引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化閘門調(diào)控技術(shù)探究*

李君香 ，劉 斌

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)是我國重要的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域之一，給糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)提供了寶貴的農(nóng)業(yè)灌溉水資源。由于黃河水泥沙含量高、淤積嚴(yán)重的特性，傳統(tǒng)的水量測量設(shè)備精度無法保障，嚴(yán)重影響了水量計(jì)量工作。目前農(nóng)田灌溉流量測控與閘門控制大多為人工手動(dòng)操作控制，存在水資源浪費(fèi)、分配不均勻、操作不便、實(shí)時(shí)調(diào)度困難等問題。1973 年，第一個(gè)自動(dòng)控制閘門在Algeria 的主干渠上開始應(yīng)用，它的技術(shù)原理是通過監(jiān)測閘門上游水位對閘門的開度進(jìn)行自動(dòng)控制，沒有執(zhí)行任何的自動(dòng)控制算法，在操作方面缺乏一定的靈活性，難以滿足灌溉多樣化的用水需求，增加了灌區(qū)灌溉管理難度[1]。為實(shí)現(xiàn)引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉高效管理和水資源高效利用，在引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)推廣測控一體化閘門，研究測控一體化閘門在引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)的調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉用水的自動(dòng)計(jì)量和遠(yuǎn)程控制，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化技術(shù)

農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化技術(shù)是將信息技術(shù)、自動(dòng)化控制與農(nóng)業(yè)灌溉相結(jié)合，以提高農(nóng)業(yè)灌溉效率、節(jié)約用水、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量為目的的一種集成技術(shù)[1]。該技術(shù)的原理是通過傳感器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理單元，采集土壤濕度、氣象信息、水位等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反映灌溉環(huán)境的情況，數(shù)據(jù)處理單元通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析，根據(jù)實(shí)際需要制定灌溉方案，動(dòng)態(tài)調(diào)整灌溉計(jì)劃。控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)閘門、水泵、閥門等設(shè)備，保持灌溉系統(tǒng)的平衡和高效運(yùn)行，在確保滿足農(nóng)作物灌溉需求的前提下，最大程度地減少水資源浪費(fèi)，避免了灌溉過度或不足的情況發(fā)生，從而提高了水資源的有效利用率[2]。引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化技術(shù)的技術(shù)組成具體如下。

1）傳感器。傳感器是引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化技術(shù)的關(guān)鍵組成部分之一。傳感器分布在整個(gè)灌區(qū)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集灌區(qū)土壤濕度、氣象條件、水位等關(guān)鍵參數(shù)。常見的傳感器類型包括土壤濕度傳感器、氣象傳感器、液位傳感器等，這些傳感器通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，為灌溉管理人員提供實(shí)時(shí)環(huán)境信息。

2）數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元是將傳感器采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用信息的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和決策支持。數(shù)據(jù)處理單元通常使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法，如大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，識(shí)別潛在的問題或優(yōu)化灌溉方案，這些單元還能生成報(bào)告和圖表，使灌溉管理人員能夠更好地了解灌區(qū)實(shí)況并做出相應(yīng)的決策[3]。

3）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化技術(shù)的核心。控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理單元實(shí)施決策并控制相關(guān)設(shè)備操作，通常采用自動(dòng)化控制算法，根據(jù)土壤濕度、氣象信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

來調(diào)節(jié)閘門、水泵、閥門等設(shè)備的狀態(tài)[4]?？刂葡到y(tǒng)不僅可以是硬件控制器，也可以是基于計(jì)算機(jī)的軟件控制系統(tǒng)，還能夠自動(dòng)調(diào)整灌溉水量和頻率，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)高效的灌溉管理。

2 測控一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌區(qū)的應(yīng)用

測控一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉管理中的應(yīng)用具有巨大潛力，能夠顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和水資源利用效率。測控一體化技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕度和氣象條件，根據(jù)這些數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整灌溉計(jì)劃，這意味著灌溉管理人員不再依賴經(jīng)驗(yàn)或固定的灌溉時(shí)間表，而是根據(jù)實(shí)際需要和環(huán)境條件來適時(shí)灌溉，這種精確的灌溉優(yōu)化有助于減少水資源浪費(fèi)，降低灌溉成本，并提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。通過測控一體化技術(shù)，灌溉管理人員可以更好地了解灌區(qū)的水資源情況，包括水位、水質(zhì)和水流量，這些信息有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)水資源問題，采取措施來保護(hù)和利用灌溉水資源[5]。此外，還可以幫助管理人員預(yù)測干旱等極端氣象事件，采取預(yù)防措施，減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和精確灌溉，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)水泵和其他設(shè)備的操作，有助于降低能源消耗。

3 測控一體化閘門調(diào)控技術(shù)

3.1 閘門的作用和重要性

在引黃農(nóng)業(yè)灌區(qū)中，閘門是水資源分配和灌溉管理的關(guān)鍵設(shè)備之一，對農(nóng)田灌溉效果和水資源分配起著決定性的作用。灌溉管理者根據(jù)實(shí)際需要通過閘門調(diào)配水資源，即通過控制閘門的開啟和關(guān)閉，可以精確地分配水資源到不同的灌溉渠道和農(nóng)田，從而提高農(nóng)作物的生長效率。閘門還具有防洪和排水的功能，在極端降雨或渠道水位上升時(shí)，閘門可以關(guān)閉，防止洪水進(jìn)入農(nóng)田，保護(hù)農(nóng)作物免受水害[6]。在需要排水的情況下，閘門可以打開，快速排除多余的水，確保農(nóng)田不被水浸泡。通過閘門也可以防止沉淀物或污染物進(jìn)入灌溉渠道，確保灌溉水質(zhì)量，從而降低對農(nóng)作物的不利影響。

3.2 調(diào)控技術(shù)原理

閘門調(diào)控技術(shù)是農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化技術(shù)的核心組成部分，它的原理和方法直接影響著灌區(qū)的灌溉效果和水資源的利用效率。閘門調(diào)控技術(shù)的核心原理是自動(dòng)化控制，基于傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)能夠智能地調(diào)節(jié)閘門的狀態(tài)，以滿足農(nóng)田的灌溉需求，這種自動(dòng)化控制依賴于預(yù)設(shè)的灌溉方案和算法，這些方案考慮了土壤類型、植物需水量、氣象條件等因素，以確定最佳的灌溉策略[7]。閘門調(diào)控技術(shù)還依賴于數(shù)據(jù)分析和決策支持系統(tǒng)，通過分析傳感器收集的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)能夠識(shí)別潛在的問題或優(yōu)化灌溉方案。當(dāng)土壤濕度低于某個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)觸發(fā)灌溉，決策支持系統(tǒng)可以生成實(shí)時(shí)報(bào)告和圖表，幫助灌溉管理人員更好地了解灌區(qū)的狀況，支持灌區(qū)管理科學(xué)決策。為了實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測，通信技術(shù)是不可或缺的，閘門調(diào)控技術(shù)通常使用無線通信或互聯(lián)網(wǎng)連接，將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，并接收來自管理人員的指令，這使得灌溉管理人員可以隨時(shí)隨地監(jiān)控和調(diào)整閘門的狀態(tài)，以適應(yīng)不同的灌溉需求[8]。

3.3 調(diào)控方法和措施

在開始使用閘門調(diào)控技術(shù)之前，必須進(jìn)行閘門的調(diào)試和安裝，這包括選擇合適的閘門類型、安裝位置以及與控制系統(tǒng)的連接，確保閘門的準(zhǔn)確操作和穩(wěn)定性，這對于技術(shù)的有效應(yīng)用至關(guān)重要。傳感器的正確部署和校準(zhǔn)是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素，傳感器必須位于能夠準(zhǔn)確反映土壤濕度、氣象條件和水位等參數(shù)的位置，校準(zhǔn)傳感器以確保其輸出與實(shí)際情況一致，這需要定期的維護(hù)和校準(zhǔn)。一旦傳感器部署完畢，系統(tǒng)將開始實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集工作。這些數(shù)據(jù)包括土壤濕度、氣溫、降雨量、水位等信息[9-10]。采集的數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法和設(shè)備選擇對于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要?；趥鞲衅鲾?shù)據(jù)，灌溉策略可以進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，這包括確定何時(shí)打開或關(guān)閉閘門以及以何種速度和水量進(jìn)行灌溉，農(nóng)田灌溉系統(tǒng)規(guī)劃也需要考慮農(nóng)田的特性、作物需水量和水資源供應(yīng)情況。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)會(huì)不斷收集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將被用于分析和評估，數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)是識(shí)別潛在問題、優(yōu)化灌溉策略以及改進(jìn)技術(shù)的性能，通過對數(shù)據(jù)的深入分析，可以逐步改進(jìn)閘門調(diào)控技術(shù)，提高其精度和效率。維護(hù)和故障診斷是技術(shù)持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵，必須定期維護(hù)系統(tǒng)，確保傳感器的正常工作和閘門的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行診斷和修復(fù)，以防止灌溉中斷或不正常操作。

3.4 調(diào)控技術(shù)數(shù)據(jù)分析與調(diào)控效果評估

數(shù)據(jù)分析是調(diào)控技術(shù)的基礎(chǔ)。分析土壤濕度數(shù)據(jù)以確定不同地點(diǎn)的水分狀況，以調(diào)整灌溉方案；研究氣溫、降雨量等氣象數(shù)據(jù)，以預(yù)測灌溉需求并制定相應(yīng)的策略；監(jiān)測水位數(shù)據(jù)，確保水源的穩(wěn)定供應(yīng)和洪水預(yù)防；分析能源數(shù)據(jù)，評估系統(tǒng)的能源效率，尋找減少能源消耗的潛在方法。通過數(shù)據(jù)分析，可以進(jìn)行調(diào)控效果的評估，評估系統(tǒng)的水資源利用效率，確定是否減少了水資源浪費(fèi)；比較實(shí)際農(nóng)作物產(chǎn)量與預(yù)期產(chǎn)量，以評估技術(shù)對農(nóng)作物生長的影響；分析能源消耗數(shù)據(jù)，確定技術(shù)對能源節(jié)約的貢獻(xiàn)，評估技術(shù)對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，包括水質(zhì)改善和減少污染。通過這些評估，研究人員和灌溉管理人員可以了解技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)問題并采取措施改進(jìn)系統(tǒng)的性能?；跀?shù)據(jù)分析和調(diào)控效果評估的結(jié)果，可以進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，調(diào)整灌溉策略，以更好地滿足農(nóng)田需求；校準(zhǔn)傳感器以確保傳感器的準(zhǔn)確性，避免誤差；改進(jìn)自動(dòng)化控制算法，提高系統(tǒng)的智能性，采取措施減少能源消耗，降低運(yùn)行成本[11]。數(shù)據(jù)分析和調(diào)控效果評估是農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化閘門調(diào)控技術(shù)研究的關(guān)鍵步驟，有助于優(yōu)化系統(tǒng)的性能并實(shí)現(xiàn)更有效的水資源利用[12]。

3.5 調(diào)控技術(shù)改進(jìn)和展望

農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化閘門調(diào)控技術(shù)仍然存在改進(jìn)的空間，以進(jìn)一步提高其性能和可持續(xù)性。技術(shù)的精確度對于灌溉效果至關(guān)重要，未來的研究可以集中在改進(jìn)傳感器的精度和穩(wěn)定性上，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。或改進(jìn)自動(dòng)化控制算法，使其更精細(xì)地調(diào)節(jié)閘門操作，從而實(shí)現(xiàn)更精確的水資源分配[13]。隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)一步提高決策支持系統(tǒng)的智能化水平，通過利用大數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)可以更好地預(yù)測氣象條件和土壤水分變化，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的灌溉調(diào)控。技術(shù)的能源消耗仍然是一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)，未來的研究可以探索節(jié)能技術(shù)，例如太陽能供電和高效能源利用，以降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本和對環(huán)境的影響等。

農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化閘門調(diào)控技術(shù)未來將集中在技術(shù)的智能化和自適應(yīng)性上[14]，借助先進(jìn)的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠更好地預(yù)測氣象條件、土壤水分變化和農(nóng)作物需水量，從而實(shí)現(xiàn)更智能化、自動(dòng)化的調(diào)控，還可以適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)灌區(qū)條件，提供個(gè)性化的灌溉策略[15]。農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化閘門調(diào)控技術(shù)應(yīng)更多地與其他農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)和系統(tǒng)進(jìn)行整合，包括與肥料管理、病蟲害監(jiān)測等系統(tǒng)的集成，以實(shí)現(xiàn)全面的農(nóng)業(yè)管理，這種跨領(lǐng)域整合將為灌溉管理人員提供更完整的工具，幫助他們更好地優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程。技術(shù)的不斷改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展將是未來的重要趨勢，通過不斷的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，可以發(fā)現(xiàn)更多的性能改進(jìn)機(jī)會(huì)，并確保技術(shù)在不同地區(qū)和規(guī)模的農(nóng)業(yè)灌區(qū)中都能有效運(yùn)行，將有助于提高技術(shù)的一致性和可靠性[16]。

4 結(jié)語

綜上所述，農(nóng)業(yè)灌區(qū)測控一體化閘門調(diào)控技術(shù)是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)，它可以提高水資源利用效率、降低能源消耗、保護(hù)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。通過不斷的實(shí)踐探索和技術(shù)改進(jìn)，這一技術(shù)將發(fā)揮更大的作用，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉高效管理和水資源高效利用提供技術(shù)支撐。