计算机科学与技术在节水管理中的应用
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摘要：为了应对日趋严重的水资源短缺现状，必须改变现有的浪费严重的用水方式，大力发展抗旱节水新技术，走节水农业之路，使有限的水资源发挥出了最大的效益，这对于中国这样一个水资源短缺的农业大国尤为重要，是保证我国农业生产可持续发展的关键所在。
中图分类号：R977.7
水是农业的命脉， 我国农业生产用水总量为 4.0×103 亿立方米，占全国总用水量的 70%左右，而灌溉用水量占到农业生产用水量的绝大部分（约为 90%）。长期以来，受传统农业耕作模式和生产水平限制，我国农业灌溉用水存在浪费严重现象，利用率仅为 45%，远低于农业发达国家的平均水平（70%～80%），特别是近年来我国农业生产中遭遇的严重干旱给我们敲响了警钟，例如在 2010 年年初，我国四川、广西、云南、贵州和重庆西南五省市地区遭遇严重干旱，部分旱区旱情持续时间长达 5 个月，耕地受旱面积达 1.11 亿亩，农作物绝收面积超过110 万公顷，经济损失超过 350 亿元。
1 数据采集与分析
以计算机为工具，建立农田水资源利用的决策支持系统（DecisionSupport Systems，DSS），提 高 节 水 农 业 决 策 的 科学 化 ，它 是实 现 处 方 农业、精确农业的核心。 所谓 DSS 是指通过决策科学及相关学科的理论知识和数据、模型，以人机交互方式辅助决策者进行半结构化和非结构化决策的计算机应用系统，节水灌溉系统是一个典型的 DSS 能解决的问题，通过模拟作物的产量和需水过程的关系，预测农田土壤盐分及水分胁迫对产量的影响，制定农田科学的灌溉措施，实现适时适量的精确灌溉，降低灌溉用水量，提高水资源利用效率，达到节约和高效利用水资源之目的。农田灌溉 DSS 以支持模型运算必需的各种静态和动态数据的数据库和反映不同地区自然生态条件等作物栽培和用水管理经验知识以及具有知识推理机制的专家知识库作为基本信息支撑，通过总控程序构筑灌溉用水决策支持系统的运行环境，辅以友好的人机界面和人机对话过程，有效地实现了信息查询、用水管理和系统控制等主要操作功能。
2 地下滴灌
地下滴灌技术（Subsurface Drip Irrigation，SDI）是指通过地埋毛管上的灌水器将农作物所需要的水、肥、药以均匀、缓慢、准确地渗入到作物根部的新型灌溉技术，尤其适合我国干旱的西北地区。 地下滴灌具有显著的节水优势 （采用地下滴灌方式水的利用率可达 95% 以上），且有利于作物生长，提高农产品品质以及改善土壤环境等多方面优点。采用计算机灌溉系统，可以自动控制地下滴灌作业，主要是采用ADI 压力补偿管理作业。 该技术已被许多农业发达国家所应用，其主要设备 ADI 压力补偿滴灌管采用滴头双入口、宽流道、梯形迷宫式结构以降低水流压力，并与上部的弹性片配合调整流道的宽度，从而达到稳定出水口流量的目的，对提高节水效率非常明显。
3 智能化灌溉管理
智能化灌溉管理是通过配备先进的监测系统、通信系统和数据处理系统，实现对气候的准确测量，自动确定是否需要进行灌溉，或由此确定何时进行灌溉等，自动发出信号，进行远距离遥控，实施灌溉作业。该系统完全依靠计算机自动操作和执行的，无需人为干涉，最大程度地实现自动化作业。通过监测设备得到的数据可以自动启动或关闭灌溉程序，如通过雨量计得到的数据，自动确定灌溉水量，通过土壤湿度计确定灌溉的深度。 操作人员可以通过电话或计算机网络监视、查看、获得并控制正在发生的一切灌溉数据和动作，系统自动纪录所有发生过的事件的详细数据。操作人员和管理者根据过去发生的纪录数据，进行分析，做出相应的调整和决策，真正达到农业灌溉管理系统化和科学化。
4 自动化灌溉控制
自动化的灌溉控制技术是指在无人干预的情况下，通过由计算机控制的中央灌溉管理系统，根据地块和作物的要求适时、适量进行自动灌溉的技术。这种自动化灌溉管理系统可通过反映作物需水的某些参量，预先编制好灌溉程序软件，灌溉机械自动地按照程序指令，按规定时间、不同地块要求，提供不同的灌溉水量。 该系统加上遥控装置后，能够储存数据，通过个人计算机和通讯网络，实现远程灌溉控制和管理。
二、计算机自动控节水灌溉的设计研究
1.大棚（或连栋）温室自动化灌溉的设计
在日光温室中，由于栽培空间封闭，环境状况优越，用于系统自动控制的设备可达到较高的精确度。其研究设计采用计算机统一管理全部参数数据，电脑工控机控制所有的操作对象，如湿度、温度、电导率、PH值、CO浓度、徽喷或滴灌时间、施肥、风机、水帘开闭、自动阀门、加压泵、电子加药泵等等。将遥控和自控相结合，达到全过程计算机控制自动化。
（l）计算机自动拉制系统
计算机自动控制系统由微机、主控机、分控机等组成。其中徽机和主控机安装在中心控制室，每个温室配备一个分控机。主控机主要是采集各分控机反馈的温室实际状况（如温度、湿度、PH值、电导等）并传递给微机，微机用来软件编程、翰人、修改各种数据，管理人员通过显示器了解环境的状况和参数变化，用键盘或鼠标向各分控机发出工作命令，由分控机自动关启温室的水泵、风机、照明和微灌系统的闸阀等开关，实现定时定量灌溉。系统的配套管理软件采用模块化结构，主要由主程序、数据巡回采集及处理子程序、显示子程序、键盘中断服务程序、打印子程序及定时中断服务程序等组成。
整个系统不需要体力工人直接参与，通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参数可以自动启闭水泵和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉，人工的辅助作用只是调整控制程序和检修控制设备。
（2）自控设备及工作流程自控系统中，除一般常用的灌水器、管道、管件及水泵、电机外，还包括有计算机、主控机、分控机、自动阀、传感器（土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等）及电线等。
其中土壤水分传感器就是真空负压表，表上显示出的数字即是土壤含水量的大小，需根据不同作物所需适宜土壤含水量的上下限来确定真空负压表读数的上下限，预备灌溉时使用。
空气湿度传感器用来测量大棚温室内空气湿度变化情况，通过分控机上的指示灯来显示。
电接点温度计用来测量温室内土壤温度。
2.大面积农田自动化灌溉的设计
农作物大田的全自动灌溉控制系统也是由计算机（包括系统程序和打印机）、主控机、分控机、传感器等组成，但自控设备的种类和数量相对温室较少。传感器一般预埋在农田里，计算机、打印机和主控机安装在中央控制室，分控机则安装在易于控制水泵和管道阀门的地方。
其工作流程是：土壤水分传感器自动检测出农田中的水分与温度等参数，并反馈显示在计算机屏幕上，计算机根据数学模型分析预报和土坡墒情侧算与灌水指导系统，自动确定需要灌概的时间与灌概用水量；当指定时间一到，微机根据预设的程序立即进行处理，并操作主控机工作，主控机将开机信号传给分控机，分控机接收到主控机发出的开启指令后，经强电伺服装置开启电磁阀进行灌水；灌水到一定时间后，当土壤水分传感器检侧到土壤墒情已达到设计要求，灌水量已够时，就将信号反馈传送到计算机，通知停水，计算机接到反馈信号后，依次把停水命令传给主控机、分控机，分控机则控制关闭电磁阀，停止灌概。停水后，计算机上自动显示出此时土坡的含水盘、本次灌溉所用水量、灌溉起止时间以及应付水费等，同时预报下次灌溉的时间及灌水量，并将结果打印出来。
结语
现在，节水灌溉计算机控制管理系统在农业发展中的作用和重要性越来越明显，其推广应用也十分紧迫，但整体的自动化水平和程度还不是很高，特别是我国的农业设施还尚未达到标准化。因此，进一步开发更为实用、更加科学的节水灌溉计算机管理系统，真正实现因时、因作物、因地用水以及用肥自动控制，科学合理地利用有限的水资源。
参考文献：
[1] 许 迪 ， 康 绍 忠 . 现 代 节 水 农 业 技术 研究 进展 及 发展 趋 势 [J]. 高 技术 通 讯 ，2002，12（12）：103-108.