一种基于农田水分监测的灌溉用水管理系统及管理方法与流程

本发明属于农田土壤水分监测领域，尤其涉及一种基于农田水分监测的灌溉用水管理系统及管理方法。

背景技术：

农田土壤水分监测仪是实施农业灌溉用水管理的重要技术手段，该技术应用，对于监测农田土壤水分，分析把握农田墒情，作物适时适量灌溉，有效提升灌溉水资源利用效率，推进灌区农业水资源总量控制与定额管理具有重要作用。但该技术应用中有以下考虑不足和缺陷尚需研究解决：

(一)现有技术仅满足土壤水分单一功能监测

现有农田土壤水分监测仪，可对农田土壤水分、土壤温度等灌溉用水管理基础参数，进行实时动态监测采集和数据传送，实现了数据信息自动传输，然而，基于基础参数的灌区灌溉用水管理应用技术处理，尚处于空白或缺陷状态。因此，现有监测技术功能单一，在实际应用中只是成为一种先进的测试工具而已。

(二)现有技术缺乏需求响应的系统功能设计

农田土壤水分监测，并非只是简单的监测土壤水分等参数即可那么简单，而是集水分信息采集、数据传送、需求响应、系统管理于一体的技术应用创新。基于农田土壤水分采集，灌区应用关键是通过农田水分观测研究分析，对农业用水定额、灌溉水利用效率、灌溉制度、用水总量和定额管理实施有效的监测管理，这是该技术研究应用的目标和归宿。然而，现有农田土壤水分监测仪，缺乏需求响应和系统功能技术设计，因而，无法满足对农田灌溉的有效管理和构建适应灌区现代化管理支撑需要。

(三)新疆农业灌溉用水占供水总量的90％以上，为各业用水之首占比之大耗水量之多，因此，新疆“十三五”大力开展节水型社会建设，实施工、农业经济用水结构调整，合理配置经济社会与生态环境用水，加大农业高效节水发展。实施最严格的水资源管理，强化水资源“总量控制，定额管理”，是新疆节水型社会建设的重要目标。其重要任务是：充分发挥现有灌溉工程运行能力及综合效益、明晰农业灌溉规模与水生态环境容量、有效提升水资源利用效率和管理水平。落实这些任务的技术关键是：对农业用水定额、灌溉水利用效率、灌溉制度、用水总量和定额管理，实施有效的监测管理，构建适应灌区现代化管理技术支撑体系。

农田土壤水分监测是农田灌溉管理的基础，农业用水高效利用管理关键是：基于农田土壤水分信息采集传输，信息源与灌溉用水管理需求响应技术集成共享。因此，采取科学标准化的观测设施定位，确保数据采集精度与灌区用水管理需求响应有机统一，获得支撑现代农业灌溉技术性能指标和管理应用解决方案，是农田土壤水分监测技术管理应用的研究方向。

(四)现有技术方案

目前，农田土壤水分监测方式有三种：人工取土烘干监测、固定埋设自动水分监测、人工便携式自动水分监测(移动式自动水分监测)。

传统式农田土壤水分监测方法：由人工在农田钻取土壤分层土样，送室内称重烘干计算分析土壤含水量及灌溉用水管理技术指标。传统测验方法存在明显的信息滞后、工作量大、计算繁杂、管理落后等“科技短板”问题，无法胜任农田土壤水分监测及灌溉水高效利用管理的需求。

水分仪监测农田土壤水分方法：人工采用便携式或农田地埋固定式水分仪，可快速测验土壤水分或土壤温度等参数，实现采集信息的存贮、无线传输和数据库管理。这一技术进行农田土壤水分观测，具有动态监测、便捷高效、信息及时效果，克服了传统方法信息滞后、工作量大、计算繁杂、管理落后问题。然而，基于农田土壤水分的灌区管理应用技术指标处于空缺状态，说到底，现有技术只是对农田土壤水分监测效率的提升，而利用监测的土壤水分实施灌溉管理应用技术内容没有涉及。

综上所述，现有的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统及监测方法不能从墒情监测、信息传输、需求响应、水资源有效利用、灌溉技术管理等综合技术层面上，进行灌溉水资源有效利用；目前的监测仅满足土壤水分单一功能监测；现有的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统监测技术应用性能单一、无基于水分信息源需求响应的灌区应用管理功能设计、无基于互联网技术的灌区专用管理平台。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于农田水分监测的灌溉用水管理系统及管理方法，旨在解决现有的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统及监测方法不能从墒情监测、信息传输、需求响应、水资源有效利用、灌溉技术管理等综合技术层面上，进行灌溉水资源有效利用；目前的监测仅满足土壤水分单一功能监测；现有的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统现有的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统监测技术应用性能单一、无基于水分信息源需求响应的灌区应用管理功能设计、无基于互联网技术的灌区专用管理平台的问题。

本发明是这样实现的，一种基于农田水分监测的灌溉用水管理系统，该基于农田水分监测的灌溉用水管理系统包括：土壤水分土壤温度信息模块、农田灌溉土壤墒情信息模块、灌区用水灌溉成果测报模块、灌区灌溉效益成果报告模块；

所述土壤水分土壤温度信息模块用于根据农田代表性监测点的自然地理、气象土壤、水文的基本特征，建立土壤水分、土壤温度信息实时采集并传输；

所述农田灌溉土壤墒情信息模块用于农田代表性监测点及灌区作物灌溉用水、灌溉定额、灌溉制度、土壤墒情评估分析测报；

所述灌区用水灌溉成果测报模块用于农田代表性监测点及灌区作物需水规律及需水量分析测报；还用于农田代表性监测点及灌区，农业灌溉水利用系数分析测报；

所述灌区灌溉效益成果报告模块用于农田代表性监测点及灌区综合灌溉效益分析测报。

上述内容的实现，通过“土壤水分土壤温度信息”、“农田灌溉土壤墒情信息”、“灌区用水灌溉成果测报”、“灌区灌溉效益成果报告”功能模块，基于互联网技术，形成“灌区灌溉用水监测管理信息系统”专用管理服务平台。

本发明另一目的在于提供一种基于农田水分监测的灌溉用水管理系统的管理方法，该基于农田水分监测的灌溉用水管理系统的管理方法包括：

以农田代表性监测点的自然地理、气象土壤、水文的基本特征为背景，建立土壤水分、土温实时采集及信息利用数据库；

应用实时数据库信息，采用水量平衡数学模型(ET＝M+P+K-C)、土壤水分变化规律(W＝667.7γHβ)的数理统计方法，推导农田代表性监测点及灌区作物灌溉用水、灌溉定额、灌溉制度、土壤墒情分析测报；

根据农田作物需水量逐日衰减特征，以作物生长10日为时段，采用时段始、末土壤含水量法(应用灌水前、灌水后田间不同土壤层次深度土壤含水量观测值，计算其灌水前后之差值为该时段作物需水量：W＝667.7∑H(β₂-β₁)γ)，实现灌区作物需水规律及需水量分析测报；

利用系统分析的田间用水量、灌区引用毛水量，采用首尾法(系统分析的田间用水量与灌区引用毛水量之比值)实现灌区灌溉水利用系数分析测报；

以灌区引用毛水量、作物和综合作物总产单产信息，采用水当量(灌区作物总产量与灌区引用毛水量之比值，单位是每立方米水量可以生产出的作物产量)计算法，实现灌区综合灌溉效益评估指标。

本发明另一目的在于提供一种利用上述的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统构成的灌区灌溉用水监测管理信息系统专用管理服务平台。

现有技术只是获取土壤水分、土温信息即告完成，创新构建灌区灌溉用水监测管理信息系统技术，是实现灌区用水管理关键技术平台，这一平台仅通过有限的土壤水分、土温信息源，现有技术并未有新的研究和突破。因此，本发明最大限度开发利用农田土壤水分监测信息源，实现了灌溉水高效利用监测管理技术需求；本发明首次运用综合、模块化技术方法和解决方案，实现了有限信息的最大化应用，主要体现在：现有技术只是获取土壤水分、土温信息即告完成，最大限度开发利用农田土壤水分监测信息源，实现灌溉水高效利用监测管理技术需求，难点和重点并存。系统综合运用“信息源+数据传输+服务器+数据库”信息流程，为管理系统对监测信息需求响应的贮备提取、利用加工提供基础条件；采用水量平衡、数理统计、时段始、末土壤含水量、首尾法、水当量计算法等综合方法，实现用水定额、灌溉制度、土壤墒情、作物需水量、灌溉水利用系数、灌区引用水量、作物产量、灌溉效益等管理技术评估指标。本发明采用系统模块化的技术设计，以“土壤水分土壤温度信息”、“农田灌溉土壤墒情信息”、“灌区用水灌溉成果测报”、“灌区灌溉效益成果报告”功能模块化设计，获得灌区灌溉用水监测管理信息系统技术指标与应用层面逻辑关联。

本发明运用“信息源+数据传输+服务器+数据库”信息流程，为管理系统对监测信息需求响应的贮备提取、利用加工提供基础条件；

本发明采用“水量平衡+逻辑关联+数理统计+时段始、末土壤含水量法+首尾比值法+跨行业数据应用+水当量计算法”等综合技术分析方法，从而实现用水定额、灌溉制度、土壤墒情、作物需水量、灌溉水利用系数、灌区引用水量、作物产量、灌溉效益等管理技术评估指标。

以下是该管理系统对某灌区自动监测的技术信息成果：

附图说明

图1是本发明实施提供的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统的管理方法流程图；

图2是本发明实施提供的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统示意图。

图中：1、土壤水分土壤温度信息模块；2、农田灌溉土壤墒情信息模块；3、灌区用水灌溉成果测报模块；4、灌区灌溉效益成果报告模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统的管理方法，包括：

S101：以农田代表性监测点的自然地理、气象土壤、水文的基本特征为背景，建立土壤水分、土温实时采集及信息利用数据库；

S102：应用实时数据库信息，采用水量平衡数学模型、土壤水分变化规律的数理统计方法，推导农田代表性监测点及灌区作物灌溉用水、灌溉定额、灌溉制度、土壤墒情分析测报；

S103：根据农田作物需水量逐日衰减特征，以作物生长10日为时段，采用时段始、末土壤含水量法，实现灌区作物需水规律及需水量分析测报；

S104：利用系统分析的田间用水量、灌区引用毛水量，采用首尾法实现灌区灌溉水利用系数分析测报；

S105：以灌区引用毛水量、作物和综合作物总产单产信息，采用水当量计算法，实现灌区综合灌溉效益评估指标。

水量平衡数学模型为ET＝M+P+K-C；

土壤水分变化规律为W＝667.7γHβ。

推导农田代表性监测点及灌区作物灌溉用水、灌溉定额、灌溉制度、土壤墒情分析测报；

时段始、末土壤含水量法为：应用灌水前、灌水后田间不同土壤层次深度土壤含水量观测值，计算其灌水前后之差值为该时段作物需水量。

首尾法为：系统分析的田间用水量与灌区引用毛水量之比值。

水当量计算法为：灌区作物总产量与灌区引用毛水量之比值，单位是每立方米水量可以生产出的作物产量。

如图2所示，本发明实施例提供的基于农田水分监测的灌溉用水管理系统，包括：土壤水分土壤温度信息模块1、农田灌溉土壤墒情信息模块2、灌区用水灌溉成果测报模块3、灌区灌溉效益成果报告模块4；

所述土壤水分土壤温度信息模块用于根据农田代表性监测点的自然地理、气象土壤、水文的基本特征，建立土壤水分、土壤温度信息实时采集并传输；

所述农田灌溉土壤墒情信息模块用于农田代表性监测点及灌区作物灌溉用水、灌溉定额、灌溉制度、土壤墒情评估分析测报；

所述灌区用水灌溉成果测报模块用于农田代表性监测点及灌区作物需水规律及需水量分析测报；还用于农田代表性监测点及灌区，农业灌溉水利用系数分析测报；

所述灌区灌溉效益成果报告模块用于农田代表性监测点及灌区综合灌溉效益分析测报。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理进一步说明：

1、针对现有技术仅满足土壤水分单一功能监测的问题

现有农田土壤水分监测，可对农田土壤水分、土壤温度参数，实时动态监测采集和信息传输，然而，基于基础参数的灌区灌溉用水管理应用技术，尚处空缺状态。显然，现有监测技术仅仅是一种功能单一的先进测量工具而已。

农田土壤水分实时采集数据，只是一个基础信息，其重要意义是针对农业灌溉水资源管理需求，获得灌区灌溉用水应用技术管理信息系统。

本发明其技术实现方案如下：

农田埋设固定式土壤水分监测仪(选择代表性灌区类型、灌溉模式、作物农田)，对农田土壤水分、土温实施动态监测。

利用无线移动通信数据传输技术自动上传土壤水分、土温测量数据，以GPRS方式发送到后台服务器。

基于后台服务器信息生成、专用管理软件分析和互联网技术平台，实现灌区灌溉用水管理应用系统综合技术指标分析成果：

(1)运用代表性监测点灌水(降水)前、后土壤水分变化信息，可实现以下技术指标分析成果：

农田作物灌溉用水定额；

作物灌溉制度(灌水时间、灌水定额、灌水次数、灌溉定额)；

农田墒情(土壤相对湿度)、作物生长需水状态(受旱或正常)。

(2)运用代表性监测点(1)相关分析信息，可实现以下技术成果：

系统自动监测计算分析生成田间灌溉用水量；

灌区引用毛水量(数据录入或系统入口自动生成)。

(3)采用跨行业大数据应用，获得灌区作物、综合作物总产单产信息(数据录入或系统入口自动生成)。综合(2)、(3)信息数据，可实现灌区系统两项重要监测管理技术评价指标：

灌溉水利用系数(农业灌溉用水利用效率)；

灌溉水分生产率(农业灌溉用水经济效益)。

2、针对现有技术缺乏需求响应及系统功能设计的问题

农田土壤水分监测，应是集水分信息采集传送、需求响应、系统管理于一体的技术应用创新，核心技术内容是：对农业用水定额、灌溉水利用效率、灌溉制度、用水总量和定额管理实施有效的监测管理，这是技术应用目的。现有农田土壤水分监测，缺乏灌溉用水需求响应的系统综合应用功能技术设计，难以构建适应灌区现代化灌溉管理支撑要件。

本发明的技术实现方案是：为改进现有技术不足，基于灌溉水资源高效利用管理目标，紧密结合灌区用水管理应用需求，最大限度开发利用农田土壤水分监测信息源，有效集成“灌区灌溉用水监测管理信息系统(简称管理系统)”。管理系统以“土壤水分土壤温度信息”、“农田灌溉土壤墒情信息”、“灌区用水灌溉成果测报”、“灌区灌溉效益成果报告”功能模块化设计，并通过以下技术途径和研究方法，可以实现以下技术成果：

(1)以农田代表性监测点自然地理土壤水文等基本特征为背景，建立土壤水分、土温实时采集及信息利用数据库；

(2)应用实时数据库信息，采用水量平衡数学模型、土壤水分变化规律等数理统计方法，推导农田代表性监测点及灌区系统(简称灌区)作物灌溉用水、灌溉定额、灌溉制度、土壤墒情分析测报；

(3)根据农田作物需水量逐日衰减特征，以作物生长10日为时段，采用时段始、末土壤含水量法，实现灌区作物需水规律及需水量分析测报；

(4)利用系统分析的田间用水量、灌区引用毛水量，采用“首尾法”实现灌区灌溉水利用系数分析测报；

(5)以灌区引用毛水量、作物和综合作物总产单产信息，采用“水当量计算法”，实现灌区综合灌溉效益评估指标。

下面结合现有技术与本发明的对比对本发明的应用原理进一步描述。

现有技术实施方法，农田埋设固定式土壤水分监测仪对土壤水分、土温实施动态监测，利用无线移动通信数据传输技术上传土壤水分、土温测量数据，以GPRS方式发送到后台服务器，该技术主要存在以下问题：

(1)只是监测获取土壤水分等参数技术应用性能单一；

(2)无基于水分信息源的需求响应灌区应用管理系统功能设计；

(3)无基于互联网技术的灌区专用管理软件分析平台，服务于灌区灌溉管理综合技术指标不能实现。

本发明灌区灌溉用水监测管理信息系统，为改进现有技术不足，基于灌溉水资源高效利用管理目标，紧密结合灌区用水管理应用需求，最大限度开发利用农田土壤水分监测信息源，研究集成灌区灌溉用水监测管理信息系统，以“土壤水分土壤温度信息”、“农田灌溉土壤墒情信息”、“灌区用水灌溉成果测报”、“灌区灌溉效益成果报告”系统功能模块化设计，可获得以下技术管理成果：

(1)根据农田代表性监测点自然地理气象土壤水文等基本特征，建立土壤水分、土壤温度信息实时采集传输；

(2)农田代表性监测点及灌区作物灌溉用水、灌溉定额、灌溉制度、土壤墒情评估分析测报；

(3)农田代表性监测点及灌区作物需水规律及需水量分析测报；

(4)农田代表性监测点及灌区，农业灌溉水利用系数分析测报；

(5)农田代表性监测点及灌区综合灌溉效益分析测报。

现有技术只是获取土壤水分、土温信息即告完成，创新构建灌区灌溉用水监测管理信息系统技术，是实现灌区用水管理关键技术平台，这一平台仅通过有限的土壤水分、土温信息源，现有技术并未有新的研究和突破。因此，本发明最大限度开发利用农田土壤水分监测信息源，实现了灌溉水高效利用监测管理技术需求；本发明首次运用综合、模块化技术方法和解决方案，实现了有限信息的最大化应用；本发明采用系统模块化的技术设计，以“土壤水分土壤温度信息”、“农田灌溉土壤墒情信息”、“灌区用水灌溉成果测报”、“灌区灌溉效益成果报告”功能模块化设计，获得灌区灌溉用水监测管理信息系统技术指标与应用层面逻辑关联。

本发明运用“信息源+数据传输+服务器+数据库”信息流程，为管理系统对监测信息需求响应的贮备提取、利用加工提供基础条件；

本发明采用“水量平衡+逻辑关联+数理统计+时段始、末土壤含水量法+首尾比值法+跨行业数据应用+水当量计算法”等综合技术分析方法，从而实现用水定额、灌溉制度、土壤墒情、作物需水量、灌溉水利用系数、灌区引用水量、作物产量、灌溉效益等管理技术评估指标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。