基于VB的水田灌溉自动化管理系统

2010-05-05丁富平吴发启赵龙山孙存喜

水土保持研究 2010年4期

丁富平，吴发启，赵龙山，孙存喜

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵712100；2.广东省水利水电科学研究院，广州510610；3.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏连云港222000）

我国是水资源贫乏的国家，人均水资源量只有世界人均占有量的1／4，是世界上40多个严重缺水的国家之一，加上我国农业用水基数大，不合理的农业灌溉方式、落后的农田管理水平，浪费了大量水资源；同时随着工业化和城市化进程的加快，总用水量的需求在迅速增加，供需矛盾十分突出，为做到经济与资源、生态环境相互协调地可持续发展，许多学者提出了大量节约农田用水的灌溉方法，如：渠道防渗、低压管道输水、节水型地面灌溉、喷灌、微灌、渗灌、脉冲灌、作物调亏灌溉、限水灌溉、非充分灌溉、作物控制性分根交替灌溉和精确灌溉等农业高效灌溉方法［1－5］，但是至2002年底，我国农业节水灌溉面积仅为1 866.67万hm2，只占有效灌溉面积的33.4%，可见，我国农田节水灌溉的潜力很大，应全面推进节水灌溉的工程措施、农业技术措施、经济管理措施的有机结合与集成化实施［6］，采用先进的监测、预报和自动化控制系统，实现效益最佳的水分调控管理技术，实现真正意义上的农业节水灌溉［7］。不过，目前我国在精准灌溉和节水灌溉系统的自动化控制方面，与国际领先水平的以色列、美国、英国、澳大利亚等国家的差距较大，还处于启蒙阶段，又由于灌溉决策支持系统是精确灌溉和节水灌溉自动化的核心，是提高农田用水管理水平的重要方面，因此加强灌溉决策支持系统软件的开发，将有助于为我国精确灌溉系统的建立做好技术储备，有利于优化配置农业用水和解决农业供水危机［5，8］。

鉴于此，本文基于VB友好的工作界面、强大的数据库功能和OLE（对象链接和嵌入）技术，结合水田灌溉管理中的实际需要，开发了水田灌溉自动化管理系统，其中包括水田数据库管理系统、灌溉管理决策支持系统和农田水分动态显示系统3个子系统，从各个子系统分别研究了水田的数据管理，水田水分预测，灌排水措施的抉择和水田水分数据的动态显示等功能，为精确灌溉决策支持系统的建立和推进提供了技术支持。

1 系统的基本功能

水田灌溉自动化管理系统主要为决策者提供简便、快捷的判断和抉择信息，主要包括：①提供对农田信息的数据库管理功能：通过对农田气象、水文和墒情等资料的数据库操作，不仅可以了解水田水分的历史资料，灌排水方案实施后的动态变化，而且能够准确地把握农田水分的现状；②提供灌溉决策支持功能：根据天气预报和农田水分资料，为用户提供灌溉决策的实时信息，如预测农田需要灌溉的时间及其强度，选择经济灌溉量或排水量。③提供水田水分动态变化的报表和图形功能：依据对水田水量的计算，预测农田水分的动态变化过程，以Excel表格格式或图形格式显示。

2 系统的基本结构

水田灌溉自动化管理系统包括水田数据库管理系统、灌溉管理决策支持系统和水田水分动态显示系统。该系统在Visual Basic环境下，直接建立Access数据库，根据农田水文、气象和墒情等资料建立合理的数据结构，如：合理地设置蒸发量、降雨量、灌溉量等数据的类型、长度或宽度等。利用“data”控件建立与Access数据库的连接，实现对数据库记录的显示、修改、增加、删除和查询等操作，利用“Microsoft FlexGrid Control 6.0”部件对Access数据库全部信息进行显示，从而达到对数据进行简单快捷管理的目标；根据建立的Access数据库中的表结构，将每个记录的数据赋予一个数组元素，根据农田水量平衡原理和设计的灌溉制度对数组进行运算，判断农田是否需要灌排水、灌排水的时间以及其强度；最后将原始数据和运算结果输出到Excel表格中，然后利用“OLE”控件显示Excel表格或图形，而且可以通过双击“OLE”控件直接运行“Microsoft Office Excel 2003”程序，从而可以根据需要实时、方便地对表格中的数据做进一步的分析和处理。

2.1 水田数据库管理系统

2.1.1 水田数据库的建立［9］Visual Basic语言本身使用的是Access数据库，能够在VB中直接创建，可以用来作为存储农田相关数据和模型计算结果的储存空间，如数据发生的日期，每日降雨量、每日蒸发量、每日耗水量、灌溉量和排水量等，其中，每日蒸发量、每日耗水量和排水量以负数的形式存放在数据库中，见图1。

2.1.2 对数据库操作的实现对Access数据库的操作主要有：添加数据、删除数据、数据查询、逐个数据查看和对Access数据库的显示。

具体方法如下：首先在窗体上建立“Data1”数据控件，设置其“Database Name”属性为“水文数据.mdb”，设置“Record Source”属性为“水文数据”，在运行时，可以实现逐个数据以及对第一个和最后一个数据的查看；然后单击标签 “时间”对应文本框的“Data Ssource”属性栏，在下拉按钮中选择“Data1”，在“Data Field”属性栏下拉按钮中选择“日期”，按上述方法依次设置其它文本框的相应属性。

图1 Access数据库中的水文数据表

添加数据的代码如下：

删除数据的代码如下：

数据查询的代码如下：

上述数据查询代码以日期为主索引，通过输入需查询数据的日期，判断该日数据在Access数据库中是否存在，如果该日数据不存在，提示“数据未录入，请添加数据”，如果该数据存在，则可以通过“Data”控件逐个查询，也可以用“FSFlexGrid”控件将Access数据库全部显示进行查看，具体方法如下：

由于FSFlexGrid控件不是VB工具箱中的控件，需要在使用时添加［10］，即：在“工程”菜单项中选择“部件”，然后选定“Microsoft FSFlexGrid Control 6.0”便添加成功，在新建的窗体上创建“FSFlexGrid”控件和“Data”控件，设置“FSFlexGrid”控件的“Data－Source”属性值为 Data1，设置“AllowUserResizing”属性值为“3－flexresizeBoth”可以对数据库行、列宽大小进行改变，实现数据的完全显示。“Data”控件的属性设置同上。

2.2 灌溉管理决策支持系统

灌溉管理决策支持系统是水田灌溉自动化管理系统的核心，该子系统主要以水田数据库为基础，根据天气预报、作物生理生长特性和水田下渗量等资料，进行水田水分预报，灌排水措施的选择以及实施的时间和强度。

2.2.1 灌溉管理决策支持系统建立的依据（1）生物学依据［11－13］。以水稻田为例，水量是水稻生长的重要环境胁迫因子，许多专家研究表明：不同灌溉水量（方式）对稻田渗漏量、株间蒸发、水稻叶面积、产量以及米质有明显影响，株高随田间水深的增加而增高，抗倒和抗病能力随之减弱；同时，水量对不同生育期水稻的生长发育也有重要影响，如：返青期缺水影响秧苗成活，孕穗及抽穗开花期缺水造成严重减产等。因此，将水稻不同生育阶段的田间水量维持在一个合理的需水临界区间内，不仅能够达到水稻稳产、增产和提高品质的效果，而且能够减少对水资源的浪费。

（2）农田灌排水数学模型。水田灌溉管理主要以农田尺度下的水量平衡原理为基础，水田水量平衡方程为：

式中：W——当日水田水量；Wi－1——为前一日水田剩余水量；Pi——当日降水量；Ei——当日蒸发量；Gi——当日耗水量，包括当日下渗量和当日作物需水量；Q灌i——当日水田灌溉量；Q排i——当日水田排水量；因此，上式既可以计算当日水田水量的大小，又可以计算水田水量的历史过程。

根据上述的生物学依据，确定适宜其生理生长的最大设计水量Wmax和最小设计水量Wmin，即确定合理的作物需水临界区间［Wmin，Wmax］，使W∈［Wmin，Wmax］，即：

根据天气预报，预测水田未来的日降水量Pi＋1、日蒸发量Ei＋1、日耗水量Gi＋1。预测水田水量为：

初始条件为：

式中：Wi＋1——第i＋1天水田水量；Wi——第i天水田水量；Pi＋1——第i＋1天预测降水量；Ei＋1——第i＋1天预测蒸发量；Gi＋1——第i＋1天预测耗水量。

当Wi＋1＜Wmin时，水田需要灌溉，最小灌溉量为Q灌小＝Wmin－Wi＋1，最大灌溉量为 Q灌大＝Wmax－Wi＋1，考虑到较长预测期内的降雨量难以准确估计，以及灌溉设备每次运行的费用等实际问题，所以仅判断第i＋2天有无降雨，如果有降雨，则以最小灌溉量实施灌溉，此灌溉量即为经济灌溉量；如果无降雨，则以最大灌溉量实施灌溉，此灌溉量亦为经济灌溉量。

当Wi＋1＞Wmax时，水田需要排水，最小排水量为Q排小＝Wi＋1－Wmax；最大排水量为 Q排大＝Wi＋1－Wmin，同上，如果有降雨，则以最大排水量实施排水，此排水量即为经济排水量；如果无降雨，则以最小排水量实施排水，此排水量即为经济排水量。

当Wmin≤Wi＋1≤Wmax时，水田水量丰沛，适宜作物生长，灌排水设备无需运行。

（3）灌排水实施时间的确定依据。首先用式（3）计算水田第i＋1天水量，如果Wi＋1在作物需水临界区间［Wmin，Wmax］，则水田水量能维持i天无需灌排水；反之，Wi＋1不在作物需水临界区间［Wmin，Wmax］内，则水田i天后需要灌排水，是灌溉还是排水以及其强度，还有经济灌排水量的确定，将按照上节的灌排水数学模型计算。

灌溉管理决策支持系统的工作原理见图2。

图2 灌溉管理决策支持系统的工作原理

2.2.2 灌溉管理决策支持系统程序

ChiXuTianShu＝ChiXuTianShu＋1’用于确定水田水量维持在需水临界区间的天数，即此代码每执行一次，水量维持在需水临界区间内的天数就增加一次，说明水田水量充沛，无需灌排水，这是该子系统的核心代码之一。

利用Access数据库内的“水文数据”表中的数据，假设2010年1月1日的水田初始水量为10cm，当日灌溉量为10cm（见图1），最大、最小设计水量分别为40cm和20cm，运行上述代码后得到的结果见图3。

图3中显示了“三天后水田水量不足”，“需要的最大灌溉量”和“最小灌溉量”。如果能够预测更长时间的天气状况，即可以选择经济灌溉量，例如，如果未来无降雨，则以最大灌溉量21cm进行灌溉，如果未来有降雨，则以最小灌溉量1cm进行灌溉，由图1可知，3d后即为“2010－01－04”，该日无降雨，因此应以21cm水量实施灌溉。由此可见，此系统大大提高了农田管理水平和灌溉水的利用率。

图3 水分管理决策支持系统程序运行结果

2.3 水田水分动态显示系统

灌溉管理决策支持系统虽然能够预测水田需要灌排水的时间，最大、最小以及经济灌排水量，但是有时我们还需要知道水田水量动态变化的过程。所以需要将上述程序运算过程中的数据进行输出和显示，因此农田水分动态显示系统将完成此项任务；由于Access数据库对数据的处理能力远没有Excel软件的优势，因此本文将计算程序运行原始数据和部分计算结果输出到Excel表格中，从而满足用户对于农田管理的更高要求。具体方法如下：首先，新建一个窗体form7，在窗体上创建“OLE”控件；其次，建立一个名为“水1量.xls”的Excel表格，将sheet1重命名为“计算结果”；然后编写程序代码。例如：将Access数据库中的原始数据和计算的水田每日剩余水量输出到Excel表格的主要代码为：

图4 2010年水田水量变化过程线

由图4可以清楚方便地把握水田水量的动态变化过程，并且能够容易地判断水田需灌排水的时间。例如，从2010年1月1日开始计算，3天后即为2010年1月4日，该日的水田水量低于最小设计水量20 cm，超出了需水临界区间［20，40］，因此2010年1月4日水田需要灌溉。

3 结论

以VB为开发平台，建立了水田灌溉自动化管理系统，该系统实现了对水田水文、气象和墒情等数据的添加、删除、查询和显示功能；能够预测水田灌排水的时间和强度，以及确定经济灌排水量；并且将计算结果输出到Excel表格中，并以报表或图形格式显示，最后可以根据用户需要对原始数据和计算结果做进一步的分析和处理；系统运行后表明，此系统程序简洁，结构合理，界面友好，操作简单，因此，该系统有利于提高农田管理水平和水资源的高效利用，能够为水田灌溉自动化管理提供技术支持和软件服务，在农业现代化进程中具有广阔的发展前景。

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