徐寶山，任曉文，閆曉婷

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

近年來，隨著農(nóng)業(yè)用水需求的不斷增加，農(nóng)業(yè)供用水矛盾日益凸顯，加之水資源利用率低下，使得農(nóng)業(yè)灌溉用水愈加緊張，為緩解用水矛盾，世界各國都在大力探索行之有效的節(jié)水措施和提高水分利用率的辦法[1]。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的較大部分，大力推廣和發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)成為我國農(nóng)業(yè)今后發(fā)展的趨勢，尤其發(fā)展現(xiàn)代化高效節(jié)水農(nóng)業(yè)更是農(nóng)業(yè)的必由出路[2]?，F(xiàn)代化高效節(jié)水農(nóng)業(yè)不僅在種植和灌溉方面比較精細化，而且在輸配水、灌水方式、降雨、蒸發(fā)、土壤墑情和作物需水規(guī)律等方面進行全面統(tǒng)一考慮，通過灌溉自動化系統(tǒng)將灌溉水、降雨、地下水聯(lián)合調(diào)用按時、按需、按量進行自動灌溉，并利用土壤墑情和氣象設(shè)備實時動態(tài)監(jiān)測土壤含水率和水分動態(tài)變化，實現(xiàn)灌溉水的自動化和動態(tài)化管理。

為深入推進節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)，促進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展，甘肅省疏勒河管理局借助清華大學(xué)開展水聯(lián)網(wǎng)多水源實時調(diào)度與過程控制技術(shù)應(yīng)用示范研究項目引進了澳大利亞潞碧墾公司研發(fā)的一體化測控閘門系統(tǒng)，以及依托南京水文水資源研究所提供的自動化灌溉電磁閥田間設(shè)備在昌馬灌區(qū)南干渠管理所建立了高效節(jié)水示范園區(qū)。通過不斷加強自動化閘門與自動化灌溉軟件的耦合，重點實現(xiàn)了基于TCC控制模式下的灌溉自動化系統(tǒng)體系，一體化閘門根據(jù)下游園區(qū)實際需水要求，逐級進行反饋和前饋，實現(xiàn)閘門的聯(lián)合調(diào)度，精準(zhǔn)完成配水。自動化灌溉系統(tǒng)參照田間土壤含水率上下限，結(jié)合氣象和土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)，對作物進行精細合理化灌溉，真正實現(xiàn)水資源的高效利用，更為灌區(qū)自動化節(jié)水灌溉提供了技術(shù)支持和系統(tǒng)軟件服務(wù)。

1 自動化節(jié)水灌溉體系組成

本自動化節(jié)水灌溉體系主要有一體化測控閘門系統(tǒng)(TCC控制模式)、自動化灌溉系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成。通過建立中間聯(lián)通介質(zhì)將一體化測控閘門系統(tǒng)和自動化灌溉系統(tǒng)有機的進行了耦合和聯(lián)動，并結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了水資源管理的準(zhǔn)確預(yù)報、精準(zhǔn)調(diào)度、高效管理和有效利用。

1.1 全渠道控制TCC渠系控制

TCC(Total Channel Control)全渠道控制模式的簡稱，全渠道控制模式的工作原理是當(dāng)下游農(nóng)戶開始取水時，取水口向上游閘門發(fā)送流量信息，上游閘門回應(yīng)配送需求流量，下游農(nóng)戶閘門監(jiān)測理想水位變化，并將信息發(fā)送至上游閘門，實時調(diào)整閘門的開度，以確保水位保持在適當(dāng)水平，上述過程在整個渠道持續(xù)進行，以保持適當(dāng)水量通過各相關(guān)閘門，將水位保持在適當(dāng)水平，而不發(fā)生溢流。示范園區(qū)一體化測控系統(tǒng)全渠道TCC渠系控制技術(shù)路線如圖1所示。

全渠道控制TCC渠系控制除了硬件模塊采用比較精密的定流式設(shè)計(堰式)和精確的馬達控制，在軟件系統(tǒng)上，采用SCADA Connect軟件實現(xiàn)一體化閘門的協(xié)調(diào)操作和遠程遙感監(jiān)測，以及NeuroFlo軟件對接收到相關(guān)閘門流量和水位信息經(jīng)過優(yōu)化計算后做出理想回應(yīng)，確保渠系內(nèi)流量和水位保持在適當(dāng)水平，該模式采用了反饋和前饋控制循環(huán)技術(shù)，精準(zhǔn)的配水有效地滿足了用戶的需求。具體運作原理如圖2所示。

圖1 全渠道TCC渠系控制技術(shù)路線圖Fig.1 Total channel control TCC canal route

圖2 渠系控制具體運作圖Fig.2 Canal concrete control operation

1.2 自動化灌溉系統(tǒng)

自動化灌溉系統(tǒng)是基于計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)為一體的自動化控制系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)利用土壤溫濕度傳感器和水位傳感器實時監(jiān)測土壤墑情參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 及時連續(xù)上傳采集農(nóng)田土壤水分數(shù)據(jù)，中控室計算機進行分析處理，根據(jù)分析數(shù)據(jù)智能決策實現(xiàn)遠程操控水泵的起停、電磁閥的啟閉和灌溉用水量，使農(nóng)田灌溉實現(xiàn)少人值班的自動化精準(zhǔn)灌溉。

該系統(tǒng)通過ZigBee自組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、控制中心和無線網(wǎng)關(guān)之間相互作用進行信息的傳輸和控制[4-6]。ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)底層有一定數(shù)量的溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點，能夠自動采集土壤含水率信息以及實時動態(tài)監(jiān)測水分變化，并結(jié)合預(yù)設(shè)的土壤含水率上下限進行分析，判斷是否進行灌溉和停止灌水。同時無線網(wǎng)關(guān)將傳感節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行匯集、編址計算路由信息，通過GPRS傳遞信息數(shù)據(jù)給控制中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理[7，8]。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Scheme of the system framework

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

全園區(qū)共安裝6臺360°全視角高清攝像頭，通過對攝像頭采用后臺云端控制，更好對園區(qū)自動化灌溉系統(tǒng)進行了監(jiān)控和可視化操作。視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為自動化灌溉系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，使得遠程操作更加直觀、更加準(zhǔn)確。

2 自動化節(jié)水灌溉體系

自動化節(jié)水灌溉體系是以上三大系統(tǒng)的自主耦合，在基于一體化測控閘門精確配水的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動化灌溉系統(tǒng)，并且在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的輔助下，以實現(xiàn)整個園區(qū)灌溉用水的自動化、精量化和可視化。 該體系的形成不僅有效解決了農(nóng)業(yè)用水效率低的問題，有充分發(fā)揮了節(jié)水設(shè)備的優(yōu)勢，使管理水資源更加科學(xué)、方便，而且對推廣自動化節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)，提供了試驗依據(jù)。整個自動化節(jié)水灌溉體系工作流程如圖4所示。

圖4 自動化灌溉體系工作流程圖Fig.4 Automated irrigation system workflow

當(dāng)溫濕度傳感器監(jiān)測到土壤含水率低于設(shè)定目標(biāo)值以后，說明作物需要進行灌溉。此時，傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)處理信息并與控制中心進行數(shù)據(jù)交互。同時，通過控制中心主機發(fā)送指令給河水泵，河水泵開啟，需要灌水的控制閥門打開。隨著蓄水池的水位不斷下降，二分干一農(nóng)測控閘門下游水位傳感器監(jiān)測到蓄水池水位下降到設(shè)定值以下，閘門開啟給蓄水池補水，并發(fā)送需水信息給上游的二分干一斗節(jié)制閘，上游閘門監(jiān)測水位并適當(dāng)調(diào)整閘門開度，此過程依次不斷持續(xù)進行，直至南干二分干閘門，通過反饋和前饋的操作模式，實現(xiàn)精確的配置額外需水量。在此過程中，氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)為灌溉做出更加精確的判斷，而監(jiān)控設(shè)備可以隨時監(jiān)控園區(qū)內(nèi)灌水的情況，及時且直接。

3 園區(qū)運用實例

園區(qū)自動化灌溉體系操作界面如圖5～圖8所示。整個園區(qū)通過自動化控制中心的遠程終端設(shè)備可以實現(xiàn)對一體化閘門的遠程控制。根據(jù)田間埋設(shè)的溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，判斷作物是否需水，完成控制閥門的啟閉。

圖5 TCC全渠道控制界面Fig.5 TCC total channel control interface

圖6 視頻監(jiān)控后臺控制Fig.6 Video surveillance background control

圖7 渠首泵房控制界面Fig.7 Pumping station of head control interface

圖8 田間控制閥布置圖Fig.8 Field control valve arrangement

4 結(jié) 語

基于TCC控制模式的自動化灌溉體系的運用，為灌區(qū)自動化節(jié)水灌溉控制提供了有效的實現(xiàn)手段。本園區(qū)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，接入了一體化測控閘門系統(tǒng)、節(jié)水灌溉系統(tǒng)和園區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)。在示范園區(qū)安裝一體化測控閘門和灌溉自動化系統(tǒng)，不僅在操作方面實現(xiàn)了自動化遠程控制，取代了人工調(diào)節(jié)，解放了生產(chǎn)力，而且通過反饋和前饋控制循環(huán)技術(shù)，精確實現(xiàn)一體化閘門的聯(lián)合調(diào)度，利用高精度流量計算軟件和控制軟件，對閘門進行實時調(diào)整，以確保水位保持在適當(dāng)水平，并且可以準(zhǔn)確找出滲漏和泄漏，完全杜絕跑水、漏水、剩水等傳統(tǒng)不良現(xiàn)象，大大減少了輸配水過程中的水量損失，實現(xiàn)了精準(zhǔn)配水。加之，自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的配合，使一體化測控閘門在控水、配水、節(jié)水方面更進一步得到了發(fā)揮?；谝惑w化測控閘門的自動化灌溉系統(tǒng)做到了給作物按時、按需、按量灌溉，實現(xiàn)了精準(zhǔn)化，減少了深層滲漏損失，節(jié)約了水資源。

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