農(nóng)田水利灌溉高級應(yīng)用軟件研究與開發(fā)

張玉平，遲海龍

(中國水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038)

0 前言

近年來，隨著我國綜合國力的不斷壯大，農(nóng)產(chǎn)品價格不斷上漲，水資源卻日益緊缺，因此國家對農(nóng)田水利灌溉建設(shè)投入不斷增加。

目前，我國有大型灌區(qū)402處、中型灌區(qū)5 200多處、小型灌區(qū)1 000多萬處。在全國434處大型灌區(qū)中，規(guī)劃灌溉面積30萬畝至50萬畝的灌區(qū)有258處，總灌溉面積為9 062萬畝，占全國大型灌區(qū)灌溉面積的31%。由于目前灌區(qū)灌溉設(shè)施建設(shè)標準較低，投入改造、維修資金不足，設(shè)施更新維護不及時，用水管理方式粗放，田間灌溉技術(shù)比較落后，對水資源造成極大的浪費，急需提高灌溉管理水平。

灌溉系統(tǒng)自動化是世界先進國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，目前我國的灌溉系統(tǒng)自動化的水平較低，這也是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。為提高我國農(nóng)田水利灌溉管理水平，實現(xiàn)農(nóng)田水利灌溉工程的安全可靠運行，滿足灌區(qū)全線統(tǒng)一優(yōu)化灌溉的應(yīng)用需要，必須建設(shè)全線自動化調(diào)度與運行管理系統(tǒng)，對全線灌溉實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，所有閥門實現(xiàn)統(tǒng)一控制。這對農(nóng)田水利灌溉自動化系統(tǒng)提出了更高的要求，現(xiàn)有系統(tǒng)在很多方面不成熟，存在問題較多，特別是在農(nóng)田水利灌溉高級應(yīng)用技術(shù)的研究和工程應(yīng)用上還存在較大差距，無法滿足實際工程安全可靠的運行需要。

為了充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度水資源，提高經(jīng)濟效益，研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。結(jié)合大型農(nóng)田水利灌區(qū)自動化系統(tǒng)的應(yīng)用需求，對大規(guī)模農(nóng)田水利灌區(qū)工程自動化控制系統(tǒng)灌溉關(guān)鍵技術(shù)進行研究，在灌區(qū)自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出滿足農(nóng)田水利灌溉自動化系統(tǒng)要求的高級應(yīng)用軟件，灌溉系統(tǒng)將更加節(jié)水節(jié)能，可降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量，使灌溉更加科學(xué)、方便，并大大提高管理水平。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外一些先進國家，如美國、以色列和加拿大等國，在自動化控制技術(shù)方面起步較早，運用先進的電子技術(shù)、計算機和控制技術(shù)，并日趨成熟。這些國家從最早的水力控制、機械控制，到后來的機械電子混合協(xié)調(diào)式控制，到當前應(yīng)用廣泛的計算機控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度和智能化程度越來越高，可靠性越來越好，操作也越來越簡便。自動化計算機灌溉控制系統(tǒng)大約在80年代初由雨鳥公司、摩托羅拉等幾家公司開發(fā)、研制成功，并投入使用。由于技術(shù)復(fù)雜、應(yīng)用難度大，價格高昂，這種控制設(shè)備最早應(yīng)用于高爾夫球場灌溉系統(tǒng)的控制上。90年代，計算機工業(yè)的硬件、軟件飛速發(fā)展，使得灌溉系統(tǒng)中央計算機系統(tǒng)操作難度越來越小，功能越來越豐富，價格也逐漸降了下來。

目前國內(nèi)的灌區(qū)自動灌溉控制系統(tǒng)大都采用組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，功能相對較簡單。在灌溉高級應(yīng)用軟件方面的研究更少，工程應(yīng)用上還存在較大差距。北京中水科水電科技開發(fā)有限公司擁有自主產(chǎn)權(quán)的H9000灌區(qū)自動化系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于新疆兵團南疆新建團場38團且末墾區(qū)蘇塘灌區(qū)，并在灌區(qū)自動化系統(tǒng)平臺上進一步開發(fā)灌溉高級應(yīng)用軟件，對提高我國農(nóng)田水利灌溉自動化水平具有重要意義。

2 需要解決的技術(shù)難點與問題

目前大型灌區(qū)灌溉范圍廣，人員設(shè)置少，管理水平落后；灌區(qū)的長距離管道輸水工程中各級管道呈樹狀分布，輸水過程中管道存在水錘問題，尤其是在閥門開啟、關(guān)閉時表現(xiàn)突出，如果通過人工手動控制各級管道上的閥門，不但浪費大量的人力，也不能精準控制水資源，從而造成水資源的浪費。因此對大型灌區(qū)農(nóng)田水利灌溉需求進行研究后，通過事先設(shè)置相關(guān)參數(shù)，軟件自動進行計算分析，自動控制輸水各級管道中閥門的開啟、關(guān)閉以消除水錘危害，保證供水安全，精準控制各田間系統(tǒng)灌溉水量，最終提高農(nóng)田水利灌溉管理水平。需要解決的主要技術(shù)難點和問題：

（1）農(nóng)田水利灌溉模式研究

根據(jù)控制系統(tǒng)運行的方式不同，一般可分為手動控制、半自動控制和全自動控制三類：

1）手動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的所有操作均由人工完成，如水泵、閥門的開啟、關(guān)閉，灌溉時間的長短，何時灌溉等等。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是成本較低，控制部分技術(shù)含量不高，便于使用和維護，很適合在我國廣大農(nóng)村推廣。不足之處是使用的方便性較差，不適宜控制大面積的灌溉。

2）全自動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)不要人直接參與，通過預(yù)先編制好的控制程序和根據(jù)反映作物需水的某些參數(shù)可以長時間地自動啟閉水泵和自動按一定的輪灌順序進行灌溉。人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。這種系統(tǒng)中，除灌水器、管道、管件及水泵、電機外，還包括中央控制器、自動閥、傳感器(土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等)及電線等，造價較高，目前我國的灌區(qū)設(shè)備配置不全，尚不具備條件。

3）半自動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中在灌溉區(qū)域沒有安裝傳感器，灌水時間、灌水量和灌溉周期等均是根據(jù)預(yù)先編制的程序，而不是根據(jù)作物和土壤水分及氣象資料的反饋信息來控制的。這類系統(tǒng)的自動化程度不等，有的一部分實行自動控制，有的是幾部分進行自動控制。我國目前的灌區(qū)比較適合采用這種控制方式。

（2）田間系統(tǒng)輪灌制度研究

大型灌區(qū)包含眾多的田間系統(tǒng)，每個田間系統(tǒng)之間通過干管進行連接，每個田間系統(tǒng)所需灌溉的農(nóng)作物不同其需水量也不同，而每年的雨量分布并不均勻，需根據(jù)實際情況隨時調(diào)整輪灌周期。每年每個田間系統(tǒng)需進行多次灌溉，因此需對干管的閥門、田間系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度、分級輪灌。

（3）田間系統(tǒng)閥門開啟、關(guān)閉次序研究

大型農(nóng)田水利灌溉自動化控制系統(tǒng)擁有數(shù)量眾多的干管、支管，各干管、支管的閥門呈樹狀分布，由于封閉式管道在輸水過程中容易造成水錘，影響供水安全，上下級閥門之間需根據(jù)水力關(guān)系，嚴格遵守一定的次序開啟或關(guān)閉。因此需要結(jié)合管道的復(fù)雜樹狀結(jié)構(gòu)特點以及輸水系統(tǒng)的水力學(xué)特點，計算干、支管之間的水力關(guān)系，從而確定干、支管上各閥門的開啟、關(guān)閉次序，統(tǒng)一調(diào)度，做到安全供水。

（4）提高水資源利用率，實現(xiàn)精細的灌溉的研究

適時灌溉，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，其中很重要一點是應(yīng)用遙感、遙測監(jiān)測土壤墑情和作物生長等新技術(shù)，對灌區(qū)灌溉用水進行監(jiān)測預(yù)報，實現(xiàn)水管理的自動控制，對灌區(qū)用水實行動態(tài)管理，實施節(jié)水灌溉智能化管理。我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動化目前主要依靠人工測量和控制，局限于節(jié)水灌溉單項技術(shù)的推廣和應(yīng)用，技術(shù)集成和自動化水平較低，不利于用水的精細管理和合理化灌溉。因此充分地研究學(xué)習(xí)農(nóng)田作物的生長規(guī)律和當?shù)厮牡乩碜兓?guī)律，并能夠自動根據(jù)這些規(guī)律計算出田間灌溉的用水計劃，實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效低耗目標。

3 灌溉高級應(yīng)用軟件功能

（1）模式切換(手動/半自動/全自動)

軟件需提供手動/半自動/全自動的開關(guān)，可方便切換采用何種方式灌溉，這樣軟件才能更靈活地滿足實際工程的需要。當切換到手動控制方式時，由運行人員在畫面手動對每個閥門單獨控制；當切換到半自動方式時，軟件根據(jù)事先設(shè)置的各級輪灌周期，綜合考慮各種安全條件，通過分析計算，自動按時按順序開啟、關(guān)閉各級閥門，對灌區(qū)自動灌溉；當切換到全自動方式時，軟件根據(jù)監(jiān)測的土壤信息，按照事先設(shè)置的作物需水量，自動計算各級閥門的開啟、關(guān)閉時間，無需人工干預(yù)。

（2）閉鎖條件判斷

為了可靠、安全地控制灌溉，需要考慮一些閉鎖條件。當系統(tǒng)出現(xiàn)影響安全的故障時，發(fā)出報警，高級應(yīng)用軟件自動退出運行，以免誤發(fā)命令。

（3）輪灌周期的設(shè)定與修改

對于半自動運行方式，由于每年每個田間系統(tǒng)需輪灌幾十次，根據(jù)農(nóng)作物的需水情況制定合理的輪灌周期，可事先輸入各田間系統(tǒng)的輪灌周期計劃，也可根據(jù)天氣變化情況，由運行人員實時在畫面上靈活設(shè)置、修改輪灌周期。

（4）閥門開啟、關(guān)閉次序的分析與計算

各干管、支管的閥門呈樹狀分布，樹干為各干管，樹枝為田間系統(tǒng)的支管，為了防止輸水管道在閥門開啟、關(guān)閉過程中產(chǎn)生水錘，影響供水安全，要制定嚴格的閥門開啟、關(guān)閉次序。開啟閥門時需自下而上，即先開末級支管，再向上分級開啟各支管，最后開啟干管閥門；關(guān)閉閥門時，方向相反，需自上而下，先關(guān)干管，然后依次向下關(guān)閉各支管。

（5）軟件模塊化和可擴展性

田間灌溉系統(tǒng)主要是通過鋪設(shè)各種水路管網(wǎng)，對田間的各種耕種作物進行精細化，準確的灌溉。要保障灌溉系統(tǒng)能夠節(jié)約、準確地用水，就要做到既不浪費水資源又要保障農(nóng)作物生長所必須的水分，這就要求高級灌溉控制軟件能夠及時了解田間的作物生長情況還要了解當?shù)氐奶鞖馑樾畔?，土壤墑情等水文地理信息。為此在軟件當中設(shè)置了相應(yīng)的接口和GIS信息系統(tǒng)、水情水調(diào)自動化系統(tǒng)互通數(shù)據(jù)，以便對田間的作物的成長情況有及時準確的了解，為進一步的制定準確的灌溉用水計劃提供可靠保障。本系統(tǒng)軟件還配備了網(wǎng)絡(luò)通信接口，很方便實現(xiàn)遠程異地的通訊和監(jiān)控功能。

（6）自動灌溉的軟件功能的未來發(fā)展趨勢

作為灌溉自動化系統(tǒng)的高級應(yīng)用軟件，自動灌溉控制模塊還應(yīng)該承擔起田間作物栽培用水的決策專家咨詢系統(tǒng)的功能。自動灌溉控制應(yīng)該能夠收集農(nóng)田相關(guān)的水文、氣象、土壤墑情等有用信息，并對其進行加工處理存儲，作為未來一段時間里的用水預(yù)測和指導(dǎo)工作。在灌溉系統(tǒng)中應(yīng)該能夠自動學(xué)習(xí)和適應(yīng)各種作物的對生長環(huán)境要求和用水需求，能夠根據(jù)不同的農(nóng)作物生長特點制定出一整套精準完備的用水計劃，并嚴格按計劃執(zhí)行準確有序的灌溉達到現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細化、低碳環(huán)保節(jié)能高效化的發(fā)展目標。

4 結(jié)語

推進農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化和管理科學(xué)化，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，促進傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變是我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展所需要解決的難題。目前我國的灌溉自動化水平還較低，在灌溉高級應(yīng)用軟件方面的研究還很少，工程應(yīng)用上還存在較大差距。因此在現(xiàn)階段研制具有當今世界先進水平的灌溉自動化系統(tǒng)的高級應(yīng)用軟件，從而實現(xiàn)大型灌區(qū)中推廣自動灌溉，最終達到現(xiàn)地無人值班的目標，具有重要和深遠的意義。

[1]佚名.我國大型灌區(qū)基本情況[OL].小開河網(wǎng)水利新聞.

[2]滴灌系統(tǒng)的自動化控制的研究[J/OL].中國自動化網(wǎng).