關(guān)于智能化節(jié)水灌溉技術(shù)的分析

□ 張振海（河南省滎陽市水務(wù)局）

1 智能化灌溉勢在必行

目前，在我國節(jié)水灌溉已經(jīng)成為人們的共識，各級政府在各個時期都把節(jié)水灌溉放在發(fā)展和規(guī)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(xiàn)代化的灌溉方式在我國正加速推進(jìn)，現(xiàn)代化的灌溉方式不僅可以節(jié)約用水，減少水資源的浪費，還可以節(jié)約用人，大大提高勞動生產(chǎn)效率。更重要的是現(xiàn)代化的灌溉方式，可以方便地進(jìn)行控制，使土壤水分含量始終保持在合理的范圍內(nèi)，為作物的生長提供一個優(yōu)良的環(huán)境，從而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

2 技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1.1 恒壓供水系統(tǒng)

恒壓供水系統(tǒng)采用多井并聯(lián)變頻恒壓供水技術(shù)，將區(qū)域內(nèi)所有的水源井都連接到主管道上，由恒壓變頻技術(shù)協(xié)調(diào)各個水泵的工作，可以調(diào)動所有的水源集中灌溉某一區(qū)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(qū)動下完全自動地向外發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送時間間隔可以任意調(diào)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(guān)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(zhì)常數(shù)，來計算土壤體積含水量。水的介電常數(shù)大約是80，土壤礦質(zhì)的大概為4，空氣為1。由于水的介電常數(shù)非常高，因此當(dāng)土壤中的水分含量變化時，土壤的介電常數(shù)也隨之發(fā)生相當(dāng)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(shù)量可以根據(jù)灌溉小區(qū)的數(shù)量來確定，一般一個灌溉小區(qū)設(shè)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(jù)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(dāng)?shù)氐木唧w情況，哪種方式方便可靠就用哪種。

2.1.4 信息處理

各種數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、傳輸送到信息處理中心，信息處理中心將對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理功能是把采集到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，并且在軟件的支持下，與系統(tǒng)的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、判斷，然后發(fā)出各種指令，去控制外部設(shè)備的狀態(tài)。信息處理的另一個任務(wù)是數(shù)據(jù)處理，即對各種歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)運算，可以進(jìn)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(tǒng)計分析。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)根據(jù)需要，生成各類報表、趨勢曲線、生產(chǎn)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(jìn)而進(jìn)行分析預(yù)測和建立灌溉模型。

2.1.5 控制終端

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

2.2 系統(tǒng)的功能

2.2.1 控制功能

控制功能包括：第一，根據(jù)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(tǒng)經(jīng)過分析判斷，發(fā)出指令，控制電磁閥開啟或者關(guān)閉。第二，根據(jù)壓力傳感器獲得的壓力數(shù)據(jù)，系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷，發(fā)出指令，控制井泵的開啟或者關(guān)閉，以及變頻器的工作狀態(tài)，使管網(wǎng)的壓力保持在一個恒定的狀態(tài)。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(guān)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(dāng)灌溉到一定時間后自動關(guān)閉該電磁閥。三是巡灌方式：將一區(qū)域內(nèi)的電磁閥關(guān)聯(lián)起來，并設(shè)定一個灌溉時間間隔，當(dāng)點擊第一個電磁閥對應(yīng)的按鈕后，第一個電磁閥打開，當(dāng)灌溉時間達(dá)到設(shè)定時間時，第一個電磁閥自動關(guān)閉，第二個電磁閥自動打開，進(jìn)行灌溉，當(dāng)?shù)诙€電磁閥灌溉時間達(dá)到設(shè)定值時，第二個電磁閥自動關(guān)閉，第三個電磁閥又自動打開，這樣依次進(jìn)行，實現(xiàn)在一個區(qū)域內(nèi)巡灌。

2.2.2 報警功能

按輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱和特大干旱4個干旱等級劃分旱情，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重干旱時，系統(tǒng)自動發(fā)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(guān)反應(yīng)，記錄報警的信息。

2.2.3 地理信息系統(tǒng)功能

地理信息系統(tǒng)基本功能是將表格型數(shù)據(jù)（無論它來自數(shù)據(jù)庫，電子表格文件或直接在程序中輸入）轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，然后對顯示結(jié)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(biāo)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(qū)域內(nèi)各檢測點的分布，用鼠標(biāo)點擊檢測點的位置可以看到各檢測點的具體數(shù)據(jù)，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(biāo)注點的顏色隨檢測值的變化而變化，即達(dá)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(yán)重干旱、黃色代表中度干旱、藍(lán)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(shù)據(jù)信息，又可以從宏觀上看到一個區(qū)域的整體旱情分布，便于從宏觀上進(jìn)行決策。對應(yīng)于不同的響應(yīng)級別，制定相應(yīng)的響應(yīng)方案。

2.2.4.2 灌溉時間顯示

用鼠標(biāo)點擊某一電磁閥控制按鈕，對應(yīng)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(qū)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(xiàn)出來。

極大地方便科技工作者進(jìn)行科學(xué)研究。

3 應(yīng)用

作物的需水量是一個復(fù)雜的參數(shù)，不同地域、不同土質(zhì)、不同季節(jié)、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(chǎn)量影響最嚴(yán)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(tǒng)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(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，能把簡單的節(jié)水灌溉躍升為科學(xué)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(nóng)業(yè)科技工作者，生物科技工作者探索出更多的作物生長規(guī)律，需水量規(guī)律，灌溉規(guī)律，提升水利對糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，為國家的糧食安全和經(jīng)濟建設(shè)不斷地做出新貢獻(xiàn)。