韋應(yīng)堂，魏 凱，蔣曉云

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

我國水資源緊缺，特別是西北地區(qū)，常年干旱少雨，部分地區(qū)作物的灌溉都難以保證[1]。滴灌因具有省水、節(jié)能、增產(chǎn)等優(yōu)點，近年來發(fā)展很快。但是滴灌低頭流量較小，且滴頭的流道和出水孔都很小，當(dāng)灌溉水質(zhì)較差時，滴頭很容易堵塞，制約了沿黃灌區(qū)滴灌工程的推廣。

據(jù)有關(guān)資料表明，黃河水蘭州段多年平均含沙量為2.19kg/m3，汛期為3.82kg/m3。顆粒平均粒徑0.0249mm，最大粒徑0.5mm。依據(jù)Bucks等的滴灌水質(zhì)分類體系[2]，僅在物理性懸移質(zhì)顆粒上，黃河水就遠遠超過嚴(yán)重堵塞指標(biāo)(該指標(biāo)為0.1mg/m3)。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者就如何處理含沙量較高的灌溉用水已取得很多成果，柴建華等提出的基于四級過濾模式的滴灌系統(tǒng)在內(nèi)蒙古灌區(qū)得到了應(yīng)用[3]；范文波等提出了非全流負壓底濾分水自動反沖洗過濾裝置[4]；為了解決黃河水微灌堵塞的問題，田軍倉研制了高含沙水微灌非全流過濾裝置[5]；鄭和祥等研制了滴灌大首部系統(tǒng)集沉沙與過濾系統(tǒng)，并在鄂爾多斯黃河南岸灌區(qū)得到了良好應(yīng)用[6]。

皋蘭縣位于黃河中上游，蘭州市以北，距蘭州市45km。黑石灌區(qū)位于皋蘭縣北部，現(xiàn)狀灌水方式為渠灌，灌溉水源利用黃河水。項目實施區(qū)位于皋蘭縣黑石灌區(qū)，本次設(shè)計的滴灌系統(tǒng)主要由首部過濾系統(tǒng)、田間工程、控制系統(tǒng)三部分組成，采用“平流沉淀池+斜管沉淀池+水泵加壓+水肥一體化施肥+疊片過濾器+輸水干管+田間管道+壓力補償式滴灌管”實現(xiàn)田間滴灌。

1 首部過濾系統(tǒng)設(shè)計

考慮到黃河水蘭州段泥沙含量較大，本次采用“平流沉淀池+斜管沉淀池+疊片過濾器”的過濾方式。黃河水由引水渠進入平流沉淀池，經(jīng)自然沉淀后，由潛水泵將水提升至斜管沉淀池，過濾后的灌溉水經(jīng)首部泵站加壓，經(jīng)施肥罐、碟片過濾器后輸送至田間。首部過濾系統(tǒng)連接如圖1所示。

圖1 首部過濾系統(tǒng)示意圖

1.1 平流沉淀池設(shè)計

平流沉淀池其原理是靠足夠大的體積使得水流自進入沉沙池后，水流所攜帶的大于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)粒徑以上的砂礫石以沉速V下沉，當(dāng)水流到沉沙池末級取水區(qū)時，砂粒剛好沉到池底。

根據(jù)黃河泥沙的特點，平流沉淀池的表面負荷率宜選擇較小值，以利提高沉淀效率，本次設(shè)計表面負荷率為0.3mm/s，取水流量確定為0.054m3/s，沉淀池表面積A=160m2。水平流速取V=20mm/s，相應(yīng)停留時間T=1.25h。平流沉淀池為C25鋼筋混凝土矩形水池，長×寬×高(90m×2m×2.2m)，分為三級沉淀，長度分別為30、30、30m。池底厚0.4m，池壁為重力墻，頂寬0.2m，底寬0.4m。

1.2 斜管沉淀池設(shè)計

斜管沉淀池指在沉淀區(qū)內(nèi)設(shè)有斜管的沉淀池。利用傾斜的平行管或平行管道(有時可利用蜂窩填料)分割成一系列淺層沉淀層，被處理的和沉降的沉泥在各沉淀淺層中相互運動并分離。本次斜管沉淀池為C25鋼筋混凝土矩形水池，長×寬×高(13.75m×8.5m×5.0m)；池壁為直墻，厚0.5m，底板厚0.5m，頂板厚0.5m，外包0.2m厚保溫板。設(shè)計產(chǎn)水量Q=200m3/h，沉淀池表面負荷：q=5.0m3/(m2·h)，斜管孔徑采用內(nèi)徑35mm。斜管斜長采用1.0m。斜管傾角采用60°。進水方式采用穿孔墻整流布水，出水方式采用多槽出水，在池面上增設(shè)幾條平行的集水槽，以改善出水水質(zhì)，加大出水量。

因沉淀池設(shè)于室外，所以在沉淀池旁設(shè)排泥閥門廊道，上蓋玻璃鋼格板，以方便排泥閥的維護與檢修。斜管沉淀池排泥排入平流沉淀池統(tǒng)一處理。

1.3 碟片過濾器設(shè)計

本次選用全自動疊片過濾器，過濾精度200μ，處理能力200m3/h，過濾器組合中的各單元之間，反洗過程輪流交替進行，工作、反洗狀態(tài)之間自動切換，可確保連續(xù)出水；反洗耗水量少，只占出水量的0.5%，只需數(shù)10秒即可完成反沖洗。

2 田間工程

2.1 田間管道工程

根據(jù)現(xiàn)狀地形條件，在黑石灌區(qū)東北面設(shè)灌溉系統(tǒng)首部取水后沿東南方向布置1條Ф225PVC(0.6MPa)的干管。干管后設(shè)支、分支、輔、毛四級管道，各級管道垂直連接，管道埋深大于凍土層厚度。支管及分支管選用Ф160PVC(0.6MPa)管，的每條分支管上布置Ф75PE(0.6MPa)輔管，單向分水間距不大于80m，雙向分水間距不大于160m；每條輔管設(shè)計流量55536L/h，每條輔管控制14.8畝。為便于工作檢查，在干管首端及每隔500m處設(shè)檢查閘閥井，分支管末端設(shè)排水井。

2.2 種植模式與灌水器選擇

項目區(qū)主要種植作物為馬鈴薯。采用雙行種植，隴距0.9m，隴寬0.6m，隴上一膜兩行，株距0.3m。滴灌管布置在隴內(nèi)中間，采用一管一隴，滴灌管間距1.2m，布置方向與作物方向一致。灌水器選擇主要考慮抗堵性能較好的滴灌帶，采用Ф16滴灌帶，滴頭間距0.3m，滴頭設(shè)計流量2.0L/h，壓力補償范圍0.1～0.3MPa。

2.3 無線田間路由器

無線田間路由器接收首部控制器發(fā)送的啟閉電磁閥指令，通過Lora無線網(wǎng)絡(luò)將該指令發(fā)送至相應(yīng)的無線閥門控制器，同時接收無線閥門控制器監(jiān)測到的閥門反饋并將數(shù)據(jù)報送首部控制器。無線田間路由器布設(shè)在不受遮擋的農(nóng)田周邊，信號覆蓋半徑為800m。與首部最大通訊距離為5km。

2.4 無線閥門控制器

無線閥門控制器是一個能夠接受特殊編制的無線控制指令，并對指令進行解析和轉(zhuǎn)換的設(shè)備，接收無線田間路由器發(fā)來的控制指令，控制電磁閥開關(guān)，同時也能向無線田間路由器反饋電磁閥的狀態(tài)，并由無線田間路由器發(fā)送至首部控制器。

2.5 電磁閥

電磁閥是安裝在供水管路控制給水的脈沖電磁閥門，它在接受脈沖電信號后能開啟或關(guān)閉，實現(xiàn)對管道中的流體介質(zhì)的通斷控制。選用3寸電磁閥，連接方式為螺紋，閥門出水口連接輔管。每一個電磁閥都有1個IP地址，具有該地址的閥控器接到指令后，將相應(yīng)電磁閥開啟灌水或關(guān)閉停止灌水。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制原理設(shè)計

系統(tǒng)選用一體化PLC首部運行控制器，實現(xiàn)灌溉泵站水泵啟?？刂坪碗妷?、電流、供水壓力、供水流量、水質(zhì)等灌溉水?dāng)?shù)據(jù)的實時采集。控制界面采用人機交互界面，便于用戶制定、修改、編輯輪灌計劃，及時掌握灌區(qū)運行狀況。通過Lora網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)田間土壤墑情信息采集及閥門的遠程控制。灌溉控制原理示意圖如圖2所示。

3.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)是建立在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的一系列軟件服務(wù)，軟件平臺分為四層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

其中感知層負責(zé)信息采集和信號處理，包括渠道水位、流量、電磁閥、壓力、電量傳感器等；傳輸層直接通過GPRS和自組無線專用網(wǎng)絡(luò)對來自感知識別層的信息進行接入和傳輸；應(yīng)用服務(wù)云平臺通過感知和傳輸層獲取各種信息并進行識別、分類和存儲，然后再結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和其它業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行整合和分析，最終將實時和有效的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)布到應(yīng)用接口層供各種應(yīng)用來使用；應(yīng)用層通過分析處理后的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。包括工程信息和綜合查詢，水務(wù)管理，信息發(fā)布，系統(tǒng)管理，報表和管理，地理信息系統(tǒng)等。

圖2 灌溉控制原理示意圖

圖3 軟件平臺技術(shù)架構(gòu)圖

3.3 基于SCADA的人機交互界面設(shè)計

采用SCADA組態(tài)軟件設(shè)計人機交互界面，系統(tǒng)除顯示所有的參數(shù)的當(dāng)前值或狀態(tài)外，還可以對系統(tǒng)流程畫面等進行顯示，包括模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、中間變量和計算值。對顯示的每一個過程點，可以根據(jù)用戶的要求顯示其標(biāo)簽號(TAG)、說明、數(shù)值、工程單位、高低限等等有關(guān)這個標(biāo)簽的相關(guān)信息?？筛鶕?jù)用戶要求將設(shè)備運行時的操作指導(dǎo)，由液晶顯示器的圖象和文字顯示出來。人機控制界面如圖4所示。

3.4 軟件綜合管理系統(tǒng)設(shè)計

軟件綜合管理系統(tǒng)設(shè)計包含6個子系統(tǒng)如圖5所示，具體設(shè)計內(nèi)容如下：

(1)工程信息管理子系統(tǒng)。管理灌區(qū)建設(shè)情況，涵蓋從水源工程一直到田間的各種工程和設(shè)備信息，提供數(shù)據(jù)綜合和按條件的查詢和展示。

(2)地理信息子系統(tǒng)。提供GIS基本功能、管理各類地圖元素的空間數(shù)據(jù)信息、水源工程信息、田間工程信息、監(jiān)測信息及提供google政區(qū)地圖和衛(wèi)星地圖的瀏覽。

(3)灌區(qū)水務(wù)管理子系統(tǒng)。包含量測水管理、用水計劃管理、用水監(jiān)督管理及信息發(fā)布平臺。

(4)信息監(jiān)測子系統(tǒng)。具有遠程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信及交換、數(shù)據(jù)庫管理功能，實現(xiàn)對整個灌區(qū)的監(jiān)視管理和控制。

(5)網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)。包含系統(tǒng)故障切換和重啟、系統(tǒng)配置極其維護管理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、遠程診斷等功能。

(6)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫的管理、更新、添加、修改、刪除及查詢等功能。

4 灌溉預(yù)報與決策系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制模型選擇

由于作物灌溉控制受當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥?、作物自身等因素影響，灌溉不確定性較高，而模糊控制主要依據(jù)操作人員的工作經(jīng)驗，不需要建立相對復(fù)雜的模型，是解決不確定性系統(tǒng)的一種很好的方法。

圖4 人機控制界面示意圖

圖5 軟件綜合管理系統(tǒng)功能示意圖

本次設(shè)計基于土壤含水率E和農(nóng)田地表溫度c作為輸入量，灌水時間t作為輸出量的一個雙輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)。

4.2 輸入變量獲取

黑石灌區(qū)主要種植作物為馬鈴薯，周皓蕾等(2011)研究表明[7]，馬鈴薯在膜下滴灌條件下濕潤層深度約為28～35cm，本次土壤水分傳感器埋藏深度選擇為40cm，選用某公司產(chǎn)TEROS 12土壤水分傳感器，尺寸：9.4cm×2.4cm×7.5cm，能同時測量土壤體積含水量(EMC)、電導(dǎo)率和溫度，測量時間25～50ms。采集的數(shù)據(jù)通過Lora無線網(wǎng)經(jīng)無線田間路由器傳輸至首部運行控制器。

4.3 變量模糊劃分及模糊規(guī)則制定

考慮到灌區(qū)土壤水分及農(nóng)田小氣候?qū)崟r變化情況，預(yù)設(shè)田間墑情采集系統(tǒng)的采集周期為1h，土壤含水量的限值條件暫定為10%～40%，田間溫度限值條件暫定為15～45℃，灌水時間與采集周期通頻率，通過輸入/輸出變量的隸屬度函數(shù)對應(yīng)關(guān)系(如圖6所示)，得到E與C的量化因子KE與KC均為0.1，比例因子Kt為10。

圖6 輸入/輸出變量的隸屬度函數(shù)示意圖

根據(jù)現(xiàn)有的運行資料制定的一個模糊規(guī)則表(見表1)，應(yīng)用Mamdani’s法進行模糊規(guī)則的推理，按最大隸屬度法解模糊化，后續(xù)可通過積累的經(jīng)驗來修改相關(guān)參數(shù)。

表1 灌溉時間t對應(yīng)的控制規(guī)則表

5 灌區(qū)試運行情況

黑石灌區(qū)自2018年6月開始施工，2019年4月份完成建設(shè)，黃河水作為水源，畝均投資3200元。本滴灌工程泥沙處理系統(tǒng)采用了“平流沉淀池+斜管沉淀池+疊片過濾器”的過濾方式。處理后過濾器出口含沙量0.5～1.5mg/L，小于50mg/L，滿足GB/T 50485—2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》要求[8]，設(shè)計基本合理。

本項目未建設(shè)之前，黑石灌區(qū)采用渠道灌溉，毛灌溉定額500m3，通過本項目的建設(shè)，節(jié)約用水程度至少提高50%，僅2人即可完成灌區(qū)的運營與管理，解放大量勞動力。且田間電磁閥是安裝在供水管路控制給水的脈沖閥門，僅需太陽能就能完成灌區(qū)的閥門的正常開停，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，人機界面友好，具有良好的示范效果。

6 結(jié)論與討論

采用了“平流沉淀池+斜管沉淀池+疊片過濾器”的過濾方式，能很好地處理含沙量較高的黃河水，過濾后的黃河水水質(zhì)適于滴灌；項目區(qū)主要種植作物為馬鈴薯，每年需深耕，不適合有線方式，選用Lora無線自組網(wǎng)方式，繞射能力強，通訊穩(wěn)定、可靠、易維護、擴充方便、單點故障不影響其他，且無任通訊何費用產(chǎn)生；通過SCADA組態(tài)軟件編程，人機界面友好，操作簡便，實現(xiàn)灌區(qū)的動態(tài)實時監(jiān)控；引入了模糊控制作為專家決策系統(tǒng)，由于模糊控制的閉合性，提高了灌溉水量的控制精度。

由于黃河水泥沙含量較高，平流沉淀池和斜管沉淀運行負荷較重，過濾掉的淤泥如何處理也是灌區(qū)下一步要解決的問題。