节水灌溉示范工程的信息化管理研究与实现

高荣官 叶 军

（泰兴市水务局，江苏 泰州 225400）

0 引言

我国是一个农业大国，但又是水资源相对贫乏的国家，传统的农业灌溉模式对水资源造成了极大的浪费，农业用水的有效利用率只有30%～40%，而发达国家则达到了80%～90%。可以看出，我国的农业用水效率不到发达国家的一半，差距明显，同时也表明农业节水灌溉研究大有可为。

1 项目概况

泰兴市黄桥祁巷节水示范工程位于泰兴市黄桥镇境内，该地区为沙性土质，水资源浪费严重，旱灾时有发生。为了节约水资源，改变该地区农业生产条件，促进地区农业发展，从而推动整个通南高沙土地区节水工程，经批准在该地区实施节水灌溉示范工程。

该示范区低压管道输水灌溉区位于祁巷村，南起菊花港，北止祁巷门前东西大路，东到祁巷中沟，西至祁巷沟，东西长360 m，南北长500 m，耕地面积17.3 hm2，需建泵站1 座，铺设PVC-U 型低压输水管1580 m。衬砌渠道灌溉区位于祁巷中沟西侧，耕地面积72 hm2，需建衬砌干渠2 条共1000 m，衬砌支渠6 条共3900 m。

该示范项目包括：泵站工程、PVC-U 型管道工程、衬砌渠道工程、自动化控制及信息化管理系统。笔者重点讨论自动化控制及信息化管理系统的研发与应用。

2 系统开发原则

由于灌区用水管理涉及农业、水利、经济工程技术等学科，而且许多因素与灌溉用水过程的关系难以完全通过解析方法进行定量描述，所以应用计算机技术、软件技术实现用水管理系统时，应遵循以下原则：

（1）实用性

本系统是一个面向实际的应用系统，系统的功能应尽可能满足实际要求，考虑到生产单位用户多数情况下为非专业人员，所以系统的操作应简单、易学、易用，以图形技术直观地实现各种操作。

（2）科学性

本系统需要实现灌区泵站自动控制、水量计量、污水流量计量、雨量、土壤水分的实时监测，对监测数据要加以科学分析，以提高决策的可靠性。

（3）综合性

系统开发过程中应强调用户、灌区管理人员、软件开发人员三方面的密切协作，注重“信息—经验—反馈”之间的联系，发挥综合集成系统的整体优势。

（4）可扩充性

随着时间的推移，决策环境以及决策问题都会发生变化，因而要求系统具有可扩充性。系统结构应采用模块化设计，各子系统留有程序接口。

（5）自维护性

对于操作人员的误操作或其它原因对系统造成的破坏，系统应具有较强的自维护能力，迅速恢复。

3 系统开发要求

本系统由水务局控制中心、现场控制系统（含水泵控制系统）、田间电动阀控制系统三级系统组成，还包括IC 卡水量计量系统（含土壤墒情采集仪、污水流量计IC 卡及IC 卡软件）［1］、雨量计等。系统功能要求如下：

（1）实现用水量的实时自动采集，实时显示瞬时流量、存储累计流量。

（2）实现灌区土壤水分的实时自动采集［2］。

（3）实现各泵站、各闸门的计算机远程自动控制。

（4）实现泵站用电量的实时监测。

（5）充分应用数据库技术对各类监测数据实现存储、统计、处理和查询。

（6）形成各类监测数据的各种报表。

（7）实现将各关键设备的动态实时监测运行状况以声光报警技术提醒工作人员，以数据技术实现各设备的运行状态参数表管理，以备查询。

（8）能科学地预算用水量、预报用水量，实现节水灌溉之目的［3］。

（9）系统以图形界面为主，配合适当动画技术，实现多媒体用户界面，方便用户使用。

（10）利用语音处理技术，实现整个系统各种操作的语音提示，更加方便用户使用。

（11）利用图形技术实现诸如降雨量、河水水位、水池水位、稻田水份水位的各类曲线图及相关报表，实现对各类采集信息的快速查询、统计、打印。

4 系统架构

系统是由局控制中心主机、现场控制系统、田间控制系统及传感器构成的具有三级结构的集散型控制系统（DCS），结构如图1 所示。水务局控制中心计算机作为中央控制级，其主要任务是完成水务局控制中心对灌区各种数据的远程监测，必要时也可以对现场仪表进行控制；现场控制计算机作为中间控制级，其主要任务是负责灌区现场数据的采集及对各仪表的控制（包括泵站的控制），同时将数据上传水务局控制；在田间，有田间控制系统作为就地控制级，对采集的数据进行存贮、预处理，并控制现场电动闸阀和水泵动作。本系统利用RS-485 通信距离长、抗干扰性能强的特点，采用现场总线方式，将所有现场单元挂接在RS-485 通信线上，实现控制主机对现场单元进行参数设置、数据传递、存贮和显示，并接受管理人员现场操作［4］。

图1 系统架构图

5 系统软件开发

系统的总体架构如图2 所示。由泵站检测控制模块、闸门控制模块、泵站上下游水池水位采集模块、雨量采集模块、瞬时流量和累计流量采集模块、稻田水分水位采集模块、泵站关键设备运行检测模块、查询统计模块、通信模块等组成［5］。

本系统应用Delphi 编程语言作为系统软件开发工具，利用3Dmax、Flash、Photoshop 等作为系统图形界面的开发工具，使系统具有语音提示、界面直观、易学易操作等特点。

图2 系统框图

图3 泵站控制系统

图4 闸门控制系统

（1）泵站控制系统界面如图3 所示。具有电机电流、电压显示，雨量、河水位、各泵水流量、储水池水位显示，水泵故障报警指示，水泵开关控制，水泵状态测试等功能。

（2）闸门控制系统界面如图4 所示。具有各闸门用水量显示、水泵故障报警指示、雨量查询、用水量查询等功能。

（3）河水水位、降雨量、土壤水分数据图表显示分别如图5、图6、图7所示。

图5 河水水位

图6 降雨量

图7 土壤水分

6 结语

本信息化管理系统，控制界面均采用动画设计，用动画的方式显示整个系统的流程，方便美观。每步操作有多媒体语音提示，为操作管理员提供了极大方便。具有自动控制、检测和数据处理、报警和保护、数据存档、管理和通信、打印和显示、防雷、抗干扰等多种功能，从稻田水分数据采集到供水、管水均实现了农田灌溉自动化、智能化和信息化。

数据库不仅自动记录了每个阀门开关的日期、时间和用水量，同时也记录了各种仪表采集的数据，为科学分析、科学灌溉提供了依据。在数据库管理子系统中，根据用户输入的查询日期，计算机可以方便地完成调阅，并用数表和图形两种方式显示出来，使用户查看分析起来更加便捷。

［1］齐维贵，丁宝.单片微型机原理·接口·通信·控制［M］.黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1997：187－190.

［2］白鹏，莫卫东，张福萍，等.Visual Basic 6.0 高级编程技巧——多媒体通信篇［M］.西安：西安交通大学出版社，1999：130－135.

［3］康立军，张仁陟，吴丽丽，等.节水灌溉联动控制系统［J］.农业工程学报，2011，27（8）：232-236.

［4］陈天华，唐海涛.基于ARM 和GPRS 的远程土壤墒情监测预报系统［J］.农业工程学报，2012，28（3）：162-166.

［5］胡玲，汪青春.青海省农业区（浅山）土壤墒情监测系统研制［J］.青海气象，2008（2）：28-31.