周大鵬

黑山縣“節(jié)水增糧行動”信息化工程示范建設(shè)與應(yīng)用

周大鵬

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院 遼寧沈陽 110003）

本文結(jié)合東北四省區(qū)“節(jié)水增糧行動”信息化試點工程建設(shè)要求，從機井水量測控、地下水位監(jiān)測、田間墑情監(jiān)測、田間氣象觀測、作物長勢監(jiān)視、灌溉自動控制等系統(tǒng)進行功能設(shè)計，采用無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，運用綜合管理信息系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)中心對測站的管理，為農(nóng)田水利管理和水資源的監(jiān)管提供可靠的技術(shù)保障。

水量測控 水位監(jiān)測 墑情監(jiān)測 信息化建設(shè)

1 項目背景

東北四省區(qū)水資源分布不均勻，且春旱嚴(yán)重，持續(xù)時間長，伏秋旱時有發(fā)生，為了加快農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，增強區(qū)域農(nóng)業(yè)抵御自然災(zāi)害能力，提高灌溉水的利用效率、充分發(fā)揮糧食的生產(chǎn)潛力，保障糧食安全，國家啟動了東北四省“節(jié)水增糧行動”，旨在通過中央和地方形成合力，集中連片大規(guī)模推廣應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)，提高糧食的綜合生產(chǎn)能力和水資源利用效率，實現(xiàn)節(jié)水增糧增效的目的，選擇遼寧省黑山縣作為節(jié)水灌溉信息化建設(shè)的試點，實施工程管理的精細(xì)化和規(guī)范化，提高水資源的監(jiān)控能力，2012-2015年全縣發(fā)展節(jié)水灌溉面積21.68萬畝，新建機電井1206眼，改造機電井448眼，節(jié)水增糧行動受益人口將達(dá)到7.78萬人。

2 建設(shè)目標(biāo)

緊密結(jié)合黑山縣節(jié)水增糧行動信息化建設(shè)試點的特點，充分利用網(wǎng)絡(luò)通訊和空間信息技術(shù)，重點建設(shè)灌溉用水與地下水位自動監(jiān)測工程，實現(xiàn)工程取水量和水資源承載能力的信息化管理，提高工程運行管理水平，并結(jié)合土壤墑情、氣象等信息的自動監(jiān)測，科學(xué)指導(dǎo)灌溉，引領(lǐng)灌溉現(xiàn)代化方向。

3 總體結(jié)構(gòu)20

根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓芾硭胶徒ㄔO(shè)需求，按照東北四省區(qū)節(jié)水增糧行動的總體安排，選擇19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的42個片區(qū)作為信息化工程的項目區(qū)，共建設(shè)水量監(jiān)測站1654處、地下水監(jiān)測站46處、墑情監(jiān)測站7處、便攜式自動氣象站1處、長勢監(jiān)視站5處以及灌溉監(jiān)控站1處，并確定繞陽河鎮(zhèn)為本次信息化建設(shè)的核心示范區(qū)，核心示范區(qū)主要開展全覆蓋、密度大的信息化監(jiān)測站點，為信息化建設(shè)的全面推廣開展示范性作用。

黑山縣項目區(qū)針對本區(qū)域內(nèi)的信息化系統(tǒng)建設(shè)，由縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級三層組織體系見圖1，統(tǒng)一按照上級接口要求，數(shù)據(jù)類型、格式與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)相一致。由于系統(tǒng)涉及的機井?dāng)?shù)量多，較為分散，監(jiān)測項目數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸至縣級管理中心，軟件結(jié)構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，通過互聯(lián)網(wǎng)形成管理網(wǎng)絡(luò)體系。

4 建設(shè)項目

結(jié)合黑山縣水情、雨情、農(nóng)作物生長等實際情況，按照工程運行監(jiān)控、水資源配置、行政事務(wù)管理、公眾服務(wù)、防汛抗旱等方面的總體要求，黑山縣節(jié)水增糧行動信息化建設(shè)內(nèi)容包括信息采集與測控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、管理中心及管理站建設(shè)、數(shù)據(jù)庫建設(shè)與應(yīng)用軟件系統(tǒng)四個部分。

4.1信息采集與測控系統(tǒng)

信息采集與測控系統(tǒng)包括機井水量測控、地下水位監(jiān)測、田間墑情監(jiān)測、田間氣象觀測、作物長勢監(jiān)視和灌溉自動控制六個子系統(tǒng)。

（1）機井水量測控子系統(tǒng)

機井水量測控系統(tǒng)主要在農(nóng)業(yè)灌溉機井取水口安裝計量設(shè)施，實現(xiàn)機井灌溉用水總量的監(jiān)控，為田間地塊實施精量化灌溉管理提供技術(shù)支持。在農(nóng)業(yè)灌溉機井首部出水管道上安裝管道流量計，通過IC卡智能控制器采集每日機井灌溉出水量，控制器采集的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳輸至縣級管理中心，設(shè)備供電采用蓄電池供電、太陽能板浮充的運行方式。機井水量測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

（2）地下水位監(jiān)測子系統(tǒng)

地下水是項目區(qū)的主要灌溉水源，嚴(yán)防地下水超采是水行政主管部門的責(zé)任，適當(dāng)布設(shè)地下水位監(jiān)測點，實時掌握地下水動靜水位變化，提高地下水資源監(jiān)管的數(shù)字化和信息化水平。水位傳感器采用投入式水位計，IC卡智能控制器負(fù)責(zé)對投入式水位計進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級管理中心。

（3）田間墑情監(jiān)測子系統(tǒng)

對田間不同深度土層進行含水率的測量，布設(shè)剖面采用三點法進行測量，將土壤水分傳感器、溫度傳感器埋入相應(yīng)的剖面的土層中，實時掌握土壤水分和溫度的情況，墑情采集單元負(fù)責(zé)采集傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，經(jīng)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級管理中心。

（4）田間氣象觀測子系統(tǒng)

氣象RTU終端采集溫度、濕度、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、大氣壓力、蒸發(fā)量等氣象要素傳感器的數(shù)據(jù)，田間自動氣象站各要素設(shè)備按照規(guī)范要求進行設(shè)備的安裝，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級管理中心。自動氣象站工作原理圖見圖3。

（5）作物長勢監(jiān)視子系統(tǒng)

在田間灌溉機井房附近安裝視頻監(jiān)控攝像頭，對作物生長期的全階段進行遠(yuǎn)程圖像監(jiān)視，可直觀的看到作物的長勢情況。視頻攝像機采用全方位云臺控制，通過網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器將采集視頻圖像通過網(wǎng)絡(luò)運行商基站將圖像信息傳輸至黑山縣管理中心監(jiān)控機房，可實現(xiàn)攝像機的遠(yuǎn)程控制，供電電源直接取至灌溉機井內(nèi)的供電線路。

（6）灌溉自動控制子系統(tǒng)

在原有灌溉設(shè)施的基礎(chǔ)上，選擇有條件的用戶單位開展灌溉自動化和智能化試點，配備電磁閥和智能控制器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和自動輪灌等功能，提高灌溉用水效率，提高工程運行管理水平。

控制系統(tǒng)由電磁閥、閥控器、狀態(tài)反饋開關(guān)、主控制器和用戶操作終端等設(shè)備組成。其中，電磁閥安裝于每條支管出水口處，閥控器安裝于電磁閥附近，供電采用直流電源，閥控器與電磁閥通過信號線聯(lián)接，將數(shù)據(jù)匯集于主控制器和用戶操作終端，并通過GPRS模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)傳輸至黑山縣管理中心。

圖2 機井水量測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 自動氣象站工作原理圖

4.2通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

黑山縣節(jié)水增糧行動信息化建設(shè)各片區(qū)測站分布廣泛而零散，需要傳輸水量、水位、土壤含水量、土壤溫度、雨量、氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、視頻等數(shù)據(jù)和圖像信息，組網(wǎng)范圍涉及各片區(qū)測站、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站以及黑山縣管理中心。

考慮到外部環(huán)境、工程規(guī)模、投資概算等諸多因素影響，各測站數(shù)據(jù)傳輸利用網(wǎng)絡(luò)運營商已有的通訊網(wǎng)絡(luò)，測站數(shù)據(jù)傳輸采用CDMA/GPRS通訊方式，利用網(wǎng)絡(luò)運營商的服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸至固定IP的縣級管理中心，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)可通過公網(wǎng)訪問縣級管理中心，獲取相應(yīng)的信息。中心租用固定IP的10M專線，鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站租用2M的寬帶。

4.3管理中心及管理站的建設(shè)

黑山縣節(jié)水增糧行動信息化建設(shè)包括1個縣級管理中心、19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站、42個村級用水管理點。

管理中心承擔(dān)了系統(tǒng)的整體運行、維護與管理工作，實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的集中存儲、匯總處理及與遠(yuǎn)程控制等基本功能，對項目區(qū)灌溉用水量、地下水位動態(tài)變化情況進行適時分析，對可能超過限制水位的機井預(yù)警，對超采機井進行禁采管理。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站負(fù)責(zé)本管理區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測井的用水量、地下水等信息發(fā)布，部分流量、水位等信息人工錄入和相關(guān)設(shè)備維護工作。

村級用水管理點由村級水管員負(fù)責(zé)管理，本轄區(qū)范圍內(nèi)地下水工程機井監(jiān)測、監(jiān)控信息的管理和用水信息通知至各用水戶，且當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時上報鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站，

4.4數(shù)據(jù)庫建設(shè)與應(yīng)用軟件

數(shù)據(jù)庫是信息化工程數(shù)據(jù)存儲與管理的關(guān)鍵，主要包括項目管理數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、工程運行數(shù)據(jù)庫和地理信息數(shù)據(jù)庫四個一級數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用軟件是黑山縣節(jié)水增糧行動綜合管理信息系統(tǒng)的中樞部分，黑山縣綜合管理信息系統(tǒng)主要包括項目信息管理應(yīng)用平臺、水資源管理應(yīng)用平臺、灌溉管理應(yīng)用監(jiān)控平臺和信息服務(wù)與發(fā)布平臺四個軟件系統(tǒng)。黑山縣綜合管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖見圖4。

圖4 黑山縣綜合管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

5 結(jié)語

黑山縣作為“節(jié)水增糧行動”信息化建設(shè)的試點，將為今后水資源優(yōu)化配置和糧食高效增產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保障，系統(tǒng)工程的建設(shè)將實現(xiàn)工程運行管理的高效性、區(qū)域水資源現(xiàn)狀和未來態(tài)勢微觀的可視性、需水規(guī)律灌溉控制管理的智能性，將對農(nóng)村水利信息化建設(shè)具有積極推廣示范作用。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.020

TP3

B

1672-2469（2014）03-0056-04

20作者簡介：周大鵬（1981年—），男，工程師。