白昕陽，王強(qiáng)

1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430070 2.新疆農(nóng)業(yè)廳農(nóng)業(yè)信息中心，烏魯木齊 830049

自動化控制在新疆農(nóng)業(yè)滴灌中的應(yīng)用

白昕陽1，王強(qiáng)2

1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430070 2.新疆農(nóng)業(yè)廳農(nóng)業(yè)信息中心，烏魯木齊 830049

灌溉是彌補(bǔ)自然降水量的不足與不均，保證適時適量的滿足作物生長所需水分的重要措施。目前，新疆很多農(nóng)田灌溉水平較低，不但浪費(fèi)水資源，而且造成灌水過量、不足或不及時，對植物的正常生長產(chǎn)生不利影響。本文詳細(xì)介紹自動化灌溉系統(tǒng)的組成、功能特點(diǎn)及程序?qū)崿F(xiàn)，以期為自動化滴灌技術(shù)的應(yīng)用提供理論參考。

滴灌；自動化控制；應(yīng)用

1 概述

新疆地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，單位面積產(chǎn)水量在全國位居第二十二位，屬水資源緊缺地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，新疆水資源壓力系數(shù)為0.65，人口缺水率為15.6%，牲畜缺水率為24.3%，目前，新疆水資源已過度開發(fā)，可增加供給生產(chǎn)生活等方面用水非常有限。所以，節(jié)水型社會建設(shè)是解決新疆嚴(yán)重水資源短缺問題的關(guān)鍵措施之一。

農(nóng)業(yè)是節(jié)水型社會建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域，長期以來，新疆農(nóng)業(yè)用水量一直占新疆用水總量的90%以上。但是,農(nóng)業(yè)用水卻存在著資源性缺水、結(jié)構(gòu)性缺水、工程性缺水等現(xiàn)實(shí)問題，要想解決這一問題，必須走節(jié)水高效型農(nóng)業(yè)發(fā)展道路，提高農(nóng)業(yè)用水利用率，在節(jié)省大量水資源的同時，也能促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展。同時，有助于推進(jìn)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)技術(shù)的改革，進(jìn)而持續(xù)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保障農(nóng)民增收、推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。

自動化滴灌系統(tǒng)是世界先進(jìn)國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要舉措，以色列、日本等國家均采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉方式，在其農(nóng)業(yè)灌區(qū)大面積推廣自動化滴灌系統(tǒng)，尤其在干旱、半干旱地區(qū)，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)實(shí)行動態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水管理的自動化。

2 自動化滴灌系統(tǒng)的組成

自動化滴灌系統(tǒng)主要由決策支持系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)、灌溉自動控制系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成。其工作原理為：根據(jù)各地實(shí)際情況在田間布置傳感器和底層采集設(shè)備，將田間信息定期轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，向決策系統(tǒng)傳輸并進(jìn)行分析整理。決策系統(tǒng)配有方法庫、模型庫和決策庫，對整個自動化滴灌系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)支持，對經(jīng)過處理的具有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得出精確灌水量、最佳灌水時間及作物長勢等重要信息。具體功能為：

2.1 決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、模型庫管理系統(tǒng)、知識庫管理系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)庫主要用于管理和維護(hù)農(nóng)田水分管理決策和模型運(yùn)算數(shù)據(jù)，主要包括土壤信息、作物信息、傳感器信息、灌溉指標(biāo)、氣象信息、水量信息等。

模型庫是決策支持系統(tǒng)的核心，用于自動化滴灌系統(tǒng)的水量預(yù)報與決策，作物生長狀況分析及多種決策方案優(yōu)化組合。

管理庫提供檢索、查詢等管理手段，可實(shí)現(xiàn)以下功能，一是數(shù)據(jù)采集和信號轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理功能。二是分析數(shù)據(jù)的數(shù)值及圖形顯示。三是數(shù)據(jù)記錄與預(yù)警。四是閥門狀態(tài)監(jiān)控。

2.2 滴灌控制系統(tǒng)

滴灌自動控制系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器、采集器、計算機(jī)、控制器、電子閥門等部分組成，軟件部分主要是智能控制程序設(shè)計。根據(jù)實(shí)際需要，灌溉自動控制系統(tǒng)可分為手動控制系統(tǒng)、全自動控制系統(tǒng)和半自動控制系統(tǒng)。

2.2.1 手動控制系統(tǒng)

所有操作均由人工完成，如水泵、閥門、灌溉時長等。此類系統(tǒng)成本低，技術(shù)含量不高，便于維護(hù)使用；缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性差，易造成灌溉過量或不足，不能有效灌溉大面積農(nóng)田。

2.2.2 全自動控制系統(tǒng)

不需要人工直接參與，通過系統(tǒng)控制程序自動控制灌水時間及時長。人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修設(shè)備。

2.2.3 半自動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中在灌溉區(qū)域未安裝傳感器，灌水時間、灌水量和灌溉周期等均是根據(jù)預(yù)先編制的程序，而不是根據(jù)作物和土壤水分及氣象資料的反饋信息來控制的。這類系統(tǒng)的自動化程度不等，有的一部分實(shí)行自動控制，有的是幾部分進(jìn)行自動控制。

3 滴灌自動化控制設(shè)計

3.1 自動化控制方法

基本控制方法有三種：分別是時間、水量和反饋控制。時間控制系統(tǒng)是按預(yù)定好的時間放水或關(guān)水；水量控制系統(tǒng)是按照設(shè)計的配水量放水或關(guān)水；反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)灌區(qū)內(nèi)傳感器的反應(yīng)，將信號傳送到控制樞紐部分來關(guān)水或放水。這在地多人少、勞力緊張的邊遠(yuǎn)地區(qū)，沙漠地帶的防護(hù)林區(qū)，鐵路路基沿線，經(jīng)濟(jì)力量雄厚的城郊蔬菜種植區(qū)顯得特別實(shí)用。目前，發(fā)達(dá)國家在灌區(qū)普遍使用了滴灌自動化控制系統(tǒng)，并通過滴灌自動化控制系統(tǒng)軟件來控制灌溉和檢測作物生長、土壤狀況及氣象趨勢，取得了較好的效果。為人們充分利用現(xiàn)代化儀器設(shè)備在滴灌系統(tǒng)中應(yīng)用提供指導(dǎo)。

3.2 生產(chǎn)計劃制定

控制系統(tǒng)提供一套科學(xué)的作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)，它通過提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及減少用水量來提高水分利用效率，能給用戶提供一套針對灌溉方案制定的先進(jìn)、完善的作物生產(chǎn)管理的管理系統(tǒng)，用戶能夠使用它獲得他們的每一塊農(nóng)田的土壤水分狀況圖，能夠給每塊農(nóng)田制定出合理的灌溉管理計劃，根據(jù)每塊農(nóng)田各自的灌溉需求對不同農(nóng)田進(jìn)行灌溉優(yōu)先排序，制定合理灌溉計劃。

3.3 灌溉計劃制定

灌溉計劃一般是指確定何時進(jìn)行灌溉及合適的灌溉量，在作物生長期根據(jù)土壤類型和作物自身生長能力，不同的農(nóng)田具有不同的土壤水分虧缺量和日水分利用量，因此不同的農(nóng)田需要不同的灌溉計劃。農(nóng)民通過土壤水分測定技術(shù)利用軟件處理和顯示不同層次土壤水分特征，能加深對發(fā)生于土壤內(nèi)的各種過程的理解，以便進(jìn)行更精細(xì)的灌溉計劃和灌溉管理決策的制定，以確保土壤水分總是保持作物生長所需的最佳含水量。當(dāng)土壤水分和被作物利用的水分的準(zhǔn)確數(shù)量被測定后，通過軟件可以計算下一次滴灌的日期和準(zhǔn)確的灌水量，它將考慮當(dāng)前每天水分利用狀況、天氣變化和歷史資料來幫助管理者制定以后的灌水計劃。

3.4 自動化滴灌功能設(shè)計

3.4.1 數(shù)據(jù)綜合分析

總結(jié)重要信息形成報告，幫助制定每日的管理決策方案。同時也可以編輯出前幾個生長季的作物生長、水分管理、土壤等數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行綜合分析，為以后的灌溉方案制定提出更合理更完善的評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.2 數(shù)據(jù)采集

可以人工錄入和顯示系統(tǒng)田間實(shí)際收集的數(shù)據(jù)，如土壤水分張力計的讀數(shù)、作物籽粒大小。有關(guān)作物的數(shù)據(jù)可以測定得到，作物生長參數(shù)與土壤水分含量相關(guān)聯(lián)可以確定作物生長期的水分需求量。氣候數(shù)據(jù)資料可以人工輸入或由氣象站自動裝載。天氣數(shù)據(jù)參數(shù)的個數(shù)沒有限制，它可以與任一個作物生長測定值和任一水平的土壤水分含量相關(guān)聯(lián)制作相互作用關(guān)系圖。從氣象數(shù)據(jù)資料中可以得到蒸發(fā)損失的總水分量的數(shù)據(jù)并且把它與測定的日水分使用量相比較來調(diào)整該地區(qū)的作物灌溉計劃。

3.4.3 數(shù)據(jù)處理

可以計算使土壤剖面達(dá)到灌溉飽和點(diǎn)所需的準(zhǔn)確時間數(shù)。同時計算自從播種或其他生長時期（如發(fā)芽、開花等）以來的天數(shù)，使土壤水分能夠與過去多年的作物生長資料數(shù)據(jù)參數(shù)同步分析，以確定作物水分利用效率。能夠很好地評估作物總產(chǎn)量，尤其是對于玉米、小麥和棉花。可以通過作物－水分方程和氣象資料估算理論產(chǎn)量。通過速率方程，計算作物生長速率。計算作物當(dāng)前日水分利用量占整個生長季日水分利用量地比例。同時也可計算不同水分含量地土壤水分變化速率，這些速率變化表明土壤緊實(shí)問題和土壤干旱地程度。能夠指導(dǎo)最有效地利用有限的水資源獲得最大農(nóng)業(yè)效益。建立土壤水分含量、作物長勢及天氣狀況的數(shù)據(jù)庫以使作物產(chǎn)量和質(zhì)量獲得持續(xù)穩(wěn)定的提高，使高效農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.5 自動灌溉控制器

要實(shí)現(xiàn)灌溉的自動化，必須有自動灌溉控制器，該裝置由土壤濕度傳感器、控制器和電磁閥組成，能夠按土壤墑情和作物需水特性實(shí)施自動灌溉（溝灌、噴灌、滴灌、滲灌），實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉，節(jié)能、省水，使菜地和農(nóng)地產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。智能化，精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)是伴隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、傳感器制造技術(shù)、塑料工業(yè)技術(shù)的提高而逐步實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)語

滴灌自動化是一種高效節(jié)能省水增產(chǎn)的技術(shù)，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的推廣優(yōu)勢，是加速新疆農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的有效途徑。

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[3]孟文利。談農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀分析及對策[J].中國農(nóng)業(yè)信息.2011（8）：12-14.

白昕陽（1993年9月—），湖北工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生。

2014-08-18