現代化灌溉自動測報系統建置

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農學報導

現代化灌溉自動測報系統建置

刊登日：104/12/23

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以彰化水利會「三條圳自動化水門」為例

近年因氣候變遷致洪澇及枯旱發生的頻率有升高趨勢，農委會除協助各農田水利會建置自動化測報設施，以因應防災及農業灌溉水源調度需求，另一方面更積極投入自動化智慧水門應用，整合現代監測與遙控技術，發展創新之農田灌溉模式，以達節省灌溉用水，提升水源利用率之目標。本文以彰化農田水利會所轄管之莿仔埤圳新永基幹線北幹線灌區215公頃作為自動化水門設置計畫，藉以探討自動化水門之省水效果。
一、計畫研究區域
（一）灌區概述
本計畫研究區域位於莿仔埤圳新永基幹線灌區內，莿仔埤圳為彰化農田水利會第二大灌溉系統，於溪洲地區引濁水溪水源灌溉，水路流經溪州、埤頭、二林、芳苑、北斗、竹塘、大城地區，幹線39公里、支線211公里、分線148公里，沿線灌溉農田面積15,281公頃，流域範圍如圖1，且濁水溪灌溉水，夾帶大量肥沃的「黑泥」富含礦物質，可補充農田養分，改善當地貧瘠的礫石層地質條件，並於農閒時，田間蓄水至滿水位靜置待泥砂沉澱後，亦可將肥沃的黑土加以變賣，為當地田間於休耕時，常見的蓄水景象。溪洲地區除了種植稻米外，亦種植多種旱作植物，如芭樂、紅甘蔗、火龍果、哈密瓜等，皆馳名遠近，近年因中科四期開發案，工業用水需求增加，灌溉配水量及水權問題皆為農業及工業用水之間須解決且受各界關注的議題。本計畫乃針對新永基幹線北幹線灌區內之1～5輪區進行精密灌溉用水探討，灌區總面積約為215公頃，各輪區面積如表1所示，土壤性質屬於砂質壤土。

表1. 輪區面積

輪區別	輪區面積(ha)
三條圳重劃區北幹線第1輪區	51.03
三條圳重劃區北幹線第2輪區	37.20
三條圳重劃區北幹線第3輪區	39.95
三條圳重劃區北幹線第4輪區	43.76
三條圳重劃區北幹線第5輪區	42.72

（二）水文資料
莿仔埤圳流域屬亞熱帶季風型氣候，因位於臺灣中部，冬季東北季風受中央山脈的阻隔，所以降雨量少且氣候乾燥，常有乾旱發生，夏季西南季風沿海岸平原吹入，因地形抬升及局部熱對流共同作用，外加夏季季風侵襲，為夏季帶來豐沛降雨。流域年平均降雨量1,750 mm，雨量多集中於5月～9月（豐水期），流域年平均溫度約為23℃左右，平均最低溫發生於1月（16.2℃），平均最高溫發生於7月（28.5℃），於新永基北幹線1～5輪區內設有6座流量監測站、6座田間湛水深監測系統、5座取水門如圖2，進行流量及水位監測以及灌溉配水調整，而氣象站選用臺中農改場測站收集蒸發散量觀測資料及彰化農田水利會溪州雨量站收取降雨資料。
（三）灌區灌溉水源及灌溉制度
北幹線水源主要取自舊永基幹線水源匯入新永基後之新永基幹線，3條圳幹線制水門監控站調控來自新永基幹線水源，並於此監控站分為5扇制水閘門分別流入北側溝、3條圳幹線、第1輪區第一小給、第一主給及南幹線，如圖2所示，於北幹線1～5輪區，依輪區次序給予灌溉供水。
二、模式理論基礎
（一）田間水平衡理論
本計畫採用水收支平衡法（Water Balance）之理論，在質量守恆的條件下，於一控制系統內總流入量等於總流出量（水密度不變）的原理來推估田間多餘水量，透過一維微觀孔隙介質流況表示為：qin-qout = ds/dt
其中qin為入流量、qout為出流量、 qout為控制體積儲蓄量、t為時間。
若將田區視為一線性水庫，考慮qin為降雨補助及灌溉引水，qout為作物蒸發散、地表逕流、淺層地下水出流及入滲，qout為田間蓄水量（田間湛水深與淺層土壤含水量總和），則圖3為三維水田水文循環系統簡易模型。
（二）灌區出水口高度設定及需水量計算
依據水稻不同生育階段之湛水深度訂定出水口高度，並為判斷田間是否停止灌溉之參數，參考甘俊二教授依據臺灣水稻栽培生長階段，所提供的適當灌溉用水管理，設定一、二期作灌溉之出水口高度，並加以計算灌溉需水量，如圖4所示及圖5所示。
（三）精密灌區灌溉系統設置及運作
本計畫選定三條圳幹線灌溉區之封閉系統（流入系統與流出系統之流量均得以掌握），進行田間用水自動灌溉控制系統建置，本系統中之田間水深水份站、水位站等監測資料透過MDVPN通訊方式將即時監測資料上傳至農委會所建置之雲端監測系統內，田間用水模型可透過Web Services介接田間水深水份站與水位站即時資料，進行田間需水量估算，其計算成果再傳送至監測系統平臺中，如圖6、圖7、圖8及圖9所示。閘門控制站之控制主機再經由網路方式取得田間需水量資料，透過閘門控制主機之PID控制模型，自動控制現場閘門開度，使閘門實際供水量與田間需水量差距小於可接受範圍之內。
（四）閘門PID控制方法
1.方法簡介
PID是要取代傳統人工觀察輸出結果，逐步調整輸入，已獲得理想、穩定輸出結果的一個過程。PID控制迴路包括三個部分，分別為：
（1）系統的感測器得到的測量結果（流量，由水位換算而得）
（2）控制器作出決定
（3）通過一個輸出設備來作出反應（DO，調整開度）
控制器從感測器得到測量結果，然後用需求結果減去測量結果來得到誤差。然後用誤差來計算出一個對系統的糾正值來作為輸入結果，這樣系統就可以從它的輸出結果中消除誤差。在一個PID迴路中，這個糾正值有三種演算法，消除目前的誤差，平均過去的誤差，和透過誤差的改變來預測將來的誤差。以本案為例，要讓渠道供水流量達到灌溉建議值，需先用感測器測量目前的流量，再由控制器控制閘門開度，調整流量供給，閘門開度就是控制變數。
2.演算法
PID是以它的3種糾正演算法而命名的。這3種演算法都是用加法調整被控制的數值，其輸入為誤差值（設定值減去測量值後的結果）或是由誤差值衍生的信號，如圖10。
本案目前實做成果，以每5分鐘調控一次閘門的週期，在設定完目標流量後，大約在五次做動內可將流量逼近0.01CMS的誤差內。
以上游水位0.11m，下游水位0.09m的條件下，設定目標流量為0.30CMS的閘門自動控制作動成果，如圖11所示。
三、結論
本計畫由田間水位監測站，取得田間水位、田間蒸發散及降雨資料，並透過雲端整合系統，提供模式抓取即時資料，每2小時進行模式運算，運算過程包含田間入滲量、蒸發散量、降雨量、排水量之計算，並求得田間灌溉需水量，結合實際監測進出流量，建立閘門作動機制，並於每6小時模式提供閘門操作訊息，確實可達依田依用水需求，自動調控水門供應灌溉水量。
由102年相關氣侯資料及北幹線1～5輪區實際灌溉用水量，在另考量農民取水習慣之條件下，使用本計畫建立之田間用水模式及智慧水門控制流量之結果，初步推估可節省約20%灌溉用水量，此為本計畫初步設想農民依既定灌溉時間準時取水，且依模式目標湛水深加以浸田之結果，於實際灌溉操作上，各水稻坵塊仍需依農民取水狀況而定，但經本計畫模式推估結果，仍有相當之節水空間。因此自動化水門設施於104年初才建置完成，仍有待後續進行實際資料蒐集及操作後，再進一步分析相關用水量，其結果可作為水利會推行節水灌溉參考。

文圖/朱孝恩農委會農田水利處