農(nóng)田灌排實(shí)驗(yàn)及其自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)的技術(shù)研究

一、概述

農(nóng)田灌排實(shí)驗(yàn)主要研究作物不同生育階段受澇漬對(duì)作物生長發(fā)育的影響，求得作物淹水深度、淹水歷時(shí)、地下水埋深及其動(dòng)態(tài)變化與產(chǎn)量的關(guān)系，為確定農(nóng)田除澇降漬排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)，而其中測坑排水實(shí)驗(yàn)的一個(gè)最基本也是最重要的要求就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水位及其動(dòng)態(tài)變化的精準(zhǔn)控制。農(nóng)田灌溉實(shí)驗(yàn)則主要研究不同作物的需水量、需水規(guī)律、灌溉制度、及灌溉效益等，其中土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化、灌溉水量及地下水補(bǔ)給量的精確計(jì)量都是實(shí)驗(yàn)所需的重要數(shù)據(jù)。本研究介紹了在農(nóng)田灌溉實(shí)驗(yàn)觀測中，能夠有效地利用自動(dòng)化方式進(jìn)行補(bǔ)排水計(jì)量實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)比分析，對(duì)于提高科學(xué)研究的可靠性和深度具有重要價(jià)值。

二、自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)

1.自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)原理

自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)原理如下：結(jié)合圖1所示，該系統(tǒng)提供一種用于農(nóng)田排灌試驗(yàn)測坑水位計(jì)量系統(tǒng)的裝置，測坑1的濾層2與平水器3底部通過連接管5連接，使濾層2底部與平水器3底部處于同一水平面，保證平水器3水位與測坑1的水位平齊。平水器3表面有刻度（實(shí)際沒有刻度），水位基本保持在設(shè)定值不變。

該裝置對(duì)測坑水位的檢測和控制分為兩種狀態(tài)，即加水狀態(tài)和排水狀態(tài)。當(dāng)壓力式傳感器檢測到平水器3水位低于設(shè)定值時(shí)，電磁閥8開啟，水流通過進(jìn)水管4流入平水器3進(jìn)行補(bǔ)水，同時(shí)流量計(jì)6對(duì)補(bǔ)充的水量進(jìn)行計(jì)量。直到壓力式水位計(jì)7監(jiān)測到水量補(bǔ)充到平水器3的設(shè)定后，電磁閥8關(guān)閉，在此補(bǔ)水過程中平水器中的水會(huì)不斷的向測坑中補(bǔ)充；當(dāng)平水器3的水位高于設(shè)定值時(shí)，電磁閥9打開，開始排水，同時(shí)流量計(jì)會(huì)計(jì)量排水量，壓力傳感器7監(jiān)測到水位到達(dá)平水器3的初始值時(shí)，電磁閥9關(guān)閉，在排水過程中測坑中水會(huì)回流到平水器中。

圖1 自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)原理圖

圖2 自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)水管及連通管處安裝計(jì)量裝置，通過電磁閥的開關(guān)對(duì)灌排水量進(jìn)行控制，用計(jì)量裝置進(jìn)行計(jì)量，不在水平器內(nèi)安裝計(jì)量設(shè)備，這種計(jì)量方式穩(wěn)定性高，計(jì)量方式更加科學(xué)完善，便于對(duì)照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果觀測，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。

2.自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)組成、控制方式

（1）系統(tǒng)組成

如圖2所示，測坑0～40cm土層埋設(shè)有土壤水分傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化，傳感器與計(jì)算機(jī)連接；測坑上部安裝自動(dòng)灌溉裝置并與計(jì)算機(jī)相連。無需灌溉時(shí)裝置可移動(dòng)至測坑外，這樣可避免對(duì)作物造成遮光；當(dāng)計(jì)算機(jī)監(jiān)測到土壤含水率低于試驗(yàn)設(shè)定下限時(shí)，則控制灌溉裝置移至測坑上部，并根據(jù)作物的高度將噴頭調(diào)節(jié)至合適位置進(jìn)行灌溉（避免灌溉時(shí)水噴到測坑外），灌水量由計(jì)算機(jī)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的土壤水分上限進(jìn)行計(jì)算確定。

測坑的底部（濾層）與平水器通過管道相連通，并裝設(shè)有壓力傳感器，用來測量地下室內(nèi)供水水柱（平水器）和測坑內(nèi)的地下水位（水壓）。在進(jìn)水管、出水管及測坑平水器連通管處均安裝有電磁閥和電動(dòng)閥。電磁閥和電動(dòng)閥的主要作用是控制管路（水路）系統(tǒng)的開啟與閉合。為保證“零壓差”情況下能正常動(dòng)作和降低造價(jià)，在供水水柱與測坑連接的壓差很小的聯(lián)通管路上采用電動(dòng)球閥代替常開電磁閥；在進(jìn)水管處采用LWBS-15脈沖型流量變送器進(jìn)行供水水量計(jì)量，多套設(shè)備可共用一個(gè)。傳感器與流量計(jì)的輸出接口與計(jì)算機(jī)相連。

該系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了灌排試驗(yàn)測坑的灌排自動(dòng)控制一體化。既可實(shí)時(shí)監(jiān)測耕層（或剖面）土壤水分的動(dòng)態(tài)變化并根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行自動(dòng)灌溉，又可以自動(dòng)無級(jí)調(diào)控測坑的地下水位及其動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)灌溉水量及地下水補(bǔ)排水量進(jìn)行計(jì)量。

（2）控制方式

1）土壤含水率控制

測坑0～40cm埋設(shè)有土壤水分傳感器，其輸出端與計(jì)算機(jī)相連，可監(jiān)測并記錄40cm土層深度的土壤含水率動(dòng)態(tài)變化，并根據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的土壤水分控制下限來自動(dòng)判斷測坑是否需要灌溉，如需灌溉則根據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的土壤水分控制上限及監(jiān)測到的實(shí)時(shí)平均土壤含水率計(jì)算所需灌水量，計(jì)算機(jī)對(duì)自動(dòng)灌溉裝置發(fā)出指令，對(duì)測坑進(jìn)行灌溉并記錄灌水量。

圖3 農(nóng)田灌排實(shí)驗(yàn)自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)軟件工作流程圖

2）地下水位控制

測坑底部濾層通過管道與地下室內(nèi)的供水水柱（平水器）相連。在靜態(tài)調(diào)控條件下，由于測坑內(nèi)種植作物，測坑內(nèi)的地下水將通過土壤毛管上升至作物根系區(qū)并連續(xù)不斷地供其生理和生態(tài)需水。因此，從理論上講由于滯后作用測坑內(nèi)的地下水位要略低于供水水柱內(nèi)的水位，但兩者相差不大；在動(dòng)態(tài)調(diào)控條件下，如地下水位從某一低值上升至某一高值，或由某一高值降至某一低值，均由計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)調(diào)控完成，在這一過程中測坑和平水器中的水位相差較大。

根據(jù)需要該系統(tǒng)對(duì)地下水位的監(jiān)測和控制分為兩種狀態(tài)，即加水狀態(tài)和排水狀態(tài)。在靜態(tài)或地下水位由低值向高值動(dòng)態(tài)變化過程中設(shè)定為加水狀態(tài)，系統(tǒng)通過壓力變送器循環(huán)檢測每套裝置平水器內(nèi)的水壓并與設(shè)定水位值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到的水位值低于設(shè)定值時(shí)（Δh=-3mm），計(jì)算機(jī)即發(fā)出指令，供水電磁閥開啟進(jìn)行加水；在地下水位從高值降至低值動(dòng)態(tài)變化時(shí)設(shè)定為排水狀態(tài)，在此過程中測坑中的水將回流至平水器內(nèi)，對(duì)水位的控制同樣也是通過計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)平水器內(nèi)的水位來完成的，即當(dāng)檢測到的水位高于設(shè)定水位值時(shí)（Δh=+10mm），由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令開啟排水管路電磁閥進(jìn)行排水。

為了真實(shí)反映測坑中地下水位及其動(dòng)態(tài)變化過程，該系統(tǒng)增設(shè)了對(duì)測坑內(nèi)地下水位的監(jiān)測。具體方法為：①在靜態(tài)情況下，由計(jì)算機(jī)定時(shí)（時(shí)間間隔2～4h）發(fā)出指令關(guān)閉電動(dòng)球閥，延時(shí)片刻后讀取壓力變送器的檢測值，此值即為測坑內(nèi)的地下水位；②在動(dòng)態(tài)過程中根據(jù)試驗(yàn)需要，增加或減少檢測次數(shù)。

該系統(tǒng)地下水位為無級(jí)調(diào)控，調(diào)控范圍為+10cm～-200cm，即地面以上10cm至地面以下200cm。

供水量的計(jì)量采用脈沖式流量變送器（事前需進(jìn)行率定），16套裝置共用一個(gè)流量變送器 ，安裝于總進(jìn)水管上。

3）上位機(jī)軟件開發(fā)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用MCGS工控組態(tài)軟件，利用該組態(tài)軟件高級(jí)開發(fā)包中的工具，通過硬件組態(tài)（配置）、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖象組態(tài)等工作二次開發(fā)出了滿足科研要求、高性能、專業(yè)化的地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件。在程序運(yùn)行過程中，可對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或修改；并將采集到的各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析、運(yùn)算、曲線繪制、報(bào)表打印以及存儲(chǔ)等各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理。流程如圖3所示。

（3）功能和特點(diǎn)

該系統(tǒng)功能主要有：①自動(dòng)調(diào)控地下水位。即根據(jù)試驗(yàn)要求自動(dòng)地調(diào)節(jié)、控制地下水狀態(tài)，使之保持某一不變水位（靜態(tài)調(diào)控）或以某種方式使地下水位上升或下降（動(dòng)態(tài)調(diào)控）等。②實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的量測、采集與處理完全自動(dòng)化。這些數(shù)據(jù)包括測坑地下水位動(dòng)態(tài)、土壤含水率動(dòng)態(tài)、作物的騰發(fā)量、排水量、灌溉量等。③該系統(tǒng)可用于農(nóng)田灌排水指標(biāo)、飽和與非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)、土壤溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律、土壤水分參數(shù)以及SPAC（土壤—植物—大氣連續(xù)體）等領(lǐng)域的定量研究。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)灌排試驗(yàn)全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理；控制方式靈活，全自動(dòng)、半自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合，保證了系統(tǒng)的可靠性、靈活性；該系統(tǒng)具有時(shí)效性強(qiáng)、效率高、信息量大和精度高等特點(diǎn)，采用Windows操作系統(tǒng)，可視化、直觀性強(qiáng)，人機(jī)界面友好，操作方便。

三、總結(jié)與展望

本文介紹了農(nóng)田灌排實(shí)驗(yàn)及其自動(dòng)補(bǔ)排水計(jì)量系統(tǒng)的原理、功能、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉試驗(yàn)的耕層（或剖面）土壤水分自動(dòng)監(jiān)測、地下水補(bǔ)給量的自動(dòng)監(jiān)測及自動(dòng)灌溉等，并對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理與存儲(chǔ)；同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)田排水試驗(yàn)的地下水位無級(jí)自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，自動(dòng)補(bǔ)排水并計(jì)量。該系統(tǒng)在農(nóng)田灌排試驗(yàn)自動(dòng)化方面有廣泛的應(yīng)用前景■