王 炜

（太原市水利技术推广服务站,山西 太原 030002）

1 项目概况

阳曲县高效节水灌溉项目—精确农业灌溉节水技术示范推广的项目区位于阳曲县城东北的泥屯镇，距离县城15 km，属大陆性半干旱气候，年平均气温12.5 ℃，年均无霜期205 d，多年平均降水量409.4 mm，年内分配极不均匀，6 月～9月降水量占全年降雨量的60%以上，降水年际变化较大，最大降水量696 mm，相差1.7 倍。项目区地势平坦，土层深厚，水源有保证，适宜农作物生长。目前，项目区主要作物为杂粮、玉米等。项目区涉及泥屯镇的西沟村，农业人口180 人，劳力72 个，耕地面积834亩，人均纯收入4880 元。现有机井1 眼，单井出水量50 m3/h，作物均为大水漫灌，农业机械化作业水平90%左右。项目区交通便利，电力、通讯设施完善。

图1 泥屯镇西沟村精准农业灌溉节水技术示范推广项目示意图

为了达到选择最有代表性和示范性的要求，根据项目区已有相当的节水灌溉经验和当地群众积极较高的实际，选定泥屯镇西沟村作为该精确农业灌溉节水技术科技推广的项目区，示范推广0.08 万亩，1眼机井灌溉范围。项目水源为深井水，深井配套潜水泵1 台，功率7.5 kW（无启动装置），输水管材质为PE管，管径Φ50 mm。高位蓄水池净高度为3.5 m，容量200 m3，设有1条出水管，管径为Φ40 mm。管理站一处，管理站距离水源150 m，水源距高位池50 m。泥屯镇西沟村精准农业灌溉节水技术示范推广项目主要规划远程机井收费、农田种植环境测报和集中信息共享平台展示，通过计算机、传感器、无线通讯等技术实现农田灌溉的精确化处理，再通过展示中心向农户发布相关信息。

2 精准自动化灌溉系统设计

2.1 系统原理

精准自动化灌溉系统工程建设主要包括采集系统与室内分析处理系统软硬件的集成与开发。将综合利用传感器技术、无线传感网、网络通讯技术，通过研发相关硬件，并在试验区中布设和安装相关硬件，然后通过软件集成的方式进行远程控制，最终实现连续、自动、智能的信息获取。信息采集完成后，通过软件集成相关专家智慧与模型，实现信息的加工分析，并进行决策与信息服务，典型供水监控系统示意图见图2。精准自动化灌溉系统主要功能包括根据预先设定的蓄水池高低水位限制实现水泵的自动启停，电动阀门的自动开关，从而实现向蓄水池的自动补水；全部数据的传输均通过无线传输，不需要布设通信线缆，施工简便；根据灌溉实际需要增设压力传感器、流量传感器、电量传感器、远传水表等模块，更好地检测灌溉供水工程实际运行状态；触摸显示屏能实现工程运行状态及各项监测数据的实时显示，也可通过触摸屏实现水泵的启停、阀门的开关；每天按规定时间向管理员发送蓄水池水位数据及水泵启停信息。

图2 典型供水监控系统示意图

2.2 精准自动化灌溉系统设计

阳曲县泥屯镇西沟村农业灌溉节水技术示范推广工程精准自动化灌溉系统包括智能供水感知系统、传输网络系统、云支撑平台、水利一张图系统、统一运行云管理平台及数据交换平台，其中智能供水感知系统是自动化灌溉系统的核心[1]，故对智能供水感知系统进行以下方面设计。

2.2.1 泵站监控系统设计

泵站监控系统设计见图3，主要由泵站现地控制单元LCU和一些外围监测设备、执行器等组成。LCU是一款用于自动供水、灌溉工程的智能控制设备，面板配有彩色触摸液晶屏，具有操作方便、参数组态、通用性高等特点。配合上一些外围设备，能够监测水位、流量、水质、水压、电压、电流及电量等数据，连接现场水泵启动柜、电动阀门等控制设备，可以根据传感器测量数据来控制它们，也可以由泵站管理人员通过面板进行现场手动控制。LCU可实时现场采集各类数据，如水泵电机的电压、电流、过载，管道的压力、流量以及相应的电动阀的状态等，通过LED触摸屏显示，并可通过触摸屏直接控制水泵启停或阀门的开关。

图3 典型供水监控系统示意图

2.2.2 蓄水池监控系统设计

蓄水池监控系统的结构设计见图4，主要由蓄水池监控终端和外围设备组成。外围设备包括执行器（如电动阀门）和各类型传感器（如液位变送器、压力变送器以及流量计或远传水表等等）。蓄水池监控终端可实时采集蓄水池的水位值，配水管道的流量、压力以及电动阀的状态等，并通过无线通讯方式将数据上传至泵站监控终端，泵站监控终端再通过光纤上传至监控中心，通过监控管理系统软件的分析处理下发正确的控制指令，蓄水池监控终端控制执行器执行相应动作，以达到自动监控的目的。

图4 蓄水池监控系统

2.2.3 视频监控系统设计

视频监控系统主要包括前端监控设备、传输网络和中心设备。前端监控设备包括高清摄像机，供电系统以及一些辅助零部件；传输网络可采用上图无线网桥方式，也可采用有线网络，如光纤、双绞线等，根据现场环境及用户需求定夺。中心配置交换机、监控主机、解码器、硬盘录像机、矩阵键盘以及显示设备。用户可以通过监控主机控制现场摄像机进行无死角监控，查看水源地、泵站、蓄水池及农田灌区的现场情况，掌握水位信息和外部人员非法进入等情况。

2.3 系统功能与性能

供水、灌溉工程自动监控系统建成后能够全自动运行，实时监测水源地现场、水源水质、水泵电机的状态、供水管网流量压力以及蓄水池的水位等数据，根据实际需要控制水泵及电动阀的启闭，实现自动上水，能极大地减轻水利工作者的劳动强度，节省人力物力财力。

表1 精准自动化灌溉系统功能

3 精准自动化灌溉系统的应用及实施效果

3.1 精准自动化灌溉系统的应用

2018年，泥屯镇西沟村精准自动化农业灌溉节水技术示范推广项目建成运行后，管理人员在控制室里便可完成对3G-DTU传上来的田间水泵、流量计、电磁阀、灌水流量、水位、土壤含水量等数据的检测及近期气象资料的实时共享，利用专家会议讨论并制定相关灌溉方案，人工调用不同的控制模块，实现优化节水灌溉。对每个田间小区进行灌溉控制、调度、计量、计费，同时还可以利用数据查询系统和打印系统，随时记录、查询、打印。对于零散的单用户、单片区域的灌溉请求，可在控制室手动起动相应的泵站进行计量、收费控制。在这个过程中，可随时参考现场自动气象环境站、泵站管网测控系统发回的各种数据，做到较合理的用水灌溉。

3.2 项目实施后的效果

项目建设完成后，系统可根据项目区不同土质、不同种植作物类型、作物的不同生育阶段等要素对作物需水量的要求，分析出最合理的灌溉用水量，找到节水与增产的最佳灌溉水量，避免盲目灌溉而造成不必要的浪费，按需配水，节约农业用水。

机井远程计量系统采用先进的计量原理，使设备不必与被测介质直接接触，系统实时采集水泵的电流、电压等参数，根据水泵的功率因素等可准确的计量出水泵的出水量，水资源用量的计量精度可达到2.5 级[2]。

机井远程计量系统采用的是IC卡预收水电费用，刷卡取水，无费再充值的管理模式，改进农业用水用电收费管理方式，很好地解决了水费拖欠、征收困难、水霸以及收费不合理等农村常见的灌溉存在问题，使群众的农田灌溉实现水量明白、账目清楚、收费合理、管理方便。用水计量收费系统的安装，减轻了工作人员的劳动强度；全智能系统监测，农业节水、节肥、节省了成本；科学种植指导，提高了农作物产量、提升了农产品品质、价格，农民增收。通过项目的实施，亩均节水40 m3，年可节水3.34万m3。每方水成本按0.3 元计算，则年节约资金1万元。亩均增产50 kg，项目区新增农业总产值12.51万元，农民纯收入总额增加5.63万元，年人均纯收入增加313 元。

4 结论

本项目精准自动化灌溉系统的设计与实施为国内其他灌区灌溉自动控制技术的推广应用提供了经验借鉴，自动化灌溉工程系统建成后将会迅速提高工程管理的信息化应用程度，有效解决工程运行中普遍存在的管理效益低、难度大，管理人员素质低和安全隐患多等难题，最终实现以信息化带动现代化，提高地区供水、灌溉的现代化水平。项目区水资源得到充分利用，农业生产结构得到调整，提升了农业生产能力，优化了农作物品质，促进粮食稳定发展，同时，该项目的实施，为新农村建设现代农业、精准农业节水灌溉起到了典型示范的作用，有助于普及精准农业节水灌溉技术。精准农业灌溉是得民心的系统工程，在建设社会主义新农村和节水型社会政策的扶持下，具有广阔的市场前景和推广意义。