水利灌溉工程中自動化控制系統(tǒng)設計

周成文

（寧夏中衛(wèi)市水利勘測設計院（有限公司）,寧夏 中衛(wèi) 755000）

在人類生存和國家發(fā)展過程中,水資源有著舉足輕重的作用,當前世界部分國家水資源稀缺,制約著國家社會的戰(zhàn)略發(fā)展問題。而我國是人口和農業(yè)大國,水資源嚴重匱乏,水資源人均占有率僅為世界水平的1/4,據(jù)2020 年統(tǒng)計,我國農業(yè)用水量占全國總用水量的60%以上；此外,我國水資源存在分布不均的特點,不僅地域存在差異,而且與人口、土地不匹配。隨著節(jié)約用水意識以及灌溉水平提高,我國農業(yè)用水量也出現(xiàn)逐年下降趨勢。從2015年~2020 年期間,農業(yè)用水從3800 億m3下降到3675 億m3,但是下降幅度相對偏小,因此實施節(jié)水灌溉工程具有重要意義。為貫徹落實中央、自治區(qū)“節(jié)水型社會建設”“四權改革”“水權交易”等政策要求,有效解決海原縣水資源匱乏的困局,海原縣委已啟動規(guī)劃全縣高效節(jié)水灌溉規(guī)劃工作,2021 年首先以揚黃灌區(qū)作為試點。海原縣水務局、農業(yè)農村局為貫徹落實全縣高效節(jié)水灌溉規(guī)劃要求,經實地調查、分析比選,選定了海原縣三河鎮(zhèn)、七營鎮(zhèn)、李旺鎮(zhèn)、高崖鄉(xiāng)4.4 萬畝農田發(fā)展高效節(jié)水灌溉示范項目。

1 項目概況

海原縣高效節(jié)水灌溉項目共分為七營鎮(zhèn)、三河鎮(zhèn)、李旺鎮(zhèn)、高崖鄉(xiāng)4 個片區(qū),對4 個片區(qū)進行自動化信息化建設,其中七營鎮(zhèn)與三河鎮(zhèn)為海原縣農業(yè)農村局管理,李旺鎮(zhèn)和高崖鄉(xiāng)為海原縣水務局管理。本項目區(qū)未進行過任何自動化信息化建設,自動化信息化均為新建,建設內容包括：灌溉首部的自動化監(jiān)控系統(tǒng)、蓄水池的自動化監(jiān)控系統(tǒng)、田間灌溉的自動化監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)、控制中心及信息化軟件平臺的建設。

本次計劃在海原縣農業(yè)農村局建設總控中心一座,在各片區(qū)蓄水池首部建設分控中心一座,各片區(qū)自動化信息化數(shù)據(jù)（管道壓力數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、水泵啟閉狀態(tài)及閥門開關狀態(tài)等）通過光纖、485 及4 G上傳至各分控中心,分控中心統(tǒng)一將數(shù)據(jù)上傳至總控中心,進行統(tǒng)籌管理調度。信息化軟件平臺統(tǒng)一部署在農業(yè)農村局總控中心,可以實時查看各片區(qū)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)共享至政務云平臺,海原縣農業(yè)農村局與水務局數(shù)據(jù)共享。對各個分控中心進行權限分配,各分控中心設置獨立賬號登錄,能夠做到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨立管轄、縣級統(tǒng)一調配管理。

2 項目總體設計

海原縣高崖鄉(xiāng)高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)智能化示范工程是海原縣高效節(jié)灌搭上互聯(lián)網列車的先行試點,也是整個寧夏“智慧節(jié)灌”的組成部分。項目建設高崖鄉(xiāng)高效節(jié)灌自動化測控系統(tǒng),并在此基礎上建設高效節(jié)水灌溉專題數(shù)據(jù)庫以及包含基礎信息、自動控制滴灌系統(tǒng)以及灌溉管理等應用系統(tǒng),通過智能門戶、“一張圖”及“一人一頁”提高海原縣高崖鄉(xiāng)高效節(jié)水灌溉工程管理效率與服務水平。項目的總體架構可分為基礎設施層、數(shù)據(jù)層、平臺層、業(yè)務應用層、公共服務層、用戶層以及標準規(guī)范和保障體系,見圖1。其中,基礎設施層,集成已有監(jiān)控設施,實現(xiàn)網絡末端覆蓋；數(shù)據(jù)層,全部融入云平臺服務器；平臺層,建設海原縣高效節(jié)灌業(yè)務應用平臺；業(yè)務應用層,全面覆蓋管理過程,提升工作效率；展示層,海原縣高崖鄉(xiāng)高效節(jié)灌信息化系統(tǒng)總入口；標準規(guī)范與保障體系,保證信息化安全、穩(wěn)定、高效運行。

圖1 總體框架設計

3 主要建設施工方案

3.1 田間自動化通信方案

選擇采用無線LoRa傳輸?shù)拈y門控制器,與智能網關采用LoRaWAN通訊,智能網關實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的匯聚并通過4 G實現(xiàn)與政務云服務器進行數(shù)據(jù)交換。本項目共389 臺閥門控制器,建設智能網關20 臺。投資費用具體如下。建設費用：根據(jù)計算,本項目單個智能網關每月消耗流量為14.17 Mb,根據(jù)選擇運營商提供流量數(shù)據(jù)包,最小為1 G/月,通訊費用為120 元/a。本項目田間智能網關流量費用為2400 元/a。網絡維護及維護費用：由運營商提供網絡維護服務,無需額外網絡維護費用[1]。

3.2 灌溉首部自動化監(jiān)控系統(tǒng)

高崖鄉(xiāng)高效節(jié)灌示范區(qū)涵蓋兩個片區(qū),分別為高崖片區(qū)0.78 萬畝,草場片區(qū)0.33 萬畝。其中：高崖片區(qū)共計5 個灌溉系統(tǒng),由21.5 萬m3蓄水池進行調蓄供水；草場片區(qū)共計2個灌溉系統(tǒng),由8萬m3蓄水池進行調蓄供水。本次工程設計在2 座蓄水池均新建1 座首部樞紐,首部控制系統(tǒng)由PLC控制柜、壓力變送器、電動蝶閥、電磁流量計等設備組成,傳輸方式采用租用運營商專線。系統(tǒng)結構見圖2。

在新建控制中心機房安裝LCU柜,主要由PLC控制器、觸摸屏、交換機等組成。低壓進線柜綜合保護裝置、低壓啟動柜綜合保護裝置、電磁流量計等設備采用通訊方式接入PLC。低壓啟動柜、電動控制柜、壓力變送器、投入式液位計等設備通過信號線接入PLC的I/O模塊。壓力變送器安裝在機組出水管,實時監(jiān)測首部出水管道壓力數(shù)據(jù)；投入式液位計安裝在蓄水池里,可實時反映蓄水池水位,并通過水位-庫容關系,實時監(jiān)測蓄水池蓄水量；監(jiān)控攝像機布設位置包括首部控制室及蓄水池,其中室內1 臺、室外2 臺、蓄水池安裝2 臺。通過PLC控制柜實現(xiàn)對泵站電動機、變壓器、電磁流量計、壓力變送器的數(shù)據(jù)的采集和控制,實現(xiàn)站級控制,具體配置清單見表1。

表1 高崖鄉(xiāng)首部自動化設備配置

3.3 控制中心

本項目通訊架構遵照經濟實用、技術先進、擴展方便、統(tǒng)一規(guī)劃、分期實施的原則建設。對于網絡傳輸鏈路的建設,考慮到灌區(qū)工程通信業(yè)務寬帶化發(fā)展方向和地形條件等多方面因素,以及業(yè)務對帶寬的需求因素的要求,本工程通信網絡采用租賃運營商專線的通訊方式。在首部設立系統(tǒng)控制中心,配置路由器、防火墻、交換機、服務器、工作站、電視、打印機、UPS及網絡攝像機等設備。系統(tǒng)結構見圖3 。本次高崖鄉(xiāng)首部控制中心建設工作站2 臺、監(jiān)控顯示屏1 套、網絡機柜1臺、操作臺1套、打印機1臺、空調1 臺、防火墻1臺、路由器1臺、ups1臺、網絡球形攝像機3 臺、網絡硬盤錄像機1臺等[2]。軟件系統(tǒng)部署在總控中心,可通過設置分級權限,實現(xiàn)對高崖鄉(xiāng)、七營鎮(zhèn)的綜合調度工作（見圖3）。

圖3 高崖鄉(xiāng)控制中心系統(tǒng)結構圖

3.4 專家決策系統(tǒng)

針對需水預測,系統(tǒng)根據(jù)預測時段內的氣象預報數(shù)據(jù)（蒸發(fā)能力ET0）以及作物系數(shù)（Kc）,結合實測的墑情數(shù)據(jù)（土壤水分貯存情況）、預測時段內的氣象預報數(shù)據(jù)（降水）,以及作物生長（根系深度）、土壤參數(shù)（降水利用參數(shù)和供水參數(shù)）,根據(jù)水平衡可求出時段內灌溉需水量,結合專業(yè)的專家決策機制,系統(tǒng)會給出相應的需水預報情況供灌溉支撐。

灌溉需水預測。水量平衡法的基本原理是根據(jù)計算區(qū)域內水量的收人和支出的差額來推算植物蒸發(fā)蒸騰量,屬于一種間接的測定方法。如公式（1）：

式中：Pe為有效降雨量；I為灌溉水量；W為地下水補給量；ET為植物蒸發(fā)蒸騰量；D為深層滲漏量；W為階段內土壤含水量的變化；P為實際降雨量；R為地表徑流損失量；為降雨入滲系數(shù),其值與一次降雨量、降雨強度、降雨歷時、土壤性質、地面覆蓋及地形等因素有關。

以彭曼公式為基礎,建立日、月水面蒸發(fā)量預測模型。如公式（2）：

其中：P0為海平面平均氣壓,hPa；P為計算點平均氣壓,hPa；為飽和水汽壓—溫度曲線上的斜率,mbar/℃；γ為濕度計常數(shù),約為0.66；ea為空氣中實際大氣壓,mbar；es為飽和水汽壓,mbar；u2為2 m處的風速,若用氣象站常規(guī)的觀測高度的風速則需乘以0.75的風速修正系數(shù),m/s；C為與最高氣溫和最低氣溫有關的風速修正系數(shù)。

3.5 信息化系統(tǒng)建設

（1）系統(tǒng)監(jiān)控。直觀地展示系統(tǒng)工程的工程名稱、灌溉模式、種植作物、灌溉次數(shù)、出地樁個數(shù)、灌溉定額、累計用水情況。查看系統(tǒng)針對不同作物不同生育階段制定的輪灌制度,查看灌水定額,作為制定灌溉計劃的參考。

（2）首部監(jiān)控。直觀地展示首部工程的工程名稱、歸屬地、坐標、機組數(shù)量、機組狀態(tài)、供水范圍、供水能力、運行時間、累計供水和運維人員等基本情況,并且便于系統(tǒng)運維人員管理。查看首部詳細的調度計劃,明細包括首部信息、調度用戶、開始時間、結束時間、水位變化、壓力變化、起始抄表流量、結束抄表流量、首部狀態(tài)、異常信息,以備管理員后期檢查[3]。

（3）電磁閥監(jiān)控。以項目區(qū)實際分布為準,在一張圖上匯出電磁閥分布情況,以便于直觀的展示和操控。系統(tǒng)提供直接在一張圖遠程控制的功能,通過查看不同位置電磁閥的運行狀態(tài)（是否在開啟）,可進行批量的操作即下發(fā)指令。

（4）熱力圖監(jiān)控。系統(tǒng)除基礎的圖層外,設計以熱力圖的形式直觀地將不同區(qū)域的程度描繪出來,包括墑情、水量和壓力三個方面。

（5）墑情監(jiān)測點。土壤墑情監(jiān)測點能夠實現(xiàn)對土壤墑情的長時間連續(xù)監(jiān)測,可及時、準確地提供各監(jiān)測點的土壤土壤溫度和土壤含水量狀況,為減災抗旱提供了重要的基礎信息。

（6）氣象監(jiān)測點。監(jiān)測包括：雨量、空氣溫度、空氣濕度、風速、風向、光照、大氣壓強、太陽輻射等要素,自動記錄農田環(huán)境信息。

（7）土壤監(jiān)測點。系統(tǒng)對土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)整理后進行圖表數(shù)據(jù)展示。

（8）視頻監(jiān)測點。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)供水工程生產設備的全天候監(jiān)視及泵站的闖入報警,用于監(jiān)控管理輸水設施及自動化監(jiān)控設備的保護預警等。

4 結語

水利灌溉過程中自動化控制技術具有極其重要的地位,合理利用自動化控制系統(tǒng),才能對農業(yè)發(fā)展起到良好的促進作用,能夠減少水資源浪費,緩解我國用水緊張的現(xiàn)狀。本文以海原縣揚黃灌區(qū)高效節(jié)灌工程為例,在實施灌溉自動化控制系統(tǒng)后,發(fā)展高效節(jié)水建設規(guī)模1.11萬畝,項目區(qū)灌溉水利用系數(shù)提高至0.9以上,可節(jié)約0.21萬m3；項目區(qū)灌溉保證率提高至85%；在已建的蓄水池前提下新建首部工程、布置田間管網,并配套灌區(qū)灌溉自動化、信息化系統(tǒng)設備,實現(xiàn)了高效節(jié)水灌溉工程智能化、自動化,以信息化技術為載體,構建了灌區(qū)內水務管理一張圖。