黑山县“节水增粮行动”信息化工程示范建设与应用

2014-02-18周大鹏

水利规划与设计 2014年3期

周大鹏

周大鹏

（辽宁省水利水电科学研究院辽宁沈阳 110003）

本文结合东北四省区“节水增粮行动”信息化试点工程建设要求，从机井水量测控、地下水位监测、田间墒情监测、田间气象观测、作物长势监视、灌溉自动控制等系统进行功能设计，采用无线通讯网络技术手段，运用综合管理信息系统架构实现中心对测站的管理，为农田水利管理和水资源的监管提供可靠的技术保障。

水量测控水位监测墒情监测信息化建设

1 项目背景

东北四省区水资源分布不均匀，且春旱严重，持续时间长，伏秋旱时有发生，为了加快农田水利设施建设，增强区域农业抵御自然灾害能力，提高灌溉水的利用效率、充分发挥粮食的生产潜力，保障粮食安全，国家启动了东北四省“节水增粮行动”，旨在通过中央和地方形成合力，集中连片大规模推广应用节水灌溉技术，提高粮食的综合生产能力和水资源利用效率，实现节水增粮增效的目的，选择辽宁省黑山县作为节水灌溉信息化建设的试点，实施工程管理的精细化和规范化，提高水资源的监控能力，2012-2015年全县发展节水灌溉面积21.68万亩，新建机电井1206眼，改造机电井448眼，节水增粮行动受益人口将达到7.78万人。

2 建设目标

紧密结合黑山县节水增粮行动信息化建设试点的特点，充分利用网络通讯和空间信息技术，重点建设灌溉用水与地下水位自动监测工程，实现工程取水量和水资源承载能力的信息化管理，提高工程运行管理水平，并结合土壤墒情、气象等信息的自动监测，科学指导灌溉，引领灌溉现代化方向。

3 总体结构20

根据当地的管理水平和建设需求，按照东北四省区节水增粮行动的总体安排，选择19个乡镇的42个片区作为信息化工程的项目区，共建设水量监测站1654处、地下水监测站46处、墒情监测站7处、便携式自动气象站1处、长势监视站5处以及灌溉监控站1处，并确定绕阳河镇为本次信息化建设的核心示范区，核心示范区主要开展全覆盖、密度大的信息化监测站点，为信息化建设的全面推广开展示范性作用。

黑山县项目区针对本区域内的信息化系统建设，由县、乡镇、村级三层组织体系见图1，统一按照上级接口要求，数据类型、格式与规定标准相一致。由于系统涉及的机井数量多，较为分散，监测项目数据通过网络通讯传输至县级管理中心，软件结构采用B/S结构，通过互联网形成管理网络体系。

4 建设项目

结合黑山县水情、雨情、农作物生长等实际情况，按照工程运行监控、水资源配置、行政事务管理、公众服务、防汛抗旱等方面的总体要求，黑山县节水增粮行动信息化建设内容包括信息采集与测控系统、网络通讯系统、管理中心及管理站建设、数据库建设与应用软件系统四个部分。

4.1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。

（1）机井水量测控子系统

机井水量测控系统主要在农业灌溉机井取水口安装计量设施，实现机井灌溉用水总量的监控，为田间地块实施精量化灌溉管理提供技术支持。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，控制器采集的数据通过GPRS模块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。机井水量测控系统结构框图见图2。

（2）地下水位监测子系统

地下水是项目区的主要灌溉水源，严防地下水超采是水行政主管部门的责任，适当布设地下水位监测点，实时掌握地下水动静水位变化，提高地下水资源监管的数字化和信息化水平。水位传感器采用投入式水位计，IC卡智能控制器负责对投入式水位计进行数据采集，经GPRS模块将数据传输至县级管理中心。

（3）田间墒情监测子系统

对田间不同深度土层进行含水率的测量，布设剖面采用三点法进行测量，将土壤水分传感器、温度传感器埋入相应的剖面的土层中，实时掌握土壤水分和温度的情况，墒情采集单元负责采集传感器监测的数据，经GPRS模块将数据传输至县级管理中心。

（4）田间气象观测子系统

气象RTU终端采集温度、湿度、太阳辐射、风速、风向、雨量、大气压力、蒸发量等气象要素传感器的数据，田间自动气象站各要素设备按照规范要求进行设备的安装，通过GPRS模块将数据传输至县级管理中心。自动气象站工作原理图见图3。

（5）作物长势监视子系统

在田间灌溉机井房附近安装视频监控摄像头，对作物生长期的全阶段进行远程图像监视，可直观的看到作物的长势情况。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将图像信息传输至黑山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。

（6）灌溉自动控制子系统

在原有灌溉设施的基础上，选择有条件的用户单位开展灌溉自动化和智能化试点，配备电磁阀和智能控制器，实现远程遥控和自动轮灌等功能，提高灌溉用水效率，提高工程运行管理水平。

控制系统由电磁阀、阀控器、状态反馈开关、主控制器和用户操作终端等设备组成。其中，电磁阀安装于每条支管出水口处，阀控器安装于电磁阀附近，供电采用直流电源，阀控器与电磁阀通过信号线联接，将数据汇集于主控制器和用户操作终端，并通过GPRS模块实现远程联网传输至黑山县管理中心。

图2 机井水量测控系统结构框图

图3 自动气象站工作原理图

4.2通信网络系统

黑山县节水增粮行动信息化建设各片区测站分布广泛而零散，需要传输水量、水位、土壤含水量、土壤温度、雨量、气温、气压、风向、风速、视频等数据和图像信息，组网范围涉及各片区测站、乡镇用水管理站以及黑山县管理中心。

考虑到外部环境、工程规模、投资概算等诸多因素影响，各测站数据传输利用网络运营商已有的通讯网络，测站数据传输采用CDMA/GPRS通讯方式，利用网络运营商的服务器将数据传输至固定IP的县级管理中心，各乡镇可通过公网访问县级管理中心，获取相应的信息。中心租用固定IP的10M专线，乡镇用水管理站租用2M的宽带。

4.3管理中心及管理站的建设

黑山县节水增粮行动信息化建设包括1个县级管理中心、19个乡镇用水管理站、42个村级用水管理点。

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。

乡镇用水管理站负责本管理区域内的监测井的用水量、地下水等信息发布，部分流量、水位等信息人工录入和相关设备维护工作。

村级用水管理点由村级水管员负责管理，本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，且当现场设备出现故障时上报乡镇用水管理站，

4.4数据库建设与应用软件

数据库是信息化工程数据存储与管理的关键，主要包括项目管理数据库、基础信息数据库、工程运行数据库和地理信息数据库四个一级数据库。

应用软件是黑山县节水增粮行动综合管理信息系统的中枢部分，黑山县综合管理信息系统主要包括项目信息管理应用平台、水资源管理应用平台、灌溉管理应用监控平台和信息服务与发布平台四个软件系统。黑山县综合管理信息系统数据流程图见图4。