一种基于B/S架构的灌区配水综合管理系统及方法与流程

本发明属于灌溉管理技术领域，尤其涉及一种基于B/S架构的灌区配水综合管理系统及方法。

背景技术：

随着工、农业生产的发展，各部门用水量急剧增加，使我国水资源供需矛盾日趋突出。另一方面，由于缺乏理论严密、实用性强的灌区用水管理方法，造成了农业用水的大量浪费，导致农业用水紧张。灌溉用水管理的核心是计划用水，即根据作物的需水要求，结合灌区水源、渠系、气候、土壤等条件，有计划地引水、输水、配水、蓄水、提水和有组织地进行田间灌水。

我国现有的计划用水办法是根据历史资料预先编制一套“静态用水计划”，即“以供定需”的灌溉管理方略，实践中再临时修改计划。由于在任何季节，实际的气象因素、土壤因素、作物因素、灌区内水资源状况及渠系工作状况等均不可能与历史上某一时期完全相同，也不可能与长期预测情况完全吻合，这就使得预先编制的用水计划往往与实际灌溉要求不符，因而影响了灌溉计划的可靠性、预见性和灌溉水的利用率。正是由于对灌溉水管理现状的广泛共识，国内外学者一致认为，在不对现有灌溉系统投入大量资金进行改造的情况下，充分分析灌区输、配水系统可靠性，进行实时灌溉预报及真正做到适时、适量地计划用水，做到“以需定供”，提高灌区现代化管理水平是当前提高灌溉水利用效率和节约农业用水的最基本途径。

基于B/S架构的灌区配水综合管理系统从我国生产实际需要和灌区现状出发，针对灌溉系统输、配水过程中水量损失这一问题，通过非工程措施降低水量损失、节约农业用水。从灌溉管理的软硬件着手，运用灌区自动化测水、量水设备及技术，通过计算机模拟和系统分析技术，达到在对作物进行适时、适量供水，满足作物正常生长的前提下，减少水量损失，提高灌溉水的利用率和水分生产率。

现有的灌溉管理相关的系统和软件仍具有一定的缺陷，如功能定位相对单一且并不完善、对于系统输入要求多、操作复杂且对管理人员专业素养有较高要求、系统输出单一且不友好。

技术实现要素：

从灌区建设现状和实际生产需要出发，充分考虑管理人员人力成本投入与专业水平，本发明提供了一种门槛低、安全性好、易维护、操作简单、交互友好且适用于实际灌溉指导的基于B/S构架的灌区配水综合管理系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于B/S架构的灌区配水综合管理系统，其特征在于：包括数据采集终端、网络服务器端、客户端及无线网络；

所述数据采集终端用于采集灌区水情监测站点信息和实时气象数据；

所述网络服务器端用于负责数据的存储与处理；

所述客户端用于实时向用户形象展示系统输出，同时与管理人员互动，将管理人员的配水意向实时反馈到数据处理端，作为配水参考；

所述系统开发采用B/S构架，服务器端开发采用PHP语言，客户端页面构建采用HTML/CSS/JavaScript技术，客户端与服务器端数据交互采用Ajax技术；系统层次结构分为3层：人机交互层、数据处理层及数据采集层；最下层的数据采集层包括用于采集灌区水情监测站点信息和实时气象数据；数据处理层负责数据的处理与存储，包括来自管理人员在浏览器的输入、运算输出数据和来自于数据采集层的数据；最上层的人机交互层，用于实时向用户形象展示系统输出，同时与管理人员互动，将管理人员的配水意向实时反馈到数据处理端，作为配水参考。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于B/S架构的灌区配水综合管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集灌区水情监测站点信息、实时气象数据及天气预报数据；

步骤2：预报未来N天内灌区水情，其中1≤N≤10；

步骤3：根据理论配水表判断是否需要灌溉；

若是，则执行下述步骤4；

若否，则本流程结束；

步骤4：计算塘堰可供水量；

步骤5：计算渠道总需水量；

步骤6：判断是否可充足供水；

若是，则进行配水，并执行下述步骤8；

若否，则执行下述步骤7；

步骤7：根据可供水比例、供水方案、预测产量，制定动态配水表；

步骤8：判断是否需要人工干预；

若是，则执行下述步骤9；

若否，则执行下述步骤10；

步骤9：修正动态配水表；

步骤10：打印输出结果，本流程结束。

本发明从数据来源做起，灌区水情数据、气象数据均通过遥测或者从其他地方抓取，大大的减轻了管理人员的工作量；在客户端浏览器方面用图表等简单直观的方式去展示数据，操作页面友好；而且添加了较多人工干预功能，能根据灌区实际情况的变化进行调整。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构图。

图2是本发明实施例的监测站点硬件设备连接示意图。

图3是本发明实施例的系统的整体框架图。

图4是本发明实施例的系统功能实现图。

图5是本发明实施例的方法逻辑图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2、图3和图4，本发明提供的一种基于B/S架构的灌区配水综合管理系统，包括客户端(浏览器端)、服务器端、数据采集终端及无线网络。数据采集终端用于采集灌区水情监测站点信息和实时气象数据；网络服务器端用于负责数据的存储与处理；客户端用于实时向用户形象展示系统输出，同时与管理人员互动，将管理人员的配水意向实时反馈到数据处理端，作为配水参考；系统开发采用B/S构架，服务器端开发采用PHP语言，客户端页面构建采用HTML/CSS/JavaScript技术，客户端与服务器端数据交互采用Ajax技术；系统层次结构分为3层：人机交互层、数据处理层及数据采集层；最下层的数据采集层包括用于采集灌区水情监测站点信息和实时气象数据；数据处理层负责数据的处理与存储，包括来自管理人员在浏览器的输入、运算输出数据和来自于数据采集层的数据；最上层的人机交互层，用于实时向用户形象展示系统输出，同时与管理人员互动，将管理人员的配水意向实时反馈到数据处理端，作为配水参考。

本实施例的灌区水情监测站点，各站点独立通过太阳能获取电能，通过GPRS每小时向服务器上传监测数据；每天早上8:30服务器自动运行代码，向中国天气网抓取所需地区的未来公共天气预报数据。

本实施例客户端的WEB浏览器用于向用户展示需要知道的灌区水情信息和下发用户操作指令。浏览器交互界面采用BootStrap框架标准化构建页面，采用百度地图API、百度ECharts、DTGrid等插件使展示更加直观友好。考虑该功能性系统的特殊性，大量使用Ajax技术实现动态效果，包括各类水情气象数据显示及查询、实时站点数据展示、现场监测数据确认与调整、轮灌组调整、配水表生成与调整等。用户在浏览器不同页面执行不同的操作，下发命令，通过Ajax发送给数据处理层，数据层处理之后立即动态显示系统输出，利于用户动态调整修改决策。

本实施例服务器端的WEB服务器负责监测站点数据采集、数据采集情况的实时监控及数据可靠性初步评估。WEB服务器负责典型田块水量平衡预报、需水定额预报和配合用户完成预期配水方案的制定。WEB服务器还包括各种历史数据及配水表的查询、下载模块。查询页面实时动态展示查询结果，查询页面分为两部分，折线图展示数据时间尺度变化，表格实时分页列出查询结果，用户可以自行选择将查询结果二次筛选排序输出成PDF、TXT或者EXCEL格式。

本实施例的系统具有用户验证登陆模块，不同权限用户对于系统权力不同，只有灌区管理人员账户才能进行数据修改。

本实施例的实时监测站点信息每一个小时会上传一次，存储于服务器；天气预报数据与前一天气象站气象数据，于每天早上8:30运行脚本抓取并储存。最新的数据会有个图形化展示，站点根据实际地理位置在系统嵌入的百度地图中分类显示出来，最新数据通过标签的形式展示在站点旁边，用户切换不同类型的站点选项，浏览器将站点类型code通过Ajax反馈到服务器，服务器接收到请求之后重新查询并返回新的查询信息到百度地图；最新的气象数据及天气预报数据通过表格显示。

进行配水决策之前，会将所有数据分类以表格形式进行展示。系统首先对各类数据进行初步判定(是否存在异常)，管理人员通过经验对遥测数据进行进一步确认之后即可开始运行决策。如果个别数据出现异常，可派工作人员现场测量，数据确认表格可以直接修改数据，通过Ajax反馈到服务器后再进行灌溉决策，后期再对现场监测点进行维护。灌溉决策之前需要对轮灌组进行划分，轮灌组划分以表格列出所有干支渠，由管理人员分别对其所在轮灌组确认，数据实时通过Ajax以Json格式反馈到服务器。

监测数据、轮灌组等灌区基本信息确认之后，便可以开始逐日进行水量平衡计算。每日循环，判定水情，大于上限需要排水，小于下限则需要灌溉，并结束计算，反馈当天水情及日期。统计各区域需灌水情况，结算预报期内需水量定额，减掉当地可供水之后(南方主要为塘堰供水，北方主要为井灌)，根据系统存储的渠道信息(控制灌溉面积，设计流量等)、依据前文所述配水原则计算初步配水表，以表格形式展示。

如果需要修改配水表中配水流量(渠道损坏或其他原因)等参数，修改数据会通过Ajax实时反馈到服务器进行计算并生成新的配水表展示；如果需要进行限制灌溉，给定可供水比例(百分数)，数值通过Ajax反馈到服务器，根据各个作物所在生育期及生长状况指标等数据进行计算，实时给出预计减产率，管理人员可以反复调整供水比，得到可以接受的结果，然后重新生成配水表。

在对初步配水表调整结束之后，会生成最终的配水表，包括字段：干渠名称；支渠名称；灌水定额(mm)；供水总量(m³)；灌水起始时间；灌水终止时间；灌水延续时间(h)；灌水流量(m²/s)。配水表通过DTGrid插件展示，同时给配水表附上运行时间字段一起存储于数据库，以便后期查询配水记录。配水表可以人工进行排序、筛选字段输出，输出格式有TXT、EXCEL、PDF，能满足一般数据管理应用。

历史数据管理方面，主要包括查询、展示、分析、筛选、输出等功能。系统将数据分类进行存储管理。

系统会借助百度Echarts插件自动以折线图的形式展示最近一个月的数据变化，并通过DTGrid展示最近一个月的数据。当需要看其他时间跨度的历史数据，则可以通过datetimepicker插件另选择开始时间和结束时间，更改的时间数据会以Json数据格式通过Ajax返回到服务器，重新进行查询，更新的数据同样以Json格式传到Echarts及DTGrid插件，展示新的数据，整个操作不需要刷新页面。当选好时间间隔之后，可以筛选下载选定的数据系列(TXT、EXCEL、PDF)。

请见图5，本发明提供的一种基于B/S架构的灌区配水综合管理方法，包括以下步骤：

步骤1：采集灌区水情监测站点信息、实时气象数据及天气预报数据；

步骤2：预报未来N天内灌区水情，其中1≤N≤10；

步骤3：根据理论配水表判断是否需要灌溉；

若是，则执行下述步骤4；

若否，则本流程结束；

步骤4：计算塘堰可供水量；

步骤5：计算渠道总需水量；

步骤6：判断是否可充足供水；

若是，则进行配水，并执行下述步骤8；

若否，则执行下述步骤7；

步骤7：根据可供水比例、供水方案、预测产量，制定动态配水表；

步骤8：判断是否需要人工干预；

若是，则执行下述步骤9；

若否，则执行下述步骤10；

步骤9：修正动态配水表；

步骤10：打印输出结果，本流程结束。

本实施例的田间水分监测：旱地在土壤20cm、40cm、60cm土层进行含水量实时监测；水田在田块边建观测井，将自计水位计安装在观测井中进行田间水位实时监测。渠道水位观测：渠道边安装自计水位计，进行渠道水位实时监测。闸门开度：采用闸位计进行实时监测和控制。所有的实时监测数据均通过通讯网络发送到本系统的网络服务器。气象数据观测：直接调用附近自动气象站气象数据，并存储在服务器数据库。未来天气预报获取：在服务器端利用PHP语言，通过正则算法，从中国气象网于每天早上8:30自动获取未来10天预报数据并存储于数据库。

实时灌溉预报强调正确地估计“初始状态”和掌握最新的预测资料。每一次预测都是以修正后的初始状态为基础，然后利用短期水文气象预报资料，对灌水日期和灌水定额做出预测。

1)初始田间水分状况的修正。根据地形、地貌、气候、土壤等条件，在每一条渠道选择几个代表田块布设遥测站点，每个时段初的作物绿叶覆盖百分率和土壤水分状况均以该田块为准。

2)灌水日期预报。对田间初始水分状况进行修正后，即可进行田间水量平衡逐日模拟，其中的作物腾发量、降雨量为预测值。当田间水层或土壤含水率下降到作物生育期某阶段预先设定的下限时，就开始灌水。

腾发量实时(短期)预报是在分别对参考作物腾发量、作物系数及土壤水分修正系数预测的基础上，达到对实际作物腾发量的预测。基本模型为

ET_i＝ET_oi·K_ci·K_si (1)

其中，ET_ci，ET_oi，K_ci，K_si分别为第i日实际作物腾发量(mm/d)、参考作物腾发量(mm/d)、作物系数和土壤水分胁迫系数。

ET_o预测采用“指数模型”，即

式中，为第i天天气类型修正系数；为多年平均最大旬参考作物腾发量平均值，mm/d；I为日序数；I_m为历年中出现ET_om之日序数均值；A_o为经验参数。

K_ci及K_si可由作物绿叶覆盖百分率、作物处于受旱之前、受旱期间还是受旱以后以及实际达到的土壤含水率下限等进行预测。

降雨量通过抓取的天气预报天气类型来预测。将天气类型进行分类统计，按照天气类型进行分级(无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨)。按照雨型、雨量对应关系表进行未来降雨量的逐日预测。

3)灌水定额预报。灌水定额由作物生育期各阶段的土壤水分(田间水层)适宜上、下限之差确定。据作物的生长特性，设置作物生育期不同阶段的适宜含水率(田间水层)上、下限，预设在系统数据库。当土壤水分状况小于灌溉下限，即需灌溉。

旱作物的灌水定额计算如下：

m_j＝1000(θ_上限-θ_下限)Hθ_f (3)

式中，m_j为旱作物灌溉定额，mm；θ_上限、θ_下限分别为旱作物生育期内根区土壤含水率的适宜上限值、下限值，以占田间持水率的百分比表示，％；H为旱作物的根系深度，m；θ_f为旱作物根区土壤的田间持水率，以占土壤体积的百分比表示，％。

水稻的灌水定额等于该生育阶段田间水层的适宜上限减去适宜下限，即：

m_j＝h_上限-h_下限 (4)

式中，m_j为水稻的灌水定额，mm；h_上限、h_下限为水稻生育期某阶段田间水层的适宜上、下限，mm。

4)净灌溉需水量预报。净灌溉需水量根据综合净灌水定额及作物灌溉进行计算。综合净灌水定额和各支渠系统净灌溉需水量的计算公式如下：

W_净＝m_综·A (6)

式中，m_综为综合净灌水定额，m³/亩；W_净为净灌溉需水量，m³；A_j，m_j分别为研究范围内第j种作物的种植面积(亩)和净灌水定额(m³/亩)；j＝1，2，…，n表示所种植的作物序号；A为灌区总的灌溉面积(或某一支渠控制范围的灌溉面积)，亩。

5)毛灌溉需水量预报。根据田间水利用系数、渠系水利用系数，由综合净灌溉定额可以得到毛灌溉需水量；所有干、支渠系统的需水量总和为该次灌溉的毛灌溉需水量。计算公式为：

式中，M_毛为干渠或支渠渠首毛灌溉需水量，m³；W_净,i，L_i，η_田,i，η_渠,i分别为第i个支、斗渠系统的净灌溉需水量(m³)、当地水源可供水量(m³)、田间水利用系数及渠系水利用系数；N表示灌区内干(或支)渠总数。

在缺水条件下需要进行限制灌溉，并不能完全满足各个阶段作物需水。以作物水分生长函数模型为理论基础，由管理人员给出可供水量(百分比)，系统计算出在后期正常生长条件下的理论减产率。

在确定了总供水量之后，渠系动态配水计划的编制和执行，主要体现在渠系操作计划方面，即确定各级渠道的开闸日期、时间，放水延续时间(或关闸日期和时间)，放水流量。

1)轮灌组调整。对于每一次配水调度，一个重要的基础就是合理划分轮灌组。根据渠系布置，渠道工程状况，作物种植种类、面积，土壤类型等综合因素把各支渠划分为若干个轮灌组。用户可以在系统运行开始根据掌握的灌区实际资料来调整轮灌组，也可以在运行完毕再调整，系统将自动重新计算，生成新的配水结果。用户可以对这几种结果做对比以决定取舍。

2)放水延续时间。在制定动态灌溉用水计划时，一般先根据所预测的毛灌溉需水量和渠道设计流量计算各级渠道在最佳工作状态时输送所需水量花费的时间。但是这种计算结果不能付诸实施，只能作为确定放水延续时间的依据。确定渠道放水延续时间除兼顾渠道的养护状态、劳力情况、作物种类和生育阶段等条件外，还必须遵循以下原则：(1)所有续灌渠道的工作时间应该相等；(2)轮灌渠道各组工作时间之和应等于续灌工作时间；(3)续灌渠道工作时间应为轮灌组的整数倍；(4)放水延续时间最好为整数，以便于管理；(5)一次配水最好在旬内完成。

3)开闸时间。由轮灌组内各支渠所需灌水时间加以平均，可推得该轮灌组灌水中间日。但是由此推得的多个轮灌组灌水中间日可能存在矛盾，存在此轮灌组尚未灌完，下一轮灌组又需开灌的问题，因此必须结合灌水延续时间对各轮灌组灌水中间日进行调整，让灌水中间日较早、灌水延续时间较短的轮灌组先灌，以取得较妥善的平衡。

4)配水流量。确定各级渠道配水流量时，应满足下面两个原则

(1)各级渠道中的流量应满足连续流方程，即

其中，Q_干表示干渠灌溉总流量，m³/s；η_支,j、η_斗,t表示第j条支渠及第t条斗渠渠道水利用系数；Q_支,j、Q_斗,t、Q_农,r第j条支渠、第t条斗渠及第r条农渠配水流量，m³/s；R、T表示农渠及支渠总数；

(2)渠道流量不能过大和过小，必须满足下式

0.4Q_设≤Q_放≤Q_加大 (11)

其中，Q_设、Q_放、Q_加大表示特定渠道的设计流量、放水流量及加大流量，m³/s。至此，形成动态配水最终报表。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。