陈国兴 王璐

摘  要：大型灌区水文监控跨越地域范围广，监测点数量多，在汛期或灌溉期要求系统通讯可靠，轮询响应时间短。文章通过在灌区干渠、支渠等适当位置配置一定数量的公网4G无线现场测量采集单元，组成了灌区渠系水资源监测系统，并以此为数据基础构成了灌区灌溉优化调度管理系统，对灌区节水灌溉方式进行了科学的优化管理，实现了灌区水资源统一调配，减少了渠道配水过程中的弃水，对提高配水精度和合理利用水资源具有重要生产实用价值。

关键词：节水灌溉;监测系统;优化调度

中图分类号：TV93 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）36-0175-03

Abstract： The hydrological monitoring beyond geographical scope of the large irrigation area is wide， which needs reliable requirement system communications in the flood season or irrigation period and poll for the response time is short. In this paper， a monitoring system of water resources in irrigation area canal system is constituted by allocating a certain number of 4G wireless field measurement and acquisition units in the main canal and branch canal in irrigation area. Based on the data of monitors， the optimal operation management system of irrigation area is constructed. The water-saving irrigation mode is scientifically optimized and the unified allocation of water resources is realized. The abandoned water in the process of water distribution is reduced. It has important practical value for improving the accuracy of water distribution and rational utilization of water resources.

Keywords： water saving irrigation; monitoring system; optimal scheduling

1 概述

大型灌區灌溉用水优化调度的研究与实施，必须依靠灌区底层的水文数据。而灌区范围大，水文监控跨越地域范围广，监测点数量多，在汛期或灌溉期要求系统通讯可靠，轮询响应时间短。但是，由于采集现场具有分布离散、数据量小，环境恶劣，需要无人值守和远传控制，不适合搭建有线通讯网络。重要的是，汛期时有不同级别的报警发生时又需要信息的及时迅速传送。因此，无线网络成为灌区水文参数采集未来发展所不可缺少的部分。

同时大型灌区往往缺少统一的优化调度支持平台，灌区水资源的调配不能按照科学的方式进行合理的调配，造成了灌区水资源利用率不高，水资源分配不合理等现象。本文通过建立科学的灌区灌溉调度算法进而对水资源进行统一管理，大大提高了水资源的利用效率，节约了水资源。

2 灌区渠系水资源监测系统组成与功能

系统通过在引河、总干渠、干渠、支渠等适当位置配置一定数量的现场测量单元，这些现场单元通过有线或无线通讯手段与监测系统中心进行通讯。由此组成整个灌区灌溉优化调度管理水文水资源数据采集系统。

2.1 现场数据采集终端单元

现场测量单元由遥测终端机（RTU）、供电系统、无线电3G/4G通信系统以及水位计、闸位计等组成，现场测量单元中通过太阳能电池板以及蓄电池给系统供电，保证系统的可靠运行，数据采集系统结构如图1所示。现场测量单元实现的主要功能有：（1）自动测量该现场实时水位变化以及当前的闸门开度情况，并通过现场无线电通信单元向系统中心发送实时数据;（2）存储灌区水情、工情数据（包括每天的本地整点上、下游水位，闸门开度等情况）;（3）对有关设备电气参数、闸门运行状态工况、设备事故和故障等信号顺序记录。

2.1.1 分水口的水位、流量采集

灌区明渠动水流量采集是根据渠系模型，通过测量水位，间接测算水的流量。最常用和实效的方法是流速仪面积法，即通过流速仪测定过水断面各个水位级上的流量，标定出水位与流量关系，以测量水位查读流量的方式计算流量。

灌区干渠支渠口流量一般较小，渠道水深小，水位测量精度要求高，适合采用超声波水位计测取水位，其测量精度高、施工安装方便、基本不需维护，输出可采用Modbus通信或者标准的4～20mA的电流信号。

2.1.2 雨量、温度等采集

考虑到小型气象站可监测雨量、温度、湿度等气象参数，将气象站采集的信息量进行处理，并利用无线通信方式直接将信息上传，实现雨情信息的实时自动监测。

2.1.3 土壤墒情采集

土壤墒情即土壤水分含量的情况，是土壤性质的最重要参数之一。土壤墒情的测定，主要通过土壤墒情测定仪进行测定，实时监测土壤墒情。这样在对那些作物进行灌溉的时候，进行酌情的添加或减少灌溉量，这样既可以节约用水，同时满足了作物需水要求。

从图1中可以看出，水资源信息由现场不同类型传感器变换而来，通过现场RTU单元采集，再由该点的4G通信模块与上位中心计算机进行数据传输与汇总。中心端计算机采用点对多点方式与各现场RTU单元进行通讯，从而完成灌区水资源信息的采集。

2.2 电源模块

由于灌区分布范围大，水情监测点分散，全部新建电源系统，敷设输电线路，建设投资过大;采用单纯的蓄电池供电方式，维护工作量大。因此考虑采用太阳能电源为设备提供电力。太阳能供电系统由四部分组成：光伏阵列、控制器、免维护蓄电池、逆变控制器。系统设计需要太阳能供电的系统全部为水情监测站、闸门监测系统。

4G DTU在收发数据时的工作电流大约为200mA，空闲时的工作电流大约为40mA，系统在很少召测的情况下，4G DTU大部分时间处于空闲状态。按电流为100mA，工作电压为5V计算其功率为0.5W。CPU模块的功率约为1.2W，传感器的功率约为0.5W。所以监测终端的总功率约为2.2W，即电池的容量应大于4.4Ah。考虑到持续多天阴雨天气的情况及太阳能系统所用蓄电池在放电深度为50%～80%时，终端系统运行稳定性最好，最后选择的蓄电池容量为24Ah。蓄电池需要被安置在野外无人值守的地方，综合安全、价格、体积和被盗问题等因素最终选择了12V，24Ah的密封铅酸蓄电池。

2.3 监测中心

图2为渠系监测中心与现场RTU通信数据获取流程示意图。监测中心可采用Internet公网连接，采用公网固定IP或者公网动态IP+DNS解析服务进行数据通信。监测系统中心接收基于4G通信模块远程采集的水资源等数据信息，处理后按照一定的格式存入系统数据库，实现监测中心实时显示与系统应用，同时可供电话语音查询或远程授权调用等，为正确指导灌溉优化调度、节水灌溉提供科学的保证。同时，发生异常情况可进行语音报警，提醒操作人员采取措施，防止事故发生。

对于历史数据存储和报表功能，系统采用了一般人员均熟悉的SQL Server数据库系统进行管理。系统的参数记录采用变化记录与定时记录两种方式，所有现场采集到实时数据都自动记入数据库，并可自动形成实时报表与历史报表以供随时查询，为今后进一步灌溉优化调度管理提供依据。

监控中心实现的主要功能如下：（1）图形化显示各种实测数据和历史数据，显示全部水位点的运行状況，显示故障情况等。（2）本地局域网水情数据共享，同时还考虑到将来与上级管理部门及相关调度部门进行有线或无线数据传输的接口，接受上级部门的调度、控制指令，向上级部门发送本站实时运行信息。（3）报表打印，打印日、月、年报表等。（4）故障报警功能，当监控对象发生故障时，本系统能自动报警。发生事故时，本系统能自动停止运行并报警。并根据故障信息，标识出故障类别，使系统具有事故追忆功能。（5）系统自诊断功能、帮助功能。

3 灌区灌溉优化调度管理

灌区灌溉优化调度管理流程为“信息采集→分析加工→指导实践→信息反馈”。优化模型的建立旨在解决干渠各出水口按“定流量、变历时”运行时流量调度。在总干渠最大流量确定情况下，向下一级渠道配水时，下级渠道按“定流量、变历时”方式从干渠引取规定水量，优化配水的结果是干渠在最短的输水时间下的最优轮灌组合。当干渠流量能够满足下一级渠道同时灌溉时的流量需求时，下一级渠道实行续灌。若其流量仅可以满足下一级渠道M（M

灌区灌溉优化调度管理系统主要实现的功能有：（1）灌区基本信息：用数据库存储灌区情况，包括自然概况、土地利用情况、水资源现状、作物组成情况、骨干工程等情况。（2）用水计划：包括用水申请、自动配水、配水计划查看、下达计划等，可根据渠系结构和渠道的过流能力、泵站的提水能力，在短时间内完成渠系配水过程，输出包括渠道名称、起止时间、相应流量及配水记录。（3）用水统计：主要对某次灌溉用水的实际运行过程和实测数据进行统计，为及时调整用水计划提供依据，且便于灌水结束后进行用水总结。在录入有关数据后，系统可自动进行用水统计汇总、支渠口水量统计、灌区日利用率考核、自动生成灌溉周报、季报、年报等统计报表。（4）水费管理：包括应收水费管理和水费征收两部分。（5）灌溉进度：可以用曲线图、柱状图和饼状图展示单个灌区或整个灌区灌溉面积进度图、灌溉水量进度图。（6）数据查询：包括灌区渠道基本情况，自动生成的各种报表、图表等。

4 结论

水资源数据采集与管理系统是一个庞大的复杂的系统。在灌区渠系水资源监测系统及灌溉优化调度管理设计实施过程中，我们考虑到了各个子系统的相互独立性，同时又把它们有机的联系了起来，实现了系统资源共享。我国灌区数量众多，不同地区情况不同，合理的调水、配水优化管理方法对于保持渠道水流的相对稳定、减少渠道配水过程中的弃水，提高配水精度和灌水质量具有重要生产实用价值。而信息获取技术、网络技术以及数据库技术为灌区科学管理提供了有效的保证。

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