农田灌溉自动化范文

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中图分类号：TN830文献标识码： A

精细农业是20世纪80年代初国际农业领域提出的一门新兴的跨学科综合技术。它是通过高效利用农业资源，从而获得经济、环境等方面最高回报的一种管理策略和技术体系。其本质是基于农田小区内作物生长环境和产量差异性的科学变量管理方式来实现，因此，快速有效地采集和描述影响作物生长因子与作物生长环境的空间变量信息，是开展精细农业实践的重要基础。目前，农情信息快速采集技术的研究落后于支持精细农业的其他技术(如产量传感器技术等)的发展，已成为当前研究的重要课题。

1. 1 总体设计思路

高效节水灌溉项目涉及水利应用领域和不同管理层级，需要解决的问题纷繁复杂，为了准确对高效节水工程进行设计，保证信息化建设的顺利进行，信息化系统主要设计思想是：运用先进的现代科技技术来管理整个系统，设计时基于高效节水灌溉项目对系统信息进行分类，确定出结构上合理，技术上易于实现和满足实际应用，性能上优良的信息化管理系统。达到泵站节水灌溉、视频监视等目标，实现无人值班和少人值守。以可持续发展的思路，用现性思维和理念转变传统的治水思路，向管理要效益，充分利用现代信息技术，创造出和谐的数字化枢纽工程。

1.2系统体系框架

整个系统构建成区镇级控制中心――项目区自动化控制系统二级结构，控制中心和项目区之间通过自建或租用公网VPN光纤方式，为了真正达到统一规划，二级系统内部的软件层次是类似的，遵循统一技术标准。

（1）系统层次结构

本系统的总体结构是基于分层思想进行设计的。分层的基本原则是系统各层相对独立，系统的任何一层都只依赖于低于自己的层，而完全独立于高于自己的层。

本系统可以划分为四个层次，分别是自下而上的基础设备和辅助设施层、网络通信及计算机设备层、系统支撑平台层、应用软件层，以及贯穿整个系统的各个层面的系统安全体系。

（2）镇级控制中心

各乡镇设置分中心，负责实现项目区内各监测站和分中心数据交换，同时负责控制分中心与总控制中心数据通讯交换。

（3）项目区控制系统

在各项目区设置监测站控制系统，负责实现各监测站自身的业务管理，包括各类生产监测、视频监控数据的采集，以及上级调度指令的接收执行。

1.3 灌溉自动化系统与管道智能化灌溉系统

1.3.1 镇级控制中心功能

镇级控制中心是该系统的主控制操作中心，它是由操作人员根据系统反馈来的信息（如数据信息、图像信息等），给项目区下达指令，不需人员进行现场操作，一切操作实现了无人化管理，真正实现了远距离自动化控制。

1、数据采集和处理

（1）数据采集

系统通过通信模块获取来自各个项目区的数据并将之存入镇级控制中心数据库。如：水泵开启状态；水位；气象参数等；水位仪、电机设备运行状态等。

（2）数据处理与计算

时流量与累积流量：根据水位、站机组装置效率与水泵性能曲线计算。对测量监测的数据进行准确性和误差校验，最后经格式化处理后形成实时数据并存入实时数据库，以便生成各种数据库，供查询、打印、显示等。

2、运行监视和事故报警

（1）监视

使运行人员通过屏幕对各主设备的运行状态进行实时监视。所有要进行监视的内容包括当前各设备的运行及停运情况，并对各运行参数进行实时显示。

（2）参数越限报警

计算机自动控制系统对某些参数以及计算数据进行监控，对这些参数量值可预先设定其限制范围，当参数越限及复限时要作相应的处理。

（3）故障状态显示记录

计算机自动控制系统定时监测各种故障状态信号，一旦发生状态将在屏幕上即时显示出来，同时记录故障及其发生时间，并画面弹出报警。系统对故障状态信号的查询周期不超过两秒。

3、控制和调节

管理中心值班人员通过主控站计算机人机接口对设备进行监控，主要有：自动完成开、停机和泵机组启闭；电气设备开关合/分操作；各种辅助设备的操作；各种整定值和限值的设定；各种信号处理等。

4、其它功能：数据通信、统计与制表、画面显示、语音提示功能、运行操作指导和事故处理指导、系统自检和自动重启动

1.3.2 项目区监控系统

项目区监控单元完成各传感器数据采集处理、控制与调节、保护和报警、数据通信等，对泵机组站的主辅设备的运行状态、运行参数以及传感器、仪器仪表的测量值进行实时采集、处理，存入实时数据库，作为系统监视、告警、控制、制表、模拟图形显示的依据，并通过公网VPN或自建光纤网与区管理中心进行通讯，结构如下图所示。

1、数据采集与处理

监控中心监控主机接收项目区泵站电气信息化自控装置上传的各类实时数据，包括模拟量、开关量、综合量和SOE事件顺序记录、越复限事件记录等。按收到的数据进行数据库刷新、报警登录；接收上级调度系统下发的命令以及接收其它系统发来的数据。

2、对采集的数据进行如下处理：

对模拟量数据（流量数据等）进行数据滤波、合理性检查、工程单位变换、数据变化及越限检测等，并根据规定产生报警和报告；状态数据处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性和合理性判断，并根据规定产生报警和报告；

事件顺序记录处理记录各个重要事件的动作顺序、事件发生时间（年、月、日、时、分、秒、毫秒）、事件名称、事件性质，并根据规定产生报警和报告。

1.4灌区信息采集

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乡(镇)监控站主要功能乡(镇)“监控站”系统,具体负责本乡(镇)各灌溉区域系统的监控及灌溉用水的实际管理、控制、收费等工作。系统主要由控制系统、日常管理系统、安全管理报警系统组成。灌溉管理控制系统:各灌溉区域用水控制及调度,对各区域进行实时监测。具有水位、流量、水压监测,闸阀监视与启闭控制等功能。各监控项目在控制站均能实现运行性态提示。日常管理系统:具有各灌溉区域用水计划分配子系统,实际用水记录子系统,实际用水缴费子系统。各管理子系统具有记录、报表、打印、拷贝等功能。安全管理报警系统:具有各灌溉区域的管道、闸阀、监测仪器等设备运行异常报警功能,一旦报警,各主要设备要具有自动停机功能,并具有异常报警自动记录功能。农田灌溉监控调度工作图,县“水务信息(调度)中心”主要功能县“水务信息(调度)中心”,负责对各灌区监控站的运行管理进行监督;对各灌区监控站的数据进行统计分析、形成报表,为相关决策提供数据支持。系统主要由中心控制系统、日常管理系统、权限治理系统组成。中心控制系统:对各乡(镇)监控站用水控制及调度,对各乡(镇)监控站进行实时监控。具备对各站设备运行情况进行监控的功能。各监控项目,在中心站均能实现运行性态提示。日常管理系统:记录存储各“监控站”汇总至系统的所有重要数据(包括:运行数据、告警信息、安全及操纵员权限信息、操纵维护记录等),随时了解各灌区水资源配置情况,可以查询任意时刻及任意历史时段灌区的用水信息,并进行统计分析生成报表,提供管理部门和各个站点需要的报表,为管理部门的调度和决策提供可靠依据。权限治理系统:在权限治理中,可以对系统操纵用户进行权限治理。具有防止非本系统用户进侵本系统,不同级别的用户具有不同权限的操做权限。

各种控制系统的设计思路

整个输配水管网系统实现管控一体化。灌区管道的控制管理主要在于各种技术参数的监控和主要设备的运行控制,通过在各节点和在主要设备处设置嵌入计算机主板或智能仪表及相应的监控通讯设备组成现地控制单元。现地单元层通过GPRS无线通信与各乡(镇)监控站相连,实时上传管道运行的各种技术参数并接收监控站下达的各类指令,对相关设备进行控制。(1)水位监测,通过在管道沿线布设的各类水池设置的液位变送器,由液位变送器实时将水池水位的信号发给传输设备,传送到乡(镇)监控站,由乡(镇)监控站根据设定的程序自动开启、调节进水阀,调节水池的水位,使水池水位保持在设定的水位高度。当发生爆管、大量漏水等事故,水池水位或压力突然下降时,设在监控站的设备自动报警,进行事故紧急处理,根据工程预案关闭进、出水阀。(2)水压监测,通过设在各节点处的水压监测仪可以及时发现管线内是否出现负压、超压等现象。出现负压时,管中水流会产生气体释放,引发气蚀、断流水锤或管道长期积气运行,不仅影响管道运行安全,而且还可能造成管道供水能力达不到设计要求。超压时如果没有及时发现处理,则会出现破坏管道引发爆管等事故。通讯设备可及时将水压数据上传到服务器进行处理。(3)流量监测,通过流量计可以准确了解灌区灌溉所用水量,及时、准确地统计分析水利用系数、单位用水量所产生的经济效益,并记录保存所有流量数据。为灌区根据当年水库所蓄水量确定适宜的农业种植结构及农业种植面积提供可靠依据。(4)闸阀监控:整个系统要以“无人值班,少人值守”为设计原则。各主干管道沿线按需要配置减压阀、截止阀、分水阀、放空阀、检修阀、排气阀等。各种阀门的开启关闭动作信号均设有反馈,并在各管理系统显示其设备运行状态。各乡(镇)监控站使用工业控制计算机,实现对各管道沿线闸阀运行状况的集中监视和发送遥控指令,进行控制。

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节水灌溉技术的推广应用，可以有效的缓解农业用水问题，节水灌溉技术主要是利用农田周边的水资源，结合现代的灌溉技术与节水技术，实现对农田的节水灌溉，这一办法的实施可以满足农业生产的用水需求，降低农田灌溉的成本，促进农业的发展，虽然我国的农田节水灌溉技术已经得到了极大的发展，但是在一些地区灌溉技术依然落后，水资源的利用率低，严重影响着现代化农业的发展。

一、现代农田水利建设中的农田节水灌溉技术

（一）节水管道输水技术

管道输水技术用管道取代明渠，将水输送至农田实现农田灌溉，其水资源的来源主要是附近的水井、水库与池塘以及湖泊等，这项技术可以有效的防止外力因素对农田灌溉工作造成的影响，但是在利用管道进行输水时需要保证水质，水中不能含有淤泥与杂草之类的，在进行输水前需要将水源进行沉淀。输水、配水网络系统是农田管道输水中的核心部分，该系统主要是由多个管道与分水设施以及管道保护装置组成，管道输水技术可以进行大面积的农田灌溉工作，农田灌溉属于地面灌水，利用管道输水技术可以降低农田灌溉的成本，同时还可以节约水资源。低压管输水技术是管道输水技术中的一种，是最常见的一种地面节水灌溉的技术，其主要是利用地下水资源实现对农田的灌溉，其利用管道技术进行灌溉用水的输送工作，将水输送到灌溉区域内，在应用该项技术时需要注意一定要采用超低压力，用压力管道系统进行用水输送，可以有效合理的利用该技术可以减少灌溉用水的渗漏与蒸发现象。

（二）节水喷灌技术

在节水灌溉技术中，喷灌技术的应用比较广泛，在使用喷灌技术进行农田灌溉时，需要使用加压水泵或者动力机以及电动机等设备，利用水泵加压或者自然落差产生的压力进行水输送，在农田中铺设管道进行水输送，可以减少水资源的浪费，同时利用喷头进行水喷洒，使水可以均匀的散落在农田中[1]。

（三）节水微灌技术

节水微灌技术经常被运用在农业生产的过程中，其主要分为滴灌与脉冲灌溉以及微喷雾灌溉等，微灌设备的性能不同所以微灌又分为常压微灌与重力微灌，此外根据微灌设备的使用类型划分为为地面微灌与地下微灌。节水微灌技术利用灌溉控制系统、输水道系统以及水过滤系统进行协调配合，实现对灌水量的合理控制，在最小的用水量范围内，尽最大的可能提高农作物的产量。

（四）步行式节水灌溉技术

步行式节水灌溉技术在应用的过程中，其设备的组装工作相对而言要简单些，其常见的组装设备是拖拉机，利用拖拉机进行农田灌溉，不仅使用方便快捷，同时还可以提高灌溉的工作效率，降低了农田灌溉的成本，同时该技术可以最大限度的节约用水量，这项技术不仅在农田灌溉方面使用，还可以应用在日常生活节水方面[2]。

二、节水灌溉技术的管理创新

（一）智能化监测技术

农业自动化生产是我国农业发展的趋势，在我国的农田水利的建设中，智能化的灌溉技术正在不断地进行推广使用，而智能化的农田灌溉已经成为了现代农田水利建设中灌溉技术的发展趋势，在农田水利建设中采用计算机技术，对农田作物的生长环境以及农作物的生长情况进行监测与综合分析，为农作物提供科学的合理的生长环境，包括农作物需要的水分环境与温度环境等，计算机技术的应用可以进一步提高农田水利的节水灌溉效率。

（二）网络化管理

网路化管理已经成为了农田水利节水灌溉技术管理的重要手段，网络化农田灌溉管理系统，主要是利用网络构建一体化的管理体系，在进行农田灌溉管理工作前，需要利用预先编制的管理控制程序，设定相关的可以反映农作物需要水分的参数，利用计算机监测技术进行数据的收集，根据收集的数据进行分析，对需要进行灌溉的农作物区域进行灌溉，利用自动启闭水泵或者按照轮灌的顺序进行农作物的灌溉，保证农作物对水分的需求，同时还可以降低农作物灌溉的成本[3]。

（三）科学合理的选择灌溉技术

由于农作物以及农田类型种类不同，所以需要根据具体的水土条件以及农作物的品种选择合适的节水灌溉技术，对于低产出的农作物，可以进行大面积的农田节水灌溉技术，对于需要保证充足的水分的高产出农作物需要采用最优的灌溉技术，例如喷灌技术与滴灌技术。在进行节水灌溉技术的选择方面，需要不断地进行种植方案的调整，灵活利用灌溉技术，保证最大限度上节约水资源，调整种植方案主要是对耕作的农田面积进行合理的压缩耕种，合理的减少高水产农作物的种植面积，提高林草的种植面积，将提高农田经济效益与社会效益作为终极目标，不断地向可持续农业发展方向迈进。综上，不断进行农田节水灌溉技术的改进与管理，可以促进实现现代化农业的发展，节约水资源的利用，实现农业生产效益的最大化，文中对农田水利建设中的节水灌溉技术做了简单的论述，同时还对节水灌溉管理的工作创新做了简单的论述，意在提高我国节水灌溉技术的利用效率。

作者:张志杰 单位:甘肃省通渭县水务局

参考文献：

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2．农田水利建设存在的主要问题

一是已有农田灌排设施老化失修和损毁问题严重。二是农业水利用效率比较低．节水改造任务艰巨。三是投入不足制约了农田水利基本建设。四是部分农田水利设施管理责任难落实。

3．明确加快农田水利建设重点

3．1加强农田灌溉工程建设

以扩大和改善农田灌溉条件．推进高效节水灌溉为重点．把全市农田全部建成旱涝保收田．打造高标准粮食生产核心区全面推进高标准综合节水灌溉．到2015年节水灌溉面积占有效灌溉面积的7O％：到2020年达到有效灌溉面积的85％。

3．2推进除涝减灾工程建设

以改善农田除涝、农村排水设施为重点．完善农村排水体系。加快各级农田排涝沟渠的清淤、整修，更新改造桥、闸、涵等交叉建筑物，使农田除涝系统完善配套。

3．3推进抗旱减灾能力建设

建设以机井、水窖、坑塘、沟渠、平原水库等为主的抗旱水源工程．增加抗旱水源：将城市中关闭的自备井统一登记管理．做为抗旱后备水源：建立优先使用地表水、保护涵养地下水的制度．储备极端干旱年抗旱水源在市防汛抗旱储备站和14个主要县(市)区分别建立抗旱物资储备库．储备常用抗旱应急物资。

3．4推进农田灌溉监测系统建设

一是加强井灌区开展农业灌溉监测系统建设二是加强地上水灌区完善调水自动测控系统建设三是继续完善滦下灌区自动化监控系统．启动陡河灌区自动化建设．实现自动传输数据、遥控启闭闸门、室内视频监控、智能磁卡收费。四是建设引滦调水监控系统，实现潘家口、大黑汀、桃林口、邱庄、陡河五大水库水情信息共享。

3．5推进农田水利工程管理体制改革

适应农村土地规模经营的新趋势．深化小型水利工程产权制度改革．明确所有权和使用权．落实管护主体和责任．对公益性小型水利工程管护经费给予补助对受益农户较多的水利工程或不具备经营条件的公益性设施．建立非营利机构提供相应的社会化服务。

4．几点建议

4．1发挥政府的主导作用．构建各部门密切配合的工作机制

各级政府要把农田水利基本建设作为确保农业稳定发展和粮食安全的一项基础性工作来抓．精心组织。周密部署．切实发挥政府的主导作用。实行行政领导负责制和目标管理责任制．明确部门职责．强化有关部门的分工协作、齐抓共管。发展改革部门结合有关部门做好农建项目的申报、立项工作。财政部门努力增加农田水利基本建设资金投入，及时下达、拨付资金，加强资金的使用、管理、监督，确保专款专用。农业部门组织好备耕各项准备工作．指导农村搞好种植结构调整．强化农艺技术推广服务。电力部门加强农村电网改造．搞好农田电力配套。新闻单位加强对农田水利建设工作的宣传．营造大搞农田水利建设的良好氛围。

4．2建立农田水利投资稳定增长机制加大公共财政对农田水利的投入落实节水、抗旱设备的财政补贴政策。

金融机构要按政策积极开展水利建设中长期政策性贷款和农村小型水利工程小额贷款业务．进一步增加农田水利建设的信贷资金规模。要广泛吸引社会资金投资水利。各级政府制定政策。鼓励吸引社会资金参与水利建设。严格执行水利工程耕地占用税政策。

4．3健全完善基层水利管理体系全面落实省基层农业技术推广服务体系改革方案。