郭子鳳，王永莉

（大同市水利科學(xué)研究所，山西 大同 037000）

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目區(qū)位于大同市水泊寺鄉(xiāng)東墳村農(nóng)業(yè)園區(qū)，屬溫帶半干旱大陸型季風(fēng)氣候，多年平均氣溫6.6℃，極端最高氣溫38.4℃，極端最低氣溫-29.2℃，多年平均降水量393 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 197 mm，無霜期125 d，最大凍土深度為1.86 m。項(xiàng)目村現(xiàn)有人口1 039 人，2009 年3 月起先后因安置區(qū)、鐵一中、得大高速、東客站、萬龍滑雪場、市委黨校等項(xiàng)目建設(shè)部分土地被征用，現(xiàn)余土地10 hm2，人均耕地不足0.01hm2。項(xiàng)目區(qū)離御河干渠較近，農(nóng)業(yè)灌溉水源主要為引用地表水。現(xiàn)有水源池1 處，配置潛水泵1 臺，高位蓄水池1 座，灌溉面積6.67 hm2。本項(xiàng)目管灌區(qū)3.67 hm2，滴灌區(qū)3 hm2。

試驗(yàn)區(qū)北部有1 座50 m3蓄水池，位于試驗(yàn)區(qū)最高處，灌溉作物種植區(qū)與蓄水池高差為20 m，利用高差采用自流灌溉的方式，基本可以滿足滴灌和管灌需求。

管線鋪設(shè)依據(jù)地形、地塊、道路等情況布置管道系統(tǒng)，要求管道系統(tǒng)線路最短，控制面積最大，便于機(jī)耕，管道盡可能雙向分水。每個(gè)閥門為一個(gè)獨(dú)立的灌溉組。管線鋪設(shè)采用“豐”字型布置，滴管共計(jì)分為6 個(gè)灌溉組，控制3 hm2的澆灌任務(wù)。管灌分5 個(gè)灌溉組，控制3.67 hm2的澆灌任務(wù)。分別用流量計(jì)記錄各灌溉組的用水量。滴灌組由6 個(gè)電磁閥控制，每個(gè)電磁閥控制1 個(gè)灌溉組。管灌分5 個(gè)灌溉組，由5 個(gè)電磁閥控制。

灌水器采用穩(wěn)流式滴頭，額定流量10 L/h，根據(jù)實(shí)際種植規(guī)格，每棵果樹根部安裝一個(gè)滴頭，平均間距為2.5 m。

2 智能化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模

項(xiàng)目建設(shè)智能化節(jié)水灌溉技術(shù)果園6.67 hm2，智能化節(jié)水灌溉項(xiàng)目的灌溉監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)包括以下內(nèi)容：

移動(dòng)APP 管理平臺。通過租用第三方云服務(wù)器，搭建灌區(qū)數(shù)據(jù)匯聚中心；通過定制開發(fā)的移動(dòng)APP 軟件管理平臺，和配套的移動(dòng)管理終端，實(shí)時(shí)掌控灌區(qū)灌溉信息，實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化、智能化。

泵站監(jiān)控系統(tǒng)。項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有水源池1 座，配套潛水泵1 臺，由潛水泵提水至高位蓄水池，采用空氣開關(guān)就地控制，可靠性和安全性極低，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)對水源池泵站進(jìn)行升級改造，配套軟啟動(dòng)柜1 面、泵站監(jiān)控終端柜1 面、無線通訊模塊1 個(gè)、液位傳感器1 只、管道過濾器1 臺。

灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)主要配置DN 100電動(dòng)閥門2 臺、DN 50 電動(dòng)閥門6 臺、DN 100 流量計(jì)1 臺、DN 50 流量計(jì)6 臺、墑情監(jiān)測站1 處、簡易氣象站1 處。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

2.2.1 移動(dòng)APP 管理平臺

移動(dòng)APP 管理平臺集中處理系統(tǒng)整體運(yùn)行情況，負(fù)責(zé)監(jiān)控和調(diào)度管理各監(jiān)控系統(tǒng)工作（泵站、閥門），接收各泵站、閥門監(jiān)控測點(diǎn)的數(shù)據(jù)并作分析、處理和存儲?？蓪ο到y(tǒng)整體運(yùn)行模式進(jìn)行人工設(shè)定、修改，并可遠(yuǎn)程控制各監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備。

2.2.2 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測水源池和高位蓄水池水位值和水泵機(jī)組運(yùn)行狀況，根據(jù)蓄水池水位情況、自動(dòng)啟停潛水泵向高位蓄水池補(bǔ)充水量來滿足灌溉用水的需求。

能夠監(jiān)測現(xiàn)場電源狀態(tài)、機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)、蓄水池水位、出口流量，可以通過面板或按鈕控制水泵啟停，并可以將這些數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心，接收其指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控泵等動(dòng)作。

2.2.3 灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)包括管灌區(qū)、滴灌區(qū)，主要配套智能電動(dòng)閥門、小氣象站、土壤溫濕度傳感器等，系統(tǒng)可將閥門的開閉狀態(tài)上傳移動(dòng)APP 管理平臺，同時(shí)接收移動(dòng)APP 管理平臺發(fā)送的控制指令開閉電動(dòng)閥。

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集現(xiàn)地小氣象站數(shù)據(jù)、土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)綜合分析當(dāng)前灌溉用水需求量，合理調(diào)配電動(dòng)閥門的開閉，達(dá)到調(diào)節(jié)灌溉用水的目的。

2.3 系統(tǒng)建設(shè)的創(chuàng)新點(diǎn)

2.3.1 智能灌溉管理系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新

智能化灌溉依托強(qiáng)大的信息化，應(yīng)用軟件平臺開發(fā)和IT 系統(tǒng)集成能力，利用4G 網(wǎng)絡(luò)，在云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，從“田間、需求、服務(wù)”三個(gè)方面，構(gòu)建一個(gè)完整的智能化灌溉平臺。

2.3.2 物聯(lián)網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)創(chuàng)新

主要負(fù)責(zé)完成示范區(qū)內(nèi)相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的收集，獲取實(shí)時(shí)的作物自身要素和環(huán)境要素的測量信息。采集的信息分為空氣、環(huán)境要素信息和作物、農(nóng)田管理措施信息。

空氣、環(huán)境要素信息的采集，目的是收集空氣溫度、濕度等要素，了解作物呼吸與生長必備情況，為調(diào)節(jié)作物生長條件提供依據(jù)；信息內(nèi)容有空氣溫度、濕度、降雨量三方面，采集方式為簡易氣象站測量，其中溫度與降雨情況，是決定果樹物候期生長的客觀條件。

作物、農(nóng)田管理措施信息的采集目的，是利用采集信息，建設(shè)現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)田間管理，通過科學(xué)的田間管理措施保障果樹科學(xué)生長，促進(jìn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)；其中株高、樹徑枝條生長信息通過人工測量采集，施肥量、澆水量根據(jù)田間管理記錄錄入，病蟲害信息根據(jù)田間防治記錄錄入。

3 智能化灌溉系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 灌溉監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能化節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)總體分為3 個(gè)部分，分別為移動(dòng)APP 管理平臺、泵站監(jiān)控系統(tǒng)、灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1.1 移動(dòng)APP 管理平臺

移動(dòng)APP 管理平臺是整個(gè)灌溉智能化監(jiān)控系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收、處理、分析、存儲及輸出各種數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制指令，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

3.1.2 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)配置泵站LCU 屏、軟啟動(dòng)柜，進(jìn)行相關(guān)電氣連接，實(shí)現(xiàn)水泵控制。具備手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制功能，管理員可以隨時(shí)觀察其工作狀態(tài)。

3.1.3 灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

電動(dòng)閥門接收并執(zhí)行移動(dòng)APP 管理平臺的開關(guān)控制指令，將開關(guān)信息反饋至移動(dòng)APP 管理平臺，完成灌區(qū)作物灌溉用水的調(diào)節(jié)控制。管灌區(qū)采用出水口控制方式，滴灌區(qū)和噴灌區(qū)采用控制閥井控制。

3.2 分項(xiàng)控制技術(shù)

本灌溉控制系統(tǒng)可分為兩大部分，高位蓄水池控制和灌溉閥門控制。動(dòng)力系統(tǒng)控制采用軟啟動(dòng)系統(tǒng)，軟啟動(dòng)器具有低壓、過壓、缺相、漏電、過載等保護(hù)功能，通過軟啟動(dòng)器控制提水泵，可降低水泵直接啟動(dòng)對電網(wǎng)電壓的沖擊，有效保護(hù)電機(jī)。

自控系統(tǒng)采用西門子200 smart PLC 系統(tǒng)，集成了昆侖通態(tài)觸摸屏1071Gi、4 G 物聯(lián)網(wǎng)模塊。通過觸摸屏可監(jiān)控水塘水位、高位水池水位、提水泵狀態(tài)、電源電壓、各閥門及流量、土壤墑情等，遠(yuǎn)程可通過4 G物聯(lián)網(wǎng)模塊，將自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞至物聯(lián)網(wǎng)云平臺；通過手機(jī)、電腦登錄特定的云平臺賬號，可監(jiān)測和控制現(xiàn)場各設(shè)備。

3.2.1 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

泵站控制系統(tǒng)分就地和集控兩種，通過泵站LCU屏上的轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換。就地狀態(tài)，提水泵通過軟啟動(dòng)柜上的啟停按鈕啟停，自控系統(tǒng)不參與提水泵控制。集控狀態(tài)，自控系統(tǒng)通過檢測電源電壓狀態(tài)、相序等來決定提水泵是否可以啟動(dòng)，當(dāng)市電缺失、相序故障時(shí)，提水泵禁止啟動(dòng)；集控狀態(tài)又分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。現(xiàn)場可通過觸摸屏上的按鈕進(jìn)行切換，默認(rèn)狀態(tài)是自動(dòng)控制。手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過觸摸屏上的啟停按鈕進(jìn)行啟停。

自動(dòng)控制是通過檢測水塘水位和高位池水位控制提水泵啟停。設(shè)置水塘保護(hù)水位，可在觸屏上設(shè)置某一數(shù)值，當(dāng)實(shí)時(shí)水位低于保護(hù)水位時(shí)，禁止提水泵啟動(dòng)。

高位蓄水池的水位采樣，通過RS 485 通訊，狀態(tài)可在觸屏上觀察到，通訊異常時(shí)，禁止啟動(dòng)提水泵；通訊正常時(shí)，通過設(shè)置的水位低限值和高限值，控制提水泵啟動(dòng)和停止。

現(xiàn)場需要使用自動(dòng)控制時(shí)，只需將自控柜切換開關(guān)轉(zhuǎn)至集控狀態(tài)，設(shè)置好水塘保護(hù)水位、蓄水池低限和高限。通過云平臺也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的切換。

3.2.2 電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)

高位蓄水池配水口閥門井中，安裝1 個(gè)總控電動(dòng)閥門，灌溉支管上安裝了6 個(gè)分支電動(dòng)閥門；每個(gè)閥門前安裝了一個(gè)流量傳感器。人工判斷是否需要灌溉，決定是否打開或關(guān)閉閥門。各電動(dòng)閥門和流量計(jì)采樣采用RS 485 通訊方式。

從發(fā)出開關(guān)閥門指令到執(zhí)行，需要1 min，閥門開關(guān)狀態(tài)反饋需要1 min，一個(gè)命令的發(fā)出到執(zhí)行完畢最多需要3 min。流量信號3～5 min 采集一次。

3.2.3 軟件平臺系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)控與信息管理平臺（以下簡稱“平臺”），分為客戶端和移動(dòng)端（APP）。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能采集終端、智能水表等在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)觀察工程水位信息、運(yùn)行模式、運(yùn)行狀態(tài)等情況。移動(dòng)APP 平臺下載安裝后，可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，實(shí)時(shí)查看供水工程狀態(tài)，有效管理供水信息，打破辦公時(shí)空限制。

移動(dòng)端使用禹水物聯(lián)，能夠直觀地監(jiān)測工程各設(shè)備的運(yùn)行情況，主要包含工程管理、報(bào)警信息、個(gè)人中心等功能。工程管理，通過GIS 地圖，展示權(quán)限范圍內(nèi)各項(xiàng)工程分部情況，移動(dòng)端信息與PC 端信息同步共享模式。報(bào)警信息，點(diǎn)擊首頁按鈕，可查看權(quán)限范圍內(nèi)的預(yù)警實(shí)時(shí)提醒，可查看報(bào)警信息詳情。個(gè)人中心，點(diǎn)擊首頁按鈕，可在【個(gè)人中心】修改個(gè)人電話和手機(jī)信息；點(diǎn)擊【官方聯(lián)系】查看技術(shù)支持聯(lián)系方式；【關(guān)于我們】可查看公司信息；【系統(tǒng)設(shè)置】可查看移動(dòng)端功能介紹、修改移動(dòng)端登錄密碼以及移動(dòng)端版本信息。

4 樹體生育測定成果

通過自動(dòng)化監(jiān)測管理測定表明，滴灌比管灌新生枝條長度增長9.1%。管灌條件下樹干徑的增長率平均為95.5%，滴灌條件下樹干徑的增長率平均為90.2%。管灌區(qū)樹干徑比滴灌區(qū)樹干的徑增長率平均增加5.9%。