节水计量自动控制系统管理技术在供水工程中的应用

贺国庆

（五大连池市水务局，黑龙江五大连池 164100）

分析了在已建成的乡镇供水和节水灌溉管网上，进行全自动职能化控制操作，对分散多水源进行集中控制，以实现用水管理智能化及水量自动计量的有机结合，形成现代化的综合用水技术。

1 项目兴建原因

五大连池有我国乃至世界著名的火山风景区，2010年作为中国唯一项目申报世界自然遗产。由于历史原因旅游区内居民棚户区多，占用宝贵的旅游地资源，严重制约旅游区的进一步发展，“申遗”工作也需要将景区景观恢复到自然状态;同时，一直以来五大连池市是火山旅游集散地、配套设施服务区，随着旅游业的进一步发展，景区大量的商居服务基础设施需要扩建。但是境内地形复杂，多年平均降水量低，人均水资源占有量仅480 m3，为全国人均水平的18%，且时空分布不均;干旱缺水是制约全市农村经济的发展重要因素之一。今年来，随着经济社会的发展和构建和谐社会的需要，传统农业灌溉必须向现代化农业灌溉转变，以达到区域水资源的优化配置，实现现代化的运行管理。因此我市农业节水及乡镇供水的发展现状，依靠现代化灌溉控制设备和技术，实施了节水计量自动化控制系统的应用推广。

2 节水计量自动化控制系统应用

2.1 农业节水灌溉

项目总面积166.7 hm2，引进推广国际领先水平的Micro-Master5000中央控制系统，作为项目综合实验与技术集成的平台，配套应用国际上通用的小型气象观测站及国内先进水平的恒压变频、土壤墒情检测、风力气压扬水机等先进技术，由Micro-Master5000中央控制系统通过田间电磁阀、土壤水分传感器、压力和流量传感器，初步实现了各类农产品的自动控制灌溉。

2.2 乡镇供水工程

项目工程建设了4处水源地，调蓄水池3座，安装恒压变频设备2套，铺设供水管道15万m，在区域内形成了环状管网。结合我市村村通自来水工程的建设，开发了供水监控智能化管理系统。该系统共布设了4处水源监控站，15处管网压力监测点，其中水源监控站包括地下水位检测变送器、地表水流量变送器及管道流量变送器、管道压力变送器、自报式遥测终端机等组成。中心控制室包括接受天线、前置接收机、微机、打印机、专用电源灯;前置接收机通过天线收发信息，前置接收机通过RS-232串行通讯接口与微机连接，中心站采用交流电源供电。

3 集成完善的关键技术及形成的成果

3.1 自动控制灌溉系统的引进与集成应用

3.1.1 设计思路

通过将项目区内的水源井联网，将水源统一管理;在系统首部安装恒压变频装置、过滤器中控系统，保证系统恒压稳定运行;中央控制器与灌溉系统、生活用水系统和工业供水系统的控制阀门连接，通过中央控制软件协调用水时间和用水量，实现系统的智能化管理。

3.1.2 系统总体设计

系统供水主要包括大棚灌溉系统、大豆灌溉系统、生活用水系统和工业用水系统。根据工程进度安排，目前的供水主要针对大棚灌溉系统和大豆灌溉系统，对于生活用水系统和工业用水系统，中央控制器预留输出端接口，下一步总体工程实施完毕后即可实现整个区域的统一供水联网控制。

3.1.3 系统首部设计

系统首部控制枢纽包括恒压变频装置、中央控制器、计算机、流量传感器、压力传感器和气象站系统组成，连接示意图见1。

图1 系统首部组成示意图

中央控制器作为整个供水系统信息的中转站，与系统的执行机构——电磁阀连接，通过将计算机发出的程序指令转换成信号控制用水系统阀门的启闭来控制系统的用水状况;在输水管路上安装的流量传感器和压力传感器通过中央控制器将系统的流量和压力信息通过信号线传给计算机，计算机根据这些数据判断系统的运行情况。气象站系统直接与计算机连接，与其配套的气象站软件根据气象站测量的温度、湿度、日照、风向、风速等气象信息以及作物参数计算出灌溉所需的蒸发蒸腾量，控制软件直接调用气象站软件的信息进行灌溉程序设计，实现灌溉系统的智能化的灌溉。

3.1.4 系统关联组件的运行

该系统主要包括灌溉管理软件、中央控制器、电磁阀、过滤器、气象站等关键设备。

灌溉管理软件：系统的运行通过灌溉管理软件进行编程，然后利用信号传输设备将指令传输给水泵、电磁阀等系统的操作机构进行灌溉。

电磁阀：是实现控制器发出的开启、关闭指令的操作机构，系统通过电磁阀的启闭实现灌溉的最终目的。

过滤器：包括离心式和网式过滤器两级，来水通过离心式过滤器过滤后再通过网式过滤器进行二级过滤，以保证系统正常运行。

气象站：向计算机提供当天的风速、湿度、温度、降雨量及蒸发量等数据，系统管理软件能据此计算当天的作物蓄水量BT值。计算机会根据植物需水量和气候情况增加或减少灌水量，并发布灌水指令。

3.1.5 系统运行情况

施工完毕后，进行了系统的调试运行，近两年的运行状况表明系统运行状态良好，硬件及软件均能良好地支持工作，自动采集的现场数据基本上与实际情况吻合，说明了传感设备的精度符合要求。由于自动控制灌溉技术的实施，首先是明显地节省了劳动力，只有一个灌水员在微机房内按供水计划进行操作即可达到灌水目的。最重要的还是根据农作物各生育阶段制定的供水计划，使农作物的生长环境控制在适宜的水分环境内，因此农作物增产效果明显。

3.2 供水监控自动控制系统

3.2.1 工作原理与设计原则

区域供水监控系统是一个涉及水利、机电工程、网络技术、计算机科学和现代模型控制技术等多学科的系统工程，在方案选择和设计上，重点考虑以下3个原则：①科学性：采用先进的技术和管理模式，使系统具有较高的可靠性、开放性和可扩充性。②实用性;系统必须具有管理方便、操作简单、易于维护维修等特点。③经济性：在保证系统功能的基础上，尽可能地降低成本。

3.2.2 整体方案设计

采用分布式测控系统，无线电应答的数据传输方式。该方式可以通过调整发射机功率方便地控制传输距离，不受距离限制。同时，在远离城市工业区的野外干扰源少，无线信号传输质量好.采用很小的发射机功率即可满足现场对通讯距离的要求，且便于维护，成本明显低于有线传输方式。

供水监控系统：由一台控制计算机、一台内置单片机的控制总站（置于中央控制室简称“上位机”），以及若干台内置单片机的控制子站（置于机井井房或测控现场简称“下位机”）组成的分布式测控系统。其软件采用专用数据库软件Access，另外创建数据库，数据库与主系统的连接采用ADO技术。主系统可以实时写入采集到的运行参数，可以随时访问数据库进行查询、检索和历史趋势图显示。需要更改的环境参数、控制参数均以表格的形式存于数据库中。

3.2.3 系统实现的功能

供水监控系统能够控制机泵的启闭及电动阀的启闭等过程;完成水位、压力、流量、水泵及电动阀的启闭状态等现场数据的采集。具体包括：

①能够采集每个测控现场的机井水位、出水流量、管道压力、水泵电流等模拟量。②能够检索查询打印机井水位、出水流量、管道压力、水泵电流等历史数据，可以分别用表格和历史趋势图的方式进行显示。可以实时显示测控现场的水位、出水流量、管道压力、水泵电流值。③通过历史趋势图、动态实时曲线和数值显示，现场情况可以一目了然。④实现井泵异常保护。当井泵发生掉相等异常情况时.总控计算机能及时发出指令自动切井泵电源，中央控制室总控计算机自动将异常情况显示在计算机屏幕上，通知维修人员去现场维修，并将有关数据记录在计算机数据库中，以便查询。⑤系统以区域水资源优化配置为目的，以区域用水计划为基础，同时可通过对不同水源的不同时段的最低水位或单井、单水源的允许开采总量等系统参数的设置，限制对地下水的开采，为有效实行限量开采提供了一种技术手段。

3.3 土壤墒情的测报技术

当前农田墒情测报的现代技术为时域反射仪法、时域反射仪，是一种远程遥感测定技术，能精确、快速和连续测定土壤水分。本项目在引进国外先进自动控制灌溉系统的基础上，在生产实践中应用国产TRIME EZ/IT插针式传感器。

TDR测定土壤含水量原理相当简单，一个电压的阶梯状脉冲波沿在土壤中放置或垂直插入的探针（长度为L）发射，电压的阶梯状脉冲波沿探针金属捧（片）传播，并在金属棒末端反射回来，土壤含水量由延迟的时间决定。

其优点是：不需要取样，且测量精度高，响应速度快;土质影响较小长期埋入土壤中使用，且不受腐蚀;价格低廉，适合中国国情。

总之，通过对供水工程进行全自动智能化控制操作，对分散多水源进行集中控制，实现水源现代化的管理;利用计算机信息技术、自动控制节水灌溉技术对作物生长的信息进行采集、智能控制，对作物生长实现精准调控，显著提高作物的产量与品质，这将是经济发达区农业节水的发展方向;在从传统农业向现代农业转变的历史性时期，该技术同样在现代化潜水技术与运行管理技术方面具有广阔的应用前景。

[1]匡秋明，赵燕东，白陈祥.节水灌溉自动控制系统的研究[J].农业工程学报，2007（06）.

[2]冯友兵.节水灌溉控制系统无线传感器网络路由策略设计研究[D].南京：江苏大学，2006.