牛巖　雷光宇

摘要：中國(guó)華北井灌區(qū)水資源形勢(shì)嚴(yán)峻，地下水普遍超采，農(nóng)業(yè)機(jī)井點(diǎn)多面廣，開采無計(jì)量，灌溉缺乏監(jiān)管措施和控采手段。為了遏制地下水超采局面，開始在機(jī)井上推廣智能灌溉計(jì)量等設(shè)備，目標(biāo)是將自動(dòng)化技術(shù)、智能化技術(shù)、監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)、管理信息網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)用于井灌區(qū)灌溉水資源的管理。在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析討論了地下水模擬及管理研究、智能計(jì)量及灌溉系統(tǒng)和水資源信息化管理系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，以期為相關(guān)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田灌溉;智能計(jì)量;水資源信息化;節(jié)水灌溉

中圖分類號(hào)：S28

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.039

1 引言

在華北地區(qū)，農(nóng)業(yè)機(jī)井點(diǎn)多面廣，開采無計(jì)量，灌溉缺乏監(jiān)管措施和控采手段，引起了水資源管理部門的高度重視。河北省根據(jù)中央精神，2014年選擇了河北省地下水超采最嚴(yán)重的黑龍港流域（包括衡水、滄州、邯鄲、邢臺(tái)市共計(jì)49個(gè)縣）作為治理項(xiàng)目區(qū)，開展了華北地區(qū)地下水超采綜合治理試點(diǎn)工作[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省灌溉用水量占用水總量的70%以上，其中地下水占灌溉用水量的75%以上，全省節(jié)水灌溉率僅為41.4%.灌溉水利用系數(shù)僅為0.65，農(nóng)業(yè)用水效率、節(jié)水發(fā)展水平與全省水資源極度匱乏的形勢(shì)不相適應(yīng)。大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉，采取綜合節(jié)水措施，提高農(nóng)業(yè)用水效率和效益，是減少農(nóng)業(yè)灌溉用水的根本措施，也是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的重要手段[2]。

為了遏制地下水超采局面，近幾年開始在農(nóng)業(yè)節(jié)水項(xiàng)目區(qū)機(jī)井上推廣智能灌溉計(jì)量等設(shè)備，目標(biāo)是將自動(dòng)化技術(shù)、智能化技術(shù)、監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)、管理信息網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)用于井灌區(qū)灌溉水資源的管理[3]，突破傳統(tǒng)、落后灌溉管理方式瓶頸。針對(duì)該項(xiàng)問題，本研究以實(shí)現(xiàn)井灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量控制、信息化管理為目標(biāo)，開展了農(nóng)田灌溉智能計(jì)量與水資源信息化管理研究。

2 地下水模擬及管理研究

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

就地下水管理而言，目前無論在研究深度和廣度方面，發(fā)展中國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家之間尚存一定差距。西方發(fā)達(dá)國(guó)家在地下水管理方面非常重視，在地下水質(zhì)量研究、開發(fā)利用，土壤中有機(jī)物污染，地下水、地表水的遷移、衰減、轉(zhuǎn)化依然是研究者共同關(guān)注的問題。國(guó)外還開發(fā)了許多功能多樣的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，尤其是MODFLOW，這些模擬軟件以其模塊化、可視化、交互性、求解方法多樣化等特點(diǎn)在地下水管理方面得到廣泛使用，其功能不斷完善[4-5】。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合[6-7]為地下水管理提供了技術(shù)支撐，可以解決更多的實(shí)際問題。

澳大利亞采取統(tǒng)一管理，以色列實(shí)行水資源管理高度集中，韓國(guó)頒布較全的地下水法，荷蘭征收地下水稅，英國(guó)建立地下水水源保護(hù)區(qū)，德國(guó)重新修訂的《自然保護(hù)法》中對(duì)開采地下水作出了嚴(yán)格限制，國(guó)外各國(guó)通過各種政策和科學(xué)手段對(duì)地下水進(jìn)行全面管理[8]。美國(guó)采用政府引導(dǎo)的水價(jià)管理模式，灌溉水價(jià)不僅包括運(yùn)行和管理成本，還包括政府為保護(hù)水資源附加的費(fèi)用。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)在地下水模擬模型方面頗有成果，可地下水動(dòng)態(tài)模擬中使用的軟件大部分是國(guó)外軟件，國(guó)產(chǎn)實(shí)用軟件極少，能檢索到的主要有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）陳崇希等開發(fā)的PGMS、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）武強(qiáng)等開發(fā)的CSS、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院聶振龍等開發(fā)的地下水功能評(píng)價(jià)可視化平臺(tái)、水利部中央地下水委員會(huì)（ CGWB）為水文工程開發(fā)的地下水預(yù)測(cè)與管理系統(tǒng)（ GEMS）等。這些軟件與MODFLOW等國(guó)外軟件比較，有了一定的優(yōu)化和完善，但都僅在軟件編制單位的相關(guān)項(xiàng)目中得到應(yīng)用和驗(yàn)證，還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[9-10]。

許多省區(qū)把加強(qiáng)地下水管理列為水資源管理的重要工作之一。為了遏制地下水超采和水位下降，各地區(qū)、各級(jí)水利部門積極控制地下水超采，江蘇省全面實(shí)施了蘇錫常地區(qū)全面禁采，并創(chuàng)造出地下水管理“四個(gè)一”管理模式;北京市開展了地下水普查，摸清了地下水井?dāng)?shù)量，全面掌握了污染源分布和地下水水質(zhì)狀況，基礎(chǔ)工作水平和管理能力得到較大提升;遼寧省、新疆維吾爾自治區(qū)制定了地下水管理地方法規(guī);河南省還開展了地下水保護(hù)行動(dòng)試點(diǎn);河北省對(duì)地下水管理也非常重視，制定了一系列政策及壓采要求。

3 智能計(jì)量及灌溉系統(tǒng)

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外灌溉用水管理正在向信息化、自動(dòng)化、高效化的方向發(fā)展。智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)陸續(xù)應(yīng)用于灌區(qū)信息管理和運(yùn)行決策。與此同時(shí)，國(guó)外還十分重視灌溉用水管理軟件的開發(fā)和應(yīng)用，灌溉用水管理基本上已經(jīng)達(dá)到了信息化、自動(dòng)化、多功能化的水平。目前，國(guó)外智能節(jié)水灌溉控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)以下功能：①根據(jù)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)按需灌水。②避免過量灌溉。智能控制可以根據(jù)最小ET值設(shè)置，實(shí)現(xiàn)根系不同灌溉深度的目標(biāo)。③系統(tǒng)流量管理和分區(qū)灌溉。根據(jù)植物的不同類型將灌溉系統(tǒng)分成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域單獨(dú)設(shè)置運(yùn)行時(shí)間就可以確保每種植物獲得需要的水量。④合理利用天然降水。當(dāng)雨量達(dá)到一定值后，傳感器就將這一數(shù)值信號(hào)傳到控制器，灌溉系統(tǒng)將自動(dòng)斷?；蛑袛啵瑥亩浞掷糜晁Y源。

在管理技術(shù)上注重信息化技術(shù)應(yīng)用，采用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制，精確灌水，使時(shí)間、空間、數(shù)量、質(zhì)量方面恰到好處滿足作物不同生育期的需水[11]。

1988年H.U.Khan、S.M.khan和T.Husain等為沙特阿拉伯王國(guó)水利農(nóng)業(yè)部水資源開發(fā)部開發(fā)研制國(guó)家地下水微機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)存儲(chǔ)了井位、水文地質(zhì)和氣候三方面的數(shù)據(jù)，井位包括井的一般信息、井的結(jié)構(gòu)、井的出水量資料;水文地質(zhì)包括地質(zhì)含水層、水文、水位、水質(zhì)資料;氣候包括疆域和地面徑流資料。1989年美國(guó)密執(zhí)安州大學(xué)水資源系B artholic.J和Vicnx.B研制了美國(guó)密執(zhí)安州內(nèi)陸水資源環(huán)境管理系統(tǒng)，并結(jié)合空間信息系統(tǒng)技術(shù)和有限元法，建立了密執(zhí)安州數(shù)據(jù)庫，為廣大的水資源管理者提供了決策信息[13-14]。

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

隨著信息化的發(fā)展與普及，中國(guó)灌溉智能計(jì)量得到一定的發(fā)展，但地下水智能化管理在中國(guó)尚未大面積推廣，沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，具體技術(shù)指標(biāo)和功能要求較為混亂，制約了智能化計(jì)量設(shè)施的設(shè)備發(fā)展和地下水管理的技術(shù)進(jìn)步[15-17]?！秶?guó)家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要（2012- 2020年）》提出建立農(nóng)業(yè)節(jié)水體系，健全農(nóng)業(yè)節(jié)水管理措施;完善農(nóng)業(yè)用水計(jì)量設(shè)施，加強(qiáng)水費(fèi)計(jì)收與管理;完善農(nóng)業(yè)節(jié)水社會(huì)化服務(wù)體系，加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)和示范培訓(xùn);積極推行農(nóng)業(yè)節(jié)水信息化，有條件的灌區(qū)要實(shí)行灌溉用水自動(dòng)化[18-19]，數(shù)字化管理，實(shí)行分區(qū)指導(dǎo)。目前黃淮海地區(qū)，包括北京、天津、河北、山東、河南五?。ㄊ校┖蜕轿鳀|部以及江蘇、安徽兩省北部，都在推廣用水計(jì)量和智能控制水資源保護(hù)技術(shù)。

4 水資源信息化管理系統(tǒng)

4.1 國(guó)外研究進(jìn)展

發(fā)達(dá)國(guó)家節(jié)水灌溉技術(shù)的基本特點(diǎn)是高技術(shù)、高投入和管理現(xiàn)代化，同時(shí)高效益則是維系節(jié)水灌溉能否持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。在精量控制用技術(shù)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用灌溉預(yù)報(bào)、遙感遙測(cè)、傳感器監(jiān)測(cè)與計(jì)算機(jī)信息處理與智能控制等技術(shù)，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)與實(shí)時(shí)信息采集，實(shí)施用水管理的自動(dòng)化。如以色列的微、滴灌系統(tǒng)，美國(guó)的恒壓噴灌系統(tǒng)都采用自動(dòng)控制。

特別是20世紀(jì)90年代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）的發(fā)展，“3S”技術(shù)支持的田間微尺度空間變異條件下的精準(zhǔn)變量控制灌溉技術(shù)達(dá)到較大幅度的示范，形成了集土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、灌溉設(shè)備自動(dòng)化控制、變量灌溉、施肥系統(tǒng)一整套精量控制用水的智能灌溉系統(tǒng)[20]。綜上分析，節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系未來發(fā)展趨勢(shì)可概況為節(jié)水模式集成化、節(jié)水技術(shù)高新化、管理模式信息化、節(jié)水布局區(qū)域化、節(jié)水推廣產(chǎn)業(yè)化。

4.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)近些年已經(jīng)開始研究基于MODFLOW和WebGIS的灌溉信息化系統(tǒng)整合研究[21]。在國(guó)內(nèi)，隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，地下水模型與GIS的集成開發(fā)處于起步階段，主要體現(xiàn)在利用GIS軟件進(jìn)行圖層信息的分層管理、自動(dòng)繪制等值線圖、控制點(diǎn)的添加、空間查詢等方面，為地下水資源的合理開發(fā)和利用提供了科學(xué)依據(jù)[22-24]。從現(xiàn)有的資料來看，地下水流數(shù)值模擬軟件主要有兩類，分別是河北保定水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所GWMSI.O（三維地下水水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型系統(tǒng)（ 2001）和清華興達(dá)地下水地理信息系統(tǒng)軟件，但是到目前為止還沒有一個(gè)完善可以普及使用的軟件。在地下水模型與GIS集成方面的研究有地下水模型與MAPGIS的耦合集成[25]，蘇州、武進(jìn)地區(qū)地下水資源管理所進(jìn)行的地下水資源評(píng)價(jià)模型與GIS集成研究[26]，清華大學(xué)的魏家華[27-28]等人在對(duì)北京密懷順的地下水模型中基于GIS建立了一個(gè)可以交互式剖分的建模環(huán)境。

5 總結(jié)

在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于農(nóng)田灌溉智能計(jì)量與水資源信息化管理的整合研究較少，利用智能灌溉設(shè)備獲取數(shù)據(jù)模擬地下水狀況以及對(duì)水資源進(jìn)行精細(xì)化控制管理的相關(guān)研究可作為一個(gè)研究方向，對(duì)于改善目前河北省水資源形勢(shì)會(huì)有很大的幫助。

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