王翠柏，夏元明，周 馳，劉艾勇

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051； 2.昆明文林博德信息有限公司，昆明 650118)

我國是一個(gè)水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展節(jié)水灌溉是促進(jìn)水資源高效利用和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要舉措。十八大報(bào)告提出“促進(jìn)工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展”戰(zhàn)略，突出了信息化在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位。

PPP模式(Public Private Partnership)，是指政府、盈利性企業(yè)基于某個(gè)公共基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目而形成的相互合作關(guān)系，由此合作各方可以達(dá)到比預(yù)期單獨(dú)行動(dòng)更有利的結(jié)果。2014年11月，國務(wù)院要求在公共服務(wù)、資源環(huán)境、生態(tài)保護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，積極推廣PPP模式，規(guī)范選擇項(xiàng)目合作伙伴，引入社會(huì)資本，增強(qiáng)公共產(chǎn)品供給能力。

建水縣位于云南省南部，為云南省較干旱的地區(qū)之一，土壤保水能力低，蒸發(fā)量大，糧食及多種經(jīng)濟(jì)作物單產(chǎn)、總產(chǎn)偏低，種植結(jié)構(gòu)單一，嚴(yán)重影響農(nóng)田水利事業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。2015年1月，建水縣南莊鎮(zhèn)片區(qū)2 886.67 hm2高效節(jié)水灌溉工程被云南省水利廳列為云南省農(nóng)村水利創(chuàng)新機(jī)制建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目，采用PPP模式建設(shè)，政府和投資企業(yè)承擔(dān)供水干支管網(wǎng)工程建設(shè)，種植戶承擔(dān)田間灌溉工程建設(shè)，工程建成后，供水干支管網(wǎng)工程由投資企業(yè)經(jīng)營管理，通過收取水費(fèi)方式獲得投資回報(bào)。項(xiàng)目區(qū)水源為躍進(jìn)水庫、香林寺水庫和龍?zhí)端畮?，?shí)施范圍內(nèi)自壓片區(qū)面積2 233.33 hm2，揚(yáng)水片區(qū)面積466.67 hm2，加壓片區(qū)面積186.67 hm2。由于涉及面積大、泵站系統(tǒng)多、管線距離長、用水戶多，若在項(xiàng)目建成后，諸如泵站啟停、管道巡檢、田間閥門開關(guān)以及用水計(jì)量收費(fèi)等，依舊沿用傳統(tǒng)的人工手動(dòng)操作方式，操作繁瑣且效率低下，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，將給項(xiàng)目PPP合作公司的運(yùn)營管理帶來諸多不便。因此，建設(shè)一套高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)以方便于項(xiàng)目投資企業(yè)的運(yùn)營管理是十分必要的。

1 高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)

高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)是一套利用先進(jìn)的電子信息技術(shù)、數(shù)據(jù)傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)和遠(yuǎn)程測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水源自動(dòng)監(jiān)測、泵站自動(dòng)控制、輸水管道流量自動(dòng)監(jiān)測、田間用戶終端自動(dòng)計(jì)量與控制、田間小氣候自動(dòng)監(jiān)測等功能的信息化管理控制系統(tǒng)，從水源到田間用戶終端全過程的自動(dòng)監(jiān)測和控制，全面信息集成，提高管理效率，節(jié)省人力成本，是項(xiàng)目投資運(yùn)營企業(yè)高效運(yùn)行的有力保障(見圖1)。

圖1 建水縣南莊高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)示意圖

1.1 水源監(jiān)測

在每個(gè)水源地各建1座遙測水位站，實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)觀測水庫水位，各建1個(gè)視頻監(jiān)測系統(tǒng)，方便實(shí)時(shí)掌握水源情況。

視頻監(jiān)測系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)球機(jī)、NVR、監(jiān)控硬盤以及視頻監(jiān)控與管理平臺(tái)等組成，可實(shí)現(xiàn)24 h不間斷及夜間紅外100 m視頻監(jiān)控，支持水庫本地3個(gè)月高清視頻保存。借由水庫已建好的寬帶網(wǎng)絡(luò)，視頻圖像可上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)支持云端標(biāo)清視頻2星期保存。

1.2 泵站自動(dòng)控制

對(duì)2座揚(yáng)水泵站、8座加壓泵站進(jìn)行獨(dú)立的自動(dòng)控制和管理，提供手工、自動(dòng)、遠(yuǎn)程3種設(shè)備控制模式，并能通過遠(yuǎn)程設(shè)置的上、下限閥值對(duì)取水設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)地或遠(yuǎn)程結(jié)合的自動(dòng)控制，同時(shí)還可采集水泵的前后端水池水位、出水口的壓力和流量、設(shè)備的電量和電壓等信息。能自動(dòng)計(jì)算取水成本、取水量，節(jié)省人力及管理成本，為取水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供服務(wù)。

(1)揚(yáng)水泵站。前池設(shè)置水位流量遙測站，安裝超聲波水位計(jì)和流量計(jì)，監(jiān)測前池水位和泵站出水管流量，在后池設(shè)置水位遙測站，安裝超聲波水位計(jì)，自動(dòng)測報(bào)后池水深，同時(shí)云控制中心利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和專業(yè)應(yīng)用軟件將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、入庫和轉(zhuǎn)發(fā)，及時(shí)向管理人員分發(fā)，提供信息服務(wù)，為泵站的運(yùn)行提供決策依據(jù)。系統(tǒng)通信均采用GPRS網(wǎng)絡(luò)。

揚(yáng)水泵站自動(dòng)控制設(shè)計(jì)多重保護(hù)：為防止損壞水泵電機(jī)，控制柜采用變頻柜設(shè)計(jì)，有效提高電機(jī)壽命和使用安全；水泵控制站具備自動(dòng)功能，可以自動(dòng)的根據(jù)前池水位、后池水位情況判斷現(xiàn)場供水情況，自動(dòng)供水和自動(dòng)停止；泵站采用恒壓供水方式，在設(shè)定好壓力大小后，泵站智能控制柜可以自動(dòng)的調(diào)節(jié)水泵抽水，保持恒定的壓力；智能控制柜通過壓力監(jiān)測，前池后池水位監(jiān)測，可以防止管道堵塞，爆管等意外的發(fā)生；在水泵控制柜電路內(nèi)做安全保護(hù)，當(dāng)前池水位達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最低值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉水泵，并且不再接收遠(yuǎn)程控制開啟信號(hào)，當(dāng)后池水位高于預(yù)先設(shè)定的警戒水位時(shí)，水泵自動(dòng)停止供水(見圖2)。

圖2 揚(yáng)水泵站自動(dòng)控制示意圖

(2)加壓泵站。配置1套智能水泵控制器，供水管安裝超聲波流量計(jì)、壓力傳感器，傳感器數(shù)據(jù)通過智能水泵控制器采集，并經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?。泵站前池安裝水位遙測站，實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)通過遙測終端機(jī)同時(shí)發(fā)送至智能水泵控制器和中心站。

設(shè)計(jì)智能水泵控制器可實(shí)時(shí)采集管道流量、壓力以及泵站前池水位數(shù)據(jù)，在不經(jīng)過控制中心站指令的情況下，智能水泵控制器可以自行分析計(jì)算，直接控制泵站啟停，以避免因信息傳輸延時(shí)導(dǎo)致泵站損壞或管網(wǎng)壓力過大爆裂，供水主管與水泵接頭附近安裝壓力傳感器，在設(shè)定好壓力上限值后，水泵在運(yùn)行過程中會(huì)自動(dòng)的調(diào)節(jié)電機(jī)功率，使水壓保持在恒定的壓力值上，確保供水壓力正常，且保護(hù)電機(jī)和管網(wǎng)不爆管、水泵不損壞。泵站前池處水位低于控制下限，則水泵停止抽水并向監(jiān)控中心報(bào)警，同時(shí)不再接受遠(yuǎn)程啟動(dòng)水泵指令。當(dāng)泵站接收到灌區(qū)內(nèi)設(shè)備開啟灌水指令時(shí)，若前池水位及管道壓力等均正常，泵站開啟抽水加壓(見圖3)。

圖3 加壓泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

1.3 管道流量監(jiān)測

在每條取水干管上設(shè)計(jì)安裝1套超聲波流量計(jì)監(jiān)測干管流量，用于項(xiàng)目用水總量的統(tǒng)計(jì)。在每條自壓干管灌溉片區(qū)的田間管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，各布置10套流量監(jiān)測設(shè)備；在每條揚(yáng)壓干管灌溉片區(qū)的田間管道管件節(jié)點(diǎn)，各布置3套流量監(jiān)測設(shè)備。通過管道流量監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握管道運(yùn)行情況，預(yù)判管理故障位置，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行檢修。

1.4 田間用戶計(jì)量與控制終端

田間系統(tǒng)由用戶計(jì)量與控制終端、通訊中繼站和互聯(lián)網(wǎng)通訊站構(gòu)成，系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 用戶控制終端系統(tǒng)示意圖

田間用戶終端是本信息系統(tǒng)的關(guān)鍵，擔(dān)負(fù)著項(xiàng)目區(qū)各用水戶分戶用水計(jì)量和各灌片輪灌控制的作用。使用預(yù)付費(fèi)NFC卡(分散農(nóng)戶)或無線互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控(種植大戶)，開啟田間澆灌作業(yè)。管理企業(yè)和用戶都可實(shí)時(shí)、在線了解預(yù)付費(fèi)用情況和用水情況，為項(xiàng)目運(yùn)行管理和營銷管理提供有力的手段，并大幅度節(jié)約管理成本。根據(jù)灌區(qū)實(shí)際，配置220套田間計(jì)量與控制終端，24套通訊中繼站，5套互聯(lián)網(wǎng)通訊站。

1.5 氣象自動(dòng)觀測

在灌區(qū)布置1座田間小氣候自動(dòng)觀測站和4套墑情監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測灌區(qū)的土壤含水率、氣溫、降雨、照度、風(fēng)速風(fēng)向等信息。由灌溉管理人員結(jié)合作物需水特性分析決定灌溉時(shí)間與灌溉量的多少，為用戶在新的灌溉模式下提供基礎(chǔ)支持，使作物灌溉決策建立在科學(xué)的基礎(chǔ)之上。

1.6 信息匯集與通信

3個(gè)水庫水位遙測站分別建設(shè)一套GPRS網(wǎng)絡(luò)通信。泵站信息聯(lián)絡(luò)、管道流量監(jiān)測信息、田間用戶終端計(jì)量與控制信息、氣象自動(dòng)觀測站信息等，都處于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)，信息點(diǎn)相對(duì)集中，采用ZigBee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)后，通過建立的互聯(lián)網(wǎng)通訊站，GPRS網(wǎng)絡(luò)通信。

1.7 云控制中心

灌區(qū)信息控制中心是本信息化管理的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的水源監(jiān)測、泵站自動(dòng)控制、管道流量監(jiān)測、用戶控制、自動(dòng)氣象觀測站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收處理。包括數(shù)據(jù)庫、軟件系統(tǒng)、管理操作平臺(tái)等。

云控制中心的設(shè)計(jì)，改變了水利信息化自建“中心站”的傳統(tǒng)模式。傳統(tǒng)“中心站”所需的機(jī)房、計(jì)算機(jī)、信息收集處理與相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)軟件和操作軟件、供電系統(tǒng)、“中心站”管理與運(yùn)維人員等，一應(yīng)不再配置。轉(zhuǎn)由云計(jì)算中心和專業(yè)公司提供有償服務(wù)。不僅節(jié)省了投資，減少了運(yùn)行管理費(fèi)用，還極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性(見圖5)。

圖5 云控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié) 語

結(jié)合建水縣南莊高效節(jié)水灌溉項(xiàng)目PPP合作公司的運(yùn)營管理實(shí)際需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了讓項(xiàng)目PPP實(shí)施主體公司運(yùn)營管理人員使用手機(jī)通過高速3G/4G網(wǎng)絡(luò)或者接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦即可隨時(shí)隨地了解灌溉系統(tǒng)運(yùn)行情況，即：①水源信息實(shí)時(shí)掌握。公司運(yùn)營管理人員可以實(shí)時(shí)了解掌握水源地水位和現(xiàn)場情況，為合理調(diào)配水資源提供依據(jù)。②泵站啟停智能、自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)泵站無人值守。③管道流量實(shí)時(shí)監(jiān)控。進(jìn)行了項(xiàng)目總水量的監(jiān)測與統(tǒng)計(jì)， 又為運(yùn)營人員及時(shí)快速地了解管道故障提供了便利。④田間灌溉全面控制、精準(zhǔn)計(jì)量。實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)NFC卡現(xiàn)地開啟和關(guān)閉用水閥門，或無線客戶端開啟和關(guān)閉用水閥門。方便了運(yùn)營人員對(duì)用不戶用水的管理。⑤田間氣候自動(dòng)監(jiān)測。為科學(xué)灌溉提供依據(jù)。⑥控制中心運(yùn)行維護(hù)服務(wù)化。項(xiàng)目PPP實(shí)施主體公司實(shí)現(xiàn)了省投資、省運(yùn)維費(fèi)用，同時(shí)提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

系統(tǒng)的建成，為全面落實(shí)國家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部、水利部、農(nóng)業(yè)部《2014年農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革試點(diǎn)方案》要求，為試點(diǎn)區(qū)用水量總額管理和水價(jià)改革的具體化，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)貼和節(jié)水獎(jiǎng)勵(lì)提供全方位的信息支撐。同時(shí)，隨著農(nóng)業(yè)灌溉數(shù)據(jù)庫的不斷完善，最終可實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)和智能灌溉。

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