智能化節(jié)水灌溉技術分析及具體的應用方案

井緒軍

DOI： 10.3969/j.issn.1003-1650.2024.18.025

全球正面臨著水資源日益緊缺的挑戰(zhàn)，特別是在農業(yè)領域，傳統(tǒng)的灌溉方法往往導致了大量的水資源浪費，因此，發(fā)展節(jié)水灌溉技術成為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。智能化節(jié)水灌溉技術是一種結合了現(xiàn)代信息技術和農業(yè)工程技術的創(chuàng)新方法，為解決這一問題提供了新的可能性，這一技術的引入和發(fā)展，不僅有助于提高農田水利工程的效率，而且能夠解決人民的用水問題，對整個農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境的改善以及農村經濟水平提升都具有重大意義。山東省作為農業(yè)大省，農業(yè)生產規(guī)模巨大，糧食生產、蔬菜生產等都需要大量水資源，為更加充分利用水資源，解決水資源浪費問題，在本地急需積極推廣智能化灌溉技術。

一、智能化節(jié)水灌溉技術概述

1、智能化節(jié)水灌溉技術原理

智能化節(jié)水灌溉技術主要依賴于傳感器技術、遙感技術、數(shù)據(jù)采集與處理以及決策算法等，實現(xiàn)智能化灌溉，不僅滿足農作物的水分需求，還達到節(jié)水目的。傳感器可以實時監(jiān)測土壤的濕度、溫度等參數(shù)，遙感技術則可以監(jiān)測作物的生長狀況和需水量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將收集到的信息進行處理，并通過決策算法分析出最佳的灌溉方案。目前常用的智能化節(jié)水灌溉技術有以下幾種。

①低壓管道輸水技術

通過將管道埋設在地下，利用隱蔽的地下管道進行低壓輸水，這種方法能夠提高輸水效率，節(jié)約水資源，同時防止水土流失和鹽漬化。

②噴灌技術

利用專業(yè)設備將加壓水噴射到空氣中，均勻地噴在地面上吸收植物，噴灌適用于低矮植物，并且對地形適應性強。

③滴灌技術

滴灌是將壓力管中的水分輸送到灌水器中，在一定的工作壓力下將灌溉水注入土壤中，滴灌流量小、輸水時間長、頻率高。

④微灌技術

微灌是利用低壓水泵和壓力管道系統(tǒng)輸送水的節(jié)水技術，在低壓水流的作用下，水通過微霧化噴嘴噴射到空氣中，分散成小水滴，均勻地噴到植物根部進行灌溉，微灌節(jié)水效率高，適用于各種需水植物。

2、智能化節(jié)水灌溉技術的優(yōu)勢

智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)涉及傳感器技術、自動控制技術、計算機技術、無線通信技術等多種高新技術，是一種新型灌溉技術。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，智能化節(jié)水灌溉技術具有顯著的優(yōu)勢。它能根據(jù)作物的實際需求進行精確灌溉，避免了水資源的浪費。它能提高作物的產量和品質，因為適當?shù)墓喔扔兄谧魑锏纳L。智能化節(jié)水灌溉技術還有助于減少化肥和農藥的使用，從而降低環(huán)境污染。減輕勞動強度，智能化技術的應用可以大大減輕農民的勞動強度，真正實現(xiàn)“解放雙手”。智能化灌溉系統(tǒng)可結合云平臺存儲的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)植物生長狀態(tài)，調整灌溉方案，不需要人工控制，系統(tǒng)自動檢測何時需要灌溉，如何進行灌溉等，同時，管理者可通過系統(tǒng)遠程控制灌溉效果，實現(xiàn)無人值守的灌溉過程，從而減輕勞動強度。

二、智能化節(jié)水灌溉技術的應用方案

1、建立智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)

通過在農田內部和周邊設置各類傳感器，監(jiān)測土壤水分含量、作物生長情況、氣象條件等關鍵參數(shù)，從而實現(xiàn)對農田水分狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。通過采用物聯(lián)網技術來實現(xiàn)對智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的遠程控制與實時監(jiān)測，是現(xiàn)代農田灌溉中的重要技術創(chuàng)新，智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)中結合了信息技術、傳感技術和灌溉技術，為農田灌溉帶來了革命性的變化，提高了灌溉效率，減少了資源浪費。數(shù)據(jù)分析在智能化灌溉系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色，通過收集和分析土壤濕度、氣象數(shù)據(jù)等關鍵信息，系統(tǒng)可以為精準灌溉提供科學依據(jù)。這種基于數(shù)據(jù)的智能化決策，使灌溉更加精準和有效，滿足作物生長的需水量，同時避免了過度灌溉帶來的浪費和環(huán)境負擔。在實際的灌溉實踐中，智能灌溉系統(tǒng)可以采用不同的灌溉方式，如噴灌、滴灌和微噴灌等。噴灌系統(tǒng)通過噴頭將水均勻噴灑到作物上，具有覆蓋面積大、操作簡便的特點，適用于大面積農田的灌溉。滴灌系統(tǒng)則通過滴頭將水緩慢滴入土壤，實現(xiàn)精確控制水量，適用于需水量較小的作物，節(jié)水效果顯著;而微噴灌系統(tǒng)介于噴灌和滴灌之間，適用于需要局部濕潤的作物，能夠有效保持土壤濕度平衡。

2、建立數(shù)據(jù)模型

在建立農田水利工程中智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型時，必須全面考慮包括數(shù)據(jù)采集、加工、分析及決策制定在內的各個環(huán)節(jié)，以便通過模型選擇、參數(shù)調整和算法控制等手段更為有效地操控灌溉系統(tǒng)，從而提升水資源的使用效率。詳細步驟如下：數(shù)據(jù)采集：利用傳感設備、記錄儀或其他數(shù)據(jù)采集工具搜集農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的歷史信息，重點包括灌溉持續(xù)時間、用水量以及土壤的溫度和濕度等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加工：對搜集來的數(shù)據(jù)進行精煉處理，例如消除異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標準化等操作，以保留那些具有實際應用價值的信息。模型構建：依據(jù)收集并加工過的數(shù)據(jù)建立一個數(shù)值模型，常見模型包括回歸分析模型、神經網絡模型和時間序列分析模型等，數(shù)據(jù)模型的建立能夠預測農業(yè)灌溉的需求情況。模型評估與改善：構建完成的模型需要進行評估和改善，通常采用交叉驗證的方式來檢驗模型的精確度與穩(wěn)定性，若發(fā)現(xiàn)預測結果與實際灌溉需求相差甚遠，就必須對模型進行調整和優(yōu)化。決策輔助：利用預測模型得到的數(shù)據(jù)推算出未來農業(yè)生產中的灌溉需求量，并結合實際情況對灌溉方案進行相應的調整和改良。

3、智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的試運行

在啟動灌溉系統(tǒng)之前必須進行預試運行，以驗證其正常功能，在此過程中需要根據(jù)設計圖紙逐步調整操作參數(shù)，并按組分批進行灌溉。以下步驟應在試運行前認真執(zhí)行：徹底檢查以確保灌溉系統(tǒng)中的所有部件都已經正確地安置并能夠順暢工作;在試運行階段，應該根據(jù)設計計劃的流量進行灌溉，同時要注意整個系統(tǒng)的工作環(huán)境以及水源的水溫應保持在5～30℃之間，因為溫度的極端波動可能會對系統(tǒng)的運行產生不利影響;對于噴灌系統(tǒng)而言，應分批次進行試運行，檢查水源、水泵、地面移動管道、噴頭、閘閥以及進排氣閥等部件的工作狀況，并根據(jù)需要進行調整;對于微灌系統(tǒng)而言，在試運行階段應實行分組循環(huán)灌溉的方法，并保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，同時需仔細觀察滴灌管道、管件和閥門等是否存在滲漏、破損或脫落等問題，一旦發(fā)現(xiàn)問題應立即進行修復，并詳細記錄，修復后需重新試運行，直至系統(tǒng)運行達標即可結束;對于管灌系統(tǒng)而言，在試運行之前應先打開出水口，然后啟動水泵，接著慢慢打開水泵的出口控制閥。在變更出水口時，應遵循先打開再關閉的順序操作;而在停止灌溉時，應依序漸漸關閉水泵出口控制閥，停止水泵，最后關閉出水口。在試運行過程中，應重點檢查機井、動力裝置、水泵、閘閥、進排氣閥、給水栓以及地面移動灌溉閘管或軟管等部件的性能，并根據(jù)實際情況作出必要的調整。

三、智能化節(jié)水灌溉技術應用面臨的困境

1、技術成熟度不足

盡管智能化節(jié)水灌溉技術取得了一定的進展，但其在農田水利工程中的應用尚未完全成熟，在實際應用中，仍可能出現(xiàn)各種技術問題，如傳感器故障、決策算法偏差等，這些都是技術方面的問題，而智能化節(jié)水灌溉效果與灌溉技術水平息息相關。以傳感器故障為例，智能化節(jié)水灌溉技術的核心是依賴傳感器實時監(jiān)測土壤水分、氣象條件等數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)進行灌溉決策。然而傳感器的準確性、穩(wěn)定性和耐久性仍存在一定問題，可能會導致數(shù)據(jù)采集不準確或中斷，進而影響到灌溉的精準性和效果。

2、缺乏完善的節(jié)水灌溉管理制度

完善的節(jié)水灌溉管理制度是保證智能節(jié)水灌溉工作有序推進的前提，許多地區(qū)已經開始引入智能化節(jié)水灌溉技術，但與之配套的管理制度并不完善，例如在工作中沒有明確的管理規(guī)定和操作流程，節(jié)水灌溉技術雖然已經推廣但是應用過程中沒有按照相關規(guī)定使用各種設備等，使得節(jié)水灌溉技術的推廣和應用受到了很大的限制。與此同時，由于管理制度不完善，農民或相關從業(yè)人員在使用智能化節(jié)水灌溉設備時可能存在操作不當或不規(guī)范的情況，造成設備使用效率不高、灌溉效果不佳，進而影響到節(jié)水灌溉技術的實際效果。

3、成本高昂

首先，智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)涉及多種先進技術的集成，導致其建設和維護成本相對較高，這使得許多小型農田水利工程望而卻步，尤其是一些比較偏遠的農村地區(qū)，農民對智能化節(jié)水灌溉技術和設備的接受度有限，認為價格太過高昂無法接受，對新技術的效果也存在一些疑慮，限制了技術的普及和推廣。其次，智能化節(jié)水灌溉技術的運營和維護成本較高，技術的應用需要定期維護設備、更新軟件、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，這些運營和維護費用需要持續(xù)投入，增加了農民或農業(yè)生產者的運營成本。若缺乏專業(yè)技術人員進行維護和管理，可能會導致設備故障頻發(fā)、效果不佳，從而影響到節(jié)水灌溉技術的實際效果和長期可持續(xù)性。

四、智能化節(jié)水灌溉技術的應用措施

1、加強智能化節(jié)水灌溉技術的研發(fā)

加強智能化節(jié)水灌溉技術的研發(fā)力度，不斷優(yōu)化和完善相關技術，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，才是提高智能化節(jié)水灌溉技術應用水平的關鍵。在現(xiàn)有基礎上要持續(xù)增加研發(fā)投入，政府和企業(yè)應加大對智能化節(jié)水灌溉技術研發(fā)的投入，提供足夠的資金支持，鼓勵科研機構和高校開展相關研究，探索更先進的節(jié)水灌溉技術和設備。建立智能化節(jié)水灌溉技術研發(fā)平臺，整合科研機構、高校和企業(yè)等資源，形成產學研一體化的研發(fā)體系，提高技術研發(fā)的效率和成果轉化率。為了不斷提高我國智能化節(jié)水灌溉技術水平，還可以加強國際合作，尤其是一些智慧農業(yè)比較發(fā)達的國家，我國可增加與國際先進的節(jié)水灌溉技術研發(fā)機構開展合作，引進國外先進技術，促進技術的交流和進步。

2、建立健全的節(jié)水灌溉管理制度

為了確保智能化節(jié)水灌溉技術的有效實施，必須建立健全的節(jié)水灌溉管理制度。首先要對智能化節(jié)水灌溉的操作過程進行明確，制定明確的技術操作規(guī)程、設備維護保養(yǎng)制度、人員培訓制度等，為節(jié)水灌溉工作提供支持。通過制度的建立，可以確保技術的正確使用和設備的正常運行，從而最大程度地發(fā)揮節(jié)水灌溉技術的作用。在節(jié)水灌溉過程中使用人必須按照正確的規(guī)章制度進行操作，一旦出現(xiàn)任何問題，可以及時找到責任人，確保水資源得到充分利用，減少浪費現(xiàn)象。

3、加大推廣力度，對農民進行培訓教育

為更好地推廣智能化節(jié)水灌溉技術，農業(yè)部門需積極引進和推廣先進的技術和設備。農業(yè)部門要推廣應用示范，讓農民切實看到節(jié)水灌溉的優(yōu)勢和效益。在部分地區(qū)建立智能化節(jié)水灌溉技術應用示范基地，通過示范基地的實踐和推廣，展示技術的優(yōu)勢和應用效果，促進技術的普及和應用。需要注意的是，建立示范基地要充分考慮當?shù)氐臍夂?、土壤、作物等因素，對灌溉技術、灌溉系統(tǒng)等進行科學合理的規(guī)劃設計，這包括對水源的勘察、灌溉方式的確定、設備的選型等，讓農民可以真正看到節(jié)水灌溉在農業(yè)生產中的作用。要加強政策扶持，政府應出臺相關政策，為智能化節(jié)水灌溉技術在農田水利工程中的應用提供財政補貼、稅收優(yōu)惠等支持，激發(fā)農民和相關企業(yè)的積極性，減輕農民購置智能化節(jié)水灌溉設備的壓力。加大對農民的培訓教育力度，定期組織針對農民的培訓活動，讓他們了解智能化節(jié)水灌溉技術的優(yōu)勢和應用方法，同時要加強對農業(yè)技術人員的培訓，提高他們在系統(tǒng)安裝、維護和管理方面的能力，并且安排農業(yè)技術人員深入基層，對節(jié)水灌溉技術進行宣傳推廣，提高農民對節(jié)水灌溉技術的積極性。

4、提高設備的可靠性和耐用性

首先，對智能化節(jié)水灌溉設備進行嚴格的質量檢驗和認證，在設備制造階段，應嚴格按照相關標準和規(guī)范進行生產，確保產品質量達到要求，具備良好的性能和穩(wěn)定的運行特性。通過建立健全的質量管理體系，加強對設備生產過程的監(jiān)督和把關，可以有效提高設備的可靠性和耐用性，減少因質量問題導致的故障和損壞。其次，定期維護和保養(yǎng)智能化節(jié)水灌溉設備。設備在長時間運行過程中會受到各種因素的影響，如灰塵、濕氣、溫度等，可能導致設備性能下降或損壞。因此，定期對設備進行檢查、清潔、潤滑和更換易損件等維護工作，可以延長設備的使用壽命，保證設備的正常運行，提高節(jié)水灌溉技術的效果和穩(wěn)定性。最后，加強技術培訓和人員素質提升，農民和從業(yè)人員需要具備一定的技術知識和操作技能，能夠正確使用和維護智能化節(jié)水灌溉設備，及時處理常見故障，保障設備的正常運行，以有效提升設備的可靠性和耐用性，確保技術的有效應用。

5、智能化節(jié)水灌溉技術應用實例

東平縣作為一個農業(yè)大縣，農業(yè)是主要產業(yè)，近年來逐漸實現(xiàn)規(guī)模化生產，農業(yè)機械設備的推廣應用越來越頻繁，智能化節(jié)水灌溉技術也在本地大力推廣，帶來的效益十分顯著。例如本地農民使用平移式噴灌機灌溉麥田，平移式噴灌機可根據(jù)不同地塊的土壤墑情，有針對性地設定“出水量、液體肥含量和平移速度”，極大提高了春管的精準度。近年來，東平縣新建了高標準農田、清淤溝渠、新增了高效節(jié)水灌溉面積，鋪設節(jié)水管道，新建泵站等工作，同時積極引入智慧高效灌溉設備，助力糧食節(jié)本增效，實現(xiàn)糧食增量生產。

綜上所述，智能化節(jié)水灌溉技術在農田水利工程中的應用具有諸多優(yōu)勢，不僅可以提高水資源利用效率，降低勞動成本，還可以促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)代農業(yè)發(fā)展必須加強智能化灌溉技術的應用，但目前智能化節(jié)水灌溉技術在農田水利應用中存在一些問題，需要從技術研發(fā)、制度建設、示范推廣、培訓教育等方面入手，全面提升智能化節(jié)水灌溉技術在農田水利工程中的應用效果，促進我國農業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

（作者單位：271502山東省泰安市東平縣接山鎮(zhèn)農業(yè)生產綜合服務隊）