試析計算機科學(xué)與技術(shù)在節水管理中的應用
摘要：為了應對日趨嚴重的水資源短缺目前狀況，必須轉變現有的浪費嚴重的用水方式，大力發(fā)展抗旱節水新技術(shù)，走節水農業(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(gè)水資源短缺的農業(yè)大國尤為重要，是保證我國農業(yè)生產(chǎn)可持續發(fā)展的關(guān)鍵所在。
關(guān)鍵詞：計算機科學(xué)與技術(shù);節水管理
水是農業(yè)的命脈， 我國農業(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業(yè)生產(chǎn)用水量的絕大部分(約為 90%)。長(cháng)期以來(lái)，受傳統農業(yè)耕作模式和生產(chǎn)水平限制，我國農業(yè)灌溉用水存在浪費嚴重現象，利用率僅為 45%，遠低于農業(yè)發(fā)達國家的平均水平(70%～80%)，特別是近年來(lái)我國農業(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遭遇嚴重干旱，部分旱區旱情持續時(shí)間長(cháng)達 5 個(gè)月，耕地受旱面積達 1.11 億畝，農作物絕收面積超過(guò)110 萬(wàn)公頃，經(jīng)濟損失超過(guò) 350 億元。
一、計算機科學(xué)與技術(shù)在節水農業(yè)發(fā)展中的應用
1、數據采集與分析
以計算機為工具，建立農田水資源利用的決策支持系統(DecisionSupport Systems，DSS)，提 高 節 水 農 業(yè) 決 策 的 科學(xué) 化 ，它 是實(shí) 現 處 方 農業(yè)、精確農業(yè)的核心。 所謂 DSS 是指通過(guò)決策科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的理論知識和數據、模型，以人機交互方式輔助決策者進(jìn)行半結構化和非結構化決策的計算機應用系統，節水灌溉系統是一個(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，預測農田土壤鹽分及水分脅迫對產(chǎn)量的影響，制定農田科學(xué)的灌溉措施，實(shí)現適時(shí)適量的精確灌溉，降低灌溉用水量，提高水資源利用效率，達到節約和高效利用水資源之目的。農田灌溉 DSS 以支持模型運算必需的各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數據的數據庫和反映不同地區自然生態(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(zhuān)家知識庫作為基本信息支撐，通過(guò)總控程序構筑灌溉用水決策支持系統的運轉環(huán)境，輔以友好的人機界面和人機對話(huà)過(guò)程，有效地實(shí)現了信息查詢(xún)、用水管理和系統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(shù)，尤其適合我國干旱的西北地區。 地下滴灌具有顯著(zhù)的節水優(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(cháng)，提高農產(chǎn)品品質(zhì)以及改善土壤環(huán)境等多方面優(yōu)點(diǎn)。采用計算機灌溉系統，可以自動(dòng)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(shù)已被許多農業(yè)發(fā)達國家所應用，其主要設備 ADI 壓力補償滴灌管采用滴頭雙入口、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整流道的寬度，從而達到穩定出水口流量的目的，對提高節水效率非常明顯。
3、智能化灌溉管理
智能化灌溉管理是通過(guò)配備先進(jìn)的監測系統、通信系統和數據處理系統，實(shí)現對氣候的準確測量，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，進(jìn)行遠距離遙控，實(shí)施灌溉作業(yè)。該系統完全依靠計算機自動(dòng)操作和執行的，無(wú)需人為干涉，最大程度地實(shí)現自動(dòng)化作業(yè)。通過(guò)監測設備得到的數據可以自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉灌溉程序，如通過(guò)雨量計得到的數據，自動(dòng)確定灌溉水量，通過(guò)土壤濕度計確定灌溉的深度。 操作人員可以通過(guò)電話(huà)或計算機網(wǎng)絡(luò )監視、查看、獲得并制約正在發(fā)生的一切灌溉數據和動(dòng)作，系統自動(dòng)紀錄所有發(fā)生過(guò)的事件的詳細數據。操作人員和管理者根據過(guò)去發(fā)生的紀錄數據，進(jìn)行分析，做出相應的調整和決策，真正達到農業(yè)灌溉管理系統化和科學(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)人干預的情況下，通過(guò)由計算機制約的中央灌溉管理系統，根據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)化灌溉管理系統可通過(guò)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(dòng)地按照程序指令，按規定時(shí)間、不同地塊要求，提供不同的灌溉水量。 該系統加上遙控裝置后，能夠儲存數據，通過(guò)個(gè)人計算機和通訊網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現遠程灌溉制約和管理。
二、計算機自動(dòng)控節水灌溉的設計研究
1、大棚(或連棟)溫室自動(dòng)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，用于系統自動(dòng)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一管理全部參數數據，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(shí)間、施肥、風(fēng)機、水簾開(kāi)閉、自動(dòng)閥門(mén)、加壓泵、電子加藥泵等等。將遙控和自控相結合，達到全過(guò)程計算機制約自動(dòng)化。
(l)計算機自動(dòng)拉制系統
計算機自動(dòng)制約系統由微機、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(gè)溫室配備一個(gè)分控機。主控機主要是采集各分控機反饋的溫室實(shí)際狀況(如溫度、濕度、PH值、電導等)并傳遞給微機，微機用來(lái)軟件編程、翰人、修改各種數據，管理人員通過(guò)顯示器了解環(huán)境的狀況和參數變化，用鍵盤(pán)或鼠標向各分控機發(fā)出工作命令，由分控機自動(dòng)關(guān)啟溫室的水泵、風(fēng)機、照明和微灌系統的閘閥等開(kāi)關(guān)，實(shí)現定時(shí)定量灌溉。系統的配套管理軟件采用模塊化結構，主要由主程序、數據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)系統不需要體力工人直接參與，通過(guò)預先編制好的制約程序和根據反映作物需水的某些參數可以自動(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(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(xiàn)等。
其中土壤水分傳感器就是真空負壓表，表上顯示出的數字即是土壤含水量的大小，需根據不同作物所需適宜土壤含水量的上下限來(lái)確定真空負壓表讀數的上下限，預備灌溉時(shí)使用。
空氣濕度傳感器用來(lái)測量大棚溫室內空氣濕度變化情況，通過(guò)分控機上的指示燈來(lái)顯示。
電接點(diǎn)溫度計用來(lái)測量溫室內土壤溫度。
2、大面積農田自動(dòng)化灌溉的設計
農作物大田的全自動(dòng)灌溉制約系統也是由計算機(包括系統程序和打印機)、主控機、分控機、傳感器等組成，但自控設備的種類(lèi)和數量相對溫室較少。傳感器一般預埋在農田里，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(mén)的地方。
其工作流程是：土壤水分傳感器自動(dòng)檢測出農田中的水分與溫度等參數，并反饋顯示在計算機屏幕上，計算機根據數學(xué)模型分析預報和土坡墑情側算與灌水指導系統，自動(dòng)確定需要灌概的時(shí)間與灌概用水量;當指定時(shí)間一到，微機根據預設的程序立即進(jìn)行處理，并操作主控機工作，主控機將開(kāi)機信號傳給分控機，分控機接收到主控機發(fā)出的開(kāi)啟指令后，經(jīng)強電伺服裝置開(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(shí)，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(guān)閉電磁閥，停止灌概。停水后，計算機上自動(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)間以及應付水費等，同時(shí)預報下次灌溉的時(shí)間及灌水量，并將結果打印出來(lái)。
三、結束語(yǔ)
現在，節水灌溉計算機制約管理系統在農業(yè)發(fā)展中的作用和重要性越來(lái)越明顯，其推廣應用也十分緊迫，但整體的自動(dòng)化水平和程度還不是很高，特別是我國的農業(yè)設施還尚未達到標準化。因此，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更為實(shí)用、更加科學(xué)的節水灌溉計算機管理系統，真正實(shí)現因時(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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