節水計量自動控制系統管理技術在供水工程中的應用

賀國慶

（五大連池市水務局，黑龍江五大連池 164100）

分析了在已建成的鄉鎮供水和節水灌溉管網上，進行全自動職能化控制操作，對分散多水源進行集中控制，以實現用水管理智能化及水量自動計量的有機結合，形成現代化的綜合用水技術。

1 項目興建原因

五大連池有我國乃至世界著名的火山風景區，2010年作為中國唯一項目申報世界自然遺產。由于歷史原因旅游區內居民棚戶區多，占用寶貴的旅游地資源，嚴重制約旅游區的進一步發展，“申遺”工作也需要將景區景觀恢復到自然狀態;同時，一直以來五大連池市是火山旅游集散地、配套設施服務區，隨著旅游業的進一步發展，景區大量的商居服務基礎設施需要擴建。但是境內地形復雜，多年平均降水量低，人均水資源占有量僅480 m3，為全國人均水平的18%，且時空分布不均;干旱缺水是制約全市農村經濟的發展重要因素之一。今年來，隨著經濟社會的發展和構建和諧社會的需要，傳統農業灌溉必須向現代化農業灌溉轉變，以達到區域水資源的優化配置，實現現代化的運行管理。因此我市農業節水及鄉鎮供水的發展現狀，依靠現代化灌溉控制設備和技術，實施了節水計量自動化控制系統的應用推廣。

2 節水計量自動化控制系統應用

2.1 農業節水灌溉

項目總面積166.7 hm2，引進推廣國際領先水平的Micro-Master5000中央控制系統，作為項目綜合實驗與技術集成的平臺，配套應用國際上通用的小型氣象觀測站及國內先進水平的恒壓變頻、土壤墑情檢測、風力氣壓揚水機等先進技術，由Micro-Master5000中央控制系統通過田間電磁閥、土壤水分傳感器、壓力和流量傳感器，初步實現了各類農產品的自動控制灌溉。

2.2 鄉鎮供水工程

項目工程建設了4處水源地，調蓄水池3座，安裝恒壓變頻設備2套，鋪設供水管道15萬m，在區域內形成了環狀管網。結合我市村村通自來水工程的建設，開發了供水監控智能化管理系統。該系統共布設了4處水源監控站，15處管網壓力監測點，其中水源監控站包括地下水位檢測變送器、地表水流量變送器及管道流量變送器、管道壓力變送器、自報式遙測終端機等組成。中心控制室包括接受天線、前置接收機、微機、打印機、專用電源燈;前置接收機通過天線收發信息，前置接收機通過RS-232串行通訊接口與微機連接，中心站采用交流電源供電。

3 集成完善的關鍵技術及形成的成果

3.1 自動控制灌溉系統的引進與集成應用

3.1.1 設計思路

通過將項目區內的水源井聯網，將水源統一管理;在系統首部安裝恒壓變頻裝置、過濾器中控系統，保證系統恒壓穩定運行;中央控制器與灌溉系統、生活用水系統和工業供水系統的控制閥門連接，通過中央控制軟件協調用水時間和用水量，實現系統的智能化管理。

3.1.2 系統總體設計

系統供水主要包括大棚灌溉系統、大豆灌溉系統、生活用水系統和工業用水系統。根據工程進度安排，目前的供水主要針對大棚灌溉系統和大豆灌溉系統，對于生活用水系統和工業用水系統，中央控制器預留輸出端接口，下一步總體工程實施完畢后即可實現整個區域的統一供水聯網控制。

3.1.3 系統首部設計

系統首部控制樞紐包括恒壓變頻裝置、中央控制器、計算機、流量傳感器、壓力傳感器和氣象站系統組成，連接示意圖見1。

圖1 系統首部組成示意圖

中央控制器作為整個供水系統信息的中轉站，與系統的執行機構——電磁閥連接，通過將計算機發出的程序指令轉換成信號控制用水系統閥門的啟閉來控制系統的用水狀況;在輸水管路上安裝的流量傳感器和壓力傳感器通過中央控制器將系統的流量和壓力信息通過信號線傳給計算機，計算機根據這些數據判斷系統的運行情況。氣象站系統直接與計算機連接，與其配套的氣象站軟件根據氣象站測量的溫度、濕度、日照、風向、風速等氣象信息以及作物參數計算出灌溉所需的蒸發蒸騰量，控制軟件直接調用氣象站軟件的信息進行灌溉程序設計，實現灌溉系統的智能化的灌溉。

3.1.4 系統關聯組件的運行

該系統主要包括灌溉管理軟件、中央控制器、電磁閥、過濾器、氣象站等關鍵設備。

灌溉管理軟件：系統的運行通過灌溉管理軟件進行編程，然后利用信號傳輸設備將指令傳輸給水泵、電磁閥等系統的操作機構進行灌溉。

電磁閥：是實現控制器發出的開啟、關閉指令的操作機構，系統通過電磁閥的啟閉實現灌溉的最終目的。

過濾器：包括離心式和網式過濾器兩級，來水通過離心式過濾器過濾后再通過網式過濾器進行二級過濾，以保證系統正常運行。

氣象站：向計算機提供當天的風速、濕度、溫度、降雨量及蒸發量等數據，系統管理軟件能據此計算當天的作物蓄水量BT值。計算機會根據植物需水量和氣候情況增加或減少灌水量，并發布灌水指令。

3.1.5 系統運行情況

施工完畢后，進行了系統的調試運行，近兩年的運行狀況表明系統運行狀態良好，硬件及軟件均能良好地支持工作，自動采集的現場數據基本上與實際情況吻合，說明了傳感設備的精度符合要求。由于自動控制灌溉技術的實施，首先是明顯地節省了勞動力，只有一個灌水員在微機房內按供水計劃進行操作即可達到灌水目的。最重要的還是根據農作物各生育階段制定的供水計劃，使農作物的生長環境控制在適宜的水分環境內，因此農作物增產效果明顯。

3.2 供水監控自動控制系統

3.2.1 工作原理與設計原則

區域供水監控系統是一個涉及水利、機電工程、網絡技術、計算機科學和現代模型控制技術等多學科的系統工程，在方案選擇和設計上，重點考慮以下3個原則：①科學性：采用先進的技術和管理模式，使系統具有較高的可靠性、開放性和可擴充性。②實用性;系統必須具有管理方便、操作簡單、易于維護維修等特點。③經濟性：在保證系統功能的基礎上，盡可能地降低成本。

3.2.2 整體方案設計

采用分布式測控系統，無線電應答的數據傳輸方式。該方式可以通過調整發射機功率方便地控制傳輸距離，不受距離限制。同時，在遠離城市工業區的野外干擾源少，無線信號傳輸質量好.采用很小的發射機功率即可滿足現場對通訊距離的要求，且便于維護，成本明顯低于有線傳輸方式。

供水監控系統：由一臺控制計算機、一臺內置單片機的控制總站（置于中央控制室簡稱“上位機”），以及若干臺內置單片機的控制子站（置于機井井房或測控現場簡稱“下位機”）組成的分布式測控系統。其軟件采用專用數據庫軟件Access，另外創建數據庫，數據庫與主系統的連接采用ADO技術。主系統可以實時寫入采集到的運行參數，可以隨時訪問數據庫進行查詢、檢索和歷史趨勢圖顯示。需要更改的環境參數、控制參數均以表格的形式存于數據庫中。

3.2.3 系統實現的功能

供水監控系統能夠控制機泵的啟閉及電動閥的啟閉等過程;完成水位、壓力、流量、水泵及電動閥的啟閉狀態等現場數據的采集。具體包括：

①能夠采集每個測控現場的機井水位、出水流量、管道壓力、水泵電流等模擬量。②能夠檢索查詢打印機井水位、出水流量、管道壓力、水泵電流等歷史數據，可以分別用表格和歷史趨勢圖的方式進行顯示。可以實時顯示測控現場的水位、出水流量、管道壓力、水泵電流值。③通過歷史趨勢圖、動態實時曲線和數值顯示，現場情況可以一目了然。④實現井泵異常保護。當井泵發生掉相等異常情況時.總控計算機能及時發出指令自動切井泵電源，中央控制室總控計算機自動將異常情況顯示在計算機屏幕上，通知維修人員去現場維修，并將有關數據記錄在計算機數據庫中，以便查詢。⑤系統以區域水資源優化配置為目的，以區域用水計劃為基礎，同時可通過對不同水源的不同時段的最低水位或單井、單水源的允許開采總量等系統參數的設置，限制對地下水的開采，為有效實行限量開采提供了一種技術手段。

3.3 土壤墑情的測報技術

當前農田墑情測報的現代技術為時域反射儀法、時域反射儀，是一種遠程遙感測定技術，能精確、快速和連續測定土壤水分。本項目在引進國外先進自動控制灌溉系統的基礎上，在生產實踐中應用國產TRIME EZ/IT插針式傳感器。

TDR測定土壤含水量原理相當簡單，一個電壓的階梯狀脈沖波沿在土壤中放置或垂直插入的探針（長度為L）發射，電壓的階梯狀脈沖波沿探針金屬捧（片）傳播，并在金屬棒末端反射回來，土壤含水量由延遲的時間決定。

其優點是：不需要取樣，且測量精度高，響應速度快;土質影響較小長期埋入土壤中使用，且不受腐蝕;價格低廉，適合中國國情。

總之，通過對供水工程進行全自動智能化控制操作，對分散多水源進行集中控制，實現水源現代化的管理;利用計算機信息技術、自動控制節水灌溉技術對作物生長的信息進行采集、智能控制，對作物生長實現精準調控，顯著提高作物的產量與品質，這將是經濟發達區農業節水的發展方向;在從傳統農業向現代農業轉變的歷史性時期，該技術同樣在現代化潛水技術與運行管理技術方面具有廣闊的應用前景。

[1]匡秋明，趙燕東，白陳祥.節水灌溉自動控制系統的研究[J].農業工程學報，2007（06）.

[2]馮友兵.節水灌溉控制系統無線傳感器網絡路由策略設計研究[D].南京：江蘇大學，2006.