試析計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)在節(jié)水管理中的應(yīng)用

　　摘要：為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的水資源短缺目前狀況，必須轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的浪費(fèi)嚴(yán)重的用水方式，大力發(fā)展抗旱節(jié)水新技術(shù)，走節(jié)水農(nóng)業(yè)之路，使有限的水資源發(fā)揮出了最大的效益，這對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國(guó)尤為重要，是保證我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

　　關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù);節(jié)水管理

　　水是農(nóng)業(yè)的命脈， 我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水總量為 4.0×103 億立方米，占全國(guó)總用水量的 70%左右，而灌溉用水量占到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量的絕大部分(約為 90%)。長(zhǎng)期以來(lái)，受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作模式和生產(chǎn)水平限制，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水存在浪費(fèi)嚴(yán)重現(xiàn)象，利用率僅為 45%，遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平(70%～80%)，特別是近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遭遇的嚴(yán)重干旱給我們敲響了警鐘，例如在 2010 年年初，我國(guó)四川、廣西、云南、貴州和重慶西南五省市地區(qū)遭遇嚴(yán)重干旱，部分旱區(qū)旱情持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 5 個(gè)月，耕地受旱面積達(dá) 1.11 億畝，農(nóng)作物絕收面積超過(guò)110 萬(wàn)公頃，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò) 350 億元。

　　一、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)在節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

　　1、數(shù)據(jù)采集與分析

　　以計(jì)算機(jī)為工具，建立農(nóng)田水資源利用的決策支持系統(tǒng)(DecisionSupport Systems，DSS)，提 高 節(jié) 水 農(nóng) 業(yè) 決 策 的 科學(xué) 化 ，它 是實(shí) 現(xiàn) 處 方 農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)的核心。 所謂 DSS 是指通過(guò)決策科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)和數(shù)據(jù)、模型，以人機(jī)交互方式輔助決策者進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化決策的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，節(jié)水灌溉系統(tǒng)是一個(gè)典型的 DSS 能解決的理由，通過(guò)模擬作物的產(chǎn)量和需水過(guò)程的關(guān)系，預(yù)測(cè)農(nóng)田土壤鹽分及水分脅迫對(duì)產(chǎn)量的影響，制定農(nóng)田科學(xué)的灌溉措施，實(shí)現(xiàn)適時(shí)適量的精確灌溉，降低灌溉用水量，提高水資源利用效率，達(dá)到節(jié)約和高效利用水資源之目的。農(nóng)田灌溉 DSS 以支持模型運(yùn)算必需的各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和反映不同地區(qū)自然生態(tài)條件等作物栽培和用水管理經(jīng)驗(yàn)知識(shí)以及具有知識(shí)推理機(jī)制的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)作為基本信息支撐，通過(guò)總控程序構(gòu)筑灌溉用水決策支持系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境，輔以友好的人機(jī)界面和人機(jī)對(duì)話過(guò)程，有效地實(shí)現(xiàn)了信息查詢(xún)、用水管理和系統(tǒng)制約等主要操作功能。

　　2、地下滴灌

　　地下滴灌技術(shù)(Subsurface Drip Irrigation，SDI)是指通過(guò)地埋毛管上的灌水器將農(nóng)作物所需要的水、肥、藥以均勻、緩慢、準(zhǔn)確地滲入到作物根部的新型灌溉技術(shù)，尤其適合我國(guó)干旱的西北地區(qū)。 地下滴灌具有顯著的節(jié)水優(yōu)勢(shì) (采用地下滴灌方式水的利用率可達(dá) 95% 以上)，且有利于作物生長(zhǎng)，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及改善土壤環(huán)境等多方面優(yōu)點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)灌溉系統(tǒng)，可以自動(dòng)制約地下滴灌作業(yè)，主要是采用ADI 壓力補(bǔ)償管理作業(yè)。 該技術(shù)已被許多農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所應(yīng)用，其主要設(shè)備 ADI 壓力補(bǔ)償?shù)喂喙懿捎玫晤^雙入口、寬流道、梯形迷宮式結(jié)構(gòu)以降低水流壓力，并與上部的彈性片配合調(diào)整流道的寬度，從而達(dá)到穩(wěn)定出水口流量的目的，對(duì)提高節(jié)水效率非常明顯。

　　3、智能化灌溉管理

　　智能化灌溉管理是通過(guò)配備先進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣候的準(zhǔn)確測(cè)量，自動(dòng)確定是否需要進(jìn)行灌溉，或由此確定何時(shí)進(jìn)行灌溉等，自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控，實(shí)施灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)完全依靠計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作和執(zhí)行的，無(wú)需人為干涉，最大程度地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備得到的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉灌溉程序，如通過(guò)雨量計(jì)得到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)確定灌溉水量，通過(guò)土壤濕度計(jì)確定灌溉的深度。 操作人員可以通過(guò)電話或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、查看、獲得并制約正在發(fā)生的一切灌溉數(shù)據(jù)和動(dòng)作，系統(tǒng)自動(dòng)紀(jì)錄所有發(fā)生過(guò)的事件的詳細(xì)數(shù)據(jù)。操作人員和管理者根據(jù)過(guò)去發(fā)生的紀(jì)錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，做出相應(yīng)的調(diào)整和決策，真正達(dá)到農(nóng)業(yè)灌溉管理系統(tǒng)化和科學(xué)化。

　　4 、動(dòng)化灌溉制約

　　自動(dòng)化的灌溉制約技術(shù)是指在無(wú)人干預(yù)的情況下，通過(guò)由計(jì)算機(jī)制約的中央灌溉管理系統(tǒng)，根據(jù)地塊和作物的要求適時(shí)、適量進(jìn)行自動(dòng)灌溉的技術(shù)。這種自動(dòng)化灌溉管理系統(tǒng)可通過(guò)反映作物需水的某些參量，預(yù)先編制好灌溉程序軟件，灌溉機(jī)械自動(dòng)地按照程序指令，按規(guī)定時(shí)間、不同地塊要求，提供不同的灌溉水量。 該系統(tǒng)加上遙控裝置后，能夠儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉制約和管理。

　　二、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控節(jié)水灌溉的設(shè)計(jì)研究

　　1、大棚(或連棟)溫室自動(dòng)化灌溉的設(shè)計(jì)

　　在日光溫室中，由于栽培空間封閉，環(huán)境狀況優(yōu)越，用于系統(tǒng)自動(dòng)制約的設(shè)備可達(dá)到較高的精確度。其研究設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理全部參數(shù)數(shù)據(jù)，電腦工控機(jī)制約所有的操作對(duì)象，如濕度、溫度、電導(dǎo)率、PH值、CO濃度、徽噴或滴灌時(shí)間、施肥、風(fēng)機(jī)、水簾開(kāi)閉、自動(dòng)閥門(mén)、加壓泵、電子加藥泵等等。將遙控和自控相結(jié)合，達(dá)到全過(guò)程計(jì)算機(jī)制約自動(dòng)化。

　　(l)計(jì)算機(jī)自動(dòng)拉制系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)自動(dòng)制約系統(tǒng)由微機(jī)、主控機(jī)、分控機(jī)等組成。其中徽機(jī)和主控機(jī)安裝在中心制約室，每個(gè)溫室配備一個(gè)分控機(jī)。主控機(jī)主要是采集各分控機(jī)反饋的溫室實(shí)際狀況(如溫度、濕度、PH值、電導(dǎo)等)并傳遞給微機(jī)，微機(jī)用來(lái)軟件編程、翰人、修改各種數(shù)據(jù)，管理人員通過(guò)顯示器了解環(huán)境的狀況和參數(shù)變化，用鍵盤(pán)或鼠標(biāo)向各分控機(jī)發(fā)出工作命令，由分控機(jī)自動(dòng)關(guān)啟溫室的水泵、風(fēng)機(jī)、照明和微灌系統(tǒng)的閘閥等開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量灌溉。系統(tǒng)的配套管理軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、顯示子程序、鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序、打印子程序及定時(shí)中斷服務(wù)程序等組成。

　　整個(gè)系統(tǒng)不需要體力工人直接參與，通過(guò)預(yù)先編制好的制約程序和根據(jù)反映作物需水的某些參數(shù)可以自動(dòng)啟閉水泵和自動(dòng)按一定的輪灌順序進(jìn)行灌溉，人工的輔助作用只是調(diào)整制約程序和檢修制約設(shè)備。

　　(2)自控設(shè)備及工作流程自控系統(tǒng)中，除一般常用的灌水器、管道、管件及水泵、電機(jī)外，還包括有計(jì)算機(jī)、主控機(jī)、分控機(jī)、自動(dòng)閥、傳感器(土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等)及電線等。

　　其中土壤水分傳感器就是真空負(fù)壓表，表上顯示出的數(shù)字即是土壤含水量的大小，需根據(jù)不同作物所需適宜土壤含水量的上下限來(lái)確定真空負(fù)壓表讀數(shù)的上下限，預(yù)備灌溉時(shí)使用。

　　空氣濕度傳感器用來(lái)測(cè)量大棚溫室內(nèi)空氣濕度變化情況，通過(guò)分控機(jī)上的指示燈來(lái)顯示。

　　電接點(diǎn)溫度計(jì)用來(lái)測(cè)量溫室內(nèi)土壤溫度。

　　2、大面積農(nóng)田自動(dòng)化灌溉的設(shè)計(jì)

　　農(nóng)作物大田的全自動(dòng)灌溉制約系統(tǒng)也是由計(jì)算機(jī)(包括系統(tǒng)程序和打印機(jī))、主控機(jī)、分控機(jī)、傳感器等組成，但自控設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量相對(duì)溫室較少。傳感器一般預(yù)埋在農(nóng)田里，計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和主控機(jī)安裝在中央制約室，分控機(jī)則安裝在易于制約水泵和管道閥門(mén)的地方。

　　其工作流程是：土壤水分傳感器自動(dòng)檢測(cè)出農(nóng)田中的水分與溫度等參數(shù)，并反饋顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析預(yù)報(bào)和土坡墑情側(cè)算與灌水指導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)確定需要灌概的時(shí)間與灌概用水量;當(dāng)指定時(shí)間一到，微機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序立即進(jìn)行處理，并操作主控機(jī)工作，主控機(jī)將開(kāi)機(jī)信號(hào)傳給分控機(jī)，分控機(jī)接收到主控機(jī)發(fā)出的開(kāi)啟指令后，經(jīng)強(qiáng)電伺服裝置開(kāi)啟電磁閥進(jìn)行灌水;灌水到一定時(shí)間后，當(dāng)土壤水分傳感器檢側(cè)到土壤墑情已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，灌水量已夠時(shí)，就將信號(hào)反饋傳送到計(jì)算機(jī)，通知停水，計(jì)算機(jī)接到反饋信號(hào)后，依次把停水命令傳給主控機(jī)、分控機(jī)，分控機(jī)則制約關(guān)閉電磁閥，停止灌概。停水后，計(jì)算機(jī)上自動(dòng)顯示出此時(shí)土坡的含水盤(pán)、本次灌溉所用水量、灌溉起止時(shí)間以及應(yīng)付水費(fèi)等，同時(shí)預(yù)報(bào)下次灌溉的時(shí)間及灌水量，并將結(jié)果打印出來(lái)。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　現(xiàn)在，節(jié)水灌溉計(jì)算機(jī)制約管理系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用和重要性越來(lái)越明顯，其推廣應(yīng)用也十分緊迫，但整體的自動(dòng)化水平和程度還不是很高，特別是我國(guó)的農(nóng)業(yè)設(shè)施還尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。因此，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更為實(shí)用、更加科學(xué)的節(jié)水灌溉計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)因時(shí)、因作物、因地用水以及用肥自動(dòng)制約，科學(xué)合理地利用有限的水資源。

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