自動(dòng)灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中的應(yīng)用

劉浩波

（桂林誠(chéng)鄉(xiāng)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 桂林 541001）

隨著水資源的日趨緊張，世界各國(guó)都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，且在我國(guó)的用水結(jié)構(gòu)中，農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)用水總量的70%，其中90%以上用于灌溉，由于種種原因，我國(guó)水資源利用率及利用效率較低。近年來(lái)，我國(guó)灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)迅速興起，相關(guān)研究已深入到將氣象因素、蒸騰量和土壤含水率相結(jié)合的綜合灌溉控制。但由于我國(guó)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)方面的研究起步較晚，與國(guó)外相比，灌溉自動(dòng)化水平不高。因此，研發(fā)設(shè)計(jì)自動(dòng)化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，加強(qiáng)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的概述

1.1 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的工作原理

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由中央控制計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電磁閥及軟件系統(tǒng)組成，制定各自相應(yīng)的灌溉制度（最適宜作物生長(zhǎng)、生育的土壤含水率指標(biāo)上下限，可以灌溉的風(fēng)速值、雨量值），并通過(guò)傳感器將測(cè)得的土壤墑情實(shí)時(shí)傳輸給中央控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)判斷是否需要灌溉。當(dāng)土壤含水率指標(biāo)小于設(shè)定的下限值時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)打開(kāi)電磁閥灌溉，當(dāng)土壤含水率指標(biāo)大于設(shè)定的上限值時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)田間的電磁閥停止灌溉。

1.2 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）自動(dòng)灌溉系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)反沖洗過(guò)濾系統(tǒng)，組裝簡(jiǎn)單、反沖洗次數(shù)少、抗腐蝕能力強(qiáng)、自動(dòng)清洗效果好。

（2）自動(dòng)灌溉系統(tǒng)采用先進(jìn)的水肥混合技術(shù)，可自由設(shè)定施肥時(shí)間和管道沖洗時(shí)間，施肥均勻性高，濃度可調(diào)，根據(jù)作物種類和生長(zhǎng)的不同階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用方便。

（3）自動(dòng)灌溉系統(tǒng)除全自動(dòng)控制外，系統(tǒng)還允許管理人員采用半自動(dòng)、手動(dòng)等控制方式，控制方式多樣化，適應(yīng)多樣化的管理。

（4）自動(dòng)灌溉系統(tǒng)采用的是智能決策灌溉，杜絕了人工開(kāi)啟閥門的隨意性，保證了灌溉精度，方便對(duì)農(nóng)作物灌溉施肥的管理。

（5）自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由于采用自動(dòng)灌溉控制，可很好地保證灌溉時(shí)間、灌溉水量、灌溉精度，使灌水量得到了有效的保證。

（6）應(yīng)用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，由于電磁閥的開(kāi)啟均由中央監(jiān)控室統(tǒng)一管理，可節(jié)省大量的勞動(dòng)力，從而大大節(jié)省了人力成本。

事實(shí)證明，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)具有投資少、效益高、運(yùn)行可靠、節(jié)水顯著、故障低、節(jié)約人工等優(yōu)點(diǎn)，是高科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體運(yùn)用，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量參數(shù)

在進(jìn)行自動(dòng)化灌溉控制時(shí)，由于不同的作物對(duì)水分的需求量是不一樣的，且土壤溫度也是決定是否灌溉的一個(gè)重要參數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，測(cè)量參數(shù)需考慮到土壤水分和土壤溫度。

2.1.1 土壤水分測(cè)量

土壤水分是土壤的重要組成部分，土壤水分的測(cè)量是實(shí)施節(jié)水灌溉、按需灌溉的基礎(chǔ)。目前，適宜用于自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中的土壤水分測(cè)量方法為負(fù)壓式傳感器法。用負(fù)壓式傳感器法來(lái)測(cè)量土壤的水分，具有田間原位測(cè)定、快速直讀、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、價(jià)格低廉、無(wú)放射性物質(zhì)、安全可靠、便于長(zhǎng)期觀測(cè)和積累田間水勢(shì)資料等優(yōu)點(diǎn)，是一種低成本的直接測(cè)量方法，能夠連續(xù)測(cè)量土壤含水量。

2.1.2 土壤溫度測(cè)量

由于控制系統(tǒng)中對(duì)于土壤溫度的測(cè)量要求不是很高，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求選擇一個(gè)價(jià)格低、性能好、電路簡(jiǎn)單、具有一定精度的溫度傳感器。目前，常用的測(cè)溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和半導(dǎo)體集成溫度傳感器等。在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體溫度傳感器由于具有小型化、線性好、低成本、易于電路設(shè)計(jì)或控制電路接口等優(yōu)點(diǎn)，最適合用在控制系統(tǒng)中測(cè)量土壤溫度。

另外，至于其他的參數(shù)，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在測(cè)量參數(shù)已足夠和簡(jiǎn)化系統(tǒng)降低成本的前提下，可以不用考慮測(cè)量。

2.2 傳感器數(shù)量

針對(duì)土壤情況不同，需要的傳感器數(shù)量也不同。有的土壤一致性好，只需一個(gè)傳感器測(cè)量土壤墑情；有的土壤一致性差，需要多支傳感器來(lái)測(cè)量土壤墑情。同時(shí)，土壤的面積有大有小，也決定了需要不同數(shù)量的傳感器。一般，在設(shè)計(jì)時(shí)連接三個(gè)負(fù)壓式土壤水分傳感器、一個(gè)溫度傳感器。

2.3 作物缺水判斷

不同的作物對(duì)水分的需求是不同的；周圍環(huán)境不同，作物的需水量也會(huì)有所不同；即使同一作物，在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求也不同。因此，作物缺水判斷是控制系統(tǒng)通用性設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，控制儀器則應(yīng)具有允許操作者通過(guò)鍵盤設(shè)定判斷土壤缺水標(biāo)準(zhǔn)的功能；對(duì)不同作物，農(nóng)業(yè)專家可憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定不同的判斷值來(lái)實(shí)現(xiàn)作物按需灌溉。這樣，不僅能充分利用農(nóng)業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn)，還可以使自動(dòng)化灌溉控制儀器適用于許多不同作物，提高了儀器的通用性。

2.4 灌溉控制方式

目前，我國(guó)各個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉系統(tǒng)的水狀況不一樣，有的采用電機(jī)控制水流、有的采用水泵加壓后才能進(jìn)行灌溉，有的采用電磁閥代替手動(dòng)閥門控制水流灌溉。因此，控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到控制信號(hào)的通用性，既能控制電機(jī)、水泵，又能控制電磁閥。設(shè)計(jì)時(shí)，由于這三種輸水設(shè)備均是通過(guò)接通電源工作的，因此可在輸水設(shè)備的電源線上加一個(gè)開(kāi)關(guān)，由控制系統(tǒng)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的閉合，即可實(shí)現(xiàn)由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌溉的自動(dòng)化控制。

不同土壤滲水能力也不同，如砂土滲水能力強(qiáng)，黏土滲水能力較弱。在灌溉時(shí)，如黏土土壤，因?yàn)樗植荒芗皶r(shí)滲入土壤深層，致使土壤吸力傳感器不能準(zhǔn)確判斷土壤是否已經(jīng)灌溉結(jié)束，導(dǎo)致實(shí)際澆水量已足夠而系統(tǒng)設(shè)備仍在繼續(xù)澆灌，從而沒(méi)有達(dá)到節(jié)水的目的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到不同土壤的滲水能力，可設(shè)計(jì)幾種不同的灌溉方式，針對(duì)不同的土壤選擇不同的與之相適應(yīng)的灌溉方式，以保證能夠達(dá)到節(jié)水的目的。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中起著核心的作用。在設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)軟件采用WEB界面的C/S軟件結(jié)構(gòu)。邏輯上系統(tǒng)由界面子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)構(gòu)成。界面子系統(tǒng)主要是將測(cè)控儀送來(lái)的當(dāng)前土壤水分和溫度檢測(cè)結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)；通訊子系統(tǒng)則是將設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)值發(fā)送給測(cè)控儀，并接受測(cè)控儀發(fā)送來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的自動(dòng)灌溉條件自動(dòng)開(kāi)、關(guān)灌區(qū)灌溉電磁閥門完成自動(dòng)灌溉。

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮各種農(nóng)作物的灌溉制度，在確定各農(nóng)作物的生育期及土壤含水量和灌水定額的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，以便在應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，用戶可直接在計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入農(nóng)作物的相關(guān)信息，系統(tǒng)則可準(zhǔn)確計(jì)算出各農(nóng)作物的適宜土壤含水量和每次的灌水額，用于指導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行。

3 對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中應(yīng)用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的展望

（1）可設(shè)定土壤的負(fù)壓力、溫度值，并根據(jù)不同作物、不同土壤條件設(shè)定灌溉方法，從而增大設(shè)備的適用范圍。

（2）擴(kuò)大系統(tǒng)的控制方式，實(shí)現(xiàn)在工作室或家里就可以進(jìn)行施肥、灌溉等日常工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制農(nóng)業(yè)種植與灌溉。

（3）由于我國(guó)地面灌溉量大、面廣，要精細(xì)地面灌溉技術(shù)，急需采用推廣應(yīng)用激光控制平地技術(shù)、水平畦田灌溉技術(shù)、田間閘管灌溉系統(tǒng)以及土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等一切改進(jìn)地面灌溉措施，逐步實(shí)現(xiàn)田間灌溉水的有效控制和適時(shí)適量的精細(xì)灌溉。

（4）建立“土壤墑情監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)”，對(duì)全國(guó)農(nóng)田墑情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)灌溉用水和抗旱減災(zāi)服務(wù)。在監(jiān)測(cè)土壤墑情的同時(shí)，與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐淖魑镄杷肯嘟Y(jié)合，可科學(xué)確定灌溉用水計(jì)劃。

（5）控制部分的數(shù)據(jù)采集應(yīng)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，不能局限于濕度和雨量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，應(yīng)包括傳感器的一些應(yīng)用，通過(guò)在農(nóng)田部署一定密度的空氣溫度、土壤濕度、土壤肥料含量、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等傳感器，可以更好地對(duì)農(nóng)田管理微觀調(diào)控，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了傳感技術(shù)與單片微機(jī)技術(shù)，將工業(yè)測(cè)控技術(shù)和農(nóng)業(yè)種植與灌溉技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了新的、精確量化的節(jié)水灌溉模式。目前，隨著水資源的日趨緊張和我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，將自動(dòng)灌溉系統(tǒng)應(yīng)用于我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中，對(duì)節(jié)水灌溉和提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和指導(dǎo)用戶進(jìn)行科學(xué)種植有著重要意義。

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3 張杰、黎耀貴、楊冬升.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析與選擇［J］.中國(guó)水運(yùn)，2008（3）