淺析智能化灌溉系統(tǒng)在農(nóng)田水利中的應(yīng)用與效果

隨著人口增長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)水資源短缺問(wèn)題日益凸顯，農(nóng)業(yè)灌溉用水占據(jù)總用水量的大部分，傳統(tǒng)灌溉方式存在嚴(yán)重浪費(fèi)、不均衡和低效等問(wèn)題。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，探索高效節(jié)水的灌溉技術(shù)對(duì)保障國(guó)家糧食安全和水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

智能化灌溉系統(tǒng)的出現(xiàn)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技邁向新階段，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵支撐。該系統(tǒng)融合先進(jìn)的傳感技術(shù)與智能控制算法，可實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)土壤濕度、溫度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，通過(guò)智能分析農(nóng)作物需水規(guī)律，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉量與灌溉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水資源的精準(zhǔn)高效利用。

相關(guān)部門(mén)以某灌區(qū)為對(duì)象，開(kāi)展智能化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐。在系統(tǒng)部署中，遵循“全面覆蓋、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)”原則，科學(xué)計(jì)算并優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)布局；利用傳感器實(shí)時(shí)采集土壤水分、溫度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)灌溉量的動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)；引入PLC技術(shù)構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)，保障灌溉過(guò)程的精準(zhǔn)執(zhí)行。實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅可以顯著降低灌溉用水量，而且可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能調(diào)控，將土壤含水量穩(wěn)定維持在 55%～ 85% ，有效提升水資源利用效率，減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，使農(nóng)民能夠?qū)⒏嗑ν度肫渌r(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效提供了技術(shù)保障。智能化灌溉系統(tǒng)在農(nóng)田水利領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為解決傳統(tǒng)灌溉端、推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了創(chuàng)新路徑。

一、灌區(qū)傳感器節(jié)點(diǎn)布置

在灌區(qū)智能化灌溉系統(tǒng)建設(shè)中，科學(xué)合理地布置傳感器節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的基礎(chǔ)。傳感器節(jié)點(diǎn)布置需嚴(yán)格遵循“全面覆蓋、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)”的原則：全面覆蓋要求傳感器均勻分布于灌區(qū)全域，確保土壤水分、溫度等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)全區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)；重點(diǎn)監(jiān)測(cè)則針對(duì)作物生長(zhǎng)核心區(qū)域、土壤條件復(fù)雜地塊，通過(guò)增加傳感器密度，提升監(jiān)測(cè)精度與響應(yīng)靈敏度。

傳感器數(shù)量的確定需綜合考慮灌區(qū)面積、作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型及灌溉需求等因素。設(shè)定灌區(qū)面積為 s 則傳感器數(shù)量可以通過(guò)公式（1）得到。

式（1）中， M 表示傳感器數(shù)量； k 表示調(diào)節(jié)系數(shù)，取值在 0.1～0.01 ； s 表示灌區(qū)面積； N 表示作物種類(lèi)數(shù)。在此基礎(chǔ)上，傳感器的分布應(yīng)遵循空間均勻性與局部密集性相結(jié)合的原則?？臻g均勻性可通過(guò)網(wǎng)格化布置實(shí)現(xiàn)，即將灌區(qū)劃分為若干個(gè)小網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)至少布置1個(gè)傳感器。局部密集性是指在作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期或土壤條件復(fù)雜區(qū)域，適當(dāng)增加傳感器數(shù)量，形成密集監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。為了量化傳感器的分布密度引入密度函數(shù)，理想情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)的布置應(yīng)滿(mǎn)足公式（2）的條件。

式（2）中， M 表示理想條件下的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量，ρ 表示密度函數(shù)， （x， y）表示傳感器空間位置坐標(biāo)。按照上述步驟，完成農(nóng)田水利灌區(qū)傳感器節(jié)點(diǎn)的布置。

二、智能化灌溉系統(tǒng)灌水量調(diào)節(jié)

利用布置的傳感器，智能化灌溉系統(tǒng)依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤水分、溫度等數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌水量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。在此過(guò)程中，系統(tǒng)需對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常值，并進(jìn)行平滑處理以減少噪聲干擾。利用土壤水分含量和溫度等關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)公式（3）評(píng)估土壤水分狀態(tài)。

式（3）中，WSI表示土壤水分狀態(tài)，θ、 θ_min 、θ_max 表示土壤水分含量值、最小值、最大值， W₁ 表示θ 權(quán)重， T表示作物生長(zhǎng)的最適溫度、傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度， W₂ 表示 T 權(quán)重。根據(jù)土壤水分狀態(tài)，設(shè)計(jì)灌溉量的調(diào)節(jié)，此過(guò)程通過(guò)公式（4）計(jì)算。

Q_total=Q_base+ΔQ（WSI）

式（4）中， Q_total 表示總灌溉量； Q_base 表示基礎(chǔ)灌溉量，滿(mǎn)足作物基本水分需求。 Q（WSI） 表示根據(jù)WSI動(dòng)態(tài)調(diào)整的灌溉量增量，計(jì)算公式如下：

ΔQ（WSI）=k?（WSI₀–WSI）?A

式（5）中， WSI₀ 表示預(yù)設(shè)閾值， A 表示灌區(qū)單元。當(dāng)WSI低于預(yù)設(shè)閾值 WSI₀ 下限時(shí)，啟動(dòng)灌溉；當(dāng)WSI高于閾值 WSI₀ 上限時(shí)，停止灌溉。在灌溉過(guò)程中，采用持續(xù)灌溉與間歇灌溉相結(jié)合的方式，以?xún)?yōu)化水分利用效率和作物生長(zhǎng)條件。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整灌溉策略，確保灌溉量既滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)需求，又避免出現(xiàn)水資源浪費(fèi)的情況。

三、基于PLC的農(nóng)田水利灌溉自動(dòng)化控制

在智能化灌溉系統(tǒng)的灌溉量調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于PLC的農(nóng)田水利灌溉自動(dòng)化控制方法，以實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程的精確自動(dòng)化管理。PLC程序架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制決策模塊和執(zhí)行模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收傳感器發(fā)送的土壤水分、溫度等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和狀態(tài)評(píng)估；

控制決策模塊根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定灌溉策略，并計(jì)算灌溉水量；執(zhí)行模塊則控制灌溉設(shè)備的啟停和流量調(diào)節(jié)。

灌溉控制邏輯基于預(yù)設(shè)的灌溉策略，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。當(dāng)WSI低于預(yù)設(shè)閾值 WSI₀ 下限時(shí)，PLC啟動(dòng)灌溉設(shè)備，以恒定速率按照設(shè)計(jì)的灌溉量進(jìn)行農(nóng)田水利的持續(xù)灌溉。在持續(xù)灌溉過(guò)程中，PLC根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的WSI數(shù)值，動(dòng)態(tài)調(diào)整灌溉速率，確保灌溉量既滿(mǎn)足作物需求又避免浪費(fèi)。灌溉速率的調(diào)整可通過(guò)公式（6）實(shí)現(xiàn)。

q（t）=q?（1-a（ΔQ（WSI）-（WSI）（t）））

式（6）中， q 表示灌溉速率的調(diào)整；t表示時(shí)間點(diǎn)； a 表示調(diào)節(jié)系數(shù)，控制灌溉速率隨WSI變化的靈敏度。除上述提出的內(nèi)容，PLC程序還包含故障檢測(cè)與保護(hù)邏輯，用于監(jiān)測(cè)灌溉設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到設(shè)備故障或異常時(shí)，PLC立即停止灌溉，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，PLC程序利用自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，根據(jù)實(shí)際灌溉效果和歷史數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化灌溉策略和控制參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整灌溉量、灌溉速率和灌溉時(shí)間，以適應(yīng)不同作物、土壤和氣候條件，滿(mǎn)足農(nóng)田水利的智能灌溉需求。

四、實(shí)例應(yīng)用效果分析

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某中型灌區(qū)作為研究試點(diǎn)，該灌區(qū)自建成以來(lái)，已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)10年，其主要設(shè)施包括1座中型水庫(kù)、數(shù)條主干渠及若干支渠，設(shè)計(jì)年供水量達(dá)800萬(wàn) m³ 。近年，受農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，作物需水量發(fā)生變化，灌區(qū)水資源供需矛盾日益突出。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近5年，工程年均實(shí)際供水量約為設(shè)計(jì)供水量的 75% ，存在約 20% 的灌溉需求缺口，干旱季節(jié)供需失衡問(wèn)題尤為嚴(yán)峻。同時(shí)，工程設(shè)施老化現(xiàn)象加劇，部分渠段滲漏嚴(yán)重，進(jìn)一步降低灌溉效率。在此背景下，開(kāi)展灌區(qū)節(jié)水改造與智能化管理研究，對(duì)提升水資源利用效率、保障區(qū)域糧食安全具有重要意義。對(duì)試點(diǎn)地區(qū)灌區(qū)概況進(jìn)行分析，如表1所示。

在智能化灌溉系統(tǒng)在農(nóng)田水利中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，為滿(mǎn)足需求要對(duì)農(nóng)田進(jìn)行細(xì)致勘察，確定灌溉區(qū)域、作物種類(lèi)及分布，以便合理規(guī)劃智能化灌溉系統(tǒng)的布局。同時(shí)，依據(jù)勘察結(jié)果在農(nóng)田中布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括土壤濕度、溫度及氣象監(jiān)測(cè)傳感器，確保數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的接線(xiàn)與通信設(shè)置，采用耐用的線(xiàn)纜連接各傳感器與中央控制單元，并利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)構(gòu)建穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。此外，還需安裝智能閥門(mén)控制器，實(shí)現(xiàn)灌溉設(shè)備的遠(yuǎn)程操控?，F(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。

所有設(shè)備安裝完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保各部件協(xié)同工作。

調(diào)試過(guò)程中，重點(diǎn)檢查傳感器數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、PLC程序的運(yùn)行穩(wěn)定性以及智能閥門(mén)控制器的響應(yīng)速度。通過(guò)模擬灌溉場(chǎng)景，驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠根據(jù)土壤濕度和溫度等參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉量，并實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程的自動(dòng)化控制。同時(shí)，還需對(duì)系統(tǒng)的故障檢測(cè)與保護(hù)邏輯進(jìn)行測(cè)試，確保在設(shè)備故障或異常情況下，系統(tǒng)能夠及時(shí)停止灌溉并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。經(jīng)過(guò)全面的調(diào)試，確認(rèn)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能完善后，即可進(jìn)入正式的實(shí)驗(yàn)階段。

（二）智能化灌溉系統(tǒng)節(jié)水效果檢驗(yàn)

在智能化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用前，該灌區(qū)主要采用傳統(tǒng)持續(xù)噴灌模式開(kāi)展農(nóng)田灌溉。這種粗放型灌溉方式依托固定或移動(dòng)式噴灌設(shè)備，通過(guò)噴頭、輸水管道及水泵等裝置，將水源輸送至農(nóng)田并均勻噴灑。在運(yùn)行過(guò)程中，噴頭持續(xù)作業(yè)形成水霧或水滴，難以精準(zhǔn)匹配作物需水規(guī)律。

為直觀評(píng)估智能化改造效果，工作人員對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用前后的農(nóng)田灌溉用水量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，在智能化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用前，根據(jù)農(nóng)田水利技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，采用持續(xù)噴灌的方式進(jìn)行農(nóng)田水利灌溉，設(shè)定的用水量為 80m³?h^-1 。應(yīng)用智能灌溉系統(tǒng)后，該系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)感知土壤水分、溫度等環(huán)境，并采用持續(xù)灌溉 2～3h 、間隔1h的灌溉方式。從圖2可以看出，雖然此種灌溉方式的用水量峰值 gt; 智能化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用前的農(nóng)田水利灌溉平均用水量，但從綜合平均用水量可以看出，應(yīng)用智能化灌溉系統(tǒng)具有顯著的節(jié)水效果。

智能化灌溉系統(tǒng)不僅減少了水資源浪費(fèi)，還提高了灌溉效率。為了更直觀地展示節(jié)水效果，工作人員對(duì)智能化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用前后的農(nóng)田土壤水分含量進(jìn)行了檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，智能化灌溉系統(tǒng)能夠更精確地控制灌溉量，使土壤水分含量保持在作物生長(zhǎng)的最適范圍內(nèi)，從而避免了過(guò)度灌溉或灌溉不足導(dǎo)致的作物生長(zhǎng)問(wèn)題。

（三）智能化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用后農(nóng)田土壤水分含量檢驗(yàn)

土壤水分是作物生長(zhǎng)不可或缺的因素。為了保持作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，土壤水分需要維持在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。對(duì)于大多數(shù)作物而言，田間持水量的55%～85% 是一個(gè)較為適宜的水分含量范圍。適宜的土壤水分含量有助于保持土壤的良好結(jié)構(gòu)和功能。土壤中的水分可以填充土壤顆粒間的空隙，增加土壤的緊密度和穩(wěn)定性，防止土壤侵蝕和退化。因此，相關(guān)工作人員對(duì)智能化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用前后農(nóng)田土地土壤水分含量進(jìn)行檢驗(yàn)，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，系統(tǒng)應(yīng)用前無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉過(guò)程中土壤溫度、濕度的實(shí)時(shí)感知，導(dǎo)致灌溉后的土攘含水量經(jīng)常出現(xiàn)大于上限閾值或小于下限閾值的現(xiàn)象，無(wú)法控制農(nóng)田土地土壤水分含量在最優(yōu)范圍內(nèi)。而智能化灌溉系統(tǒng)應(yīng)用后，通過(guò)對(duì)土壤實(shí)時(shí)情況的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉量，可以確保農(nóng)田土壤水分含量在田間持水量的 55%～85% 為最優(yōu)區(qū)間。

這不僅提高了灌溉效率，還減少了因過(guò)度灌溉或灌溉不足對(duì)作物生長(zhǎng)造成的負(fù)面影響。智能化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用，使得農(nóng)田土壤水分管理更加精細(xì)化，有助于優(yōu)化作物生長(zhǎng)環(huán)境，提升作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時(shí)，通過(guò)智能化灌溉系統(tǒng)的節(jié)水效果，可以有效解決農(nóng)業(yè)水資源短缺的問(wèn)題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，智能化灌溉系統(tǒng)在農(nóng)田水利中的應(yīng)用，對(duì)于提高灌溉效率、優(yōu)化土壤水分管理、保障作物生長(zhǎng)具有重要意義。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著全球氣候變化加劇和水資源日益緊張，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展已成為全球矚目的焦點(diǎn)。智能化灌溉系統(tǒng)憑借其高效、精準(zhǔn)、節(jié)水的特性，逐步成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)精準(zhǔn)感知農(nóng)田環(huán)境參數(shù)、智能決策灌溉策略并精準(zhǔn)執(zhí)行灌溉任務(wù)，智能化灌溉系統(tǒng)將為農(nóng)田水利的可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。在灌區(qū)傳感器節(jié)點(diǎn)的合理布置上，該方法通過(guò)精準(zhǔn)部署傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤水分、溫度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為智能化灌溉提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。智能化灌溉系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)噴灌量，采用更為科學(xué)的灌溉策略，持續(xù)灌溉與間歇相結(jié)合，既滿(mǎn)足了作物生長(zhǎng)的水分需求，又有效避免了水資源的過(guò)度消耗?；赑LC的農(nóng)田水利灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)，不僅提升了灌溉作業(yè)的自動(dòng)化水平，還確保了灌溉過(guò)程的精準(zhǔn)控制，能夠根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整灌溉量。

作者簡(jiǎn)介：王超（1985一），男，山東德州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水土保持、農(nóng)田水利等相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。