物联网及专家决策系统在黑石灌区的应用

韦应堂，魏 凯，蒋晓云

(甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

我国水资源紧缺，特别是西北地区，常年干旱少雨，部分地区作物的灌溉都难以保证[1]。滴灌因具有省水、节能、增产等优点，近年来发展很快。但是滴灌低头流量较小，且滴头的流道和出水孔都很小，当灌溉水质较差时，滴头很容易堵塞，制约了沿黄灌区滴灌工程的推广。

据有关资料表明，黄河水兰州段多年平均含沙量为2.19kg/m3，汛期为3.82kg/m3。颗粒平均粒径0.0249mm，最大粒径0.5mm。依据Bucks等的滴灌水质分类体系[2]，仅在物理性悬移质颗粒上，黄河水就远远超过严重堵塞指标(该指标为0.1mg/m3)。国内外相关学者就如何处理含沙量较高的灌溉用水已取得很多成果，柴建华等提出的基于四级过滤模式的滴灌系统在内蒙古灌区得到了应用[3]；范文波等提出了非全流负压底滤分水自动反冲洗过滤装置[4]；为了解决黄河水微灌堵塞的问题，田军仓研制了高含沙水微灌非全流过滤装置[5]；郑和祥等研制了滴灌大首部系统集沉沙与过滤系统，并在鄂尔多斯黄河南岸灌区得到了良好应用[6]。

皋兰县位于黄河中上游，兰州市以北，距兰州市45km。黑石灌区位于皋兰县北部，现状灌水方式为渠灌，灌溉水源利用黄河水。项目实施区位于皋兰县黑石灌区，本次设计的滴灌系统主要由首部过滤系统、田间工程、控制系统三部分组成，采用“平流沉淀池+斜管沉淀池+水泵加压+水肥一体化施肥+叠片过滤器+输水干管+田间管道+压力补偿式滴灌管”实现田间滴灌。

1 首部过滤系统设计

考虑到黄河水兰州段泥沙含量较大，本次采用“平流沉淀池+斜管沉淀池+叠片过滤器”的过滤方式。黄河水由引水渠进入平流沉淀池，经自然沉淀后，由潜水泵将水提升至斜管沉淀池，过滤后的灌溉水经首部泵站加压，经施肥罐、碟片过滤器后输送至田间。首部过滤系统连接如图1所示。

图1 首部过滤系统示意图

1.1 平流沉淀池设计

平流沉淀池其原理是靠足够大的体积使得水流自进入沉沙池后，水流所携带的大于设计标准粒径以上的砂砾石以沉速V下沉，当水流到沉沙池末级取水区时，砂粒刚好沉到池底。

根据黄河泥沙的特点，平流沉淀池的表面负荷率宜选择较小值，以利提高沉淀效率，本次设计表面负荷率为0.3mm/s，取水流量确定为0.054m3/s，沉淀池表面积A=160m2。水平流速取V=20mm/s，相应停留时间T=1.25h。平流沉淀池为C25钢筋混凝土矩形水池，长×宽×高(90m×2m×2.2m)，分为三级沉淀，长度分别为30、30、30m。池底厚0.4m，池壁为重力墙，顶宽0.2m，底宽0.4m。

1.2 斜管沉淀池设计

斜管沉淀池指在沉淀区内设有斜管的沉淀池。利用倾斜的平行管或平行管道(有时可利用蜂窝填料)分割成一系列浅层沉淀层，被处理的和沉降的沉泥在各沉淀浅层中相互运动并分离。本次斜管沉淀池为C25钢筋混凝土矩形水池，长×宽×高(13.75m×8.5m×5.0m)；池壁为直墙，厚0.5m，底板厚0.5m，顶板厚0.5m，外包0.2m厚保温板。设计产水量Q=200m3/h，沉淀池表面负荷：q=5.0m3/(m2·h)，斜管孔径采用内径35mm。斜管斜长采用1.0m。斜管倾角采用60°。进水方式采用穿孔墙整流布水，出水方式采用多槽出水，在池面上增设几条平行的集水槽，以改善出水水质，加大出水量。

因沉淀池设于室外，所以在沉淀池旁设排泥阀门廊道，上盖玻璃钢格板，以方便排泥阀的维护与检修。斜管沉淀池排泥排入平流沉淀池统一处理。

1.3 碟片过滤器设计

本次选用全自动叠片过滤器，过滤精度200μ，处理能力200m3/h，过滤器组合中的各单元之间，反洗过程轮流交替进行，工作、反洗状态之间自动切换，可确保连续出水；反洗耗水量少，只占出水量的0.5%，只需数10秒即可完成反冲洗。

2 田间工程

2.1 田间管道工程

根据现状地形条件，在黑石灌区东北面设灌溉系统首部取水后沿东南方向布置1条Ф225PVC(0.6MPa)的干管。干管后设支、分支、辅、毛四级管道，各级管道垂直连接，管道埋深大于冻土层厚度。支管及分支管选用Ф160PVC(0.6MPa)管，的每条分支管上布置Ф75PE(0.6MPa)辅管，单向分水间距不大于80m，双向分水间距不大于160m；每条辅管设计流量55536L/h，每条辅管控制14.8亩。为便于工作检查，在干管首端及每隔500m处设检查闸阀井，分支管末端设排水井。

2.2 种植模式与灌水器选择

项目区主要种植作物为马铃薯。采用双行种植，陇距0.9m，陇宽0.6m，陇上一膜两行，株距0.3m。滴灌管布置在陇内中间，采用一管一陇，滴灌管间距1.2m，布置方向与作物方向一致。灌水器选择主要考虑抗堵性能较好的滴灌带，采用Ф16滴灌带，滴头间距0.3m，滴头设计流量2.0L/h，压力补偿范围0.1～0.3MPa。

2.3 无线田间路由器

无线田间路由器接收首部控制器发送的启闭电磁阀指令，通过Lora无线网络将该指令发送至相应的无线阀门控制器，同时接收无线阀门控制器监测到的阀门反馈并将数据报送首部控制器。无线田间路由器布设在不受遮挡的农田周边，信号覆盖半径为800m。与首部最大通讯距离为5km。

2.4 无线阀门控制器

无线阀门控制器是一个能够接受特殊编制的无线控制指令，并对指令进行解析和转换的设备，接收无线田间路由器发来的控制指令，控制电磁阀开关，同时也能向无线田间路由器反馈电磁阀的状态，并由无线田间路由器发送至首部控制器。

2.5 电磁阀

电磁阀是安装在供水管路控制给水的脉冲电磁阀门，它在接受脉冲电信号后能开启或关闭，实现对管道中的流体介质的通断控制。选用3寸电磁阀，连接方式为螺纹，阀门出水口连接辅管。每一个电磁阀都有1个IP地址，具有该地址的阀控器接到指令后，将相应电磁阀开启灌水或关闭停止灌水。

3 控制系统设计

3.1 控制原理设计

系统选用一体化PLC首部运行控制器，实现灌溉泵站水泵启停控制和电压、电流、供水压力、供水流量、水质等灌溉水数据的实时采集。控制界面采用人机交互界面，便于用户制定、修改、编辑轮灌计划，及时掌握灌区运行状况。通过Lora网络实现田间土壤墒情信息采集及阀门的远程控制。灌溉控制原理示意图如图2所示。

3.2 软件系统架构设计

本系统是建立在物联网基础上的一系列软件服务，软件平台分为四层结构，如图3所示。

其中感知层负责信息采集和信号处理，包括渠道水位、流量、电磁阀、压力、电量传感器等；传输层直接通过GPRS和自组无线专用网络对来自感知识别层的信息进行接入和传输；应用服务云平台通过感知和传输层获取各种信息并进行识别、分类和存储，然后再结合基础数据、空间数据和其它业务数据进行整合和分析，最终将实时和有效的业务数据发布到应用接口层供各种应用来使用；应用层通过分析处理后的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。包括工程信息和综合查询，水务管理，信息发布，系统管理，报表和管理，地理信息系统等。

图2 灌溉控制原理示意图

图3 软件平台技术架构图

3.3 基于SCADA的人机交互界面设计

采用SCADA组态软件设计人机交互界面，系统除显示所有的参数的当前值或状态外，还可以对系统流程画面等进行显示，包括模拟量输入、数字量输入、数字量输出、中间变量和计算值。对显示的每一个过程点，可以根据用户的要求显示其标签号(TAG)、说明、数值、工程单位、高低限等等有关这个标签的相关信息。可根据用户要求将设备运行时的操作指导，由液晶显示器的图象和文字显示出来。人机控制界面如图4所示。

3.4 软件综合管理系统设计

软件综合管理系统设计包含6个子系统如图5所示，具体设计内容如下：

(1)工程信息管理子系统。管理灌区建设情况，涵盖从水源工程一直到田间的各种工程和设备信息，提供数据综合和按条件的查询和展示。

(2)地理信息子系统。提供GIS基本功能、管理各类地图元素的空间数据信息、水源工程信息、田间工程信息、监测信息及提供google政区地图和卫星地图的浏览。

(3)灌区水务管理子系统。包含量测水管理、用水计划管理、用水监督管理及信息发布平台。

(4)信息监测子系统。具有远程控制、数据采集、数据处理、数据通信及交换、数据库管理功能，实现对整个灌区的监视管理和控制。

(5)网络管理子系统。包含系统故障切换和重启、系统配置极其维护管理、网络监视、远程诊断等功能。

(6)数据库子系统。数据库的管理、更新、添加、修改、删除及查询等功能。

4 灌溉预报与决策系统设计

4.1 控制模型选择

由于作物灌溉控制受当地气候、土壤、作物自身等因素影响，灌溉不确定性较高，而模糊控制主要依据操作人员的工作经验，不需要建立相对复杂的模型，是解决不确定性系统的一种很好的方法。

图4 人机控制界面示意图

图5 软件综合管理系统功能示意图

本次设计基于土壤含水率E和农田地表温度c作为输入量，灌水时间t作为输出量的一个双输入单输出的模糊控制系统。

4.2 输入变量获取

黑石灌区主要种植作物为马铃薯，周皓蕾等(2011)研究表明[7]，马铃薯在膜下滴灌条件下湿润层深度约为28～35cm，本次土壤水分传感器埋藏深度选择为40cm，选用某公司产TEROS 12土壤水分传感器，尺寸：9.4cm×2.4cm×7.5cm，能同时测量土壤体积含水量(EMC)、电导率和温度，测量时间25～50ms。采集的数据通过Lora无线网经无线田间路由器传输至首部运行控制器。

4.3 变量模糊划分及模糊规则制定

考虑到灌区土壤水分及农田小气候实时变化情况，预设田间墒情采集系统的采集周期为1h，土壤含水量的限值条件暂定为10%～40%，田间温度限值条件暂定为15～45℃，灌水时间与采集周期通频率，通过输入/输出变量的隶属度函数对应关系(如图6所示)，得到E与C的量化因子KE与KC均为0.1，比例因子Kt为10。

图6 输入/输出变量的隶属度函数示意图

根据现有的运行资料制定的一个模糊规则表(见表1)，应用Mamdani’s法进行模糊规则的推理，按最大隶属度法解模糊化，后续可通过积累的经验来修改相关参数。

表1 灌溉时间t对应的控制规则表

5 灌区试运行情况

黑石灌区自2018年6月开始施工，2019年4月份完成建设，黄河水作为水源，亩均投资3200元。本滴灌工程泥沙处理系统采用了“平流沉淀池+斜管沉淀池+叠片过滤器”的过滤方式。处理后过滤器出口含沙量0.5～1.5mg/L，小于50mg/L，满足GB/T 50485—2009《微灌工程技术规范》要求[8]，设计基本合理。

本项目未建设之前，黑石灌区采用渠道灌溉，毛灌溉定额500m3，通过本项目的建设，节约用水程度至少提高50%，仅2人即可完成灌区的运营与管理，解放大量劳动力。且田间电磁阀是安装在供水管路控制给水的脉冲阀门，仅需太阳能就能完成灌区的阀门的正常开停，系统运行稳定，人机界面友好，具有良好的示范效果。

6 结论与讨论

采用了“平流沉淀池+斜管沉淀池+叠片过滤器”的过滤方式，能很好地处理含沙量较高的黄河水，过滤后的黄河水水质适于滴灌；项目区主要种植作物为马铃薯，每年需深耕，不适合有线方式，选用Lora无线自组网方式，绕射能力强，通讯稳定、可靠、易维护、扩充方便、单点故障不影响其他，且无任通讯何费用产生；通过SCADA组态软件编程，人机界面友好，操作简便，实现灌区的动态实时监控；引入了模糊控制作为专家决策系统，由于模糊控制的闭合性，提高了灌溉水量的控制精度。

由于黄河水泥沙含量较高，平流沉淀池和斜管沉淀运行负荷较重，过滤掉的淤泥如何处理也是灌区下一步要解决的问题。