節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

池麗敏，張　倩，陳　丹

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津市300250）

節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

池麗敏1，張倩2，陳丹1

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津市300250）

節(jié)水灌溉控制是研究如何根據(jù)土壤條件、土壤水分信息及作物需水特性進(jìn)行合理的灌溉決策，即將傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)由人工手動(dòng)閥門(mén)控制灌溉方式改為自動(dòng)進(jìn)行適時(shí)適量、按需精確灌溉控制。整個(gè)控制系統(tǒng)主要有四個(gè)模塊:檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字模塊及控制模塊。根據(jù)設(shè)定值控制灌溉，整個(gè)控制系統(tǒng)能夠正常工作，實(shí)現(xiàn)了適時(shí)、按需精確灌溉，達(dá)到高效節(jié)水的目的。

節(jié)水灌溉；灌溉控制；自動(dòng)控制

0　引言

節(jié)水灌溉技術(shù)包括兩方面內(nèi)容:（1）工程節(jié)水技術(shù):通過(guò)對(duì)原有灌溉工程設(shè)施進(jìn)行改造或使用先進(jìn)的灌溉工程設(shè)施以達(dá)到減少輸水損失和減少田間用水損失的方法。如渠道防滲、管道輸水、噴灌、微噴灌、滴灌等。（2）灌溉控制技術(shù):通過(guò)采用自動(dòng)控制技術(shù)，結(jié)合作物需水特性、地理環(huán)境、土壤特征與節(jié)水灌溉制度等實(shí)行按需的、適時(shí)的自動(dòng)灌溉控制[1]。

工程節(jié)水技術(shù)主要是從兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的，一是減少水在田間傳輸過(guò)程中的滲漏損失，如渠道防滲和管道輸水技術(shù);二是減少灌溉過(guò)程中的無(wú)效灌溉，即均勻灌水或是只對(duì)作物根部附近的土壤進(jìn)行灌溉。利用工程節(jié)水技術(shù)一般可提高水資源利用率到50%～70%，相對(duì)傳統(tǒng)的灌溉方式來(lái)說(shuō)己經(jīng)有很大改善，但是仍存在30%以上的水資源浪費(fèi)，且與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)仍有一段距離。這主要是因?yàn)檫@種灌溉模式仍然是靠人工控制，灌溉的多少全憑經(jīng)驗(yàn)，不能實(shí)現(xiàn)按作物的需水特性精確、高效灌溉。而灌溉控制技術(shù)的發(fā)展正可以彌補(bǔ)工程節(jié)水技術(shù)的這一缺陷，它采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，檢測(cè)土壤墑情，根據(jù)地理環(huán)境和作物生長(zhǎng)的需水特性按需、精確灌溉，可大大提高水資源的利用率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

我國(guó)對(duì)節(jié)水灌溉十分重視，采取了很多節(jié)水灌溉方式，并取得了較好的節(jié)水效果，現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉技術(shù)是我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)今后發(fā)展的主要方向。但是在節(jié)水灌溉控制技術(shù)方面，我國(guó)還處于較低水平，國(guó)內(nèi)基本上還沒(méi)能生產(chǎn)出成型的、能夠推廣的自動(dòng)控制灌溉產(chǎn)品，基本還是手動(dòng)閥門(mén)來(lái)操作。因此，一套成型的能夠推廣的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)是目前我國(guó)發(fā)展節(jié)水灌溉十分緊要的問(wèn)題[2-10]。

1　節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的發(fā)展

1.1國(guó)外的發(fā)展

節(jié)水灌溉在世界各國(guó)的農(nóng)業(yè)中占有重要地位，國(guó)外節(jié)水灌溉發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，電子技術(shù)水平較高，所以與節(jié)水灌溉配套的自動(dòng)控制系統(tǒng)也較完善和先進(jìn)。目前在國(guó)際上技術(shù)比較成熟、應(yīng)用較廣的灌溉控制技術(shù)主要有兩種：專(zhuān)家系統(tǒng)和微機(jī)測(cè)控技術(shù)。

專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)模擬人腦思維方式，以知識(shí)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，即采用計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)，用埋在地下的濕度傳感器測(cè)得土壤濕度信息，或者通過(guò)檢測(cè)植物莖、果的直徑變化來(lái)決定對(duì)作物的灌溉計(jì)劃和灌溉量。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉控制器，通常能控制幾路或十幾路電磁閥，內(nèi)置若干套灌溉管理程序，預(yù)先設(shè)定灌水開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間和間隔時(shí)間，自動(dòng)化、智能化控制，運(yùn)行精密可靠、節(jié)省人力[11]。

微機(jī)測(cè)控技術(shù)，它是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)以及通訊技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能夠檢測(cè)土壤墑情、環(huán)境特征，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)決定灌溉量與灌溉時(shí)間，擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式[11-13]。

1.2國(guó)內(nèi)的發(fā)展

我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備自20世紀(jì)50年代從國(guó)外引進(jìn)后，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，主要是示范應(yīng)用。到20世紀(jì)90年代后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、水資源的緊張及國(guó)家的重視，節(jié)水灌溉得到了快速地發(fā)展，從國(guó)外引進(jìn)許多先進(jìn)節(jié)水灌溉設(shè)備，同時(shí)我國(guó)在滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)上的研究也取得很大進(jìn)步，但是在自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)方面技術(shù)還比較落后，基本上還沒(méi)有自行成型的自動(dòng)控制產(chǎn)品，絕大部分都依靠從國(guó)外進(jìn)口。因此，加速開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的成套、適用、可靠、低成本、高效率、先進(jìn)的智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)是十分必要和緊迫的。另外隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)等的迅速發(fā)展，節(jié)能精準(zhǔn)灌溉技術(shù)將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)工程研究的主要方向和特點(diǎn)。

2　智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究方案[14-17]是將傳感技術(shù)與單片機(jī)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單、低成本、易推廣的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)土壤及作物的一些灌溉控制參數(shù)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉，到達(dá)高效節(jié)水、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。整個(gè)控制系統(tǒng)主要應(yīng)該有四個(gè)模塊:檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字模塊及控制模塊。

2.1測(cè)量參數(shù)

不同的作物對(duì)水分的需求量是不一樣的。按需、精準(zhǔn)灌溉就是要根據(jù)作物的需水特性來(lái)控制灌溉量，使土壤的含水量能剛好達(dá)到作物的需求。這樣做的目的不僅僅是節(jié)水，還能促使作物更好的生長(zhǎng)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。因?yàn)閷?duì)作物來(lái)說(shuō)，土壤含水量并不是越多越好，對(duì)某些作物來(lái)說(shuō)，水分太多反而會(huì)抑制生長(zhǎng)，適量的水分對(duì)作物的生長(zhǎng)才是最有益的。

要實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉，土壤水分是必須測(cè)量的最主要的參數(shù)。水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分，它不僅影響土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng)，是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素，而且它本身更是一切植物賴(lài)以生存的基本條件。除了土壤水分外，土壤溫度也是決定是否灌溉的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)闇囟冗^(guò)低，灌溉會(huì)凍傷作物的根系，因此，必須要監(jiān)測(cè)土壤溫度，在土壤溫度過(guò)低時(shí)就停止?jié)菜?/p>

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)量是不一樣的。有的土壤一致性好，只需一個(gè)傳感器測(cè)量土壤墑情就可，但有的土壤一致性差，就需要多支傳感器來(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。因此，控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要配備多支傳感器。而且，配備多支傳感器也能增強(qiáng)控制系統(tǒng)功能，能夠同時(shí)控制不同作物的灌溉。但是，傳感器的數(shù)量也不能太多，傳感器路數(shù)太多也會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮所需配備的傳感器數(shù)量。

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?chē)h(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。我國(guó)的作物有幾千種，不同的作物有不同的缺水狀況;我國(guó)面積廣大，氣候條件變化無(wú)常。怎樣才能使控制系統(tǒng)適應(yīng)不同的作物，在不同氣候條件和不同季節(jié)都能實(shí)現(xiàn)按需灌溉，這是控制系統(tǒng)通用性設(shè)計(jì)最主要要解決的問(wèn)題。如果解決不好，控制系統(tǒng)也就失去了其推廣的意義。

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(mén)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。

3　智能控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

某項(xiàng)目約500畝，溫室聯(lián)棟大棚，種植蔬菜，85只電磁閥門(mén)，采用智能控制系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、等部分組成。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將大棚生產(chǎn)中所需的溫濕度、光照等信息發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制裝置；在面積較大的溫室大棚中，可以采用基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集終端。通過(guò)由3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)組成的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到管理中心，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見(jiàn)圖2、圖3。

圖2　有線(xiàn)數(shù)據(jù)采集

圖3　無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集

滴灌使用土壤水份測(cè)量設(shè)備，測(cè)量土壤水份。噴灌使用降雨量傳感器，測(cè)量降雨量。

可以實(shí)現(xiàn)多種灌溉模式。設(shè)備由太陽(yáng)能電池供電，無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

有小型氣象站，可實(shí)現(xiàn)天氣預(yù)報(bào)功能，供系統(tǒng)決策使用。

智能控制軟件，泵站內(nèi)有觸摸屏系統(tǒng)，監(jiān)控中心也能控制。

4　結(jié)論與建議

節(jié)水灌溉技術(shù)是比傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)明顯節(jié)約用水和高效用水的灌水方法。但我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)目前存在一些問(wèn)題，如采用噴灌、微灌和管道輸水等先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的比例還很低，節(jié)水灌溉設(shè)備質(zhì)量差、配套水平低廠(chǎng)技術(shù)創(chuàng)新與推廣體系不健全灌溉用水管理技術(shù)落后，信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)在灌溉用水管理的應(yīng)用還很少，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同地區(qū)的自然經(jīng)濟(jì)狀況，包括水資源狀況、氣候條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式、作物種類(lèi)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等，科學(xué)確定不同地區(qū)、不同階段的節(jié)水灌溉發(fā)展模式，加快研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)、適用的農(nóng)業(yè)高效用水技術(shù)及科學(xué)的智能控制系統(tǒng)。

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S275

B

1009-7716（2016）03-0082-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.024

2015-11-24

池麗敏（1981-），女，河北張家口人，工程師，從事水利規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。