賀國(guó)慶

（五大連池市水務(wù)局，黑龍江五大連池 164100）

分析了在已建成的鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水和節(jié)水灌溉管網(wǎng)上，進(jìn)行全自動(dòng)職能化控制操作，對(duì)分散多水源進(jìn)行集中控制，以實(shí)現(xiàn)用水管理智能化及水量自動(dòng)計(jì)量的有機(jī)結(jié)合，形成現(xiàn)代化的綜合用水技術(shù)。

1 項(xiàng)目興建原因

五大連池有我國(guó)乃至世界著名的火山風(fēng)景區(qū)，2010年作為中國(guó)唯一項(xiàng)目申報(bào)世界自然遺產(chǎn)。由于歷史原因旅游區(qū)內(nèi)居民棚戶區(qū)多，占用寶貴的旅游地資源，嚴(yán)重制約旅游區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，“申遺”工作也需要將景區(qū)景觀恢復(fù)到自然狀態(tài);同時(shí)，一直以來(lái)五大連池市是火山旅游集散地、配套設(shè)施服務(wù)區(qū)，隨著旅游業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，景區(qū)大量的商居服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施需要擴(kuò)建。但是境內(nèi)地形復(fù)雜，多年平均降水量低，人均水資源占有量?jī)H480 m3，為全國(guó)人均水平的18%，且時(shí)空分布不均;干旱缺水是制約全市農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展重要因素之一。今年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和構(gòu)建和諧社會(huì)的需要，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉必須向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)灌溉轉(zhuǎn)變，以達(dá)到區(qū)域水資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的運(yùn)行管理。因此我市農(nóng)業(yè)節(jié)水及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水的發(fā)展現(xiàn)狀，依靠現(xiàn)代化灌溉控制設(shè)備和技術(shù)，實(shí)施了節(jié)水計(jì)量自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。

2 節(jié)水計(jì)量自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉

項(xiàng)目總面積166.7 hm2，引進(jìn)推廣國(guó)際領(lǐng)先水平的Micro-Master5000中央控制系統(tǒng)，作為項(xiàng)目綜合實(shí)驗(yàn)與技術(shù)集成的平臺(tái)，配套應(yīng)用國(guó)際上通用的小型氣象觀測(cè)站及國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的恒壓變頻、土壤墑情檢測(cè)、風(fēng)力氣壓揚(yáng)水機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，由Micro-Master5000中央控制系統(tǒng)通過(guò)田間電磁閥、土壤水分傳感器、壓力和流量傳感器，初步實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)控制灌溉。

2.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工程

項(xiàng)目工程建設(shè)了4處水源地，調(diào)蓄水池3座，安裝恒壓變頻設(shè)備2套，鋪設(shè)供水管道15萬(wàn)m，在區(qū)域內(nèi)形成了環(huán)狀管網(wǎng)。結(jié)合我市村村通自來(lái)水工程的建設(shè)，開(kāi)發(fā)了供水監(jiān)控智能化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)共布設(shè)了4處水源監(jiān)控站，15處管網(wǎng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中水源監(jiān)控站包括地下水位檢測(cè)變送器、地表水流量變送器及管道流量變送器、管道壓力變送器、自報(bào)式遙測(cè)終端機(jī)等組成。中心控制室包括接受天線、前置接收機(jī)、微機(jī)、打印機(jī)、專(zhuān)用電源燈;前置接收機(jī)通過(guò)天線收發(fā)信息，前置接收機(jī)通過(guò)RS-232串行通訊接口與微機(jī)連接，中心站采用交流電源供電。

3 集成完善的關(guān)鍵技術(shù)及形成的成果

3.1 自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)的引進(jìn)與集成應(yīng)用

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

通過(guò)將項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的水源井聯(lián)網(wǎng)，將水源統(tǒng)一管理;在系統(tǒng)首部安裝恒壓變頻裝置、過(guò)濾器中控系統(tǒng)，保證系統(tǒng)恒壓穩(wěn)定運(yùn)行;中央控制器與灌溉系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)和工業(yè)供水系統(tǒng)的控制閥門(mén)連接，通過(guò)中央控制軟件協(xié)調(diào)用水時(shí)間和用水量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化管理。

3.1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)供水主要包括大棚灌溉系統(tǒng)、大豆灌溉系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)和工業(yè)用水系統(tǒng)。根據(jù)工程進(jìn)度安排，目前的供水主要針對(duì)大棚灌溉系統(tǒng)和大豆灌溉系統(tǒng)，對(duì)于生活用水系統(tǒng)和工業(yè)用水系統(tǒng)，中央控制器預(yù)留輸出端接口，下一步總體工程實(shí)施完畢后即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的統(tǒng)一供水聯(lián)網(wǎng)控制。

3.1.3 系統(tǒng)首部設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首部控制樞紐包括恒壓變頻裝置、中央控制器、計(jì)算機(jī)、流量傳感器、壓力傳感器和氣象站系統(tǒng)組成，連接示意圖見(jiàn)1。

圖1 系統(tǒng)首部組成示意圖

中央控制器作為整個(gè)供水系統(tǒng)信息的中轉(zhuǎn)站，與系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電磁閥連接，通過(guò)將計(jì)算機(jī)發(fā)出的程序指令轉(zhuǎn)換成信號(hào)控制用水系統(tǒng)閥門(mén)的啟閉來(lái)控制系統(tǒng)的用水狀況;在輸水管路上安裝的流量傳感器和壓力傳感器通過(guò)中央控制器將系統(tǒng)的流量和壓力信息通過(guò)信號(hào)線傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。氣象站系統(tǒng)直接與計(jì)算機(jī)連接，與其配套的氣象站軟件根據(jù)氣象站測(cè)量的溫度、濕度、日照、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象信息以及作物參數(shù)計(jì)算出灌溉所需的蒸發(fā)蒸騰量，控制軟件直接調(diào)用氣象站軟件的信息進(jìn)行灌溉程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的智能化的灌溉。

3.1.4 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)組件的運(yùn)行

該系統(tǒng)主要包括灌溉管理軟件、中央控制器、電磁閥、過(guò)濾器、氣象站等關(guān)鍵設(shè)備。

灌溉管理軟件：系統(tǒng)的運(yùn)行通過(guò)灌溉管理軟件進(jìn)行編程，然后利用信號(hào)傳輸設(shè)備將指令傳輸給水泵、電磁閥等系統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行灌溉。

電磁閥：是實(shí)現(xiàn)控制器發(fā)出的開(kāi)啟、關(guān)閉指令的操作機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)通過(guò)電磁閥的啟閉實(shí)現(xiàn)灌溉的最終目的。

過(guò)濾器：包括離心式和網(wǎng)式過(guò)濾器兩級(jí)，來(lái)水通過(guò)離心式過(guò)濾器過(guò)濾后再通過(guò)網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行二級(jí)過(guò)濾，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

氣象站：向計(jì)算機(jī)提供當(dāng)天的風(fēng)速、濕度、溫度、降雨量及蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)管理軟件能據(jù)此計(jì)算當(dāng)天的作物蓄水量BT值。計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)植物需水量和氣候情況增加或減少灌水量，并發(fā)布灌水指令。

3.1.5 系統(tǒng)運(yùn)行情況

施工完畢后，進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行，近兩年的運(yùn)行狀況表明系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，硬件及軟件均能良好地支持工作，自動(dòng)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本上與實(shí)際情況吻合，說(shuō)明了傳感設(shè)備的精度符合要求。由于自動(dòng)控制灌溉技術(shù)的實(shí)施，首先是明顯地節(jié)省了勞動(dòng)力，只有一個(gè)灌水員在微機(jī)房?jī)?nèi)按供水計(jì)劃進(jìn)行操作即可達(dá)到灌水目的。最重要的還是根據(jù)農(nóng)作物各生育階段制定的供水計(jì)劃，使農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境控制在適宜的水分環(huán)境內(nèi)，因此農(nóng)作物增產(chǎn)效果明顯。

3.2 供水監(jiān)控自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.2.1 工作原理與設(shè)計(jì)原則

區(qū)域供水監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)涉及水利、機(jī)電工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和現(xiàn)代模型控制技術(shù)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程，在方案選擇和設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)考慮以下3個(gè)原則：①科學(xué)性：采用先進(jìn)的技術(shù)和管理模式，使系統(tǒng)具有較高的可靠性、開(kāi)放性和可擴(kuò)充性。②實(shí)用性;系統(tǒng)必須具有管理方便、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)維修等特點(diǎn)。③經(jīng)濟(jì)性：在保證系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，盡可能地降低成本。

3.2.2 整體方案設(shè)計(jì)

采用分布式測(cè)控系統(tǒng)，無(wú)線電應(yīng)答的數(shù)據(jù)傳輸方式。該方式可以通過(guò)調(diào)整發(fā)射機(jī)功率方便地控制傳輸距離，不受距離限制。同時(shí)，在遠(yuǎn)離城市工業(yè)區(qū)的野外干擾源少，無(wú)線信號(hào)傳輸質(zhì)量好.采用很小的發(fā)射機(jī)功率即可滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通訊距離的要求，且便于維護(hù)，成本明顯低于有線傳輸方式。

供水監(jiān)控系統(tǒng)：由一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、一臺(tái)內(nèi)置單片機(jī)的控制總站（置于中央控制室簡(jiǎn)稱(chēng)“上位機(jī)”），以及若干臺(tái)內(nèi)置單片機(jī)的控制子站（置于機(jī)井井房或測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)稱(chēng)“下位機(jī)”）組成的分布式測(cè)控系統(tǒng)。其軟件采用專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件Access，另外創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)與主系統(tǒng)的連接采用ADO技術(shù)。主系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)寫(xiě)入采集到的運(yùn)行參數(shù)，可以隨時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)、檢索和歷史趨勢(shì)圖顯示。需要更改的環(huán)境參數(shù)、控制參數(shù)均以表格的形式存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

供水監(jiān)控系統(tǒng)能夠控制機(jī)泵的啟閉及電動(dòng)閥的啟閉等過(guò)程;完成水位、壓力、流量、水泵及電動(dòng)閥的啟閉狀態(tài)等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。具體包括：

①能夠采集每個(gè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)井水位、出水流量、管道壓力、水泵電流等模擬量。②能夠檢索查詢(xún)打印機(jī)井水位、出水流量、管道壓力、水泵電流等歷史數(shù)據(jù)，可以分別用表格和歷史趨勢(shì)圖的方式進(jìn)行顯示。可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的水位、出水流量、管道壓力、水泵電流值。③通過(guò)歷史趨勢(shì)圖、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)曲線和數(shù)值顯示，現(xiàn)場(chǎng)情況可以一目了然。④實(shí)現(xiàn)井泵異常保護(hù)。當(dāng)井泵發(fā)生掉相等異常情況時(shí).總控計(jì)算機(jī)能及時(shí)發(fā)出指令自動(dòng)切井泵電源，中央控制室總控計(jì)算機(jī)自動(dòng)將異常情況顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，通知維修人員去現(xiàn)場(chǎng)維修，并將有關(guān)數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便查詢(xún)。⑤系統(tǒng)以區(qū)域水資源優(yōu)化配置為目的，以區(qū)域用水計(jì)劃為基礎(chǔ)，同時(shí)可通過(guò)對(duì)不同水源的不同時(shí)段的最低水位或單井、單水源的允許開(kāi)采總量等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，限制對(duì)地下水的開(kāi)采，為有效實(shí)行限量開(kāi)采提供了一種技術(shù)手段。

3.3 土壤墑情的測(cè)報(bào)技術(shù)

當(dāng)前農(nóng)田墑情測(cè)報(bào)的現(xiàn)代技術(shù)為時(shí)域反射儀法、時(shí)域反射儀，是一種遠(yuǎn)程遙感測(cè)定技術(shù)，能精確、快速和連續(xù)測(cè)定土壤水分。本項(xiàng)目在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用國(guó)產(chǎn)TRIME EZ/IT插針式傳感器。

TDR測(cè)定土壤含水量原理相當(dāng)簡(jiǎn)單，一個(gè)電壓的階梯狀脈沖波沿在土壤中放置或垂直插入的探針（長(zhǎng)度為L(zhǎng)）發(fā)射，電壓的階梯狀脈沖波沿探針金屬捧（片）傳播，并在金屬棒末端反射回來(lái)，土壤含水量由延遲的時(shí)間決定。

其優(yōu)點(diǎn)是：不需要取樣，且測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快;土質(zhì)影響較小長(zhǎng)期埋入土壤中使用，且不受腐蝕;價(jià)格低廉，適合中國(guó)國(guó)情。

總之，通過(guò)對(duì)供水工程進(jìn)行全自動(dòng)智能化控制操作，對(duì)分散多水源進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)水源現(xiàn)代化的管理;利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)控制節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)的信息進(jìn)行采集、智能控制，對(duì)作物生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，顯著提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，這將是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水的發(fā)展方向;在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的歷史性時(shí)期，該技術(shù)同樣在現(xiàn)代化潛水技術(shù)與運(yùn)行管理技術(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]匡秋明，趙燕東，白陳祥.節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007（06）.

[2]馮友兵.節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由策略設(shè)計(jì)研究[D].南京：江蘇大學(xué)，2006.