張玉平，遲海龍

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038)

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷壯大，農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格不斷上漲，水資源卻日益緊缺，因此國(guó)家對(duì)農(nóng)田水利灌溉建設(shè)投入不斷增加。

目前，我國(guó)有大型灌區(qū)402處、中型灌區(qū)5 200多處、小型灌區(qū)1 000多萬(wàn)處。在全國(guó)434處大型灌區(qū)中，規(guī)劃灌溉面積30萬(wàn)畝至50萬(wàn)畝的灌區(qū)有258處，總灌溉面積為9 062萬(wàn)畝，占全國(guó)大型灌區(qū)灌溉面積的31%。由于目前灌區(qū)灌溉設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，投入改造、維修資金不足，設(shè)施更新維護(hù)不及時(shí)，用水管理方式粗放，田間灌溉技術(shù)比較落后，對(duì)水資源造成極大的浪費(fèi)，急需提高灌溉管理水平。

灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化是世界先進(jìn)國(guó)家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，目前我國(guó)的灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。為提高我國(guó)農(nóng)田水利灌溉管理水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利灌溉工程的安全可靠運(yùn)行，滿足灌區(qū)全線統(tǒng)一優(yōu)化灌溉的應(yīng)用需要，必須建設(shè)全線自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理系統(tǒng)，對(duì)全線灌溉實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，所有閥門實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。這對(duì)農(nóng)田水利灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)提出了更高的要求，現(xiàn)有系統(tǒng)在很多方面不成熟，存在問題較多，特別是在農(nóng)田水利灌溉高級(jí)應(yīng)用技術(shù)的研究和工程應(yīng)用上還存在較大差距，無(wú)法滿足實(shí)際工程安全可靠的運(yùn)行需要。

為了充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度水資源，提高經(jīng)濟(jì)效益，研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。結(jié)合大型農(nóng)田水利灌區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用需求，對(duì)大規(guī)模農(nóng)田水利灌區(qū)工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)灌溉關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，在灌區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出滿足農(nóng)田水利灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)要求的高級(jí)應(yīng)用軟件，灌溉系統(tǒng)將更加節(jié)水節(jié)能，可降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量，使灌溉更加科學(xué)、方便，并大大提高管理水平。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外一些先進(jìn)國(guó)家，如美國(guó)、以色列和加拿大等國(guó)，在自動(dòng)化控制技術(shù)方面起步較早，運(yùn)用先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)，并日趨成熟。這些國(guó)家從最早的水力控制、機(jī)械控制，到后來(lái)的機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，到當(dāng)前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度和智能化程度越來(lái)越高，可靠性越來(lái)越好，操作也越來(lái)越簡(jiǎn)便。自動(dòng)化計(jì)算機(jī)灌溉控制系統(tǒng)大約在80年代初由雨鳥公司、摩托羅拉等幾家公司開發(fā)、研制成功，并投入使用。由于技術(shù)復(fù)雜、應(yīng)用難度大，價(jià)格高昂，這種控制設(shè)備最早應(yīng)用于高爾夫球場(chǎng)灌溉系統(tǒng)的控制上。90年代，計(jì)算機(jī)工業(yè)的硬件、軟件飛速發(fā)展，使得灌溉系統(tǒng)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作難度越來(lái)越小，功能越來(lái)越豐富，價(jià)格也逐漸降了下來(lái)。

目前國(guó)內(nèi)的灌區(qū)自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)大都采用組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺(tái)，功能相對(duì)較簡(jiǎn)單。在灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件方面的研究更少，工程應(yīng)用上還存在較大差距。北京中水科水電科技開發(fā)有限公司擁有自主產(chǎn)權(quán)的H9000灌區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于新疆兵團(tuán)南疆新建團(tuán)場(chǎng)38團(tuán)且末墾區(qū)蘇塘灌區(qū)，并在灌區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)一步開發(fā)灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件，對(duì)提高我國(guó)農(nóng)田水利灌溉自動(dòng)化水平具有重要意義。

2 需要解決的技術(shù)難點(diǎn)與問題

目前大型灌區(qū)灌溉范圍廣，人員設(shè)置少，管理水平落后；灌區(qū)的長(zhǎng)距離管道輸水工程中各級(jí)管道呈樹狀分布，輸水過程中管道存在水錘問題，尤其是在閥門開啟、關(guān)閉時(shí)表現(xiàn)突出，如果通過人工手動(dòng)控制各級(jí)管道上的閥門，不但浪費(fèi)大量的人力，也不能精準(zhǔn)控制水資源，從而造成水資源的浪費(fèi)。因此對(duì)大型灌區(qū)農(nóng)田水利灌溉需求進(jìn)行研究后，通過事先設(shè)置相關(guān)參數(shù)，軟件自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析，自動(dòng)控制輸水各級(jí)管道中閥門的開啟、關(guān)閉以消除水錘危害，保證供水安全，精準(zhǔn)控制各田間系統(tǒng)灌溉水量，最終提高農(nóng)田水利灌溉管理水平。需要解決的主要技術(shù)難點(diǎn)和問題：

（1）農(nóng)田水利灌溉模式研究

根據(jù)控制系統(tǒng)運(yùn)行的方式不同，一般可分為手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和全自動(dòng)控制三類：

1）手動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的所有操作均由人工完成，如水泵、閥門的開啟、關(guān)閉，灌溉時(shí)間的長(zhǎng)短，何時(shí)灌溉等等。這類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，控制部分技術(shù)含量不高，便于使用和維護(hù)，很適合在我國(guó)廣大農(nóng)村推廣。不足之處是使用的方便性較差，不適宜控制大面積的灌溉。

2）全自動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)不要人直接參與，通過預(yù)先編制好的控制程序和根據(jù)反映作物需水的某些參數(shù)可以長(zhǎng)時(shí)間地自動(dòng)啟閉水泵和自動(dòng)按一定的輪灌順序進(jìn)行灌溉。人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。這種系統(tǒng)中，除灌水器、管道、管件及水泵、電機(jī)外，還包括中央控制器、自動(dòng)閥、傳感器(土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等)及電線等，造價(jià)較高，目前我國(guó)的灌區(qū)設(shè)備配置不全，尚不具備條件。

3）半自動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中在灌溉區(qū)域沒有安裝傳感器，灌水時(shí)間、灌水量和灌溉周期等均是根據(jù)預(yù)先編制的程序，而不是根據(jù)作物和土壤水分及氣象資料的反饋信息來(lái)控制的。這類系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不等，有的一部分實(shí)行自動(dòng)控制，有的是幾部分進(jìn)行自動(dòng)控制。我國(guó)目前的灌區(qū)比較適合采用這種控制方式。

（2）田間系統(tǒng)輪灌制度研究

大型灌區(qū)包含眾多的田間系統(tǒng)，每個(gè)田間系統(tǒng)之間通過干管進(jìn)行連接，每個(gè)田間系統(tǒng)所需灌溉的農(nóng)作物不同其需水量也不同，而每年的雨量分布并不均勻，需根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整輪灌周期。每年每個(gè)田間系統(tǒng)需進(jìn)行多次灌溉，因此需對(duì)干管的閥門、田間系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度、分級(jí)輪灌。

（3）田間系統(tǒng)閥門開啟、關(guān)閉次序研究

大型農(nóng)田水利灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)擁有數(shù)量眾多的干管、支管，各干管、支管的閥門呈樹狀分布，由于封閉式管道在輸水過程中容易造成水錘，影響供水安全，上下級(jí)閥門之間需根據(jù)水力關(guān)系，嚴(yán)格遵守一定的次序開啟或關(guān)閉。因此需要結(jié)合管道的復(fù)雜樹狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及輸水系統(tǒng)的水力學(xué)特點(diǎn)，計(jì)算干、支管之間的水力關(guān)系，從而確定干、支管上各閥門的開啟、關(guān)閉次序，統(tǒng)一調(diào)度，做到安全供水。

（4）提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)精細(xì)的灌溉的研究

適時(shí)灌溉，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，其中很重要一點(diǎn)是應(yīng)用遙感、遙測(cè)監(jiān)測(cè)土壤墑情和作物生長(zhǎng)等新技術(shù)，對(duì)灌區(qū)灌溉用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)控制，對(duì)灌區(qū)用水實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，實(shí)施節(jié)水灌溉智能化管理。我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化目前主要依靠人工測(cè)量和控制，局限于節(jié)水灌溉單項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，技術(shù)集成和自動(dòng)化水平較低，不利于用水的精細(xì)管理和合理化灌溉。因此充分地研究學(xué)習(xí)農(nóng)田作物的生長(zhǎng)規(guī)律和當(dāng)?shù)厮牡乩碜兓?guī)律，并能夠自動(dòng)根據(jù)這些規(guī)律計(jì)算出田間灌溉的用水計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效低耗目標(biāo)。

3 灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件功能

（1）模式切換(手動(dòng)/半自動(dòng)/全自動(dòng))

軟件需提供手動(dòng)/半自動(dòng)/全自動(dòng)的開關(guān)，可方便切換采用何種方式灌溉，這樣軟件才能更靈活地滿足實(shí)際工程的需要。當(dāng)切換到手動(dòng)控制方式時(shí)，由運(yùn)行人員在畫面手動(dòng)對(duì)每個(gè)閥門單獨(dú)控制；當(dāng)切換到半自動(dòng)方式時(shí)，軟件根據(jù)事先設(shè)置的各級(jí)輪灌周期，綜合考慮各種安全條件，通過分析計(jì)算，自動(dòng)按時(shí)按順序開啟、關(guān)閉各級(jí)閥門，對(duì)灌區(qū)自動(dòng)灌溉；當(dāng)切換到全自動(dòng)方式時(shí)，軟件根據(jù)監(jiān)測(cè)的土壤信息，按照事先設(shè)置的作物需水量，自動(dòng)計(jì)算各級(jí)閥門的開啟、關(guān)閉時(shí)間，無(wú)需人工干預(yù)。

（2）閉鎖條件判斷

為了可靠、安全地控制灌溉，需要考慮一些閉鎖條件。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)影響安全的故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警，高級(jí)應(yīng)用軟件自動(dòng)退出運(yùn)行，以免誤發(fā)命令。

（3）輪灌周期的設(shè)定與修改

對(duì)于半自動(dòng)運(yùn)行方式，由于每年每個(gè)田間系統(tǒng)需輪灌幾十次，根據(jù)農(nóng)作物的需水情況制定合理的輪灌周期，可事先輸入各田間系統(tǒng)的輪灌周期計(jì)劃，也可根據(jù)天氣變化情況，由運(yùn)行人員實(shí)時(shí)在畫面上靈活設(shè)置、修改輪灌周期。

（4）閥門開啟、關(guān)閉次序的分析與計(jì)算

各干管、支管的閥門呈樹狀分布，樹干為各干管，樹枝為田間系統(tǒng)的支管，為了防止輸水管道在閥門開啟、關(guān)閉過程中產(chǎn)生水錘，影響供水安全，要制定嚴(yán)格的閥門開啟、關(guān)閉次序。開啟閥門時(shí)需自下而上，即先開末級(jí)支管，再向上分級(jí)開啟各支管，最后開啟干管閥門；關(guān)閉閥門時(shí)，方向相反，需自上而下，先關(guān)干管，然后依次向下關(guān)閉各支管。

（5）軟件模塊化和可擴(kuò)展性

田間灌溉系統(tǒng)主要是通過鋪設(shè)各種水路管網(wǎng)，對(duì)田間的各種耕種作物進(jìn)行精細(xì)化，準(zhǔn)確的灌溉。要保障灌溉系統(tǒng)能夠節(jié)約、準(zhǔn)確地用水，就要做到既不浪費(fèi)水資源又要保障農(nóng)作物生長(zhǎng)所必須的水分，這就要求高級(jí)灌溉控制軟件能夠及時(shí)了解田間的作物生長(zhǎng)情況還要了解當(dāng)?shù)氐奶鞖馑樾畔?，土壤墑情等水文地理信息。為此在軟件?dāng)中設(shè)置了相應(yīng)的接口和GIS信息系統(tǒng)、水情水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)互通數(shù)據(jù)，以便對(duì)田間的作物的成長(zhǎng)情況有及時(shí)準(zhǔn)確的了解，為進(jìn)一步的制定準(zhǔn)確的灌溉用水計(jì)劃提供可靠保障。本系統(tǒng)軟件還配備了網(wǎng)絡(luò)通信接口，很方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地的通訊和監(jiān)控功能。

（6）自動(dòng)灌溉的軟件功能的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

作為灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用軟件，自動(dòng)灌溉控制模塊還應(yīng)該承擔(dān)起田間作物栽培用水的決策專家咨詢系統(tǒng)的功能。自動(dòng)灌溉控制應(yīng)該能夠收集農(nóng)田相關(guān)的水文、氣象、土壤墑情等有用信息，并對(duì)其進(jìn)行加工處理存儲(chǔ)，作為未來(lái)一段時(shí)間里的用水預(yù)測(cè)和指導(dǎo)工作。在灌溉系統(tǒng)中應(yīng)該能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)和適應(yīng)各種作物的對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求和用水需求，能夠根據(jù)不同的農(nóng)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)制定出一整套精準(zhǔn)完備的用水計(jì)劃，并嚴(yán)格按計(jì)劃執(zhí)行準(zhǔn)確有序的灌溉達(dá)到現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化、低碳環(huán)保節(jié)能高效化的發(fā)展目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化和管理科學(xué)化，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變是我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展所需要解決的難題。目前我國(guó)的灌溉自動(dòng)化水平還較低，在灌溉高級(jí)應(yīng)用軟件方面的研究還很少，工程應(yīng)用上還存在較大差距。因此在現(xiàn)階段研制具有當(dāng)今世界先進(jìn)水平的灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用軟件，從而實(shí)現(xiàn)大型灌區(qū)中推廣自動(dòng)灌溉，最終達(dá)到現(xiàn)地?zé)o人值班的目標(biāo)，具有重要和深遠(yuǎn)的意義。

[1]佚名.我國(guó)大型灌區(qū)基本情況[OL].小開河網(wǎng)水利新聞.

[2]滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究[J/OL].中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng).