基于TCC控制模式节水自动化灌溉体系应用

徐宝山，任晓文，闫晓婷

(甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211)

近年来，随着农业用水需求的不断增加，农业供用水矛盾日益凸显，加之水资源利用率低下，使得农业灌溉用水愈加紧张，为缓解用水矛盾，世界各国都在大力探索行之有效的节水措施和提高水分利用率的办法[1]。我国作为一个农业大国，农业灌溉用水占总用水量的较大部分，大力推广和发展节水灌溉技术成为我国农业今后发展的趋势，尤其发展现代化高效节水农业更是农业的必由出路[2]。现代化高效节水农业不仅在种植和灌溉方面比较精细化，而且在输配水、灌水方式、降雨、蒸发、土壤墒情和作物需水规律等方面进行全面统一考虑，通过灌溉自动化系统将灌溉水、降雨、地下水联合调用按时、按需、按量进行自动灌溉，并利用土壤墒情和气象设备实时动态监测土壤含水率和水分动态变化，实现灌溉水的自动化和动态化管理。

为深入推进节水型灌区建设，促进现代化农业发展，甘肃省疏勒河管理局借助清华大学开展水联网多水源实时调度与过程控制技术应用示范研究项目引进了澳大利亚潞碧垦公司研发的一体化测控闸门系统，以及依托南京水文水资源研究所提供的自动化灌溉电磁阀田间设备在昌马灌区南干渠管理所建立了高效节水示范园区。通过不断加强自动化闸门与自动化灌溉软件的耦合，重点实现了基于TCC控制模式下的灌溉自动化系统体系，一体化闸门根据下游园区实际需水要求，逐级进行反馈和前馈，实现闸门的联合调度，精准完成配水。自动化灌溉系统参照田间土壤含水率上下限，结合气象和土壤墒情自动监测系统，对作物进行精细合理化灌溉，真正实现水资源的高效利用，更为灌区自动化节水灌溉提供了技术支持和系统软件服务。

1 自动化节水灌溉体系组成

本自动化节水灌溉体系主要有一体化测控闸门系统(TCC控制模式)、自动化灌溉系统和视频监控系统3部分组成。通过建立中间联通介质将一体化测控闸门系统和自动化灌溉系统有机的进行了耦合和联动，并结合视频监控系统，实现了水资源管理的准确预报、精准调度、高效管理和有效利用。

1.1 全渠道控制TCC渠系控制

TCC(Total Channel Control)全渠道控制模式的简称，全渠道控制模式的工作原理是当下游农户开始取水时，取水口向上游闸门发送流量信息，上游闸门回应配送需求流量，下游农户闸门监测理想水位变化，并将信息发送至上游闸门，实时调整闸门的开度，以确保水位保持在适当水平，上述过程在整个渠道持续进行，以保持适当水量通过各相关闸门，将水位保持在适当水平，而不发生溢流。示范园区一体化测控系统全渠道TCC渠系控制技术路线如图1所示。

全渠道控制TCC渠系控制除了硬件模块采用比较精密的定流式设计(堰式)和精确的马达控制，在软件系统上，采用SCADA Connect软件实现一体化闸门的协调操作和远程遥感监测，以及NeuroFlo软件对接收到相关闸门流量和水位信息经过优化计算后做出理想回应，确保渠系内流量和水位保持在适当水平，该模式采用了反馈和前馈控制循环技术，精准的配水有效地满足了用户的需求。具体运作原理如图2所示。

图1 全渠道TCC渠系控制技术路线图Fig.1 Total channel control TCC canal route

图2 渠系控制具体运作图Fig.2 Canal concrete control operation

1.2 自动化灌溉系统

自动化灌溉系统是基于计算机技术、通讯技术和现代农业技术为一体的自动化控制系统[3]。系统利用土壤温湿度传感器和水位传感器实时监测土壤墒情参数，通过无线网络技术 及时连续上传采集农田土壤水分数据，中控室计算机进行分析处理，根据分析数据智能决策实现远程操控水泵的起停、电磁阀的启闭和灌溉用水量，使农田灌溉实现少人值班的自动化精准灌溉。

该系统通过ZigBee自组监测网络、控制中心和无线网关之间相互作用进行信息的传输和控制[4-6]。ZigBee监测网络底层有一定数量的温湿度传感器作为数据采集节点，能够自动采集土壤含水率信息以及实时动态监测水分变化，并结合预设的土壤含水率上下限进行分析，判断是否进行灌溉和停止灌水。同时无线网关将传感节点监测的数据进行汇集、编址计算路由信息，通过GPRS传递信息数据给控制中心，实现远程监控管理[7，8]。其系统网络结构如图3所示。

图3 系统结构图Fig.3 Scheme of the system framework

1.3 视频监控系统

全园区共安装6台360°全视角高清摄像头，通过对摄像头采用后台云端控制，更好对园区自动化灌溉系统进行了监控和可视化操作。视频监控系统作为自动化灌溉系统的辅助系统，使得远程操作更加直观、更加准确。

2 自动化节水灌溉体系

自动化节水灌溉体系是以上三大系统的自主耦合，在基于一体化测控闸门精确配水的基础上，结合自动化灌溉系统，并且在视频监控系统的辅助下，以实现整个园区灌溉用水的自动化、精量化和可视化。 该体系的形成不仅有效解决了农业用水效率低的问题，有充分发挥了节水设备的优势，使管理水资源更加科学、方便，而且对推广自动化节水灌溉农业奠定了基础，提供了试验依据。整个自动化节水灌溉体系工作流程如图4所示。

图4 自动化灌溉体系工作流程图Fig.4 Automated irrigation system workflow

当温湿度传感器监测到土壤含水率低于设定目标值以后，说明作物需要进行灌溉。此时，传感器采集到的数据信息利用ZigBee无线网络传送给网关，网关处理信息并与控制中心进行数据交互。同时，通过控制中心主机发送指令给河水泵，河水泵开启，需要灌水的控制阀门打开。随着蓄水池的水位不断下降，二分干一农测控闸门下游水位传感器监测到蓄水池水位下降到设定值以下，闸门开启给蓄水池补水，并发送需水信息给上游的二分干一斗节制闸，上游闸门监测水位并适当调整闸门开度，此过程依次不断持续进行，直至南干二分干闸门，通过反馈和前馈的操作模式，实现精确的配置额外需水量。在此过程中，气象站采集的气象数据为灌溉做出更加精确的判断，而监控设备可以随时监控园区内灌水的情况，及时且直接。

3 园区运用实例

园区自动化灌溉体系操作界面如图5～图8所示。整个园区通过自动化控制中心的远程终端设备可以实现对一体化闸门的远程控制。根据田间埋设的温湿度传感器采集的数据，判断作物是否需水，完成控制阀门的启闭。

图5 TCC全渠道控制界面Fig.5 TCC total channel control interface

图6 视频监控后台控制Fig.6 Video surveillance background control

图7 渠首泵房控制界面Fig.7 Pumping station of head control interface

图8 田间控制阀布置图Fig.8 Field control valve arrangement

4 结 语

基于TCC控制模式的自动化灌溉体系的运用，为灌区自动化节水灌溉控制提供了有效的实现手段。本园区节水灌溉系统的设计，接入了一体化测控闸门系统、节水灌溉系统和园区监测系统。在示范园区安装一体化测控闸门和灌溉自动化系统，不仅在操作方面实现了自动化远程控制，取代了人工调节，解放了生产力，而且通过反馈和前馈控制循环技术，精确实现一体化闸门的联合调度，利用高精度流量计算软件和控制软件，对闸门进行实时调整，以确保水位保持在适当水平，并且可以准确找出渗漏和泄漏，完全杜绝跑水、漏水、剩水等传统不良现象，大大减少了输配水过程中的水量损失，实现了精准配水。加之，自动化节水灌溉系统和视频监控系统的配合，使一体化测控闸门在控水、配水、节水方面更进一步得到了发挥。基于一体化测控闸门的自动化灌溉系统做到了给作物按时、按需、按量灌溉，实现了精准化，减少了深层渗漏损失，节约了水资源。

[1] 徐宝山，赵文洪，赵朝晖，等. 河西典型灌区沟畦灌节水模式试验研究[J].节水灌溉,2016,(1)：43-46.

[2] 张朝晖，张建贵，徐宝山. 微润管灌溉技术参数试验研究 [J].灌溉排水学报,2007,(1):73-76.

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