全渠道控制系統在農業自動化節水灌溉系統中的設計與應用分析*

馮海軍 ，劉 斌

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

農業灌溉在農業生產過程中主要是為農業生產提供充足的水資源，但在長期灌溉作業過程中，傳統的渠道灌溉方式普遍存在較為嚴重的水資源浪費現象，耗水量大、水資源浪費問題相對嚴重。因此，在我國水資源逐漸緊缺的背景下，相關專家提出利用自動化技術設計應用渠道控制系統以及節水灌溉系統，以保證節水灌溉有效實施，減少水資源的浪費。

1 自動化節水灌溉系統的設計研究現狀

灌區節水是我國農業發展的重點目標，我國農業發展一直都在研究探討新型節水灌溉技術，并且已經研究了新型的灌區節水灌溉技術。2013 年，國家開始研究新型節水技術，并開展了“水聯網多水源實時調度與過程控制技術”課題，該課題主要研究自動灌溉以及自動節水系統，實現自動節水，減少水資源浪費。潞碧墾水利科技公司生產的渠系一體化測控閘門組成的全渠道控制系統（TCC）和水利部南京水利水文自動化研究所研發的田間自動灌溉系統也是近期研發應用的新型系統，該系統的節水效果已經得到了良好驗證。在該系統應用研發后，有專家學者在500 畝耕地上直接進行了試驗。該系統應用過程中，全渠道灌溉系統能夠完成漫灌、滴灌以及管灌三種方式的自動化節水管理，實現了自動化節水，對我國農業灌溉技術發展作出了巨大貢獻[1]。

通過上述灌區高效節水技術的綜合分析發現，我國的自動化節水灌溉技術初具成效。但是，針對我國農業灌區面積大、灌區作物需水量不同的特點，目前已經開發應用的自動化節水灌溉系統仍存在諸多不足。因此，設計符合新時期農業發展需求的自動化節水灌溉系統，對于農業節水應用具有非常重要的意義。

2 全渠道控制系統在農業自動化節水灌溉系統中的設計

本文通過文獻調查和實踐研究，設計了一種新型全渠道控制系統的自動化節水灌溉系統，以下是對該系統設計的具體分析。

2.1 全渠道控制系統

全渠道控制系統是整個節水系統的核心，主要完成渠道灌溉管控。該渠道灌溉控制系統在設計時，應用了自動化技術、傳感技術，以下是對渠道控制系統模塊的設計分析。

1）系統結構設計。主要包括渠道控制一體閘、渠道控制系統通信模塊、渠道控制系統軟件以及流量計量模塊。渠道控制一體閘模塊是整個渠道系統的核心，該模塊應用水力學模塊完成工作，該模塊主要由太陽能板、控制器、水位傳感器、水流以及開度傳感器組成，通過信息采集和回收，完成閘門控制。渠道控制系統的核心網絡為光纜通信系統和SCADA 網絡，該網絡直接連接系統，是信息數據傳輸、控制指令發送的主要渠道。傳感技術模塊是系統的核心數據采集模塊，是系統應用的最前端，在本系統的應用過程中，主要設計應用水位傳感器、開度傳感器。其中，水位傳感器采用超聲波原理監測水面高度，而開度傳感器依靠數字式編碼器和弧形閘門邊緣上的參考點監測計算閘門開啟狀況。水位傳感器具體參數如表1所示，開度傳感器具體參數如表2所示。

表1 水位傳感器具體參數（NH44SW 水位傳感器）

表2 開度傳感器具體參數

2）系統功能設計。本次全渠道系統設計時，還包括對全渠道控制系統的功能進行設計，以下是本次系統設計中的全渠道系統功能設計分析。

①系統具有高精度流量控制功能。高精度流量計量控制（±2.5%）保證了流域和灌區用水總量控制，同時實現了高精度的水費計量。

②系統具有水閘控制功能。能夠通過軟件控制渠道水閘，水閘啟動以及閉合都可以完成自動化控制。

③系統具有流量測量功能，能夠實時測量渠道過水量，精準計算總體灌溉水量。

3）系統控制模式設計。本次全渠道灌溉系統與自動化節水灌溉系統融合設計時，還針對渠道控制系統模式進行綜合設計。整個控制系統由37 孔調控節制閘及10 孔進水閘組成，示范區進水閘在下游水位控制模式下運行，其他9 孔進水閘設定為流量控制模式，4孔調控節制閘在上游水位控制模式下運行。

2.2 田間灌溉系統設計

本次設計的自動化灌溉節水系統還包括田間灌溉系統的節能設計，系統結構設計主要包括控制中心、通信網絡、電磁閥控制裝置、輸配水管道以及首泵站。

1）控制中心主要是完成田間灌溉的綜合管理。整個控制中心由控制軟件完成工作，控制軟件設計由GSM 短信服務器、氣象站數據接收裝置、光纖轉換器等組成。軟件能夠發送控制指令，并且根據氣象站數據了解到田間濕度情況、溫度情況，繼而智能化完成田間澆灌管理，根據天氣實施合理的澆灌，能夠減少不必要的灌溉，實現資源節約。

2）通信網絡模塊。該系統的通信網絡選擇光纜通信系統和SCADA 網絡，與渠道控制系統的網絡形成連接。構建網絡，為數據傳輸以及數據共享提供良好平臺，也為整個平臺的良好應用打好基礎。

3）電磁閥控制裝置。電磁閥控制裝置主要由GSM 控制器以及閥狀態反饋裝置組成，該裝置在應用過程中能夠接收控制中心的短信息，并且控制閥的開關，能夠接收控制中心的指令，完成控制閥的開啟和關閉。

4）輸配水管道。田間灌溉系統設計中，對輸配水管道進行設計也極為關鍵，其是整個田間節水灌溉系統的關鍵。本次設計中，田間灌溉管道均采用PVC-U 管進行設計，管徑根據流量分級配置，在出水口設電磁閥、分干末端設定排水井、支管壓力以及支管進出口設置穩流調壓控制裝置，可以優化調壓控制效果。

5）首泵站。整個系統設計過程中，包括首部水泵、施肥機以及電磁流量計等的設計，設計各結構主要是為了完成水泵控制澆水。施肥機配合水泵完成施肥，水肥一體化應用，加強澆水效果。另外，本次泵站設計過程中，設計應用具有二級過濾功能的蓄水池，先對河水進行過濾，過濾之后再進行澆水，減少水質中的雜質，防止雜質對農作物生長造成影響。

2.3 節水灌溉系統的工作流程設計

本次灌溉系統應用實施的過程中，將渠道控制系統與田間澆灌系統融合，并且在設計工程中，設計了二者融合之后的具體工作流程。

1）田間氣象站以及土壤墑情監測站。首先，完成田間溫度、濕度、風力等相關管理，分析后，針對現有的田間蓄水狀態進行分析，繼而發送給田間灌溉系統和全渠道控制系統。

2）控制中心軟件包括兩個模塊，分別為田間灌溉系統和全渠道控制系統模塊，在接收到前端的信息后，軟件模塊進行自動分析，分析完成后，田間灌溉系統和全渠道控制系統幾乎同時完成工作，實施灌溉作業。

3）接收指令后，田間灌溉系統在分析完成后會給泵站發送指令，開啟或關閉泵站。與此同時，全渠道控制系統也會通過短信發送指令開關閥門，引入水利。此時，田間灌溉系統與全渠道控制系統開始結合，渠道引入水流后，開始沿渠道進入到田間灌溉系統。首先，水流會進入到泵站水閘，繼而進入到沉淀池和蓄水池，水體凈化后，由水泵直接傳送到田間實施灌溉，確保灌溉順利實施，以提升灌溉效果[2-3]。

2.4 全渠道控制系統的節水灌溉系統應用節水特點分析

通過上述設計可知，全渠道控制系統的節水灌溉系統具有良好的節水特點，以下是對節水灌溉系統節水優勢的分析。

1）本系統能夠實現高精度用水，整個系統應用過程中，利用流量計的精準測量，能夠確保將精度控制在2.5%以內，提升了用水精度，同時這也是一種水資源節約方式[3-4]。

2）本系統能夠實現按需和及時供水。系統前端設計了土壤墑情分析和氣象分析系統，能夠將天氣情況以及土壤情況實時回傳給系統，系統可以根據軟件分析自動確認田間是否缺水，確認缺水后直接實施灌溉，減少了人工灌溉的滯后性，同時灌溉達到基礎量后直接停止，不造成任何灌溉浪費，證明了該系統應用的良好性，也能夠提升該系統的應用效率[4-5]。

3）本系統應用過程中，一體自動化測控閘門的全太陽能驅動和一體化無線或光纜通信技術安全、可靠、先進，專為野外灌溉環境而設計，實現了對外界環境的依賴性最小化，同時綠色環保，改善了周邊生態環境[5-6]。

4）本系統應用過程中，設計應用整個管道系統的密封管理模塊。系統的水閘、管道以及閥門都應用了新型的封閉模塊，減少了水資源浪費，同時具有良好的節能效果[7-8]。

5）本系統設計過程中，系統的設計應用成本也相對較低。通過對比分析本次系統設計的實現成本與傳統控制系統的成本，發現全渠道控制系統的節水灌溉系統具有更低的建設成本，同時也符合現代化建設應用標準[8-9]。節水灌溉系統設計應用費用對比，如表3所示。

表3 節水灌溉系統設計應用費用對比

3 結束語

本文結合理論和實踐，設計了一種全渠道與田間自動化灌溉融合的自動節水灌溉系統，該全渠道控制系統以及節水灌溉系統，具有設備先進、質量可靠、測量精度高、節水效果好的特點。應用結果表明，本次設計應用的全渠道自動化節水灌溉系統具有良好的作用，通過30 天的應用實驗，與傳統灌溉方式相比，應用了新系統的灌區輸水效率提高了20%，起到了良好的節水作用，能夠從渠道和田間兩個方面實現節水灌溉，減少水資源的浪費[10]。目前，節水灌溉系統研究是我國農業灌溉的重點工作，希望本文的系統設計研究能夠對我國節水灌溉系統設計應用提供參考。