新型稻田節(jié)水系統(tǒng)研究

摘要：為了實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，達(dá)到成本低廉和知識(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要求，提出了一種基于電氣開(kāi)關(guān)控制灌溉和人工控制回收的新型稻田節(jié)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為灌溉和回收2個(gè)部分，液位開(kāi)關(guān)控制稻田水位實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，廢水通過(guò)自然回收加以凈化利用。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)和電氣控制原理圖，有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新型稻田；節(jié)水灌溉；系統(tǒng)原理；PLC；廢水回收；利用；廢水凈化利用

中圖分類號(hào)： S274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）03-0184-03

收稿日期：2016-03-15

基金項(xiàng)目：浙江省水利廳科技計(jì)劃（編號(hào)：RC1441）。

作者簡(jiǎn)介：吳衛(wèi)峰（1966—），男，江西上饒人，碩士，副教授，主要從事機(jī)電控制研究。E-mail：wuwf@zjweu.edu.cn。

我國(guó)水稻種植面積占糧食總面積近三成，而其耗水量占全國(guó)總用水量的一半左右，占農(nóng)業(yè)總用水量的近七成，但利用率只有四成左右[1]，大力發(fā)展水稻節(jié)水灌溉，是緩解農(nóng)業(yè)用水供需矛盾、促使農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效的有效措施，對(duì)保證我國(guó)糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

生態(tài)節(jié)水、降本增效是節(jié)水灌溉的2個(gè)重要方面。生態(tài)節(jié)水不僅重視節(jié)約水資源，還要重視廢水回收處理利用；降本增效要求以低勞動(dòng)力和成本實(shí)現(xiàn)高收益。技術(shù)和成本是一對(duì)矛盾體，強(qiáng)調(diào)技術(shù)就得提高成本，控制成本就得犧牲技術(shù)，如何統(tǒng)籌技術(shù)和成本從而有效達(dá)到生態(tài)節(jié)水、降本增效，是節(jié)水灌溉的重點(diǎn)和難點(diǎn)。將“3S”、電子信息、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于節(jié)水灌溉是目前研究的熱門課題?？镉翰扇√镩g試驗(yàn)、實(shí)物制作、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和人工智能等方法研究水稻節(jié)水灌溉的自動(dòng)調(diào)控管理體系[2]；紀(jì)建偉等運(yùn)用傳感器、PLC控制和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)稻田灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]；石建飛等以PLC為控制核心，通過(guò)無(wú)線通信、數(shù)據(jù)采集分析實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉和施肥自動(dòng)控制[4]；劉超等設(shè)計(jì)一種采用無(wú)協(xié)議通信方式PLC監(jiān)控系統(tǒng)[5]；夏洪等通過(guò)傳感器信號(hào)PLC控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)稻田灌溉[6]。專家學(xué)者做了大量研究工作，取得了不少成果，促進(jìn)了稻田自動(dòng)灌溉技術(shù)日益成熟，但成果現(xiàn)實(shí)應(yīng)用推廣卻不盡如人意，究其原因主要存在3個(gè)方面問(wèn)題：（1）技術(shù)復(fù)雜、不經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)今稻田自動(dòng)灌溉過(guò)分強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化，采用了大量先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，前期建設(shè)工作量大，一次性成本投入大，后期使用維護(hù)難度大，對(duì)操作人員技術(shù)要求很高。（2）脫離國(guó)情、成本效益差。水稻種植經(jīng)濟(jì)效益不高，是國(guó)家重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè)。農(nóng)民文化程度普遍偏低，傳統(tǒng)耕作觀念根深蒂固，面對(duì)大投入低回報(bào)對(duì)先進(jìn)技術(shù)自然產(chǎn)生抗拒，市場(chǎng)推廣前景暗淡。（3）重視前端灌溉節(jié)水，忽視后端廢水循環(huán)利用。廢水含有較多化肥和農(nóng)藥，正確處理廢水不盡，可以減輕對(duì)環(huán)境污染，還可變廢為寶，節(jié)約大量水資源。

因此，建立在不計(jì)成本，過(guò)分強(qiáng)調(diào)先進(jìn)理念，田間地頭布滿管路閘閥、監(jiān)測(cè)元件和控制設(shè)施，技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜上的稻田自動(dòng)灌溉技術(shù)不是水稻節(jié)水灌溉的發(fā)展方向，符合國(guó)情、技術(shù)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高、使用簡(jiǎn)便，注重廢水回收的實(shí)用型灌溉模式才是現(xiàn)實(shí)之需。其難點(diǎn)在于：（1）灌溉控制原理簡(jiǎn)單可靠，控制設(shè)施操作維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用；（2）田間閘閥、監(jiān)控設(shè)備無(wú)投入，灌溉不受影響；（3）廢水回收利用因地制宜，不增加額外成本。我國(guó)水稻種植分布范圍廣，地形復(fù)雜，主糧區(qū)大多地勢(shì)較平坦，本項(xiàng)目選取平坦稻田開(kāi)展研究。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思想

本著系統(tǒng)的實(shí)用性和推廣性要求特作如下設(shè)計(jì)：（1）稻田采用自動(dòng)灌溉；排放、回收廢水靠自流完成，無(wú)需借助動(dòng)力和控制設(shè)施；廢水集中凈化或利用。稻田自動(dòng)灌溉關(guān)鍵是如何監(jiān)測(cè)田間水位及根據(jù)水位的變化采用何種最簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)的方式控制泵的運(yùn)行；廢水排放回收關(guān)鍵是如何人為地構(gòu)造高低面；廢水利用關(guān)鍵是收集。（2）基于平坦農(nóng)田基本處于等高面水位，若將出水池底面做成與稻田面等高，只需在出水口一處監(jiān)測(cè)水位就大致反映田間水位狀況，省去田間布滿監(jiān)測(cè)元件和閘閥等控制設(shè)施。水位監(jiān)測(cè)采用3點(diǎn)位連桿浮球液位開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)控制采用質(zhì)高價(jià)廉的電氣開(kāi)關(guān)控制，以減少控制設(shè)備數(shù)量，降低布線復(fù)雜度和成本。（3）系統(tǒng)輸水首尾由一根主管直通，管道采用薄壁鋼絲混凝土管，價(jià)格為同口徑混凝土管的33%[7]，田間地頭無(wú)需埋設(shè)其他管網(wǎng)。田間開(kāi)挖溝坑相通，主管與稻田通過(guò)管接頭相通。（4）為了廢水自然排放回收，根據(jù)薄露灌溉[8-9]常用水位2 cm量程范圍，主管安裝和全部稻田面沿主管方向要人為形成小于0.5 cm的落差以構(gòu)造高低面。（5）在出水池旁設(shè)置回水池，廢水經(jīng)由出水池自動(dòng)流向回水池進(jìn)行處理，還可作為另一水源向稻田灌溉。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不高，成本投入很少。水泵和電機(jī)可與傳統(tǒng)灌溉的水泵和電機(jī)通用，只增加了幾只普通電氣開(kāi)關(guān)、1只接觸器、1只3點(diǎn)位連桿浮球液位開(kāi)關(guān)管道和土石方量大量減少。電氣開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)成本僅需300元左右，操作簡(jiǎn)單可靠；3點(diǎn)位連桿浮球液位開(kāi)關(guān)只需50元左右，安裝容易可靠。整個(gè)系統(tǒng)增加的成本與減少成本相比可以忽略不計(jì)，因此無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是技術(shù)分析來(lái)看系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是可行的。

1.2系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由泵站、輸水管路、監(jiān)控裝置和回收利用設(shè)施等組成。泵站由水源1、電機(jī)4、混流泵6、吸水管3、吸水管開(kāi)關(guān)2和泵排水管7構(gòu)成；輸水管路由排水池8、出水池9、主管12、短管13和回水擋板18組成，排水池與出水池相通，出水池與主管連通，另一側(cè)經(jīng)由回水擋板與回水池通斷；監(jiān)控裝置由電氣控制器5和水位傳感器10等組成；回收利用設(shè)施由回水池14、回水管15、廢水吸管16和廢水管開(kāi)關(guān)17組成（圖1）。

自動(dòng)灌溉和自然回收是系統(tǒng)節(jié)水兩大功能。為使灌溉和回收能及時(shí)切換而互不影響，特設(shè)了回水擋板，擋板啟閉由人工操作完成。為調(diào)節(jié)水溫和穩(wěn)定水位，增置了出水池，一方面增加晾曬時(shí)間以提高水溫，另一方面可消弱水泵排水沖擊波動(dòng)對(duì)水位傳感器干擾。灌溉時(shí)，關(guān)閉回水擋板阻止灌溉用水流向回水池；回收時(shí)，打開(kāi)回水擋板讓出水池和稻田的水回流到回水池。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能原理清晰，操控方便，只需人工開(kāi)關(guān)幾個(gè)按鈕和擋板就可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)灌溉和回收，省心省力。其工作原理如下：灌溉時(shí)，關(guān)閉回水擋板18，關(guān)閉泵廢水吸管手動(dòng)開(kāi)關(guān)17，打開(kāi)泵吸水管手動(dòng)開(kāi)關(guān)2，啟動(dòng)電氣控制器5使電機(jī)4工作，驅(qū)動(dòng)混流泵6從水源1提水，水由排水池8流經(jīng)出水池9過(guò)程中日曬升溫后進(jìn)入主管12，由主管經(jīng)由稻田短管13流向稻田11，當(dāng)?shù)咎锏乃贿_(dá)到規(guī)定高度時(shí)，水位傳感器10開(kāi)關(guān)斷開(kāi)關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，提水泵停止工作直至下一次供水過(guò)程?；厥諘r(shí)，打開(kāi)回水擋板15，廢水自然流向回收池14進(jìn)行凈化儲(chǔ)存以待利用。廢水利用時(shí)，關(guān)閉泵吸水管手動(dòng)開(kāi)關(guān)2，打開(kāi)泵廢水管開(kāi)關(guān)17，廢水流向回水池，啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵6提廢水灌溉稻田11，方法同上。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制方案及原理

系統(tǒng)采用自動(dòng)和手動(dòng)相結(jié)合的方法控制。稻田自動(dòng)灌溉采用電氣控制方式，通過(guò)水位傳感器——常閉式連桿浮球液位開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)水位變化，決定電氣控制線路通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵控制，其他設(shè)施由人工操作。廢水自然回流，無(wú)需專門控制。

[JP2]常閉式連桿浮球液位開(kāi)關(guān)主要由浮球、磁簧開(kāi)關(guān)和環(huán)狀磁鐵組成，使用磁力運(yùn)作，無(wú)機(jī)械連接件，運(yùn)作簡(jiǎn)單可靠。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)浮動(dòng)浮球時(shí)，浮球帶動(dòng)主體移動(dòng)，同時(shí)浮球另一端的磁體將控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作桿上的磁體。在密閉的金屬或塑料管內(nèi)，設(shè)置一點(diǎn)或多點(diǎn)的磁簧開(kāi)關(guān)，然后將管子貫穿一個(gè)或多個(gè)，中空而內(nèi)部裝有環(huán)型磁鐵的浮球，并利用固定環(huán)，控制浮球與磁簧開(kāi)關(guān)在相關(guān)位置上，使浮球在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)。利用浮球內(nèi)的磁鐵去吸引磁簧開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)，產(chǎn)生開(kāi)與關(guān)的動(dòng)作。[JP]

控制原理如圖2所示，按下按鈕開(kāi)關(guān)SB2，由于連桿浮球液位開(kāi)關(guān)浮球沒(méi)浮動(dòng)一定位置一直常閉，控制線路導(dǎo)通，繼電器KM通電，接觸器KM閉合進(jìn)而三相開(kāi)關(guān)KM閉合，電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)水泵提水，當(dāng)水位上升浮動(dòng)連桿浮球液位開(kāi)關(guān)的浮球移動(dòng)到一定位置時(shí)，浮球內(nèi)的磁鐵吸引2磁簧片分離造成控制線路斷開(kāi)，繼電器KM失電導(dǎo)致接觸器KM斷開(kāi)，三相開(kāi)關(guān)KM分離，電動(dòng)機(jī)失電停轉(zhuǎn)，水泵停止工作，此水位就是當(dāng)前稻田所需控制水位，從而實(shí)現(xiàn)稻田自動(dòng)灌溉。水位控制的關(guān)鍵在于連桿浮球液位開(kāi)關(guān)浮球浮動(dòng)范圍設(shè)定。按鈕SB1為系統(tǒng)急停開(kāi)關(guān)，按鈕FR為熔斷保護(hù)開(kāi)關(guān)。

2.2水位控制方案

水稻的生長(zhǎng)期約需130 d。水稻需水規(guī)律是節(jié)水灌溉的重[CM（25]要依據(jù)，常以建立水層來(lái)滿足水稻對(duì)水的需求[7-9]：（1）淺[CM）][FL）]

[FK（W14][TPWWF2.tif][FK）]

水栽秧，濕潤(rùn)定苗。定苗水層約1 cm，維持3 d左右。（2）寸水返青，薄水分蘗。定苗后稻田應(yīng)保持1.5～2 cm淺水層返青促蘗，維持34 d左右。（3）夠苗曬田，控苗搭架。當(dāng)田間苗數(shù)達(dá)到預(yù)期穗數(shù)的80%時(shí)，要適度排水曬田，以控制后期無(wú)效分蘗。曬田時(shí)，放水落干3～5 d，再上新水1.5～2 cm，保水2～3 d，再放水落干，如此往復(fù)2～3個(gè)回合。（4）足水孕穗。稻田保持3.5～5 cm水層，確保穗大粒多，維持31 d左右。（5）抽穗保水。水層是1.5～2 cm，此時(shí)無(wú)水受旱，造成抽穗不齊或抽不出穗來(lái)，維持10 d左右。（6）干濕壯籽。灌漿結(jié)實(shí)期后應(yīng)進(jìn)行干濕交替間歇灌溉，水層是 1～2 cm，維持30 d左右。（7）進(jìn)入黃熟階段后，稻田應(yīng)排水落干。

水稻生長(zhǎng)期需1、2、5 cm 3段水位，因此需設(shè)置能實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)控制的連桿浮球液位開(kāi)關(guān)來(lái)控制水位。水位控制方案如圖3所示。浮球1實(shí)現(xiàn)1 cm水位控制，浮球2實(shí)現(xiàn)2 cm水位控制，浮球3實(shí)現(xiàn)5 cm水位控制。

2.3硬件設(shè)計(jì)

水稻不同生長(zhǎng)期的水位由液位開(kāi)關(guān)控制，液位開(kāi)關(guān)選 LP-RF 連桿浮球液位開(kāi)關(guān)，所有的開(kāi)關(guān)出線在同一接線盒，外部施工配線成本低廉，單價(jià)最低，使用磁簧開(kāi)關(guān)不需供應(yīng)電源，接點(diǎn)壽命可達(dá)200萬(wàn)次，長(zhǎng)度7.6 cm，精確度±0.3 cm，豎直安裝±30°，觸電輸出常閉，觸點(diǎn)類型SPST簧片，開(kāi)關(guān)設(shè)定點(diǎn)3，安裝高度13.2 cm。3個(gè)按鈕的作用分別是啟動(dòng)、急停和保護(hù)，都選擇價(jià)格低廉、功能可靠的普通型；電機(jī)選用普通Y型電機(jī)。

3廢水回收利用

廢水回收對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源循環(huán)利用都有重要意義，是節(jié)水灌溉系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。廢水回收利用重點(diǎn)解決廢水怎么回收、怎么凈化、怎么利用等關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)又要考慮投入成本少、回收凈化利用設(shè)施簡(jiǎn)單。

3.1廢水回收

廢水回收采用自然流態(tài)回收，即起點(diǎn)與終點(diǎn)有一定的落差，借助液體重力自然流向終點(diǎn)。因此在出水池設(shè)置一回收池，回收池應(yīng)能容納所有稻田最大正常排水量，連接出水池的主管安裝和全部稻田面沿主管方向要人為形成小于0.5 cm的落差以構(gòu)造高地面，以便實(shí)現(xiàn)廢水的自然回流。灌溉與回收通過(guò)人工操作回收擋板完成，如圖4所示。

3.2廢水凈化利用

為補(bǔ)充水稻成長(zhǎng)所需的N、P、K等多種微量元素以增加產(chǎn)[CM（25]量，需向稻田施加化肥；為防稻蟲(chóng)害，需向稻田噴灑農(nóng)藥。

未被吸收的化肥和農(nóng)藥大量存儲(chǔ)在稻田間水里，會(huì)隨著淋洗、田間排水、地表徑流等方式進(jìn)入周圍的土壤和水體，造成的環(huán)境危害。因此對(duì)田間的廢水進(jìn)行凈化處理已成為化肥和農(nóng)藥使用中被廣泛關(guān)注的問(wèn)題。廢水凈化利用可以采用2種截然不同的方法：（1）廢水灌溉模式。廢水不做任何凈化處理直接灌溉稻田，稻田廢水中含有較多氮，磷、鉀、鋅、鎂等多種養(yǎng)分，豐富的有機(jī)質(zhì)懸浮物，所以用廢水灌溉稻田節(jié)省肥料、節(jié)省水資源和降低成本，而且土壤肥力不斷提高，尤其水稻生長(zhǎng)的干濕交替期更為有利。廢水利用參照系統(tǒng)工作原理方式進(jìn)行。（2）生物凈化模式。栽植狐尾藻、苦草[JP3]、水葫蘆、伊綠藻等具凈化功能的水草，吸附分解水里的污染物，以達(dá)到排放水標(biāo)準(zhǔn)。[JP]

4結(jié)論

稻田灌溉采用電氣開(kāi)關(guān)控制水位，實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)化，省去了人工看護(hù)和浪費(fèi)水資源，在不增加成本的投入基礎(chǔ)上考慮廢水回收凈化利用，以低成本高效率節(jié)約水資源和環(huán)境保護(hù)，同時(shí)又不排斥勞動(dòng)者參與其中。因此該系統(tǒng)是一個(gè)從灌溉、回收、凈化和利用的循環(huán)節(jié)水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、水和環(huán)境的和諧統(tǒng)一，具有現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]水利部農(nóng)村水利司.水稻節(jié)水灌溉技術(shù)[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2012：1-22.

[2]匡迎春. 南方丘陵區(qū)水稻節(jié)水灌溉自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[3]紀(jì)建偉，鄧巍巍，趙毅勇. 基于PLC的稻田灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44（3）：257-261.

[4]石建飛，曹洪軍，衣淑娟，等. 基于PLC的寒地水稻水肥一體化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（12）：58-60，64.

[5]劉超，石建飛，李愛(ài)傳，等. 水稻節(jié)水灌溉無(wú)線遠(yuǎn)程PLC監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（11）：19-23.

[6]夏洪，林剛勇，朱兆優(yōu)，等. 一種PLC控制的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)[J]. 機(jī)床與液壓，2007，35（7）：64-65，28.

[7]欒永慶，陳吉江，沈海標(biāo). 余姚市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)實(shí)踐[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2014.

[8]魏鐵軍，劉福林，劉東. 幾種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2008（11）：19-20.

[9]鄭世宗，陳雪，張志劍. 水稻薄露灌溉對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量影響的研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005（3）：7-8，11.