基于TCC控制模式節(jié)水自動(dòng)化灌溉體系應(yīng)用

徐寶山，任曉文，閆曉婷

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

近年來，隨著農(nóng)業(yè)用水需求的不斷增加，農(nóng)業(yè)供用水矛盾日益凸顯，加之水資源利用率低下，使得農(nóng)業(yè)灌溉用水愈加緊張，為緩解用水矛盾，世界各國都在大力探索行之有效的節(jié)水措施和提高水分利用率的辦法[1]。我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的較大部分，大力推廣和發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)成為我國農(nóng)業(yè)今后發(fā)展的趨勢，尤其發(fā)展現(xiàn)代化高效節(jié)水農(nóng)業(yè)更是農(nóng)業(yè)的必由出路[2]?，F(xiàn)代化高效節(jié)水農(nóng)業(yè)不僅在種植和灌溉方面比較精細(xì)化，而且在輸配水、灌水方式、降雨、蒸發(fā)、土壤墑情和作物需水規(guī)律等方面進(jìn)行全面統(tǒng)一考慮，通過灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)將灌溉水、降雨、地下水聯(lián)合調(diào)用按時(shí)、按需、按量進(jìn)行自動(dòng)灌溉，并利用土壤墑情和氣象設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測土壤含水率和水分動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)灌溉水的自動(dòng)化和動(dòng)態(tài)化管理。

為深入推進(jìn)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)，促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展，甘肅省疏勒河管理局借助清華大學(xué)開展水聯(lián)網(wǎng)多水源實(shí)時(shí)調(diào)度與過程控制技術(shù)應(yīng)用示范研究項(xiàng)目引進(jìn)了澳大利亞潞碧墾公司研發(fā)的一體化測控閘門系統(tǒng)，以及依托南京水文水資源研究所提供的自動(dòng)化灌溉電磁閥田間設(shè)備在昌馬灌區(qū)南干渠管理所建立了高效節(jié)水示范園區(qū)。通過不斷加強(qiáng)自動(dòng)化閘門與自動(dòng)化灌溉軟件的耦合，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了基于TCC控制模式下的灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)體系，一體化閘門根據(jù)下游園區(qū)實(shí)際需水要求，逐級(jí)進(jìn)行反饋和前饋，實(shí)現(xiàn)閘門的聯(lián)合調(diào)度，精準(zhǔn)完成配水。自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)參照田間土壤含水率上下限，結(jié)合氣象和土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)作物進(jìn)行精細(xì)合理化灌溉，真正實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用，更為灌區(qū)自動(dòng)化節(jié)水灌溉提供了技術(shù)支持和系統(tǒng)軟件服務(wù)。

1 自動(dòng)化節(jié)水灌溉體系組成

本自動(dòng)化節(jié)水灌溉體系主要有一體化測控閘門系統(tǒng)(TCC控制模式)、自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成。通過建立中間聯(lián)通介質(zhì)將一體化測控閘門系統(tǒng)和自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)有機(jī)的進(jìn)行了耦合和聯(lián)動(dòng)，并結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水資源管理的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)調(diào)度、高效管理和有效利用。

1.1 全渠道控制TCC渠系控制

TCC(Total Channel Control)全渠道控制模式的簡稱，全渠道控制模式的工作原理是當(dāng)下游農(nóng)戶開始取水時(shí)，取水口向上游閘門發(fā)送流量信息，上游閘門回應(yīng)配送需求流量，下游農(nóng)戶閘門監(jiān)測理想水位變化，并將信息發(fā)送至上游閘門，實(shí)時(shí)調(diào)整閘門的開度，以確保水位保持在適當(dāng)水平，上述過程在整個(gè)渠道持續(xù)進(jìn)行，以保持適當(dāng)水量通過各相關(guān)閘門，將水位保持在適當(dāng)水平，而不發(fā)生溢流。示范園區(qū)一體化測控系統(tǒng)全渠道TCC渠系控制技術(shù)路線如圖1所示。

全渠道控制TCC渠系控制除了硬件模塊采用比較精密的定流式設(shè)計(jì)(堰式)和精確的馬達(dá)控制，在軟件系統(tǒng)上，采用SCADA Connect軟件實(shí)現(xiàn)一體化閘門的協(xié)調(diào)操作和遠(yuǎn)程遙感監(jiān)測，以及NeuroFlo軟件對(duì)接收到相關(guān)閘門流量和水位信息經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后做出理想回應(yīng)，確保渠系內(nèi)流量和水位保持在適當(dāng)水平，該模式采用了反饋和前饋控制循環(huán)技術(shù)，精準(zhǔn)的配水有效地滿足了用戶的需求。具體運(yùn)作原理如圖2所示。

圖1 全渠道TCC渠系控制技術(shù)路線圖Fig.1 Total channel control TCC canal route

圖2 渠系控制具體運(yùn)作圖Fig.2 Canal concrete control operation

1.2 自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)

自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)為一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)利用土壤溫濕度傳感器和水位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 及時(shí)連續(xù)上傳采集農(nóng)田土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，中控室計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析數(shù)據(jù)智能決策實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控水泵的起停、電磁閥的啟閉和灌溉用水量，使農(nóng)田灌溉實(shí)現(xiàn)少人值班的自動(dòng)化精準(zhǔn)灌溉。

該系統(tǒng)通過ZigBee自組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、控制中心和無線網(wǎng)關(guān)之間相互作用進(jìn)行信息的傳輸和控制[4-6]。ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)底層有一定數(shù)量的溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，能夠自動(dòng)采集土壤含水率信息以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測水分變化，并結(jié)合預(yù)設(shè)的土壤含水率上下限進(jìn)行分析，判斷是否進(jìn)行灌溉和停止灌水。同時(shí)無線網(wǎng)關(guān)將傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、編址計(jì)算路由信息，通過GPRS傳遞信息數(shù)據(jù)給控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理[7，8]。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Scheme of the system framework

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

全園區(qū)共安裝6臺(tái)360°全視角高清攝像頭，通過對(duì)攝像頭采用后臺(tái)云端控制，更好對(duì)園區(qū)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了監(jiān)控和可視化操作。視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，使得遠(yuǎn)程操作更加直觀、更加準(zhǔn)確。

2 自動(dòng)化節(jié)水灌溉體系

自動(dòng)化節(jié)水灌溉體系是以上三大系統(tǒng)的自主耦合，在基于一體化測控閘門精確配水的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，并且在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的輔助下，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)園區(qū)灌溉用水的自動(dòng)化、精量化和可視化。 該體系的形成不僅有效解決了農(nóng)業(yè)用水效率低的問題，有充分發(fā)揮了節(jié)水設(shè)備的優(yōu)勢，使管理水資源更加科學(xué)、方便，而且對(duì)推廣自動(dòng)化節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)，提供了試驗(yàn)依據(jù)。整個(gè)自動(dòng)化節(jié)水灌溉體系工作流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)化灌溉體系工作流程圖Fig.4 Automated irrigation system workflow

當(dāng)溫濕度傳感器監(jiān)測到土壤含水率低于設(shè)定目標(biāo)值以后，說明作物需要進(jìn)行灌溉。此時(shí)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)處理信息并與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，通過控制中心主機(jī)發(fā)送指令給河水泵，河水泵開啟，需要灌水的控制閥門打開。隨著蓄水池的水位不斷下降，二分干一農(nóng)測控閘門下游水位傳感器監(jiān)測到蓄水池水位下降到設(shè)定值以下，閘門開啟給蓄水池補(bǔ)水，并發(fā)送需水信息給上游的二分干一斗節(jié)制閘，上游閘門監(jiān)測水位并適當(dāng)調(diào)整閘門開度，此過程依次不斷持續(xù)進(jìn)行，直至南干二分干閘門，通過反饋和前饋的操作模式，實(shí)現(xiàn)精確的配置額外需水量。在此過程中，氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)為灌溉做出更加精確的判斷，而監(jiān)控設(shè)備可以隨時(shí)監(jiān)控園區(qū)內(nèi)灌水的情況，及時(shí)且直接。

3 園區(qū)運(yùn)用實(shí)例

園區(qū)自動(dòng)化灌溉體系操作界面如圖5～圖8所示。整個(gè)園區(qū)通過自動(dòng)化控制中心的遠(yuǎn)程終端設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一體化閘門的遠(yuǎn)程控制。根據(jù)田間埋設(shè)的溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，判斷作物是否需水，完成控制閥門的啟閉。

圖5 TCC全渠道控制界面Fig.5 TCC total channel control interface

圖6 視頻監(jiān)控后臺(tái)控制Fig.6 Video surveillance background control

圖7 渠首泵房控制界面Fig.7 Pumping station of head control interface

圖8 田間控制閥布置圖Fig.8 Field control valve arrangement

4 結(jié) 語

基于TCC控制模式的自動(dòng)化灌溉體系的運(yùn)用，為灌區(qū)自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制提供了有效的實(shí)現(xiàn)手段。本園區(qū)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，接入了一體化測控閘門系統(tǒng)、節(jié)水灌溉系統(tǒng)和園區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)。在示范園區(qū)安裝一體化測控閘門和灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)，不僅在操作方面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，取代了人工調(diào)節(jié)，解放了生產(chǎn)力，而且通過反饋和前饋控制循環(huán)技術(shù)，精確實(shí)現(xiàn)一體化閘門的聯(lián)合調(diào)度，利用高精度流量計(jì)算軟件和控制軟件，對(duì)閘門進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以確保水位保持在適當(dāng)水平，并且可以準(zhǔn)確找出滲漏和泄漏，完全杜絕跑水、漏水、剩水等傳統(tǒng)不良現(xiàn)象，大大減少了輸配水過程中的水量損失，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)配水。加之，自動(dòng)化節(jié)水灌溉系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的配合，使一體化測控閘門在控水、配水、節(jié)水方面更進(jìn)一步得到了發(fā)揮。基于一體化測控閘門的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)做到了給作物按時(shí)、按需、按量灌溉，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化，減少了深層滲漏損失，節(jié)約了水資源。

[1] 徐寶山，趙文洪，趙朝暉，等. 河西典型灌區(qū)溝畦灌節(jié)水模式試驗(yàn)研究[J].節(jié)水灌溉,2016,(1)：43-46.

[2] 張朝暉，張建貴，徐寶山. 微潤管灌溉技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)研究 [J].灌溉排水學(xué)報(bào),2007,(1):73-76.

[3] 丁富平，吳發(fā)啟，趙龍山. 基于VB的水田灌溉自動(dòng)化管理系統(tǒng) [J].水土保持研究,2007,17(4):233-238.

[4] 張?jiān)隽?，黨革榮，郁曉慶，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) [J].節(jié)水灌溉,2012,(3):75-78.

[5] 王 殊，閻毓杰，胡富平，等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6] 江 挺，胡培金，趙燕東．基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．節(jié)水灌溉，2011，(2)：58-61.

[7] 蔡義華，劉 剛，李 莉，等．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009,25(4):176-178.

[8] 劉 卉，汪懋華，王躍宣，等．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008，38(3):604-608.