水利灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及管理方案研究

林 智

（內(nèi)江高新區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局水利股，四川 內(nèi)江 641000）

0 引言

鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程的規(guī)劃與管理都需要大量的資金投入，由于受我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)條件、農(nóng)業(yè)發(fā)展程度等因素的制約，許多地方仍然存在著鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利項(xiàng)目建設(shè)投資不足的問題，很難對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉項(xiàng)目進(jìn)行全面、系統(tǒng)地分析，也不能反映出水利建設(shè)項(xiàng)目的節(jié)水和安全運(yùn)行目標(biāo)，造成鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程的日常管理缺少必要的物資保證，造成鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程跑、冒、滴、漏等問題，嚴(yán)重影響了鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程的正常運(yùn)行，難以達(dá)到節(jié)水工作的目的，嚴(yán)重地危及了鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程的正常運(yùn)營(yíng)。當(dāng)前，我國的灌溉用水存在著大量的浪費(fèi)現(xiàn)象。以傳統(tǒng)的管理方法和手段是無法達(dá)到這一目標(biāo)的，但要提高水的利用率，必須提高每立方米的水生產(chǎn)糧食產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化、排灌自動(dòng)化的目的。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉區(qū)域自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的建成，將極大地改變鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水的管理與使用。鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉應(yīng)從傳統(tǒng)的粗放管理轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化的集約經(jīng)營(yíng)模式。因此，水利工程的現(xiàn)代化、機(jī)械化將是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

1 水利灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用自動(dòng)控制技術(shù)，提高了干渠和支渠的反應(yīng)速度，并對(duì)渠內(nèi)的流量進(jìn)行了精確的調(diào)整；該系統(tǒng)能有效、快捷地完成配水工作，克服了人為操作帶來的誤差，改善了灌溉系統(tǒng)的用水精度，提高了灌溉用水的利用率。

1.1 自動(dòng)給水栓

自動(dòng)水位控制系統(tǒng)主要由水源、供水管網(wǎng)、消防栓、水位檢測(cè)等幾個(gè)部分構(gòu)成，在這種情況下，水必須要有一定的壓力，以使消防栓能夠在這種壓力下打開，該水渠可以是一條高聳的渠道，也可以是一條抽水管道，保證每一塊稻田都要分開平整，并把壟溝分開，使之互不串水。水渠排水面積大小根據(jù)地勢(shì)大小而定，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)找平要求是±25 mm，因此，控制該精度的最重要環(huán)節(jié)是對(duì)水位進(jìn)行自動(dòng)控制的自動(dòng)給水栓。

嚴(yán)格控制水位，也就是要根據(jù)農(nóng)作物的需水量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以維持水面的平衡。經(jīng)過多個(gè)方案的比較，自動(dòng)給水栓與浮動(dòng)球體組合，采用浮動(dòng)球隨著水面的上升來控制自動(dòng)給水栓的小型出口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)給水栓的自動(dòng)控制。自動(dòng)給水栓由四個(gè)部件構(gòu)成：閥體、膠膜、上蓋和浮動(dòng)，它的主要特征是把膠片直接粘到閥嘴上，利用薄膜內(nèi)、外壓力的差值，實(shí)現(xiàn)出水口的開閉。自動(dòng)給水栓有水源靠壓力推開橡皮膜，大部分水流經(jīng)過出水口流入田地中，小部分水流流入連接連通孔的皮腔中。隨著水的流入，浮子也會(huì)隨之升高當(dāng)?shù)竭_(dá)某一高度時(shí)用橡膠塞堵住小出水口。由于連接孔的作用上下空腔的壓力相等，少量水流經(jīng)皮腔連接孔皮腔開始膨脹減小止水條的流動(dòng)部分直到關(guān)閉為止。當(dāng)田地水位下降時(shí)，下浮橡膠塞提皮腔中的水從一個(gè)小孔迅速排出皮腔內(nèi)部，壓力減小，橡皮膜又一次被推開，供水量受到橡皮膜關(guān)閉小出水口的限制，節(jié)約用水。

1.2 PLC控制器

作為一種主流的PLC控制結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性好，可靠性高，邏輯順序控制性能好，在自動(dòng)控制方面有著無可取代的優(yōu)越性。鑒于灌溉作業(yè)環(huán)境的多樣化，PLC控制器具有以下特性：可靠性高，抗干擾性能好，適用于野外作業(yè)；編程語言有三種：梯形圖、語句表、函數(shù)模塊，具有指令豐富、功能強(qiáng)大、易于掌握、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；內(nèi)置以太網(wǎng)口，設(shè)置 IP地址，可直接連接 WLAN；模塊化的設(shè)計(jì)思想使得控制系統(tǒng)具有較大的靈活性；擁有大量的數(shù)字輸入、輸出、模擬輸入、輸出等功能。通過使用PLC控制器能夠精準(zhǔn)控制水流量，實(shí)現(xiàn)水利灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的水量控制。

1.3 水位計(jì)

超聲波水位計(jì)是利用超聲波在液相介質(zhì)中傳播的回波測(cè)距原理來探測(cè)液面，也就是控制安裝在河床或堤壩上的超聲波傳感器，使其垂直地向表面發(fā)出超聲波，并將其反射回波經(jīng)過表面，并通過測(cè)量其來回的時(shí)間，來測(cè)定傳感器端口與表面之間的垂直距離。超聲波水位計(jì)分為氣介式和液介式兩種，它還能像其他的檢測(cè)設(shè)備那樣，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。該裝置能與上位機(jī)、控制電腦網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成液面監(jiān)控，便于生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)度和考核。

通過現(xiàn)場(chǎng)考察和綜合考量，將傳感器置于測(cè)井的頂部或管線之上。隨著水位的改變，浮子的升降，測(cè)量繩將使線軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過與卷筒同軸連接的編碼器，向智能測(cè)控儀輸出與液面相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示。

2 水利灌溉自動(dòng)控制技術(shù)研究

水利灌溉自動(dòng)控制技術(shù)主要負(fù)責(zé)建立和完善各類水資源管理機(jī)構(gòu)，制訂項(xiàng)目管理、運(yùn)行管理制度，實(shí)現(xiàn)水資源的統(tǒng)籌利用和水資源優(yōu)化配置。水利灌溉自動(dòng)控制技術(shù)主要包括兩大技術(shù)，分別是混凝土防滲技術(shù)、噴灌技術(shù)。

2.1 混凝土防滲技術(shù)

渠道是我國田地灌溉中的主要輸水方式，常規(guī)的土渠其滲漏損失約為50%~60%。因此，在我國，渠道防滲已成為節(jié)水灌溉的重要技術(shù)手段。采用混凝土防滲技術(shù)，可以降低渠道的滲漏損失，增加渠道的水資源利用率，改善渠道的安全保障，并能有效地改善渠道的沖刷性能，增加輸水能力。

防滲混凝土原材料要求如表1所示。

表1 防滲混凝土原材料要求

詳細(xì)防滲技術(shù)工藝如下：

在進(jìn)行混凝土澆筑工作時(shí)，必須確保攪拌機(jī)卸料至下層砼之間的間隔不超出設(shè)計(jì)要求。中間的時(shí)間間隔應(yīng)按照下列條件進(jìn)行：在25℃以下的時(shí)間內(nèi)，不要超過3h；在25℃以上的時(shí)間內(nèi)，不能超過2.5h，大面積的基底或頂部應(yīng)該進(jìn)行連續(xù)的澆灌。

振搗密實(shí)是保證混凝土的抗?jié)B性的關(guān)鍵，根據(jù)技術(shù)規(guī)范，機(jī)械振動(dòng)可以達(dá)到這一要求，但預(yù)留孔、預(yù)埋管、預(yù)埋件、止水帶等結(jié)構(gòu)的形狀不正且不利于振動(dòng)。一方面，混凝土中的氣體在振搗時(shí)不易全部釋放；另一方面，通過這種方式不能將空氣完全排出，因此，對(duì)于這些位置以機(jī)械振搗為基礎(chǔ)，輔以人工插搗，有利于排氣和振搗密實(shí)。

濕法養(yǎng)護(hù)可使水泥充分水化，減少孔隙度，并能切斷毛細(xì)孔的連續(xù)性。因此，混凝土澆筑后，要按施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度狀況及時(shí)進(jìn)行覆蓋、噴灑，14d后，混凝土的抗?jié)B性將得到很大的改善。

2.2 噴灌技術(shù)

噴灌就是所謂的噴灑灌溉，就是用特殊的裝置來澆灌，或者是利用水流的落差，將水流輸送到灌區(qū)，再由噴嘴噴出空氣，形成小水珠，然后均勻地撒在地面上。在水利灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用軟管微噴灌裝置，該裝置由動(dòng)力控制、水源工程、低壓輸送管道、微噴帶四大部分構(gòu)成：（1）功率控制-包含馬達(dá)（柴油機(jī)），水泵，過濾器等。（2）水源工程是為獲得水源而進(jìn)行的基礎(chǔ)建設(shè)，如水庫、過濾器的建設(shè)、水井的挖掘等。噴灌必須采用干凈、消毒的河流或井水，并確保水質(zhì)，pH值為中性、雜質(zhì)含量低、含鹽量小、不會(huì)阻塞管路。（3）低壓管線主要包括低壓主管，分支管，控制開關(guān)等，主要是6英寸、4英寸的管線，管道的安裝從大到小。（4）微噴軟管是一種由三孔、五孔的黑色軟管構(gòu)成的。

采用軟管微噴技術(shù)進(jìn)行灌溉，其優(yōu)點(diǎn)如下：

在作物根部表面覆蓋塑料膜的情況下，采用軟管微噴灌溉技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。每一次灌溉都要在根系土壤中均勻地進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生大量的積水和擾動(dòng)，這樣既可以減少水資源的浪費(fèi)，又可以降低水分的蒸發(fā)。與大水漫灌相比，整個(gè)生育期的灌溉水量節(jié)約了150m，節(jié)約了50%的水資源。

采用微型噴灌技術(shù)，可使土壤中的水分滲入較慢，不會(huì)造成養(yǎng)分的損失，從而使作物更好地吸收養(yǎng)分和水分，從而提高了肥料的利用率。

土壤的透氣性和透氣性均優(yōu)于畦灌，且不會(huì)對(duì)土壤造成破壞，可避免板結(jié)，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有好處。

與畦灌相比，可以使土壤溫度增加3~6℃，溫度增加1~3℃，使溫室內(nèi)相對(duì)濕度降低23%，減少病害的發(fā)生。

小型軟管噴灌裝置，一畝地投入100多元，可以連續(xù)三年使用。折年投資50元，投入很低。用軟管微噴，合上電閘即可使用水肥（肥料），通過軟管進(jìn)行微噴，通過電動(dòng)閥門的關(guān)閉，可以進(jìn)行灌溉、施肥，不需要人工的溝渠、溝渠等進(jìn)行地下溝灌，可節(jié)約土壤6%，在一個(gè)生育期可以節(jié)省5個(gè)工作日。

田地間通過采用軟管微噴技術(shù)，可節(jié)省肥料和人工費(fèi)用，提高了產(chǎn)量，改善了質(zhì)量。

3 水利灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)用水管理方案

在水利灌溉工程的設(shè)計(jì)上，擴(kuò)大基礎(chǔ)農(nóng)作物和基礎(chǔ)村莊的覆蓋面，擴(kuò)大噴灌、微灌、滴灌等現(xiàn)代技術(shù)、工程和設(shè)備的應(yīng)用，以保證農(nóng)業(yè)灌溉效益和節(jié)水灌溉效益。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程中，要將節(jié)約用水的觀念融入鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和日常管理中，以促進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

3.1 灌溉用水水位管理要點(diǎn)

灌溉用水水位控制精度受制于：

（1）在不同的水源壓力下，同一自動(dòng)給水栓的壓力控制精度是不相同的。當(dāng)水源壓力較大時(shí)，浮筒的浮力要大，這樣才能關(guān)閉小出水口。因此，浮筒的淹沒深度也一定要大，水位波動(dòng)很大。

（2）連通孔與較小出水口的孔徑比是在受控面高度發(fā)生改變時(shí)，水位稍降，也就是浮標(biāo)稍稍下降。開啟小型出水口，以增加控制精度，適時(shí)補(bǔ)充水分，所以，較小出水口的直徑要比連通孔大，這樣可以使空腔中的水快速排出，同時(shí)也能快速地減小壓力，實(shí)際可取大于2倍以上。

（3）杠桿支點(diǎn)兩側(cè)尺寸對(duì)比支點(diǎn)左移，減小浮子浮力，縮小浮子容積，但是浮子的上下移動(dòng)也會(huì)增加，從而使控制精度下降，因此必須綜合考慮。

（4）浮子的形狀和容積都是一樣的，因?yàn)樾螤畹牟煌?，在水深的情況下，也會(huì)有不同的浮力。

3.2 灌溉用水時(shí)間管理要點(diǎn)

為了使水“儲(chǔ)存”和“流動(dòng)”完全分開，從而達(dá)到節(jié)能要求，減少能耗、減少配水、增加水溫，既可滿足灌溉用水需求，又可縮短灌溉周期。在節(jié)水灌溉中，灌溉周期與供水和水資源利用效率呈反比關(guān)系，因此，加大供水或提高輸水效率可以有效地降低灌溉用水。由于毛細(xì)管直徑較小，給水管道水頭、局部水頭的流量損耗較大。針對(duì)該問題，針對(duì)區(qū)域特征及灌溉運(yùn)行機(jī)理，采用大管徑、大流量的灌溉措施，可有效縮短灌溉周期。

4 結(jié)語

每一種節(jié)水灌溉技術(shù)都有自己的特色和應(yīng)用領(lǐng)域，要科學(xué)、合理地選擇和使用。因此，鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利灌溉自動(dòng)化控制是一項(xiàng)涉及多學(xué)科、多學(xué)科的綜合系統(tǒng)，其本質(zhì)是解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水、農(nóng)作物用水問題。本系統(tǒng)著重于鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的節(jié)水灌溉，以最大限度地利用水資源，提高用水利用率，達(dá)到高產(chǎn)、高效的目的，進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)的研究與完善，提高節(jié)水管理效率，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。