灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程閘門自動(dòng)控制技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TV663文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6737（2025）03-0067-03

隨著全球糧食安全和水資源利用效率的日益提升，灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的作用愈加突出。傳統(tǒng)灌溉方式由于水資源浪費(fèi)和灌溉不均等問題，難以滿足當(dāng)下高產(chǎn)、節(jié)水、綠色發(fā)展的需求。智能化閘門控制技術(shù)的應(yīng)用，通過整合先進(jìn)的傳感器、自動(dòng)化控制和智能算法，為灌區(qū)提供全新的管理方式，不僅優(yōu)化灌區(qū)內(nèi)水資源的配置，還實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展帶來新的可能。

1灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程的重要性

灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程的建設(shè)具有重要作用，不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性的基石，更是捍衛(wèi)糧食安全與促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心要素。灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程的核心使命，在于精細(xì)調(diào)控與高效利用水資源。水稻生長對(duì)水分有著嚴(yán)苛且穩(wěn)定的需求，水利工程通過構(gòu)建渠道、泵站及調(diào)蓄系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施，確保在旱季時(shí)水資源能夠精準(zhǔn)送達(dá)，保障水稻灌溉用水的連續(xù)供應(yīng)與充足儲(chǔ)備，進(jìn)而提升作物產(chǎn)量與品質(zhì)?？茖W(xué)合理的水利設(shè)施布局，不僅能有效抵御洪澇災(zāi)害對(duì)水稻生長的威脅，減少農(nóng)田受災(zāi)面積與糧食損失，還能構(gòu)建以水利為核心的綜合農(nóng)業(yè)保障體系。此外，通過對(duì)灌區(qū)水利設(shè)施的現(xiàn)代化改造與智能化管理，可實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約使用與精確灌溉，大幅提升水資源利用效率，降低灌溉成本，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程的精心設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)區(qū)域內(nèi)水資源的良性循環(huán)，有效涵養(yǎng)地下水資源，調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候，為水稻生長創(chuàng)造更為適宜的微生態(tài)環(huán)境。

2灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程閘門自動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 閘門類型與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程領(lǐng)域，閘門自動(dòng)控制技術(shù)扮演著水資源精確管理的關(guān)鍵角色，其重要性不僅體現(xiàn)在對(duì)水位和流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)上，更在于通過智能化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻田間灌溉量的細(xì)致入微的管理。平面滑動(dòng)閘門作為最為普及的一種類型，憑借其簡潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在流量大且需精確控制的灌溉場合展現(xiàn)出卓越性能。它由閘板、導(dǎo)軌及啟閉機(jī)構(gòu)三大部件構(gòu)成，閘板可沿導(dǎo)軌上下自如滑動(dòng)。在水稻灌溉過程中，平面滑動(dòng)閘門能夠靈活響應(yīng)水稻在不同生長階段的水需求，實(shí)現(xiàn)水流的精細(xì)化調(diào)控?；⌒伍l門以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠承受巨大的水壓力，成為高水位差和水流湍急灌區(qū)的理想選擇?；⌒伍l板的設(shè)計(jì)有效分散水流壓力，即便在大流量條件下，也能保持高精度的控制。這類閘門通常配備先進(jìn)的自動(dòng)化啟閉系統(tǒng)，借助傳感器與智能控制算法，根據(jù)實(shí)時(shí)水位動(dòng)態(tài)調(diào)整閘板開度，確保水稻田間的灌溉需求得到精準(zhǔn)滿足。

2.2 自動(dòng)控制技術(shù)原理

在灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程中，自動(dòng)控制技術(shù)以智能化為核心理念，巧妙融合傳感器、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、先進(jìn)控制算法及高效執(zhí)行機(jī)構(gòu)，共同構(gòu)建一個(gè)高度自動(dòng)化且精細(xì)管理的灌溉系統(tǒng)。傳感器與數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為這一系統(tǒng)的\"眼睛\"與“耳朵”，能夠?qū)崟r(shí)捕捉水位、水流速度、環(huán)境溫濕度等關(guān)鍵信息，為灌溉系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。在數(shù)據(jù)采集的環(huán)節(jié)中，傳感器所采集的寶貴數(shù)據(jù)都能實(shí)時(shí)傳送至中央控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速集成與智能分析，使得灌溉系統(tǒng)能夠根據(jù)水稻生長的不同階段，制定并實(shí)施針對(duì)性的灌溉策略。模型預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制算法的應(yīng)用，使得灌區(qū)內(nèi)的水資源得以優(yōu)化分配。通過深入分析傳感器采集的數(shù)據(jù)，不僅能夠預(yù)測未來的水量需求，還能以最優(yōu)的方式調(diào)節(jié)閘門的開閉狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的水位控制與水量調(diào)度。其中，模型預(yù)測控制通過建立灌區(qū)水文模型，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測未來的水文變化趨勢，并提前進(jìn)行灌溉調(diào)度，有效避免水資源的浪費(fèi)與洪澇災(zāi)害的發(fā)生。模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制則更擅長處理非線性和復(fù)雜條件下的灌溉問題，使得灌溉系統(tǒng)在各種多變環(huán)境下都能保持高度的智能性與靈活性。

2.3 系統(tǒng)集成與通信技術(shù)

在灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程領(lǐng)域，閘門控制系統(tǒng)作為智能化水利管理的中樞，其架構(gòu)設(shè)計(jì)與通信技術(shù)的融合賦予系統(tǒng)卓越的自動(dòng)化與遠(yuǎn)程控制性能，不僅關(guān)乎整體運(yùn)行效率的優(yōu)化，更是水資源精準(zhǔn)調(diào)配與穩(wěn)定供給的重要保障。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，智能化閘門控制系統(tǒng)巧妙融合集中控制與分布式控制的雙重優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域閘門的精細(xì)化協(xié)同管理。集中控制層負(fù)責(zé)全面收集并處理灌區(qū)內(nèi)的水位、水流速、氣象等多維度數(shù)據(jù)，依托中央控制系統(tǒng)的強(qiáng)大計(jì)算能力，制定出科學(xué)的水資源調(diào)度策略。分布式控制層則在每個(gè)閘門節(jié)點(diǎn)部署獨(dú)立的控制單元，通過先進(jìn)的無線或有線通信技術(shù)，與中央控制系統(tǒng)保持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步，確保局部區(qū)域能夠根據(jù)即時(shí)水情迅速作出響應(yīng)與調(diào)整，既保證中央控制系統(tǒng)對(duì)全局水資源的有效調(diào)控，又充分發(fā)揮各閘門控制節(jié)點(diǎn)的靈活性與自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)全局與局部的高效協(xié)同[12。系統(tǒng)集成過程中，數(shù)據(jù)傳輸與處理的效率至關(guān)重要。通過現(xiàn)代通信技術(shù)的強(qiáng)大支持，灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程得以實(shí)現(xiàn)水文信息與控制指令在遠(yuǎn)程控制中心與各閘門之間的即時(shí)傳輸。

3灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程閘門自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1精準(zhǔn)灌溉策略制定

在灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程領(lǐng)域，閘門自動(dòng)控制的核心技術(shù)在于構(gòu)建科學(xué)的精準(zhǔn)灌溉策略，旨在全方位滿足水稻各生長階段的水分需求。通過細(xì)致剖析水稻在不同生長階段的水分需求及其敏感性，我們得以明確各階段所需的水量及對(duì)水分的特定要求[13]。育苗期需維持穩(wěn)定水層，以促進(jìn)幼苗均勻生長；分蘗期則需充足水分，以助力分蘗健壯形成；而拔節(jié)與灌漿期，則需在保持水層的同時(shí)，精細(xì)調(diào)控灌溉量，以防倒伏及水分不足對(duì)籽粒灌漿的影響。精準(zhǔn)灌溉策略的實(shí)施，依托于對(duì)灌溉量與灌溉時(shí)機(jī)的精準(zhǔn)把控，灌溉量的確定需綜合考慮氣候、土壤及水稻品種的需水特性，通過建立灌區(qū)水文與作物生長模型，實(shí)現(xiàn)灌溉需求的動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)測[14]。借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)采集田間土壤水分、氣象數(shù)據(jù)及水稻生長狀態(tài)，從而在確保土壤濕度適宜的前提下，精確調(diào)整灌溉水量，使田間水層深度始終與水稻當(dāng)前生長階段的最優(yōu)需求相匹配[5。灌溉時(shí)機(jī)的選擇，對(duì)于平衡水稻產(chǎn)量與水資源利用效率至關(guān)重要。通過對(duì)土壤水分與作物蒸騰量的持續(xù)監(jiān)測，能夠在水稻生長的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，實(shí)施精確的水分補(bǔ)給。閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)在精準(zhǔn)灌溉策略的實(shí)施中扮演著舉足輕重的角色。智能化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與灌溉模型，自動(dòng)調(diào)整閘門開閉，確保灌溉水量的精確投放。在灌溉高峰或干旱時(shí)期，智能化控制系統(tǒng)能優(yōu)先保障關(guān)鍵生長階段的灌溉需求，防止因水資源分配不均導(dǎo)致局部缺水。

3.2 故障檢測與診斷技術(shù)

在灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程的智能化管理進(jìn)程中，故障檢測與診斷技術(shù)的運(yùn)用是保證閘門控制系統(tǒng)持久高效運(yùn)行的核心要素。閘門的故障形態(tài)多樣，主要包括機(jī)械部件的磨損、啟閉動(dòng)作的遲緩、電氣控制系統(tǒng)的失效等。機(jī)械部件的磨損源于長期運(yùn)行下閘板與導(dǎo)軌間摩擦的累積，可能引發(fā)閘門卡頓、啟閉不順，進(jìn)而影響水流調(diào)控的精確度。啟閉動(dòng)作的遲緩則常與環(huán)境因素掛鉤，例如，泥沙淤積或水生植物的纏繞，為閘門的操作平添額外阻力。電氣控制系統(tǒng)的失效，多是因電動(dòng)或液壓啟閉裝置的老化、電氣線路的短路等問題，致使閘門無法準(zhǔn)確響應(yīng)控制指令。

針對(duì)這些紛繁復(fù)雜的故障，智能故障檢測與預(yù)警系統(tǒng)的融入，顯著增強(qiáng)閘門控制系統(tǒng)的可靠性與安全性。該系統(tǒng)依托深度學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)，對(duì)閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深度剖析與實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠在故障萌芽階段迅速捕捉異常信號(hào)，并觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。智能故障檢測系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)為支撐，將歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致比對(duì)，敏銳捕捉運(yùn)行狀態(tài)的微妙變化與趨勢，從而預(yù)先揭露潛在的故障點(diǎn)。深度學(xué)習(xí)模型，通過訓(xùn)練故障樣本數(shù)據(jù)，能夠自主識(shí)別各類異常信號(hào)，并給出精確的故障類型判斷，為維修人員提供精準(zhǔn)的故障定位與及時(shí)處理方案。智能預(yù)警系統(tǒng)在識(shí)別異常后，會(huì)立即通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將預(yù)警信息實(shí)時(shí)傳遞至控制中心和運(yùn)維人員的移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的遠(yuǎn)程監(jiān)控與迅速響應(yīng)。借助云計(jì)算與邊緣計(jì)算的協(xié)同，預(yù)警系統(tǒng)能夠即時(shí)分析故障原因，并提供具體的維修建議，如清理閘門周邊的泥沙、檢查電氣線路等，不僅大幅縮短故障檢測與處理的時(shí)間，還有效降低因故障導(dǎo)致的水資源調(diào)配障礙，確保灌區(qū)水稻農(nóng)田的順暢灌溉[8]。

通過整合振動(dòng)傳感器、溫濕度傳感器、視頻監(jiān)控技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門運(yùn)行狀態(tài)的全方位、無盲區(qū)監(jiān)控。振動(dòng)傳感器，能夠檢測閘門啟閉過程中的異常震動(dòng)；溫濕度傳感器，則監(jiān)控環(huán)境變化對(duì)閘門控制系統(tǒng)的潛在影響；視頻監(jiān)控技術(shù)，則直觀展示閘門及其周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，助力管理人員更準(zhǔn)確地把握故障現(xiàn)場情況。這種多維度的數(shù)據(jù)分析方法，不僅賦予智能預(yù)警系統(tǒng)高精度的故障診斷能力，還使其能夠有效預(yù)測設(shè)備的健康狀況與潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。智能故障檢測系統(tǒng)不僅提升灌區(qū)水稻農(nóng)田水利工程的自動(dòng)化管理水平，也為水利工程未來的智能運(yùn)維和遠(yuǎn)程管理提供技術(shù)支撐，加速整個(gè)行業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型的步伐。

4結(jié)語

智能化閘門控制技術(shù)的普及，使灌區(qū)水稻農(nóng)田的水資源管理邁向高效、智能的新階段。通過先進(jìn)的控制算法、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化故障檢測，灌區(qū)管理從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)決策，顯著提升灌溉效率和水稻產(chǎn)量。在應(yīng)對(duì)未來氣候變化和水資源緊缺挑戰(zhàn)的過程中，智能水利工程技術(shù)將持續(xù)推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，成為保障糧食生產(chǎn)穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好型農(nóng)業(yè)的有力支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐克凡，陳佳惠，蔣華，等.水利工程泵站機(jī)電設(shè)備故障診斷方法及檢修重要性[J].流體測量與控制，2024，5（5）：11-14.

[2] 胡義杰，林強(qiáng).農(nóng)田水利工程給排水施工分析[J].低碳世界，2024，14（10）：46-48.

[3]段順義.水利工程中引水隧洞施工技術(shù)[J].價(jià)值工程，2024，43（29）：92-94.

[4]申祺，鐘順成，朱紫檀，等.盤錦灌區(qū)節(jié)水灌溉對(duì)水稻及稻田生態(tài)環(huán)境的影響[J].北方水稻，2023，53（6）：62-64.

[5]萬朝成.淺析模糊控制技術(shù)在灌區(qū)群閘自動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2011，31（9）：38-40.

[6]賈振國，黃金林.模糊控制技術(shù)在灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，11（3）：59-62.

[7]胡友一，王玨，靳雙明，等.不同形式的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在弧形閘門地震控制中的對(duì)比[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2025，36（1）：146-153，173.

[8]吳婷婷，管光華，陳曉敏，等.大型灌區(qū)多級(jí)渠道與水庫群聯(lián)合輸水調(diào)控方式研究[J].節(jié)水灌溉，2024（11）：119-128.

[9]井向陽，吳穹，劉圣凡，等.調(diào)水工程分層取水口控流平面鋼閘門流激振動(dòng)特性研究[J].水電能源科學(xué)，2024，42（9）：139-142

[10]王飛，季宗億.基于博弈云模型的鋼閘門健康診斷[J].水電能源科學(xué)，2024，42（8）：106-109，91.

[11]葉圣炯，沈啟航，于永海，等.數(shù)字孿生長距離引水工程檢修排水及充水歷時(shí)的確定[J].中國農(nóng)村水利水電，2024（3）：160-166

[12]李凱旋，張鈺奇，付春健，等.基于多傳感器信息融合的水工閘門故障診斷[J].中國農(nóng)村水利水電，2024（2）：96-102

[13]何成威，朱喬利，談?wù)?，?基于Cesium的水利工程三維可視化平臺(tái)開發(fā)研究[J.中國農(nóng)村水利水電，2024（1）：225-230，236.

[14]朱潔，侯崢，李金澤.寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉測控閘門應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查與評(píng)估[J].中國農(nóng)村水利水電，2024（1）：56-61.

[15]朱俊杰，劉圣凡，董玉增，等.調(diào)水工程弧形閘門振動(dòng)測試分析及除振措施[J].中國農(nóng)村水利水電，2023（11）：224-228.

[16]謝太生，劉妍，陸浩，等.閘門上游側(cè)半楔形結(jié)構(gòu)止水橡皮設(shè)計(jì)[J].人民長江，2021，52（11）：133-140.

[17]劉昉，吳敏睿，李文勝，等.弱爬振現(xiàn)象對(duì)平板閘門振動(dòng)的影響研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2021，40（2）：149-157.

[18]劉紅偉，張聞裕，潘玨，等.基于渦流傳感技術(shù)的閘門止水漏水檢測方法[J].人民黃河，2020，42（7）：142-144，159.