基于物聯網的精準灌溉系統應用研究

王之中

(撫順市水利技術推廣中心，遼寧 撫順 113008)

隨著我國社會經濟高速發展，人民生活水平不斷提高，水資源供需矛盾日益加劇[1]。農業灌溉水資源利用效率低、水資源浪費嚴重，加劇了我國水資源緊缺的現狀。因此，積極開發推廣應用農業高效節水技術，提高農業用水效率，成為我國社會經濟發展的重要部分。新形勢下水資源的戰略地位日趨凸顯，膜袋灌技術是一種高效地面灌水技術，具有省時、省工、節能、節水的優點[2- 3]。王永濤[4]提出了精準灌溉決策的方法，對單一農作物需水量進行研究，但忽略了農作物種植模式帶來的影響。張曉翠[5]考慮了農場的灌溉制度、耕作方式、水資源情況等，開發了農場級節水灌溉專家決策系統，但沒有灌溉預測預報功能。齊英[6]采用GIS技術，根據農作物需水情況進行灌溉決策，但監測到的氣象數據、土壤水分信息時效性較低。本文建立了膜袋精準灌溉決策模型，通過物聯網傳感器獲得實時可靠的土壤墑情、氣象、作物吸水根系信息，能夠為農業精準決策分析提供新的技術手段。

1 精準灌溉決策模型

1.1 水量平衡法

根據SPAC理論，將膜袋灌農作物吸水根系活動區域視為一個整體，根據地下水補給量、灌溉量、有效降雨量與農作物蒸騰量的平衡關系，對不同生長階段農作物的需水量確定膜袋灌水量，計算公式如下[7]：

m=W-P-G+ET

(1)

式中，ET—作物蒸騰量，mm；G—地下水補給量，mm，地下水位埋深較低的區域可以忽略；P—有效降雨量，mm；W—田間持水量，mm；m—膜袋系統單次灌水定額，mm。

1.2 膜袋灌溉預報

假設膜袋灌農作物最適宜土壤水分環境為θmin-θmax，若沒有灌溉和降雨，土壤中的水分持續消耗減少，當土壤含水率減少到θmin時則需要進行膜袋灌溉。在膜袋實際應用中，可以通過計算作物蒸騰蒸發量，借助物聯網土壤墑情監測儀監測土壤含水量的變化情況，實現膜袋灌溉時機條件判別，提高了膜袋灌水補水點的計算精度，公式如下[8]：

(2)

式中，We—膜袋灌農作物可用于蒸騰的全部水量，mm；γ—土壤容重，g/cm3；H—作物吸水根系深度，mm。

將式(2)帶入水量平衡公式，得到灌水定額m，即：

m×α=Hγ(θmax-θmin)-P-G+ET

(3)

式中，α—膜袋灌水利用率；其他變量含義同前所述。

膜袋灌水量m與膜袋布設數n的比值即為單條膜袋灌水量m0。

m0=m/n

(4)

2 系統結構與功能實現

精準灌溉系統主要由物聯網氣象監測系統、土壤墑情監測系統以及膜袋灌水系統組成。灌溉決策主要依據物聯網氣象監測系統和土壤墑情監測系統的數據結果。其中，物聯網氣象監測系統可以自動監測灌區太陽輻射、降雨、溫濕度、大氣壓、風速并實現未來的降雨預測和自動計算該地的ET0。土壤墑情監測系統集數據采集-傳輸-分析于一體，能夠自動監測作物多個深度的土壤含水率，具有一定的穩定性，保障了氣象數據和土壤水分數據的可靠性。膜袋灌水系統：通常由供水膜袋、塑料管、輸配水管網和水源工程組成。

2.1 物聯網氣象監測系統

通過氣象站獲取日常氣象資料，包括：大氣壓力、太陽輻射、雨量、風向、風速、相對濕度、空氣溫度等，根據監測到的氣象信息，并結監測地氣象信息對未來7d的太陽輻射、大氣壓、風向、風速、溫濕度、降雨和ET0做出精準預測。

2.2 物聯網土壤墑情監測系統

本實驗在撫順市農業科研實驗站進行，研究區域地理坐標為東經123°55′，北緯41°52′，夏熱多雨，冬寒漫長，溫差較大，四季分明，屬大陸性季風氣候。年日照時數為2230～2520h，年平均降水量為760～90mm。2018年5—6月測量不同位置的滴灌玉米田土壤的含水量。地下水位埋深距地表約1.35m，地表25cm以下為沙土，土壤干容重約為1.52～1.67g/cm3，土壤0～25cm為壤土層，土壤干容重約為1.45～1.78g/cm3。由于該地土壤的獨特性，其土壤水分的長期監測需要校正。將儀器測定的體積含水量轉化為質量含水量并與烘干法標準值進行比較。測定結果見表1。

由表1可知，在45cm以上壤土層儀器測量值的質量含水率與烘干法測得標準水分值誤差小于等于2%，符合土壤墑情監測規范精度要求。而45cm以下沙土層土壤含水量數據誤差較大，對沙土層數據進行回歸分析，回歸分析結果如圖1所示?？梢钥闯?，儀器測定值與烘干法標準值之間的相關系數R2=0.8955，說明校正所得FDR系統測定得出的土壤含水量能較好地反映實際土壤水分狀況，與傳統的烘干法測得的水分值相符，表明該系統監測到的水分數據和運行是可靠的。該系統每個監測單元的系統參數均能通過云端遠程調節，傳統的土壤墑情監測儀器則不具備該項功能。校正方程如下：

表1 物聯網土壤墑情監測數據與膜袋灌土壤含水率對比

y=1.0511x+8.8490

(5)

式中，x—土壤質量含水量標準值；y—體積含水率轉化成的質量含水量值。

圖1 土壤墑情監測儀測量值的校正結果

通過監測膜袋灌土壤含水量的變化，得到膜袋灌土壤中客觀發生的水分數據變化情況。15cm土壤含水量連續變化曲線，如圖2所示。可以看出，土壤含水量發生4次升高，表明該測點發生了4次膜袋灌溉或降雨；降雨或膜袋灌溉結束后，土壤中的水分開始下滲，表層土壤含水量急劇降低，下滲結束后土壤含水量下降曲線呈現出階梯狀的變化規律；由于白天植物蒸騰、土壤蒸發耗水，導致土壤含水量下降速度明顯高于夜間。凌晨土壤含水量為20.13%，夜間土壤含水量值降到11.23%，表明15cm深土層的含水量由20.13mm下降到11.23mm，共減了9.07mm。

圖2 15cm深度土壤含水量連續變化曲線

根據監測位置的農作物吸水根系深度、當前土壤含水量狀態以及歷史水分數據，實時計算根系土壤當前蓄水潛力和有效儲水量。土壤墑情監測水分模型，如圖3所示。隨著監測系統數據的采集，模型中的當前土壤含水量、農作物吸水根系所在位置、歷史最高含水量以及歷史最低含水量都在不斷調整；模型根據農作物根系所在土層中歷史最低、最高含水量與當前土壤含水量的差值，動態計算出膜袋灌農作物吸水根系所在位置土壤的蓄水潛力(土壤可以存蓄的水分總量，與灌溉模式、有機物的含量、土壤質地等因素有關)及有效儲水量(可供作物利用的水分總量，與農作物種類、吸水根系深度、農作物生育期、土壤質地等因素有關)。

圖3 土壤墑情監測水分模型

2.3 膜袋灌作物土壤根系的動態監測

整個生育期內，膜袋灌作物根系均處于動態變化過程，以25cm深度土層為中心，20～30cm土層中含水量的每小時變化量；前后時間段內土壤含水量分別為Q1和Q2，當Q1>Q2時，表明由于水分下滲或作物根系吸收，導致該土層的含水量在減少；當Q1

3 結論

通過膜袋精準灌溉決策模型和物聯網傳感器實現了系統灌水總量、單條膜袋灌水量以及膜袋灌水時間的精準預報。膜袋精準灌溉系統的核心組成部分：氣象信息采集部分、土壤墑情、膜袋供水系統。膜袋灌溉技術與物聯網技術相互融合應用，有效改變傳統地面灌溉的粗放用水方式，將促進以精準灌溉為核心的灌水技術的飛越發展，能夠為節水灌溉技術趨向控制化、智能化提供科學參考。