自動灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中的應(yīng)用

劉浩波

（桂林誠鄉(xiāng)規(guī)劃建筑設(shè)計院有限公司，廣西 桂林 541001）

隨著水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。我國是一個水資源嚴(yán)重短缺的國家，且在我國的用水結(jié)構(gòu)中，農(nóng)業(yè)用水占全國用水總量的70%，其中90%以上用于灌溉，由于種種原因，我國水資源利用率及利用效率較低。近年來，我國灌溉自動化控制技術(shù)迅速興起，相關(guān)研究已深入到將氣象因素、蒸騰量和土壤含水率相結(jié)合的綜合灌溉控制。但由于我國節(jié)水自動灌溉系統(tǒng)方面的研究起步較晚，與國外相比，灌溉自動化水平不高。因此，研發(fā)設(shè)計自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，加強(qiáng)自動化灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 自動灌溉系統(tǒng)的概述

1.1 自動灌溉系統(tǒng)的工作原理

自動灌溉系統(tǒng)由中央控制計算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電磁閥及軟件系統(tǒng)組成，制定各自相應(yīng)的灌溉制度（最適宜作物生長、生育的土壤含水率指標(biāo)上下限，可以灌溉的風(fēng)速值、雨量值），并通過傳感器將測得的土壤墑情實(shí)時傳輸給中央控制系統(tǒng)，由計算機(jī)判斷是否需要灌溉。當(dāng)土壤含水率指標(biāo)小于設(shè)定的下限值時，計算機(jī)自動打開電磁閥灌溉，當(dāng)土壤含水率指標(biāo)大于設(shè)定的上限值時，控制系統(tǒng)將自動關(guān)閉相應(yīng)田間的電磁閥停止灌溉。

1.2 自動灌溉系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）自動灌溉系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動反沖洗過濾系統(tǒng)，組裝簡單、反沖洗次數(shù)少、抗腐蝕能力強(qiáng)、自動清洗效果好。

（2）自動灌溉系統(tǒng)采用先進(jìn)的水肥混合技術(shù)，可自由設(shè)定施肥時間和管道沖洗時間，施肥均勻性高，濃度可調(diào)，根據(jù)作物種類和生長的不同階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用方便。

（3）自動灌溉系統(tǒng)除全自動控制外，系統(tǒng)還允許管理人員采用半自動、手動等控制方式，控制方式多樣化，適應(yīng)多樣化的管理。

（4）自動灌溉系統(tǒng)采用的是智能決策灌溉，杜絕了人工開啟閥門的隨意性，保證了灌溉精度，方便對農(nóng)作物灌溉施肥的管理。

（5）自動灌溉系統(tǒng)由于采用自動灌溉控制，可很好地保證灌溉時間、灌溉水量、灌溉精度，使灌水量得到了有效的保證。

（6）應(yīng)用自動灌溉系統(tǒng)，由于電磁閥的開啟均由中央監(jiān)控室統(tǒng)一管理，可節(jié)省大量的勞動力，從而大大節(jié)省了人力成本。

事實(shí)證明，自動灌溉系統(tǒng)具有投資少、效益高、運(yùn)行可靠、節(jié)水顯著、故障低、節(jié)約人工等優(yōu)點(diǎn)，是高科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體運(yùn)用，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 自動灌溉系統(tǒng)方案的設(shè)計

2.1 測量參數(shù)

在進(jìn)行自動化灌溉控制時，由于不同的作物對水分的需求量是不一樣的，且土壤溫度也是決定是否灌溉的一個重要參數(shù)。因此，在設(shè)計時，測量參數(shù)需考慮到土壤水分和土壤溫度。

2.1.1 土壤水分測量

土壤水分是土壤的重要組成部分，土壤水分的測量是實(shí)施節(jié)水灌溉、按需灌溉的基礎(chǔ)。目前，適宜用于自動灌溉控制系統(tǒng)中的土壤水分測量方法為負(fù)壓式傳感器法。用負(fù)壓式傳感器法來測量土壤的水分，具有田間原位測定、快速直讀、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、價格低廉、無放射性物質(zhì)、安全可靠、便于長期觀測和積累田間水勢資料等優(yōu)點(diǎn)，是一種低成本的直接測量方法，能夠連續(xù)測量土壤含水量。

2.1.2 土壤溫度測量

由于控制系統(tǒng)中對于土壤溫度的測量要求不是很高，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時要求選擇一個價格低、性能好、電路簡單、具有一定精度的溫度傳感器。目前，常用的測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和半導(dǎo)體集成溫度傳感器等。在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體溫度傳感器由于具有小型化、線性好、低成本、易于電路設(shè)計或控制電路接口等優(yōu)點(diǎn)，最適合用在控制系統(tǒng)中測量土壤溫度。

另外，至于其他的參數(shù)，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在測量參數(shù)已足夠和簡化系統(tǒng)降低成本的前提下，可以不用考慮測量。

2.2 傳感器數(shù)量

針對土壤情況不同，需要的傳感器數(shù)量也不同。有的土壤一致性好，只需一個傳感器測量土壤墑情；有的土壤一致性差，需要多支傳感器來測量土壤墑情。同時，土壤的面積有大有小，也決定了需要不同數(shù)量的傳感器。一般，在設(shè)計時連接三個負(fù)壓式土壤水分傳感器、一個溫度傳感器。

2.3 作物缺水判斷

不同的作物對水分的需求是不同的；周圍環(huán)境不同，作物的需水量也會有所不同；即使同一作物，在不同生長階段對水分的需求也不同。因此，作物缺水判斷是控制系統(tǒng)通用性設(shè)計中的一個難點(diǎn)。在設(shè)計時，控制儀器則應(yīng)具有允許操作者通過鍵盤設(shè)定判斷土壤缺水標(biāo)準(zhǔn)的功能；對不同作物，農(nóng)業(yè)專家可憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定不同的判斷值來實(shí)現(xiàn)作物按需灌溉。這樣，不僅能充分利用農(nóng)業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn)，還可以使自動化灌溉控制儀器適用于許多不同作物，提高了儀器的通用性。

2.4 灌溉控制方式

目前，我國各個設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉系統(tǒng)的水狀況不一樣，有的采用電機(jī)控制水流、有的采用水泵加壓后才能進(jìn)行灌溉，有的采用電磁閥代替手動閥門控制水流灌溉。因此，控制系統(tǒng)在設(shè)計時要考慮到控制信號的通用性，既能控制電機(jī)、水泵，又能控制電磁閥。設(shè)計時，由于這三種輸水設(shè)備均是通過接通電源工作的，因此可在輸水設(shè)備的電源線上加一個開關(guān)，由控制系統(tǒng)來控制開關(guān)的閉合，即可實(shí)現(xiàn)由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌溉的自動化控制。

不同土壤滲水能力也不同，如砂土滲水能力強(qiáng)，黏土滲水能力較弱。在灌溉時，如黏土土壤，因?yàn)樗植荒芗皶r滲入土壤深層，致使土壤吸力傳感器不能準(zhǔn)確判斷土壤是否已經(jīng)灌溉結(jié)束，導(dǎo)致實(shí)際澆水量已足夠而系統(tǒng)設(shè)備仍在繼續(xù)澆灌，從而沒有達(dá)到節(jié)水的目的。因此，在設(shè)計時，考慮到不同土壤的滲水能力，可設(shè)計幾種不同的灌溉方式，針對不同的土壤選擇不同的與之相適應(yīng)的灌溉方式，以保證能夠達(dá)到節(jié)水的目的。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在整個系統(tǒng)運(yùn)行中起著核心的作用。在設(shè)計時，系統(tǒng)軟件采用WEB界面的C/S軟件結(jié)構(gòu)。邏輯上系統(tǒng)由界面子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)構(gòu)成。界面子系統(tǒng)主要是將測控儀送來的當(dāng)前土壤水分和溫度檢測結(jié)果通過數(shù)碼管顯示出來；通訊子系統(tǒng)則是將設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)值發(fā)送給測控儀，并接受測控儀發(fā)送來的檢測數(shù)據(jù)；系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的自動灌溉條件自動開、關(guān)灌區(qū)灌溉電磁閥門完成自動灌溉。

在進(jìn)行軟件設(shè)計時，應(yīng)充分考慮各種農(nóng)作物的灌溉制度，在確定各農(nóng)作物的生育期及土壤含水量和灌水定額的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計，以便在應(yīng)用系統(tǒng)時，用戶可直接在計算機(jī)內(nèi)輸入農(nóng)作物的相關(guān)信息，系統(tǒng)則可準(zhǔn)確計算出各農(nóng)作物的適宜土壤含水量和每次的灌水額，用于指導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行。

3 對我國農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中應(yīng)用自動灌溉系統(tǒng)的展望

（1）可設(shè)定土壤的負(fù)壓力、溫度值，并根據(jù)不同作物、不同土壤條件設(shè)定灌溉方法，從而增大設(shè)備的適用范圍。

（2）擴(kuò)大系統(tǒng)的控制方式，實(shí)現(xiàn)在工作室或家里就可以進(jìn)行施肥、灌溉等日常工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制農(nóng)業(yè)種植與灌溉。

（3）由于我國地面灌溉量大、面廣，要精細(xì)地面灌溉技術(shù)，急需采用推廣應(yīng)用激光控制平地技術(shù)、水平畦田灌溉技術(shù)、田間閘管灌溉系統(tǒng)以及土壤墑情自動監(jiān)測技術(shù)等一切改進(jìn)地面灌溉措施，逐步實(shí)現(xiàn)田間灌溉水的有效控制和適時適量的精細(xì)灌溉。

（4）建立“土壤墑情監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)”，對全國農(nóng)田墑情進(jìn)行監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)灌溉用水和抗旱減災(zāi)服務(wù)。在監(jiān)測土壤墑情的同時，與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐淖魑镄杷肯嘟Y(jié)合，可科學(xué)確定灌溉用水計劃。

（5）控制部分的數(shù)據(jù)采集應(yīng)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，不能局限于濕度和雨量兩個參數(shù)，應(yīng)包括傳感器的一些應(yīng)用，通過在農(nóng)田部署一定密度的空氣溫度、土壤濕度、土壤肥料含量、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等傳感器，可以更好地對農(nóng)田管理微觀調(diào)控，促進(jìn)農(nóng)作物生長。

4 結(jié)束語

綜上所述，自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計采用了傳感技術(shù)與單片微機(jī)技術(shù)，將工業(yè)測控技術(shù)和農(nóng)業(yè)種植與灌溉技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了新的、精確量化的節(jié)水灌溉模式。目前，隨著水資源的日趨緊張和我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，將自動灌溉系統(tǒng)應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中，對節(jié)水灌溉和提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和指導(dǎo)用戶進(jìn)行科學(xué)種植有著重要意義。

1 徐忠輝、潘衛(wèi)國、石紅梅.自動灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.北京水務(wù)，2010（5）

2 樊宜、孫靈志、楊楠.江西省高效農(nóng)業(yè)用水自控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.江西水利科技，2008（3）

3 張杰、黎耀貴、楊冬升.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案分析與選擇［J］.中國水運(yùn)，2008（3）