水利灌溉自动控制系统设计及管理方案研究

林 智

（内江高新区经济发展局水利股，四川 内江 641000）

0 引言

乡镇水利灌溉工程的规划与管理都需要大量的资金投入，由于受我国乡镇经济条件、农业发展程度等因素的制约，许多地方仍然存在着乡镇水利项目建设投资不足的问题，很难对乡镇水利灌溉项目进行全面、系统地分析，也不能反映出水利建设项目的节水和安全运行目标，造成乡镇水利灌溉工程的日常管理缺少必要的物资保证，造成乡镇水利灌溉工程跑、冒、滴、漏等问题，严重影响了乡镇水利灌溉工程的正常运行，难以达到节水工作的目的，严重地危及了乡镇水利灌溉工程的正常运营。当前，我国的灌溉用水存在着大量的浪费现象。以传统的管理方法和手段是无法达到这一目标的，但要提高水的利用率，必须提高每立方米的水生产粮食产量，实现管理自动化、排灌自动化的目的。在乡镇水利灌溉区域自动化灌溉系统的建成，将极大地改变乡镇用水的管理与使用。乡镇水利灌溉应从传统的粗放管理转向现代化的集约经营模式。因此，水利工程的现代化、机械化将是一个值得关注的问题。

1 水利灌溉自动控制系统设计

利用自动控制技术，提高了干渠和支渠的反应速度，并对渠内的流量进行了精确的调整；该系统能有效、快捷地完成配水工作，克服了人为操作带来的误差，改善了灌溉系统的用水精度，提高了灌溉用水的利用率。

1.1 自动给水栓

自动水位控制系统主要由水源、供水管网、消防栓、水位检测等几个部分构成，在这种情况下，水必须要有一定的压力，以使消防栓能够在这种压力下打开，该水渠可以是一条高耸的渠道，也可以是一条抽水管道，保证每一块稻田都要分开平整，并把垄沟分开，使之互不串水。水渠排水面积大小根据地势大小而定，本系统根据实际情况对找平要求是±25 mm，因此，控制该精度的最重要环节是对水位进行自动控制的自动给水栓。

严格控制水位，也就是要根据农作物的需水量进行自动调整，以维持水面的平衡。经过多个方案的比较，自动给水栓与浮动球体组合，采用浮动球随着水面的上升来控制自动给水栓的小型出口，从而实现对自动给水栓的自动控制。自动给水栓由四个部件构成：阀体、胶膜、上盖和浮动，它的主要特征是把胶片直接粘到阀嘴上，利用薄膜内、外压力的差值，实现出水口的开闭。自动给水栓有水源靠压力推开橡皮膜，大部分水流经过出水口流入田地中，小部分水流流入连接连通孔的皮腔中。随着水的流入，浮子也会随之升高当到达某一高度时用橡胶塞堵住小出水口。由于连接孔的作用上下空腔的压力相等，少量水流经皮腔连接孔皮腔开始膨胀减小止水条的流动部分直到关闭为止。当田地水位下降时，下浮橡胶塞提皮腔中的水从一个小孔迅速排出皮腔内部，压力减小，橡皮膜又一次被推开，供水量受到橡皮膜关闭小出水口的限制，节约用水。

1.2 PLC控制器

作为一种主流的PLC控制结构，其稳定性好，可靠性高，逻辑顺序控制性能好，在自动控制方面有着无可取代的优越性。鉴于灌溉作业环境的多样化，PLC控制器具有以下特性：可靠性高，抗干扰性能好，适用于野外作业；编程语言有三种：梯形图、语句表、函数模块，具有指令丰富、功能强大、易于掌握、使用简单等特点；内置以太网口，设置 IP地址，可直接连接 WLAN；模块化的设计思想使得控制系统具有较大的灵活性；拥有大量的数字输入、输出、模拟输入、输出等功能。通过使用PLC控制器能够精准控制水流量，实现水利灌溉自动控制系统的水量控制。

1.3 水位计

超声波水位计是利用超声波在液相介质中传播的回波测距原理来探测液面，也就是控制安装在河床或堤坝上的超声波传感器，使其垂直地向表面发出超声波，并将其反射回波经过表面，并通过测量其来回的时间，来测定传感器端口与表面之间的垂直距离。超声波水位计分为气介式和液介式两种，它还能像其他的检测设备那样，输出标准的电流信号。该装置能与上位机、控制电脑网络共同构成液面监控，便于生产监控、调度和考核。

通过现场考察和综合考量，将传感器置于测井的顶部或管线之上。随着水位的改变，浮子的升降，测量绳将使线轴转动。通过与卷筒同轴连接的编码器，向智能测控仪输出与液面相对应的数字信号，实现了对水位的实时检测和显示。

2 水利灌溉自动控制技术研究

水利灌溉自动控制技术主要负责建立和完善各类水资源管理机构，制订项目管理、运行管理制度，实现水资源的统筹利用和水资源优化配置。水利灌溉自动控制技术主要包括两大技术，分别是混凝土防渗技术、喷灌技术。

2.1 混凝土防渗技术

渠道是我国田地灌溉中的主要输水方式，常规的土渠其渗漏损失约为50%~60%。因此，在我国，渠道防渗已成为节水灌溉的重要技术手段。采用混凝土防渗技术，可以降低渠道的渗漏损失，增加渠道的水资源利用率，改善渠道的安全保障，并能有效地改善渠道的冲刷性能，增加输水能力。

防渗混凝土原材料要求如表1所示。

表1 防渗混凝土原材料要求

详细防渗技术工艺如下：

在进行混凝土浇筑工作时，必须确保搅拌机卸料至下层砼之间的间隔不超出设计要求。中间的时间间隔应按照下列条件进行：在25℃以下的时间内，不要超过3h；在25℃以上的时间内，不能超过2.5h，大面积的基底或顶部应该进行连续的浇灌。

振捣密实是保证混凝土的抗渗性的关键，根据技术规范，机械振动可以达到这一要求，但预留孔、预埋管、预埋件、止水带等结构的形状不正且不利于振动。一方面，混凝土中的气体在振捣时不易全部释放；另一方面，通过这种方式不能将空气完全排出，因此，对于这些位置以机械振捣为基础，辅以人工插捣，有利于排气和振捣密实。

湿法养护可使水泥充分水化，减少孔隙度，并能切断毛细孔的连续性。因此，混凝土浇筑后，要按施工现场的温度状况及时进行覆盖、喷洒，14d后，混凝土的抗渗性将得到很大的改善。

2.2 喷灌技术

喷灌就是所谓的喷洒灌溉，就是用特殊的装置来浇灌，或者是利用水流的落差，将水流输送到灌区，再由喷嘴喷出空气，形成小水珠，然后均匀地撒在地面上。在水利灌溉自动控制系统中采用软管微喷灌装置，该装置由动力控制、水源工程、低压输送管道、微喷带四大部分构成：（1）功率控制-包含马达（柴油机），水泵，过滤器等。（2）水源工程是为获得水源而进行的基础建设，如水库、过滤器的建设、水井的挖掘等。喷灌必须采用干净、消毒的河流或井水，并确保水质，pH值为中性、杂质含量低、含盐量小、不会阻塞管路。（3）低压管线主要包括低压主管，分支管，控制开关等，主要是6英寸、4英寸的管线，管道的安装从大到小。（4）微喷软管是一种由三孔、五孔的黑色软管构成的。

采用软管微喷技术进行灌溉，其优点如下：

在作物根部表面覆盖塑料膜的情况下，采用软管微喷灌溉技术进行了试验研究。每一次灌溉都要在根系土壤中均匀地进行，不会产生大量的积水和扰动，这样既可以减少水资源的浪费，又可以降低水分的蒸发。与大水漫灌相比，整个生育期的灌溉水量节约了150m，节约了50%的水资源。

采用微型喷灌技术，可使土壤中的水分渗入较慢，不会造成养分的损失，从而使作物更好地吸收养分和水分，从而提高了肥料的利用率。

土壤的透气性和透气性均优于畦灌，且不会对土壤造成破坏，可避免板结，对农作物的生长有好处。

与畦灌相比，可以使土壤温度增加3~6℃，温度增加1~3℃，使温室内相对湿度降低23%，减少病害的发生。

小型软管喷灌装置，一亩地投入100多元，可以连续三年使用。折年投资50元，投入很低。用软管微喷，合上电闸即可使用水肥（肥料），通过软管进行微喷，通过电动阀门的关闭，可以进行灌溉、施肥，不需要人工的沟渠、沟渠等进行地下沟灌，可节约土壤6%，在一个生育期可以节省5个工作日。

田地间通过采用软管微喷技术，可节省肥料和人工费用，提高了产量，改善了质量。

3 水利灌溉自动控制系统用水管理方案

在水利灌溉工程的设计上，扩大基础农作物和基础村庄的覆盖面，扩大喷灌、微灌、滴灌等现代技术、工程和设备的应用，以保证农业灌溉效益和节水灌溉效益。在乡镇水利灌溉工程中，要将节约用水的观念融入乡镇水利灌溉工程项目的设计和日常管理中，以促进乡镇水利灌溉工程设计的科学性。

3.1 灌溉用水水位管理要点

灌溉用水水位控制精度受制于：

（1）在不同的水源压力下，同一自动给水栓的压力控制精度是不相同的。当水源压力较大时，浮筒的浮力要大，这样才能关闭小出水口。因此，浮筒的淹没深度也一定要大，水位波动很大。

（2）连通孔与较小出水口的孔径比是在受控面高度发生改变时，水位稍降，也就是浮标稍稍下降。开启小型出水口，以增加控制精度，适时补充水分，所以，较小出水口的直径要比连通孔大，这样可以使空腔中的水快速排出，同时也能快速地减小压力，实际可取大于2倍以上。

（3）杠杆支点两侧尺寸对比支点左移，减小浮子浮力，缩小浮子容积，但是浮子的上下移动也会增加，从而使控制精度下降，因此必须综合考虑。

（4）浮子的形状和容积都是一样的，因为形状的不同，在水深的情况下，也会有不同的浮力。

3.2 灌溉用水时间管理要点

为了使水“储存”和“流动”完全分开，从而达到节能要求，减少能耗、减少配水、增加水温，既可满足灌溉用水需求，又可缩短灌溉周期。在节水灌溉中，灌溉周期与供水和水资源利用效率呈反比关系，因此，加大供水或提高输水效率可以有效地降低灌溉用水。由于毛细管直径较小，给水管道水头、局部水头的流量损耗较大。针对该问题，针对区域特征及灌溉运行机理，采用大管径、大流量的灌溉措施，可有效缩短灌溉周期。

4 结语

每一种节水灌溉技术都有自己的特色和应用领域，要科学、合理地选择和使用。因此，乡镇水利灌溉自动化控制是一项涉及多学科、多学科的综合系统，其本质是解决乡镇用水、农作物用水问题。本系统着重于乡镇地区的节水灌溉，以最大限度地利用水资源，提高用水利用率，达到高产、高效的目的，进一步加强节水技术的研究与完善，提高节水管理效率，推动我国农业、社会、经济的可持续发展。