云南建水南庄高效节水灌溉信息化系统设计

王翠柏，夏元明，周 驰，刘艾勇

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051； 2.昆明文林博德信息有限公司，昆明 650118)

我国是一个水资源短缺的农业大国，发展节水灌溉是促进水资源高效利用和现代农业发展的重要举措。十八大报告提出“促进工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展”战略，突出了信息化在国民经济发展中的战略地位。

PPP模式(Public Private Partnership)，是指政府、盈利性企业基于某个公共基础设施项目而形成的相互合作关系，由此合作各方可以达到比预期单独行动更有利的结果。2014年11月，国务院要求在公共服务、资源环境、生态保护、基础设施等领域，积极推广PPP模式，规范选择项目合作伙伴，引入社会资本，增强公共产品供给能力。

建水县位于云南省南部，为云南省较干旱的地区之一，土壤保水能力低，蒸发量大，粮食及多种经济作物单产、总产偏低，种植结构单一，严重影响农田水利事业和农业经济的发展。2015年1月，建水县南庄镇片区2 886.67 hm2高效节水灌溉工程被云南省水利厅列为云南省农村水利创新机制建设试点项目，采用PPP模式建设，政府和投资企业承担供水干支管网工程建设，种植户承担田间灌溉工程建设，工程建成后，供水干支管网工程由投资企业经营管理，通过收取水费方式获得投资回报。项目区水源为跃进水库、香林寺水库和龙潭水库，实施范围内自压片区面积2 233.33 hm2，扬水片区面积466.67 hm2，加压片区面积186.67 hm2。由于涉及面积大、泵站系统多、管线距离长、用水户多，若在项目建成后，诸如泵站启停、管道巡检、田间阀门开关以及用水计量收费等，依旧沿用传统的人工手动操作方式，操作繁琐且效率低下，需要耗费大量的人力、物力和财力，将给项目PPP合作公司的运营管理带来诸多不便。因此，建设一套高效节水灌溉信息化管理系统以方便于项目投资企业的运营管理是十分必要的。

1 高效节水灌溉信息化管理系统

高效节水灌溉信息化管理系统是一套利用先进的电子信息技术、数据传感技术、通讯技术、远程控制技术和远程测控网络技术，实现灌区水源自动监测、泵站自动控制、输水管道流量自动监测、田间用户终端自动计量与控制、田间小气候自动监测等功能的信息化管理控制系统，从水源到田间用户终端全过程的自动监测和控制，全面信息集成，提高管理效率，节省人力成本，是项目投资运营企业高效运行的有力保障(见图1)。

图1 建水县南庄高效节水灌溉信息化管理系统示意图

1.1 水源监测

在每个水源地各建1座遥测水位站，实现全天候自动观测水库水位，各建1个视频监测系统，方便实时掌握水源情况。

视频监测系统由网络球机、NVR、监控硬盘以及视频监控与管理平台等组成，可实现24 h不间断及夜间红外100 m视频监控，支持水库本地3个月高清视频保存。借由水库已建好的宽带网络，视频图像可上传至云端服务器，同时支持云端标清视频2星期保存。

1.2 泵站自动控制

对2座扬水泵站、8座加压泵站进行独立的自动控制和管理，提供手工、自动、远程3种设备控制模式，并能通过远程设置的上、下限阀值对取水设备进行现地或远程结合的自动控制，同时还可采集水泵的前后端水池水位、出水口的压力和流量、设备的电量和电压等信息。能自动计算取水成本、取水量，节省人力及管理成本，为取水系统安全、稳定运行提供服务。

(1)扬水泵站。前池设置水位流量遥测站，安装超声波水位计和流量计，监测前池水位和泵站出水管流量，在后池设置水位遥测站，安装超声波水位计，自动测报后池水深，同时云控制中心利用计算机系统和专业应用软件将采集到的数据进行处理、入库和转发，及时向管理人员分发，提供信息服务，为泵站的运行提供决策依据。系统通信均采用GPRS网络。

扬水泵站自动控制设计多重保护：为防止损坏水泵电机，控制柜采用变频柜设计，有效提高电机寿命和使用安全；水泵控制站具备自动功能，可以自动的根据前池水位、后池水位情况判断现场供水情况，自动供水和自动停止；泵站采用恒压供水方式，在设定好压力大小后，泵站智能控制柜可以自动的调节水泵抽水，保持恒定的压力；智能控制柜通过压力监测，前池后池水位监测，可以防止管道堵塞，爆管等意外的发生；在水泵控制柜电路内做安全保护，当前池水位达到预先设定的最低值时自动关闭水泵，并且不再接收远程控制开启信号，当后池水位高于预先设定的警戒水位时，水泵自动停止供水(见图2)。

图2 扬水泵站自动控制示意图

(2)加压泵站。配置1套智能水泵控制器，供水管安装超声波流量计、压力传感器，传感器数据通过智能水泵控制器采集，并经由GPRS网络传输到控制中心。泵站前池安装水位遥测站，实时水位数据通过遥测终端机同时发送至智能水泵控制器和中心站。

设计智能水泵控制器可实时采集管道流量、压力以及泵站前池水位数据，在不经过控制中心站指令的情况下，智能水泵控制器可以自行分析计算，直接控制泵站启停，以避免因信息传输延时导致泵站损坏或管网压力过大爆裂，供水主管与水泵接头附近安装压力传感器，在设定好压力上限值后，水泵在运行过程中会自动的调节电机功率，使水压保持在恒定的压力值上，确保供水压力正常，且保护电机和管网不爆管、水泵不损坏。泵站前池处水位低于控制下限，则水泵停止抽水并向监控中心报警，同时不再接受远程启动水泵指令。当泵站接收到灌区内设备开启灌水指令时，若前池水位及管道压力等均正常，泵站开启抽水加压(见图3)。

图3 加压泵站自动控制系统示意图

1.3 管道流量监测

在每条取水干管上设计安装1套超声波流量计监测干管流量，用于项目用水总量的统计。在每条自压干管灌溉片区的田间管道关键节点，各布置10套流量监测设备；在每条扬压干管灌溉片区的田间管道管件节点，各布置3套流量监测设备。通过管道流量监测，实时掌握管道运行情况，预判管理故障位置，方便运行维护人员及时到达现场进行检修。

1.4 田间用户计量与控制终端

田间系统由用户计量与控制终端、通讯中继站和互联网通讯站构成，系统示意图如图4所示。

图4 用户控制终端系统示意图

田间用户终端是本信息系统的关键，担负着项目区各用水户分户用水计量和各灌片轮灌控制的作用。使用预付费NFC卡(分散农户)或无线互联网远程操控(种植大户)，开启田间浇灌作业。管理企业和用户都可实时、在线了解预付费用情况和用水情况，为项目运行管理和营销管理提供有力的手段，并大幅度节约管理成本。根据灌区实际，配置220套田间计量与控制终端，24套通讯中继站，5套互联网通讯站。

1.5 气象自动观测

在灌区布置1座田间小气候自动观测站和4套墒情监测点，实时监测灌区的土壤含水率、气温、降雨、照度、风速风向等信息。由灌溉管理人员结合作物需水特性分析决定灌溉时间与灌溉量的多少，为用户在新的灌溉模式下提供基础支持，使作物灌溉决策建立在科学的基础之上。

1.6 信息汇集与通信

3个水库水位遥测站分别建设一套GPRS网络通信。泵站信息联络、管道流量监测信息、田间用户终端计量与控制信息、气象自动观测站信息等，都处于项目区内，信息点相对集中，采用ZigBee无线通讯技术实现无线组网后，通过建立的互联网通讯站，GPRS网络通信。

1.7 云控制中心

灌区信息控制中心是本信息化管理的“中枢神经系统”，负责系统中的水源监测、泵站自动控制、管道流量监测、用户控制、自动气象观测站数据的统一接收处理。包括数据库、软件系统、管理操作平台等。

云控制中心的设计，改变了水利信息化自建“中心站”的传统模式。传统“中心站”所需的机房、计算机、信息收集处理与相关设备、系统软件和操作软件、供电系统、“中心站”管理与运维人员等，一应不再配置。转由云计算中心和专业公司提供有偿服务。不仅节省了投资，减少了运行管理费用，还极大地提高了系统运行的可靠性(见图5)。

图5 云控制中心网络结构图

2 结 语

结合建水县南庄高效节水灌溉项目PPP合作公司的运营管理实际需要，设计并实现了高效节水灌溉信息化管理系统。系统实现了让项目PPP实施主体公司运营管理人员使用手机通过高速3G/4G网络或者接入互联网的电脑即可随时随地了解灌溉系统运行情况，即：①水源信息实时掌握。公司运营管理人员可以实时了解掌握水源地水位和现场情况，为合理调配水资源提供依据。②泵站启停智能、自动化。实现泵站无人值守。③管道流量实时监控。进行了项目总水量的监测与统计， 又为运营人员及时快速地了解管道故障提供了便利。④田间灌溉全面控制、精准计量。实现预付费NFC卡现地开启和关闭用水阀门，或无线客户端开启和关闭用水阀门。方便了运营人员对用不户用水的管理。⑤田间气候自动监测。为科学灌溉提供依据。⑥控制中心运行维护服务化。项目PPP实施主体公司实现了省投资、省运维费用，同时提高了系统的安全性和可靠性。

系统的建成，为全面落实国家发展和改革委员会、财政部、水利部、农业部《2014年农业水价综合改革试点方案》要求，为试点区用水量总额管理和水价改革的具体化，实现精准补贴和节水奖励提供全方位的信息支撑。同时，随着农业灌溉数据库的不断完善，最终可实现智慧农业和智能灌溉。

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