試析計算機科學與技術在節(jié)水管理中的應用
摘要：為了應對日趨嚴重的水資源短缺目前狀況，必須轉變現(xiàn)有的浪費嚴重的用水方式，大力發(fā)展抗旱節(jié)水新技術，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，這對于中國這樣一個水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國尤為重要，是保證我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵所在。
關鍵詞：計算機科學與技術;節(jié)水管理
水是農(nóng)業(yè)的命脈， 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水總量為 4.0×103 億立方米，占全國總用水量的 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%)。長期以來，受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作模式和生產(chǎn)水平限制，我國農(nóng)業(yè)灌溉用水存在浪費嚴重現(xiàn)象，利用率僅為 45%，遠低于農(nóng)業(yè)發(fā)達國家的平均水平(70%～80%)，特別是近年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遭遇的嚴重干旱給我們敲響了警鐘，例如在 2010 年年初，我國四川、廣西、云南、貴州和重慶西南五省市地區(qū)遭遇嚴重干旱，部分旱區(qū)旱情持續(xù)時間長達 5 個月，耕地受旱面積達 1.11 億畝，農(nóng)作物絕收面積超過110 萬公頃，經(jīng)濟損失超過 350 億元。
一、計算機科學與技術在節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應用
1、數(shù)據(jù)采集與分析
以計算機為工具，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 化 ，它 是實 現(xiàn) 處 方 農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)的核心。 所謂 DSS 是指通過決策科學及相關學科的理論知識和數(shù)據(jù)、模型，以人機交互方式輔助決策者進行半結構化和非結構化決策的計算機應用系統(tǒng)，節(jié)水灌溉系統(tǒng)是一個典型的 DSS 能解決的理由，通過模擬作物的產(chǎn)量和需水過程的關系，預測農(nóng)田土壤鹽分及水分脅迫對產(chǎn)量的影響，制定農(nóng)田科學的灌溉措施，實現(xiàn)適時適量的精確灌溉，降低灌溉用水量，提高水資源利用效率，達到節(jié)約和高效利用水資源之目的。農(nóng)田灌溉 DSS 以支持模型運算必需的各種靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫和反映不同地區(qū)自然生態(tài)條件等作物栽培和用水管理經(jīng)驗知識以及具有知識推理機制的專家知識庫作為基本信息支撐，通過總控程序構筑灌溉用水決策支持系統(tǒng)的運轉環(huán)境，輔以友好的人機界面和人機對話過程，有效地實現(xiàn)了信息查詢、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(Subsurface Drip Irrigation，SDI)是指通過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、準確地滲入到作物根部的新型灌溉技術，尤其適合我國干旱的西北地區(qū)。 地下滴灌具有顯著的節(jié)水優(yōu)勢 (采用地下滴灌方式水的利用率可達 95% 以上)，且有利于作物生長，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。采用計算機灌溉系統(tǒng)，可以自動制約地下滴灌作業(yè)，主要是采用ADI 壓力補償管理作業(yè)。 該技術已被許多農(nóng)業(yè)發(fā)達國家所應用，其主要設備 ADI 壓力補償?shù)喂喙懿捎玫晤^雙入口、寬流道、梯形迷宮式結構以降低水流壓力，并與上部的彈性片配合調(diào)整流道的寬度，從而達到穩(wěn)定出水口流量的目的，對提高節(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配備先進的監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對氣候的準確測量，自動確定是否需要進行灌溉，或由此確定何時進行灌溉等，自動發(fā)出信號，進行遠距離遙控，實施灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)完全依靠計算機自動操作和執(zhí)行的，無需人為干涉，最大程度地實現(xiàn)自動化作業(yè)。通過監(jiān)測設備得到的數(shù)據(jù)可以自動啟動或關閉灌溉程序，如通過雨量計得到的數(shù)據(jù)，自動確定灌溉水量，通過土壤濕度計確定灌溉的深度。 操作人員可以通過電話或計算機網(wǎng)絡監(jiān)視、查看、獲得并制約正在發(fā)生的一切灌溉數(shù)據(jù)和動作，系統(tǒng)自動紀錄所有發(fā)生過的事件的詳細數(shù)據(jù)。操作人員和管理者根據(jù)過去發(fā)生的紀錄數(shù)據(jù)，進行分析，做出相應的調(diào)整和決策，真正達到農(nóng)業(yè)灌溉管理系統(tǒng)化和科學化。
4 、動化灌溉制約
自動化的灌溉制約技術是指在無人干預的情況下，通過由計算機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、適量進行自動灌溉的技術。這種自動化灌溉管理系統(tǒng)可通過反映作物需水的某些參量，預先編制好灌溉程序軟件，灌溉機械自動地按照程序指令，按規(guī)定時間、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，能夠儲存數(shù)據(jù)，通過個人計算機和通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程灌溉制約和管理。
二、計算機自動控節(jié)水灌溉的設計研究
1、大棚(或連棟)溫室自動化灌溉的設計
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)自動制約的設備可達到較高的精確度。其研究設計采用計算機統(tǒng)一管理全部參數(shù)數(shù)據(jù)，電腦工控機制約所有的操作對象，如濕度、溫度、電導率、PH值、CO濃度、徽噴或滴灌時間、施肥、風機、水簾開閉、自動閥門、加壓泵、電子加藥泵等等。將遙控和自控相結合，達到全過程計算機制約自動化。
(l)計算機自動拉制系統(tǒng)
計算機自動制約系統(tǒng)由微機、主控機、分控機等組成。其中徽機和主控機安裝在中心制約室，每個溫室配備一個分控機。主控機主要是采集各分控機反饋的溫室實際狀況(如溫度、濕度、PH值、電導等)并傳遞給微機，微機用來軟件編程、翰人、修改各種數(shù)據(jù)，管理人員通過顯示器了解環(huán)境的狀況和參數(shù)變化，用鍵盤或鼠標向各分控機發(fā)出工作命令，由分控機自動關啟溫室的水泵、風機、照明和微灌系統(tǒng)的閘閥等開關，實現(xiàn)定時定量灌溉。系統(tǒng)的配套管理軟件采用模塊化結構，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、鍵盤中斷服務程序、打印子程序及定時中斷服務程序等組成。
整個系統(tǒng)不需要體力工人直接參與，通過預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)可以自動啟閉水泵和自動按一定的輪灌順序進行灌溉，人工的輔助作用只是調(diào)整制約程序和檢修制約設備。
(2)自控設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、電機外，還包括有計算機、主控機、分控機、自動閥、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確定真空負壓表讀數(shù)的上下限，預備灌溉時使用。
空氣濕度傳感器用來測量大棚溫室內(nèi)空氣濕度變化情況，通過分控機上的指示燈來顯示。
電接點溫度計用來測量溫室內(nèi)土壤溫度。
2、大面積農(nóng)田自動化灌溉的設計
農(nóng)作物大田的全自動灌溉制約系統(tǒng)也是由計算機(包括系統(tǒng)程序和打印機)、主控機、分控機、傳感器等組成，但自控設備的種類和數(shù)量相對溫室較少。傳感器一般預埋在農(nóng)田里，計算機、打印機和主控機安裝在中央制約室，分控機則安裝在易于制約水泵和管道閥門的地方。
其工作流程是：土壤水分傳感器自動檢測出農(nóng)田中的水分與溫度等參數(shù)，并反饋顯示在計算機屏幕上，計算機根據(jù)數(shù)學模型分析預報和土坡墑情側算與灌水指導系統(tǒng)，自動確定需要灌概的時間與灌概用水量;當指定時間一到，微機根據(jù)預設的程序立即進行處理，并操作主控機工作，主控機將開機信號傳給分控機，分控機接收到主控機發(fā)出的開啟指令后，經(jīng)強電伺服裝置開啟電磁閥進行灌水;灌水到一定時間后，當土壤水分傳感器檢側到土壤墑情已達到設計要求，灌水量已夠時，就將信號反饋傳送到計算機，通知停水，計算機接到反饋信號后，依次把停水命令傳給主控機、分控機，分控機則制約關閉電磁閥，停止灌概。停水后，計算機上自動顯示出此時土坡的含水盤、本次灌溉所用水量、灌溉起止時間以及應付水費等，同時預報下次灌溉的時間及灌水量，并將結果打印出來。
三、結束語
現(xiàn)在，節(jié)水灌溉計算機制約管理系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用和重要性越來越明顯，其推廣應用也十分緊迫，但整體的自動化水平和程度還不是很高，特別是我國的農(nóng)業(yè)設施還尚未達到標準化。因此，進一步開發(fā)更為實用、更加科學的節(jié)水灌溉計算機管理系統(tǒng)，真正實現(xiàn)因時、因作物、因地用水以及用肥自動制約，科學合理地利用有限的水資源。
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