全渠道控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用分析*

馮海軍 ，劉 斌

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

農(nóng)業(yè)灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中主要是為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供充足的水資源，但在長期灌溉作業(yè)過程中，傳統(tǒng)的渠道灌溉方式普遍存在較為嚴(yán)重的水資源浪費現(xiàn)象，耗水量大、水資源浪費問題相對嚴(yán)重。因此，在我國水資源逐漸緊缺的背景下，相關(guān)專家提出利用自動化技術(shù)設(shè)計應(yīng)用渠道控制系統(tǒng)以及節(jié)水灌溉系統(tǒng)，以保證節(jié)水灌溉有效實施，減少水資源的浪費。

1 自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計研究現(xiàn)狀

灌區(qū)節(jié)水是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點目標(biāo)，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展一直都在研究探討新型節(jié)水灌溉技術(shù)，并且已經(jīng)研究了新型的灌區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)。2013 年，國家開始研究新型節(jié)水技術(shù)，并開展了“水聯(lián)網(wǎng)多水源實時調(diào)度與過程控制技術(shù)”課題，該課題主要研究自動灌溉以及自動節(jié)水系統(tǒng)，實現(xiàn)自動節(jié)水，減少水資源浪費。潞碧墾水利科技公司生產(chǎn)的渠系一體化測控閘門組成的全渠道控制系統(tǒng)（TCC）和水利部南京水利水文自動化研究所研發(fā)的田間自動灌溉系統(tǒng)也是近期研發(fā)應(yīng)用的新型系統(tǒng)，該系統(tǒng)的節(jié)水效果已經(jīng)得到了良好驗證。在該系統(tǒng)應(yīng)用研發(fā)后，有專家學(xué)者在500 畝耕地上直接進(jìn)行了試驗。該系統(tǒng)應(yīng)用過程中，全渠道灌溉系統(tǒng)能夠完成漫灌、滴灌以及管灌三種方式的自動化節(jié)水管理，實現(xiàn)了自動化節(jié)水，對我國農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)[1]。

通過上述灌區(qū)高效節(jié)水技術(shù)的綜合分析發(fā)現(xiàn)，我國的自動化節(jié)水灌溉技術(shù)初具成效。但是，針對我國農(nóng)業(yè)灌區(qū)面積大、灌區(qū)作物需水量不同的特點，目前已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)仍存在諸多不足。因此，設(shè)計符合新時期農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對于農(nóng)業(yè)節(jié)水應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 全渠道控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的設(shè)計

本文通過文獻(xiàn)調(diào)查和實踐研究，設(shè)計了一種新型全渠道控制系統(tǒng)的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，以下是對該系統(tǒng)設(shè)計的具體分析。

2.1 全渠道控制系統(tǒng)

全渠道控制系統(tǒng)是整個節(jié)水系統(tǒng)的核心，主要完成渠道灌溉管控。該渠道灌溉控制系統(tǒng)在設(shè)計時，應(yīng)用了自動化技術(shù)、傳感技術(shù)，以下是對渠道控制系統(tǒng)模塊的設(shè)計分析。

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要包括渠道控制一體閘、渠道控制系統(tǒng)通信模塊、渠道控制系統(tǒng)軟件以及流量計量模塊。渠道控制一體閘模塊是整個渠道系統(tǒng)的核心，該模塊應(yīng)用水力學(xué)模塊完成工作，該模塊主要由太陽能板、控制器、水位傳感器、水流以及開度傳感器組成，通過信息采集和回收，完成閘門控制。渠道控制系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)為光纜通信系統(tǒng)和SCADA 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)直接連接系統(tǒng)，是信息數(shù)據(jù)傳輸、控制指令發(fā)送的主要渠道。傳感技術(shù)模塊是系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)采集模塊，是系統(tǒng)應(yīng)用的最前端，在本系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，主要設(shè)計應(yīng)用水位傳感器、開度傳感器。其中，水位傳感器采用超聲波原理監(jiān)測水面高度，而開度傳感器依靠數(shù)字式編碼器和弧形閘門邊緣上的參考點監(jiān)測計算閘門開啟狀況。水位傳感器具體參數(shù)如表1所示，開度傳感器具體參數(shù)如表2所示。

表1 水位傳感器具體參數(shù)（NH44SW 水位傳感器）

表2 開度傳感器具體參數(shù)

2）系統(tǒng)功能設(shè)計。本次全渠道系統(tǒng)設(shè)計時，還包括對全渠道控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行設(shè)計，以下是本次系統(tǒng)設(shè)計中的全渠道系統(tǒng)功能設(shè)計分析。

①系統(tǒng)具有高精度流量控制功能。高精度流量計量控制（±2.5%）保證了流域和灌區(qū)用水總量控制，同時實現(xiàn)了高精度的水費計量。

②系統(tǒng)具有水閘控制功能。能夠通過軟件控制渠道水閘，水閘啟動以及閉合都可以完成自動化控制。

③系統(tǒng)具有流量測量功能，能夠?qū)崟r測量渠道過水量，精準(zhǔn)計算總體灌溉水量。

3）系統(tǒng)控制模式設(shè)計。本次全渠道灌溉系統(tǒng)與自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)融合設(shè)計時，還針對渠道控制系統(tǒng)模式進(jìn)行綜合設(shè)計。整個控制系統(tǒng)由37 孔調(diào)控節(jié)制閘及10 孔進(jìn)水閘組成，示范區(qū)進(jìn)水閘在下游水位控制模式下運行，其他9 孔進(jìn)水閘設(shè)定為流量控制模式，4孔調(diào)控節(jié)制閘在上游水位控制模式下運行。

2.2 田間灌溉系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計的自動化灌溉節(jié)水系統(tǒng)還包括田間灌溉系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括控制中心、通信網(wǎng)絡(luò)、電磁閥控制裝置、輸配水管道以及首泵站。

1）控制中心主要是完成田間灌溉的綜合管理。整個控制中心由控制軟件完成工作，控制軟件設(shè)計由GSM 短信服務(wù)器、氣象站數(shù)據(jù)接收裝置、光纖轉(zhuǎn)換器等組成。軟件能夠發(fā)送控制指令，并且根據(jù)氣象站數(shù)據(jù)了解到田間濕度情況、溫度情況，繼而智能化完成田間澆灌管理，根據(jù)天氣實施合理的澆灌，能夠減少不必要的灌溉，實現(xiàn)資源節(jié)約。

2）通信網(wǎng)絡(luò)模塊。該系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)選擇光纜通信系統(tǒng)和SCADA 網(wǎng)絡(luò)，與渠道控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形成連接。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)共享提供良好平臺，也為整個平臺的良好應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

3）電磁閥控制裝置。電磁閥控制裝置主要由GSM 控制器以及閥狀態(tài)反饋裝置組成，該裝置在應(yīng)用過程中能夠接收控制中心的短信息，并且控制閥的開關(guān)，能夠接收控制中心的指令，完成控制閥的開啟和關(guān)閉。

4）輸配水管道。田間灌溉系統(tǒng)設(shè)計中，對輸配水管道進(jìn)行設(shè)計也極為關(guān)鍵，其是整個田間節(jié)水灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵。本次設(shè)計中，田間灌溉管道均采用PVC-U 管進(jìn)行設(shè)計，管徑根據(jù)流量分級配置，在出水口設(shè)電磁閥、分干末端設(shè)定排水井、支管壓力以及支管進(jìn)出口設(shè)置穩(wěn)流調(diào)壓控制裝置，可以優(yōu)化調(diào)壓控制效果。

5）首泵站。整個系統(tǒng)設(shè)計過程中，包括首部水泵、施肥機(jī)以及電磁流量計等的設(shè)計，設(shè)計各結(jié)構(gòu)主要是為了完成水泵控制澆水。施肥機(jī)配合水泵完成施肥，水肥一體化應(yīng)用，加強澆水效果。另外，本次泵站設(shè)計過程中，設(shè)計應(yīng)用具有二級過濾功能的蓄水池，先對河水進(jìn)行過濾，過濾之后再進(jìn)行澆水，減少水質(zhì)中的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)對農(nóng)作物生長造成影響。

2.3 節(jié)水灌溉系統(tǒng)的工作流程設(shè)計

本次灌溉系統(tǒng)應(yīng)用實施的過程中，將渠道控制系統(tǒng)與田間澆灌系統(tǒng)融合，并且在設(shè)計工程中，設(shè)計了二者融合之后的具體工作流程。

1）田間氣象站以及土壤墑情監(jiān)測站。首先，完成田間溫度、濕度、風(fēng)力等相關(guān)管理，分析后，針對現(xiàn)有的田間蓄水狀態(tài)進(jìn)行分析，繼而發(fā)送給田間灌溉系統(tǒng)和全渠道控制系統(tǒng)。

2）控制中心軟件包括兩個模塊，分別為田間灌溉系統(tǒng)和全渠道控制系統(tǒng)模塊，在接收到前端的信息后，軟件模塊進(jìn)行自動分析，分析完成后，田間灌溉系統(tǒng)和全渠道控制系統(tǒng)幾乎同時完成工作，實施灌溉作業(yè)。

3）接收指令后，田間灌溉系統(tǒng)在分析完成后會給泵站發(fā)送指令，開啟或關(guān)閉泵站。與此同時，全渠道控制系統(tǒng)也會通過短信發(fā)送指令開關(guān)閥門，引入水利。此時，田間灌溉系統(tǒng)與全渠道控制系統(tǒng)開始結(jié)合，渠道引入水流后，開始沿渠道進(jìn)入到田間灌溉系統(tǒng)。首先，水流會進(jìn)入到泵站水閘，繼而進(jìn)入到沉淀池和蓄水池，水體凈化后，由水泵直接傳送到田間實施灌溉，確保灌溉順利實施，以提升灌溉效果[2-3]。

2.4 全渠道控制系統(tǒng)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)水特點分析

通過上述設(shè)計可知，全渠道控制系統(tǒng)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有良好的節(jié)水特點，以下是對節(jié)水灌溉系統(tǒng)節(jié)水優(yōu)勢的分析。

1）本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度用水，整個系統(tǒng)應(yīng)用過程中，利用流量計的精準(zhǔn)測量，能夠確保將精度控制在2.5%以內(nèi)，提升了用水精度，同時這也是一種水資源節(jié)約方式[3-4]。

2）本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)按需和及時供水。系統(tǒng)前端設(shè)計了土壤墑情分析和氣象分析系統(tǒng)，能夠?qū)⑻鞖馇闆r以及土壤情況實時回傳給系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)軟件分析自動確認(rèn)田間是否缺水，確認(rèn)缺水后直接實施灌溉，減少了人工灌溉的滯后性，同時灌溉達(dá)到基礎(chǔ)量后直接停止，不造成任何灌溉浪費，證明了該系統(tǒng)應(yīng)用的良好性，也能夠提升該系統(tǒng)的應(yīng)用效率[4-5]。

3）本系統(tǒng)應(yīng)用過程中，一體自動化測控閘門的全太陽能驅(qū)動和一體化無線或光纜通信技術(shù)安全、可靠、先進(jìn)，專為野外灌溉環(huán)境而設(shè)計，實現(xiàn)了對外界環(huán)境的依賴性最小化，同時綠色環(huán)保，改善了周邊生態(tài)環(huán)境[5-6]。

4）本系統(tǒng)應(yīng)用過程中，設(shè)計應(yīng)用整個管道系統(tǒng)的密封管理模塊。系統(tǒng)的水閘、管道以及閥門都應(yīng)用了新型的封閉模塊，減少了水資源浪費，同時具有良好的節(jié)能效果[7-8]。

5）本系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用成本也相對較低。通過對比分析本次系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)成本與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的成本，發(fā)現(xiàn)全渠道控制系統(tǒng)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有更低的建設(shè)成本，同時也符合現(xiàn)代化建設(shè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用費用對比，如表3所示。

表3 節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用費用對比

3 結(jié)束語

本文結(jié)合理論和實踐，設(shè)計了一種全渠道與田間自動化灌溉融合的自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該全渠道控制系統(tǒng)以及節(jié)水灌溉系統(tǒng)，具有設(shè)備先進(jìn)、質(zhì)量可靠、測量精度高、節(jié)水效果好的特點。應(yīng)用結(jié)果表明，本次設(shè)計應(yīng)用的全渠道自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有良好的作用，通過30 天的應(yīng)用實驗，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，應(yīng)用了新系統(tǒng)的灌區(qū)輸水效率提高了20%，起到了良好的節(jié)水作用，能夠從渠道和田間兩個方面實現(xiàn)節(jié)水灌溉，減少水資源的浪費[10]。目前，節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究是我國農(nóng)業(yè)灌溉的重點工作，希望本文的系統(tǒng)設(shè)計研究能夠?qū)ξ覈?jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用提供參考。