全渠道控制系统在农业自动化节水灌溉系统中的设计与应用分析*

冯海军 ，刘 斌

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400）

农业灌溉在农业生产过程中主要是为农业生产提供充足的水资源，但在长期灌溉作业过程中，传统的渠道灌溉方式普遍存在较为严重的水资源浪费现象，耗水量大、水资源浪费问题相对严重。因此，在我国水资源逐渐紧缺的背景下，相关专家提出利用自动化技术设计应用渠道控制系统以及节水灌溉系统，以保证节水灌溉有效实施，减少水资源的浪费。

1 自动化节水灌溉系统的设计研究现状

灌区节水是我国农业发展的重点目标，我国农业发展一直都在研究探讨新型节水灌溉技术，并且已经研究了新型的灌区节水灌溉技术。2013 年，国家开始研究新型节水技术，并开展了“水联网多水源实时调度与过程控制技术”课题，该课题主要研究自动灌溉以及自动节水系统，实现自动节水，减少水资源浪费。潞碧垦水利科技公司生产的渠系一体化测控闸门组成的全渠道控制系统（TCC）和水利部南京水利水文自动化研究所研发的田间自动灌溉系统也是近期研发应用的新型系统，该系统的节水效果已经得到了良好验证。在该系统应用研发后，有专家学者在500 亩耕地上直接进行了试验。该系统应用过程中，全渠道灌溉系统能够完成漫灌、滴灌以及管灌三种方式的自动化节水管理，实现了自动化节水，对我国农业灌溉技术发展作出了巨大贡献[1]。

通过上述灌区高效节水技术的综合分析发现，我国的自动化节水灌溉技术初具成效。但是，针对我国农业灌区面积大、灌区作物需水量不同的特点，目前已经开发应用的自动化节水灌溉系统仍存在诸多不足。因此，设计符合新时期农业发展需求的自动化节水灌溉系统，对于农业节水应用具有非常重要的意义。

2 全渠道控制系统在农业自动化节水灌溉系统中的设计

本文通过文献调查和实践研究，设计了一种新型全渠道控制系统的自动化节水灌溉系统，以下是对该系统设计的具体分析。

2.1 全渠道控制系统

全渠道控制系统是整个节水系统的核心，主要完成渠道灌溉管控。该渠道灌溉控制系统在设计时，应用了自动化技术、传感技术，以下是对渠道控制系统模块的设计分析。

1）系统结构设计。主要包括渠道控制一体闸、渠道控制系统通信模块、渠道控制系统软件以及流量计量模块。渠道控制一体闸模块是整个渠道系统的核心，该模块应用水力学模块完成工作，该模块主要由太阳能板、控制器、水位传感器、水流以及开度传感器组成，通过信息采集和回收，完成闸门控制。渠道控制系统的核心网络为光缆通信系统和SCADA 网络，该网络直接连接系统，是信息数据传输、控制指令发送的主要渠道。传感技术模块是系统的核心数据采集模块，是系统应用的最前端，在本系统的应用过程中，主要设计应用水位传感器、开度传感器。其中，水位传感器采用超声波原理监测水面高度，而开度传感器依靠数字式编码器和弧形闸门边缘上的参考点监测计算闸门开启状况。水位传感器具体参数如表1所示，开度传感器具体参数如表2所示。

表1 水位传感器具体参数（NH44SW 水位传感器）

表2 开度传感器具体参数

2）系统功能设计。本次全渠道系统设计时，还包括对全渠道控制系统的功能进行设计，以下是本次系统设计中的全渠道系统功能设计分析。

①系统具有高精度流量控制功能。高精度流量计量控制（±2.5%）保证了流域和灌区用水总量控制，同时实现了高精度的水费计量。

②系统具有水闸控制功能。能够通过软件控制渠道水闸，水闸启动以及闭合都可以完成自动化控制。

③系统具有流量测量功能，能够实时测量渠道过水量，精准计算总体灌溉水量。

3）系统控制模式设计。本次全渠道灌溉系统与自动化节水灌溉系统融合设计时，还针对渠道控制系统模式进行综合设计。整个控制系统由37 孔调控节制闸及10 孔进水闸组成，示范区进水闸在下游水位控制模式下运行，其他9 孔进水闸设定为流量控制模式，4孔调控节制闸在上游水位控制模式下运行。

2.2 田间灌溉系统设计

本次设计的自动化灌溉节水系统还包括田间灌溉系统的节能设计，系统结构设计主要包括控制中心、通信网络、电磁阀控制装置、输配水管道以及首泵站。

1）控制中心主要是完成田间灌溉的综合管理。整个控制中心由控制软件完成工作，控制软件设计由GSM 短信服务器、气象站数据接收装置、光纤转换器等组成。软件能够发送控制指令，并且根据气象站数据了解到田间湿度情况、温度情况，继而智能化完成田间浇灌管理，根据天气实施合理的浇灌，能够减少不必要的灌溉，实现资源节约。

2）通信网络模块。该系统的通信网络选择光缆通信系统和SCADA 网络，与渠道控制系统的网络形成连接。构建网络，为数据传输以及数据共享提供良好平台，也为整个平台的良好应用打好基础。

3）电磁阀控制装置。电磁阀控制装置主要由GSM 控制器以及阀状态反馈装置组成，该装置在应用过程中能够接收控制中心的短信息，并且控制阀的开关，能够接收控制中心的指令，完成控制阀的开启和关闭。

4）输配水管道。田间灌溉系统设计中，对输配水管道进行设计也极为关键，其是整个田间节水灌溉系统的关键。本次设计中，田间灌溉管道均采用PVC-U 管进行设计，管径根据流量分级配置，在出水口设电磁阀、分干末端设定排水井、支管压力以及支管进出口设置稳流调压控制装置，可以优化调压控制效果。

5）首泵站。整个系统设计过程中，包括首部水泵、施肥机以及电磁流量计等的设计，设计各结构主要是为了完成水泵控制浇水。施肥机配合水泵完成施肥，水肥一体化应用，加强浇水效果。另外，本次泵站设计过程中，设计应用具有二级过滤功能的蓄水池，先对河水进行过滤，过滤之后再进行浇水，减少水质中的杂质，防止杂质对农作物生长造成影响。

2.3 节水灌溉系统的工作流程设计

本次灌溉系统应用实施的过程中，将渠道控制系统与田间浇灌系统融合，并且在设计工程中，设计了二者融合之后的具体工作流程。

1）田间气象站以及土壤墒情监测站。首先，完成田间温度、湿度、风力等相关管理，分析后，针对现有的田间蓄水状态进行分析，继而发送给田间灌溉系统和全渠道控制系统。

2）控制中心软件包括两个模块，分别为田间灌溉系统和全渠道控制系统模块，在接收到前端的信息后，软件模块进行自动分析，分析完成后，田间灌溉系统和全渠道控制系统几乎同时完成工作，实施灌溉作业。

3）接收指令后，田间灌溉系统在分析完成后会给泵站发送指令，开启或关闭泵站。与此同时，全渠道控制系统也会通过短信发送指令开关阀门，引入水利。此时，田间灌溉系统与全渠道控制系统开始结合，渠道引入水流后，开始沿渠道进入到田间灌溉系统。首先，水流会进入到泵站水闸，继而进入到沉淀池和蓄水池，水体净化后，由水泵直接传送到田间实施灌溉，确保灌溉顺利实施，以提升灌溉效果[2-3]。

2.4 全渠道控制系统的节水灌溉系统应用节水特点分析

通过上述设计可知，全渠道控制系统的节水灌溉系统具有良好的节水特点，以下是对节水灌溉系统节水优势的分析。

1）本系统能够实现高精度用水，整个系统应用过程中，利用流量计的精准测量，能够确保将精度控制在2.5%以内，提升了用水精度，同时这也是一种水资源节约方式[3-4]。

2）本系统能够实现按需和及时供水。系统前端设计了土壤墒情分析和气象分析系统，能够将天气情况以及土壤情况实时回传给系统，系统可以根据软件分析自动确认田间是否缺水，确认缺水后直接实施灌溉，减少了人工灌溉的滞后性，同时灌溉达到基础量后直接停止，不造成任何灌溉浪费，证明了该系统应用的良好性，也能够提升该系统的应用效率[4-5]。

3）本系统应用过程中，一体自动化测控闸门的全太阳能驱动和一体化无线或光缆通信技术安全、可靠、先进，专为野外灌溉环境而设计，实现了对外界环境的依赖性最小化，同时绿色环保，改善了周边生态环境[5-6]。

4）本系统应用过程中，设计应用整个管道系统的密封管理模块。系统的水闸、管道以及阀门都应用了新型的封闭模块，减少了水资源浪费，同时具有良好的节能效果[7-8]。

5）本系统设计过程中，系统的设计应用成本也相对较低。通过对比分析本次系统设计的实现成本与传统控制系统的成本，发现全渠道控制系统的节水灌溉系统具有更低的建设成本，同时也符合现代化建设应用标准[8-9]。节水灌溉系统设计应用费用对比，如表3所示。

表3 节水灌溉系统设计应用费用对比

3 结束语

本文结合理论和实践，设计了一种全渠道与田间自动化灌溉融合的自动节水灌溉系统，该全渠道控制系统以及节水灌溉系统，具有设备先进、质量可靠、测量精度高、节水效果好的特点。应用结果表明，本次设计应用的全渠道自动化节水灌溉系统具有良好的作用，通过30 天的应用实验，与传统灌溉方式相比，应用了新系统的灌区输水效率提高了20%，起到了良好的节水作用，能够从渠道和田间两个方面实现节水灌溉，减少水资源的浪费[10]。目前，节水灌溉系统研究是我国农业灌溉的重点工作，希望本文的系统设计研究能够对我国节水灌溉系统设计应用提供参考。