氧气测量系统、瑞士DMP 公司的MICROXI 型的溶解氧测量仪，以及日本FOX 5000A 光纤溶解氧传感器等，可高质量地完成实验室和野外环境下的水溶解氧监测工作。德国WTW 仪器公司生产的Turb355 T型便携手持式浊度检测仪、美国EUTECH 公司的TNl00 型便携式浊度仪、意大利哈纳公司的H193703-11 型微电脑便携式浊度仪等，在水质浊度监测方面处于领先地位。
2.国内农业节水信息技术现状
我国从20 世纪50 年代就开始进行信息技术在土壤墒情监测、灌溉、用水管理以及水质监测方面的研究应用工作。通过半个世纪的努力，农业节水信息技术取得了很大进展。
但总体来说我国的墒情监测技术、智能灌溉控制技术以及水质监测技术还处于初级发展阶段，没有形成成套的系统，智能化程度较低。国内开发的土壤墒情监测系统、智能灌溉控制系统以及水质监测系统多处于研制、试用、示范阶段，功能可扩展、逻辑可编程的信息处理、运算和控制设备在节水灌溉控制系统中的应用还不多见。
在土壤墒情监测技术方面，我国也取得了一批优秀的研究成果。例如，中国农业大学王一鸣教授利用驻波原理开发的驻波比（standing wave ratio ，SWR）土壤水分传感器，在性能上接近国外水平，目前已经得到了广泛的应用。国家农业信息化工程技术研究中心开发的基于热平衡的茎流传感器，可准确监测作物体内的水分和物质运输状况；开发的叶面温度、蒸腾、茎秆增长、果实膨大传感器，可有效地在线监测作物的呼吸、蒸腾及作物器官的生长速度，可用于研究作物生长与土壤墒情之间的定量关系；开发的基于传感器技术、GSM/GPRS 技术以及GIS 技术的远程墒情监测站，能够实时采集土壤的墒情信息、气象信息以及地理位置信息，并通过互联网同步发布，方便用户查询墒情信息。此外，高迎娟在理论分析计算的基础上，开发了主要作物各发育阶段土壤墒情跟踪分析及预测的应用软件。

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