精准畦灌过程实时反馈控制技术

吴彩丽，许迪，白美健，李益农，李福祥

(1. 国家节水灌溉工程技术研究中心，北京 100048； 2. 中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048)

近年来，针对喷微灌的控制技术研究较多，对传统地面灌溉控制技术研究相对较少，然而目前地面灌溉技术在中国仍然是应用最广泛的灌溉方式.

根据控制参数的不同，畦灌控制技术的研究可以分为调整入畦流量和调整关口时间2类.考虑到灌溉入畦流量的调控与整个输配水系统中水量调配有关，目前先考虑选取灌溉关口时间作为控制参数进行研究.经大量文献检索，国外对于以关口时间作为控制参数的地面灌溉控制技术研究相对较多，主要研究成果：CLEMMENS等[1]在以往经验数据的基础上估算下渗参数与糙率系数，提出了确定最优关口时间的模型与方法.SMERDON等[2]根据水流推进数据对土壤入渗参数和田间糙率系数进行了估算，并提出了相应的最优关口时间.文献[3-4]基于零惯量模型提出了一种估算入渗参数的直接方法，并认为反馈控制系统就是估计畦田的平均状况.且针对反馈控制中模型与程序估算参数存在偏差的问题，CLEMMENS等[5]引入贝叶斯统计方法进行偏差修正.KOECH等[6]构建了沟灌优化灌溉控制系统，系统通过累计下渗曲线的经验方法估算下渗参数，满足灌溉需水量90%、深层渗漏最少等为控制目标，优化计算最优关口时间.

上述研究普遍存在着采用经验方法或数理统计方法估算参数、没有采用灌溉模型进行模拟、没有考虑运算及模拟的时效性等问题，可能会影响最终的灌水质量.因此，文中拟以快速、准确为约束条件，提出针对畦灌实时反馈控制方法，构建集灌溉信息实时采集与传输、控制方案优化生成、田间水流实时控制为一体的精准畦灌过程实时反馈控制系统，以期加强田间管理，实现畦灌全过程的实时反馈控制，提高灌溉质量.

1 系统设计

精准畦灌过程实时反馈控制方法，是基于灌溉过程中实时获得前半段灌溉水流推进时间和地表水深等灌溉水流运动信息，迅速计算出土壤特性参数，并利用地面灌溉模型模拟整个田块的水流推进情况，确定合理的关口时间，指导田块的后续灌溉及实现对畦灌全过程的精准控制，达到改善灌溉性能的目的.即在灌溉过程中实测前半段数据，代入灌溉模拟模型，模拟预测后续灌溉过程，优化决策能够使灌水质量达到相对最优的灌溉控制方案，以指导田块的后续灌溉.关于确定合理的关口时间，由于灌溉性能指标多目标寻优难以满足实时性要求，为此进行了灌溉性能参数与灌水深度控制目标之间的响应关系研究，通过数值试验模拟确定了不同类型的灌水技术要素，需采用灌水深度控制目标[7-8]，因此，系统中可以直接根据灌水技术要素分类选用灌水深度控制目标.系统整体设计如图1所示.

图1 精准畦灌过程实时反馈控制系统总体设计图

Fig.1 Overall design chart of real-time feedback control system for precise furrow irrigation

研究以灌溉信息实时采集与传输设备为支撑条件、以计算机处理系统为核心基础、以灌溉水流控制设备为应用条件，构建精准畦灌过程实时反馈控制系统.其中，灌溉信息实时采集与传输设备由团队自行研发的田间水流水位检测装置和无线信息接收管理装置2部分组成，可以将实时检测到的灌溉信息传送给控制台；控制台将采集到的部分灌溉信息传输给计算机处理系统；计算机处理系统借助灌溉模型估算土壤特性参数值[9]，预测灌溉过程，并根据选取的灌溉控制目标进行优化决策，将最优方案传输回控制台；由控制台下达指令给灌溉水流控制设备；灌溉水流控制设备根据指令实现自动操作.

1.1 系统硬件研发

实时采集的灌溉信息主要包括灌溉水流推进过程、水深变化过程等.采用传统人工观测难以实现实时监测，而此前研发的实时监测与传输设备，多存在3类问题[10]：灌溉信息容易漏测、接收距离短以及野外供电难.针对这3类问题，研发出适合反馈控制系统的田间水流水位检测装置和无线信息接收管理装置，两者搭建物联网，以无线网络方式进行信息通讯和数据传输.田间水流水位检测装置设于畦田内，由水位变化传感器和相关编码电路、发射电路、供电电源等组成，主要用来监测水流水位状态，可以根据需要在田间布设多台设备；无线信息接收管理装置设于畦田外或室内，由数据集中器、电源、上行通讯模块、存储器、接收天线等组成，主要负责接收与传输田间水流水位检测装置的测量数据.针对灌溉信息容易漏测的问题，给每台田间水流水位检测装置设定固定且唯一的IP地址，通过IP寻址技术可以随时了解每台设备的工况，同时将无线信息接收管理装置设置为定时主动与田间水流水位监测装置进行通讯，通过这2种处理方法可以解决信息漏测的问题；针对接收距离短的问题，利用无线网络通信模块的中继跳转功能使每台田间水流水位监测装置都能够进行信息接力传输，使信息可以传输到最远距离的田间水流水位监测装置，从根本上解决了信息传输距离较短的问题；针对野外供电难的问题，通过优化电路设计，降低总体功耗，使用普通电池也能够满足一次灌溉周期的用电需求.

1.2 系统软件研发

系统研发了集数据采集、参数估算、优化决策与模拟评价等功能为一体的自动化控制软件.其中，数据采集模块负责采集畦长、田面纵坡、水流运动、微地形等数据；参数估算模块主要功能是根据采集到的数据估算kostiakov入渗参数；优化决策模块主要功能是根据畦长、土质、地形等要素判断需要采用的灌溉控制目标，求解最优关口时间，生成合理的控制方案并发送指令到控制台；模拟评价模块主要功能是对控制方案进行后评价，模拟计算灌水效率、灌水均匀度、储水效率等灌溉性能评价指标.

软件系统按功能模块和使用者划分为面向对象的物理框架，由数据库管理系统和模型管理系统构成，如图2所示.数据库的基础数据包括田面地形数据和地表水流推进实测数据.模型库包括地面灌溉水流运动模拟模型、Zmin>0控制目标优化模型、Zlq=Zreq控制目标优化模型和Zmin=Zreq控制目标优化模型.其中，地面灌溉水流运动模拟模型采用文献[11]提出的基于混合数值解法的一维全水动力学畦灌模型；其他3个模型分别为在地面灌溉水流运动模拟模型的基础上增加优化决策关口时间的模块.软件系统的输入项包括土壤质地、畦田规格、平整精度、平均纵坡、入畦流量、田面糙率系数、作物灌溉需水量、地形数据、水流推进过程数据等，输出项包括最优关口时间、改口成数、灌溉性能参数(灌溉效率Ea、灌水均匀度CU、储水效率Es)等.

图2 软件系统面向对象的逻辑物理框架图

Fig.2 Object-oriented logical physical framework of software system

2 实例应用与结果分析

研发的精准畦灌过程实时反馈控制系统，分别在北京、河北及新疆的试验基地开展了验证试验.3个试验基地均选取相邻2块规格相同的畦田，种植作物均为冬小麦，对1个田块采用精准畦灌过程实时反馈控制技术，实时采集灌溉信息，优化决策关口时间，并实施控制；对另一个田块采取传统的灌溉技术，即人工观测田间有一定积水时关口.对各个田块采用相同的土地精细平整、田间耕作措施及灌水要素，灌后对比2个田块的灌水质量.根据以往研究的经验选择以灌溉效率Ea和灌溉均匀度CU的平均值大于0.75，以及储水效率Es大于0.95作为灌水质量综合最优的评价标准，分析精准畦灌过程实时反馈控制系统的实用性.

2.1 北京大兴试验基地灌溉试验

试验于2017年11月冬灌期间进行，选取相邻2块规格为100.0 m×2.2 m的畦田，记为田块bj1和bj2.试验区土质为砂壤土，坡度为0，平整精度为2 cm，入畦流量为11.8 L/s，糙率系数取0.08，灌溉需水量取8 cm.

对于田块bj1，沿畦长方向每隔5 m布置一个测点，在每个测点上布设一套田间水流水位检测装置，用于实时测量水流推进消退时间及地表水深，通过无线信息接收管理装置将信息传输给计算机处理系统，利用地块前60%的实测水流推进及地表水深数据计算土壤入渗参数[8].依据灌水技术要素，按照Zlq=Zreq控制目标计算关口时间并进行实时反馈控制，如图3所示.将土壤入渗参数及其他相关参数代入灌溉模型，再假定一个关口时间的初值，借助基于混合数值解法的一维全水动力学畦灌模型，模拟灌溉水流过程，利用二分法进行反复试算，以查找恰好能够满足控制目标时所需要的关口时间.经过实时计算，得出本次灌溉需要在41.6 min时关口，改口成数为1，才能使灌水质量相对最佳.对于田块bj2，采用传统的灌水方式，关口时间为53.3 min.

图3 田间验证试验现场图

田块bj1和bj2灌溉性能参数计算结果对比见表1.

表1 灌溉性能参数值对比(北京)

Tab.1 Comparison of irrigation performance parameters (Beijing)

参数田块bj1田块bj2Ea0.8310.608CU0.7750.813Es1.0001.000

从表1可以看出，田块bj1的灌水效率高于田块bj2，灌水均匀度低于田块bj2，这是由于田块bj2灌溉时间长，入畦水量多，造成了一定浪费，故灌溉效率低而灌水均匀度高.田块bj1和bj2的灌溉效率Ea和灌溉均匀度CU的均值分别为0.803和0.711，储水效率Es均为1.000，根据灌水质量综合最优的标准，田块bj1的灌水质量达到了综合最优，田块bj2未能达到.综上，在大兴试验区实施精准畦灌过程实时反馈控制技术田块的灌水质量综合优于采用传统畦灌技术的田块.

2.2 河北冶河试验基地灌溉试验

试验于2015年3月春灌期间进行，选取相邻2块规格为370.0 m×4.5 m的畦田，记为田块hb1和hb2.试验区土质为砂壤土，坡度为3，平整精度为2 cm，入畦流量为23.76 L/s，糙率系数取0.12，灌溉需水量取8 cm.

对于田块hb1，沿畦长方向每隔10 m布置1个测点.依据灌水技术要素，确定应按照Zmin>0控制目标计算关口时间.经过实时计算，得出本次灌溉需要在144.5 min时关口，改口成数为0.85；对于田块hb2，采用传统的灌水方式，关口时间为165.1 min.

田块hb1和hb2灌溉性能参数计算结果对比见表2.

表2 灌溉性能参数值对比表(河北)

Tab.2 Comparison of irrigation performance parameters (Hebei)

参数田块hb1田块hb2Ea0.8140.597CU0.7150.806Es1.0001.000

从表2可以看出，田块hb1和田块hb2的灌溉效率Ea和灌溉均匀度CU的均值分别为0.765和0.702，储水效率Es均为1.000，根据灌水质量综合最优的标准，田块hb1的灌水质量达到了综合最优，田块hb2未能达到.同样地，在河北冶河试验区实施精准畦灌过程实时反馈控制技术田块的灌水质量综合优于采用传统畦灌技术的田块.

2.3 新疆建设兵团试验基地灌溉试验

试验于2015年11月冬灌期间进行，选取相邻2块规格为200.0 m×7.5 m的畦田，记为田块xj1和xj2.试验区土质为沙壤土，坡度为0，平整精度为2 cm，入畦流量为38.7 L/s，糙率系数取0.08，灌溉需水量取8 cm.

对于田块xj1，沿畦长方向每隔5 m布置1个测点.依据灌水技术要素，确定应按照Zmin>0控制目标计算关口时间.经过实时计算，得出本次灌溉需要在59.6 min时关口，改口成数为0.88；对于田块xj2，采用传统的灌水方式，关口时间为83.9 min.

田块xj1和xj2灌溉性能参数计算结果对比见表3.

表3 灌溉性能参数值对比表(新疆)

Tab.3 Comparison of irrigation performance parameters (Xinjiang)

参数田块xj1田块xj2Ea0.8010.629CU0.7260.813Es1.0001.000

从表3可以看出，田块xj1和田块xj2的灌溉效率Ea和灌溉均匀度CU的均值分别为0.763和0.721，储水效率Es均为1.000，根据灌水质量综合最优的标准，田块xj1的灌水质量达到了综合最优，田块xj2未能达到.因此，在新疆建设兵团试验区实施精准畦灌过程实时反馈控制技术田块的灌水质量综合优于采用传统畦灌技术的田块.

综上，研究开发的精准畦灌过程实时反馈控制系统分别在北京、河北、新疆的试验基地选取了不同规格、坡度、入畦流量等灌溉要素的田块进行了验证试验，且每个试验基地选取2个相邻的田块分别采用控制技术和传统技术进行对比，计算出灌溉性能参数的结果表明，3个试验基地的实施精准畦灌过程实时反馈控制技术田块的灌水质量均综合优于采用传统畦灌技术的田块.

3 结 论

1) 构建了以灌溉信息实时采集与传输设备、计算机处理系统及灌溉水流控制设备为组成部分的精准畦灌过程实时反馈控制系统，该系统可以在灌溉过程中实时采集灌溉信息，传输给计算机处理系统，由计算机处理系统生成优化决策灌溉控制方案，再由灌溉水流控制设备完成对灌溉过程的控制.

2) 在北京、河北、新疆3地的灌溉试验站对系统进行了验证试验，发现采用精准畦灌过程实时反馈控制系统的田块的灌水质量综合优于传统灌溉技术的田块，因此，实施灌溉过程实时控制是很必要的，研发的精准畦灌过程实时反馈控制系统对于加强灌溉过程的可控性，提高灌溉质量，提升灌溉管理水平具有重要的实际意义.