周成文

（寧夏中衛(wèi)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院（有限公司）,寧夏 中衛(wèi) 755000）

在人類生存和國(guó)家發(fā)展過(guò)程中,水資源有著舉足輕重的作用,當(dāng)前世界部分國(guó)家水資源稀缺,制約著國(guó)家社會(huì)的戰(zhàn)略發(fā)展問(wèn)題。而我國(guó)是人口和農(nóng)業(yè)大國(guó),水資源嚴(yán)重匱乏,水資源人均占有率僅為世界水平的1/4,據(jù)2020 年統(tǒng)計(jì),我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)總用水量的60%以上；此外,我國(guó)水資源存在分布不均的特點(diǎn),不僅地域存在差異,而且與人口、土地不匹配。隨著節(jié)約用水意識(shí)以及灌溉水平提高,我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量也出現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。從2015年~2020 年期間,農(nóng)業(yè)用水從3800 億m3下降到3675 億m3,但是下降幅度相對(duì)偏小,因此實(shí)施節(jié)水灌溉工程具有重要意義。為貫徹落實(shí)中央、自治區(qū)“節(jié)水型社會(huì)建設(shè)”“四權(quán)改革”“水權(quán)交易”等政策要求,有效解決海原縣水資源匱乏的困局,海原縣委已啟動(dòng)規(guī)劃全縣高效節(jié)水灌溉規(guī)劃工作,2021 年首先以揚(yáng)黃灌區(qū)作為試點(diǎn)。海原縣水務(wù)局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村局為貫徹落實(shí)全縣高效節(jié)水灌溉規(guī)劃要求,經(jīng)實(shí)地調(diào)查、分析比選,選定了海原縣三河鎮(zhèn)、七營(yíng)鎮(zhèn)、李旺鎮(zhèn)、高崖鄉(xiāng)4.4 萬(wàn)畝農(nóng)田發(fā)展高效節(jié)水灌溉示范項(xiàng)目。

1 項(xiàng)目概況

海原縣高效節(jié)水灌溉項(xiàng)目共分為七營(yíng)鎮(zhèn)、三河鎮(zhèn)、李旺鎮(zhèn)、高崖鄉(xiāng)4 個(gè)片區(qū),對(duì)4 個(gè)片區(qū)進(jìn)行自動(dòng)化信息化建設(shè),其中七營(yíng)鎮(zhèn)與三河鎮(zhèn)為海原縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局管理,李旺鎮(zhèn)和高崖鄉(xiāng)為海原縣水務(wù)局管理。本項(xiàng)目區(qū)未進(jìn)行過(guò)任何自動(dòng)化信息化建設(shè),自動(dòng)化信息化均為新建,建設(shè)內(nèi)容包括：灌溉首部的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、蓄水池的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、田間灌溉的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制中心及信息化軟件平臺(tái)的建設(shè)。

本次計(jì)劃在海原縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局建設(shè)總控中心一座,在各片區(qū)蓄水池首部建設(shè)分控中心一座,各片區(qū)自動(dòng)化信息化數(shù)據(jù)（管道壓力數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、水泵啟閉狀態(tài)及閥門開關(guān)狀態(tài)等）通過(guò)光纖、485 及4 G上傳至各分控中心,分控中心統(tǒng)一將數(shù)據(jù)上傳至總控中心,進(jìn)行統(tǒng)籌管理調(diào)度。信息化軟件平臺(tái)統(tǒng)一部署在農(nóng)業(yè)農(nóng)村局總控中心,可以實(shí)時(shí)查看各片區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)共享至政務(wù)云平臺(tái),海原縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局與水務(wù)局?jǐn)?shù)據(jù)共享。對(duì)各個(gè)分控中心進(jìn)行權(quán)限分配,各分控中心設(shè)置獨(dú)立賬號(hào)登錄,能夠做到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立管轄、縣級(jí)統(tǒng)一調(diào)配管理。

2 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

海原縣高崖鄉(xiāng)高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)智能化示范工程是海原縣高效節(jié)灌搭上互聯(lián)網(wǎng)列車的先行試點(diǎn),也是整個(gè)寧夏“智慧節(jié)灌”的組成部分。項(xiàng)目建設(shè)高崖鄉(xiāng)高效節(jié)灌自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上建設(shè)高效節(jié)水灌溉專題數(shù)據(jù)庫(kù)以及包含基礎(chǔ)信息、自動(dòng)控制滴灌系統(tǒng)以及灌溉管理等應(yīng)用系統(tǒng),通過(guò)智能門戶、“一張圖”及“一人一頁(yè)”提高海原縣高崖鄉(xiāng)高效節(jié)水灌溉工程管理效率與服務(wù)水平。項(xiàng)目的總體架構(gòu)可分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、公共服務(wù)層、用戶層以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和保障體系,見(jiàn)圖1。其中,基礎(chǔ)設(shè)施層,集成已有監(jiān)控設(shè)施,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)末端覆蓋；數(shù)據(jù)層,全部融入云平臺(tái)服務(wù)器；平臺(tái)層,建設(shè)海原縣高效節(jié)灌業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)；業(yè)務(wù)應(yīng)用層,全面覆蓋管理過(guò)程,提升工作效率；展示層,海原縣高崖鄉(xiāng)高效節(jié)灌信息化系統(tǒng)總?cè)肟?；?biāo)準(zhǔn)規(guī)范與保障體系,保證信息化安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

圖1 總體框架設(shè)計(jì)

3 主要建設(shè)施工方案

3.1 田間自動(dòng)化通信方案

選擇采用無(wú)線LoRa傳輸?shù)拈y門控制器,與智能網(wǎng)關(guān)采用LoRaWAN通訊,智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的匯聚并通過(guò)4 G實(shí)現(xiàn)與政務(wù)云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本項(xiàng)目共389 臺(tái)閥門控制器,建設(shè)智能網(wǎng)關(guān)20 臺(tái)。投資費(fèi)用具體如下。建設(shè)費(fèi)用：根據(jù)計(jì)算,本項(xiàng)目單個(gè)智能網(wǎng)關(guān)每月消耗流量為14.17 Mb,根據(jù)選擇運(yùn)營(yíng)商提供流量數(shù)據(jù)包,最小為1 G/月,通訊費(fèi)用為120 元/a。本項(xiàng)目田間智能網(wǎng)關(guān)流量費(fèi)用為2400 元/a。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)及維護(hù)費(fèi)用：由運(yùn)營(yíng)商提供網(wǎng)絡(luò)維護(hù)服務(wù),無(wú)需額外網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用[1]。

3.2 灌溉首部自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

高崖鄉(xiāng)高效節(jié)灌示范區(qū)涵蓋兩個(gè)片區(qū),分別為高崖片區(qū)0.78 萬(wàn)畝,草場(chǎng)片區(qū)0.33 萬(wàn)畝。其中：高崖片區(qū)共計(jì)5 個(gè)灌溉系統(tǒng),由21.5 萬(wàn)m3蓄水池進(jìn)行調(diào)蓄供水；草場(chǎng)片區(qū)共計(jì)2個(gè)灌溉系統(tǒng),由8萬(wàn)m3蓄水池進(jìn)行調(diào)蓄供水。本次工程設(shè)計(jì)在2 座蓄水池均新建1 座首部樞紐,首部控制系統(tǒng)由PLC控制柜、壓力變送器、電動(dòng)蝶閥、電磁流量計(jì)等設(shè)備組成,傳輸方式采用租用運(yùn)營(yíng)商專線。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

在新建控制中心機(jī)房安裝LCU柜,主要由PLC控制器、觸摸屏、交換機(jī)等組成。低壓進(jìn)線柜綜合保護(hù)裝置、低壓?jiǎn)?dòng)柜綜合保護(hù)裝置、電磁流量計(jì)等設(shè)備采用通訊方式接入PLC。低壓?jiǎn)?dòng)柜、電動(dòng)控制柜、壓力變送器、投入式液位計(jì)等設(shè)備通過(guò)信號(hào)線接入PLC的I/O模塊。壓力變送器安裝在機(jī)組出水管,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)首部出水管道壓力數(shù)據(jù)；投入式液位計(jì)安裝在蓄水池里,可實(shí)時(shí)反映蓄水池水位,并通過(guò)水位-庫(kù)容關(guān)系,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄水池蓄水量；監(jiān)控?cái)z像機(jī)布設(shè)位置包括首部控制室及蓄水池,其中室內(nèi)1 臺(tái)、室外2 臺(tái)、蓄水池安裝2 臺(tái)。通過(guò)PLC控制柜實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁流量計(jì)、壓力變送器的數(shù)據(jù)的采集和控制,實(shí)現(xiàn)站級(jí)控制,具體配置清單見(jiàn)表1。

表1 高崖鄉(xiāng)首部自動(dòng)化設(shè)備配置

3.3 控制中心

本項(xiàng)目通訊架構(gòu)遵照經(jīng)濟(jì)實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)、擴(kuò)展方便、統(tǒng)一規(guī)劃、分期實(shí)施的原則建設(shè)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路的建設(shè),考慮到灌區(qū)工程通信業(yè)務(wù)寬帶化發(fā)展方向和地形條件等多方面因素,以及業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求因素的要求,本工程通信網(wǎng)絡(luò)采用租賃運(yùn)營(yíng)商專線的通訊方式。在首部設(shè)立系統(tǒng)控制中心,配置路由器、防火墻、交換機(jī)、服務(wù)器、工作站、電視、打印機(jī)、UPS及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3 。本次高崖鄉(xiāng)首部控制中心建設(shè)工作站2 臺(tái)、監(jiān)控顯示屏1 套、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜1臺(tái)、操作臺(tái)1套、打印機(jī)1臺(tái)、空調(diào)1 臺(tái)、防火墻1臺(tái)、路由器1臺(tái)、ups1臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)球形攝像機(jī)3 臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)1臺(tái)等[2]。軟件系統(tǒng)部署在總控中心,可通過(guò)設(shè)置分級(jí)權(quán)限,實(shí)現(xiàn)對(duì)高崖鄉(xiāng)、七營(yíng)鎮(zhèn)的綜合調(diào)度工作（見(jiàn)圖3）。

圖3 高崖鄉(xiāng)控制中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 專家決策系統(tǒng)

針對(duì)需水預(yù)測(cè),系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)（蒸發(fā)能力ET0）以及作物系數(shù)（Kc）,結(jié)合實(shí)測(cè)的墑情數(shù)據(jù)（土壤水分貯存情況）、預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)（降水）,以及作物生長(zhǎng)（根系深度）、土壤參數(shù)（降水利用參數(shù)和供水參數(shù)）,根據(jù)水平衡可求出時(shí)段內(nèi)灌溉需水量,結(jié)合專業(yè)的專家決策機(jī)制,系統(tǒng)會(huì)給出相應(yīng)的需水預(yù)報(bào)情況供灌溉支撐。

灌溉需水預(yù)測(cè)。水量平衡法的基本原理是根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)水量的收人和支出的差額來(lái)推算植物蒸發(fā)蒸騰量,屬于一種間接的測(cè)定方法。如公式（1）：

式中：Pe為有效降雨量；I為灌溉水量；W為地下水補(bǔ)給量；ET為植物蒸發(fā)蒸騰量；D為深層滲漏量；W為階段內(nèi)土壤含水量的變化；P為實(shí)際降雨量；R為地表徑流損失量；為降雨入滲系數(shù),其值與一次降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、土壤性質(zhì)、地面覆蓋及地形等因素有關(guān)。

以彭曼公式為基礎(chǔ),建立日、月水面蒸發(fā)量預(yù)測(cè)模型。如公式（2）：

其中：P0為海平面平均氣壓,hPa；P為計(jì)算點(diǎn)平均氣壓,hPa；為飽和水汽壓—溫度曲線上的斜率,mbar/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù),約為0.66；ea為空氣中實(shí)際大氣壓,mbar；es為飽和水汽壓,mbar；u2為2 m處的風(fēng)速,若用氣象站常規(guī)的觀測(cè)高度的風(fēng)速則需乘以0.75的風(fēng)速修正系數(shù),m/s；C為與最高氣溫和最低氣溫有關(guān)的風(fēng)速修正系數(shù)。

3.5 信息化系統(tǒng)建設(shè)

（1）系統(tǒng)監(jiān)控。直觀地展示系統(tǒng)工程的工程名稱、灌溉模式、種植作物、灌溉次數(shù)、出地樁個(gè)數(shù)、灌溉定額、累計(jì)用水情況。查看系統(tǒng)針對(duì)不同作物不同生育階段制定的輪灌制度,查看灌水定額,作為制定灌溉計(jì)劃的參考。

（2）首部監(jiān)控。直觀地展示首部工程的工程名稱、歸屬地、坐標(biāo)、機(jī)組數(shù)量、機(jī)組狀態(tài)、供水范圍、供水能力、運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)供水和運(yùn)維人員等基本情況,并且便于系統(tǒng)運(yùn)維人員管理。查看首部詳細(xì)的調(diào)度計(jì)劃,明細(xì)包括首部信息、調(diào)度用戶、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、水位變化、壓力變化、起始抄表流量、結(jié)束抄表流量、首部狀態(tài)、異常信息,以備管理員后期檢查[3]。

（3）電磁閥監(jiān)控。以項(xiàng)目區(qū)實(shí)際分布為準(zhǔn),在一張圖上匯出電磁閥分布情況,以便于直觀的展示和操控。系統(tǒng)提供直接在一張圖遠(yuǎn)程控制的功能,通過(guò)查看不同位置電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)（是否在開啟）,可進(jìn)行批量的操作即下發(fā)指令。

（4）熱力圖監(jiān)控。系統(tǒng)除基礎(chǔ)的圖層外,設(shè)計(jì)以熱力圖的形式直觀地將不同區(qū)域的程度描繪出來(lái),包括墑情、水量和壓力三個(gè)方面。

（5）墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)。土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤墑情的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè),可及時(shí)、準(zhǔn)確地提供各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤土壤溫度和土壤含水量狀況,為減災(zāi)抗旱提供了重要的基礎(chǔ)信息。

（6）氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)包括：雨量、空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、大氣壓強(qiáng)、太陽(yáng)輻射等要素,自動(dòng)記錄農(nóng)田環(huán)境信息。

（7）土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)。系統(tǒng)對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)整理后進(jìn)行圖表數(shù)據(jù)展示。

（8）視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)供水工程生產(chǎn)設(shè)備的全天候監(jiān)視及泵站的闖入報(bào)警,用于監(jiān)控管理輸水設(shè)施及自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備的保護(hù)預(yù)警等。

4 結(jié)語(yǔ)

水利灌溉過(guò)程中自動(dòng)化控制技術(shù)具有極其重要的地位,合理利用自動(dòng)化控制系統(tǒng),才能對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用,能夠減少水資源浪費(fèi),緩解我國(guó)用水緊張的現(xiàn)狀。本文以海原縣揚(yáng)黃灌區(qū)高效節(jié)灌工程為例,在實(shí)施灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)后,發(fā)展高效節(jié)水建設(shè)規(guī)模1.11萬(wàn)畝,項(xiàng)目區(qū)灌溉水利用系數(shù)提高至0.9以上,可節(jié)約0.21萬(wàn)m3；項(xiàng)目區(qū)灌溉保證率提高至85%；在已建的蓄水池前提下新建首部工程、布置田間管網(wǎng),并配套灌區(qū)灌溉自動(dòng)化、信息化系統(tǒng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)水灌溉工程智能化、自動(dòng)化,以信息化技術(shù)為載體,構(gòu)建了灌區(qū)內(nèi)水務(wù)管理一張圖。