精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用探討

王 煒

（太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站,山西 太原 030002）

1 項目概況

陽曲縣高效節(jié)水灌溉項目—精確農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)示范推廣的項目區(qū)位于陽曲縣城東北的泥屯鎮(zhèn)，距離縣城15 km，屬大陸性半干旱氣候，年平均氣溫12.5 ℃，年均無霜期205 d，多年平均降水量409.4 mm，年內(nèi)分配極不均勻，6 月～9月降水量占全年降雨量的60%以上，降水年際變化較大，最大降水量696 mm，相差1.7 倍。項目區(qū)地勢平坦，土層深厚，水源有保證，適宜農(nóng)作物生長。目前，項目區(qū)主要作物為雜糧、玉米等。項目區(qū)涉及泥屯鎮(zhèn)的西溝村，農(nóng)業(yè)人口180 人，勞力72 個，耕地面積834畝，人均純收入4880 元?，F(xiàn)有機(jī)井1 眼，單井出水量50 m3/h，作物均為大水漫灌，農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)水平90%左右。項目區(qū)交通便利，電力、通訊設(shè)施完善。

圖1 泥屯鎮(zhèn)西溝村精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)示范推廣項目示意圖

為了達(dá)到選擇最有代表性和示范性的要求，根據(jù)項目區(qū)已有相當(dāng)?shù)墓?jié)水灌溉經(jīng)驗和當(dāng)?shù)厝罕姺e極較高的實(shí)際，選定泥屯鎮(zhèn)西溝村作為該精確農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)科技推廣的項目區(qū)，示范推廣0.08 萬畝，1眼機(jī)井灌溉范圍。項目水源為深井水，深井配套潛水泵1 臺，功率7.5 kW（無啟動裝置），輸水管材質(zhì)為PE管，管徑Φ50 mm。高位蓄水池凈高度為3.5 m，容量200 m3，設(shè)有1條出水管，管徑為Φ40 mm。管理站一處，管理站距離水源150 m，水源距高位池50 m。泥屯鎮(zhèn)西溝村精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)示范推廣項目主要規(guī)劃遠(yuǎn)程機(jī)井收費(fèi)、農(nóng)田種植環(huán)境測報和集中信息共享平臺展示，通過計算機(jī)、傳感器、無線通訊等技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉的精確化處理，再通過展示中心向農(nóng)戶發(fā)布相關(guān)信息。

2 精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理

精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)工程建設(shè)主要包括采集系統(tǒng)與室內(nèi)分析處理系統(tǒng)軟硬件的集成與開發(fā)。將綜合利用傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，通過研發(fā)相關(guān)硬件，并在試驗區(qū)中布設(shè)和安裝相關(guān)硬件，然后通過軟件集成的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動、智能的信息獲取。信息采集完成后，通過軟件集成相關(guān)專家智慧與模型，實(shí)現(xiàn)信息的加工分析，并進(jìn)行決策與信息服務(wù)，典型供水監(jiān)控系統(tǒng)示意圖見圖2。精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)主要功能包括根據(jù)預(yù)先設(shè)定的蓄水池高低水位限制實(shí)現(xiàn)水泵的自動啟停，電動閥門的自動開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)向蓄水池的自動補(bǔ)水；全部數(shù)據(jù)的傳輸均通過無線傳輸，不需要布設(shè)通信線纜，施工簡便；根據(jù)灌溉實(shí)際需要增設(shè)壓力傳感器、流量傳感器、電量傳感器、遠(yuǎn)傳水表等模塊，更好地檢測灌溉供水工程實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；觸摸顯示屏能實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行狀態(tài)及各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，也可通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)水泵的啟停、閥門的開關(guān)；每天按規(guī)定時間向管理員發(fā)送蓄水池水位數(shù)據(jù)及水泵啟停信息。

圖2 典型供水監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2.2 精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)設(shè)計

陽曲縣泥屯鎮(zhèn)西溝村農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)示范推廣工程精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)包括智能供水感知系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、云支撐平臺、水利一張圖系統(tǒng)、統(tǒng)一運(yùn)行云管理平臺及數(shù)據(jù)交換平臺，其中智能供水感知系統(tǒng)是自動化灌溉系統(tǒng)的核心[1]，故對智能供水感知系統(tǒng)進(jìn)行以下方面設(shè)計。

2.2.1 泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計見圖3，主要由泵站現(xiàn)地控制單元LCU和一些外圍監(jiān)測設(shè)備、執(zhí)行器等組成。LCU是一款用于自動供水、灌溉工程的智能控制設(shè)備，面板配有彩色觸摸液晶屏，具有操作方便、參數(shù)組態(tài)、通用性高等特點(diǎn)。配合上一些外圍設(shè)備，能夠監(jiān)測水位、流量、水質(zhì)、水壓、電壓、電流及電量等數(shù)據(jù)，連接現(xiàn)場水泵啟動柜、電動閥門等控制設(shè)備，可以根據(jù)傳感器測量數(shù)據(jù)來控制它們，也可以由泵站管理人員通過面板進(jìn)行現(xiàn)場手動控制。LCU可實(shí)時現(xiàn)場采集各類數(shù)據(jù)，如水泵電機(jī)的電壓、電流、過載，管道的壓力、流量以及相應(yīng)的電動閥的狀態(tài)等，通過LED觸摸屏顯示，并可通過觸摸屏直接控制水泵啟?；蜷y門的開關(guān)。

圖3 典型供水監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2.2.2 蓄水池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

蓄水池監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖4，主要由蓄水池監(jiān)控終端和外圍設(shè)備組成。外圍設(shè)備包括執(zhí)行器（如電動閥門）和各類型傳感器（如液位變送器、壓力變送器以及流量計或遠(yuǎn)傳水表等等）。蓄水池監(jiān)控終端可實(shí)時采集蓄水池的水位值，配水管道的流量、壓力以及電動閥的狀態(tài)等，并通過無線通訊方式將數(shù)據(jù)上傳至泵站監(jiān)控終端，泵站監(jiān)控終端再通過光纖上傳至監(jiān)控中心，通過監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的分析處理下發(fā)正確的控制指令，蓄水池監(jiān)控終端控制執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)動作，以達(dá)到自動監(jiān)控的目的。

圖4 蓄水池監(jiān)控系統(tǒng)

2.2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括前端監(jiān)控設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和中心設(shè)備。前端監(jiān)控設(shè)備包括高清攝像機(jī)，供電系統(tǒng)以及一些輔助零部件；傳輸網(wǎng)絡(luò)可采用上圖無線網(wǎng)橋方式，也可采用有線網(wǎng)絡(luò)，如光纖、雙絞線等，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境及用戶需求定奪。中心配置交換機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、解碼器、硬盤錄像機(jī)、矩陣鍵盤以及顯示設(shè)備。用戶可以通過監(jiān)控主機(jī)控制現(xiàn)場攝像機(jī)進(jìn)行無死角監(jiān)控，查看水源地、泵站、蓄水池及農(nóng)田灌區(qū)的現(xiàn)場情況，掌握水位信息和外部人員非法進(jìn)入等情況。

2.3 系統(tǒng)功能與性能

供水、灌溉工程自動監(jiān)控系統(tǒng)建成后能夠全自動運(yùn)行，實(shí)時監(jiān)測水源地現(xiàn)場、水源水質(zhì)、水泵電機(jī)的狀態(tài)、供水管網(wǎng)流量壓力以及蓄水池的水位等數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需要控制水泵及電動閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)自動上水，能極大地減輕水利工作者的勞動強(qiáng)度，節(jié)省人力物力財力。

表1 精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)功能

3 精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用及實(shí)施效果

3.1 精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用

2018年，泥屯鎮(zhèn)西溝村精準(zhǔn)自動化農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)示范推廣項目建成運(yùn)行后，管理人員在控制室里便可完成對3G-DTU傳上來的田間水泵、流量計、電磁閥、灌水流量、水位、土壤含水量等數(shù)據(jù)的檢測及近期氣象資料的實(shí)時共享，利用專家會議討論并制定相關(guān)灌溉方案，人工調(diào)用不同的控制模塊，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)水灌溉。對每個田間小區(qū)進(jìn)行灌溉控制、調(diào)度、計量、計費(fèi)，同時還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時記錄、查詢、打印。對于零散的單用戶、單片區(qū)域的灌溉請求，可在控制室手動起動相應(yīng)的泵站進(jìn)行計量、收費(fèi)控制。在這個過程中，可隨時參考現(xiàn)場自動氣象環(huán)境站、泵站管網(wǎng)測控系統(tǒng)發(fā)回的各種數(shù)據(jù)，做到較合理的用水灌溉。

3.2 項目實(shí)施后的效果

項目建設(shè)完成后，系統(tǒng)可根據(jù)項目區(qū)不同土質(zhì)、不同種植作物類型、作物的不同生育階段等要素對作物需水量的要求，分析出最合理的灌溉用水量，找到節(jié)水與增產(chǎn)的最佳灌溉水量，避免盲目灌溉而造成不必要的浪費(fèi)，按需配水，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水。

機(jī)井遠(yuǎn)程計量系統(tǒng)采用先進(jìn)的計量原理，使設(shè)備不必與被測介質(zhì)直接接觸，系統(tǒng)實(shí)時采集水泵的電流、電壓等參數(shù)，根據(jù)水泵的功率因素等可準(zhǔn)確的計量出水泵的出水量，水資源用量的計量精度可達(dá)到2.5 級[2]。

機(jī)井遠(yuǎn)程計量系統(tǒng)采用的是IC卡預(yù)收水電費(fèi)用，刷卡取水，無費(fèi)再充值的管理模式，改進(jìn)農(nóng)業(yè)用水用電收費(fèi)管理方式，很好地解決了水費(fèi)拖欠、征收困難、水霸以及收費(fèi)不合理等農(nóng)村常見的灌溉存在問題，使群眾的農(nóng)田灌溉實(shí)現(xiàn)水量明白、賬目清楚、收費(fèi)合理、管理方便。用水計量收費(fèi)系統(tǒng)的安裝，減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度；全智能系統(tǒng)監(jiān)測，農(nóng)業(yè)節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)省了成本；科學(xué)種植指導(dǎo)，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量、提升了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、價格，農(nóng)民增收。通過項目的實(shí)施，畝均節(jié)水40 m3，年可節(jié)水3.34萬m3。每方水成本按0.3 元計算，則年節(jié)約資金1萬元。畝均增產(chǎn)50 kg，項目區(qū)新增農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值12.51萬元，農(nóng)民純收入總額增加5.63萬元，年人均純收入增加313 元。

4 結(jié)論

本項目精準(zhǔn)自動化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)施為國內(nèi)其他灌區(qū)灌溉自動控制技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗借鑒，自動化灌溉工程系統(tǒng)建成后將會迅速提高工程管理的信息化應(yīng)用程度，有效解決工程運(yùn)行中普遍存在的管理效益低、難度大，管理人員素質(zhì)低和安全隱患多等難題，最終實(shí)現(xiàn)以信息化帶動現(xiàn)代化，提高地區(qū)供水、灌溉的現(xiàn)代化水平。項目區(qū)水資源得到充分利用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，優(yōu)化了農(nóng)作物品質(zhì)，促進(jìn)糧食穩(wěn)定發(fā)展，同時，該項目的實(shí)施，為新農(nóng)村建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉起到了典型示范的作用，有助于普及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉是得民心的系統(tǒng)工程，在建設(shè)社會主義新農(nóng)村和節(jié)水型社會政策的扶持下，具有廣闊的市場前景和推廣意義。