CN111626892A - 一种灌区需水量计量监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灌区需水量计量监测方法及系统，涉及农业灌溉需水计量，其中的方法包括：通过不同时期、不同的种植作物的田地需水量，动态自动计算各个渠系应放水量；通过安装在各个渠系上的水量计量设备，动态监测灌溉水量情况，及时提醒管理人员在什么时间关闭的闸门，形成针对不同时期、不同作物、不同地块的合理的灌溉计划；指导灌区灌溉作业，形成灌区的自动化灌溉的大数据仓库。本发明实现灌区信息资源的实时共享，提高灌区的运行效率，减少灌区的运营成本。为灌区管理部门提供科学的决策依据，最终实现灌区管理信息化、调配水合理化、量测水精准化、收费规范化，为实现高效现代农业提供技术保障。

Description

一种灌区需水量计量监测方法及系统

技术领域

本发明涉及农业灌溉需水计量，具体涉及一种灌区需水量计量监测方法及系统。

背景技术

目前，我国灌区灌溉作业大多还是处于传统灌溉模式：以人工手动控制为主，过分依赖人为经验、缺乏数据支撑，随意性大，人员需到现场查看灌溉情况且人力投入大、耗时长、不及时，而整个过程没有科学的数据支撑导致灌溉用水随意，资源浪费，而长久的随意使土壤结构破坏加重。

很多灌区的灌溉计划均是多年积累的经验，形成固定的灌溉模式，无法适应灵活多变的灌溉方式，并且无法综合校验灌溉计划的合理性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种灌区需水量计量监测方法及系统。

本发明采用的技术方案是：一种灌区需水量计量监测方法，包括：

通过不同时期、不同的种植作物的田地需水量，动态自动计算各个渠系应放水量；

通过安装在各个渠系上的水量计量设备，动态监测灌溉水量情况，及时提醒管理人员在什么时间关闭的闸门，形成针对不同时期、不同作物、不同地块的合理的灌溉计划；

指导灌区灌溉作业，形成灌区的自动化灌溉的大数据仓库。

进一步地，所述方法具体包括：

S1，灌区基础要素在线定义；

S2，监测点计量设备数据接收；

S3，实时展示灌溉情况；

S4，实时预警通知；

S5，地块需水量计算及渠系放水量计算。

更进一步地，所述步骤S1包括：

灌区的基础要素包括渠系、计量设备、地块，全部通过在线的地图来定义；通过使用第三方Maptalks插件，加载各类公共底图，为用户提供在线绘制曲线的工具，形成各自灌区特有的灌区一张图；

具体包括：

渠系定义：用户选择渠系的样式笔刷，在地图上从绘制直线或者曲线，就形成了一条渠道，绘制的开始位置就是渠系的上游，结束点就是渠系的下游；如果用户选择的起点正好位于某天画好的渠道上边，则提示用户是否新绘制的渠道系从该渠道取水，如果是就形成了整个渠系的树形结构，并自动生成整个渠系的空间信息；

计量设备定义：在绘制好的渠系空间地图上选择某条渠系的某个位置作为计量设备的安装位置，完善计量设备的基础属性信息，该监测设备和实际物理安装的计量设备一一对应，确保计量设备上来的监测数据能正确匹配上；

地块定义：在地图上绘制用户自定义形状的农田地块，绘制的地块必须与某个渠系关联，形成整个灌区的技术要素信息；地块内的基础信息与具体的种植作物相关，形成该时期的灌溉定额，用于计算该地块在该时间的需水量。

更进一步地，所述步骤S2包括：

计量设备通过2G\4G\Lora的信息传递方式，实时向智慧灌区系统的云服务器发送流量数据；计量设备上传的数据通过与用户定义好的计量设备工情信息对应，存储到数据库中，用于后续的计算和分析。

更进一步地，所述步骤S3包括：

通过WEB GIS的方式，在地图上实时显示各个计量设备监测点的水流量(m³)信息，用户在任意指定时间段并计算该时间段的灌水量，各个监测点的灌水量计算公式如下：

W：指定时间内的灌水量，单位m³；

K：时间段范围，单位秒s；

Qk：在K时间段的平均流量，单位m³/s。

更进一步地，所述步骤S4包括：

每个水量计量设备都实时计算流量信息Q，通过设备每个监测点的在某段时间内的灌溉量的阈值，自动计算累计的灌水量W，如果超出了通过页面的声音、闪烁、短信的提醒用户某处地块已经灌满，由用户远程、现地关闭闸门。

更进一步地，所述步骤S5包括：

以各个计量设备上报上来的动态数据作为主要依据，结合用户配置的渠系、地块的信息，自动计算需要打开、闭合那些渠道的那些闸门；自动计算闸门的需放水量。

一种灌区需水量计量监测系统，包括：

灌区基础要素定义模块，用于灌区的基础要素包括渠系、计量设备、地块，全部通过在线的地图来定义；

监测点计量设备模块，用于计量设备通过2G\4G\Lora的信息传递方式，实时向智慧灌区系统的云服务器发送流量数据；计量设备上传的数据通过与用户定义好的计量设备工情信息对应，存储到数据库中，用于后续的计算和分析；

灌溉实时展示模块，用于通过WEB GIS的方式，在地图上实时显示各个计量设备监测点的水流量信息，用户在任意指定时间段并计算该时间段的灌水量；

实时预警通知模块，用于通过设备每个监测点的在某段时间内的灌溉量的阈值，自动计算累计的灌水量，如果超出了通过页面的声音、闪烁、短信的提醒用户某处地块已经灌满，由用户远程、现地关闭闸门；

地块需水量计算及渠系放水量模块，用于以各个计量设备上报上来的动态数据作为主要依据，结合用户配置的渠系、地块的信息，自动计算需要打开、闭合那些渠道的那些闸门；自动计算闸门的需放水量。

本发明的优点：

本发明实现灌区信息资源的实时共享，提高灌区的运行效率，减少灌区的运营成本。为灌区管理部门提供科学的决策依据，最终实现灌区管理信息化、调配水合理化、量测水精准化、收费规范化，为实现高效现代农业提供技术保障。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的灌区需水量计量监测方法流程图；

图2是本发明实施例的计量设备数据传输示意图；

图3是本发明实施例的灌区实时信息展示；

图4是本发明实施例的灌区要素示意图；

图5是本发明实施例的用户操作流程图；

图6是本发明实施例的灌区智能灌溉示意图。

附图标记：

1为取水口河道、2为主干渠总闸门、3为主干渠流量计量设备、5为主干渠、6为一支渠闸门、7为二支渠闸门、8为二支渠、9为二支渠下游闸门、10为二支渠下游、11为一支渠流量计量设备、12为主干渠下游闸门、 13为二支渠流量计量设备、14为一斗渠计量设备、15为一斗渠、16为一农渠闸门、17为一农渠流量计量设备、18为一地块、19为主干渠下游、20 为二农渠闸门、21为而农渠水量计量设备、22为二地块、23为三地块。

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，以下结合附图及实施例，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。

术语解释：

灌溉用水定额：在规定位置和规定水文年型下核定的某种作物在一个生育期内单位面积的灌溉用水量，以立方米/亩表示。

渠道水利用系数：某渠道的出口流量(净流量)与入口流量(毛流量) 的比值，称为渠道水利用系数。

参考图1，如图1所示，一种灌区需水量计量监测方法，包括：

通过不同时期、不同的种植作物的田地需水量，动态自动计算各个渠系应放水量；

通过安装在各个渠系上的水量计量设备，动态监测灌溉水量情况，及时提醒管理人员在什么时间关闭的闸门，形成针对不同时期、不同作物、不同地块的合理的灌溉计划；

指导灌区灌溉作业，形成灌区的自动化灌溉的大数据仓库。

本发明实现灌区信息资源的实时共享，提高灌区的运行效率，减少灌区的运营成本。为灌区管理部门提供科学的决策依据，最终实现灌区管理信息化、调配水合理化、量测水精准化、收费规范化，为实现高效现代农业提供技术保障。

所述方法具体包括：

S1，灌区基础要素在线定义；

S2，监测点计量设备数据接收；

S3，实时展示灌溉情况；

S4，实时预警通知；

S5，地块需水量计算及渠系放水量计算。

所述步骤S1包括：

灌区的基础要素包括渠系、计量设备、地块，全部通过在线的地图来定义；通过使用第三方Maptalks插件，加载各类公共底图(高德地图、Google 地图、百度地图等)，为用户提供在线绘制曲线的工具，形成各自灌区特有的灌区一张图；

具体包括：

渠系定义：用户选择渠系的样式笔刷，在地图上从绘制直线或者曲线，就形成了一条渠道，绘制的开始位置就是渠系的上游，结束点就是渠系的下游；如果用户选择的起点正好位于某天画好的渠道上边，则提示用户是否新绘制的渠道系从该渠道取水，如果是就形成了整个渠系的树形结构，并自动生成整个渠系的空间信息；

计量设备定义：在绘制好的渠系空间地图上选择某条渠系的某个位置作为计量设备的安装位置，完善计量设备的基础属性信息，该监测设备和实际物理安装的计量设备一一对应，确保计量设备上来的监测数据能正确匹配上；

地块定义：在地图上绘制用户自定义形状的农田地块，绘制的地块必须与某个渠系关联，形成整个灌区的技术要素信息；地块内的基础信息与具体的种植作物相关，形成该时期的灌溉定额，用于计算该地块在该时间的需水量。

所述步骤S2包括：

参考图2，如图2所示，计量设备通过2G\4G\Lora的信息传递方式，实时向智慧灌区系统的云服务器发送流量数据(单位m³)；计量设备上传的数据通过与用户定义好的计量设备工情信息对应，存储到数据库中，用于后续的计算和分析。

参考图3，如图3所示，所述步骤S3包括：

通过WEB GIS的方式，在地图上实时显示各个计量设备监测点的水流量(m³)信息，用户在任意指定时间段并计算该时间段的灌水量，各个监测点的灌水量计算公式如下：

W：指定时间内的灌水量，单位m³；

K：时间段范围，单位秒s；

Qk：在K时间段的平均流量，单位m³/s。

所述步骤S4包括：

每个水量计量设备都实时计算流量信息Q(m³/s)，通过设备每个监测点的在某段时间内的灌溉量(m³)的阈值，自动计算累计的灌水量W(m³)，如果超出了通过页面的声音、闪烁、短信的提醒用户某处地块已经灌满，由用户远程、现地关闭闸门。

参考图4，如图4所示，所述步骤S5包括：

以各个计量设备上报上来的动态数据作为主要依据，结合用户配置的渠系、地块的信息，自动计算需要打开、闭合那些渠道的那些闸门；自动计算闸门的需放水量。

地块需水量计算：

系统中录入灌区所有地块的基础信息，基础信息包括地块名称、地块面积、本年份种植的作物及作物的生长阶段、地块所在渠系等信息，依据用户录入的地块基础信息，生成该地块本时期的灌溉用水定额，最终计算出该地块的需水量，公式如下：

W地＝P*M

W地：该地块的需水量，单位m³；

P：灌溉用水定额，单位m³/亩，依据《DB33T 769-2016农业用水定额》；

M：地块面积，单位M亩。

渠系放水量计算：

本方案为用户提供在线地图的再选选择功能，采用鼠标在地图上任意点击选择(圈选择)1-N个地块，系统后台通过算法自动计算出从主干渠到各个支渠(斗渠、农渠)的需要的放水量，并计算出应该关闭那些渠系的闸门、打开那些渠系的闸门以及闸门的启闭时间。在地图的计量设备上实时显示计划灌溉多少水及实际的灌溉进度，由此辅助业主完成了灌溉决策功能。

本方案还提供灌溉方案存储功能，即用户在各个时期的由于种植作物不同、生长周期不同、丰水年和枯水年等因素，造成需要灌溉的水量也不同，一次用户可以模拟各个时期的灌溉量，来生成各种因素影响下的灌溉方案，并可以在各个时期实际应用，并与实际灌溉结果互相校验，经过长期的积累形成各自灌区的特有的灌溉方案，为各级领导的灌溉决策提供依据。

一种灌区需水量计量监测系统，包括：

灌区基础要素定义模块，用于灌区的基础要素包括渠系、计量设备、地块，全部通过在线的地图来定义；

监测点计量设备模块，用于计量设备通过2G\4G\Lora的信息传递方式，实时向智慧灌区系统的云服务器发送流量数据；计量设备上传的数据通过与用户定义好的计量设备工情信息对应，存储到数据库中，用于后续的计算和分析；

灌溉实时展示模块，用于通过WEB GIS的方式，在地图上实时显示各个计量设备监测点的水流量信息，用户在任意指定时间段并计算该时间段的灌水量；

实时预警通知模块，用于通过设备每个监测点的在某段时间内的灌溉量的阈值，自动计算累计的灌水量，如果超出了通过页面的声音、闪烁、短信的提醒用户某处地块已经灌满，由用户远程、现地关闭闸门；

地块需水量计算及渠系放水量模块，用于以各个计量设备上报上来的动态数据作为主要依据，结合用户配置的渠系、地块的信息，自动计算需要打开、闭合那些渠道的那些闸门；自动计算闸门的需放水量。

本发明属于农业灌溉需水计量领域，特别是关于一种基于灌区地块的种植作物在某一时期的需水量，自动计算地块所在供水渠系相关的干渠、支渠、斗渠、农渠的应放水量信息的方法及系统。

本发明采用智慧灌区信息化平台，运用物联网、互联网、云计算、大数据分析等先进技术，实时准确的获取灌区的渠道水位、渠道流量、泵站运行状态、闸门运行状态、现场视频等信息，并对采集到的数据进行加工处理。

本发明依据各地灌区的实际情况，把灌区拆分成地块、渠系、监测设备三个关键要素分类。一个灌区可以包括多个地块，每个地块对应由干渠、支渠、斗渠或者农渠来灌溉，每一级渠道的入口处均安装了水量计量监测设备，监测设备通过2G、4G、Lora等通信技术把水量监测数据发送到监控中心平台，监控中心平台显示实时的流量状态，并给出更加合理的水量调度方案。

本发明利用水量计量智能传感器设备、无线通信技术、云平台服务中心，结合本专利的核心算法，辅助灌区灌溉决策、监测灌溉进度。

实施例

参考图5，如图5所示，，本实施例设计的一种灌区逻辑模型。以主河道的取水口1作为灌区的水源地，水流讲过主干渠总闸门2，经过主干渠总闸门2的水被主干渠流量计量设备3进行自动计量。计量设备依据渠道的模式来确定，例如：如果是管道可以采用电磁流量计计量，如果是闸门可以采用水位差来计量等。其他各个支渠、斗渠、农渠的计量方式与主干渠的计量方法类似，因地制宜。

用户首先需要初始化灌区要素信息、参数等，主要包括渠系、地块、计量设备的空间信息、属性信息的初始化，完成这些就形成了灌区所需的基础要素信息，作为指导用户智能灌溉的基础。

形成基础信息之后，用户可以通过页面中的在线地图看到自己绘制的所有要素信息，通过鼠标点选、圈选所需要灌溉的地块，此时会提示是否应用以前的已经配置好的灌溉方案，方便用户不用每次都要从头操作一遍。

选择之后，通过后台的灌区智能迭代算法，生成用户所选的地块的灌溉方案，方案中包括闸门的开启方案、地块的需要灌水量方案。

最后，确认无误之后可以执行这个方案，执行部分主要包括开闸方案，开闸的方式可以选择人工通知，也可以选择远程自动控制闸门开启。如果灌区的闸门支持远程监测、开启，则闸门的实时开启状态也实时显示在灌区一张图中。

参考图6，如图6所示，当用户选择了“一地块18”和“三地块23”的并采用系统记性模拟灌水量计算的时候，依据6.7.1章节计算出地块的需水量W18&23，因为两个地块分别属于不同的灌溉渠系，所以需要分别通过W18和W23计算出对应该地块的各个渠系的需水量，最终汇总到主干渠的闸门主干渠总闸门2的总共需要的放水量W2(m³)，并且根据渠系树生成渠系树上的哪些闸门应该关闭，哪些闸门应该打开。

需要开放闸门：主干渠总闸门2、一支渠闸门6、二支渠闸门7、农渠闸门16。

关闭闸门：主干渠下游闸门12、二支渠下游闸门9、二农渠闸门20。

总干渠放水量：W2(m³)。

以上结论是在每个渠道水利用系数η渠道＝1的情况计算的(也就是渠道没有水量的损耗)，因为每个渠道都会产生水的损耗(蒸发、渗漏等)，所以需要定义每个渠道的利用系数η渠道(0-1)，这样重新计算：

W2＝W18/η5、8、15+W23/η5、4

W2：主干渠总闸门2所在渠道的需要灌水量，单位m³；

W18：一地块18的需要灌水量，单位m³；

W23：三地块23的需要灌水量，单位m³；

η5、8、15：指的是从主干渠5到一地块18之间渠道的所有的渠道水利用系数，即等于η5×η8×η15；

η5、4：指的是从主干渠5到三地块23之间渠道的所有的渠道水利用系数，即等于η5×η4；

反映到智慧灌区管理系统上就是会在地图上显示开启的闸门、关闭的闸门。通过主干渠流量计量设备3、一支渠流量计量设备11、一斗渠计量设备14、二支渠流量计量设备13，在地图上实时显示灌溉的实际情况，当某个计量设备的所放水量即将达到的时候，自动向系统用户发送消息，提示用户什么时间需要关闭那些闸门，来达到节约用水、科学用水的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种灌区需水量计量监测方法，其特征在于，包括：

通过不同时期、不同的种植作物的田地需水量，动态自动计算各个渠系应放水量；

通过安装在各个渠系上的水量计量设备，动态监测灌溉水量情况，及时提醒管理人员在什么时间关闭的闸门，形成针对不同时期、不同作物、不同地块的合理的灌溉计划；

指导灌区灌溉作业，形成灌区的自动化灌溉的大数据仓库。

2.根据权利要求1所述的灌区需水量计量及监测系统，其特征在于，所述方法具体包括：

S1，灌区基础要素在线定义；

S2，监测点计量设备数据接收；

S3，实时展示灌溉情况；

S4，实时预警通知；

S5，地块需水量计算及渠系放水量计算。

3.根据权利要求2所述的灌区需水量计量及监测系统，其特征在于，所述步骤S1包括：

灌区的基础要素包括渠系、计量设备、地块，全部通过在线的地图来定义；通过使用第三方Maptalks插件，加载各类公共底图，为用户提供在线绘制曲线的工具，形成各自灌区特有的灌区一张图；

具体包括：

渠系定义：用户选择渠系的样式笔刷，在地图上从绘制直线或者曲线，就形成了一条渠道，绘制的开始位置就是渠系的上游，结束点就是渠系的下游；如果用户选择的起点正好位于某天画好的渠道上边，则提示用户是否新绘制的渠道系从该渠道取水，如果是就形成了整个渠系的树形结构，并自动生成整个渠系的空间信息；

计量设备定义：在绘制好的渠系空间地图上选择某条渠系的某个位置作为计量设备的安装位置，完善计量设备的基础属性信息，该监测设备和实际物理安装的计量设备一一对应，确保计量设备上来的监测数据能正确匹配上；

地块定义：在地图上绘制用户自定义形状的农田地块，绘制的地块必须与某个渠系关联，形成整个灌区的技术要素信息；地块内的基础信息与具体的种植作物相关，形成该时期的灌溉定额，用于计算该地块在该时间的需水量。

4.根据权利要求2所述的灌区需水量计量及监测系统，其特征在于，所述步骤S2包括：

计量设备通过2G\4G\Lora的信息传递方式，实时向智慧灌区系统的云服务器发送流量数据；计量设备上传的数据通过与用户定义好的计量设备工情信息对应，存储到数据库中，用于后续的计算和分析。

5.根据权利要求2所述的灌区需水量计量及监测系统，其特征在于，所述步骤S3包括：

通过WEB GIS的方式，在地图上实时显示各个计量设备监测点的水流量(m³)信息，用户在任意指定时间段并计算该时间段的灌水量，各个监测点的灌水量计算公式如下：

W：指定时间内的灌水量，单位m³；

K：时间段范围，单位秒s；

Qk：在K时间段的平均流量，单位m³/s。

6.根据权利要求2或5所述的灌区需水量计量及监测系统，其特征在于，所述步骤S4包括：

每个水量计量设备都实时计算流量信息Q，通过设备每个监测点的在某段时间内的灌溉量的阈值，自动计算累计的灌水量W，如果超出了通过页面的声音、闪烁、短信的提醒用户某处地块已经灌满，由用户远程、现地关闭闸门。

7.根据权利要求2所述的灌区需水量计量及监测系统，其特征在于，所述步骤S5包括：

以各个计量设备上报上来的动态数据作为主要依据，结合用户配置的渠系、地块的信息，自动计算需要打开、闭合那些渠道的那些闸门；自动计算闸门的需放水量。

8.一种灌区需水量计量监测系统，其特征在于，包括：

灌区基础要素定义模块，用于灌区的基础要素包括渠系、计量设备、地块，全部通过在线的地图来定义；

监测点计量设备模块，用于计量设备通过2G\4G\Lora的信息传递方式，实时向智慧灌区系统的云服务器发送流量数据；计量设备上传的数据通过与用户定义好的计量设备工情信息对应，存储到数据库中，用于后续的计算和分析；

灌溉实时展示模块，用于通过WEB GIS的方式，在地图上实时显示各个计量设备监测点的水流量信息，用户在任意指定时间段并计算该时间段的灌水量；

实时预警通知模块，用于通过设备每个监测点的在某段时间内的灌溉量的阈值，自动计算累计的灌水量，如果超出了通过页面的声音、闪烁、短信的提醒用户某处地块已经灌满，由用户远程、现地关闭闸门；

地块需水量计算及渠系放水量模块，用于以各个计量设备上报上来的动态数据作为主要依据，结合用户配置的渠系、地块的信息，自动计算需要打开、闭合那些渠道的那些闸门；自动计算闸门的需放水量。

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