建平县节水滴灌自动化与信息化建设研究

袁国兵

(辽宁省建平县水利技术推广服务中心，辽宁朝阳122400)

1 基本情况

1.1 自然地理概况

建平县2013年节水滴灌工程示范项目，位于建平县八家农场八家分场、柴达木分场2个分场，地处建平县中西部，属老哈河流域，距县城85 km，属老哈河支流。项目区属于半干旱、半湿润气候区，干燥多风，雨量较少，春旱频繁。多年平均降雨量为451 mm，降水年份分配不均，多集中在6～8月份，占全年降水量的87%。多年平均蒸发量为2 060 mm，4～6月份蒸发量为全年的45%，年际蒸发量变化幅度较大。项目区多年气温在6.7℃ ～10℃，区内属风沙性大陆气候，多年平均风速为3 m/s。多年平均无霜期为130 d，多年平均日照数为2 847 h。最大冻层深度1.8 m。

1.2 建设内容

为了更好地推动全县节水滴灌工程健康、有序、快速发展，探索适宜节水滴灌发展的技术模式、管理体制和运行机制，更好的发挥工程示范工程作用。建平县节水滴灌综合示范项目区选择八家农场为示范区，实现集中连片推广应用高效节水灌溉技术。2013年建平县八家农场节水滴灌工程示范项目发展信息化工程面积0.3万亩，主要建设内容为:(1)信息采集与测控系统包括机井水量测控、地下水位监测、田间墒情监测、田间气象观测、作物长势监视和灌溉自动控制六个子系统。(2)网络通讯系统采用基于CDMA/GPRS通迅手段，固定专线的接收管理的模式。(3)管理中心及管理站建设包括1个县级管理中心、1个乡(镇)用水管理站、1个村级管理站。(4)数据库建设与应用软件系统以数据库建设为支撑，构建建平县综合管理信息系统，由项目信息管理应用、水资源管理应用、灌溉管理应用监控和信息服务与发布四个平台组成。信息采集与测控系统包括机井水量测控、地下水位监测、田间墒情监测、田间气象观测、作物长势监视和灌溉自动控制六个子系统。网络通讯系统采用基于CDMA/GPRS通迅手段，固定专线组合模式。管理中心及管理站建设包括1个县级管理中心、1个乡(镇)用水管理站、1个村级管理站。数据库建设与应用软件系统以数据库为支撑，构建综合管理信息系统，由项目信息管理、水资源管理、灌溉管理监控和信息服务与发布四个平台组成。

2 系统布设

2.1 总体结构设计

建平县节水滴灌综合示范项目八家农场信息化示范区建设采用工程措施和非工程措施相结合的方式，采用分层结构与模块化管理模式，总体结构由信息采集、信息传输、信息管理、信息应用四大部分组成。

2.2 信息采集与测控系统

信息采集与测控系统包括机井水量测控、地下水位监测、田间墒情监测、田间气象观测、作物长势监视和灌溉自动控制六个子系统。

2.2.1 机井水量测控系统

机井水量测控系统主要由IC卡智能控制器、管道流量计、通信终端、防雷和供电设备组成。机井水量测控系统主要监测机井灌溉出水量。在农业灌溉机井首部出水管道上安装管道流量计，通过IC卡智能控制器采集每日机井灌溉出水量，智能控制器串联接入水泵三相控制电路，通过CDMA/GPRS通讯模块将数据传输至县级管理中心，设备供电采用现场取电方式。其主要功能:实现对机井及每个用户取水量的监控;实现对用户限额用水管理和预收费管理;实现对取水水源的控制;实现数据的远程传输。

2.2.2 地下水位监测系统

地下水位监测系统主要由RTU遥测终端水位传感器、通信模块、防雷和太阳能供电设备组成。水位传感器采用投入式水位计，RTU遥测终端负责对投入式水位计、进行数据采集，经CDMA/GPRS通讯模块将数据传输至县级管理中心，设备供电采用蓄电池供电、太阳能板浮充的运行方式。采用20W单晶硅太阳能板和12V38AH蓄电池。地下水位监测井为水位专用监测井，测井建设按照《地下水监测站建设技术规程》实施。测井开口口径为300～400 mm，井管管材采用混凝土管或钢筋混凝土管，开孔率5%～15%，开孔方式为圆孔且呈梅花状排列，测井井深凿至多年最低水位以下10 m，井壁管应高于测井附近地面3～5 m。沉淀管安装在监测井的底部，长度不小于3m。其主要功能:实现对地下水位/水温实时连续监测;实现对地下水资源分析，提供预警功能;实现数据的远程传输。

2.2.3 田间墒情监测系统

田间墒情监测系统主要由RTU终端、土壤水分传感器、温度传感器、通信终端、太阳能供电系统和防雷设备组成，该系统布设于项目核心区。墒情监测按照《土壤墒情监测规范》(SL364－2006)布设土壤水分和温度剖面，根据需求土壤水分采用剖面布设方式，常用的是三层土壤水分(10/20/40cm)、一层土壤温度(5cm)。将土壤水分传感器、温度传感器埋入相应的剖面的图层中，RTU终端负责采集水分传感器和温度传感器监测的数据，经CDMA/GPRS通讯模块将数据传输至县级管理中心，设备供电采用蓄电池供电、太阳能板浮充的运行方式，采用20 W单晶硅太阳能板和12V38AH蓄电池。其主要功能:实现对项目区土壤水分和温度的实时连续监测;根据种植作物类型和灌溉方式，预报下次灌溉时间和灌溉量;实现数据的远程传输。气压影响:±0.005%FS/kPa。

2.2.4 田间气象观测系统

田间气象观测系统主要由RTU终端、温度传感器、湿度传感器、太阳辐、传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、大气压力传感器、通信终端、太阳能供电系统、防雷设备等组成;该系统布设于项目核心区。田间气象站各要素设备按照《地面气象观测规范第17部分:自动气象站观测》(QX/T61－2007)要求进行设备的安装，自动气象站RTU终端采集各气象要素传感器的数据，通过CDMA/GPRS通讯模块将数据传输至县级管理中心，设备供电采用蓄电池供电、太阳能板浮充的运行方式。其主要功能:实现对项目区气象的实时连续监测;根据种植作物类型和灌溉方式，预报下次灌溉时间和灌溉量;实现数据的远程传输。

2.2.5 作物长势监视系统

作物长势监视系统由摄像机、网络视频服务器、防雷设备和供电设备组成;该系统布设于项目核心区。在井房附近安装视频监控点，视频摄像机采用全方位云台控制，通过网络视频服务器将采集视频图像通过网络运行商基站图像信息传输至建平县管理中心监控机房，可实现摄像机的远程控制，供电电源直接取至灌溉机井内的供电线路。其主要功能:实现对项目区田间作物不同生育期长势的直观全面了解;实现项目区田间监测仪器的安全保护作用。

2.2.6 灌溉自动控制系统

灌溉自动控制系统包括电磁阀、无线阀控器、状态反馈开关、主控制器和用户操作终端等。其中，电磁阀安装于每条支管进水口处，无线阀控器安装于电磁阀旁边，干电池/太阳能供电，与电磁阀通过信号线联接。无线阀门控制器在设定的区域内，实现无线组网，将数据汇集于主控制器和用户操作终端，并通过GPRS实现远程联网。其主要功能:适时灌溉，满足作物的需水要求;远程无线遥控阀门开闭，减轻灌溉劳动强度;实时监测田间阀门状态和灌溉系统运行，提高灌溉管理水平;结合灌溉预报实现自动和智能控制。

2.3 通信网络系统

建平县节水滴灌综合示范项目八家农场信息化示范区建设采集的流量、水位、墒情、降雨、气温等多种数据资源，由于测点遍布于农场，布置分散零散，通信网络构建要考虑到实用、经济、安全、可扩充等特点。目前用于通讯网络构建可采用有线传输、无线传输以及两者相结合。考虑到八家农场农田水利管理的现状，构建自身的光纤通讯专用网络，从投资和管理的角度，受投资金额、技术水平、维护能力等因素影响，经济和技术上不可行。依据数据采集的特点，采用无线传输形式，可实现农田水利信息化的管理要求。

2.4 管理中心及管理站的建设

建平县节水滴灌综合示范项目八家农场信息化示范区项目信息化建设包括1个县级管理中心、1个镇用水管理站、4个村级管理站。

2.4.1 县级管理中心

县级管理中心承担了系统的整体运行、维护与管理工作，实现遥测数据的集中存储、汇总处理及与远程控制等基本功能，对项目区灌溉用水量、地下水位动态变化情况进行适时分析，对可能超过限制水位的机井预警，对超采机井进行禁采管理。建平县管理中心建设包括监控室与会商室建设。监控室主要负责各测站数据、图像的采集汇总和资料整编以及与各级用户的信息交换。设备包括2台监控计算机、2台服务器、1台交换机、1台防火墙、1台 UPS不间断电源(6KVA/4h)、打印机、机柜及壁挂式空调等。会商室主要用于日常管理和技术决策方面的重大会议，实现投影、音响、会讨等功能现实需要，可与水务局现有系统进行结合。主要功能:投影仪和电脑显示器同时显示VGA信号，同时显示相同内容投影仪显示电视信号;中控系统可控制投影及电动幕的升降将电脑信号，电视信号的音频通过音响设备传输出来;无线话筒信号通过功放系统和前置无线接收器输出来。

2.4.2 乡级用水管理站

乡级用水管理站通过网络介入设备接入Internet公网，按照县级中心站的授权和任务分配，浏览本乡镇用水、地下水水位等信息;为了保证系统稳定运行，本级管理站配备1台PDA抄表装置，以便在传输系统维护的过程中，进行信息数据的录入，避免数据的漏报和错报。主要设备包括监控计算机、PDA、打印机和网络接入设备等。

2.4.3 村级用水管理站

村级用水管理站由村级水管员负责监督，辖区范围内地下水工程机井监测、监控信息的管理和用水信息通知至各用水户，且当设备出现故障时上报镇用水管理站，及时修复。每个村级用水管理站配备1台PDA抄表装置，在传输系统维护的过程中，进行信息数据的录入，避免数据的漏报和错报。主要设备是PDA设备。

2.5 数据库建设与应用软件系统

1)总体设计。数据库是项目信息化数据存储和管理的关键，主要实现信息接收、处理与存储，数据维护和管理等功能。

2)数据库结构。数据库将以图形为核心，实现空间信息与属性信息的无缝集成管理。数据库分为项目管理数据库、基础信息数据库、工程运行数据库和地理信息数据库4个一级数据库。(1)项目管理数据库主要包括项目县基本情况、项目区基本资料、项目招投标信息、项目进度信息、竣工验收信息及项目评估信息等。(2)基础信息数据库包括取水口基本信息、地下水位监测站点基本信息、墒情监测站点基本信息、气象监测站点基本信息、农户基本信息及地块基本信息等。(3)工程运行数据库包括项目设备状态信息、取水口水量信息、地下水位信息、墒情信息及气象信息等。(4)地理信息数据库包括公用图层和专题图层。公用图层包括行政区划(县、乡、村)、河流、水库、居民地等。专题图层包括项目片区实施范围、取水口、地下水位观测站、土壤墒情监测站、气象测站等。数据库的部署采用集中式，所有数据接收处理后的结果均存放在该数据库中，采用SQL Server企业版作为数据库系统的应用平台，集中在县水务局监控室数据库服务器中。

3)数据库安全管理。信息化数据库要围绕物理安全、访问控制、数据备份与恢复等内容来建设，要注重维护数据信息的完整性、保密性和可用性。(1)物理安全性:物理安全主要是指保证数据库服务器、数据库所在环境、相关网络的物理安全性。如保证服务器所在网络的网线、交换机等环境的物理安全;只有数据库管理员能够在物理上接触数据库服务器等。(2)访问控制:数据访问作为基本安全性的核心，主要是从与账号相关的方面来维护数据库的安全性，包括账号管理、密码策略、权限控制、用户认证等内容。可根据安全访问列表技术(ACL)针对不同访问者、不同访问方式、不同访问等级、不同的数据对象进行安全性管理措施建设。采用口令管理技术和口令加密、审计技术提高数据访问的安全性。(3)数据库备份与恢复:为避免突如其来的数据破坏(如:黑客攻击、病毒袭击、硬件故障和人为误操作等)，提高数据的安全性和数据恢复能力，需要定期进行备份并执行有效的数据管理。具体策略针对数据库服务器系统进行备份，采用磁盘镜像功能、第三方备份工具等手段，避免数据库崩溃后造成灾难。

3 系统优点

3.1 信息化优点

功能先进。应用国际先进的网络技术和2.4G无线自主组网形成田间滴灌系统无线局域网，无任何通信费，避免了田间滴灌系统直接使用移动GSM/GPRS网络收费较昂贵的不足。每个出水桩安装一个无线阀门控制器，可无线控制1个电磁阀，避免地埋线缆易损坏、维护不便的缺点。电磁阀开关状态可实时反馈显示;具有防偷水和防爆管优点。还可进行轮灌组编制及自动执行;另外具有墒情测报功能。

信息反馈及时准确，可对阀门的状态通过状态传感器进行实时监控。可实现农田信息及作物长势远程视频监测与灌溉自动控制功能，解决了“两高一低”即高频率、高强度、低流量的难题，为作物增产提供科技支撑。

能耗较低。采用4节普通1.5V干电池供电可使用一个作物生长周期;避免了太阳能电源系统费用昂贵、维修困难的不足。具有灌溉时间及灌量自动统计分析;系统故障自动诊断、电压自动报警优点。

使用方便。系统网络性能自行诊断，故障查询及时准确，方便维护;安装拆卸方便简洁，傻瓜式设计，对用户文化程度要求较低。

3.2 自动化优点

促进农业现代化。促进了农业高新技术可持续发展应用及农业科技园区建设，引领农业现代化发展方向提供科技保障。节水节电。使普通滴灌系统能够严格执行轮灌制度，由模糊灌溉走向精准灌溉，节约用水和用电10%以上。增产作用。使“少食多餐”、高频灌溉技术能够真正实现，促进了作物稳健、持续生长和高产、高效益，产量提高8%以上。提高了劳动生产率。减少工程管理人员，降低了劳动强度，人均管理定额由50亩提高到300亩，管理费用由100元/亩降低到20元/亩。利于管理。统一管理，避免了人为开闭阀门对作物造成践踏、灌溉时间不一致导致作物生长不均匀等影响，提高了作物产量。

4 结语

通过在项目区开展自动化与信息化建设，重点建设灌溉用水与地下水位自动化监测工程，可以看出该系统具有很多优点和特点，实现了工程取水量和水资源承载能力的信息化管理;提高了工程运行管理水平，并结合土壤墒情与气象等信息的自动监测，科学地指导灌溉，引领灌溉现代化方向。

［1］张兵，袁寿其，成立.节水灌溉自动化技术的发展趋势［J］.排灌机械.2003(02).

［2］张兵，袁寿其，成立，等.节水灌溉自动控制器的设计与研究［J］.中国农村水利水电.2004(01).

［3］宋培卿.节水灌溉自动化远程控制系统的研究与应用［D］.河海大学.2004.