云南建水南莊高效節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)設計

王翠柏，夏元明，周 馳，劉艾勇

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650051； 2.昆明文林博德信息有限公司，昆明 650118)

我國是一個水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展節(jié)水灌溉是促進水資源高效利用和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要舉措。十八大報告提出“促進工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展”戰(zhàn)略，突出了信息化在國民經(jīng)濟發(fā)展中的戰(zhàn)略地位。

PPP模式(Public Private Partnership)，是指政府、盈利性企業(yè)基于某個公共基礎設施項目而形成的相互合作關系，由此合作各方可以達到比預期單獨行動更有利的結果。2014年11月，國務院要求在公共服務、資源環(huán)境、生態(tài)保護、基礎設施等領域，積極推廣PPP模式，規(guī)范選擇項目合作伙伴，引入社會資本，增強公共產(chǎn)品供給能力。

建水縣位于云南省南部，為云南省較干旱的地區(qū)之一，土壤保水能力低，蒸發(fā)量大，糧食及多種經(jīng)濟作物單產(chǎn)、總產(chǎn)偏低，種植結構單一，嚴重影響農(nóng)田水利事業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。2015年1月，建水縣南莊鎮(zhèn)片區(qū)2 886.67 hm2高效節(jié)水灌溉工程被云南省水利廳列為云南省農(nóng)村水利創(chuàng)新機制建設試點項目，采用PPP模式建設，政府和投資企業(yè)承擔供水干支管網(wǎng)工程建設，種植戶承擔田間灌溉工程建設，工程建成后，供水干支管網(wǎng)工程由投資企業(yè)經(jīng)營管理，通過收取水費方式獲得投資回報。項目區(qū)水源為躍進水庫、香林寺水庫和龍?zhí)端畮欤瑢嵤┓秶鷥?nèi)自壓片區(qū)面積2 233.33 hm2，揚水片區(qū)面積466.67 hm2，加壓片區(qū)面積186.67 hm2。由于涉及面積大、泵站系統(tǒng)多、管線距離長、用水戶多，若在項目建成后，諸如泵站啟停、管道巡檢、田間閥門開關以及用水計量收費等，依舊沿用傳統(tǒng)的人工手動操作方式，操作繁瑣且效率低下，需要耗費大量的人力、物力和財力，將給項目PPP合作公司的運營管理帶來諸多不便。因此，建設一套高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)以方便于項目投資企業(yè)的運營管理是十分必要的。

1 高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)

高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)是一套利用先進的電子信息技術、數(shù)據(jù)傳感技術、通訊技術、遠程控制技術和遠程測控網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)灌區(qū)水源自動監(jiān)測、泵站自動控制、輸水管道流量自動監(jiān)測、田間用戶終端自動計量與控制、田間小氣候自動監(jiān)測等功能的信息化管理控制系統(tǒng)，從水源到田間用戶終端全過程的自動監(jiān)測和控制，全面信息集成，提高管理效率，節(jié)省人力成本，是項目投資運營企業(yè)高效運行的有力保障(見圖1)。

圖1 建水縣南莊高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)示意圖

1.1 水源監(jiān)測

在每個水源地各建1座遙測水位站，實現(xiàn)全天候自動觀測水庫水位，各建1個視頻監(jiān)測系統(tǒng)，方便實時掌握水源情況。

視頻監(jiān)測系統(tǒng)由網(wǎng)絡球機、NVR、監(jiān)控硬盤以及視頻監(jiān)控與管理平臺等組成，可實現(xiàn)24 h不間斷及夜間紅外100 m視頻監(jiān)控，支持水庫本地3個月高清視頻保存。借由水庫已建好的寬帶網(wǎng)絡，視頻圖像可上傳至云端服務器，同時支持云端標清視頻2星期保存。

1.2 泵站自動控制

對2座揚水泵站、8座加壓泵站進行獨立的自動控制和管理，提供手工、自動、遠程3種設備控制模式，并能通過遠程設置的上、下限閥值對取水設備進行現(xiàn)地或遠程結合的自動控制，同時還可采集水泵的前后端水池水位、出水口的壓力和流量、設備的電量和電壓等信息。能自動計算取水成本、取水量，節(jié)省人力及管理成本，為取水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行提供服務。

(1)揚水泵站。前池設置水位流量遙測站，安裝超聲波水位計和流量計，監(jiān)測前池水位和泵站出水管流量，在后池設置水位遙測站，安裝超聲波水位計，自動測報后池水深，同時云控制中心利用計算機系統(tǒng)和專業(yè)應用軟件將采集到的數(shù)據(jù)進行處理、入庫和轉發(fā)，及時向管理人員分發(fā)，提供信息服務，為泵站的運行提供決策依據(jù)。系統(tǒng)通信均采用GPRS網(wǎng)絡。

揚水泵站自動控制設計多重保護：為防止損壞水泵電機，控制柜采用變頻柜設計，有效提高電機壽命和使用安全；水泵控制站具備自動功能，可以自動的根據(jù)前池水位、后池水位情況判斷現(xiàn)場供水情況，自動供水和自動停止；泵站采用恒壓供水方式，在設定好壓力大小后，泵站智能控制柜可以自動的調節(jié)水泵抽水，保持恒定的壓力；智能控制柜通過壓力監(jiān)測，前池后池水位監(jiān)測，可以防止管道堵塞，爆管等意外的發(fā)生；在水泵控制柜電路內(nèi)做安全保護，當前池水位達到預先設定的最低值時自動關閉水泵，并且不再接收遠程控制開啟信號，當后池水位高于預先設定的警戒水位時，水泵自動停止供水(見圖2)。

圖2 揚水泵站自動控制示意圖

(2)加壓泵站。配置1套智能水泵控制器，供水管安裝超聲波流量計、壓力傳感器，傳感器數(shù)據(jù)通過智能水泵控制器采集，并經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂浦行摹１谜厩俺匕惭b水位遙測站，實時水位數(shù)據(jù)通過遙測終端機同時發(fā)送至智能水泵控制器和中心站。

設計智能水泵控制器可實時采集管道流量、壓力以及泵站前池水位數(shù)據(jù)，在不經(jīng)過控制中心站指令的情況下，智能水泵控制器可以自行分析計算，直接控制泵站啟停，以避免因信息傳輸延時導致泵站損壞或管網(wǎng)壓力過大爆裂，供水主管與水泵接頭附近安裝壓力傳感器，在設定好壓力上限值后，水泵在運行過程中會自動的調節(jié)電機功率，使水壓保持在恒定的壓力值上，確保供水壓力正常，且保護電機和管網(wǎng)不爆管、水泵不損壞。泵站前池處水位低于控制下限，則水泵停止抽水并向監(jiān)控中心報警，同時不再接受遠程啟動水泵指令。當泵站接收到灌區(qū)內(nèi)設備開啟灌水指令時，若前池水位及管道壓力等均正常，泵站開啟抽水加壓(見圖3)。

圖3 加壓泵站自動控制系統(tǒng)示意圖

1.3 管道流量監(jiān)測

在每條取水干管上設計安裝1套超聲波流量計監(jiān)測干管流量，用于項目用水總量的統(tǒng)計。在每條自壓干管灌溉片區(qū)的田間管道關鍵節(jié)點，各布置10套流量監(jiān)測設備；在每條揚壓干管灌溉片區(qū)的田間管道管件節(jié)點，各布置3套流量監(jiān)測設備。通過管道流量監(jiān)測，實時掌握管道運行情況，預判管理故障位置，方便運行維護人員及時到達現(xiàn)場進行檢修。

1.4 田間用戶計量與控制終端

田間系統(tǒng)由用戶計量與控制終端、通訊中繼站和互聯(lián)網(wǎng)通訊站構成，系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 用戶控制終端系統(tǒng)示意圖

田間用戶終端是本信息系統(tǒng)的關鍵，擔負著項目區(qū)各用水戶分戶用水計量和各灌片輪灌控制的作用。使用預付費NFC卡(分散農(nóng)戶)或無線互聯(lián)網(wǎng)遠程操控(種植大戶)，開啟田間澆灌作業(yè)。管理企業(yè)和用戶都可實時、在線了解預付費用情況和用水情況，為項目運行管理和營銷管理提供有力的手段，并大幅度節(jié)約管理成本。根據(jù)灌區(qū)實際，配置220套田間計量與控制終端，24套通訊中繼站，5套互聯(lián)網(wǎng)通訊站。

1.5 氣象自動觀測

在灌區(qū)布置1座田間小氣候自動觀測站和4套墑情監(jiān)測點，實時監(jiān)測灌區(qū)的土壤含水率、氣溫、降雨、照度、風速風向等信息。由灌溉管理人員結合作物需水特性分析決定灌溉時間與灌溉量的多少，為用戶在新的灌溉模式下提供基礎支持，使作物灌溉決策建立在科學的基礎之上。

1.6 信息匯集與通信

3個水庫水位遙測站分別建設一套GPRS網(wǎng)絡通信。泵站信息聯(lián)絡、管道流量監(jiān)測信息、田間用戶終端計量與控制信息、氣象自動觀測站信息等，都處于項目區(qū)內(nèi)，信息點相對集中，采用ZigBee無線通訊技術實現(xiàn)無線組網(wǎng)后，通過建立的互聯(lián)網(wǎng)通訊站，GPRS網(wǎng)絡通信。

1.7 云控制中心

灌區(qū)信息控制中心是本信息化管理的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，負責系統(tǒng)中的水源監(jiān)測、泵站自動控制、管道流量監(jiān)測、用戶控制、自動氣象觀測站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收處理。包括數(shù)據(jù)庫、軟件系統(tǒng)、管理操作平臺等。

云控制中心的設計，改變了水利信息化自建“中心站”的傳統(tǒng)模式。傳統(tǒng)“中心站”所需的機房、計算機、信息收集處理與相關設備、系統(tǒng)軟件和操作軟件、供電系統(tǒng)、“中心站”管理與運維人員等，一應不再配置。轉由云計算中心和專業(yè)公司提供有償服務。不僅節(jié)省了投資，減少了運行管理費用，還極大地提高了系統(tǒng)運行的可靠性(見圖5)。

圖5 云控制中心網(wǎng)絡結構圖

2 結 語

結合建水縣南莊高效節(jié)水灌溉項目PPP合作公司的運營管理實際需要，設計并實現(xiàn)了高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了讓項目PPP實施主體公司運營管理人員使用手機通過高速3G/4G網(wǎng)絡或者接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦即可隨時隨地了解灌溉系統(tǒng)運行情況，即：①水源信息實時掌握。公司運營管理人員可以實時了解掌握水源地水位和現(xiàn)場情況，為合理調配水資源提供依據(jù)。②泵站啟停智能、自動化。實現(xiàn)泵站無人值守。③管道流量實時監(jiān)控。進行了項目總水量的監(jiān)測與統(tǒng)計， 又為運營人員及時快速地了解管道故障提供了便利。④田間灌溉全面控制、精準計量。實現(xiàn)預付費NFC卡現(xiàn)地開啟和關閉用水閥門，或無線客戶端開啟和關閉用水閥門。方便了運營人員對用不戶用水的管理。⑤田間氣候自動監(jiān)測。為科學灌溉提供依據(jù)。⑥控制中心運行維護服務化。項目PPP實施主體公司實現(xiàn)了省投資、省運維費用，同時提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

系統(tǒng)的建成，為全面落實國家發(fā)展和改革委員會、財政部、水利部、農(nóng)業(yè)部《2014年農(nóng)業(yè)水價綜合改革試點方案》要求，為試點區(qū)用水量總額管理和水價改革的具體化，實現(xiàn)精準補貼和節(jié)水獎勵提供全方位的信息支撐。同時，隨著農(nóng)業(yè)灌溉數(shù)據(jù)庫的不斷完善，最終可實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)和智能灌溉。

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