贵州省大型灌区智能节水灌溉信息化建设技术模式研究

古今用

（贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002）

1 贵州省灌区概况

贵州省是全国唯一没有平原支撑的内陆山地省份，位于我国西南部，全省土地总面积176 167 km2，占全国总面积的1.8%。分别属于长江流域和珠江流域，长江流域占115 747 km2，珠江流域占60 420 km2。贵州省的总体地势西部高，全省山地面积占61.7%，喀斯特出露面积占全省国土面积的73%。特殊的地形地貌、复杂的地质条件，致使贵州省水资源开发利用难度大，工程性缺水问题十分突出。

贵州省目前有金黔灌区、黎榕灌区、湄凤余灌区、乌中灌区、安西灌区、盘江灌区、铜东灌区、瓮福灌区、兴中灌区和遵义灌区10个大型灌区，灌区地形以山区、丘陵为主，灌区所在地国土面积32 564 km2，占全省国土总面积的18.5%，耕地总面积6 857.47 km2，占全省耕地面积的39.2%，其中规划灌溉面积2 208 km2，有效灌溉面积1 700.53 km2。

2015年12月30日，国家发展改革委员会、水利部联合印发《大中型灌区续建配套节水改造项目建设管理办法》（发改农经［2015］3139号）文件提出建设现代灌区量测水、管理信息化等要求，但由于灌区多为贫困山区，对信息化建设工作认识尚浅，管理人员素质不高，技术落后，管护经费难以到位，不能有效管理好、掌握好信息设备与技术。目前，还未进行过系统的信息化建设，水库隧洞放水多为双向转动闸阀控制，采用手摇式启闭机方式，结构老化，运行极不方便。虽然在灌片管理站和水库管理所都配备了雨量筒，但还未安装自动化监测与控制设备，仍然采用人工观测的方式，存在不同程度的安全问题。

2 信息化建设功能设计

灌区信息化建设是一个系统工程，包括信息基础设施建设、专业信息系统建设、保障措施与环境建设及数据平台建设。通过与灌区管理局的深入交流与现场实际调研，综合考虑水库灌区效益、需求、认识到位程度、人员配置及管理情况、技术成熟度和实施难度等基础条件开展信息化建设，主要建设内容分为硬件和软件两部分，具体结构如图1所示。

图1 信息化总体架构图

信息化建设实现的主要功能如下，一是灌区工情信息的采集与监测，包括基础工情信息和部分实时工情信息。将灌区的图片和资料通过扫描仪和数字化仪转化为图片文件，包括灌区气象、水文、土壤、作物基础数据及灌区概况、渠系分布、农业生产、历年工程批复建设情况、工程效益及绩效评估等方面基本概况数据的输入、修改、查询等功能。通过图形实时模拟显示计算成果，提高系统管理操作的直观性和可视性。二是重要分水口的自动启闭及量测水的远程控制。通过在灌区水库水源出水口闸门进行自动化改造，实现总闸的自动启闭、自动放水、自动量水，以及干渠重要分水口闸门的自动启闭及量测水。三是通过对泵站出水管道的流量监测、压力监测和高位水池水位的自动监测来实现对泵的自动化控制。管理人员在信息中心可实时查看高位水池水位数据、出水管道压力和流量数据，以此控制泵的启闭。通过实时掌握水池水位、管道流量、压力、泵站开关状态、电压和电流等各种监测指标，为水库灌区取用水安全提供保障。四是节水灌溉智能化控制。系统设置主要作物适宜的土壤水分调控阈值，得出了各作物的三种节水灌溉模式，当土壤水分临近或低于土壤水分下限值时，实施灌水，达到土壤水分上限值要求时停止灌水，以适应不同水文年的作物高效用水要求。五是通过灌区信息化建设加强对灌区基层人才的培训，提高灌区信息化应用水平，体现灌区信息化建设的优势［1-4］。

3 主要硬件设备设计与选型

3.1 水库水位监测设备

灌区中的水库大多具有供水、灌溉等功能，而且具备调蓄、防洪功能。因此，监测灌区水库水位一直是水文、水利部门的重点。实时动态监测水库水位，对保证灌区正常用水乃至灌区的安全有着重要的意义。虽然部分灌区水库都配备了水位尺，但仍然采用人工观测，还未安装自动化监测与控制设备，本次灌区信息化建设拟实现水库水位监测的自动化，满足水库雨水情监测自动化需求。

雷达式水位计是一种高精度、非接触式的水位测量仪。通过往水面发射高频雷达波，接收水面反射比，测量到水面的距离，测量中不与水面接触，不受浑水、污泥、水生植物等因素的影响，并且安装工作量比较小，只需安装一个悬臂。该设备最主要的优点是抗干扰能力强，不受温度、风、蒸汽等影响，安装、使用、维护方便。以RTU为核心单元，使用雷达式水位计，利用GPRS公网传送数据，采用市电进行供电。

3.2 流量监测设备

本灌区主要涉及闸门计量，根据上述渠道流量监测方法对比，结合本灌区水源泥沙量大的现实情况，采用超声波多普勒进行测量。

3.2.1 传感器安装。灌溉渠道大多数都是明渠，形状为矩形、梯形，少部分是U字型的。灌溉的暗渠会有少部分是圆形的。对上游和下游渠道的要求如下：在传感器上游，要有渠道宽度10倍的直渠道，如果上游是闸门、水泵，传感器和闸门、水泵之间要有渠道宽度30倍的直渠道；传感器的下游，要有渠道宽度5倍的直渠道。

3.2.2 活动支架安装。如果有沉积物，如淤泥，要把传感器安装在沉积物的旁边或者上面，这时就需要用到安装支架。因为每个现场安装支架的高度和宽度都不相同，一般都是在现场附近制作。

传感器的支架和岸边起固定作用的支架之间用螺丝拧在一起，这样在维修和维护时，把岸边支架上的螺母拧掉就可以把传感器从水里面捞出来。

3.3 闸位测控传感器

根据闸门启闭卷扬起闭和螺杆起闭方式不同，选择轴联结闸位计传感器，使输出轴通过偏心联轴器（或弹性联轴器）与闸门卷扬机的减速机构小齿轮轴头（或卷筒的轴头）相连接，也可采用直联结3 m拉线式位移传感系统，实现对闸门起升高度的测量与控制。轴连接闸位计参数特点：①内部配以精密的变速机构，集检测与A/D转换为一体，具有断电记忆功能；②适合各类闸门（平板门、弧形门、人字门、门机和桥机等）；③分辨率与所配编码器有关，如配编码器GD-32768/64，每周分辨率512码，连续转64圈；④精度为±0.1%×量程±1；⑤通信方式为并行格雷码、RS485串行通信接口、4～20 mA标准模拟量；⑥工作电压为DC 12～24 V。

3.4 电动阀

在实际应用中使用较多的阀有电磁阀和电动阀。电磁阀较易被异物堵塞，对水的阻力较大，一段时间过后需要有专人维护维修等。而电动阀则没有这些缺点，故选用电动阀。

电动阀的工作原理是利用电动执行部分控制阀门，从而实现电动阀的开启与关闭。电动阀由两部分组成，上面是电动阀的执行部分，下面是电动阀的阀门。电动阀是通过电能转换成机械能控制阀门开关，从而实现阀门的开关调节动作。

该电动阀具有节能、不发热的特性，电耗降低最多可达80%，功率低，可长时间通电，工作稳定。低电压下可正常工作，不会因电压轻微抖动而发生阀芯的抖动。阀体采用全铜锻造，强度高、性能强，拥有更强的控制能力，发热低，适合各类工作环境，反应时间短，以便及时响应控制。

4 系统应用软件设计

4.1 数据信息流程

4.1.1 信息化总体结构。铜东灌区信息化建设总体结构分为信息采集、信息传输、信息管理、信息应用四大部分，建设项目主要包括通信传输网络、中心管理平台、水库水闸自动监测控制系统、干渠渠道流量闸门监测控制系统和视频监测系统五大部分，总体结构如图2所示。

4.1.2 数据信息流程。灌区信息化系统中包括水情信息、水费信息、调度信息、视频语音信息和其他与灌区业务相关的信息，这些信息是各级管理部门进行决策所必需的基本信息。

信息源的分布包括灌区管理局调度中心、水库管理所分中心、监测站点等业务相关单位。这些信息的收集、传输和处理应用是灌区信息化系统要解决的主要技术问题，根据信息源及其特性对信息进行分类并分析各自的流程，对系统设计有着重要的指导意义。

图2 总体结构图

数据采集系统包括水库水位实时监测、渠道流量实时监测、气象墒情实时监测、视频实时监测等功能。系统主要功能是为铜东灌区灌域日常管理提供信息服务。在综合数据库和GIS的支持下，为管理部门和相关单位提供各类相关信息查询服务和预警信息，提供及时准确的在线信息查询等信息服务，同时实现监测信息的接收与处理。

根据灌区信息化集中式管理需要，灌区内所有信息需要汇集到灌区管理局信息中心，在此可以看到所有监测站点的情况。水库管理所信息分中心可以查看本辖区范围内所有监测站点的情况。灌区管理局信息中心可以通过网络调取水库管理所信息分中心的数据。

灌区管理局信息中心是所有信息的集散地，通过网络向需要数据的站点提供数据支持。水库管理所信息分中心可以查看水库管理所所属灌域的站点信息情况。

本次信息化需要建设信息中心与各信息分中心的骨干网络、视频监视站点到所属管理所的宽带网络，管理所与信息中心连接成一个局域网络，在信息中心建立数据传输业务平台，实现远程控制，实时采集数据，提供传输通道，同时为业务应用子系统建立网络应用平台。

根据需求分析及上述的方案设计，灌区计算机网络、办公业务数据传输、视频信息传输等需要高带宽、稳定可靠的通信保障，因此，需要自建光缆通信网络来辅助通信。流量、闸位等信息采集属于小数据量通信，采用GPRS公网通信。

4.2 智能节水灌溉系统

灌溉控制系统由管理中心平台、管控网络和田间控制操作层三部分构成。其中管理中心平台是实现管理的核心，管理中心平台与田间的阀门控制节点采用GPRS网络进行连接，发送控制命令操作阀门，监控管网压力、流量状态。田间阀门控制器连接电磁阀门，接收轮试点区管理终端的控制命令，发送脉冲实现电磁阀门的远程开闭控制，同时，连接管道压力计监测管网压力、连接流量计监测管道流量。其具体功能如下。

①电磁阀启闭控制；②采集阀控制状态等信息，如通信电量、控制电磁电量等；③检测电磁阀的开关状况；④检测连接到本田间控制终端的多种外围设备，如水压等传感器；⑤接收自己所属远程控制终端发来的开阀、关阀命令，进行开阀、关阀操作；⑥阀门状态异常故障报警。

首先，南皮位于京津冀第二圈层。南皮县距北京主城区250公里，距天津主城区160公里，以两大中心城市的主城区为极核，北京、天津市属郊县为第一圈层，南皮县处于接受中心辐射的外围第二圈层。

阀门控制器是系统的核心模块，包含MCU和射频系统，能够调制/解调无线信号，完成命令解析，对阀门控制模块、水压采集模块、供电模块进行一系列的逻辑控制和操作。

阀门控制模块是执行阀门开/关命令的末级单元。其功能是按照MCU所提供的控制逻辑为相应的电磁阀门提供正向/负向电流以控制电磁阀门开启/关闭。

4.3 视频监视系统

通过现场的摄像装置，视频监视系统可以通过网络将现场的实时图像准确、快速、清晰地传输到相应的管理部门——水库管理处。值班人员及管理人员根据视频图像所反映的现场情况，就可以异地监视水工建筑物的运行、处理事故。实时采集到的视频信息可以存储在计算机中，作为历史资料，对于事故分析、责任排查、建筑物运行管理水平提高都具有非常重要的价值。

视频监视系统主要由前端设备、传输设备、控制设备、记录及监视设备四大部分组成。前端设备由安装在监视点的高分辨率彩色摄像机、全方位云台、变焦镜头和室外专业防护设备等组成。其主要负责图像数据的采集和信号处理；实时监视相关水库工程及管理所周围环境；在信息中心的监视设备上监视现场的实时图像；视频图像循环存储，图像存储时间不低于7 d；信息中心安装视频管理服务器，集中存储视频图像；信息中心和管理站可以监视视频监视点；图像分辨率为704像素×576像素，传输速率不少于25帧/s；具备红外夜视功能，光线昏暗时也可以看清被监视对象；具备防网络阻塞功能；有系统管理权限之分；利用网络传输视频信息；为系统容量扩充留有余量。

4.4 闸门测控系统

闸门监控系统以“无人值守”为设计原则，通过传感技术、自动化控制技术、计算机软硬件技术、网络通信技术的综合应用，使用户能够控制闸门，还可以通过计算机远程控制闸门的启闭状态，采集和传输图像信息，远程控制系统的联锁，使闸门控制系统、水位、流量、视频画面和闸门控制系统能够集中显示在软件画面上，使远程操作更加直观。

网关控制系统具有以下特性：①图形仿真站点场景，可实时显示网关的高度和状态；②通过计算机鼠标操作可以打开或关闭计算机网关；③在现场展示压力和实际信息，详细掌握设备的操作情况；④完善事件记录，记录每个网关操作的打开时间和高度；⑤丰富的广告信息。该软件可以集成水位信息，实时显示水位的当前高度，且远程操作更加可靠，更易于满足业务需求。根据计算机化要求，控制系统实施了现场控制、水库管理层控制和三级编程控制。

4.4.1 现地控制。主要包括逻辑控制部分、操作部分（电机保护器、相序保护器、过载保护器、交流接触器、关口表、电压变送器和电流变送器等）、通信部分（以太网、无线GPRS或光纤传输、RS485接口等）三部分，构成了工业级高可靠性的关口自动化控制系统。内部控制系统支持螺杆、绞车、斜拉等闸门类型，单孔或多孔闸门可接入系统。此外，考虑到网关通常位于远程位置，系统除了支持有线网络外，还可以选择通过光纤到变电站的有线或GPRS无线进行远程控制。考虑到子站和存储站门更接近信道门，可以优先考虑光纤通信接入公用网络。

现地控制单元采用PLC完成对闸门的逻辑控制，PLC首先根据闸门现有的参数，如闸位、机械上/下限位、电子上/下限位、按钮输入、闸门是否有运行机械故障报警等判断现有的工况，然后通过控制指令和逻辑运算使闸门完成操作，在软件上考虑闸门上升、下降时的逻辑互锁和反向延时，以防止闸、阀的机械和电气冲击，考虑上升、下降时左右的闸位高度是否达到纠偏要求、是否超差等，所有这一切都通过PLC内的梯形图软件编程来实现。PLC通过RS-485总线通信接口与监控中心闸门监控计算机构成一主多从结构的通信系统，完成上位机发出的采集和控制指令。监控中心计算机通过应用软件直接监控，监测闸门的状态，并控制门到设定开度；现地控制柜中的测控仪和PLC直接控制闸阀，并响应上位机的控制命令、采集命令，组成分布式系统，共同实现对闸门的监控。

4.4.2 水库管理所级控制。主要由水库管理所级计算机和PLC控制系统组成，当电动执行机构可通过工控机对闸门进行水库管理所级控制时，能够监测闸门控制箱所有信号量、测量值等实时工况及运行参数，执行和记录调度员发出的本站设备调节及控制命令信息。

远程控制，可实现对闸门的手动启闭控制，也可设定一开度值，与当前开度值进行比较，由PLC控制系统自动给出启闭指令，当到达目标值时自动停止，当闸门控制柜接收到启闭指令后，首先进行判断，如指令正确则按给定开度值控制电动机启动，同时，电动执行机构获取闸门位置。在此过程中，若闸门超出上下移动范围，立刻终止电动机运作，保护闸门不被损坏，完成操作指令后电动机停止，同时，通过光纤传输向水库管理所级控制系统和调度中心返回启闭高度结果。

4.4.3 灌区管理局调度级控制。调度中心控制是系统的远程调度方法，能够监控闸门监控点的信号量、测量值等实时工作状态和运行参数，执行和记录中心调度工作站发出的每个泵站的设备调整和控制命令信息。此外，根据各泵站的水位和运行工况，还可对相关闸门的启闭进行调节和控制。若工作条件允许，调度中心控制层的上位机可直接操作闸门控制箱，实现远程集中控制。根据收集到的信息，上位机可以建立各类信息数据库，由调度员进行分析比较，改进管理方法，提高经济效益，对各种工艺参数值（包括历史数据）建立趋势曲线。

4.5 灌区数据库系统

4.5.1 设计原则。软件是灌区信息化建设中最复杂的部分，灌区的业务比较繁杂，涉及业务也非常广泛，包括雨水监测、闸门监测监控、水利工程管理、用水调动管理和电子政务等，每部分各具特点，应用开发的语言也不同。面对如此复杂的软件建设情况，做好软件的整体规划尤为重要。

根据灌区业务应用系统的特点，灌区数据层规划为数据平台的建设模式，其数据库从框架上规划为道区基础数据库和地理信息数据库，本次信息化建设实施方案中主要涉及基础数据库的建立。

灌区数据库建设包括两方面，即数据库结构建设和数据库内容建设。数据库结构是指通过对灌区的分析，合理分类灌区信息，依据数据库设计的相关理论和方法，建设结构合理、技术易于实现、满足应用要求、安全可靠的逻辑和物理数据库。

灌区数据库平台集成灌区的工程管理保存和管理。用水管理与行业管理密切相关，具有基础性、专业性、时效性和共同作业性等特征的相关数据信息，可以为灌区其他专业信息系统的开发应用程序提供强大的数据支持。同时，灌区数据库平台具有较规范统一的渠道形式和数据标准，可以在行业内部进行信息交换、统计分析和评价等。

4.5.2 基础信息数据库设计。主要包括水情数据库、闸控数据库、工情数据库、管理数据库和水利空间属性数据库。

水情数据库包括水位流量、监测站基本信息、监测站实时水位、统计水位信息、流量、统计流量信息、实时雨量和累计雨量信息等基本信息。数据存储格式为数字、字符格式。数据共享方式为部分外部公开，其余为内部共享。闸控数据库包括闸控站基本信息、闸门开启高度等实时监控信息。数据存储格式以字符、数字为主。数据共享方式为部分外部公开，其余为内部共享。工情数据库主要包括水源、渠道工程及附着在其上的水利工程建筑物的资料，包括在建工程和已完成的工程。数据分类为工程的基本特征信息、技术指标信息、运行状况信息及图片图像信息等。这类数据需要人工输入。管理数据库包括灌区的行政管理信息、经济情况、固定资产信息、人事工程财务行政档案、财务情况和用水户协会信息等。水利空间属性数据库：包括灌区范围内的所有水源、水利工程、管理设施、监测站点及地形地貌的空间属性信息。

5 灌区智能灌溉信息化建设建议

5.1 灌区现代化建设应尽快制定技术标准

贵州省山地灌区地形、地貌、水资源、作物、土壤、工程分布、基础设施及运行管理机制体制等存在差异。目前实施的灌区信息化建设种类繁多、标准不一，导致信息资源无法共享，形成信息孤岛，硬件设施重复投资。亟须制定贵州省山地灌区技术标准，更好指导灌区信息采集、传输、应用层建设，为灌区现代化管理提供科学的决策依据。

5.2 加强水利先进实用技术在灌区的推广应用

贵州省大型灌区信息化建设主要为灌区管理、用水调度管理、行政办公决策与管理提供服务，具有显著的经济效益、社会效益和生态效益。贵州省大型灌区信息化建设的效益集中体现于通过各种用水信息的采集分析，建立科学的用水调度管理模式，为科学灌溉、合理用水、节约用水提供依据，提高灌溉保证率，增加农作物产量，提高农业生产力，改善当地农民生活条件，提高灌溉效益、供水效益。同时，通过先进的量水设施精确计量实用水量，不仅可以增加灌区水费收益，而且可大大减少交接水双方的矛盾，从而确保灌区的社会稳定，为灌区水利现代化和经济社会可持续发展提供可靠保障［5-10］。