芻議灌區信息自動化

趙 丹

(黑龍江省八五八農場水務局，黑龍江密山158419)

1 灌區信息自動化的發展背景

近幾年來，隨著水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節水途徑和措施。水利部提出了“從工程水利向資源水利轉變，從傳統水利向現代水利、可持續發展水利轉變”的新思路。按照這個思路，灌區應建立良性循環的運行機制。灌區的發展趨勢應由單一的農田灌溉供水向綜合供水發展，由傳統管理向信息化管理發展，這也是研究、探討灌區信息自動化的前題。灌區信息自動化是灌區現代化管理的基礎和重要標志。

2 發展灌區信息自動化的必要性

興凱湖灌區位于黑龍江省三江平原“兩江一湖”地區的東南部，密山市和虎林市境內。區內有個農場，另在灌區南部有一處國家級自然保護區，即興凱湖自然保護區。全區總土地面積2 095 km2，區內現有耕地12.06萬hm2，其中水田8.42萬hm2，旱 田 3.64萬hm2。規 劃 灌 溉 水 田 面 積11.13萬hm2，工程規模為大(1)型灌區。

長期以來灌區內的閘門主要依靠人工啟閉，水位靠人工觀測、記錄，流量只能估算，相關的數據精度不高，供、用水信息無法及時傳遞到灌區管理單位。灌區供水、排水調度僅憑經驗進行操作，盲目性很大，不利于節約水資源。為了早日實現科學用水，提高灌溉效率，優化水資源調度，我們開展了灌區信息自動化系統的研究。

優化灌區水資源配置、實施水資源優化調度、灌區防汛抗旱、灌區水費改革、灌區實時數據采集等都離不開灌區信息自動化系統。只有通過信息化系統設施的建設，提高信息采集、傳輸的時效性和自動化水平，才能為實現水資源優級化配置提供手段，為灌區更好的服務經濟社會發展創造條件。

3 灌區信息自動化的主要內容

目前灌區管理及行業管理大量資料和信息仍然以傳統的手工作業為主，既無法實現對各類資料信息的有效管理、維護，也無法做到信息共享和實時控制。這不僅影響到灌區管理水平的提高，而且各級水利行業主管部門也難以作到及時、準確和全面了解掌握灌區及行業發展的狀況及變化趨勢。灌區信息自動化的基本內容是:數據的自動采集、通信、處理及共享。①數據自動采集:主要閘門相關數據的自動監測、記錄(自動量水技術)，具體包括閘門啟閉高度、閘前水位、閘后水位及流速的實時檢測，將數據記錄在閘門的控制器中。根據灌區的實際情況，選擇典型區，建立觀測試驗站。觀測內容包括降雨量、蒸發量、風速、氣溫、土壤墑情及水層深度等自然信息的自動采集。②數據通信:數據上傳及控制指令等信息交換采用有線+無線的混合模式。灌區設1個中心站，在每個分灌區設1個基站，N個現場測控終端。中心站到基站通過因特網通信，基站到測控終端采用無線通信。③數據處理:采集數據后，數據處理系統通過模型進行數據處理，實時調節灌排流量。數據處理結果包括灌溉用水量預測、排水量預測;當日供水量、排水量、損失水量，各級渠道的是平均流量及各閘門的動態跟蹤控制。④遠程遙測、遙控:遠程遙測、遙控功能主要由操作員下達相關指令，中心站與基站進行信息交換，再由基站與測控終端進行信息交換。此時，在中心站及基站的計算機顯示控制狀態示意及相關數據，終端站顯示相關數據。終端站為手動、自動一體化控制結構，故障時手動控制。軟件設有出錯處理和應急處理程序。⑤用水管理決策支持系統。用水管理決策支持系統以綜合數據庫為支撐根據上述信息數據源作為分析和調度運行的基礎。通過建立系統模型如來水預報模型、可供水預報模型、需水預報模型、多水源聯合優化調度運行模型、水量調配模擬模型等，通過計算機軟件系統進行分析，做出相應的用水決策。⑥水費管理系統。灌區信息化建設就是要對灌區傳統的工作模式、工作方法、工作手段進行革新。針對灌區水資源緊缺，收水費難問題，通過建立灌區水費管理系統，提高水費收支的透明度，便于科學管理使用水費，這是促進灌區工作方式、服務方式以及工作作風轉變的重要手段。

4 灌區信息自動化的關鍵技術

4.1 測控終端

選用Microchip公司的PIC18F46K20型單片機為核心，配置相應的傳感器及驅動元件，組成現場測控終端設備。該單片機性價比較高，適于做現場測控。它集成了多種增強型片上外設，包括一個帶有鎖相環(PLL)、軟件可選的高精度16 MHz內置振蕩器，一個具有地址掩碼功能的主控同步串行端口(I2CCM/SPI)模塊，一個備有脈寬調制(PWM)轉向功能的4通道、10位增強型捕捉/比較PWM模塊，多達14個通道、固定基準電壓為1.2V的10位模數轉換器，以及雙軌對軌比較器。其他主要特性包括:多達64 KB閃存程序存儲器、3，936 字節 RAM、1，024 字節 EEPROM 數據。

4.2 數據通信及共享

在信息自動化系統中，應根據不同的應用特點來選擇合適的通信方式，對于測控終端到基站的數據交換可采用無線通信(為了保證信息交換質量可采用GSM網絡通信)，基站到中心站采用因特網通信。計算機網絡及無線通信組合應用，為信息自動化系統的高效運行提供了支持。通過數據庫，將氣象、水文、水情、墑情、運行等數據有效的歸檔整合，在管理平臺上實現數據的共享。

數據庫是信息資源管理的先進工具和處理核心，在整個系統中起著關鍵性作用。灌區綜合數據庫負責對灌區運行數據的輸入、整理、歸檔、查詢、打印，進行統一的有效的管理;為灌區的安全運行和調度管理提供數據服務，能大幅度地提高灌區優化調度和經濟運行等各項工作的效率。數據庫選用Microsoft SQL。

4.3 實時控制

灌區數據采集與處理的主要目的是為運行管理提供依據，調度員依據系統提供的信息，及時下達控制指令。在控制軟件的設計中包含錯誤指令處理程序，以保證系統運行在正常的范圍內。在閘門現場控制中有硬件、軟件雙限位措施，以保證設備不受損壞。遠程監控系統中，閘門控制軟件除了收發現場閘位、水位、閘門運動狀態等數據和對閘門進行正常的升、降、停操控外，還將視頻監控畫面嵌入閘控軟件，使得在對閘門進行操控的同時可看到現場的設備運行情況，提高了遠程閘門控制系統的安全可靠性。

4.4 設計適合灌區管理的軟件系統

在軟件設計和開發中，緊密結合灌區實際情況和業務流程，開發專業性強，適用于灌區管理，人機界面友好，方便操作的平臺。

5 結語

由于灌區范圍大，工程分散，分水建筑物多，區內氣候及作物生長存在差異。降雨量分布不均，用傳統的人工傳遞信息方法來決策調度方案，其灌區水資源調配往往滯后于客觀實際的變化，很難達到優級化調配、節約用水的目的。我國農田灌溉用水的效率很低，全國綜合灌溉水的利用系數約為0.5，節水的潛力很大。除了通過工程措施提高用水效率外，先進的灌區信息自動化技術也是節約農田灌溉用水的重要手段。因此，只有大力發展灌區信息自動化建設，提高信息采集、傳輸、處理的時效性和自動化水平，才能為實現水資源優化配置提供手段，為灌區節水、可持續發展創造條件。

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