關于智能化節水灌溉技術的分析

□ 張振海（河南省滎陽市水務局）

1 智能化灌溉勢在必行

目前，在我國節水灌溉已經成為人們的共識，各級政府在各個時期都把節水灌溉放在發展和規劃的首要位置，隨著水資源的日益缺乏，也隨著我國國力的日益增長，噴灌、滴灌等現代化的灌溉方式在我國正加速推進，現代化的灌溉方式不僅可以節約用水，減少水資源的浪費，還可以節約用人，大大提高勞動生產效率。更重要的是現代化的灌溉方式，可以方便地進行控制，使土壤水分含量始終保持在合理的范圍內，為作物的生長提供一個優良的環境，從而提高作物的產量和品質。

2 技術方案

2.1 系統的構成

2.1.1 恒壓供水系統

恒壓供水系統采用多井并聯變頻恒壓供水技術，將區域內所有的水源井都連接到主管道上，由恒壓變頻技術協調各個水泵的工作，可以調動所有的水源集中灌溉某一區域，使水泵的使用效率大大提高，同時又使灌溉效率大大提高。

2.1.2 信息采集

信息采集采用土壤墑情在線傳感器，雨量在線傳感器等，壓力傳感器等可以適時地將各種物理信息變成電信號，在軟件的驅動下完全自動地向外發送數據，發送時間間隔可以任意調整，可以是1 s、1min、或者是1h，這些工作不需要人工操作，一天24 h無間斷工作。

信息采集點的關鍵工作是測量土壤含水量，測量土壤含水量的測量主要靠土壤含水量傳感器來工作，土壤含水量傳感器的工作原理是通過測量土壤的電介質常數，來計算土壤體積含水量。水的介電常數大約是80，土壤礦質的大概為4，空氣為1。由于水的介電常數非常高，因此當土壤中的水分含量變化時，土壤的介電常數也隨之發生相當大的變化。使用時可將之置于欲測量的土壤中，通過測量傳感器上電容的變化，從而測量土壤中的水分含量的變化。信息采集點的數量可以根據灌溉小區的數量來確定，一般一個灌溉小區設置一個信息采集點，一個信息采集點由一組（三個）土壤含水量傳感器組成，并且根據作物或植物的根系分上中下垂直均勻分布，分別測量土壤中不同深度的含水量。

2.1.3 信息傳輸

信息傳輸可以采用有線傳輸和無線傳輸，有線傳輸又分485雙絞線和光纜傳輸，無線傳輸又分無線電臺和GPRS傳輸，這要視當地的具體情況，哪種方式方便可靠就用哪種。

2.1.4 信息處理

各種數據經過采集、傳輸送到信息處理中心，信息處理中心將對各種數據進行處理，數據處理功能是把采集到的數據存放在數據庫中，并且在軟件的支持下，與系統的預設數據、歷史數據進行比較、判斷，然后發出各種指令，去控制外部設備的狀態。信息處理的另一個任務是數據處理，即對各種歷史數據進行數據運算，可以進行1天、1月、1季、1年甚至10年的最大值、最小值、平均值、前差值、積累值、和其它各種特殊的運算處理、統計分析。經過處理的數據根據需要，生成各類報表、趨勢曲線、生產圖表，包括即時報表、班報、月報、年報、各類趨勢曲線、棒狀圖等。進而進行分析預測和建立灌溉模型。

2.1.5 控制終端

控制終端主要指管網系統中的電磁閥（或電動閥），一般根據實際需要在管網的每一個分支出安置一個電磁閥，電磁閥的開啟與關閉由中心控制計算機控制。

2.2 系統的功能

2.2.1 控制功能

控制功能包括：第一，根據土壤水分傳感器獲得的土壤含水量和作為的最佳需水量，系統經過分析判斷，發出指令，控制電磁閥開啟或者關閉。第二，根據壓力傳感器獲得的壓力數據，系統經過分析判斷，發出指令，控制井泵的開啟或者關閉，以及變頻器的工作狀態，使管網的壓力保持在一個恒定的狀態。第三，電磁閥控制方式：一是點擊方式：點擊電磁閥在電腦屏幕上的按鈕打開電磁閥，再點擊該按鈕，電磁閥關閉，這種方式比較靈活方便。二是定時方式：點擊電磁閥在電腦屏幕上的按鈕打開電磁閥，當灌溉到一定時間后自動關閉該電磁閥。三是巡灌方式：將一區域內的電磁閥關聯起來，并設定一個灌溉時間間隔，當點擊第一個電磁閥對應的按鈕后，第一個電磁閥打開，當灌溉時間達到設定時間時，第一個電磁閥自動關閉，第二個電磁閥自動打開，進行灌溉，當第二個電磁閥灌溉時間達到設定值時，第二個電磁閥自動關閉，第三個電磁閥又自動打開，這樣依次進行，實現在一個區域內巡灌。

2.2.2 報警功能

按輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱和特大干旱4個干旱等級劃分旱情，當發生嚴重干旱時，系統自動發出警報，彈出報警畫面，并通過聲光方式通知值班人員。報警畫面不但顯示報警點和報警類型，而且還可以按照報警等級做出相關反應，記錄報警的信息。

2.2.3 地理信息系統功能

地理信息系統基本功能是將表格型數據（無論它來自數據庫，電子表格文件或直接在程序中輸入）轉換為地理圖形顯示，然后對顯示結果瀏覽，操作和分析。

具體操作是將各信息采集點的地理位置標注在地圖上，這樣可以直觀地看到各信息采集點具體的地理位置和一個區域內各檢測點的分布，用鼠標點擊檢測點的位置可以看到各檢測點的具體數據，便于查詢。

2.2.4 直觀顯示功能

2.2.4.1 用不同的顏色表示不同的旱情

各信息采集點在地圖上的標注點的顏色隨檢測值的變化而變化，即達到不同干旱等級顯示不同的顏色，如紅色代表特大干旱、橙色代表嚴重干旱、黃色代表中度干旱、藍色代表輕度干旱，如圖2所示。這樣不但可以看到一個檢測點的具體數據信息，又可以從宏觀上看到一個區域的整體旱情分布，便于從宏觀上進行決策。對應于不同的響應級別，制定相應的響應方案。

2.2.4.2 灌溉時間顯示

用鼠標點擊某一電磁閥控制按鈕，對應的電磁閥打開，同時在電腦屏幕上顯示電磁閥打開的運行時間，使操作者隨時都可以看到某一區域灌溉的程度。

2.2.5 歷史記錄查詢功能

可以查詢1天、1月、1季或者1年的歷史記錄，并以表格或曲線的形式顯現出來。

極大地方便科技工作者進行科學研究。

3 應用

作物的需水量是一個復雜的參數，不同地域、不同土質、不同季節、不同作物品種、不同生長期所需的水分是不一樣的，一般作物苗期需水較少，隨著作物生長逐漸加大，到生長旺盛時期蓄水量最大，成熟期蓄水量逐漸減少。另外，作物水分臨界期（作物水分臨界期指土壤缺水對作物生長和產量影響最嚴重的時期。）也有所不同，例如麥類為：抽穗灌溉期；玉米為：抽雄期；棉花為：花鈴期；豆科作物為：開花期；水稻為：孕穗、抽穗期，等等。智能化灌溉系統的建立為科技工作者提供了一個實驗平臺，一個實驗工具，能夠完成前述的許多靠人力難以完成的繁雜工作，能使灌溉技術產生質的飛躍，能把簡單的節水灌溉躍升為科學灌溉。我們將建立更多的這種實驗平臺，更多的實驗基地，使農業科技工作者，生物科技工作者探索出更多的作物生長規律，需水量規律，灌溉規律，提升水利對糧食產量的貢獻率，為國家的糧食安全和經濟建設不斷地做出新貢獻。