灌溉设计

灌溉设计（精选12篇）

灌溉设计 篇1

渠道本文作为灌溉系统的一部分, 其自身也可被称作一个系统, 有不同的部分和不同的作用。可以将其分为四个部分。干渠, 支渠, 斗渠, 农渠。这些部分的共同作用就是云水, 同时将有一些配套设备来促进工作的完成, 这些设备一方面可以保证运水作业的通畅可行, 另一方面有较为强大的灌溉作用, 能够完成水的输送以及支持运输工具运行。在渠道设计时应当考虑到运输和灌溉作用的等级。应当将设备的建设与渠道的运送工作相配合进行, 考虑好渠道的重要作用。

1 渠系规划布置的设计基本原则

渠道规划, 就是几何中的线段规划, 应当考虑好起点和终点。还有中间的灌溉范围。进而规划好区域的布置。使灌溉效果最优化。目前能够用于优化效果的方法可以从下面几点进行讨论。

为了保证范围较大。而投入较少的建筑和工作量, 灌溉注意采用在水平面较高的处, 并选择水域分叉点作为布置地点。能够减少工作量。

考虑到地质环境, 以能够越多的客观条件越好。减少人为的干预。布置时候注意位置和间距, 能够达到越少阻碍, 越多便利的情况最好。

线路应当以最简短方便最好, 避免繁杂冗长, 但是应当绕过危险地点以及渗水地带, 不在地质不稳定的地方施工, 以免扰动环境。引起灾害。

位置的布设应当和当地政策和整体土地规划协调发展, 从整体上完成工作, 注意用水单位的前后次序, 减少污染和冲突。注意保护环境, 综合利用。

2 灌溉渠道设计流量的求解

流量的设计关系到渠道横截面的面积设计。具有因果关系。关系到施工的范围和施工的强度, 并且是有效参数。所以流量的规划是具有现实意义的。根据通常所采用的计算公式, 可以以此为计算模式:

式中:Q-灌溉渠道的设计流量, (m3/s) ;Qj-未计渠道输水损失和田间灌水损失的渠道流量, (m3/s) ;Qs-渠道在输送水过程中损失的渠道流量, (m3/s) ;qj-设计灌水率, [m/ (s·hm2) ];A1-灌溉渠道控制的净灌溉面积, (hm2) 。

渠道的渗水损失计算, 要在渠道建成后, 根据测定其渗漏量, 求其渗水损失。然而, 设计阶段, 经常采用经验公式进行计算。

式中:S-每公里渠道输水损失流量, [L/ (s·km) ];L-灌溉渠道长度, (m) ;A-土壤透水系数;m-土壤透水指数;其他符号意义同前。

在流量规划设计时应当注意特殊情况, 对最大值的设定。一旦遇见洪水灾害和干旱时对于渠道的具有缓冲余地。这个最大值的确定要根据当地的实际情况来确定, 参照相似工程的需求和规范来处理的。具体公式如下:

式中:Qd-灌溉渠道加大流量, (m3/s) ;α-加大系数;其他符号意义同前。

渠道将用水地点和水源连接起来。能够直接导致水以怎样的形式怎样的程度进入灌溉区域。所以渠道的质量应当有保证, 通常来说, 渠道的质量过关代表着能够通过更多的水量, 产生更多的正价值。其值是由各级渠道的渠道水利用系数的乘积求的, 其主要包括渠道水利用系数、渠系水利用系数等。所以, 渠道的通行质量应当注意保证, 这能够带来后期工作的稳定和长期发展。

3 渠道断面的确定

灌溉渠道断面设计分为横断面设计和纵断面设计, 以灌溉渠道的设计流量为基础进行设计, 其目的是:保证渠道有控制全灌区的水位, 保证有足够的过水能力, 保证有满足稳定条件的渠道断面结构。渠道的横断面设计通常按照渠道设计流量, 采用明渠均匀流计算公式对渠道进行水力计算, 从而确定渠道的断面尺寸。其计算公式为:

式中:Q-灌溉渠道设计流量, (m3/s) ;A2-灌溉渠道过水断面面积, (m2) ;C-谢才系数;R-水力半径, (m) ;i-渠道底坡;n-渠床糙率。

在利用式子 (1-6) 和式子 (1-7) 进行水力计算前, 必须先对公式中的渠道底坡、渠床糙率、渠道断面宽深比等有关参数进行拟定, 因为选择合理的计算参数, 不但可以使渠道设计合理, 行水安全, 施工便宜, 管理方便, 而且减少工程量, 降低造价等。故在计算前, 必须根据设计规范、工程实践及工作经验来拟定合理的计算参数。

渠道纵断面的设计主要是水位的衔接问题, 在设计时, 必须根据地质地形条件的不同, 渠道断面的不断变化, 及渠道建筑物、分水口等处的实际情况, 要合理设计和处理, 保证水位的衔接和水流的平顺。

4 渠系建筑物的合理布置

为了更好的控制水位及流量、合理分配水量, 灌溉渠道上布置很多渠系建筑物, 这些建筑物的数量、种类很多, 故在设计中, 必须合理的布置这些渠系建筑物, 以便优化渠线布置, 充分发挥其作用。因此, 渠系建筑物在布置和选型上应以全面规划、合理布局为基础, 考虑以下几个方面。

渠系布置时应能满足输水、分水、排水、泄水等要求, 保证运行安全, 便于管理和维修, 同时保障灌区交通运输畅通, 满足灌区群众的生活和生产需求。

利用建筑物带来的优势, 能够更好的完成输送水源, 保证渠道间距离的人物, 能够更加平稳有效的完成工作。

设置上尽量紧凑, 方便检查和管理, 也能够减少多余的设施数量, 避免复杂, 从技术上和施工上都有一定的节约性。

建筑物的设置应当参考各方面人文地理的因素, 选择适当的形状和距离, 并且在材质上应当符合抗洪防震等标准, 建筑物的外观上讲求方便整齐。以相互配合度越高越好。

5 结论

本文强调了渠道作为灌溉工程中不可缺少的一部分, 应当从诸多角度给予改善和修正, 并找到计算方法, 得到设计应当遵循的方式方法。在投入建设施工之前应当充分注意周围环境是否合理, 根据实际情况进行数据参数的绑定。按照具体数值来完成工作的建设。应用计算公式完成数字确定, 应当将合理的数字与确切的测量数据相结合起来。对于人员上要求细心和掌握计算方法, 头脑清晰, 能够将多种因素综合起来判断应用。

参考文献

[1]中华人民共和国水利部, 灌溉与排水工程设计规范, GB50288-99.

[2]周志远.农田水利学[M].北京:中国水利水电出版社, 1993, 6.

[3]华东水利学院, 水工设计手册-灌区建筑物, 北京:水利电力出版社, 1984, 11.

[4]吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社, 2003, 11.

灌溉设计 篇2

(1)管网布置优化:管网水力计算是建立在管网布置确定的基础上。

管网布置是否合理，最直接的影响就是管线长度，管线越长，造价越大。其次管网布置还需要综合考虑地形、施工的难易、管路运行可靠性等因素，而这些因素有时需要借助设计者的经验。国内外的学者对管网布置进行了深入研究。董文楚(1984)以造价最小为原则优化了树状输配水管网的布置，首先通过距离最短原则布置了给水栓，然后按1200夹角和经济流速对管网布置进行了逐级调整。朱振锁(1991)分析了自压喷灌管网各级管道单位面积造价与管网形状和面积的关系，并提出了优化布置的顺序。林性粹等人(1993)在低压树状管灌系统优化设计中，首先利用正交表进行了管网布置，然后据非线性数学规划法优化了管径，但得出的不是标准管径。魏永曜(1992)应用总长度最短法得出的最小生成树优化了管网布置，并对其进行了修正，之后以管网造价最小为目标优化了管径，提出了适应不同地形的数学规划法。王雪珍(1995)编制了输配水管网布置和绘图的程序。周荣敏等应用改进的遗传算法，以管网造价最小为目标，优化了树状管网的布置。

(2)管径优化:管径优化是建立在管网布置的基础上。

管径优化设计模型包括基于工程经验的非数学规划模型和基于数学技术的数学规划模型两大类。其中线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型都属于数学规划模型，应用较广。若约束条件或目标函数存在线性函数，称为线性规划模型，同理，若存在非线性函数，称为非线性规划模型。动态规划模型是一种求解多阶段决策过程的最优化方法。在管网系统中，管道和各种水力元件的水头损失等都是非线性的，因此，非线性规划模型能够比较真实精确地反应管网系统的实际状态。国内外很多学者建立了大量管网优化设计的非线性规划模型。魏永曜(1983)采用了经济管径而非经济流速来优化管径，首先确定了管段经济水头损失值，然后利用微分求极值确立相应管径，该法简单，但考虑因素较少，而且需对求解管径标准化，破坏了解的最有性。刘子沛(1986)以离散的标准管径作为优化变量，利用动态规划法优化了串联管网，由于该法建立在地形高差大等条件下，实用受限。杨健康(1990)建立的非线性规划模型是以管径为变量，优化目标为允许水头差的分配。陈渠昌、郑耀全等人()以一定的假定为基础，限定了地形和毛管出流量的范围，以支毛管压力差分配比例为变量，建了单位面积管网投资最小的平地田间管网优化设计模型，由于条件多，应用受限。翟国亮、董文楚()等以变径支管组合方式和组合比例系数为变量，年费用最小为优化目标建立了优化模型，计算步骤是首先计算经济组合比例参数，然后对多种组合方式进行了年投资计算，然后选择最优方案，由于计算繁杂，应用受限。张庆华、马庆斌等人()以管径为变量，管道系统年费用最小为优化目标，建立了管径无约束情况下的优化模型及其求解方法，该方法考虑的影响因素较少，很难推广。王新坤、林性粹等人(2001)以田间管网投资最小为目标建立了优化模型，利用枚举法和动态规划法分两级对支管管径进行了求解，首先利用枚举法确定出了支管允许水头差，然后利用动态规划法得出了支管管径，由于田间面积较大时，不宜采用枚举法，实用受限。白丹在管网优化方面作了很多研究，例如利用线性规划法对管长和水泵扬程进行了优化。目前，随着计算机软硬件的高速发展，涌现了一些智能优化算法，诸如人工神经网络、模拟退火算法以及遗传算法等。周荣敏、林性粹等人()对压力树状管网进行了优化设计，首先以管路长度最短为目标，利用单亲遗传算法进行了优化布置，然后利用神经网络技术优化了管径和水泵扬程，该法在大规模的管网设计中具有明显的优越性。

2存在问题及展望

目前，管网优化算法理论方面的研究和革新较少，多数着眼于算法的改进和创新，各种方法都有自身的优缺点及适用性。单纯形法是求解线性规划模型的通用算法。线性规划模型约束条件多，未考虑非线性的费用项，影响了求解问题的规模和精度，这些不足都限制了线性规划模型的推广应用。适用于非线性规划模型的算法较多，如罚函数法、梯度法等，各种算法都有各自的适用性。另外，非线性规划模型的变量一般为连续变量，需要把优化结果调整为标准值，影响了解的最优性。动态规划模型在小型树状管网的优化设计中显示出了优越性，但随着管网形式的复杂化，动态规划模型对硬件的要求越来越高，运行时间也较长，有时无法得到最优解。另外，动态规划模型模型受人为主观因素影响大，没有构造模型的统一方法，因此，动态规划模型应用受限。模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，不易使搜索过程进入理想的搜索区域，寻优效率不高。人工神经网络算法需要具备扎实的计算机知识，算法的实现有硬件和软件两个方面，硬件实现最大的优点是处理速度快，但缺乏通用性和灵活性。软件实现的最主要问题是人工神经网络模型计算量特别大。遗传算法是一种可处理任何形式目标函数的全局寻优算法，寻优原理是模拟自然界的生物进化，即在选择、交叉，变异过程中不断优化，并始终以概率1接近最优解，虽然算法中各种参数的选择会影响寻优结果，但是算法的鲁棒性使得受参数影响较低。另外，Matlab遗传算法工具箱可以提供了大量函数，这些函数的应用简化了遗传算法计算机的`程序编辑，并且已经得到广泛的应用。大量的实例研究表明，应用遗传算法优化管网设计可节约6%-49%的管网费用，一般都能找到15%-25%的节约，且系统越复杂，投资越节省。周荣敏利用单亲遗传算法进行了树状管网的优化布置，在较短时间内获得了一批最优或近最优的最小生成树布置方案。但是对于实际问题而言，由于管网连接方式不同，各管段流量分配、水力分析的结果也不同，下面举一个简单的例子说明，如下图所示:两个简单树状管网节点连接方案图Figure1Twosimplespanningtreesforanetwork1点代表水源，分别向节点2，3，4供水，很明显，左图管线长度大于右图，但左图各节点离水源点近。若地势平坦，各节点高程一样，则最远点水压满足要求，其它都满足。在水源水压一定的条件下，为保证最远节点2点的水压要求，1-3，3-4管段须通过减小流速减少能量损失，这就需要增大1-3，3-4管的管径。管径增大，投资也就增大了。因此管线造价有可能更高。所以管线最短未必投资最少，管网布置和管径同步优化是非常有必要的。

3结语

随着节水灌溉在我国的广泛普及，管网优化越来越受到工程人员的重视，这一方面的的研究将日趋深入和完善。遗传算法在德国16个大领域、250多个小领域中得到广泛引用(1993)，在国内，遗传算法在管网优化中的应用非常有限。随着遗传算法研究和应用的不断深入和发展，可以预见，遗传算法在管网布置和管径同步优化方面能得到应用，从而使管网系统设计整体最优。

参考文献:

[1]许海涛.灌溉管网优化设计研究进展[J].节水灌溉，(6):16-19.

[2]周荣敏，雷延峰.管网最优化理论与技术[M].郑州:黄河水利出版社，2002.

[3]范兴业，马孝义，等.灌溉管网优化设计方法与软件的研究进展[J].中国农村水利水电，(2):19-22.

[4]张华，吴普特，等.灌溉管网优化研究进展[J].节水灌溉，(2):24-27.

[5]周荣敏，林性粹.应用单亲遗传算法进行树状管网优化布置[J].水利学报，2001(6):14-18.

[6]白丹.灌溉管网优化设计[M].西安:陕西科学技术出版社，.

[7]魏永曜.微分法求解树状管网各管段的经济管径[J].喷灌技术，1983.38-41.

[8]刘子沛.用离散管径的动态规划优化树状管网[J].喷灌技术，1986.34-35.

[9]陈渠昌，郑耀泉.微灌田间管网支毛管优化设计探讨[J].灌溉排水，1996(1)，17-21.

[10]张庆华，马庆斌.管道灌溉系统经济管径的计算[J].中国农村水利水电，2000(7)，14-15.

[11]翟国亮.微灌变径支管优化设计方法研究[J].节水灌溉，1997(3)，43-45.

[12]王新坤，林性粹.枚举法与动态规划法结合优化田间管网[J].干旱地区农业研究，2001(2)，61-65.

方塘提水节水灌溉工程管网设计 篇3

【摘 要】 方塘提水节水灌溉工程面积24 hm2，方塘上部尺寸为40m×50m，边坡1：1.5。深度6.0m，底部尺寸为22m×32m。涌水量按半径为15m的大口井近似计算。管网布设干管1条，支管5条。灌溉定额 399m3/hm2，灌水周期为8d。 P340 管材性能， 未超过0.6MPa×1.5，满足设计要求。

【关键词】 方塘提水；节水灌溉 管网设计

Pond water water-saving irrigation pipe network design

Feng Jiu-long1, Chen Chen2, Zhang Geng3

(1.Liaoning province Fuxin Mongolia Autonomous County Nur town water station Fuxin Liaoning 123100；

2.Liaoning province Fuxin Mongolia Autonomous County of Shifushi reservoir managementFuxin Liaoning 123100；

3.Dalian University of Foreign Languages, Liaoning Province Dalian Liaoning 116044) 

【Abstract】 Pond water water-saving irrigation area of 24hm2, and the size of 40m× 50m, slope 1:1.5. The bottom depth of 6.0m, the size of 22m × 32m.Approximate yield by 15m radius by calculation. Pipe network laying pipe 1,branch 5. Irrigation quota and irrigation cycle for 399m3/hm2, 8d. The properties of P340 pipes, not more than 0.6MPa × 1.5, meet the design requirements.

【Key words】 And proposed water;Saving irrigation;Pipe network

项目区位于阜新东南部平原区，方塘提水节水灌溉工程面积为24 hm2，根据灌溉面积和地形条件，布设干管1条，支管5条，灌溉方式为管道灌溉。设计灌水定额399m3/hm2 ，设计灌水周期为8d。

1. 方塘结构 

（1）方塘上部尺寸为40m×50m，深度6.0m，边坡1：1.5，底部尺寸为22m×32m。采用干砌石护坡，厚度0.4m，铺设两层反滤层，上层厚度10cm为砂砾石垫层，下层铺厚度10cm为中粗砂垫层。在坡脚处设高度0.6m，宽度0.8m的石笼护脚。方塘顶部为砖砌围墙，高度1.0m，宽度0.24m。墙底浆砌石基础，深度0.5m，宽度0.5m。方塘有效容积为2313.13m3。

（2）在方塘底部设预制混凝土管集水井1眼，井径为1m，井深2m，采用砼管。在护坡上设混凝土水泵管道镇墩，在距地面1.5m处预留1.2m宽矩形槽，以便安装水泵管道。

2. 方塘涌水量计算

方塘集水能力近似按大口井涌水量进行计算。根据方塘设计结构型式，底部尺寸为22m×32m。，通过分析，可近似半径为15m的大口井。根据抽水试验资料：含水层厚度2.8m5～6.95m。初见水位3.5m，稳定水位为5.2m，渗透系数115.1m/d。影响半径161.3m。

方塘涌水量近似按大口井（潜水、井壁、井底同时进水）非完整井公式计算：

Q=πKs2h0-S 2.31gR r+2r π 2+r m(1+1.185lgR 4m) 

式中： Q——来水量；

K——含水层渗透系数，115.1m/d； 

S——水位降落，1.7m；

h0 —— 静水位至井底的高度 ，2.5m；

R ——影响半径，161.3m；

r——井的半径，15m；

m——井底至含水层底板的高度，3.1m；计算得 Q= 1913.2m3/d = 79.72m3/h。 Q=1913.2m3/d=79.72m3/h。

经计算方塘涌水量79.72 m3/h，大于灌溉设计用水量78.53 m3/h。方塘结构尺寸、涌水量满足设计要求。

3. 管网流量计算

Q干管=Fm/Ttη= 359×26.6/8×16×0.95=78.53m3/h=0.022m3/s

Q支管=Fm/Ttη= 9.5×7×26.6/8×16×0.95=14.55m3/h = 0.004m3/s

Q给水栓=Fm/Ttη = 9.5×26.6/8×4×0.95=8.31m3/h=0.0023m3/s



4. 管网管径选择

按公式选管网管径：D=1.13 Q/V

式中： D——输水管道内径，m；

Q——管道设计流量，m3/s；

V——管道内适宜流速，m/s。

D干管=1.13 0.022/1.5=136.8mm，选择公称外径D=160mm，0.6MPa

D支管=1.13 0.004/1.3=62.73mm，选择公称外径D=75mm，0.6mpa

D给水栓=1.13 0.0023/1.3=47.5mm，选择公称外径D=63mm，0.4mpa



5. 水力计算 

5.1 水头损失。

沿程水头损失Hf=fLQm/db ，局部水头损失按Hf=15%Hf ，给水栓局部水头损失按0.5m。采用P340管，典型管路最末一条支管长320m，干管长340m。

5.1.1 沿程水头损失。

Hf=0.948×105×340×78.531.77/143/143.44.77+0.948×105×320×14.551.77/67.24.77=10.42m

5.1.2 局部水头损失。

Hj=0.42×15%=1.56m

5.1.3 水头损失。

∑Hf=10.42+0.51+1.56=12.48m

5.2 设计总扬程。

Hp=Zd+H+Z+ΔH

Hp——设计总扬程，m；

Zd——水源动水位与首部管路中心线之间的高差，m；

H——管路总水头损失，m；

Z——管路中心线水平面与地面最高处出水口之间的高差，m；

ΔH——0.3m(出水口富余水头取0.3m)。

Zd=5.5m

H=12.48m

Z=-1.2m

ΔH=0.3m

Hp=5.5+12.48+0.3-1.2=17.08

endprint

5.3 水锤压力验算。

典型管路选取最末一条支管，验算水锤压力

水锤波传播速度

C=1435/ (1+ad)/δ

C——水击波速度；m/s；

a=R/E ——水的弹性系数与管壁材料的弹性系数。

a=0.53

d ——管道内径，cm；

δ——管壁厚度，cm；

C=1453/ (1+0.53×14.34)/0.83=450.26m/s

水锤压力计算：事故发生在停机的瞬间，需验算直接水锤压力。

计算如下：

V0=Q/W=0.022/πR2=0.022/3.14×0.0717×0.0717=1.36m/s

Ha=CV0/g=450.26×1.36/9.8=62.49m

H总压力=Hp=Zd+H+Z=62.49+5.5+12.48=80.47m

5.4 压力复核。

选择管材压力等级0.6MPa，根据P340 管材材料性能， H总压力未超过0.6MPa×1.5，满足设计要求。

6. 结语

6.1 方塘结构。

方塘上部尺寸为40m×50m，深度6.0m，边坡1：1.5，底部尺寸为22m×32m。方塘有效容积为2313.13m3。

6.2 方塘涌水量。

方塘涌水量近似按大口井非完整井公式计算，方塘涌水量79.72 m3/h大于灌溉设计用水量78.53 m3/h，方塘结构尺寸、涌水量满足设计要求。

6.3 管网设计。

设计总扬程17.08m，水锤压力80.47m。采用P340管，选择管材压力等级0.6MPa，

未超过0.6MPa×1.5，满足设计要求。



参考文献

［1］ 张贵轩，张赓.电法勘探找水技术方法研究与实际应用.中华建设科技，2013（10）.

［2］ 岳景阳，张宇，张赓.花生节水灌溉项目水资源供需平衡分析.中华建设科技，2014（4）.



［文章编号］1619-2737（2014）06-28-851

［作者简介］冯玖龙（1964.9-），男，职称：水利助理工程师，工作单位：阜新蒙古族自治县泡子镇水利站，从事水利管理工作。

陈晨（1982.8-），男，职称：水利助理工程师，工作单位：阜新蒙古族自治县佛寺水库管理处，从事水利工程管理工作。

张赓（1991.11-），男，汉族，籍贯：辽宁省北票市人，职称：软件开发实习工程师，工作单位：辽宁省阜新市水利科技推广中心，主要研究JAVA开发，Javascript设计应用，ajax的实践等方向，大连外国语大学软件学院计算机科学与技术（日英强化）专业四年级学生。

无线智能灌溉系统设计 篇4

国内园林、草坪、农田、大棚等的灌溉主要还是以传统的人工灌溉为主,灌溉方法有多种,如滴灌、盘灌、沟灌、喷灌等[1]。传统的灌溉方法存在的缺点主要为:人员活动容易破坏和影响作物的生长;人工灌溉不容易准确控制,容易过量灌溉或者灌溉不充分;很难提取作物生长环境的相关信息;成本比较高。传统灌溉方法不但可能影响作物的生长,而且容易造成水资源的浪费。为了改进传统的灌溉方法,提高水利资源的利用率[2],本文设计了基于ZigBee无线传感器网络和GPRS的智能灌溉系统,系统不但可以准确获取作物生长环境信息,还可以根据所获取的生长信息对作物进行更精确、更合理的灌溉,避免人工灌溉所存在的灌溉过量或者不足。该系统可以降低作物生长过程中所需要投入的人工成本,可以广泛应用于大棚种植、草坪、园林等的灌溉,可以根据灌溉面积自由增减灌溉节点,新增加的节点可以自动搜寻并加入ZigBee网络,系统维护方便。

1 ZigBee基本知识

ZigBee技术是一种集短距离、低复杂度、低数据传输率、低功耗、低成本等特点于一身的双向无线通信技术,是基于IEEE802.15.4无线通信标准研制开发出来的有关组网、安全和应用方面的无线通信技术。它具有3个通信频段,分别是868MHz,915MNz和2.4GHz。868MHz频段的主要使用范围是在欧洲,915MNz频段主要是在澳大利亚和美国等北美国家使用,而2.4GHz频段是可以在全球免费使用的。在本系统中,所用的频段是2.4GHz,其通信速率可以达到250kbit/s。在IEEE802.15.4中定义有两种器件,它们分别是全功能器件和简化功能器件,符号分别是FFD和RFD。在无线传感器网络中,FFD可以用来作为无线传感器网络的协调器或者网络路由器,而RFD只能作为无线传感器网络的终端节点,它不具有路由器和协调器的功能[3,4]。

2 灌溉系统的整体结构

基于ZigBee协议的无线传感器网络的组网方式主要可以分为星形网络、树状网络和网状网络。在本系统的设计中,传感器节点的处理器选择TI公司的CC2430无线单片机,为了适合不同面积的灌溉区域,使系统可以自由扩展,网络拓扑结构选择树状网络,传感器节点既可以作为终端节点又可以作为路由器。灌溉现场无线传感器网络的控制中心是协调器。协调器对整个无线传感器网络进行组网并为无线传感器网络中的传感器节点分别分配一个唯一的16位网络地址,协调器与其它节点是根据网络地址来进行通信的[5,6]。

基于ZigBee协议的无线传感器均匀分布在需要灌溉的现场,整个无线传感器网络包含多个终端节点和一个负责数据传输和处理的中心处理器—协调器,以及与中心处理器通过基于RS232协议进行通信的GPRS模块。中心处理器和GPRS模块共同组成农田现场灌溉系统的控制中心(下称中心处理器)。在管理员的工作室内,放置1台安装了基于Visual C++开发环境编写的带有数据库的服务器控制软件的计算机,通过该软件可以实时地接收农田中各个节点所在位置的土壤湿度、空气温度、喷水装置的开关状态等信息,并负责作为客户端控制软件和控制现场中心处理器之间进行通信的中转站,对数据进行传输和存储。系统的整体结构图如图1所示。

整个系统的总体设计可以分成两大部分:基于ZigBee协议的近距离无线传感器网络的硬件和软件设计;服务器端和客户端计算机控制软件的开发。

3 硬件设计

3.1 中心处理器硬件设计

中心处理器是整个ZigBee无线传感器网络的控制中心,对于ZigBee网络来说它是网络协调器,对于整个控制系统,它是控制对象的网关。中心处理器的组成部分主要包括CC2430单片机、GPRS模块SIM300、控制键盘、LCD显示屏和电源模块等。CC2430与SIM300之间的通信是基于RS232协议的串口通信,CC2430的P0.2和P0.3分别作为串口通信的RX和TX,在与SIM300的连接时必须交叉连接,也就是接收方的RX与发送方的TX连接。用户可以通过中心处理器的控制键盘直接对ZigBee网络中的节点进行控制,LCD与控制键盘相结合可以查询各个节点的详细信息,包括节点的16位网络地址、温度值、湿度值和灌溉喷头阀门的开关状态。SIM300在系统中起到中间件的作用,它使得整个ZigBee网络在整个互联网中成为一台具有IP地址的“计算机”,可以与远程的服务器进行基于TCP/IP的网络通信。中心处理器的结构图如图2所示。GPRS模块之所以选择SIM300模块,是因为该模块内嵌了TCP/IP协议栈,不需要我们对它进行TCP/IP的代码编写,直接使用标准AT指令就可以对它进行初始化和数据的传输,可以节约开发时间。

3.2 传感器节点硬件设计

无线传感器网络的传感器节点是分布在灌溉现场的硬件设备,主要的部件是湿度传感器、温度传感器、CC2430无线单片机、灌溉用的喷水装置及其控制电路等。这些喷水装置的开关可以通过远程服务器控制软件、客户端控制软件或者在管理现场通过中心处理器的键盘进行控制。传感器节点的主要功能是实时地对温湿度进行采集和处理,再把处理后的土壤湿度值、空气温度值及灌溉喷头阀门的状态通过无线射频的方式发送给本地的中心处理器;另一方面,控制单元也接受本地的中心处理器所发送过来的控制指令,对指令进行判断并处理灌溉喷头。无线传感器终端节点的结构图如图3所示。P0.0及P0.1是作为A/D的采集端口,P1.3控制电磁阀控制电路的继电器实现对灌溉喷头的开与关操作。

4 软件设计

对于该系统,软件设计部分可以分成两大块,分别是无线传感器网络协调器与传感器节点的基于ZigBee协议的程序设计;基于Visual C++开发环境的可视化编程,也就是服务器控制软件和客户端控制软件的设计编写。

4.1 中心处理器程序设计

无线传感器网络的协议栈使用的是TI公司的Z-Stack,本系统运用Z-Stack里面的例程SimpleApp来进行开发,使用现有的例程来开发程序可以节约很多时间和人力成本。其中,终端节点使用SimpleSensor文件编写,而协调器使用SimpleCollector文件编写。要做的工作主要是在应用层里面根据所设计的硬件要求对SimpleSensor.c,SimpleCollector.c,sapi.c,sapi.h和SimpleApp.h进行相关程序的编写。由于在同一个协议栈中,sapi.c,sapi.h和SimpleApp.h这3个文件是由协调器和传感器节点共用的,所以要对协调器和终端节点的应用程序区分清楚,在只有协调器用到的地方、或只有终端节点用到的地方,要使用条件编译指令对协议栈进行编程。例如,在本工程程序中,协调器会用到串口通信,那么可以在sapi.c文件中的初始化函数void SAPI_Init( byte task_id )中加一段条件编译程序:

#ifdef XIETIAOQI

uartConfig.configured

= TRUE;

uartConfig.baudRate

= HAL_UART_BR_115200;

uartConfig.flowControl

= HAL_UART_FLOW_OFF;

uartConfig.flowControlThreshold

= SERIAL_PORT_THRESH;

uartConfig.rx.maxBufSize

= SERIAL_PORT_RX_MAX;

uartConfig.tx.maxBufSize

= SERIAL_PORT_TX_MAX;

uartConfig.idleTimeout

= SERIAL_PORT_IDLE;

uartConfig.intEnable

= TRUE;

uartConfig.callBackFunc

= rxCB;

HalUARTOpen( HAL_UART_PORT_0,&uartConfig );

#endif

这样,就只有协调器可以使用串口通信,而终端节点是用不到的。使用条件编译可以避免协调器和传感器节点程序在编译的时候产生编译错误或运行的过程中产生预想不到的后果。其它串口相关的常量定义也用条件编译指令在sapi.h中进行编写。由于串口只有协调器会使用到,所以串口通信的回调函数rxCB( )可以放在SimpleCollector.c文件中定义。在SimpleCollector.c文件中,各个函数或者变量的定义就不再需要用条件编译指令来区分了。

在控制现场,协调器是整个控制现场的控制核心,如果协调器不能正常工作的话,那么整个系统将没法工作,所以协调器的程序设计要考虑到的因素比较多,也要全面,既要顾及到控制现场的终端节点的控制,也要顾及到数据的处理等等。协调器的程序执行流程图如图4所示。

受移动网络影响,GPRS的网络通信存在延时,GPRS发送数据给远程的服务器时,有可能多次发送的数据在服务器端是集中在同一时间接收;从服务器发送过来的数据也可能集中在同一时间被GPRS所接受。为了解决这个问题,使数据准确被接收,减少数据的误处理和对ZigBee网络节点的误控制,必须对收发的数据定义相应的数据格式。协调器打包后的数据格式如图5所示,帧头和帧尾都是3个相同的字节0xaa。远程服务器发送给ZigBee网络的控制指令的数据帧格式如图6所示。帧头和帧尾都是0xff,控制指令包含2个字节的节点网络地址和1个字节的实际控制指令,0x00和0x01分别表示关闭和打开对于节点的灌溉喷头。

图5 发送给服务器的数据帧

Fig.5 The data frame sent to the server

图6 发送给ZigBee网络的控制指令

Fig.6 The control command sent to the ZigBee network

4.2 传感器节点的程序设计

传感器节点是整个系统的“神经末梢”,它实时地采集土壤湿度、空气温度和电磁阀开关状态,并每隔30s时间把采集的数据通过无线的方式传输给中心处理器。传感器随时等待接收中心处理器发送过来的控制指令,接收到控制指令时就按照要求控制灌溉装置的电磁阀。传感器程序 运行的流程图如图7所示。

4.3 服务器控制软件设计

服务器控制软件和客户端控制软件是基于Visual C++ 6.0开发环境所设计开发的。服务器的主要功能是把控制现场发送过来的数据帧进行解析,然后存进数据库并显示在软件的控制界面,服务器控制软件可以根据时间、节点序号或节点地址等信息查询相关节点的历史数据和当前数据,方便管理人员分析。如果有客户端控制软件连接在服务器上,那么服务器还要把所接受的数据帧发送给客户端计算机。在编写服务器控制软件的时候,定义了一个链表指针用于存放GPRS的套接字和其他客户端计算机的套接字,链表如图8所示。

在链表中,定义GPRS的套接字存放在第一个位置,其他的位置存放客户端控制软件的套接字。系统正常运行的时候,服务器控制软件接收到第1个套接字发送过来的数据后,按照前面的过程处理后把数据帧发送给除了GPRS之外的其他客户端;当服务器接收到链表第2个或者第2个指针之后的客户端所发送过来的控制指令时,服务器控制软件直接把该控制指令转发给链表中第1个客户端,也就是发送给控制现场的GPRS,GPRS通过RS232传输给ZigBee网络协调器,由协调器对该指令进行相应的操作。服务器控制软件的流程图如图9所示。

整个控制软件系统是以服务器控制软件为中心,控制现场和客户端控制软件之间的通信要经过服务器中转,所以控制软件系统中,服务器控制软件起到核心的作用,设计开发的时候要考虑到的方面很多,各种性能指标的要求也比较高。

5 结束语

在当前全球水资源越来越紧张,节约水资源不断被提倡的时代,这样的灌溉系统将会为节约水资源、节约人力成本和精确监控作物的生长环境等起到很大的作用。农业生产实现无人化、智能化将是农业发展的一个趋势。将来的农业生产将会是一个个集智能化、机械化、网络化于一身的复杂、高效及节约资源的农业生产控制系统。这样的控制系统对灌溉管理人员的素质要求也会越来越高。

参考文献

[1]任振江.园林树木的灌溉方法及灌溉水源[J].河北林业科技,2010(1):49-50.

[2]冯友兵,张荣标,沈敏.面向精确灌溉的无线传感器网络构建[J].农业机械学报,2009(1):56-59.

[3]金纯,罗祖秋,罗凤,等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008:2-4.

[4]高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程—基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:48-49.

[5]ZigBee Alliance.ZigBee Specification-2006[S].

浅谈节水灌溉工程设计论文 篇5

1现有灌溉供水水源

1.1地表水水源

根据项目区现场调查，地块南侧紧邻东风干渠，地块目前采用该渠水灌溉，地块内相应有土渠和土沟。

1.2井水水源

项目区南侧道路和渠道已有10眼机井，机井均为2010年新建，与项目区距离约为10m。

2灌区土地分类、农业生产结构和作物组成

灌区土地包括熟地和生地2部分。熟地部分地块面积为172.67hm2，中东部生地部分面积为26.87hm2，共计为199.54hm2。目前，生地正在进行土地整理，没有修建条田，暂不进行设计。因此，本阶段仅对地块面积199.54hm2(净灌溉面积156.93hm2)的熟地进行设计。

2.1农业生产结构

199.54hm2其中第1大条田面积为35.51hm2，第2大条田面积为68.40hm2，第3大条田面积为53.02hm2。3大条田均为间种，果树品种为西梅，间种的作物主要为棉花、小麦和甜瓜，每年轮换。

2.2作物组成

按照2012年计划种植的作物进行设计，果树的品种为西梅，间种作物第1、2大条田为棉花，第3大条田为小麦。

3灌区水利土壤改良

土壤为砂壤土。大部分面积的土壤轻度盐碱，但仍有部分区域中度盐碱。项目区南侧紧邻东风干渠，在东风干渠南侧，2007年建设浅水机井一批，间距在300m左右，根据观测数据，该批机井很好地发挥了竖井排灌的作用，故项目区南侧盐碱化程度较低，不需再进行洗盐排碱。1、2号条田已自2009年起开始洗盐排碱工作，目前改良效果较好，只需再进一步加强灌溉管理即可。此外，每年5-8月，利用分洪水漫灌压碱。

4节水灌溉技术比选

4.1节水灌溉方式的选择

各种灌溉方式都有它的优缺点和适应条件，根据项目区的种植作物来分析，适合间种果树和小麦/棉花的节水灌溉技术主要有滴灌和低压管灌。滴灌是一种局部灌溉方法，仅湿润根区附近的土壤，而其他部分地表保持干燥，因而显著减少了水蒸发损失，同时又减少了杂草生长的几率，从而为作物根系活动层的土壤创造了良好的水、热、气、养分状况。另外，肥料、药剂还可通过灌溉水一起施到根系土壤中，提高肥、药的利用率，为稳定增产打下基础。滴灌灌水均匀度高，一般可达80.0%～90.0%，不产生地表径流和深层渗漏，因而对土壤的要求不高。滴灌只要用压力管道将水输送到作物根部附近即可灌溉，对地形条件的适应性较强。低压管道输水是以管道代替明渠，采用较低的工作压力将灌溉水输送到田间的一种工程形式。其特点是输水时压力低，出水口流量较大，不易发生堵塞，具有输水效率高、节能、节省渠道占地、省工、成本低等优点，适合在井灌区推广应用，是一种便于群众掌握和管理的灌溉技术。在第1阶段的征求意见稿中对全滴灌方案和管灌配合滴灌2种方案进行了比选，项目区的农民强烈建议用低压管灌，田间采用沟灌，因此通过召开第三次农民会议，参建各方决定灌溉方式采用低压管灌。

4.2管道系统的工作制度

管道系统的工作制度有续灌方式、轮灌方式和随机取水方式3种。

1)续灌方式：续灌的方式是上一级管道同时向下一级管道配水，在干管这一级进行续灌，干管连续工作，管道过水时间就等于灌水时间。续灌的特点是下一级管道的设计流量小、工作时间长。

2)轮灌方式：上一级管道按预先划分好的轮灌组向下一级管道配水，而轮灌管道在灌水时期是轮流工作的，轮灌一般有集中轮灌和分组轮灌2种。轮灌组的划分及灌水的先后次序直接影响到上一级的管道投资。轮灌方式适用于种植作物比较单一的情况。

3)随机取水方式：随机取水方式即每个取水口任何时候都可以取水，也可以不取水，以取水口作为一个用水计算单位，在此基础上用概率论和理数统计方法来推算各级管道的设计流量。在运行方法上是使取水口以上的管网中任何时候都充满水，各取水口按本用水单位的需要随时打开阀门取水灌溉，因此也叫“按需分配”方式。但随机取水方式的设计管径较大，投资较高。管道系统的工作制度不同，则管网规模不同，从而直接影响工程投资，同时不同管道系统的工作制度又对灌溉的操作和管理提出不同的`要求。通过对上述3种方式的比选，选择布局合理、投资经济的方案，本工程采用续灌和分组轮灌相结合的方式。

5灌溉设计保证率和灌溉制度

5.1灌溉设计保证率

本项目区灌溉方式为低压管道输水灌溉，灌溉水源为井水，灌溉设计保证率取85.0%。灌溉系统田间采用沟灌，按照第2阶段的预审意见，灌溉水利用系数为0.8。

5.2灌溉制度

根据灌区的水土资源情况、作物组成以及各种作物的生长特性，根据新疆地区西梅树和棉花的种植特点，拟定田间毛灌溉定额及灌溉制度。

6灌区水量供需平衡分析

6.1地下水可供水量

项目区灌溉用水为井水。依据《伽师县地下水资源开发利用报告》，伽师县地下水总补给量为4.26亿m3，地下水可开采量为1.28亿m3，根据调查，项目区地下水储量丰富，开采条件好。

6.2灌溉需水量

项目区包括3大条田，其中第1大条田面积为35.51hm2，第2大条田面积为68.40hm2，第1、2条田种植西梅和棉花，第3大条田面积为53.02hm2，种植西梅和小麦。项目区为间种的种植模式，在计算灌溉需水量时，按照不同作物分别计算水量。

1)西梅树的灌溉需水量：地块内156.93hm2的面积全部种植西梅树，灌溉定额为490m3/667m2，计算得西梅树的灌溉需水量为115.35万m3。

2)棉花的灌溉需水量：第1大条田和第2大条田内种植棉花，种植面积的比例约为地块面积的60.0%，为62.35hm2，灌溉定额为360m3/667m2，计算棉花的灌溉需水量为33.67万m3。

3)小麦的灌溉需水量：小麦的种植面积的比例约为第3大条田地块面积的60.0%，为31.81hm2，灌溉定额为400m3/667m2，计算棉花的灌溉需水量为19.09万m3。项目区地块内灌溉需水量合计为168.11万m3。

6.3水量平衡分析

项目区年需开采地下水总量为168.11万m3，而区域的地下水可开采量为1.28亿m3，远远大于作物的灌溉需水量。不会对地下水的平衡产生不良影响，因此项目区开采地下水是有保证的。

7结语

灌溉设计 篇6

【摘 要】农田水利渠道是引水灌溉的重要工具，对农业生产具有重要影响。本文主要研究了农田水利灌溉渠道的防渗、抗冻问题，以期为保障农田水利渠道有效运行提供借鉴。

【关键词】渠道设计；防渗；抗冻；应用

水是农业的命脉，农田水利灌溉渠道在农业发展中地位非常重要。近年来，随着我国政府的日益重视，农田水利灌溉渠道建设成效卓越。但是在北方地区农田水利灌溉渠道建设中一直面临着冻胀、渗漏的问题，这对农田水利灌溉的正常使用产生了严重的负面影响。做好农田水利灌溉渠道的防渗、抗冻，保障农田水利灌溉渠道正常发挥作用是一件至关重要的事。目前，我国北方农田水利灌溉渠道应用的防冻胀、渗漏的措施主要有混凝土衬砌、土工布、聚苯乙烯板三种，本文在对以上三种措施的优势进行研究的基础上，提出根据具体情况将联合应用以上三种措施的构想。

1.当前常用的三种措施的优势

1.1混凝土衬砌的优势

混凝土衬砌是灌溉渠道中常用的一种防渗措施，其拥有显著的防渗效果。相关研究资料显示，使用混凝土衬砌减少的渗漏在85%～95%之间[1]。而且其使用时间也较长，通常使用年限可达到50年左右。另外，其适应性强、施工技术简单，便捷易行。当前混凝土衬砌的施工工艺主要有两种，分别是现浇与预制。就现浇施工而言，其接缝少，整体性强，并且不同的结构层结合较好，能够有效降低渠土冻胀对水渠造成的损害。预制可以实现规模化生产，更好的控制施工质量，并且有利于后期维修。混凝土补砌常用的结构形式主要为板形、槽形、管形[2]。以板形结构截面为标准，其可分为矩形板、楔形板和肋梁板三种。在冻胀地区，防冻胀效果最好的就是矩形板。槽型也有很多种，如梯形、U型、弧底梯形等。与板形结构相比，槽型结构的完整性较高，并且耐压，占地面积小，常用语小型渠道的修建。

1.2土工布防渗的优势

土工布又称土工织物，是一种合成材料，功能众多，如防渗、反滤、密封、加固等，广泛应用于水利工程、公路工程之中。由于土工布使用塑料纤维，其强力较高，特别是复合土工膜，防渗效果显著，是灌溉渠道防渗常用的材料。

1.3聚苯乙烯板的优势

聚苯乙烯板又称聚苯板，是一种良好的隔寒保温材料。通常防冻用的聚苯乙烯板为发泡板，其具有耐腐、耐压、高强度等特点。在灌溉渠道施工中，为了防止因冻胀给渠床造成损害，常将聚苯板铺设在混凝土板之下，以增强渠道的抗冻性，延长使用寿命。

2.联合应用三种措施的施工过程

由于北方地区冬季气温较低，冻胀一直是灌溉渠道使用面临的大问题。基于此，笔者提出联合应用以上三种措施的构想，即聚苯板保温+土工布防渗+混凝土堆砌，以下是具体施工过程。

混凝土堆砌：以《水工混凝土施工规范》（SDJ207-827）为标准，在保温、防渗施工完毕后浇筑混凝土并保障施工质量[3]。混凝土堆砌施工之前应首先勘察施工现场，全面了解施工现场的实际情况，根据实际情况制定科学的的施工设计和施工方案。其次，做好施工放样工作。准确使用相关测量器材，保证混凝土堆砌位置和走向准确，合理确定中心桩位置，尽可能减少施工误差。第三，在施工过程之中，应运用先进的施工设备、技术，保障施工质量。第四，做好清理、收面、养护、拆模等工作。施工完毕后应进行清理，如在清理过程中发现混凝土堆砌有裂缝存在，应在保障无其杂物存在的前提下，合理采取补救措施。另外，工程施工之后的养护工作不可忽略，如通过向混凝土洒水，以保持混凝土的湿度，避免混凝土因日晒而发生干裂问题。拆模工作应在待混凝土完全凝固后实施，以防止对混凝土产生影响。

土工布防渗：土工布连接处理方法诸多，应根据具体情况进行选择，如缝接、焊接、自然搭接。自然搭接和热风焊接时应注意搭接宽度保持在200mm以上，采用缝合时，应保障搭接宽度不小于100mm[4]。通常自然焊接适用于土工膜上层的土工布，焊接、缝接适用于土工膜下层的土工布。如果采取人工滚铺，必须先找平基面，材料可以选择粒径较小的沙土或者黏土等。土工布铺设之前应先对基坑进行清理，确保基层坚实、平整，避免因基层不平或有其它垃圾等对土工布造成破坏，对接下来的防渗连接带来不利影响。土工布的尺寸和剪切方式应根据施工的具体情况确定，在裁剪土工布时，必须注意避免损坏其他材料。在剪切完毕后，应先进行试铺，以保障所剪切土工布尺寸准确、布面平整。在铺设土工布时，接缝的方向应与坡面线方向交叉，缝合搭接部位时应保障缝合线均匀平直，应坚持边铺设边检查原则，及时检查铺设效果，如存在问题及时进行整改。对于坡面铺设，应先对土工布的一端进行固定，然后将卷材顺着坡面方向放下，拉紧土工布。土工布铺设过程中应确保不过紧、不打皱。铺设完毕后，进行整体检查，保障无损坏。混凝土的堆砌应与铺土工膜的速度相协调，当天铺设完毕，当天堆砌，以避免因土工膜长时间暴露影响质量。土工布防渗效果不仅与施工设计有关，还受施工技术水平影响。因此，在合理设计的基础之上，应严格按照施工技术规范进行施工，保障施工质量。

聚苯板保温：聚苯板保温效果与其厚度直接相关，合理确定聚苯板厚度是关键问题。基于此我们应以衬砌渠道的防冻胀设计标准和允许冻胀变形量为根据，科学的计算出聚苯板厚度。在铺设方面，聚苯保温板应采用封层错缝搭接，以防止因施工工艺不合理导致产生冷缝。通常保温层可全断面铺设。另外，由于聚苯板的密度低，弯曲度不高，并且容易这段，在铺设时应考虑天气情况，尽量避免在风力较大的天气里施工[5]。聚苯保温板铺设完毕后，应及时浇筑混凝土堆砌板，防止损坏。

3.结语

农田灌溉渠道使用质量直接关系农业发展，灌溉渠道工程防渗、抗冻性能与施工质量紧密相关，必须从源头抓起。做好防冻、防渗是加强施工质量，延长灌溉渠道使用寿命的内在要求，应当引起重视。这就要求相关工作人员应立足现实，及时转变思维，积极研究新技术、新工艺、新材料，并将其应用于灌溉渠道施工之中。混凝土衬砌、土工布、聚苯乙烯板作为目前最常用的三种防渗、抗冻措施，应根据施工具体情况，博采众长，合理利用，以尽可能的发挥它们的优势。

参考文献：

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[2] 张正平，李俊，蔡守华等.灌溉渠道现浇固化土防渗技术应用研究[J].江苏水利，2005，（5）：23-24.

[3] 杨利红，崇岩峰.浅议渠道防冻胀处理方法[J].海河水利，2013，（3）：55-57.

[4]王德成. 水利渠道施工中的防渗技术应用分析[J]. 民营科技，2015，04：122.

[5]黄强贵. 水利渠道施工中防渗技术引用分析[J]. 科技与企业，2015，11：143.

浅谈设计节水灌溉 篇7

1坐水种

又称注水膜, 是将一定量的水注入局部土壤中, 以满足种子发芽和保苗需水最低限度的一种局部灌溉方法, 它简便易行, 适宜于北方旱区播种时土壤含水率低、不能够保全苗时应用。采用坐水种播种前应先进行浸种或用保水剂、抗旱剂处理种子, 使种子吸足水, 亩灌水量控制在3 m3～5 m3 (每坑中灌水2 kg～2.5 kg;或沟灌水深度控制在3 cm左右) 。有条件的地方可使用抗旱保苗灌水实施坐水种, 能一次完成开沟、注水、播种、施肥、覆土、覆膜等工作。

2喷 灌

俗称人工降雨, 是利用专门设备将水喷射到空中分散成细小的水滴, 形成类似下雨效果的一种灌溉方法。喷灌受地形条件的限制小, 在砂土或地形坡度达到5%等地面灌溉有困难的地方都可以采用, 一般能增产15%, 节水40%, 提高功效20倍～30倍、提高耕地利用率7%。但喷灌受风力影响大, 且容易产生蒸发损失, 不适宜空气特别干旱、风力较大的地区。由于喷管设备投资较高, 目前多用在水资源缺乏的经济较发达地区。

3微 灌

是利用专用设备将有压力水输送分配到田间, 通过灌水器以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种局部灌溉技术。微灌是目前节水、增产、优质效果最好的一种节水灌溉技术, 但由于其投资较高, 目前仅限于经济作物中使用。微灌通常分为滴灌、微喷灌、小出流灌和渗灌四种形式。

(1) 滴灌:

是利用滴头 (滴灌带) 将压力水以水滴状或连续细流状湿润土壤进行灌溉的发法。常见滴头有孔口滴头、发丝管滴头、内镶式滴灌带、双上孔滴灌带、迷宫式滴灌带等。滴灌主要用在果园、花卉、保护地栽培中。

(2) 微喷灌:

是利用微喷头将压力水以喷洒状湿润土壤进行灌溉的方法。常见微喷头有固定式微喷头、旋转式微喷头、多孔式微喷带、脉冲式微喷头等。微喷灌主要用在果树、花卉、园林、草地、保护地栽培中。

(3) 小管出流灌溉:

是利用直径Φ4 mm的塑料管作为滴水器, 以细流状湿润土壤进行灌溉的方法。这种方式投资较低, 主要用于果树的节水灌溉。

(4) 渗灌:

是利用一种特制的渗灌毛管埋入地表以下30 cm～40 cm, 压力水通过渗水毛管管壁的毛细孔流形式湿润周围土壤的灌溉方法。

4改进沟畦灌溉

对传统的沟灌和畦灌溉适当改进, 能节水10%～20%, 增产10%～15%。基本原则是平整土地, 加大灌水流量, 将长沟、大畦改为较短沟、小畦, 并采用合适的流量和引水时间进行灌溉。适宜沟灌的地面坡度为0.003～0.008, 灌水沟长度不大于100 m, 宽度0.3 m～0.8 m, 入沟流量控制在0.5 L/m～3 L/m。畦灌要求地面平整, 适宜的地面坡度为0.001～0.003, 自流灌区取畦长50 m～70 m、井灌区25 m～40 m, 畦的宽度不大于3 m, 并与农机具作业要求相适宜, 入畦单宽流量 (每米畦宽的流量) 3 L/s·m～6 L/s·m。

5膜上灌

又称膜孔灌, 是在地膜栽培的基础上, 利用膜上行水, 通过放苗孔和专用灌水孔向作物供水的灌溉方法, 可节水25%～35%, 增产15%～20%。采用该技术需要平整土地, 田块长度不超过75 m, 宽度不大于3 m, 覆膜后在膜两侧筑起畦埂, 并把地膜两边翘起埋入畦埂中, 将水完全约束在膜上流动, 完全通过膜孔灌水。单定流量控制在0.3 L/s·m～0.6 L/s·m, 每次亩灌水量10 m3～40 m3。

6压管道输水灌溉

又称管道输水滴灌, 是通过机泵 (或利用天然水头) 和管道系统直接将低压水引入田间进行灌溉的方法。这种利用管道代替渠道进行输水灌溉的技术, 避免了输水过程中的水蒸发和渗漏损失, 节省的渠道占地, 能克服地形变化的不利影响, 省工省力, 一般可节水30%, 增产20%, 省地5%, 且投资不大, 实践证明, 自压管道滴灌系统节水效果明显, 减少水资源的浪费, 缓解了当地的水资源供需矛盾, 提高当地的灌溉水平和农业抗御抗旱灾害的能力, 促进了农业产业制度改革和农业种植结构调整。运用低压管道灌溉系统后, 每年节约用水30万m3, 节约的水为社会经济的其他发展提供了良好的基础。同时, 项目区内外部环境和整体面貌也将发生根本性变化, 不仅丰富了城乡居民的“菜篮子”, 还绿化了环境, 改变了当地职工的生产意识。使职工认识到节水改造的好处, 深深体会到水利是农业的命脉, 只有水利设施的发展, 才能改变农业的面貌, 才能富裕职工。

7结束语

建立节水型社会, 必须以水利基础设施建设作后盾, 从改变设施, 改变灌水方法, 改变节水思路为出发点, 大幅度提高农业水利用率和田间单方净耗水量的农作物产出率使我们工作的出发点和落脚点。国家大力倡导农民进行农业结构调整, 而我区水资源相对短缺的情况, 成为制约农业发展与增加农民收入的主要因素。解决缺水问题, 减少耗水作物, 发展高效农业, 就需要高起点、高标准、高效益的节水灌溉工程。 [ID:4466]

摘要：解决缺水问题, 减少耗水作物, 发展高效农业, 就需要高起点、高标准、高效益的节水灌溉工程。建立节水型社会, 必须以水利基础设施建设作后盾, 从改变设施, 改变灌水方法, 改变节水思路为出发点, 大幅度提高农业水利用率和田间单方净耗水量的农作物产出率是我们工作的出发点和落脚点。国家大力倡导农业进行结构调整, 而在我区可利用水资源相对短缺的情况下, 成为制约农业发展与增加农民收入的主要因素。

智能节水灌溉系统的设计 篇8

农业现代化发展水平的高低与自动控制节水灌溉技术的高低息息相关, 灌溉系统的自动化水平较低制约着我国农业的发展;单片机控制的智能节水灌溉系统可以根据监测的土壤湿度, 及时给土壤补充水分, 使土壤达到最佳湿度, 促进作物生长[1]。

系统采用AT89C52单片机作为主控芯片, 主要由信号处理电路、湿度传感器、语音报警电路、LED动态显示电路等, 采用汇编语言对系统软件进行编程;湿度传感器检测到的土壤湿度信号经A/D转换器将模拟量转换成数字量, 经信号处理电路进行滤波、放大后送给单片机并在数码管上显示;此系统可靠性高、灵活性强、易于操作, 有广泛的推广和使用价值[1]。

1 系统主要硬件电路设计

1.1 智能灌溉系统的总体设计

系统的主控芯片为AT89C52, 湿度传感器检测所得的电流信号经信号处理电路处理后得到可用的电压模拟信号, 经过A/D转换器转化成数字信号, 再由单片机对此数字信号通过软硬件进行处理后将测得土壤的湿度值送到数码管显示, 同时系统软件通过模糊控制算法实现对水泵开关的智能控制。智能灌溉系统结构框图如图1所示。

1.2 单片机最小系统

AT89C52是一个低功耗高性能单片机, 其工作电压为+5V, 片内包含8k B的PEROM和256B的RAM, 与标准MCS-51指令系统兼容, 采用ATMEL公司的非易失性存储技术和高密度生产技术, 片内配置8位CPU和Flash存储单元, 芯片为40个引脚, 其中包含32个外部双向I/O口, 同时内含2个外部中断口, 2个16位可编程定时计数器, 2个全双工串行通信口, 芯片可进行常规编程, 也可以在线编程, 通用MCU和可反复擦写的Flash存储器结合在一起, 大大提高了芯片使用的灵活性, 降低了系统的成本[2]。

1.2.1 时钟电路

单片机内部结构实质上是同步时序逻辑电路, 时钟电路是时序逻辑电路的核心, 时序逻辑系统是在时钟信号的控制下进行工作的, CPU不同的指令功能就是在复杂的时序电路而产生的时钟信号的控制下完成的。MCS-5l系列单片机的时钟信号有两种方式可以得到:一种是由片内的振荡电路产生, 另一种是利用外部电路产生。系统采用外接时钟电路的形式, 其电路图如图2所示[3]。30PF左右的电容C2、C3和频点为11.0592的晶振构成并联谐振电路。

1.2.2 复位电路

为了保证CPU以及其它功能部件都从一个确定的状态开始工作, 单片机在开机时都需要复位。复位电路通常采用上电复位和按键复位两种形式。本系统采用上电复位。

通过外部复位电路来完成MCS-51系列单片机的复位, 复位电路如图3所示。工作原理:按下按钮后, RC电路充电, RESET端出现高电平, 高电平只要能保持10ms以上, 就能实现对单片机进行有效的复位。系统设计的时钟频率为12MHz, C取100μF, R1取1kΩ[4]。

基于上述设计, 单片机最小系统原理图设计为如图4所示。

图4单片机最小系统 (参见右栏)

1.3 数据采集处理电路

传感器检测得到一个十分微弱的模拟信号, 且含有大量干扰信号, 因此, 信号在送入单片机以前要进行滤波、放大和模数转换。系统将信号经过运算放大器U2、U3进行放大, 用来满足后面A/D转换器的要求。ADC0809由一个地址译码锁存器、一个8通道模拟开关, 一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成, 允许8个模拟信号同时输入, 共享A/D转换器转换。数据采集处理电路如图5所示, 三态输出锁存器74LS373锁存A/D转换后的数字信号, 当OE端为高电平时, 可从三态输出锁存器取出转换后的数据。

1.4 LED显示系统电路

单片机应用系统中, 常用的显示器件有液晶显示器和数码管。这两种器件都具有易于配置、价格低廉、与单片机接口方便的特点。本系统选用共阴极数码管, 采用动态显示方法。

将单片机I/O口的8位线与数码管的LED的引出端 (a~dp) 相连, 共阴极数码管高电平有效, 选通有效后8位并行输出端输出不同的数据就点亮相应的LED, 获得不同的数字或字符。显示电路原理图如图6所示。

图6显示电路原理图 (参见下页)

1.5 超限报警电路

当系统所处环境不在预置范围内时, 为了引起使用者的注意并提醒使用者进行及时处理, 系统常设有超限报警电路, 目前常用的报警电路有:语音报警、闪光报警、蜂鸣报警。

本系统采用语音报警, 其接口电路如图7所示。语音报警芯片选用1SD1420, 从A/D转换器输出的数字信号通过单片机的P0口送入单片机, 单片机读取P0口的内容和预置值进行比较。若低于预置值, 则P2.1口输出低电平, 语音芯片发出语音报警信号;否则P2.1输出高电平, 不发出报警信号, 说明一切正常[5]。

2 系统软件设计

系统软件程序包括主程序、A/D转换子程序、数据处理程序、显示子程序等, 主程序设计流程图如图8所示。

2.1 A/D转换子程序设计

在数据采集处理电路中, 在芯片ADC0809的EOC端悬空的情况下, 只能采用延时等待的方法读取A/D转换结果。系统软件每次对土壤湿度进行连续采样11次, ADC0809地址编码为0BFF8H~0BFFFH, IN0口的地址设定为0BFF8H、INl口的地址设定为0BFF9H, 采集到的11个数据从IN0口放入以21 H为首址的片内RAM中, 从IN1口放入以2CH为首址的另一片数据区内。

2.2 数据处理

2.2.1 数字滤波器设计

芯片采集数据时, 在周围环境或者芯片本身等元素的干扰下, 采集到的信号经A/D转换后传入单片机的信号存在误差, 这种误差被称为随机误差。特别是在测量环境相同的情况下, 将不可预测其大小及方向的变化;但是当测量的数量足够多时, 数据整体服从统计规则, 多数随机误差呈正态分布, 利用过滤技术可以克服由硬件引起的随机误差。

数字滤波器只需软件, 只要设定合适的过滤程序运行参数, 通过算法, 就可以改变数字滤波器的特性。数字滤波算法常用的有:限幅滤波、去极端平均滤波、中值滤波、算术均值滤波、加权平均滤波器、移动平均滤波法、复合滤波和低通滤波等[6]。中值滤波算法对于缓慢变化的信号滤波效果好。土壤湿度的变化是很缓慢的, 因此, 中值滤波算法适合本系统。系统每次对土壤湿度连续采样11次, 取中位数为采样值。

2.2.2 标度变换

在自动化测控系统中, 传感器检测到的原始数据经A/D转换器输入到MCU, 这些原始数据无法直接作为显示器的显示数据, 通常需要先进行相应的处理。在本系统中, 湿度传感器连接A/D转换器, A/D转换器连接MCU, 它们之间都是线性关系, 所以A/D转换结果D与被测量值N之间存在如图9所示的线性关系。

在本系统中, 0~100%土壤湿度范围对应0~5V的输出电压。

3结束语

系统在主控芯片AT89C52的控制下, 将湿度传感器检测到的土壤湿度信号通过A/D转换电路送给单片机, 然后在单片机内通过中值滤波算法滤波后与预置值进行比较, 进而确定是否启动电机电磁阀而对土壤进行灌溉, 同时在数码管上实时显示土壤湿度, 并且能在土壤湿度异常时实现语音报警以提醒使用者及时对土壤进行灌溉, 以保证作物在最佳的湿度环境下生长。

摘要：系统的主控芯片采用AT89C52单片机, 外围主要由数据处理电路、湿度传感器、LED动态显示电路、超限报警电路等组成。A/D转换电路将湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量送给单片机, 动态显示于数码管上。若土壤湿度低于预置值, 系统将发出语音报警同时启动电磁阀进而启动电机进行灌水。单片机控制的智能节水灌溉系统可以根据监测的土壤湿度, 及时给土壤补充水分, 使土壤达到最佳湿度, 促进作物生长。

关键词：单片机,智能灌溉,智能监控

参考文献

[1]王芳琴.单片机控制的节水灌溉系统的研究[D].武汉:华中农业大学, 2005.

[2]孙博云, 谭定忠.检线机器人功能与结构的设计[J].机械工程师, 2006 (1) :42-44.

[3]徐立君.一种多功能家庭安防报警系统的研究与实现[D].合肥:合肥工业大学, 2009.

[4]赵秀珍.单片微型计算机原理及其应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2008.

[5]韩宝辉, 路影, 等.基于单片机的语音报警系统[J].北京:机械工程师, 2011 (5) :57-58.

灌溉渠道设计的相关问题探讨 篇9

关键词：渠道设计,基本原则,渠系建筑物,合理布置

1 引言

灌溉渠道在整个灌溉系统中也是一个系统, 即称为灌溉渠系, 一般分为干、支、斗、农四级固定渠道, 这些渠道起着输水、配水的重要作用;同时还有配套的渠系上建筑物, 这些建筑物不但保证安全输水, 合理分配水量, 而且能实现既定的灌溉、排水、给水、航运等任务。所以在灌溉渠道规划设计时, 必须合理地、因地制宜地布置灌溉渠道的级数, 必须设置好灌溉渠系上的各种建筑物。针对灌溉渠道在整个灌溉系统中的重要地位。

2 渠系规划布置的设计基本原则

灌溉渠系的规划布置主要从灌区范围、取水源头和灌区地形等综合考虑, 从而来确定渠道的分布和设置, 达到规划优化的目的。一般, 渠系的设计应考虑以下原则:

2.1 为了自流灌溉更多的耕地, 减少交叉建筑物过多和土石方工程量大, 灌溉渠道设计时, 应尽量布置在高程较高和分水岭处。

2.2 根据地形和地势, 结合实际状况, 考虑排水设施的布置, 尽量利用天然的排水沟作为灌溉渠道的排水设施, 避免相互干扰。

2.3对实际地质情况进行分析, 渠道线路尽量做到短、直, 避免通过不良地质条件及强透水地带, 避开施工艰难和危险地段。

2.4 灌溉渠系布置要与该地行政区划和土地利用规划相适应, 做到统一规划, 统一布置, 利用方便, 避免用水冲突, 并兼顾综合开发利用等。

3 灌溉渠道设计流量的求解

灌溉渠道的设计流量不但是渠道断面设计的主要依据, 而且是确定渠系建筑物尺寸的主要参数。故正确的确定渠道的设计流量具有重要意义。根据设计规范及经验, 一般地, 渠道的设计流量按照下列式子计算:

式中:Q-灌溉渠道的设计流量, (m3/s) ;

Qj-未计渠道输水损失和田间灌水损失的渠道流量, (m3/s) ;

QS-渠道在输送水过程中损失的渠道流量, (m3/s) ;

qj-设计灌水率, [m/ (s·hm2) ];

A1-灌溉渠道控制的净灌溉面积, (hm2) 。

渠道的渗水损失计算, 要在渠道建成后, 根据测定其渗漏量, 求其渗水损失。然而, 设计阶段, 经常采用经验公式进行计算。

式中:S-每公里渠道输水损失流量, [L/ (s·km) ];

L-灌溉渠道长度, (m) ;

A-土壤透水系数;

m-土壤透水指数;

其他符号意义同前。

另外, 在遇到临时扩大灌溉面积, 或严重干旱等特殊情况下, 设计渠道能保证加大流量安全通过, 故灌溉渠道设计时必须考虑和求解其加大流量, 根据规范及经验要求, 加大流量是在设计流量的基础上, 依据当地地质情况, 选择一个适当的加大系数来确定, 即为:

式中:Qd-灌溉渠道加大流量, (m3/s) ;

α-加大系数;

其他符号意义同前。

渠道作为水源地与耕地的连接纽带, 直接影响着灌溉水进入田间的灌溉水量, 这就要求灌溉渠道的运行质量要高。一般地, 评定各级渠道运用质量的综合指标是渠系水利用系数, 其值是由各级渠道的渠道水利用系数的乘积求的, 其主要包括渠道水利用系数、渠系水利用系数等。因此, 保证渠道施工质量, 提高渠道管理及运行水平是充分发挥渠道利用效率的主要途径。

4 渠道断面的确定

灌溉渠道断面设计分为横断面设计和纵断面设计, 以灌溉渠道的设计流量为基础进行设计, 其目的是:保证渠道有控制全灌区的水位, 保证有足够的过水能力, 保证有满足稳定条件的渠道断面结构。渠道的横断面设计通常按照渠道设计流量, 采用明渠均匀流计算公式对渠道进行水力计算, 从而确定渠道的断面尺寸。其计算公式为:

式中:Q-灌溉渠道设计流量, (m3/s) ;

A2-灌溉渠道过水断面面积, (m2) ;

C-谢才系数;

R-水力半径, (m) ;

i-渠道底坡;

n-渠床糙率。

在利用式子 (1-6) 和式子 (1-7) 进行水力计算前, 必须先对公式中的渠道底坡、渠床糙率、渠道断面宽深比等有关参数进行拟定, 因为选择合理的计算参数, 不但可以使渠道设计合理, 行水安全, 施工便宜, 管理方便, 而且减少工程量, 降低造价等。故在计算前, 必须根据设计规范、工程实践及工作经验来拟定合理的计算参数。

渠道纵断面的设计主要是水位的衔接问题, 在设计时, 必须根据地质地形条件的不同, 渠道断面的不断变化, 及渠道建筑物、分水口等处的实际情况, 要合理设计和处理, 保证水位的衔接和水流的平顺。

5 渠系建筑物的合理布置

为了更好的控制水位及流量、合理分配水量, 灌溉渠道上布置很多渠系建筑物, 这些建筑物的数量、种类很多, 故在设计中, 必须合理的布置这些渠系建筑物, 以便优化渠线布置, 充分发挥其作用。因此, 渠系建筑物在布置和选型上应以全面规划、合理布局为基础, 考虑以下几个方面。

渠系布置时应能满足输水、分水、排水、泄水等要求, 保证运行安全, 便于管理和维修, 同时保障灌区交通运输畅通, 满足灌区群众的生活和生产需求。

渠系建筑物能及时有效地调节水位和流量, 并保证水头损失小, 水流平稳等。

布置时应尽量采用联合运用, 集中管理, 这不但可以适当减少建筑物数量, 避免交叉, 而且还可以减少工程投资。

渠系建筑物应根据当地的地形地质状况和水文条件及施工技术, 合理选择其位置、型式等。设计时, 应充分利用当地材料修建, 采用定型设计和装配式建筑物。

结论

通过对灌溉渠道设计中一些主要问题进行分析, 得出了一些设计原则和注意事项, 并列举出主要的计算公式, 对以后的灌溉渠道设计有一定的参考意义。

灌溉渠道设计是灌溉系统中的主要组成部分, 经以上综合分析可知, 设计时, 要对当地的地形、地质条件和水文资料等有一个充分的认识, 要因地制宜地规划设计, 合理选型。

灌溉渠道设计流量是整个设计中的主要参数, 根据以上所列计算公式可以确定其设计流量, 但在进行设计流量计算时, 一定要根据设计规范及经验, 合理选择公式中的计算参数, 从而求得贴合实际的灌溉渠道设计流量。

参考文献

[1]中华人民共和国水利部, 灌溉与排水工程设计规范, GB50288-99.

[2]周志远, 农田水利学, 北京:中国水利水电出版社, 1993, 6.

[3]华东水利学院, 水工设计手册-灌区建筑物, 北京:水利电力出版社, 1984, 11.

农业灌溉系统的现场控制设计 篇10

1.1 农业灌溉控制系统的总体设计规划

农业灌溉控制系统主要由多传感器系统、PLC系统、人机界面和控制对象水泵组成, 系统总体设计框图如图1所示。

其中, PLC控制系统的处理器采用欧姆龙公司的CP1H型PLC, 多传感器系统包括全量机械编码水位计WFH-2型传感器、PT 100铂热电阻温度传感器、IH3605型湿度传感器以及HR-WP-AC系列的电压电流表, 人机界面采用威纶通MT-6070IH2系列触摸屏。

1.2 农业灌溉控制系统实现的功能

I/O单元发送实时环境参数 (如土壤温湿度参数和电压电流参数、水位参数等) , 由相关的传感器进行现场采集, 并将检测的参数送往PLC, PLC根据模拟信号和数字逻辑信号来进行实时处理, 然后由人机界面实时显示现场测量数据和控制的运行状态。系统需要的基本功能如下:

(1) 检测阀门开度和现场设备的运行状态, 如果检测到设备参数异常或发生故障, 系统应发送报警信号, 并在人机界面上显示故障位置和实时数据, 同时对水泵阀门做出相应的处理。

(2) 完成土壤温湿度以及管道压力的测量, 自动检测水泵的电压电流参数, 并在人机界面上显示, 同时控制水泵阀门开度。

(3) 实现现场手动控制。

2 硬件系统设计

2.1 主控系统

主控系统采用欧姆龙公司的可编程控制器CP1H型PLC, 该类型的PLC具备与各种组件连接的相容性, 因为它的外围工具有USB端口, 还可以扩展2个串行端口, 可方便同时连接多种组件。最大可安装2个串行通信选件板 (RS-232C×1端口或RS-422A/485×1端口) 。

2.2 多传感器系统

2.2.1 水位控制系统

全量机械液位计WFH-2编码型传感器是通过浮子感测水位的, 该仪器根据轴角编码进行编码。在进行闸门上下游水位测量时, 安装一个浮子, 作为水位传感元件;当水位变化时, 浮子水位产生变化, 从而带动水轮做圆周运动, 并准确地转成相应的角位移量;水轮转动轴编码器是一个输入轴, 所以当水轮旋转时, 轴编码器的电平已转换成相应的数字代码D, 这种数字代码D通过多芯电缆并行输出, 并在监测站的显示器上显示, 即在人机界面上显示。该浮子在转换过程中采用的机械编码是格雷码转换, 测量范围为40m, 分辨率为1cm。

2.2.2 温湿度控制系统

PT 100铂热电阻温度传感器精度高、稳定性好, 使用方便, 温度范围为-200℃~650℃。IH3605型湿度传感器测量相对湿度 (RH) 范围为0%~100%, 环境温度为0℃~85℃。该电路配有集成放大电路, 输出电压为0V~10V, 具有温度补偿和调零功能。其工作原理都是把电阻值转化成电压或电流再显示。其系统信号传输流程如图2所示。

2.2.3 电压电流控制系统

电流、电压传感器均选用珠海仪器仪表公司生产的HR-WP-AC系列交流电压表、电流表。电机电压电流的测量、温度的测量、湿度的测量以及管道压力的测量都是由PLC通过扩展I/O单元口采集传感器送来的信号, 然后进行A/D转换和标度变换。以4mA~20mA模拟信号输出为例, 其A/D转换如图3所示。

4mA~20mA的电流输入对应于16进制数 (10进制数) 为0000~1 770 (0000~6 000) 。完整的数据输出范围是16进制数FED4~189C (对应的10进制数为-300~6 300) 。软件编程时输入电流在3.2mA~4mA之间时使用补码来表示转换数据。如果输入的电流小于3.2mA时, 断线检测功能将被激活并且转换数据变为8 000。

2.3 系统人机界面的设计

2.3.1 人机界面画面设计和数据管理

该系统人机界面总体设计如图4所示。

(1) 电气参数界面:显示测得的水泵电压、电流和转动频率。

(2) 参数设定界面:设定采集数据的标准值以及模拟数据采集。

(3) 数据采集界面:显示从外界采集并且处理完的相关数据, 包括1#、2#、3#田的温度、湿度和农田中水源的水位。

(4) 历史数据显示画面:显示采集的1#、2#、3#田的温度、湿度, 并以表格的形式显示出来, 在此画面上, 还设置了可以通过下拉菜单选择日期查看前一天和当天的历史数据, 以及可以跳转到趋势图画面的功能。

(5) 田间情况界面:该画面可以看到农田中的总体情况和农田的整个画面。

(6) 监控状况界面:该界面主要实现对田间的相关设备如水泵、电动阀的开和关设置以及相关的报警显示的设置。

(7) 历史数据趋势界面:该界面主要显示采集到的历史数据的趋势图, 从而有助于分析采集到的数据, 使得采集到的数据更形象化地呈现在用户面前。

2.3.2 人机界面的报警设计

人机界面中的报警设置使用事件登录来进行系统报警。例如事件记录文件名称为EL_20070915.evt, 即表示此文件记录2007年9月15日所发生的事件。

2.3.3 人机界面的通讯

MT8000所提供的穿透通讯功能允许PC上的应用程序透过HMI直接连接PLC, 此时HMI所扮演的角色类似转接器 (converter) , 具体通讯如图5所示。

数据目标端口 (Destination COM Port) 是指MT8000与PLC连接的端口, 数据来源端口 (Source COM Port) 是指MT8000与PC连接的端口。在使用穿透功能时, 需正确设定这两个端口的属性。串行通讯口使用的是9针D型公座。PLC软件设置时需要设置通讯端口的通讯协议为Hostlink。

3 软件系统设计

3.1 系统软件总体设计结构

该软件部分功能如下:先采集外部各传感器的信号并在人机界面上显示相关数据, 然后判断是手动还是自动;如果是手动, 则执行手动部分的程序;否则, 则执行自动部分的程序。总的软件流程图如图6所示。

3.2 各参数检测软件设计

在该系统中的自动控制模式下, 由水位传感器将田间水位参数变化成格雷码形式输出, 传到控制单元, 然后将此格雷码送入PLC中经两步转换后成为BCD码与设置的水位上下限 (BCD码) 进行比较, 如果实测田间水位小于设置的启动水位, 则阀门开启, 过45s阀门全开之后再自动开启泵;如果实测田间水位大于设置的停止水位, 则此时泵关闭, 阀门经过45s延时后全关闭。在手动控制系统模式中, 只需将相应的阀门开关按钮按下即可控制阀门的开启和关闭, 同时阀门开启之后才能开启泵。在实际系统中, 为防止泵开启之后管道压力过大造成管道破裂, 可以设计成阀门开启至少3台之后才能开启泵, 从而实现保护管路的效果。其他参数如温度、湿度、电压电流的采集及软件处理和水位的检测方法类似。软件编程系统外部总接线图如图7所示。

4 测试结果

测试结果在触摸屏的数据采集界面上显示, 方便人们对现场的观测和控制。图8为监控状况画面, 在室内就能实现对农田现场的自动控制。

参考文献

[1]刘兵.欧姆龙CP1H模拟量编程的简单应用[J].电子制作, 2008 (3) :43-45.

[2]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].南京:东南大学出版社, 2003.

[3]刘桂宏, 孙健.灌区灌溉管理监控自动化系统的开发和应用[J].灌溉排水, 2001, 20 (1) :65-68.

[4]陈虹, 唐鸿儒, 杨鹏, 等.泵站监控系统的现状和趋势[J].中国农村水利水电, 2002 (2) :55-59.

灌溉设计 篇11

【关键词】丘陵地区；农业灌溉；节水高效；设计

所谓高效节水灌溉，是指那些利用较少的水资源，浇灌较大面积农田的灌溉技术。这是与传统的农田灌溉技术有很大区别的灌溉技术，也是未来农业生产中的主要灌溉技术。目前我国很多平原地区都已经实现了新的农田灌溉体系，采用了渠道防渗、喷灌、滴灌已久低压管灌等诸多新型节水灌溉技术，取得了很好的经济效益和生产效益，节约了大量的水资源。但是在山区和丘陵地区，关于其农业的高效节水灌溉技术还发展缓慢，还需要我们进一步的研究和改进丘陵地区的农田灌溉模式。常德市桃源县在2010年进行高效节水灌溉工程建设，目前运行两年多，效果非常显著。以下我们就针对该县的高效节水灌溉工程设计问题进行简单探讨。

1.桃源县基本情况概述

桃源县位于湖南省西北部常德市境内，属于一个不完整的山间丘陵性盆地。全县总面积4448平方公里。全县现有耕地面积129多万亩，其中水田100多万亩，旱地28多万亩。在该县的高效节水灌溉工程建设中，主要选中了两个乡镇为项目开发区。即茶庵铺镇和枫树乡两个项目区。这两个项目区都属于亚热带季风性湿润气候，其各自的降雨一般都集中在3-8月左右。其中茶庵铺镇的农作物主要是以茶叶为主，间种一些水稻。在本次灌溉工程建设中，将会将所有的田地都改种茶叶，以便于统一管理种植。而枫树乡则主要是以水稻种植为主。两个乡镇的农田灌溉情况分别如下所述：（1）茶庵铺项目区水源主要是茶庵铺境内的中型水库-西溪水库和沅水流域的夷望溪支流。其中上高坪、下高坪、茶庵铺三个村主要水源西溪水库，因渠道多年失修，渠水利用系数低，现仅能保证保证灌溉面积1.6万亩，旱季干旱缺水犹为突出。松阳坪、堰塘湾2个村水源是靠机埠提夷望溪河流的水。（2）枫树乡紧邻白洋河水轮泵站，白洋河属于桃源县十大河流之一，控制集雨面积1705平方公里，白洋河水轮泵站修建于1976年投产运行，装机4台，单机功率125kw。泵站提水流量2m3/s，项目区由泵站直接供水，供水量充足。

2.高效节水灌溉工程建设的总体设计

2.1主要建设内容

本项目分两个片区，茶庵铺乡片和枫树乡片，茶庵铺乡片7145亩灌溉面积均采用喷灌方式，结合项目区供水现状，该项目主要工程包括调节水塘、首部枢纽、泵房、田间管网、闸阀井、灌溉渠等。 枫树乡片1200亩全部为水稻，灌溉方式采取渠道引水直灌，项目主要工程包括斗、农渠加固改造，增设取拍门等。

2.2总体布置设计

茶庵铺项目片区：主要水源为西溪水库和夷望溪，上高坪、下高坪、茶庵铺三个村主要水源西溪水库，通过西溪水库底涵放水引入项目区干渠，再通过水泵引入干管；松阳坪、堰塘湾2个村水源是靠机埠提夷望溪的水引入干管；干管再通过一级、二级支管引入毛管，通过滴头对作物进行灌溉。根据项目区茶树种植现状，进行田间管网布置，考虑到将来灌溉系统管理的方便等因素，干、支管均沿现状道路及田块边缘布置，面设1根干管用以控制以下的多根一级支管，毛管均由一级或二级支管控制。

枫树项目片区：项目区紧邻白洋河水轮泵站，由泵站从白洋河提水引入灌溉渠道，根据《规模化节水灌溉增效综合示范项目实施方案编制提纲》，本次渠道防渗只做斗渠以下设计。项目区田湖支渠以下为4条斗渠，全长5400m，均为土渠，斗渠以下新建农渠8条，全长3270m，取水口190处，埋管50m。节制闸50处。

3.茶庵铺项目片区的灌溉制度和工作制度设计

3.1灌溉制度设计

3.1.1设计灌水定额

3.2灌溉系统工作制度

为有效利用系统设备，减少工程投资，拟采用分组轮灌方式进行灌溉，根据轮灌组划分原则和项目区总体布置、项目区水源条件、地形条件和一次灌水延续时间的等因素，将支管分为6个轮灌组，6天全部灌完。具体分组及轮灌顺序见下表。

4.枫树项目片区的灌溉制度和工作制度设计

4.1灌溉制度设计

水量平衡复核。

4.1.1设计保证率与设计代表年

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）规定，在以水稻为主水源丰富的地区，灌溉设计保证率取80%～95%。以作物生长期降雨频率作为灌溉设计保证率。根据1966～2001年降雨资料进行频率计算，按设计保证率P=90%选取代表年，选定1992年为代表年。

4.1.2灌溉定额

田间需水量应从水面蒸发和田间渗漏两个方面考虑，根据该灌区的气象观测资料和灌溉试验资料，综合“三查三定”的基本资料，计算出该灌区各生育阶段的耗水强度。泡田定额（Mo）。灌区以种植双季稻为主，根据灌区多年来泡田的经验，泡田额定取80m3/亩。灌水方式、灌区种植的水稻采用浅灌中蓄的灌水方式，具体做法是：浅水插秧，深水反青，分蘖，适时晒田，足水抽穗、乳熟，适时断水。各生育期水层深度设计、本次设计根据西溪灌区水稻生长实际经验，充分结合“浅灌中蓄”与“控水灌溉”这两种模式的优点，拟定设计灌水深度。

4.2工作制度设计

在该灌区进行工作制度设计时，设计重点就是要保证各个地区的水量供需是保持平衡的。因此在该灌区的水量调配中需要注意，必须要充分利用各个径流的直接灌溉作用，要先使用流经灌溉区的当地水源，再使用从白洋河提取的水源。也就是说，要先利用坡面截流所得的水进行浇灌，当本灌区并没有储蓄水时，再从白洋河水轮泵站提取水源进行灌溉。这样不但能够实现水资源的充分利用，还能极大的节约灌溉成本。

5.高效节水灌溉建设完成后的管护设计

由于农田灌溉并非是一次性的工程，而是在每季农作物种植时都要进行适当的灌溉，以满足农业的生产需要。为此必须要保证灌溉体系的正常长期运行，需要对其一些基础设施建设进行相应的管理和保护。

5.1制定一定的用水计划。由于经过改造后的灌溉体系是一个完整的体系，在对农作物进行灌溉时都是统一进行的，因此必须要制定好一定的用水计划，以免使一些不需要灌溉的地区也进行灌溉，浪费水资源。这就要求农业技术人员与水利管护人员做好调查管理，结合农作物的生长情况，合理制定灌溉用水制度，以最大程度的提高科学灌溉。

5.2加大资金投入和技术投入，使该地区的高效节水灌溉体系充分发挥职能作用，提高用水效率，实现水利节能工程的可持续发展。并且还要加强技术培训，提高水利技术人员的专业水平，使其能够更好的利用节水灌溉体系为农村创造更大的经济价值。

5.3加强对灌溉设备的管理和维护，要对所有的灌溉设备、滴头、管道等做好维护管理工作，并对其进行科学养护，合理使用，以保证灌溉设备能够随时发挥作用，进行农田灌溉。

6.丘陵地区高效节水灌溉设计的几点建议

从对桃源县的节水灌溉设计和实践我们可以看出，尽管丘陵地区在设计节水灌溉体系方面没有较好的地形优势，但是只要能够因地制宜，充分利用各种条件，合理规划设计，仍然能够取得很好的节水灌溉效果。基于此，笔者总结了几点建议，希望能够给其他丘陵地区的节水灌溉设计提供一些参考。

6.1在对丘陵地区进行节水灌溉设计之前，首先要对当地的人文地理进行充分详尽的了解，尤其是对当地的农作物种植情况和当地农民的生产习惯，只有这样，才能从整体出发考虑，充分体现出节水灌溉设计的人性化处理，这样不但更利于农民接受新的节水灌溉系统，还能创造出更多新的产业，促进当地经济的发展。

6.2在设计的过程中，要统筹兼顾，以各种理论基础和参数计算结果为依据，进行省时节水的灌溉方案设计，制作灌溉制度和灌溉定额，使节水灌溉方案更加可靠可行，并且所设计的方案要易于被农民掌握。

6.3在总体的设计中，除了要考虑前期的设计和建设以外，还要对建设完成后的系统管护工作进行相应的设计。只有做好后期管护，才能实现节水灌溉系统的长期有效运行，实现真正的可持续发展。

7.结语

常德市桃源县的高效节水灌溉体系的建设和实施为当地的农业经济发展带来了极大的帮助，在工程运行使用的两年多中，桃源县茶庵铺镇和枫树乡的茶叶和水稻生产产量都得到提升，生产成本降低，取得了较好的经济效益。且节约了水资源，实现了良好的节水效益、环境效益和社会效益。由此可以看出，该县的高效节水灌溉设计是具有很大可行性的，值得其他丘陵地区借鉴应用。 [科]

【参考文献】

[1]陈建，邱兵，李云伍.丘陵山区节水灌溉应重视集成创新的观念[J].四川农机，2001（06）.

茶园节水灌溉控制系统的设计 篇12

建国60年来, 农业得到了很大发展, 但也为此付出了巨大代价, 如地下水位下降、河湖干枯、季节性缺水、江河污染、水土流失和生态环境恶化等。当前, 制约我国农业发展的主要因素是水资源严重不足。其中, 山东省是我国水资源十分缺乏的省份之一, 资源性缺水, 水资源分布不均匀, 各地降水量差别较大, 春季干早少雨, 汛期降雨集中, 加大了水资源开发利用的难度。胶东半岛经济较发达, 人口集中, 而水资源更是缺乏, 即使有重大的“引黄济青”工程, 但是还是面临着严重的缺水危机[1,2]。

胶东半岛盛产茶叶, 茶树种植广泛, 茶树生长需要水分, 主要靠自然降水供给, 而胶东半岛全年自然降水偏少, 并且雨水的时间与空间分布不匀, 分散又难以预料。因此, 及时采取茶园合理的灌溉措施, 有利于实现稳定茶叶产量和品质[3]。鉴于以上所述, 对茶园进行节水灌溉有着重要的意义。本文主要是对胶东半岛茶园的节水灌溉控制系统进行设计。

1 系统的总体设计

系统的框图如图1所示。该节水灌溉自动控制系统主要由检测部分、控制器、执行装置及监测部分组成。检测部分主要包括茶树生长信息采集部分, 如土壤湿度传感器、土壤温度传感器和光照强度传感器等;监测部分中最重要的是利用计算机的强大数据处理功能, 建立包括茶树生长期间所需要的土壤含水量、气温和湿度等信息的数据库, 并通过系统软件和LABVIEW实现灌溉监控功能;控制器及执行装置是利用变频器、PLC、电机、水泵和电磁阀实现变频恒压灌溉[4,5,6]。

2 系统设计

2.1 灌溉方式

茶树生长离不开水分, 目前主要依靠自然条件降雨, 可是由于各月降雨量分配不够均匀, 所以会常常出现供水不足的情况, 如夏秋茶期间 (7-9月份) , 光照强, 气温高, 茶树耗水量很大, 而在这一时期, 胶东半岛降水量很少, 蒸发量大, 常出现高温干旱现象。这时进行茶园灌溉, 对茶叶优质高产以及茶树生长都有好处。

合理的灌溉方式既要做到按茶树需要均匀供水, 又要达到节约用水、促进茶树生长的目的。目前, 在茶园中使用的灌溉方法主要有喷灌、滴灌、流灌和浇灌方式等几种。

2.1.1 喷灌

喷灌就是把灌溉的水通过机械压力, 由特制的喷头射向四周空中, 以自然降雨的方式落在茶园中。喷灌有固定式和移动式两种:固定式投资大, 要经专门设计, 在茶园中铺设管道, 合理安装固定喷头;移动式使用方便, 较灵活, 但转移搬动多, 效率不及固定式。

喷灌的优点是用水量较少, 水的利用率较高, 在高温季节可以降低土温和叶温, 有利于茶树生长。

2.1.2 滴灌

滴灌就是滴水灌溉, 是在一定的水压作用下, 使水通过一系列管道, 最后从滴头向茶树根部缓慢滴水, 使土壤保持茶树需水量最佳状态。同时, 还可结合施肥灌溉。

滴灌的优点是省水, 不破坏土壤的物理结构, 但投资大, 对水的清洁度要求高, 不然会造成滴头堵塞。

2.1.3 流灌

流灌就是在茶园中修筑水渠, 利用地形, 让水从高处按一定的坡度比流向低处, 让其自然渗透。

流灌的水利用率低, 灌溉均匀度也差, 一般适用于水资源比较丰富的地区。

2.1.4 浇灌

浇灌就是人工挑水灌溉, 劳动强度大, 多用于小面积局部抗旱。进行浇灌时, 若能结合稀薄水粪效果会更好些。喷灌可以提高产品的品质和产量, 灌溉均匀, 与地面流灌相比可省水30%～50%;该系统工作效率高, 节省劳动力, 对土壤结构的破坏小, 水土流失少, 保持水土。另外, 虽然该种方式起初投资较高, 但从长远来看, 它能带来非常可观的经济效益。

综合考虑各种因素, 考虑到茶树的特殊性, 选择微喷灌溉方式。该茶园灌溉系统的输水部分主要由水源、输水渠系、水泵、压力输水管道及喷头等部分组成。采用固定式微灌, 除喷头外, 其余均固定不动, 其干、支管道埋设在茶园土层内, 由水源、动力机和水泵构成泵站。

2.2 检测和监测部分

将茶树不同生长期的需水参数 (如土壤的湿度 、土壤的温度 、大气的温度、大气的湿度和光照强度等信息) , 利用ACCESS建立数据库, 而相应的传感器采集到实时的土壤的湿度 、土壤的温度 、大气的温度、大气的湿度与光照强度等信息与先前建立的茶树生长信息数据库进行比较和推理, 然后形成灌溉方案。通过控制器控制执行装置, 完成灌溉。该系统可以实时保存采集到的数据、查询或者检索以往的历史数据。监测与检测部分由系统软件可自动生成灌溉方案, 实现了自动化灌溉, 如图2所示[7]。

2.3 控制器及执行装置

通过查阅大量资料发现, 大部分农业灌溉中所使用的水泵基本上是采用电动机全额运行, 通过阀门来调节流量与压力, 电机不能调速, 通过调节多个阀门以满足灌溉流量的需要, 能量消耗大。而采用变频器进行调速, 虽然一次投资较大, 但可节约电能30 %。因此, 该灌溉系统采用基于PLC的变频恒压灌溉, 实现了茶园微喷的自动化控制。 该控制器及执行装置以变频器和可编程序控制器为系统控制的核心部件, 以设定压力为控制目标, 采用PID为控制算法, 与变频器组成恒压闭环控制系统, 如图3所示。

当变频器运行频率达到频率上限值时, 保持一段时间, 则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行, 并迅速启动下一台泵变频运行。此时, PID会继续通过由压力变送器送来的检测信号进行分析、计算和判断, 进一步控制变频器的运行频率, 使管压保持在压力设定值的上下限偏差范围之内。变频控制程序框图如图4所示。

2.4 通信的设计

考虑到该茶园的具体实际需要, 采用了有线通信方式。这是因为该种方式信号不易受到外部的干扰, 技术比较成熟。

3 结束语

本文针对某茶园的实际需要, 把虚拟仪器技术、传感器技术、数据库技术、变频技术和PLC技术结合起来, 开发了一套基于虚拟仪器技术的节水灌溉系统。该系统可以实现对茶园灌溉进行信息的自动监测和结果的后处理, 并利用lab view处理的结果来实现PLC、变频器及水泵等执行机构的合理喷灌。管理人员可坐在控制室里, 对采集土壤湿度等数据进行综合分析, 利用手动或自动方式, 足不出户地对整个茶园进行自动化灌溉。同时可以查询和打印, 还可以利用数据查询系统和打印系统, 随时记录茶园的土壤湿度、灌溉进程以及灌水历史记录等数据。

该系统能自动、适时和适量灌溉, 减轻了以往灌溉的劳动强度, 既提高了工作效率, 又实施精准灌溉, 提高了科学管理水平。整个系统运行可靠, 整套系统易于控制, 安全节能, 使用起来稳定性高, 获得了最佳的经济效益。

摘要：首先分析了茶园节水灌溉的必要性, 利用虚拟仪器技术、传感器技术、数据库技术、变频技术和PLC技术开发了一套茶园节水灌溉系统。整套系统使用起来稳定性高、易于控制且安全节能, 获得了最佳的经济效益。

关键词：茶园,节水灌溉,自动控制

参考文献

[1]佚名.茶园水分管理-灌溉方式的选取与设置[EB/OL].[2009-10-10].http://www.888tea.cn/html/16/32/32691/1.htm.

[2]佚名.茶园灌溉[EB/OL].[2009-10-10].http://www.qdzx.com/cwh/zaipei/gg.htm.

[3]佚名.茶园灌溉技术[EB/OL].[2009-10-10].http://www.zgny.com.cn/ifm/tech/show.asp-n-tec-id=27219.

[4]佚名.茶园灌溉技术[EB/OL].[2009-10-10].http://www.agronet.com.cn/Tech/Detail-17554.aspx.

[5]彭小红, 刘国东.基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计[EB/OL].[2009-10-10].http://info.ec.hc360.com/2005/08/17111665359-4.shtml.

[6]夏洪, 林刚勇, 朱兆优, 等.一种PLC控制的自动灌溉系统[J].机床与液压, 2007, 35 (7) :64-65.

[7]廖常初.可编程序控制器应用技术 (5版) [M].重庆:重庆大学出版社, 2007.

[8]佚名.LabVIEW用户指南[M].北京:清华大学出版社, 2000.