灌區渠系水資源監測系統及灌溉優化調度管理

陳國興 王璐

摘? 要：大型灌區水文監控跨越地域范圍廣，監測點數量多，在汛期或灌溉期要求系統通訊可靠，輪詢響應時間短。文章通過在灌區干渠、支渠等適當位置配置一定數量的公網4G無線現場測量采集單元，組成了灌區渠系水資源監測系統，并以此為數據基礎構成了灌區灌溉優化調度管理系統，對灌區節水灌溉方式進行了科學的優化管理，實現了灌區水資源統一調配，減少了渠道配水過程中的棄水，對提高配水精度和合理利用水資源具有重要生產實用價值。

關鍵詞：節水灌溉;監測系統;優化調度

中圖分類號：TV93 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0175-03

Abstract： The hydrological monitoring beyond geographical scope of the large irrigation area is wide， which needs reliable requirement system communications in the flood season or irrigation period and poll for the response time is short. In this paper， a monitoring system of water resources in irrigation area canal system is constituted by allocating a certain number of 4G wireless field measurement and acquisition units in the main canal and branch canal in irrigation area. Based on the data of monitors， the optimal operation management system of irrigation area is constructed. The water-saving irrigation mode is scientifically optimized and the unified allocation of water resources is realized. The abandoned water in the process of water distribution is reduced. It has important practical value for improving the accuracy of water distribution and rational utilization of water resources.

Keywords： water saving irrigation; monitoring system; optimal scheduling

1 概述

大型灌區灌溉用水優化調度的研究與實施，必須依靠灌區底層的水文數據。而灌區范圍大，水文監控跨越地域范圍廣，監測點數量多，在汛期或灌溉期要求系統通訊可靠，輪詢響應時間短。但是，由于采集現場具有分布離散、數據量小，環境惡劣，需要無人值守和遠傳控制，不適合搭建有線通訊網絡。重要的是，汛期時有不同級別的報警發生時又需要信息的及時迅速傳送。因此，無線網絡成為灌區水文參數采集未來發展所不可缺少的部分。

同時大型灌區往往缺少統一的優化調度支持平臺，灌區水資源的調配不能按照科學的方式進行合理的調配，造成了灌區水資源利用率不高，水資源分配不合理等現象。本文通過建立科學的灌區灌溉調度算法進而對水資源進行統一管理，大大提高了水資源的利用效率，節約了水資源。

2 灌區渠系水資源監測系統組成與功能

系統通過在引河、總干渠、干渠、支渠等適當位置配置一定數量的現場測量單元，這些現場單元通過有線或無線通訊手段與監測系統中心進行通訊。由此組成整個灌區灌溉優化調度管理水文水資源數據采集系統。

2.1 現場數據采集終端單元

現場測量單元由遙測終端機（RTU）、供電系統、無線電3G/4G通信系統以及水位計、閘位計等組成，現場測量單元中通過太陽能電池板以及蓄電池給系統供電，保證系統的可靠運行，數據采集系統結構如圖1所示。現場測量單元實現的主要功能有：（1）自動測量該現場實時水位變化以及當前的閘門開度情況，并通過現場無線電通信單元向系統中心發送實時數據;（2）存儲灌區水情、工情數據（包括每天的本地整點上、下游水位，閘門開度等情況）;（3）對有關設備電氣參數、閘門運行狀態工況、設備事故和故障等信號順序記錄。

2.1.1 分水口的水位、流量采集

灌區明渠動水流量采集是根據渠系模型，通過測量水位，間接測算水的流量。最常用和實效的方法是流速儀面積法，即通過流速儀測定過水斷面各個水位級上的流量，標定出水位與流量關系，以測量水位查讀流量的方式計算流量。

灌區干渠支渠口流量一般較小，渠道水深小，水位測量精度要求高，適合采用超聲波水位計測取水位，其測量精度高、施工安裝方便、基本不需維護，輸出可采用Modbus通信或者標準的4～20mA的電流信號。

2.1.2 雨量、溫度等采集

考慮到小型氣象站可監測雨量、溫度、濕度等氣象參數，將氣象站采集的信息量進行處理，并利用無線通信方式直接將信息上傳，實現雨情信息的實時自動監測。

2.1.3 土壤墑情采集

土壤墑情即土壤水分含量的情況，是土壤性質的最重要參數之一。土壤墑情的測定，主要通過土壤墑情測定儀進行測定，實時監測土壤墑情。這樣在對那些作物進行灌溉的時候，進行酌情的添加或減少灌溉量，這樣既可以節約用水，同時滿足了作物需水要求。

從圖1中可以看出，水資源信息由現場不同類型傳感器變換而來，通過現場RTU單元采集，再由該點的4G通信模塊與上位中心計算機進行數據傳輸與匯總。中心端計算機采用點對多點方式與各現場RTU單元進行通訊，從而完成灌區水資源信息的采集。

2.2 電源模塊

由于灌區分布范圍大，水情監測點分散，全部新建電源系統，敷設輸電線路，建設投資過大;采用單純的蓄電池供電方式，維護工作量大。因此考慮采用太陽能電源為設備提供電力。太陽能供電系統由四部分組成：光伏陣列、控制器、免維護蓄電池、逆變控制器。系統設計需要太陽能供電的系統全部為水情監測站、閘門監測系統。

4G DTU在收發數據時的工作電流大約為200mA，空閑時的工作電流大約為40mA，系統在很少召測的情況下，4G DTU大部分時間處于空閑狀態。按電流為100mA，工作電壓為5V計算其功率為0.5W。CPU模塊的功率約為1.2W，傳感器的功率約為0.5W。所以監測終端的總功率約為2.2W，即電池的容量應大于4.4Ah?？紤]到持續多天陰雨天氣的情況及太陽能系統所用蓄電池在放電深度為50%～80%時，終端系統運行穩定性最好，最后選擇的蓄電池容量為24Ah。蓄電池需要被安置在野外無人值守的地方，綜合安全、價格、體積和被盜問題等因素最終選擇了12V，24Ah的密封鉛酸蓄電池。

2.3 監測中心

圖2為渠系監測中心與現場RTU通信數據獲取流程示意圖。監測中心可采用Internet公網連接，采用公網固定IP或者公網動態IP+DNS解析服務進行數據通信。監測系統中心接收基于4G通信模塊遠程采集的水資源等數據信息，處理后按照一定的格式存入系統數據庫，實現監測中心實時顯示與系統應用，同時可供電話語音查詢或遠程授權調用等，為正確指導灌溉優化調度、節水灌溉提供科學的保證。同時，發生異常情況可進行語音報警，提醒操作人員采取措施，防止事故發生。

對于歷史數據存儲和報表功能，系統采用了一般人員均熟悉的SQL Server數據庫系統進行管理。系統的參數記錄采用變化記錄與定時記錄兩種方式，所有現場采集到實時數據都自動記入數據庫，并可自動形成實時報表與歷史報表以供隨時查詢，為今后進一步灌溉優化調度管理提供依據。

監控中心實現的主要功能如下：（1）圖形化顯示各種實測數據和歷史數據，顯示全部水位點的運行狀況，顯示故障情況等。（2）本地局域網水情數據共享，同時還考慮到將來與上級管理部門及相關調度部門進行有線或無線數據傳輸的接口，接受上級部門的調度、控制指令，向上級部門發送本站實時運行信息。（3）報表打印，打印日、月、年報表等。（4）故障報警功能，當監控對象發生故障時，本系統能自動報警。發生事故時，本系統能自動停止運行并報警。并根據故障信息，標識出故障類別，使系統具有事故追憶功能。（5）系統自診斷功能、幫助功能。

3 灌區灌溉優化調度管理

灌區灌溉優化調度管理流程為“信息采集→分析加工→指導實踐→信息反饋”。優化模型的建立旨在解決干渠各出水口按“定流量、變歷時”運行時流量調度。在總干渠最大流量確定情況下，向下一級渠道配水時，下級渠道按“定流量、變歷時”方式從干渠引取規定水量，優化配水的結果是干渠在最短的輸水時間下的最優輪灌組合。當干渠流量能夠滿足下一級渠道同時灌溉時的流量需求時，下一級渠道實行續灌。若其流量僅可以滿足下一級渠道M（M

灌區灌溉優化調度管理系統主要實現的功能有：（1）灌區基本信息：用數據庫存儲灌區情況，包括自然概況、土地利用情況、水資源現狀、作物組成情況、骨干工程等情況。（2）用水計劃：包括用水申請、自動配水、配水計劃查看、下達計劃等，可根據渠系結構和渠道的過流能力、泵站的提水能力，在短時間內完成渠系配水過程，輸出包括渠道名稱、起止時間、相應流量及配水記錄。（3）用水統計：主要對某次灌溉用水的實際運行過程和實測數據進行統計，為及時調整用水計劃提供依據，且便于灌水結束后進行用水總結。在錄入有關數據后，系統可自動進行用水統計匯總、支渠口水量統計、灌區日利用率考核、自動生成灌溉周報、季報、年報等統計報表。（4）水費管理：包括應收水費管理和水費征收兩部分。（5）灌溉進度：可以用曲線圖、柱狀圖和餅狀圖展示單個灌區或整個灌區灌溉面積進度圖、灌溉水量進度圖。（6）數據查詢：包括灌區渠道基本情況，自動生成的各種報表、圖表等。

4 結論

水資源數據采集與管理系統是一個龐大的復雜的系統。在灌區渠系水資源監測系統及灌溉優化調度管理設計實施過程中，我們考慮到了各個子系統的相互獨立性，同時又把它們有機的聯系了起來，實現了系統資源共享。我國灌區數量眾多，不同地區情況不同，合理的調水、配水優化管理方法對于保持渠道水流的相對穩定、減少渠道配水過程中的棄水，提高配水精度和灌水質量具有重要生產實用價值。而信息獲取技術、網絡技術以及數據庫技術為灌區科學管理提供了有效的保證。

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