貴州省大型灌區智能節水灌溉信息化建設技術模式研究

古今用

（貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550002）

1 貴州省灌區概況

貴州省是全國唯一沒有平原支撐的內陸山地省份，位于我國西南部，全省土地總面積176 167 km2，占全國總面積的1.8%。分別屬于長江流域和珠江流域，長江流域占115 747 km2，珠江流域占60 420 km2。貴州省的總體地勢西部高，全省山地面積占61.7%，喀斯特出露面積占全省國土面積的73%。特殊的地形地貌、復雜的地質條件，致使貴州省水資源開發利用難度大，工程性缺水問題十分突出。

貴州省目前有金黔灌區、黎榕灌區、湄鳳余灌區、烏中灌區、安西灌區、盤江灌區、銅東灌區、甕福灌區、興中灌區和遵義灌區10個大型灌區，灌區地形以山區、丘陵為主，灌區所在地國土面積32 564 km2，占全省國土總面積的18.5%，耕地總面積6 857.47 km2，占全省耕地面積的39.2%，其中規劃灌溉面積2 208 km2，有效灌溉面積1 700.53 km2。

2015年12月30日，國家發展改革委員會、水利部聯合印發《大中型灌區續建配套節水改造項目建設管理辦法》（發改農經［2015］3139號）文件提出建設現代灌區量測水、管理信息化等要求，但由于灌區多為貧困山區，對信息化建設工作認識尚淺，管理人員素質不高，技術落后，管護經費難以到位，不能有效管理好、掌握好信息設備與技術。目前，還未進行過系統的信息化建設，水庫隧洞放水多為雙向轉動閘閥控制，采用手搖式啟閉機方式，結構老化，運行極不方便。雖然在灌片管理站和水庫管理所都配備了雨量筒，但還未安裝自動化監測與控制設備，仍然采用人工觀測的方式，存在不同程度的安全問題。

2 信息化建設功能設計

灌區信息化建設是一個系統工程，包括信息基礎設施建設、專業信息系統建設、保障措施與環境建設及數據平臺建設。通過與灌區管理局的深入交流與現場實際調研，綜合考慮水庫灌區效益、需求、認識到位程度、人員配置及管理情況、技術成熟度和實施難度等基礎條件開展信息化建設，主要建設內容分為硬件和軟件兩部分，具體結構如圖1所示。

圖1 信息化總體架構圖

信息化建設實現的主要功能如下，一是灌區工情信息的采集與監測，包括基礎工情信息和部分實時工情信息。將灌區的圖片和資料通過掃描儀和數字化儀轉化為圖片文件，包括灌區氣象、水文、土壤、作物基礎數據及灌區概況、渠系分布、農業生產、歷年工程批復建設情況、工程效益及績效評估等方面基本概況數據的輸入、修改、查詢等功能。通過圖形實時模擬顯示計算成果，提高系統管理操作的直觀性和可視性。二是重要分水口的自動啟閉及量測水的遠程控制。通過在灌區水庫水源出水口閘門進行自動化改造，實現總閘的自動啟閉、自動放水、自動量水，以及干渠重要分水口閘門的自動啟閉及量測水。三是通過對泵站出水管道的流量監測、壓力監測和高位水池水位的自動監測來實現對泵的自動化控制。管理人員在信息中心可實時查看高位水池水位數據、出水管道壓力和流量數據，以此控制泵的啟閉。通過實時掌握水池水位、管道流量、壓力、泵站開關狀態、電壓和電流等各種監測指標，為水庫灌區取用水安全提供保障。四是節水灌溉智能化控制。系統設置主要作物適宜的土壤水分調控閾值，得出了各作物的三種節水灌溉模式，當土壤水分臨近或低于土壤水分下限值時，實施灌水，達到土壤水分上限值要求時停止灌水，以適應不同水文年的作物高效用水要求。五是通過灌區信息化建設加強對灌區基層人才的培訓，提高灌區信息化應用水平，體現灌區信息化建設的優勢［1-4］。

3 主要硬件設備設計與選型

3.1 水庫水位監測設備

灌區中的水庫大多具有供水、灌溉等功能，而且具備調蓄、防洪功能。因此，監測灌區水庫水位一直是水文、水利部門的重點。實時動態監測水庫水位，對保證灌區正常用水乃至灌區的安全有著重要的意義。雖然部分灌區水庫都配備了水位尺，但仍然采用人工觀測，還未安裝自動化監測與控制設備，本次灌區信息化建設擬實現水庫水位監測的自動化，滿足水庫雨水情監測自動化需求。

雷達式水位計是一種高精度、非接觸式的水位測量儀。通過往水面發射高頻雷達波，接收水面反射比，測量到水面的距離，測量中不與水面接觸，不受渾水、污泥、水生植物等因素的影響，并且安裝工作量比較小，只需安裝一個懸臂。該設備最主要的優點是抗干擾能力強，不受溫度、風、蒸汽等影響，安裝、使用、維護方便。以RTU為核心單元，使用雷達式水位計，利用GPRS公網傳送數據，采用市電進行供電。

3.2 流量監測設備

本灌區主要涉及閘門計量，根據上述渠道流量監測方法對比，結合本灌區水源泥沙量大的現實情況，采用超聲波多普勒進行測量。

3.2.1 傳感器安裝。灌溉渠道大多數都是明渠，形狀為矩形、梯形，少部分是U字型的。灌溉的暗渠會有少部分是圓形的。對上游和下游渠道的要求如下：在傳感器上游，要有渠道寬度10倍的直渠道，如果上游是閘門、水泵，傳感器和閘門、水泵之間要有渠道寬度30倍的直渠道；傳感器的下游，要有渠道寬度5倍的直渠道。

3.2.2 活動支架安裝。如果有沉積物，如淤泥，要把傳感器安裝在沉積物的旁邊或者上面，這時就需要用到安裝支架。因為每個現場安裝支架的高度和寬度都不相同，一般都是在現場附近制作。

傳感器的支架和岸邊起固定作用的支架之間用螺絲擰在一起，這樣在維修和維護時，把岸邊支架上的螺母擰掉就可以把傳感器從水里面撈出來。

3.3 閘位測控傳感器

根據閘門啟閉卷揚起閉和螺桿起閉方式不同，選擇軸聯結閘位計傳感器，使輸出軸通過偏心聯軸器（或彈性聯軸器）與閘門卷揚機的減速機構小齒輪軸頭（或卷筒的軸頭）相連接，也可采用直聯結3 m拉線式位移傳感系統，實現對閘門起升高度的測量與控制。軸連接閘位計參數特點：①內部配以精密的變速機構，集檢測與A/D轉換為一體，具有斷電記憶功能；②適合各類閘門（平板門、弧形門、人字門、門機和橋機等）；③分辨率與所配編碼器有關，如配編碼器GD-32768/64，每周分辨率512碼，連續轉64圈；④精度為±0.1%×量程±1；⑤通信方式為并行格雷碼、RS485串行通信接口、4～20 mA標準模擬量；⑥工作電壓為DC 12～24 V。

3.4 電動閥

在實際應用中使用較多的閥有電磁閥和電動閥。電磁閥較易被異物堵塞，對水的阻力較大，一段時間過后需要有專人維護維修等。而電動閥則沒有這些缺點，故選用電動閥。

電動閥的工作原理是利用電動執行部分控制閥門，從而實現電動閥的開啟與關閉。電動閥由兩部分組成，上面是電動閥的執行部分，下面是電動閥的閥門。電動閥是通過電能轉換成機械能控制閥門開關，從而實現閥門的開關調節動作。

該電動閥具有節能、不發熱的特性，電耗降低最多可達80%，功率低，可長時間通電，工作穩定。低電壓下可正常工作，不會因電壓輕微抖動而發生閥芯的抖動。閥體采用全銅鍛造，強度高、性能強，擁有更強的控制能力，發熱低，適合各類工作環境，反應時間短，以便及時響應控制。

4 系統應用軟件設計

4.1 數據信息流程

4.1.1 信息化總體結構。銅東灌區信息化建設總體結構分為信息采集、信息傳輸、信息管理、信息應用四大部分，建設項目主要包括通信傳輸網絡、中心管理平臺、水庫水閘自動監測控制系統、干渠渠道流量閘門監測控制系統和視頻監測系統五大部分，總體結構如圖2所示。

4.1.2 數據信息流程。灌區信息化系統中包括水情信息、水費信息、調度信息、視頻語音信息和其他與灌區業務相關的信息，這些信息是各級管理部門進行決策所必需的基本信息。

信息源的分布包括灌區管理局調度中心、水庫管理所分中心、監測站點等業務相關單位。這些信息的收集、傳輸和處理應用是灌區信息化系統要解決的主要技術問題，根據信息源及其特性對信息進行分類并分析各自的流程，對系統設計有著重要的指導意義。

圖2 總體結構圖

數據采集系統包括水庫水位實時監測、渠道流量實時監測、氣象墑情實時監測、視頻實時監測等功能。系統主要功能是為銅東灌區灌域日常管理提供信息服務。在綜合數據庫和GIS的支持下，為管理部門和相關單位提供各類相關信息查詢服務和預警信息，提供及時準確的在線信息查詢等信息服務，同時實現監測信息的接收與處理。

根據灌區信息化集中式管理需要，灌區內所有信息需要匯集到灌區管理局信息中心，在此可以看到所有監測站點的情況。水庫管理所信息分中心可以查看本轄區范圍內所有監測站點的情況。灌區管理局信息中心可以通過網絡調取水庫管理所信息分中心的數據。

灌區管理局信息中心是所有信息的集散地，通過網絡向需要數據的站點提供數據支持。水庫管理所信息分中心可以查看水庫管理所所屬灌域的站點信息情況。

本次信息化需要建設信息中心與各信息分中心的骨干網絡、視頻監視站點到所屬管理所的寬帶網絡，管理所與信息中心連接成一個局域網絡，在信息中心建立數據傳輸業務平臺，實現遠程控制，實時采集數據，提供傳輸通道，同時為業務應用子系統建立網絡應用平臺。

根據需求分析及上述的方案設計，灌區計算機網絡、辦公業務數據傳輸、視頻信息傳輸等需要高帶寬、穩定可靠的通信保障，因此，需要自建光纜通信網絡來輔助通信。流量、閘位等信息采集屬于小數據量通信，采用GPRS公網通信。

4.2 智能節水灌溉系統

灌溉控制系統由管理中心平臺、管控網絡和田間控制操作層三部分構成。其中管理中心平臺是實現管理的核心，管理中心平臺與田間的閥門控制節點采用GPRS網絡進行連接，發送控制命令操作閥門，監控管網壓力、流量狀態。田間閥門控制器連接電磁閥門，接收輪試點區管理終端的控制命令，發送脈沖實現電磁閥門的遠程開閉控制，同時，連接管道壓力計監測管網壓力、連接流量計監測管道流量。其具體功能如下。

①電磁閥啟閉控制；②采集閥控制狀態等信息，如通信電量、控制電磁電量等；③檢測電磁閥的開關狀況；④檢測連接到本田間控制終端的多種外圍設備，如水壓等傳感器；⑤接收自己所屬遠程控制終端發來的開閥、關閥命令，進行開閥、關閥操作；⑥閥門狀態異常故障報警。

首先，南皮位于京津冀第二圈層。南皮縣距北京主城區250公里，距天津主城區160公里，以兩大中心城市的主城區為極核，北京、天津市屬郊縣為第一圈層，南皮縣處于接受中心輻射的外圍第二圈層。

閥門控制器是系統的核心模塊，包含MCU和射頻系統，能夠調制/解調無線信號，完成命令解析，對閥門控制模塊、水壓采集模塊、供電模塊進行一系列的邏輯控制和操作。

閥門控制模塊是執行閥門開/關命令的末級單元。其功能是按照MCU所提供的控制邏輯為相應的電磁閥門提供正向/負向電流以控制電磁閥門開啟/關閉。

4.3 視頻監視系統

通過現場的攝像裝置，視頻監視系統可以通過網絡將現場的實時圖像準確、快速、清晰地傳輸到相應的管理部門——水庫管理處。值班人員及管理人員根據視頻圖像所反映的現場情況，就可以異地監視水工建筑物的運行、處理事故。實時采集到的視頻信息可以存儲在計算機中，作為歷史資料，對于事故分析、責任排查、建筑物運行管理水平提高都具有非常重要的價值。

視頻監視系統主要由前端設備、傳輸設備、控制設備、記錄及監視設備四大部分組成。前端設備由安裝在監視點的高分辨率彩色攝像機、全方位云臺、變焦鏡頭和室外專業防護設備等組成。其主要負責圖像數據的采集和信號處理；實時監視相關水庫工程及管理所周圍環境；在信息中心的監視設備上監視現場的實時圖像；視頻圖像循環存儲，圖像存儲時間不低于7 d；信息中心安裝視頻管理服務器，集中存儲視頻圖像；信息中心和管理站可以監視視頻監視點；圖像分辨率為704像素×576像素，傳輸速率不少于25幀/s；具備紅外夜視功能，光線昏暗時也可以看清被監視對象；具備防網絡阻塞功能；有系統管理權限之分；利用網絡傳輸視頻信息；為系統容量擴充留有余量。

4.4 閘門測控系統

閘門監控系統以“無人值守”為設計原則，通過傳感技術、自動化控制技術、計算機軟硬件技術、網絡通信技術的綜合應用，使用戶能夠控制閘門，還可以通過計算機遠程控制閘門的啟閉狀態，采集和傳輸圖像信息，遠程控制系統的聯鎖，使閘門控制系統、水位、流量、視頻畫面和閘門控制系統能夠集中顯示在軟件畫面上，使遠程操作更加直觀。

網關控制系統具有以下特性：①圖形仿真站點場景，可實時顯示網關的高度和狀態；②通過計算機鼠標操作可以打開或關閉計算機網關；③在現場展示壓力和實際信息，詳細掌握設備的操作情況；④完善事件記錄，記錄每個網關操作的打開時間和高度；⑤豐富的廣告信息。該軟件可以集成水位信息，實時顯示水位的當前高度，且遠程操作更加可靠，更易于滿足業務需求。根據計算機化要求，控制系統實施了現場控制、水庫管理層控制和三級編程控制。

4.4.1 現地控制。主要包括邏輯控制部分、操作部分（電機保護器、相序保護器、過載保護器、交流接觸器、關口表、電壓變送器和電流變送器等）、通信部分（以太網、無線GPRS或光纖傳輸、RS485接口等）三部分，構成了工業級高可靠性的關口自動化控制系統。內部控制系統支持螺桿、絞車、斜拉等閘門類型，單孔或多孔閘門可接入系統。此外，考慮到網關通常位于遠程位置，系統除了支持有線網絡外，還可以選擇通過光纖到變電站的有線或GPRS無線進行遠程控制。考慮到子站和存儲站門更接近信道門，可以優先考慮光纖通信接入公用網絡。

現地控制單元采用PLC完成對閘門的邏輯控制，PLC首先根據閘門現有的參數，如閘位、機械上/下限位、電子上/下限位、按鈕輸入、閘門是否有運行機械故障報警等判斷現有的工況，然后通過控制指令和邏輯運算使閘門完成操作，在軟件上考慮閘門上升、下降時的邏輯互鎖和反向延時，以防止閘、閥的機械和電氣沖擊，考慮上升、下降時左右的閘位高度是否達到糾偏要求、是否超差等，所有這一切都通過PLC內的梯形圖軟件編程來實現。PLC通過RS-485總線通信接口與監控中心閘門監控計算機構成一主多從結構的通信系統，完成上位機發出的采集和控制指令。監控中心計算機通過應用軟件直接監控，監測閘門的狀態，并控制門到設定開度；現地控制柜中的測控儀和PLC直接控制閘閥，并響應上位機的控制命令、采集命令，組成分布式系統，共同實現對閘門的監控。

4.4.2 水庫管理所級控制。主要由水庫管理所級計算機和PLC控制系統組成，當電動執行機構可通過工控機對閘門進行水庫管理所級控制時，能夠監測閘門控制箱所有信號量、測量值等實時工況及運行參數，執行和記錄調度員發出的本站設備調節及控制命令信息。

遠程控制，可實現對閘門的手動啟閉控制，也可設定一開度值，與當前開度值進行比較，由PLC控制系統自動給出啟閉指令，當到達目標值時自動停止，當閘門控制柜接收到啟閉指令后，首先進行判斷，如指令正確則按給定開度值控制電動機啟動，同時，電動執行機構獲取閘門位置。在此過程中，若閘門超出上下移動范圍，立刻終止電動機運作，保護閘門不被損壞，完成操作指令后電動機停止，同時，通過光纖傳輸向水庫管理所級控制系統和調度中心返回啟閉高度結果。

4.4.3 灌區管理局調度級控制。調度中心控制是系統的遠程調度方法，能夠監控閘門監控點的信號量、測量值等實時工作狀態和運行參數，執行和記錄中心調度工作站發出的每個泵站的設備調整和控制命令信息。此外，根據各泵站的水位和運行工況，還可對相關閘門的啟閉進行調節和控制。若工作條件允許，調度中心控制層的上位機可直接操作閘門控制箱，實現遠程集中控制。根據收集到的信息，上位機可以建立各類信息數據庫，由調度員進行分析比較，改進管理方法，提高經濟效益，對各種工藝參數值（包括歷史數據）建立趨勢曲線。

4.5 灌區數據庫系統

4.5.1 設計原則。軟件是灌區信息化建設中最復雜的部分，灌區的業務比較繁雜，涉及業務也非常廣泛，包括雨水監測、閘門監測監控、水利工程管理、用水調動管理和電子政務等，每部分各具特點，應用開發的語言也不同。面對如此復雜的軟件建設情況，做好軟件的整體規劃尤為重要。

根據灌區業務應用系統的特點，灌區數據層規劃為數據平臺的建設模式，其數據庫從框架上規劃為道區基礎數據庫和地理信息數據庫，本次信息化建設實施方案中主要涉及基礎數據庫的建立。

灌區數據庫建設包括兩方面，即數據庫結構建設和數據庫內容建設。數據庫結構是指通過對灌區的分析，合理分類灌區信息，依據數據庫設計的相關理論和方法，建設結構合理、技術易于實現、滿足應用要求、安全可靠的邏輯和物理數據庫。

灌區數據庫平臺集成灌區的工程管理保存和管理。用水管理與行業管理密切相關，具有基礎性、專業性、時效性和共同作業性等特征的相關數據信息，可以為灌區其他專業信息系統的開發應用程序提供強大的數據支持。同時，灌區數據庫平臺具有較規范統一的渠道形式和數據標準，可以在行業內部進行信息交換、統計分析和評價等。

4.5.2 基礎信息數據庫設計。主要包括水情數據庫、閘控數據庫、工情數據庫、管理數據庫和水利空間屬性數據庫。

水情數據庫包括水位流量、監測站基本信息、監測站實時水位、統計水位信息、流量、統計流量信息、實時雨量和累計雨量信息等基本信息。數據存儲格式為數字、字符格式。數據共享方式為部分外部公開，其余為內部共享。閘控數據庫包括閘控站基本信息、閘門開啟高度等實時監控信息。數據存儲格式以字符、數字為主。數據共享方式為部分外部公開，其余為內部共享。工情數據庫主要包括水源、渠道工程及附著在其上的水利工程建筑物的資料，包括在建工程和已完成的工程。數據分類為工程的基本特征信息、技術指標信息、運行狀況信息及圖片圖像信息等。這類數據需要人工輸入。管理數據庫包括灌區的行政管理信息、經濟情況、固定資產信息、人事工程財務行政檔案、財務情況和用水戶協會信息等。水利空間屬性數據庫：包括灌區范圍內的所有水源、水利工程、管理設施、監測站點及地形地貌的空間屬性信息。

5 灌區智能灌溉信息化建設建議

5.1 灌區現代化建設應盡快制定技術標準

貴州省山地灌區地形、地貌、水資源、作物、土壤、工程分布、基礎設施及運行管理機制體制等存在差異。目前實施的灌區信息化建設種類繁多、標準不一，導致信息資源無法共享，形成信息孤島，硬件設施重復投資。亟須制定貴州省山地灌區技術標準，更好指導灌區信息采集、傳輸、應用層建設，為灌區現代化管理提供科學的決策依據。

5.2 加強水利先進實用技術在灌區的推廣應用

貴州省大型灌區信息化建設主要為灌區管理、用水調度管理、行政辦公決策與管理提供服務，具有顯著的經濟效益、社會效益和生態效益。貴州省大型灌區信息化建設的效益集中體現于通過各種用水信息的采集分析，建立科學的用水調度管理模式，為科學灌溉、合理用水、節約用水提供依據，提高灌溉保證率，增加農作物產量，提高農業生產力，改善當地農民生活條件，提高灌溉效益、供水效益。同時，通過先進的量水設施精確計量實用水量，不僅可以增加灌區水費收益，而且可大大減少交接水雙方的矛盾，從而確保灌區的社會穩定，為灌區水利現代化和經濟社會可持續發展提供可靠保障［5-10］。