引黄农业灌区测控一体化闸门调控技术探究*

2024-02-14李君香

南方农机 2024年2期

李君香，刘斌

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃白银 730400）

引黄农业灌区是我国重要的农业灌溉区域之一，给粮食作物、经济作物生产提供了宝贵的农业灌溉水资源。由于黄河水泥沙含量高、淤积严重的特性，传统的水量测量设备精度无法保障，严重影响了水量计量工作。目前农田灌溉流量测控与闸门控制大多为人工手动操作控制，存在水资源浪费、分配不均匀、操作不便、实时调度困难等问题。1973 年，第一个自动控制闸门在Algeria 的主干渠上开始应用，它的技术原理是通过监测闸门上游水位对闸门的开度进行自动控制，没有执行任何的自动控制算法，在操作方面缺乏一定的灵活性，难以满足灌溉多样化的用水需求，增加了灌区灌溉管理难度[1]。为实现引黄农业灌区灌溉高效管理和水资源高效利用，在引黄农业灌区推广测控一体化闸门，研究测控一体化闸门在引黄农业灌区的调控技术，实现灌区灌溉用水的自动计量和远程控制，具有十分重要的现实意义。

1 农业灌区测控一体化技术

农业灌区测控一体化技术是将信息技术、自动化控制与农业灌溉相结合，以提高农业灌溉效率、节约用水、提高农产品产量和质量为目的的一种集成技术[1]。该技术的原理是通过传感器、控制系统和数据处理单元，采集土壤湿度、气象信息、水位等数据，实时反映灌溉环境的情况，数据处理单元通过数据存储、分析，根据实际需要制定灌溉方案，动态调整灌溉计划。控制系统根据数据调节闸门、水泵、阀门等设备，保持灌溉系统的平衡和高效运行，在确保满足农作物灌溉需求的前提下，最大程度地减少水资源浪费，避免了灌溉过度或不足的情况发生，从而提高了水资源的有效利用率[2]。引黄农业灌区测控一体化技术的技术组成具体如下。

1）传感器。传感器是引黄农业灌区测控一体化技术的关键组成部分之一。传感器分布在整个灌区，用于实时监测和采集灌区土壤湿度、气象条件、水位等关键参数。常见的传感器类型包括土壤湿度传感器、气象传感器、液位传感器等，这些传感器通过无线或有线网络将数据传输到数据处理单元，为灌溉管理人员提供实时环境信息。

2）数据处理单元。数据处理单元是将传感器采集传输的数据转化为可用信息的关键部分，负责数据的存储、分析和决策支持。数据处理单元通常使用先进的数据分析算法，如大数据、人工智能等技术，识别潜在的问题或优化灌溉方案，这些单元还能生成报告和图表，使灌溉管理人员能够更好地了解灌区实况并做出相应的决策[3]。

3）控制系统。控制系统是引黄农业灌区测控一体化技术的核心。控制系统根据传感器数据和数据处理单元实施决策并控制相关设备操作，通常采用自动化控制算法，根据土壤湿度、气象信息等实时数据

来调节闸门、水泵、阀门等设备的状态[4]。控制系统不仅可以是硬件控制器，也可以是基于计算机的软件控制系统，还能够自动调整灌溉水量和频率，以适应不同的环境条件，实现高效的灌溉管理。

2 测控一体化技术在农业灌区的应用

测控一体化技术在农业灌区灌溉管理中的应用具有巨大潜力，能够显著提高农业生产效率和水资源利用效率。测控一体化技术可以实时监测土壤湿度和气象条件，根据这些数据自动调整灌溉计划，这意味着灌溉管理人员不再依赖经验或固定的灌溉时间表，而是根据实际需要和环境条件来适时灌溉，这种精确的灌溉优化有助于减少水资源浪费，降低灌溉成本，并提高作物的产量和品质。通过测控一体化技术，灌溉管理人员可以更好地了解灌区的水资源情况，包括水位、水质和水流量，这些信息有助于及时发现水资源问题，采取措施来保护和利用灌溉水资源[5]。此外，还可以帮助管理人员预测干旱等极端气象事件，采取预防措施，减轻灾害风险。农业灌区测控一体化技术可以实现自动化控制和精确灌溉，根据实际需要调节水泵和其他设备的操作，有助于降低能源消耗。

3 测控一体化闸门调控技术

3.1 闸门的作用和重要性

在引黄农业灌区中，闸门是水资源分配和灌溉管理的关键设备之一，对农田灌溉效果和水资源分配起着决定性的作用。灌溉管理者根据实际需要通过闸门调配水资源，即通过控制闸门的开启和关闭，可以精确地分配水资源到不同的灌溉渠道和农田，从而提高农作物的生长效率。闸门还具有防洪和排水的功能，在极端降雨或渠道水位上升时，闸门可以关闭，防止洪水进入农田，保护农作物免受水害[6]。在需要排水的情况下，闸门可以打开，快速排除多余的水，确保农田不被水浸泡。通过闸门也可以防止沉淀物或污染物进入灌溉渠道，确保灌溉水质量，从而降低对农作物的不利影响。

3.2 调控技术原理

闸门调控技术是农业灌区测控一体化技术的核心组成部分，它的原理和方法直接影响着灌区的灌溉效果和水资源的利用效率。闸门调控技术的核心原理是自动化控制，基于传感器采集的实时数据，控制系统能够智能地调节闸门的状态，以满足农田的灌溉需求，这种自动化控制依赖于预设的灌溉方案和算法，这些方案考虑了土壤类型、植物需水量、气象条件等因素，以确定最佳的灌溉策略[7]。闸门调控技术还依赖于数据分析和决策支持系统，通过分析传感器收集的数据，控制系统能够识别潜在的问题或优化灌溉方案。当土壤湿度低于某个阈值时，系统可以自动触发灌溉，决策支持系统可以生成实时报告和图表，帮助灌溉管理人员更好地了解灌区的状况，支持灌区管理科学决策。为了实现闸门的远程控制和监测，通信技术是不可或缺的，闸门调控技术通常使用无线通信或互联网连接，将传感器数据传输到数据处理单元，并接收来自管理人员的指令，这使得灌溉管理人员可以随时随地监控和调整闸门的状态，以适应不同的灌溉需求[8]。

3.3 调控方法和措施

在开始使用闸门调控技术之前，必须进行闸门的调试和安装，这包括选择合适的闸门类型、安装位置以及与控制系统的连接，确保闸门的准确操作和稳定性，这对于技术的有效应用至关重要。传感器的正确部署和校准是确保数据准确的关键因素，传感器必须位于能够准确反映土壤湿度、气象条件和水位等参数的位置，校准传感器以确保其输出与实际情况一致，这需要定期的维护和校准。一旦传感器部署完毕，系统将开始实时数据采集工作。这些数据包括土壤湿度、气温、降雨量、水位等信息[9-10]。采集的数据将被传输到数据处理单元进行存储和分析，合适的数据存储方法和设备选择对于后续的数据分析至关重要。基于传感器数据，灌溉策略可以进行设计和调整，这包括确定何时打开或关闭闸门以及以何种速度和水量进行灌溉，农田灌溉系统规划也需要考虑农田的特性、作物需水量和水资源供应情况。在实际应用中，系统会不断收集数据，这些数据将被用于分析和评估，数据分析的目标是识别潜在问题、优化灌溉策略以及改进技术的性能，通过对数据的深入分析，可以逐步改进闸门调控技术，提高其精度和效率。维护和故障诊断是技术持续运行的关键，必须定期维护系统，确保传感器的正常工作和闸门的稳定运行，当出现故障或异常情况时，必须及时进行诊断和修复，以防止灌溉中断或不正常操作。

3.4 调控技术数据分析与调控效果评估

数据分析是调控技术的基础。分析土壤湿度数据以确定不同地点的水分状况，以调整灌溉方案；研究气温、降雨量等气象数据，以预测灌溉需求并制定相应的策略；监测水位数据，确保水源的稳定供应和洪水预防；分析能源数据，评估系统的能源效率，寻找减少能源消耗的潜在方法。通过数据分析，可以进行调控效果的评估，评估系统的水资源利用效率，确定是否减少了水资源浪费；比较实际农作物产量与预期产量，以评估技术对农作物生长的影响；分析能源消耗数据，确定技术对能源节约的贡献，评估技术对灌区生态环境的影响，包括水质改善和减少污染。通过这些评估，研究人员和灌溉管理人员可以了解技术的实际应用效果，发现问题并采取措施改进系统的性能。基于数据分析和调控效果评估的结果，可以进行系统的优化和改进。根据数据分析的结果，调整灌溉策略，以更好地满足农田需求；校准传感器以确保传感器的准确性，避免误差；改进自动化控制算法，提高系统的智能性，采取措施减少能源消耗，降低运行成本[11]。数据分析和调控效果评估是农业灌区测控一体化闸门调控技术研究的关键步骤，有助于优化系统的性能并实现更有效的水资源利用[12]。

3.5 调控技术改进和展望

农业灌区测控一体化闸门调控技术仍然存在改进的空间，以进一步提高其性能和可持续性。技术的精确度对于灌溉效果至关重要，未来的研究可以集中在改进传感器的精度和稳定性上，以确保数据的准确性。或改进自动化控制算法，使其更精细地调节闸门操作，从而实现更精确的水资源分配[13]。随着人工智能和大数据技术的发展，可以进一步提高决策支持系统的智能化水平，通过利用大数据分析，系统可以更好地预测气象条件和土壤水分变化，从而实现更精细的灌溉调控。技术的能源消耗仍然是一个重要关注点，未来的研究可以探索节能技术，例如太阳能供电和高效能源利用，以降低系统的运行成本和对环境的影响等。

农业灌区测控一体化闸门调控技术未来将集中在技术的智能化和自适应性上[14]，借助先进的人工智能和机器学习算法，能够更好地预测气象条件、土壤水分变化和农作物需水量，从而实现更智能化、自动化的调控，还可以适应不同的农业灌区条件，提供个性化的灌溉策略[15]。农业灌区测控一体化闸门调控技术应更多地与其他农业领域的技术和系统进行整合，包括与肥料管理、病虫害监测等系统的集成，以实现全面的农业管理，这种跨领域整合将为灌溉管理人员提供更完整的工具，帮助他们更好地优化农业生产流程。技术的不断改进和标准化发展将是未来的重要趋势，通过不断的研究和实践经验积累，可以发现更多的性能改进机会，并确保技术在不同地区和规模的农业灌区中都能有效运行，将有助于提高技术的一致性和可靠性[16]。