建平縣節(jié)水滴灌自動化與信息化建設(shè)研究

袁國兵

(遼寧省建平縣水利技術(shù)推廣服務中心，遼寧朝陽122400)

1 基本情況

1.1 自然地理概況

建平縣2013年節(jié)水滴灌工程示范項目，位于建平縣八家農(nóng)場八家分場、柴達木分場2個分場，地處建平縣中西部，屬老哈河流域，距縣城85 km，屬老哈河支流。項目區(qū)屬于半干旱、半濕潤氣候區(qū)，干燥多風，雨量較少，春旱頻繁。多年平均降雨量為451 mm，降水年份分配不均，多集中在6～8月份，占全年降水量的87%。多年平均蒸發(fā)量為2 060 mm，4～6月份蒸發(fā)量為全年的45%，年際蒸發(fā)量變化幅度較大。項目區(qū)多年氣溫在6.7℃ ～10℃，區(qū)內(nèi)屬風沙性大陸氣候，多年平均風速為3 m/s。多年平均無霜期為130 d，多年平均日照數(shù)為2 847 h。最大凍層深度1.8 m。

1.2 建設(shè)內(nèi)容

為了更好地推動全縣節(jié)水滴灌工程健康、有序、快速發(fā)展，探索適宜節(jié)水滴灌發(fā)展的技術(shù)模式、管理體制和運行機制，更好的發(fā)揮工程示范工程作用。建平縣節(jié)水滴灌綜合示范項目區(qū)選擇八家農(nóng)場為示范區(qū)，實現(xiàn)集中連片推廣應用高效節(jié)水灌溉技術(shù)。2013年建平縣八家農(nóng)場節(jié)水滴灌工程示范項目發(fā)展信息化工程面積0.3萬畝，主要建設(shè)內(nèi)容為:(1)信息采集與測控系統(tǒng)包括機井水量測控、地下水位監(jiān)測、田間墑情監(jiān)測、田間氣象觀測、作物長勢監(jiān)視和灌溉自動控制六個子系統(tǒng)。(2)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)采用基于CDMA/GPRS通迅手段，固定專線的接收管理的模式。(3)管理中心及管理站建設(shè)包括1個縣級管理中心、1個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))用水管理站、1個村級管理站。(4)數(shù)據(jù)庫建設(shè)與應用軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫建設(shè)為支撐，構(gòu)建建平縣綜合管理信息系統(tǒng)，由項目信息管理應用、水資源管理應用、灌溉管理應用監(jiān)控和信息服務與發(fā)布四個平臺組成。信息采集與測控系統(tǒng)包括機井水量測控、地下水位監(jiān)測、田間墑情監(jiān)測、田間氣象觀測、作物長勢監(jiān)視和灌溉自動控制六個子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)采用基于CDMA/GPRS通迅手段，固定專線組合模式。管理中心及管理站建設(shè)包括1個縣級管理中心、1個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))用水管理站、1個村級管理站。數(shù)據(jù)庫建設(shè)與應用軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為支撐，構(gòu)建綜合管理信息系統(tǒng)，由項目信息管理、水資源管理、灌溉管理監(jiān)控和信息服務與發(fā)布四個平臺組成。

2 系統(tǒng)布設(shè)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

建平縣節(jié)水滴灌綜合示范項目八家農(nóng)場信息化示范區(qū)建設(shè)采用工程措施和非工程措施相結(jié)合的方式，采用分層結(jié)構(gòu)與模塊化管理模式，總體結(jié)構(gòu)由信息采集、信息傳輸、信息管理、信息應用四大部分組成。

2.2 信息采集與測控系統(tǒng)

信息采集與測控系統(tǒng)包括機井水量測控、地下水位監(jiān)測、田間墑情監(jiān)測、田間氣象觀測、作物長勢監(jiān)視和灌溉自動控制六個子系統(tǒng)。

2.2.1 機井水量測控系統(tǒng)

機井水量測控系統(tǒng)主要由IC卡智能控制器、管道流量計、通信終端、防雷和供電設(shè)備組成。機井水量測控系統(tǒng)主要監(jiān)測機井灌溉出水量。在農(nóng)業(yè)灌溉機井首部出水管道上安裝管道流量計，通過IC卡智能控制器采集每日機井灌溉出水量，智能控制器串聯(lián)接入水泵三相控制電路，通過CDMA/GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級管理中心，設(shè)備供電采用現(xiàn)場取電方式。其主要功能:實現(xiàn)對機井及每個用戶取水量的監(jiān)控;實現(xiàn)對用戶限額用水管理和預收費管理;實現(xiàn)對取水水源的控制;實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

2.2.2 地下水位監(jiān)測系統(tǒng)

地下水位監(jiān)測系統(tǒng)主要由RTU遙測終端水位傳感器、通信模塊、防雷和太陽能供電設(shè)備組成。水位傳感器采用投入式水位計，RTU遙測終端負責對投入式水位計、進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)CDMA/GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級管理中心，設(shè)備供電采用蓄電池供電、太陽能板浮充的運行方式。采用20W單晶硅太陽能板和12V38AH蓄電池。地下水位監(jiān)測井為水位專用監(jiān)測井，測井建設(shè)按照《地下水監(jiān)測站建設(shè)技術(shù)規(guī)程》實施。測井開口口徑為300～400 mm，井管管材采用混凝土管或鋼筋混凝土管，開孔率5%～15%，開孔方式為圓孔且呈梅花狀排列，測井井深鑿至多年最低水位以下10 m，井壁管應高于測井附近地面3～5 m。沉淀管安裝在監(jiān)測井的底部，長度不小于3m。其主要功能:實現(xiàn)對地下水位/水溫實時連續(xù)監(jiān)測;實現(xiàn)對地下水資源分析，提供預警功能;實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

2.2.3 田間墑情監(jiān)測系統(tǒng)

田間墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要由RTU終端、土壤水分傳感器、溫度傳感器、通信終端、太陽能供電系統(tǒng)和防雷設(shè)備組成，該系統(tǒng)布設(shè)于項目核心區(qū)。墑情監(jiān)測按照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》(SL364－2006)布設(shè)土壤水分和溫度剖面，根據(jù)需求土壤水分采用剖面布設(shè)方式，常用的是三層土壤水分(10/20/40cm)、一層土壤溫度(5cm)。將土壤水分傳感器、溫度傳感器埋入相應的剖面的圖層中，RTU終端負責采集水分傳感器和溫度傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，經(jīng)CDMA/GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級管理中心，設(shè)備供電采用蓄電池供電、太陽能板浮充的運行方式，采用20 W單晶硅太陽能板和12V38AH蓄電池。其主要功能:實現(xiàn)對項目區(qū)土壤水分和溫度的實時連續(xù)監(jiān)測;根據(jù)種植作物類型和灌溉方式，預報下次灌溉時間和灌溉量;實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。氣壓影響:±0.005%FS/kPa。

2.2.4 田間氣象觀測系統(tǒng)

田間氣象觀測系統(tǒng)主要由RTU終端、溫度傳感器、濕度傳感器、太陽輻、傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器、大氣壓力傳感器、通信終端、太陽能供電系統(tǒng)、防雷設(shè)備等組成;該系統(tǒng)布設(shè)于項目核心區(qū)。田間氣象站各要素設(shè)備按照《地面氣象觀測規(guī)范第17部分:自動氣象站觀測》(QX/T61－2007)要求進行設(shè)備的安裝，自動氣象站RTU終端采集各氣象要素傳感器的數(shù)據(jù)，通過CDMA/GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級管理中心，設(shè)備供電采用蓄電池供電、太陽能板浮充的運行方式。其主要功能:實現(xiàn)對項目區(qū)氣象的實時連續(xù)監(jiān)測;根據(jù)種植作物類型和灌溉方式，預報下次灌溉時間和灌溉量;實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

2.2.5 作物長勢監(jiān)視系統(tǒng)

作物長勢監(jiān)視系統(tǒng)由攝像機、網(wǎng)絡(luò)視頻服務器、防雷設(shè)備和供電設(shè)備組成;該系統(tǒng)布設(shè)于項目核心區(qū)。在井房附近安裝視頻監(jiān)控點，視頻攝像機采用全方位云臺控制，通過網(wǎng)絡(luò)視頻服務器將采集視頻圖像通過網(wǎng)絡(luò)運行商基站圖像信息傳輸至建平縣管理中心監(jiān)控機房，可實現(xiàn)攝像機的遠程控制，供電電源直接取至灌溉機井內(nèi)的供電線路。其主要功能:實現(xiàn)對項目區(qū)田間作物不同生育期長勢的直觀全面了解;實現(xiàn)項目區(qū)田間監(jiān)測儀器的安全保護作用。

2.2.6 灌溉自動控制系統(tǒng)

灌溉自動控制系統(tǒng)包括電磁閥、無線閥控器、狀態(tài)反饋開關(guān)、主控制器和用戶操作終端等。其中，電磁閥安裝于每條支管進水口處，無線閥控器安裝于電磁閥旁邊，干電池/太陽能供電，與電磁閥通過信號線聯(lián)接。無線閥門控制器在設(shè)定的區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)無線組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)匯集于主控制器和用戶操作終端，并通過GPRS實現(xiàn)遠程聯(lián)網(wǎng)。其主要功能:適時灌溉，滿足作物的需水要求;遠程無線遙控閥門開閉，減輕灌溉勞動強度;實時監(jiān)測田間閥門狀態(tài)和灌溉系統(tǒng)運行，提高灌溉管理水平;結(jié)合灌溉預報實現(xiàn)自動和智能控制。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

建平縣節(jié)水滴灌綜合示范項目八家農(nóng)場信息化示范區(qū)建設(shè)采集的流量、水位、墑情、降雨、氣溫等多種數(shù)據(jù)資源，由于測點遍布于農(nóng)場，布置分散零散，通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建要考慮到實用、經(jīng)濟、安全、可擴充等特點。目前用于通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建可采用有線傳輸、無線傳輸以及兩者相結(jié)合?？紤]到八家農(nóng)場農(nóng)田水利管理的現(xiàn)狀，構(gòu)建自身的光纖通訊專用網(wǎng)絡(luò)，從投資和管理的角度，受投資金額、技術(shù)水平、維護能力等因素影響，經(jīng)濟和技術(shù)上不可行。依據(jù)數(shù)據(jù)采集的特點，采用無線傳輸形式，可實現(xiàn)農(nóng)田水利信息化的管理要求。

2.4 管理中心及管理站的建設(shè)

建平縣節(jié)水滴灌綜合示范項目八家農(nóng)場信息化示范區(qū)項目信息化建設(shè)包括1個縣級管理中心、1個鎮(zhèn)用水管理站、4個村級管理站。

2.4.1 縣級管理中心

縣級管理中心承擔了系統(tǒng)的整體運行、維護與管理工作，實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的集中存儲、匯總處理及與遠程控制等基本功能，對項目區(qū)灌溉用水量、地下水位動態(tài)變化情況進行適時分析，對可能超過限制水位的機井預警，對超采機井進行禁采管理。建平縣管理中心建設(shè)包括監(jiān)控室與會商室建設(shè)。監(jiān)控室主要負責各測站數(shù)據(jù)、圖像的采集匯總和資料整編以及與各級用戶的信息交換。設(shè)備包括2臺監(jiān)控計算機、2臺服務器、1臺交換機、1臺防火墻、1臺 UPS不間斷電源(6KVA/4h)、打印機、機柜及壁掛式空調(diào)等。會商室主要用于日常管理和技術(shù)決策方面的重大會議，實現(xiàn)投影、音響、會討等功能現(xiàn)實需要，可與水務局現(xiàn)有系統(tǒng)進行結(jié)合。主要功能:投影儀和電腦顯示器同時顯示VGA信號，同時顯示相同內(nèi)容投影儀顯示電視信號;中控系統(tǒng)可控制投影及電動幕的升降將電腦信號，電視信號的音頻通過音響設(shè)備傳輸出來;無線話筒信號通過功放系統(tǒng)和前置無線接收器輸出來。

2.4.2 鄉(xiāng)級用水管理站

鄉(xiāng)級用水管理站通過網(wǎng)絡(luò)介入設(shè)備接入Internet公網(wǎng)，按照縣級中心站的授權(quán)和任務分配，瀏覽本鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水、地下水水位等信息;為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，本級管理站配備1臺PDA抄表裝置，以便在傳輸系統(tǒng)維護的過程中，進行信息數(shù)據(jù)的錄入，避免數(shù)據(jù)的漏報和錯報。主要設(shè)備包括監(jiān)控計算機、PDA、打印機和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備等。

2.4.3 村級用水管理站

村級用水管理站由村級水管員負責監(jiān)督，轄區(qū)范圍內(nèi)地下水工程機井監(jiān)測、監(jiān)控信息的管理和用水信息通知至各用水戶，且當設(shè)備出現(xiàn)故障時上報鎮(zhèn)用水管理站，及時修復。每個村級用水管理站配備1臺PDA抄表裝置，在傳輸系統(tǒng)維護的過程中，進行信息數(shù)據(jù)的錄入，避免數(shù)據(jù)的漏報和錯報。主要設(shè)備是PDA設(shè)備。

2.5 數(shù)據(jù)庫建設(shè)與應用軟件系統(tǒng)

1)總體設(shè)計。數(shù)據(jù)庫是項目信息化數(shù)據(jù)存儲和管理的關(guān)鍵，主要實現(xiàn)信息接收、處理與存儲，數(shù)據(jù)維護和管理等功能。

2)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫將以圖形為核心，實現(xiàn)空間信息與屬性信息的無縫集成管理。數(shù)據(jù)庫分為項目管理數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、工程運行數(shù)據(jù)庫和地理信息數(shù)據(jù)庫4個一級數(shù)據(jù)庫。(1)項目管理數(shù)據(jù)庫主要包括項目縣基本情況、項目區(qū)基本資料、項目招投標信息、項目進度信息、竣工驗收信息及項目評估信息等。(2)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫包括取水口基本信息、地下水位監(jiān)測站點基本信息、墑情監(jiān)測站點基本信息、氣象監(jiān)測站點基本信息、農(nóng)戶基本信息及地塊基本信息等。(3)工程運行數(shù)據(jù)庫包括項目設(shè)備狀態(tài)信息、取水口水量信息、地下水位信息、墑情信息及氣象信息等。(4)地理信息數(shù)據(jù)庫包括公用圖層和專題圖層。公用圖層包括行政區(qū)劃(縣、鄉(xiāng)、村)、河流、水庫、居民地等。專題圖層包括項目片區(qū)實施范圍、取水口、地下水位觀測站、土壤墑情監(jiān)測站、氣象測站等。數(shù)據(jù)庫的部署采用集中式，所有數(shù)據(jù)接收處理后的結(jié)果均存放在該數(shù)據(jù)庫中，采用SQL Server企業(yè)版作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用平臺，集中在縣水務局監(jiān)控室數(shù)據(jù)庫服務器中。

3)數(shù)據(jù)庫安全管理。信息化數(shù)據(jù)庫要圍繞物理安全、訪問控制、數(shù)據(jù)備份與恢復等內(nèi)容來建設(shè)，要注重維護數(shù)據(jù)信息的完整性、保密性和可用性。(1)物理安全性:物理安全主要是指保證數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)庫所在環(huán)境、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的物理安全性。如保證服務器所在網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)線、交換機等環(huán)境的物理安全;只有數(shù)據(jù)庫管理員能夠在物理上接觸數(shù)據(jù)庫服務器等。(2)訪問控制:數(shù)據(jù)訪問作為基本安全性的核心，主要是從與賬號相關(guān)的方面來維護數(shù)據(jù)庫的安全性，包括賬號管理、密碼策略、權(quán)限控制、用戶認證等內(nèi)容?？筛鶕?jù)安全訪問列表技術(shù)(ACL)針對不同訪問者、不同訪問方式、不同訪問等級、不同的數(shù)據(jù)對象進行安全性管理措施建設(shè)。采用口令管理技術(shù)和口令加密、審計技術(shù)提高數(shù)據(jù)訪問的安全性。(3)數(shù)據(jù)庫備份與恢復:為避免突如其來的數(shù)據(jù)破壞(如:黑客攻擊、病毒襲擊、硬件故障和人為誤操作等)，提高數(shù)據(jù)的安全性和數(shù)據(jù)恢復能力，需要定期進行備份并執(zhí)行有效的數(shù)據(jù)管理。具體策略針對數(shù)據(jù)庫服務器系統(tǒng)進行備份，采用磁盤鏡像功能、第三方備份工具等手段，避免數(shù)據(jù)庫崩潰后造成災難。

3 系統(tǒng)優(yōu)點

3.1 信息化優(yōu)點

功能先進。應用國際先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和2.4G無線自主組網(wǎng)形成田間滴灌系統(tǒng)無線局域網(wǎng)，無任何通信費，避免了田間滴灌系統(tǒng)直接使用移動GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)收費較昂貴的不足。每個出水樁安裝一個無線閥門控制器，可無線控制1個電磁閥，避免地埋線纜易損壞、維護不便的缺點。電磁閥開關(guān)狀態(tài)可實時反饋顯示;具有防偷水和防爆管優(yōu)點。還可進行輪灌組編制及自動執(zhí)行;另外具有墑情測報功能。

信息反饋及時準確，可對閥門的狀態(tài)通過狀態(tài)傳感器進行實時監(jiān)控?？蓪崿F(xiàn)農(nóng)田信息及作物長勢遠程視頻監(jiān)測與灌溉自動控制功能，解決了“兩高一低”即高頻率、高強度、低流量的難題，為作物增產(chǎn)提供科技支撐。

能耗較低。采用4節(jié)普通1.5V干電池供電可使用一個作物生長周期;避免了太陽能電源系統(tǒng)費用昂貴、維修困難的不足。具有灌溉時間及灌量自動統(tǒng)計分析;系統(tǒng)故障自動診斷、電壓自動報警優(yōu)點。

使用方便。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能自行診斷，故障查詢及時準確，方便維護;安裝拆卸方便簡潔，傻瓜式設(shè)計，對用戶文化程度要求較低。

3.2 自動化優(yōu)點

促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。促進了農(nóng)業(yè)高新技術(shù)可持續(xù)發(fā)展應用及農(nóng)業(yè)科技園區(qū)建設(shè)，引領(lǐng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方向提供科技保障。節(jié)水節(jié)電。使普通滴灌系統(tǒng)能夠嚴格執(zhí)行輪灌制度，由模糊灌溉走向精準灌溉，節(jié)約用水和用電10%以上。增產(chǎn)作用。使“少食多餐”、高頻灌溉技術(shù)能夠真正實現(xiàn)，促進了作物穩(wěn)健、持續(xù)生長和高產(chǎn)、高效益，產(chǎn)量提高8%以上。提高了勞動生產(chǎn)率。減少工程管理人員，降低了勞動強度，人均管理定額由50畝提高到300畝，管理費用由100元/畝降低到20元/畝。利于管理。統(tǒng)一管理，避免了人為開閉閥門對作物造成踐踏、灌溉時間不一致導致作物生長不均勻等影響，提高了作物產(chǎn)量。

4 結(jié)語

通過在項目區(qū)開展自動化與信息化建設(shè)，重點建設(shè)灌溉用水與地下水位自動化監(jiān)測工程，可以看出該系統(tǒng)具有很多優(yōu)點和特點，實現(xiàn)了工程取水量和水資源承載能力的信息化管理;提高了工程運行管理水平，并結(jié)合土壤墑情與氣象等信息的自動監(jiān)測，科學地指導灌溉，引領(lǐng)灌溉現(xiàn)代化方向。

［1］張兵，袁壽其，成立.節(jié)水灌溉自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］.排灌機械.2003(02).

［2］張兵，袁壽其，成立，等.節(jié)水灌溉自動控制器的設(shè)計與研究［J］.中國農(nóng)村水利水電.2004(01).

［3］宋培卿.節(jié)水灌溉自動化遠程控制系統(tǒng)的研究與應用［D］.河海大學.2004.