精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用研究

王武

（武威市涼州區(qū)雜木河水利管理處，甘肅武威 733000）

0 引言

我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)用水大都采取漫灌方式，大家都知道，大水漫灌不僅會(huì)使農(nóng)田灌水不均勻，而且還會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，甚至長(zhǎng)此以往引起局部澇害或者因水資源浪費(fèi)而缺水，導(dǎo)致土地的沼澤化與鹽堿化。而精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)，正是為了提高灌溉效率、節(jié)約水資源。當(dāng)前，我們的國(guó)家正處于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)多元、蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)下，和農(nóng)業(yè)發(fā)展有著密切聯(lián)系的農(nóng)田水利灌溉工程已經(jīng)成為促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要內(nèi)容。水利灌溉的意義在于改善土壤環(huán)境、調(diào)節(jié)微氣候、保護(hù)生態(tài)等等，而為了符合農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，采取精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)已經(jīng)成為必然[1]。

1 現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程灌溉技術(shù)的發(fā)展方向

我國(guó)目前已經(jīng)研究出的節(jié)水灌溉技術(shù)多達(dá)十幾種，而各種類型的灌溉技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)所在。但其核心主旨無(wú)外乎體現(xiàn)為以下幾方面。

1.1 保證水分的綜合利用率

從目前整體上我國(guó)缺水與干旱的環(huán)境下，應(yīng)將提高水分綜合利用效率作為核心重點(diǎn)，以此為中心，快速發(fā)展灌溉技術(shù)、提高農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益。

在節(jié)水灌溉技術(shù)的提出和落實(shí)上，需要注意一點(diǎn)，我們要考慮到水源經(jīng)由灌溉設(shè)施流到田間地頭后，能夠被植物充分吸收利用的比率可以達(dá)到多少，而如果灌溉了充足水量，被農(nóng)作物吸收、利用的很少，不可避免地會(huì)使農(nóng)作物生長(zhǎng)受到影響[2]。所以在精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的提出上，農(nóng)民的效率與投入和經(jīng)濟(jì)效益成正比是著重考量的一個(gè)方面[3]。想要達(dá)到這樣的結(jié)果，之后保證水分得到合理利用，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

就此而言，精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)這種利用水的方式不僅能提高我國(guó)農(nóng)業(yè)澆灌技術(shù)水平，而且還能緩解我國(guó)用水緊張的實(shí)際問(wèn)題。只有實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的充分利用，才能使其最大化效益發(fā)揮出來(lái)，體現(xiàn)其技術(shù)價(jià)值。

1.2 保證節(jié)水灌溉的精準(zhǔn)性

節(jié)水灌溉工程技術(shù)的諸多基礎(chǔ)技術(shù)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)已經(jīng)得到很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證，但就整體技術(shù)要點(diǎn)精準(zhǔn)性的上限，有待于深入探索和研究。對(duì)于技術(shù)的精準(zhǔn)性，不僅是指針對(duì)播種農(nóng)作物實(shí)際需水量的精準(zhǔn)確定，實(shí)施灌溉技術(shù)時(shí)用水量、灌溉量的精準(zhǔn)定額，還包括對(duì)其他農(nóng)作物灌溉產(chǎn)生水量增產(chǎn)、增收與增質(zhì)問(wèn)題的解決，亦包括對(duì)農(nóng)民生產(chǎn)增收的精準(zhǔn)判斷，綜而囊括這些性能指標(biāo)的精量化[4]。

2 精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)際應(yīng)用面臨的問(wèn)題

通過(guò)上述分析，可見(jiàn)精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的提出與落實(shí)具有重要意義，但在設(shè)想提出、實(shí)際落實(shí)時(shí)，又面臨著哪些問(wèn)題呢？

2.1 亟待完善整體設(shè)計(jì)與規(guī)劃

目前，很多現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程中的灌溉技術(shù)都正處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，且其規(guī)劃設(shè)計(jì)受到多方面因素影響，如農(nóng)田灌溉面積、耕地規(guī)模、當(dāng)?shù)貙?shí)際的地形地貌等等，所以尚不能做到對(duì)灌溉方式的統(tǒng)一，也不能實(shí)施相應(yīng)的灌溉技術(shù)。有些地區(qū)雖然已經(jīng)先行展開(kāi)了節(jié)水工程建設(shè)，但實(shí)際上對(duì)于水利措施的利用率還是較低的。其中，不能忽視水資源損失嚴(yán)重的問(wèn)題，規(guī)劃前期往往需要進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)際的考察，但受到多方因素影響，其中不乏存在各種各樣的問(wèn)題。另外，即使完成考察、得到前期規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)果，在方案實(shí)際實(shí)施的過(guò)程當(dāng)中也會(huì)受到很多因素影響，比如說(shuō)技術(shù)的發(fā)展不到位等等，這也直接阻礙到規(guī)劃設(shè)計(jì)的技術(shù)方案貫徹落實(shí)，在很大程度上影響灌溉技術(shù)的實(shí)際效果發(fā)揮[5]。從上述來(lái)看，受到這些因素影響，導(dǎo)致規(guī)劃的運(yùn)行時(shí)間要遠(yuǎn)超出原本預(yù)算的時(shí)間。

2.2 節(jié)水灌溉技術(shù)落實(shí)的重重阻礙

精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)落實(shí)的阻礙不僅在于機(jī)制缺乏、資金欠缺，還有缺乏規(guī)?；N植管理這一問(wèn)題。一項(xiàng)規(guī)?；默F(xiàn)代化農(nóng)田水利工程，通常覆蓋了相當(dāng)大的土地面積，而規(guī)模越大，往往建設(shè)成本、后期管理運(yùn)行投入的成本就越少，從理論上來(lái)說(shuō)，為了滿足成本需求，精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)在此前提下會(huì)很容易得到推廣與實(shí)施。但實(shí)際上，通常是土地的規(guī)模化種植管理成為阻礙，例如對(duì)于一些地區(qū)來(lái)說(shuō)，一大塊土地往往是由很多農(nóng)戶分?jǐn)偭似渲械囊恍K，而每一戶農(nóng)民的地塊又較為疏散，他們種植的農(nóng)作物也都不相同，對(duì)于水量的需求有較大差異，因此阻礙精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的實(shí)施。

3 精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程旨在將先進(jìn)的工業(yè)化生產(chǎn)方式應(yīng)用到高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理當(dāng)中，各個(gè)環(huán)節(jié)盡可能應(yīng)用數(shù)字化、信息化與智能化技術(shù)。以下根據(jù)專利技術(shù)《基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)及方法》[6]，結(jié)合某項(xiàng)目基地分析精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程中的實(shí)際應(yīng)用。精準(zhǔn)節(jié)水灌溉作為關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)中融合了諸多系統(tǒng)的使用，如膜下滴灌、水肥一體化等等，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境因素、性狀指標(biāo)參數(shù)等，制定出切合實(shí)際的灌溉決策，并發(fā)出灌溉指令，最終實(shí)現(xiàn)適量灌溉，起到精準(zhǔn)、節(jié)水灌溉的作用。

3.1 方案設(shè)計(jì)

以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)支持條件，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。首先，依靠傳感器對(duì)田間土壤的各項(xiàng)有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行采集，如：土壤濕度、土壤溫度、土壤含水量、日照強(qiáng)度等等。采集數(shù)據(jù)傳輸回計(jì)算機(jī)控制總站，再轉(zhuǎn)而傳輸?shù)焦喔葘＜蚁到y(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)獲取的信息進(jìn)行處理，再結(jié)合農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)，制定出符合實(shí)際的灌溉決策，給控制設(shè)備發(fā)出灌溉指令，完成適時(shí)、適量的灌溉工作。

3.2 灌溉技術(shù)的確定

作物無(wú)論是生長(zhǎng)過(guò)程還是最終收獲，結(jié)果都取決于灌溉技術(shù)，采取不同的灌溉技術(shù)、灌溉水利用率的不同，也會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生各不相同的影響。采取的灌溉技術(shù)，膜下滴灌于低壓之下，將主管、支管用作輸配水的管道，滴灌帶上的滴頭為土壤提供充足水分，這種灌溉技術(shù)節(jié)水效率高。例如噴灌作為一種普遍的澆灌技術(shù)，主要是利用水泵或者是自然落差所形成的水壓，促使水以水霧/水滴的形式從管道噴頭中噴出，均勻的對(duì)農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)澆灌，其缺點(diǎn)在于：會(huì)受到自然環(huán)境（例如風(fēng)）的較大影響，且基礎(chǔ)設(shè)施成本投入高。而和噴灌等技術(shù)相比較，膜下滴灌技術(shù)的精準(zhǔn)性更高，能夠有效節(jié)水、減少水分蒸發(fā)，且更便于控制灌水量[7]。

3.3 精準(zhǔn)灌溉的實(shí)施

在精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)中，主要包括兩個(gè)組成：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、灌溉專家系統(tǒng)。由智能傳感器對(duì)田間土壤各項(xiàng)有關(guān)指標(biāo)采集之后，數(shù)據(jù)回傳至計(jì)算機(jī)處理中心，再傳輸?shù)焦喔葘＜蚁到y(tǒng)，平臺(tái)接收到采集的信息，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際天氣狀況、灌溉知識(shí)庫(kù)，綜合得到灌溉潔廁，發(fā)出灌溉指令。管道上的電磁閥裝置（或者是水泵控制設(shè)備）接收到指令后，開(kāi)始適量的膜下滴灌。在此過(guò)程中，土壤有關(guān)指標(biāo)的采集與傳輸、灌溉指令的信息傳輸皆是由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)支持實(shí)現(xiàn)的。精準(zhǔn)灌溉專家系統(tǒng)中，有如下幾個(gè)模塊功能的組成，用以綜合支持精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

3.3.1 在線監(jiān)測(cè)模塊。該模塊的主要功能作用在于：視頻采集、照明控制、水泵控制、驅(qū)鳥以及傳感器。其中：①視頻采集指的是借助于監(jiān)控?cái)z像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控，可減少人工作業(yè)數(shù)量與強(qiáng)度，代替了人工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察，并能實(shí)時(shí)匯報(bào)土壤指標(biāo)、病蟲害等情況。②照明控制主要是針對(duì)溫室棚內(nèi)燈光的控制，不僅能借此進(jìn)行照明，還能加以溫度調(diào)節(jié)，維持溫室室內(nèi)溫度的恒定，滿足作物生長(zhǎng)需求。③水泵控制則是匯總傳感器收集到的土壤各項(xiàng)指標(biāo)信息，設(shè)定出限值，由人工或者是自動(dòng)控制水泵開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間，完成灌溉，確保土壤得到充分的水分與肥料。④驅(qū)鳥功能則是使用蜂鳴器來(lái)控制，適用于對(duì)大田的灌溉，溫室內(nèi)作物則無(wú)需啟動(dòng)該功能。⑤傳感器，無(wú)論是對(duì)土壤含水量、土壤溫度等作物生長(zhǎng)環(huán)境信息的采集和傳輸，都需要借助傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 數(shù)據(jù)匯總模塊。該模塊的具體功能包括：對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢、總結(jié)數(shù)據(jù)報(bào)表、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等等。傳感器對(duì)采集到的有關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至系統(tǒng)中心，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，均存儲(chǔ)在該模塊中，有利于對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程、水肥條件等的綜合把握，除此之外還能為有關(guān)農(nóng)業(yè)、水利科研研究提供數(shù)據(jù)參考。

3.3.3 預(yù)警模塊。該模塊主要的作用在于記錄種植基地預(yù)警、蟲害預(yù)警，前者包括項(xiàng)目基地的各項(xiàng)氣象條件預(yù)測(cè)；后者則是指對(duì)病蟲害的預(yù)測(cè)。在預(yù)警模塊配置中，設(shè)定氣象、蟲害預(yù)警條件的觸發(fā)裝置[8]，包括氣候條件的異常變化、溫度濕度條件的異常變化等，從而對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)的異常做出及時(shí)預(yù)警。

3.4 技術(shù)特點(diǎn)

上面提出的這種精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)，用于現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程中有如下優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

3.4.1 測(cè)量及時(shí)、準(zhǔn)確且范圍廣。該系統(tǒng)的監(jiān)控功能覆蓋區(qū)域廣、范圍大，設(shè)置的傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)幾乎可覆蓋幾千平方米的地域范圍，無(wú)論是獨(dú)棟溫室還是園區(qū)溫室群，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)其空氣溫度、濕度等信息的采集。這便突出了其測(cè)量范圍廣的特點(diǎn)。

不管是農(nóng)業(yè)科研還是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，都要求對(duì)作物環(huán)境參數(shù)與生長(zhǎng)要素監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，而該系統(tǒng)中的各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用，均能滿足信息提供及時(shí)性與準(zhǔn)確性的要求。

3.4.2 節(jié)省人工成本。分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，以無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，投入成本低且分布范圍廣。只需要有管理者負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的管理即可，在很大程度上減少了田間操作人員的人力投入與成本投入。

3.4.3 模塊功能強(qiáng)。如膜下滴灌模塊、水肥一體化模塊等，均使用于具有規(guī)模的農(nóng)田水利工程；而對(duì)于小規(guī)模的農(nóng)田水利工程，則可以視農(nóng)田灌溉的實(shí)際需要，使用其中部分模塊功能。例如按需使用水泵控制、土壤數(shù)據(jù)采集、膜下滴灌等模塊。這也是該系統(tǒng)的一大特點(diǎn)，既可以集成化使用、也可以各自獨(dú)立應(yīng)用[9]。

3.4.4 對(duì)外開(kāi)放。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各模塊設(shè)定均使用的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)協(xié)議，依托于數(shù)據(jù)云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，支持第三方鏈接，即面對(duì)的是整個(gè)市場(chǎng)，無(wú)論是普通的農(nóng)民用戶、還是系統(tǒng)集成商，均可以查看該系統(tǒng)的運(yùn)作情況。

3.4.5 未來(lái)效益。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)集合了對(duì)灌溉自動(dòng)化技術(shù)、水肥一體化和膜下滴灌技術(shù)的使用，一方面起到了示范帶動(dòng)作用，另一方面也提高了農(nóng)田水利工程經(jīng)營(yíng)者與管理者的節(jié)水意識(shí)，可取得良好的社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，是農(nóng)田水利工程增產(chǎn)、增收的重要基礎(chǔ)。本文基于對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程灌溉技術(shù)的發(fā)展方向的分析，指出在精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題，并通過(guò)這些問(wèn)題分析，提出一種精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，該系統(tǒng)集合了水肥一體化與灌溉自動(dòng)化控制，并建立灌溉專家系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的采集與處理，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)節(jié)水灌溉提供數(shù)據(jù)依據(jù)。專家系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，結(jié)合不同作物生長(zhǎng)的不同需求，判斷灌溉干預(yù)，完成定時(shí)、定量地澆灌。可見(jiàn)，在當(dāng)前農(nóng)田水利工程的不斷建設(shè)與發(fā)展之下，相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)水平也在不斷提高，越來(lái)越多的智能化技術(shù)被用于實(shí)際當(dāng)中，相信今后會(huì)有更多精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)的高效應(yīng)用，為促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)田水利工程的發(fā)展添磚加瓦。