灌區(qū)渠系水資源監(jiān)測系統(tǒng)及灌溉優(yōu)化調(diào)度管理

陳國興 王璐

摘? 要：大型灌區(qū)水文監(jiān)控跨越地域范圍廣，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量多，在汛期或灌溉期要求系統(tǒng)通訊可靠，輪詢響應(yīng)時(shí)間短。文章通過在灌區(qū)干渠、支渠等適當(dāng)位置配置一定數(shù)量的公網(wǎng)4G無線現(xiàn)場測量采集單元，組成了灌區(qū)渠系水資源監(jiān)測系統(tǒng)，并以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)構(gòu)成了灌區(qū)灌溉優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)，對灌區(qū)節(jié)水灌溉方式進(jìn)行了科學(xué)的優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)配，減少了渠道配水過程中的棄水，對提高配水精度和合理利用水資源具有重要生產(chǎn)實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉;監(jiān)測系統(tǒng);優(yōu)化調(diào)度

中圖分類號：TV93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0175-03

Abstract： The hydrological monitoring beyond geographical scope of the large irrigation area is wide， which needs reliable requirement system communications in the flood season or irrigation period and poll for the response time is short. In this paper， a monitoring system of water resources in irrigation area canal system is constituted by allocating a certain number of 4G wireless field measurement and acquisition units in the main canal and branch canal in irrigation area. Based on the data of monitors， the optimal operation management system of irrigation area is constructed. The water-saving irrigation mode is scientifically optimized and the unified allocation of water resources is realized. The abandoned water in the process of water distribution is reduced. It has important practical value for improving the accuracy of water distribution and rational utilization of water resources.

Keywords： water saving irrigation; monitoring system; optimal scheduling

1 概述

大型灌區(qū)灌溉用水優(yōu)化調(diào)度的研究與實(shí)施，必須依靠灌區(qū)底層的水文數(shù)據(jù)。而灌區(qū)范圍大，水文監(jiān)控跨越地域范圍廣，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量多，在汛期或灌溉期要求系統(tǒng)通訊可靠，輪詢響應(yīng)時(shí)間短。但是，由于采集現(xiàn)場具有分布離散、數(shù)據(jù)量小，環(huán)境惡劣，需要無人值守和遠(yuǎn)傳控制，不適合搭建有線通訊網(wǎng)絡(luò)。重要的是，汛期時(shí)有不同級別的報(bào)警發(fā)生時(shí)又需要信息的及時(shí)迅速傳送。因此，無線網(wǎng)絡(luò)成為灌區(qū)水文參數(shù)采集未來發(fā)展所不可缺少的部分。

同時(shí)大型灌區(qū)往往缺少統(tǒng)一的優(yōu)化調(diào)度支持平臺，灌區(qū)水資源的調(diào)配不能按照科學(xué)的方式進(jìn)行合理的調(diào)配，造成了灌區(qū)水資源利用率不高，水資源分配不合理等現(xiàn)象。本文通過建立科學(xué)的灌區(qū)灌溉調(diào)度算法進(jìn)而對水資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，大大提高了水資源的利用效率，節(jié)約了水資源。

2 灌區(qū)渠系水資源監(jiān)測系統(tǒng)組成與功能

系統(tǒng)通過在引河、總干渠、干渠、支渠等適當(dāng)位置配置一定數(shù)量的現(xiàn)場測量單元，這些現(xiàn)場單元通過有線或無線通訊手段與監(jiān)測系統(tǒng)中心進(jìn)行通訊。由此組成整個(gè)灌區(qū)灌溉優(yōu)化調(diào)度管理水文水資源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端單元

現(xiàn)場測量單元由遙測終端機(jī)（RTU）、供電系統(tǒng)、無線電3G/4G通信系統(tǒng)以及水位計(jì)、閘位計(jì)等組成，現(xiàn)場測量單元中通過太陽能電池板以及蓄電池給系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)場測量單元實(shí)現(xiàn)的主要功能有：（1）自動測量該現(xiàn)場實(shí)時(shí)水位變化以及當(dāng)前的閘門開度情況，并通過現(xiàn)場無線電通信單元向系統(tǒng)中心發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);（2）存儲灌區(qū)水情、工情數(shù)據(jù)（包括每天的本地整點(diǎn)上、下游水位，閘門開度等情況）;（3）對有關(guān)設(shè)備電氣參數(shù)、閘門運(yùn)行狀態(tài)工況、設(shè)備事故和故障等信號順序記錄。

2.1.1 分水口的水位、流量采集

灌區(qū)明渠動水流量采集是根據(jù)渠系模型，通過測量水位，間接測算水的流量。最常用和實(shí)效的方法是流速儀面積法，即通過流速儀測定過水?dāng)嗝娓鱾€(gè)水位級上的流量，標(biāo)定出水位與流量關(guān)系，以測量水位查讀流量的方式計(jì)算流量。

灌區(qū)干渠支渠口流量一般較小，渠道水深小，水位測量精度要求高，適合采用超聲波水位計(jì)測取水位，其測量精度高、施工安裝方便、基本不需維護(hù)，輸出可采用Modbus通信或者標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA的電流信號。

2.1.2 雨量、溫度等采集

考慮到小型氣象站可監(jiān)測雨量、溫度、濕度等氣象參數(shù)，將氣象站采集的信息量進(jìn)行處理，并利用無線通信方式直接將信息上傳，實(shí)現(xiàn)雨情信息的實(shí)時(shí)自動監(jiān)測。

2.1.3 土壤墑情采集

土壤墑情即土壤水分含量的情況，是土壤性質(zhì)的最重要參數(shù)之一。土壤墑情的測定，主要通過土壤墑情測定儀進(jìn)行測定，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情。這樣在對那些作物進(jìn)行灌溉的時(shí)候，進(jìn)行酌情的添加或減少灌溉量，這樣既可以節(jié)約用水，同時(shí)滿足了作物需水要求。

從圖1中可以看出，水資源信息由現(xiàn)場不同類型傳感器變換而來，通過現(xiàn)場RTU單元采集，再由該點(diǎn)的4G通信模塊與上位中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與匯總。中心端計(jì)算機(jī)采用點(diǎn)對多點(diǎn)方式與各現(xiàn)場RTU單元進(jìn)行通訊，從而完成灌區(qū)水資源信息的采集。

2.2 電源模塊

由于灌區(qū)分布范圍大，水情監(jiān)測點(diǎn)分散，全部新建電源系統(tǒng)，敷設(shè)輸電線路，建設(shè)投資過大;采用單純的蓄電池供電方式，維護(hù)工作量大。因此考慮采用太陽能電源為設(shè)備提供電力。太陽能供電系統(tǒng)由四部分組成：光伏陣列、控制器、免維護(hù)蓄電池、逆變控制器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要太陽能供電的系統(tǒng)全部為水情監(jiān)測站、閘門監(jiān)測系統(tǒng)。

4G DTU在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的工作電流大約為200mA，空閑時(shí)的工作電流大約為40mA，系統(tǒng)在很少召測的情況下，4G DTU大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)。按電流為100mA，工作電壓為5V計(jì)算其功率為0.5W。CPU模塊的功率約為1.2W，傳感器的功率約為0.5W。所以監(jiān)測終端的總功率約為2.2W，即電池的容量應(yīng)大于4.4Ah?？紤]到持續(xù)多天陰雨天氣的情況及太陽能系統(tǒng)所用蓄電池在放電深度為50%～80%時(shí)，終端系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性最好，最后選擇的蓄電池容量為24Ah。蓄電池需要被安置在野外無人值守的地方，綜合安全、價(jià)格、體積和被盜問題等因素最終選擇了12V，24Ah的密封鉛酸蓄電池。

2.3 監(jiān)測中心

圖2為渠系監(jiān)測中心與現(xiàn)場RTU通信數(shù)據(jù)獲取流程示意圖。監(jiān)測中心可采用Internet公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP或者公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)測系統(tǒng)中心接收基于4G通信模塊遠(yuǎn)程采集的水資源等數(shù)據(jù)信息，處理后按照一定的格式存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測中心實(shí)時(shí)顯示與系統(tǒng)應(yīng)用，同時(shí)可供電話語音查詢或遠(yuǎn)程授權(quán)調(diào)用等，為正確指導(dǎo)灌溉優(yōu)化調(diào)度、節(jié)水灌溉提供科學(xué)的保證。同時(shí)，發(fā)生異常情況可進(jìn)行語音報(bào)警，提醒操作人員采取措施，防止事故發(fā)生。

對于歷史數(shù)據(jù)存儲和報(bào)表功能，系統(tǒng)采用了一般人員均熟悉的SQL Server數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行管理。系統(tǒng)的參數(shù)記錄采用變化記錄與定時(shí)記錄兩種方式，所有現(xiàn)場采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都自動記入數(shù)據(jù)庫，并可自動形成實(shí)時(shí)報(bào)表與歷史報(bào)表以供隨時(shí)查詢，為今后進(jìn)一步灌溉優(yōu)化調(diào)度管理提供依據(jù)。

監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：（1）圖形化顯示各種實(shí)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，顯示全部水位點(diǎn)的運(yùn)行狀況，顯示故障情況等。（2）本地局域網(wǎng)水情數(shù)據(jù)共享，同時(shí)還考慮到將來與上級管理部門及相關(guān)調(diào)度部門進(jìn)行有線或無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，接受上級部門的調(diào)度、控制指令，向上級部門發(fā)送本站實(shí)時(shí)運(yùn)行信息。（3）報(bào)表打印，打印日、月、年報(bào)表等。（4）故障報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)控對象發(fā)生故障時(shí)，本系統(tǒng)能自動報(bào)警。發(fā)生事故時(shí)，本系統(tǒng)能自動停止運(yùn)行并報(bào)警。并根據(jù)故障信息，標(biāo)識出故障類別，使系統(tǒng)具有事故追憶功能。（5）系統(tǒng)自診斷功能、幫助功能。

3 灌區(qū)灌溉優(yōu)化調(diào)度管理

灌區(qū)灌溉優(yōu)化調(diào)度管理流程為“信息采集→分析加工→指導(dǎo)實(shí)踐→信息反饋”。優(yōu)化模型的建立旨在解決干渠各出水口按“定流量、變歷時(shí)”運(yùn)行時(shí)流量調(diào)度。在總干渠最大流量確定情況下，向下一級渠道配水時(shí)，下級渠道按“定流量、變歷時(shí)”方式從干渠引取規(guī)定水量，優(yōu)化配水的結(jié)果是干渠在最短的輸水時(shí)間下的最優(yōu)輪灌組合。當(dāng)干渠流量能夠滿足下一級渠道同時(shí)灌溉時(shí)的流量需求時(shí)，下一級渠道實(shí)行續(xù)灌。若其流量僅可以滿足下一級渠道M（M

灌區(qū)灌溉優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）灌區(qū)基本信息：用數(shù)據(jù)庫存儲灌區(qū)情況，包括自然概況、土地利用情況、水資源現(xiàn)狀、作物組成情況、骨干工程等情況。（2）用水計(jì)劃：包括用水申請、自動配水、配水計(jì)劃查看、下達(dá)計(jì)劃等，可根據(jù)渠系結(jié)構(gòu)和渠道的過流能力、泵站的提水能力，在短時(shí)間內(nèi)完成渠系配水過程，輸出包括渠道名稱、起止時(shí)間、相應(yīng)流量及配水記錄。（3）用水統(tǒng)計(jì)：主要對某次灌溉用水的實(shí)際運(yùn)行過程和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為及時(shí)調(diào)整用水計(jì)劃提供依據(jù)，且便于灌水結(jié)束后進(jìn)行用水總結(jié)。在錄入有關(guān)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可自動進(jìn)行用水統(tǒng)計(jì)匯總、支渠口水量統(tǒng)計(jì)、灌區(qū)日利用率考核、自動生成灌溉周報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等統(tǒng)計(jì)報(bào)表。（4）水費(fèi)管理：包括應(yīng)收水費(fèi)管理和水費(fèi)征收兩部分。（5）灌溉進(jìn)度：可以用曲線圖、柱狀圖和餅狀圖展示單個(gè)灌區(qū)或整個(gè)灌區(qū)灌溉面積進(jìn)度圖、灌溉水量進(jìn)度圖。（6）數(shù)據(jù)查詢：包括灌區(qū)渠道基本情況，自動生成的各種報(bào)表、圖表等。

4 結(jié)論

水資源數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)是一個(gè)龐大的復(fù)雜的系統(tǒng)。在灌區(qū)渠系水資源監(jiān)測系統(tǒng)及灌溉優(yōu)化調(diào)度管理設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，我們考慮到了各個(gè)子系統(tǒng)的相互獨(dú)立性，同時(shí)又把它們有機(jī)的聯(lián)系了起來，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)資源共享。我國灌區(qū)數(shù)量眾多，不同地區(qū)情況不同，合理的調(diào)水、配水優(yōu)化管理方法對于保持渠道水流的相對穩(wěn)定、減少渠道配水過程中的棄水，提高配水精度和灌水質(zhì)量具有重要生產(chǎn)實(shí)用價(jià)值。而信息獲取技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)為灌區(qū)科學(xué)管理提供了有效的保證。

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