水利灌溉自動控制系統設計及管理方案研究

林 智

（內江高新區經濟發展局水利股，四川 內江 641000）

0 引言

鄉鎮水利灌溉工程的規劃與管理都需要大量的資金投入，由于受我國鄉鎮經濟條件、農業發展程度等因素的制約，許多地方仍然存在著鄉鎮水利項目建設投資不足的問題，很難對鄉鎮水利灌溉項目進行全面、系統地分析，也不能反映出水利建設項目的節水和安全運行目標，造成鄉鎮水利灌溉工程的日常管理缺少必要的物資保證，造成鄉鎮水利灌溉工程跑、冒、滴、漏等問題，嚴重影響了鄉鎮水利灌溉工程的正常運行，難以達到節水工作的目的，嚴重地危及了鄉鎮水利灌溉工程的正常運營。當前，我國的灌溉用水存在著大量的浪費現象。以傳統的管理方法和手段是無法達到這一目標的，但要提高水的利用率，必須提高每立方米的水生產糧食產量，實現管理自動化、排灌自動化的目的。在鄉鎮水利灌溉區域自動化灌溉系統的建成，將極大地改變鄉鎮用水的管理與使用。鄉鎮水利灌溉應從傳統的粗放管理轉向現代化的集約經營模式。因此，水利工程的現代化、機械化將是一個值得關注的問題。

1 水利灌溉自動控制系統設計

利用自動控制技術，提高了干渠和支渠的反應速度，并對渠內的流量進行了精確的調整；該系統能有效、快捷地完成配水工作，克服了人為操作帶來的誤差，改善了灌溉系統的用水精度，提高了灌溉用水的利用率。

1.1 自動給水栓

自動水位控制系統主要由水源、供水管網、消防栓、水位檢測等幾個部分構成，在這種情況下，水必須要有一定的壓力，以使消防栓能夠在這種壓力下打開，該水渠可以是一條高聳的渠道，也可以是一條抽水管道，保證每一塊稻田都要分開平整，并把壟溝分開，使之互不串水。水渠排水面積大小根據地勢大小而定，本系統根據實際情況對找平要求是±25 mm，因此，控制該精度的最重要環節是對水位進行自動控制的自動給水栓。

嚴格控制水位，也就是要根據農作物的需水量進行自動調整，以維持水面的平衡。經過多個方案的比較，自動給水栓與浮動球體組合，采用浮動球隨著水面的上升來控制自動給水栓的小型出口，從而實現對自動給水栓的自動控制。自動給水栓由四個部件構成：閥體、膠膜、上蓋和浮動，它的主要特征是把膠片直接粘到閥嘴上，利用薄膜內、外壓力的差值，實現出水口的開閉。自動給水栓有水源靠壓力推開橡皮膜，大部分水流經過出水口流入田地中，小部分水流流入連接連通孔的皮腔中。隨著水的流入，浮子也會隨之升高當到達某一高度時用橡膠塞堵住小出水口。由于連接孔的作用上下空腔的壓力相等，少量水流經皮腔連接孔皮腔開始膨脹減小止水條的流動部分直到關閉為止。當田地水位下降時，下浮橡膠塞提皮腔中的水從一個小孔迅速排出皮腔內部，壓力減小，橡皮膜又一次被推開，供水量受到橡皮膜關閉小出水口的限制，節約用水。

1.2 PLC控制器

作為一種主流的PLC控制結構，其穩定性好，可靠性高，邏輯順序控制性能好，在自動控制方面有著無可取代的優越性。鑒于灌溉作業環境的多樣化，PLC控制器具有以下特性：可靠性高，抗干擾性能好，適用于野外作業；編程語言有三種：梯形圖、語句表、函數模塊，具有指令豐富、功能強大、易于掌握、使用簡單等特點；內置以太網口，設置 IP地址，可直接連接 WLAN；模塊化的設計思想使得控制系統具有較大的靈活性；擁有大量的數字輸入、輸出、模擬輸入、輸出等功能。通過使用PLC控制器能夠精準控制水流量，實現水利灌溉自動控制系統的水量控制。

1.3 水位計

超聲波水位計是利用超聲波在液相介質中傳播的回波測距原理來探測液面，也就是控制安裝在河床或堤壩上的超聲波傳感器，使其垂直地向表面發出超聲波，并將其反射回波經過表面，并通過測量其來回的時間，來測定傳感器端口與表面之間的垂直距離。超聲波水位計分為氣介式和液介式兩種，它還能像其他的檢測設備那樣，輸出標準的電流信號。該裝置能與上位機、控制電腦網絡共同構成液面監控，便于生產監控、調度和考核。

通過現場考察和綜合考量，將傳感器置于測井的頂部或管線之上。隨著水位的改變，浮子的升降，測量繩將使線軸轉動。通過與卷筒同軸連接的編碼器，向智能測控儀輸出與液面相對應的數字信號，實現了對水位的實時檢測和顯示。

2 水利灌溉自動控制技術研究

水利灌溉自動控制技術主要負責建立和完善各類水資源管理機構，制訂項目管理、運行管理制度，實現水資源的統籌利用和水資源優化配置。水利灌溉自動控制技術主要包括兩大技術，分別是混凝土防滲技術、噴灌技術。

2.1 混凝土防滲技術

渠道是我國田地灌溉中的主要輸水方式，常規的土渠其滲漏損失約為50%~60%。因此，在我國，渠道防滲已成為節水灌溉的重要技術手段。采用混凝土防滲技術，可以降低渠道的滲漏損失，增加渠道的水資源利用率，改善渠道的安全保障，并能有效地改善渠道的沖刷性能，增加輸水能力。

防滲混凝土原材料要求如表1所示。

表1 防滲混凝土原材料要求

詳細防滲技術工藝如下：

在進行混凝土澆筑工作時，必須確保攪拌機卸料至下層砼之間的間隔不超出設計要求。中間的時間間隔應按照下列條件進行：在25℃以下的時間內，不要超過3h；在25℃以上的時間內，不能超過2.5h，大面積的基底或頂部應該進行連續的澆灌。

振搗密實是保證混凝土的抗滲性的關鍵，根據技術規范，機械振動可以達到這一要求，但預留孔、預埋管、預埋件、止水帶等結構的形狀不正且不利于振動。一方面，混凝土中的氣體在振搗時不易全部釋放；另一方面，通過這種方式不能將空氣完全排出，因此，對于這些位置以機械振搗為基礎，輔以人工插搗，有利于排氣和振搗密實。

濕法養護可使水泥充分水化，減少孔隙度，并能切斷毛細孔的連續性。因此，混凝土澆筑后，要按施工現場的溫度狀況及時進行覆蓋、噴灑，14d后，混凝土的抗滲性將得到很大的改善。

2.2 噴灌技術

噴灌就是所謂的噴灑灌溉，就是用特殊的裝置來澆灌，或者是利用水流的落差，將水流輸送到灌區，再由噴嘴噴出空氣，形成小水珠，然后均勻地撒在地面上。在水利灌溉自動控制系統中采用軟管微噴灌裝置，該裝置由動力控制、水源工程、低壓輸送管道、微噴帶四大部分構成：（1）功率控制-包含馬達（柴油機），水泵，過濾器等。（2）水源工程是為獲得水源而進行的基礎建設，如水庫、過濾器的建設、水井的挖掘等。噴灌必須采用干凈、消毒的河流或井水，并確保水質，pH值為中性、雜質含量低、含鹽量小、不會阻塞管路。（3）低壓管線主要包括低壓主管，分支管，控制開關等，主要是6英寸、4英寸的管線，管道的安裝從大到小。（4）微噴軟管是一種由三孔、五孔的黑色軟管構成的。

采用軟管微噴技術進行灌溉，其優點如下：

在作物根部表面覆蓋塑料膜的情況下，采用軟管微噴灌溉技術進行了試驗研究。每一次灌溉都要在根系土壤中均勻地進行，不會產生大量的積水和擾動，這樣既可以減少水資源的浪費，又可以降低水分的蒸發。與大水漫灌相比，整個生育期的灌溉水量節約了150m，節約了50%的水資源。

采用微型噴灌技術，可使土壤中的水分滲入較慢，不會造成養分的損失，從而使作物更好地吸收養分和水分，從而提高了肥料的利用率。

土壤的透氣性和透氣性均優于畦灌，且不會對土壤造成破壞，可避免板結，對農作物的生長有好處。

與畦灌相比，可以使土壤溫度增加3~6℃，溫度增加1~3℃，使溫室內相對濕度降低23%，減少病害的發生。

小型軟管噴灌裝置，一畝地投入100多元，可以連續三年使用。折年投資50元，投入很低。用軟管微噴，合上電閘即可使用水肥（肥料），通過軟管進行微噴，通過電動閥門的關閉，可以進行灌溉、施肥，不需要人工的溝渠、溝渠等進行地下溝灌，可節約土壤6%，在一個生育期可以節省5個工作日。

田地間通過采用軟管微噴技術，可節省肥料和人工費用，提高了產量，改善了質量。

3 水利灌溉自動控制系統用水管理方案

在水利灌溉工程的設計上，擴大基礎農作物和基礎村莊的覆蓋面，擴大噴灌、微灌、滴灌等現代技術、工程和設備的應用，以保證農業灌溉效益和節水灌溉效益。在鄉鎮水利灌溉工程中，要將節約用水的觀念融入鄉鎮水利灌溉工程項目的設計和日常管理中，以促進鄉鎮水利灌溉工程設計的科學性。

3.1 灌溉用水水位管理要點

灌溉用水水位控制精度受制于：

（1）在不同的水源壓力下，同一自動給水栓的壓力控制精度是不相同的。當水源壓力較大時，浮筒的浮力要大，這樣才能關閉小出水口。因此，浮筒的淹沒深度也一定要大，水位波動很大。

（2）連通孔與較小出水口的孔徑比是在受控面高度發生改變時，水位稍降，也就是浮標稍稍下降。開啟小型出水口，以增加控制精度，適時補充水分，所以，較小出水口的直徑要比連通孔大，這樣可以使空腔中的水快速排出，同時也能快速地減小壓力，實際可取大于2倍以上。

（3）杠桿支點兩側尺寸對比支點左移，減小浮子浮力，縮小浮子容積，但是浮子的上下移動也會增加，從而使控制精度下降，因此必須綜合考慮。

（4）浮子的形狀和容積都是一樣的，因為形狀的不同，在水深的情況下，也會有不同的浮力。

3.2 灌溉用水時間管理要點

為了使水“儲存”和“流動”完全分開，從而達到節能要求，減少能耗、減少配水、增加水溫，既可滿足灌溉用水需求，又可縮短灌溉周期。在節水灌溉中，灌溉周期與供水和水資源利用效率呈反比關系，因此，加大供水或提高輸水效率可以有效地降低灌溉用水。由于毛細管直徑較小，給水管道水頭、局部水頭的流量損耗較大。針對該問題，針對區域特征及灌溉運行機理，采用大管徑、大流量的灌溉措施，可有效縮短灌溉周期。

4 結語

每一種節水灌溉技術都有自己的特色和應用領域，要科學、合理地選擇和使用。因此，鄉鎮水利灌溉自動化控制是一項涉及多學科、多學科的綜合系統，其本質是解決鄉鎮用水、農作物用水問題。本系統著重于鄉鎮地區的節水灌溉，以最大限度地利用水資源，提高用水利用率，達到高產、高效的目的，進一步加強節水技術的研究與完善，提高節水管理效率，推動我國農業、社會、經濟的可持續發展。