|
關(guān)于我們
 書單推薦 新書推薦 |
信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)節(jié)水中的應(yīng)用 
定 價(jià)：70 元 叢書名：國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助出版
9 7 3 8 1 7 1 0 5 3 1 0 1 讀者對(duì)象:農(nóng)業(yè)節(jié)水相關(guān)專業(yè)師生，從事農(nóng)業(yè)節(jié)水教學(xué)、科研和管理人員 
本書較為全面系統(tǒng)地介紹了信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)節(jié)水的技術(shù)方法和應(yīng)用實(shí)踐，主要包括農(nóng)業(yè)節(jié)水信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)、節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)、農(nóng)用水管理技術(shù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)、節(jié)水灌溉自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)與施工、典型應(yīng)用案例等。
本書是作者多年研究成果的匯總，內(nèi)容突出新穎性和實(shí)用性，可作為農(nóng)業(yè)節(jié)水相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的參考用書，也可供從事農(nóng)業(yè)節(jié)水教學(xué)、科研和管理人員參考使用。 更多科學(xué)出版社服務(wù)，請(qǐng)掃碼獲取。 
第1 章 緒 論
農(nóng)業(yè)節(jié)水是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，信息技術(shù)是融合各種農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)、充分發(fā)揮灌溉設(shè)施作用、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水效果最大化的重要技術(shù)手段。本章提出了信息節(jié)水的概念，系統(tǒng)總結(jié)分析了國內(nèi)外信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)節(jié)水中研究應(yīng)用現(xiàn)狀。 1.1 信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)節(jié)水 我國總體上是一個(gè)干旱缺水的國家。隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，供水形勢(shì)將更加嚴(yán)峻，水資源短缺已成為我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)持續(xù)發(fā)展的制約因素。 農(nóng)業(yè)是我國的用水大戶。2008 年，農(nóng)業(yè)用水占全國總用水的62.0 % （中華人民共和國水利部，2010） ，其中90 % 以上是灌溉用水。目前，我國農(nóng)業(yè)水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，灌溉水有效利用系數(shù)僅為世界發(fā)達(dá)國家的56 % ～ 62 % 。農(nóng)業(yè)用水效率方面，全國平均單方灌溉水產(chǎn)糧是世界先進(jìn)水平國家的30 % ～ 40 % ，單位農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量耗水量和萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量明顯高于發(fā)達(dá)國家水平，旱作農(nóng)業(yè)降水利用率低，進(jìn)一步提高的潛力很大。隨著農(nóng)產(chǎn)品需求的日益增長，農(nóng)業(yè)用水需求不斷增加，但根據(jù)我國水資源條件和用水中長期規(guī)劃，今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)農(nóng)業(yè)用水不可能有較大增加。要解決農(nóng)業(yè)用水日趨嚴(yán)重的供需矛盾，必須從根本上調(diào)整農(nóng)業(yè)發(fā)展思路，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。 根據(jù)農(nóng)業(yè)用水過程分析，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)通�？蓺w納為工程節(jié)水技術(shù)、農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)、生物（生理）節(jié)水技術(shù)和管理節(jié)水技術(shù)四類。世界發(fā)達(dá)國家圍繞提高灌溉（降）水利用率和作物水分生產(chǎn)率，將信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)節(jié)水中，從而大幅度提高了工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、生物（生理）節(jié)水、管理節(jié)水的效果，顯現(xiàn)出信息技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要作用。這種基于信息科學(xué)技術(shù)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的方式，我們定義為“農(nóng)業(yè)信息節(jié)水”（information-based agri-cultural water saving） 。用于農(nóng)業(yè)節(jié)水的信息技術(shù)，我們定義為“農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)”（information technology for agricultural water saving） �！稗r(nóng)業(yè)信息節(jié)水”是“農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)”的應(yīng)用過程或結(jié)果，“農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)”是實(shí)現(xiàn)“農(nóng)業(yè)信息節(jié)水”的方法手段，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要技術(shù)途徑，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水向現(xiàn)代化方向發(fā)展具有重要意義。 1.1.1 農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的內(nèi)涵 農(nóng)業(yè)信息節(jié)水是指把先進(jìn)的感知技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及智能決策等現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)相融合，用信息流調(diào)控農(nóng)業(yè)用水過程，形成的一種新的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)方式。支持和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的是農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)，主要包括土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)和用水管理技術(shù)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。 農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)大幅度提升了現(xiàn)有節(jié)水設(shè)施的利用效率和用水管理水平，從而提高了水的利用效率和生產(chǎn)效率，促使農(nóng)業(yè)水資源管理由單因素、單目標(biāo)的靜態(tài)管理，向多因素、多目標(biāo)、多層次的動(dòng)態(tài)管理方向發(fā)展，推動(dòng)了傳統(tǒng)灌溉管理模式向信息化、數(shù)字化、精準(zhǔn)化管理模式發(fā)展，是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的進(jìn)一步提升。農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的廣度和深度決定了其豐富的內(nèi)涵，主要表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的基本目的、實(shí)現(xiàn)方法和基本作用。 農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的基本目的是針對(duì)我國農(nóng)業(yè)水資源短缺以及水土資源流失等問題，利用信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置、合理開發(fā)、高效利用和有效保護(hù)，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)與水資源的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)信息節(jié)水給農(nóng)業(yè)節(jié)水注入了新的活力，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)是進(jìn)一步挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的重要方向。 農(nóng)業(yè)信息節(jié)水是感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和智能決策等現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水有機(jī)融合的結(jié)果。感知技術(shù)是農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的“感覺器官” ，主要完成對(duì)農(nóng)田信息（土壤溫濕度和氣象信息） 、水資源信息以及作物生長生理信息的采集；傳輸技術(shù)是農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的“神經(jīng)系統(tǒng)” ，主要完成采集信息從感知部分到智能決策終端的傳送，同時(shí)負(fù)責(zé)把決策終端的命令發(fā)送到農(nóng)業(yè)節(jié)水信息系統(tǒng)的各執(zhí)行設(shè)備；自動(dòng)控制和智能決策是農(nóng)業(yè)信息節(jié)水的“大腦” ，它負(fù)責(zé)融合各種采集信息，形成相應(yīng)的智能決策和下發(fā)相應(yīng)的執(zhí)行命令。 信息技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的相互融合，將使農(nóng)業(yè)水資源的管理方式和開發(fā)利用方式發(fā)生重大變革，改變過去傳統(tǒng)粗放的用水管水方式，實(shí)現(xiàn)集約式現(xiàn)代管理。通過建立農(nóng)業(yè)水資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)水資源廣域、大范圍的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水源的聯(lián)合調(diào)度與合理優(yōu)化配置，從而從全局上保證水資源安全；通過智能決策分析技術(shù)，可根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格和國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)，從而最大限度發(fā)揮水資源的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值；通過建立數(shù)字化、自動(dòng)化的灌溉施肥控制系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用，減少水資源浪費(fèi)，而且還可大幅度減少傳統(tǒng)施肥對(duì)環(huán)境的污染，從而實(shí)現(xiàn)“精細(xì)灌溉” 。 1.土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù) 土壤水分條件直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)收成。土壤水分是指作物整個(gè)根區(qū)剖面的土壤含水量。一個(gè)地區(qū)氣候、地貌、土質(zhì)、植被及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等因素共同決定了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田土壤水分狀況，其中大氣降水是影響土壤水分變化的最主要因素。此外，土壤水分還受到溫度、濕度和風(fēng)等氣候要素的影響。隨著季節(jié)變化，不同的氣候要素使土壤水分狀況也出現(xiàn)明顯的變化（鄭建星等，2002） 。掌握土壤剖面水分的長期變化規(guī)律可以有效指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，但獲取深層含水量信息比表層含水量困難得多（張麗麗等，2007） 。對(duì)土壤水分狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，采集作物對(duì)缺水反應(yīng)等信息，從而根據(jù)作物缺水程度進(jìn)行精量灌溉是建立高效灌溉制度的基礎(chǔ)。 土壤墑情，是指作物根系層的土壤含水量狀況，與作物的生長和產(chǎn)量有著直接的聯(lián)系。墑情監(jiān)測(cè)是對(duì)作物耕作層土壤水分的增長和消退程度進(jìn)行跟蹤，是制定合理的灌溉制度從而進(jìn)行適時(shí)適量灌水的必要前提。在世界范圍內(nèi)水資源日益緊缺的情況下，實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水、優(yōu)化配置水資源、提高灌區(qū)灌排管理水平、實(shí)現(xiàn)灌溉現(xiàn)代化，必須開展對(duì)土壤墑情監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)研究。國內(nèi)外學(xué)者以及廣大農(nóng)業(yè)領(lǐng)域從業(yè)人員已經(jīng)取得了共識(shí)，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究給予了極大關(guān)注。 對(duì)田間土壤水分監(jiān)測(cè)方法的研究已經(jīng)進(jìn)行了一個(gè)多世紀(jì)，出現(xiàn)了多種測(cè)定方法，包括取土烘干法、張力計(jì)法、中子儀法、γ 射線儀法、時(shí)域反射儀法（time domain reflectmetry ，TDR） 、頻域反射法（frequency domain reflectmetry ， FDR）以及遙感監(jiān)測(cè)法等。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從原始的人工報(bào)告、手工記錄發(fā)展到數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、發(fā)送和發(fā)布的自動(dòng)化時(shí)代，并不斷融合新的計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)控制等技術(shù)，體現(xiàn)出更高的智能化。 2.節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù) 農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)正日益走向精準(zhǔn)化和可控化，以便滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)灌溉系統(tǒng)在靈活性、準(zhǔn)確性、快捷性等方面的要求。精量控制灌溉是現(xiàn)代節(jié)水灌溉發(fā)展的前沿技術(shù)，該技術(shù)的研究與應(yīng)用，不僅可以有效提高灌溉水利用率和作物產(chǎn)量與品質(zhì)，還可以大幅度提高化肥和農(nóng)藥的有效利用率，減少對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染。精量控制灌溉技術(shù)的核心是節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及人工智能方法，通過對(duì)作物生長狀況及環(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來科學(xué)預(yù)測(cè)灌溉時(shí)間與灌溉量，并依據(jù)對(duì)管網(wǎng)供水和作物需水狀況的智能分析完成灌水調(diào)度工作。 大力發(fā)展和應(yīng)用節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)是提高作物產(chǎn)量與效益的有效途徑，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水走向信息化、數(shù)字化和精準(zhǔn)化的必然選擇�！熬珳�(zhǔn)灌溉依賴于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，自動(dòng)化控制為精準(zhǔn)灌溉提供技術(shù)支撐�！惫�(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：① 遵守灌溉制度，實(shí)現(xiàn)水利設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，保證灌溉均勻度；② 提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率和電能利用率；③ 根據(jù)作物不同生育期的需水規(guī)律合理分配灌水量；④ 靈活調(diào)整灌溉水量，使有限的水資源得到最合理的分配；⑤ 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約人力成本，完成不適宜人工勞動(dòng)的工作。隨著工業(yè)控制技術(shù)與相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品成本的大幅度下降，節(jié)水灌溉必將逐步走向自動(dòng)化控制，研制和推廣節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要發(fā)展方向。 3.數(shù)字化用水管理技術(shù) 現(xiàn)代化的灌溉用水管理可以合理配置灌溉水資源以及優(yōu)化調(diào)度灌溉系統(tǒng)，利用有限的水資源獲得較大的效益，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水的重要措施。目前，世界發(fā)達(dá)國家已將農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的重心由灌溉工程建設(shè)轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)工程管理和水資源合理優(yōu)化配置上。我國的現(xiàn)代化用水管理起步較晚，急需加快灌溉用水管理技術(shù)與現(xiàn)代化信息技術(shù)相結(jié)合的研發(fā)與應(yīng)用。 灌溉用水管理體系包括管理體制、管理層次和管理技術(shù)三部分。 經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已經(jīng)形成了中央、流域、省市、地市、縣五級(jí)的水資源行政管理體制。 管理層次可分為流域、灌區(qū)和田間管理等層次，在流域管理中，需要將流域內(nèi)灌溉用水作為整體，綜合考慮流域內(nèi)資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和技術(shù)等因素，優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，充分利用降水，實(shí)現(xiàn)地表水和地下水統(tǒng)一調(diào)度，使流域內(nèi)灌溉用水獲得最大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益；在灌區(qū)管理中，將灌區(qū)內(nèi)輸配水系統(tǒng)作為整體考慮，合理分配灌區(qū)內(nèi)渠道上下游用水戶之間水量，在水的輸配過程中最大限度地減少損失和棄水，使灌區(qū)內(nèi)灌溉用水獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益；在田間管理中，根據(jù)農(nóng)田土壤墑情、作物需水量及可供水量，采用適時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)，制定合理的灌溉制度，提高田間灌溉水利用率及作物生產(chǎn)率。 灌溉管理技術(shù)的核心是自動(dòng)灌溉系統(tǒng)（周垂田，2004） 。為實(shí)現(xiàn)信息采集、處理、決策、反饋和監(jiān)控的一體化管理，自動(dòng)控制、通信、計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)和遙感等現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)廣泛用于不同層次的用水管理系統(tǒng)中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)分析技術(shù)的發(fā)展，基于模型預(yù)測(cè)和目標(biāo)優(yōu)化方法的灌溉用水計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)已開始應(yīng)用于灌區(qū)灌溉用水管理中，使灌區(qū)灌溉用水實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)用水向動(dòng)態(tài)用水的轉(zhuǎn)變，為提高灌區(qū)水資源的利用率提供了技術(shù)手段。將數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識(shí)庫與地理信息系統(tǒng)（ geographic information sys-tem ，GIS） 、遙感技術(shù)（remote sensing ，RS） 、全球定位系統(tǒng)（ global position system ，GPS）有機(jī)融合，建立灌區(qū)節(jié)水灌溉綜合決策支持系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)渠道水量、流量實(shí)時(shí)調(diào)控、渠系優(yōu)化配水和田間灌水量的科學(xué)決策。近年來，發(fā)達(dá)國家基于田間作物長勢(shì)和農(nóng)田水肥等生產(chǎn)要素的空間差異性，大力發(fā)展精準(zhǔn)灌溉技術(shù)，并與施肥有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了GPS 支持下的農(nóng)田水分、養(yǎng)分的精細(xì)管理，為充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力創(chuàng)造了條件，大幅度提高了水、肥資源的利用效率。 4.水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù) 水質(zhì)監(jiān)測(cè)是水資源管理與保護(hù)中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，也是政府管理與保護(hù)水資源的基本手段。近年來，由于水資源緊張，污水處理后的中水開始用于農(nóng)田灌溉，水質(zhì)監(jiān)測(cè)顯得非常重要，另外水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展也要求進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。我國的農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的62 % 左右，水資源的污染使得農(nóng)業(yè)用水供需矛盾日益突出。在水資源比較豐富的浙、滬、蘇地區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增加，污染物排放量持續(xù)增加，造成“水鄉(xiāng)缺水” ，這是典型的水質(zhì)型缺水。水質(zhì)型缺水是我國水資源危機(jī)的重要方面甚至是主要方面。為彌補(bǔ)水源的嚴(yán)重不足，利用工業(yè)廢水和城市污水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉的現(xiàn)象在我國非常普遍。利用工業(yè)廢水和城市污水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，灌溉渠道下游最近取水點(diǎn)的水質(zhì)必須符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)與污染物排放標(biāo)準(zhǔn)不是同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)達(dá)國家都規(guī)定了嚴(yán)格的水質(zhì)控制指標(biāo)和日常監(jiān)測(cè)要求，如日本的水稻灌溉水的高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為8mg/L 。我國目前選擇的水質(zhì)參數(shù)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和在線監(jiān)測(cè)條件與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。 水質(zhì)信息一般要求很強(qiáng)的時(shí)效性，水質(zhì)動(dòng)態(tài)信息關(guān)系到人民的生活和各行各業(yè)的生產(chǎn)，也關(guān)系到社會(huì)的穩(wěn)定。因此，水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)要求快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集和傳遞監(jiān)測(cè)信息。以實(shí)驗(yàn)室為主的檢測(cè)手段已經(jīng)不能滿足水資源保護(hù)的多方位、高水平管理的要求，不能滿足快速準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)水質(zhì)信息的需要（劉曉茹等，2004） 。2007 年5 月底，江蘇省無錫市因太湖藍(lán)藻引發(fā)公共飲用水危機(jī)，一夜之間讓上百萬群眾的生活受到嚴(yán)重干擾。 這既說明了治理水污染的迫切性，也暴露了監(jiān)測(cè)手段和能力的不足。 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸，隨時(shí)可以查詢到所設(shè)站點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作的開展，可以解決現(xiàn)行的水質(zhì)監(jiān)測(cè)周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)采集和傳輸速度慢等問題，改變過去總在事后才向有關(guān)部門提供水質(zhì)信息的被動(dòng)局面，實(shí)現(xiàn)了在水質(zhì)發(fā)生惡化時(shí)儀器自動(dòng)報(bào)警或響應(yīng)，對(duì)流域及下游發(fā)出水質(zhì)污染的預(yù)警預(yù)報(bào)，防患于未然，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益（錢國明等，2008） 。 未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將廣泛用于水質(zhì)和水環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，水質(zhì)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)包括水質(zhì)感知層、信息傳輸層和應(yīng)用決策層。目前，水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器缺乏，水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣、通信不.，導(dǎo)致信息采集缺乏實(shí)時(shí)性。因此，必須突破水質(zhì)感知層和低成本通信技術(shù)，才能使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。 1.1.2 農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)現(xiàn)狀 1.國外農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)現(xiàn)狀 美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)的研究應(yīng)用開展較早，在農(nóng)業(yè)信息采集感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及智能決策方面具備比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，開展了信息技術(shù)在土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)、用水管理以及水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，形成了完善的農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)產(chǎn)品體系，并得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了本國節(jié)水農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 在土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，發(fā)達(dá)國家利用時(shí)域反射法技術(shù)、頻域反射法（ fre-quency domain reflectmetry ， FDR）技術(shù)和近紅外線技術(shù)研發(fā)出的土壤水分傳感器和測(cè)量?jī)x已經(jīng)大面積應(yīng)用在土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，開發(fā)的基于作物蒸騰過程、葉面空氣溫差與作物受旱脅迫狀況的快速測(cè)量?jī)x表，可用于測(cè)量植物生理生態(tài)信息。最具代表性的公司包括美國的TRASE 公司、TRIME 公司以及澳大利亞的Enviroscan 公司等，他們均有自己系列土壤墑情監(jiān)測(cè)傳感器和植物生理信息傳感器，并具有一整套成熟的土壤墑情解決方案。另外，美國、澳大利亞、以色列等國在研究土壤墑情及作物生理生態(tài)理論關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過各種傳感器，從作物水分生理出發(fā)，綜合考慮作物光合、呼吸、干物質(zhì)分配、水分吸收以及蒸騰等過程，監(jiān)測(cè)作物水分狀態(tài)，建立土壤墑情與農(nóng)作物生長的動(dòng)態(tài)模型，形成比較完善的土壤墑情監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)。在大面積土壤墑情、作物旱情的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中，發(fā)達(dá)國家采用大尺度的遙感技術(shù)，能夠監(jiān)測(cè)短、中、長期的土壤墑情、作物旱情。如美國加利福尼亞州通過建立的162 個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站，測(cè)定不同區(qū)域的基礎(chǔ)蒸騰蒸發(fā)量，利用3S 技術(shù)，建立加州灌溉管理信息系統(tǒng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)外發(fā)布。 在節(jié)水自動(dòng)控制技術(shù)方面，美國、澳大利亞、加拿大、日本、以色列等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將自動(dòng)控制方式從最早的水力控制、機(jī)械控制及機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，發(fā)展到目前的計(jì)算機(jī)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)控制，形成了先進(jìn)的灌溉設(shè)備與控制系統(tǒng)。同時(shí)，發(fā)達(dá)國家運(yùn)用先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)，開發(fā)和制造了一系列控制精度高、功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到廣泛的應(yīng)用，使傳統(tǒng)的充分灌溉向現(xiàn)在的非充分灌溉方向發(fā)展。其中具有代表性的包括以色列的Eldar-Shany ，美國的RainBird 、Toro 、Hunter 等公司，他們均有自己系列灌溉控制系統(tǒng)。以色列通過發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術(shù)，全國農(nóng)業(yè)土地基本上實(shí)現(xiàn)了灌溉管理自動(dòng)化，并且普遍推行自動(dòng)控制系統(tǒng)。 Netfim 公司生產(chǎn)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)基本由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行，可根據(jù)作物的生長及水、肥狀況進(jìn)行灌水和施肥，可節(jié)約大量人力，且管理及時(shí)，使作物產(chǎn)量和品質(zhì)都有較大幅度的提高。美國Toro 公司在先后并購澳大利亞哈迪灌溉公司和美國DRIPIN 公司后，大大豐富了其在農(nóng)業(yè)及園林灌溉控制方面產(chǎn)品的種類，其JC 、IBOC 系列干電池控制器，RD 、TC 系列灌溉控制器，MM4500 農(nóng)業(yè)專用中央控制系統(tǒng)等產(chǎn)品能夠面對(duì)不同應(yīng)用提供多種解決方案。 在用水管理技術(shù)方面，發(fā)達(dá)國家的灌溉水管理技術(shù)正朝著信息化、自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。近年來，發(fā)達(dá)國家開始以田間水肥等生產(chǎn)要素的空間差異性為基礎(chǔ)，利用GPS 、GIS 、RS 和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的研究應(yīng)用，為最大限度地優(yōu)化農(nóng)業(yè)投入、充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力提供了技術(shù)支撐，大大提高了灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行性能與效率。國外多采用基于下游控制模式的自控運(yùn)行方式，利用中央自動(dòng)監(jiān)控（即遙測(cè)、遙信、遙調(diào)）系統(tǒng)對(duì)大型供水渠道進(jìn)行自動(dòng)化管理，開展灌區(qū)輸配水系統(tǒng)的自控技術(shù)研究。在明渠自控系統(tǒng)運(yùn)行軟件方面，著重開展對(duì)供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃的研究，采用明渠非恒定流計(jì)算機(jī)模擬方法，結(jié)合閘門運(yùn)行規(guī)律，編制系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制軟件。 在水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究和應(yīng)用開展得較早，開展了水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)感知技術(shù)和多功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用示范研究，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備在飲用水源地、工業(yè)污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多個(gè)方面的推廣使用，形成了良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用模式，形成了一批水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備開發(fā)廠商，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如美國YSI 公司研制的便攜式電極法溶解氧測(cè)量?jī)x和OXYMON 氧氣測(cè)量系統(tǒng)、瑞士DMP 公司的MICROXI 型的溶解氧測(cè)量?jī)x，以及日本FOX 5000A 光纖溶解氧傳感器等，可高質(zhì)量地完成實(shí)驗(yàn)室和野外環(huán)境下的水溶解氧監(jiān)測(cè)工作。德國WTW 儀器公司生產(chǎn)的Turb355 T型便攜手持式濁度檢測(cè)儀、美國EUTECH 公司的TNl00 型便攜式濁度儀、意大利哈納公司的H193703-11 型微電腦便攜式濁度儀等，在水質(zhì)濁度監(jiān)測(cè)方面處于領(lǐng)先地位。 2.國內(nèi)農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)現(xiàn)狀 我國從20 世紀(jì)50 年代就開始進(jìn)行信息技術(shù)在土壤墑情監(jiān)測(cè)、灌溉、用水管理以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面的研究應(yīng)用工作。通過半個(gè)世紀(jì)的努力，農(nóng)業(yè)節(jié)水信息技術(shù)取得了很大進(jìn)展。 但總體來說我國的墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能灌溉控制技術(shù)以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)還處于初級(jí)發(fā)展階段，沒有形成成套的系統(tǒng)，智能化程度較低。國內(nèi)開發(fā)的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能灌溉控制系統(tǒng)以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多處于研制、試用、示范階段，功能可擴(kuò)展、邏輯可編程的信息處理、運(yùn)算和控制設(shè)備在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用還不多見。 在土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，我國也取得了一批優(yōu)秀的研究成果。例如，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王一鳴教授利用駐波原理開發(fā)的駐波比（standing wave ratio ，SWR）土壤水分傳感器，在性能上接近國外水平，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心開發(fā)的基于熱平衡的莖流傳感器，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)作物體內(nèi)的水分和物質(zhì)運(yùn)輸狀況；開發(fā)的葉面溫度、蒸騰、莖稈增長、果實(shí)膨大傳感器，可有效地在線監(jiān)測(cè)作物的呼吸、蒸騰及作物器官的生長速度，可用于研究作物生長與土壤墑情之間的定量關(guān)系；開發(fā)的基于傳感器技術(shù)、GSM/GPRS 技術(shù)以及GIS 技術(shù)的遠(yuǎn)程墑情監(jiān)測(cè)站，能夠?qū)崟r(shí)采集土壤的墑情信息、氣象信息以及地理位置信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)同步發(fā)布，方便用戶查詢墑情信息。此外，高迎娟在理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，開發(fā)了主要作物各發(fā)育階段土壤墑情跟蹤分析及預(yù)測(cè)的應(yīng)用軟件。
你還可能感興趣
我要評(píng)論
|
