稻田生態(tài)節(jié)水系統(tǒng)研究

吳衛(wèi)峰

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州　310018)

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稻田生態(tài)節(jié)水系統(tǒng)研究

吳衛(wèi)峰

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

摘要：提出一種基于PLC控制灌溉和人工控制回收的新型稻田節(jié)水系統(tǒng).該系統(tǒng)分為灌溉和回收2部分，液位開關(guān)控制稻田水位實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，廢水通過自然回收加以凈化利用.設(shè)計了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程圖該系統(tǒng)成本低廉、知識結(jié)構(gòu)簡單，是一個從灌溉、回收、凈化和利用的循環(huán)節(jié)水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、水和環(huán)境的和諧統(tǒng)一，對實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉和生態(tài)環(huán)境保護(hù)有一定實(shí)用價值.

關(guān)鍵詞：稻田；節(jié)水灌溉；PLC；回收

0引言

我國水稻種植面積占糧食總面積的28%，而其耗水量占全國總用水量的54%左右，占農(nóng)業(yè)總用水量的65%以上，但利用率只有40%左右[1]，大力發(fā)展水稻節(jié)水灌溉，是緩解農(nóng)業(yè)用水供需矛盾，促使農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效的有效措施，對保證我國糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義.將“3S”、電子信息、自動控制等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于節(jié)水灌溉是目前研究的熱門課題.匡迎春等[2]采取田間試驗(yàn)、實(shí)物制作、統(tǒng)計學(xué)分析和人工智能等方法研究水稻節(jié)水灌溉的自動調(diào)控管理體系；紀(jì)建偉等[3]運(yùn)用傳感器、PLC控制和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)稻田灌溉自動控制系統(tǒng)設(shè)計；石建飛等[4]以PLC為控制核心，通過無線通信、數(shù)據(jù)采集分析實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉和施肥自動控制；劉超等[5]設(shè)計一種采用無協(xié)議通信方式PLC監(jiān)控系統(tǒng)；夏洪等[6]通過傳感器信號PLC控制自動實(shí)現(xiàn)稻田灌溉.稻田自動灌溉技術(shù)日益成熟，為水稻節(jié)水灌溉提供了發(fā)展方向，但這些技術(shù)側(cè)重于理論研究忽視實(shí)際應(yīng)用，不宜大面積推廣.為此找到一種實(shí)用型的灌溉模式更具現(xiàn)實(shí)意義.

1稻田自動灌溉存在問題及難點(diǎn)

1.1存在問題

專家學(xué)者對稻田自動灌溉作了大量研究工作，取得了不少成果，但推廣程度不高，究其原因：(1)技術(shù)復(fù)雜、不經(jīng)濟(jì).現(xiàn)今稻田自動灌溉過分強(qiáng)調(diào)自動化，采用了大量先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，前期建設(shè)工作量大，一次性成本投入大，后期使用維護(hù)難度大，對操作人員技術(shù)要求很高.(2)脫離國情、成本效益差.水稻種植經(jīng)濟(jì)效益不高，是國家重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè).農(nóng)民文化程度普遍偏低，傳統(tǒng)耕作觀念根深蒂固，面對大投入低回報和先進(jìn)技術(shù)自然產(chǎn)生抗拒，市場推廣前景暗淡.(3)重視前端灌溉節(jié)水，忽視后端廢水循環(huán)利用.廢水含有較多化肥和農(nóng)藥，正確處理廢水不盡可以減輕對環(huán)境污染還可變廢為寶，節(jié)約大量水資源.

1.2難點(diǎn)

針對稻田自動灌溉存在的問題，研究符合國情、技術(shù)簡單、經(jīng)濟(jì)性高、使用簡便，注重廢水環(huán)?；厥绽谩⑦m用平坦農(nóng)田、不考慮施肥環(huán)節(jié)的新型稻田灌溉系統(tǒng)應(yīng)為當(dāng)務(wù)之需，難點(diǎn)在于：(1)稻田自動灌溉控制原理要簡單可靠，控制設(shè)施要盡量少，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用和維護(hù)方便；(2)田間管網(wǎng)布局要少、成本投入要低，灌溉不受影響，廢水回收利用如何因地制宜，避免增加額外設(shè)施投入.

2系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1設(shè)計思想

稻田自動灌溉與回收若不考慮經(jīng)濟(jì)問題不難實(shí)現(xiàn)，但如果田間布滿監(jiān)測元件和控制設(shè)施，技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜不經(jīng)濟(jì)，難推廣.鑒于系統(tǒng)的實(shí)用和推廣性要求特作如下設(shè)計：

(1)稻田自動灌溉

稻田自動灌溉其關(guān)鍵是如何監(jiān)測田間水位及根據(jù)水位的變化控制泵閘閥供停水，可借助PLC控制器和水位監(jiān)測裝置來實(shí)現(xiàn)，水位監(jiān)測裝置測量稻田水位反饋信號給PLC，由PLC控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)水泵動停進(jìn)而控制稻田水位；基于平坦農(nóng)田基本處于等高面水位，若將出水池底面做成與稻田面等高，整個稻田系統(tǒng)只需在出水口一處設(shè)置水位監(jiān)測裝置，其水位就可大致反映稻田水位狀況，省去田間布滿監(jiān)測元件和閘閥等控制設(shè)施，減少控制設(shè)備數(shù)量，降低布線復(fù)雜度.

(2)廢水回收

靠自流特點(diǎn)自然完成，無需借助動力和控制設(shè)施.廢水排放回收關(guān)鍵是如何人為構(gòu)造高地面，根據(jù)薄露灌溉[7-8]常用水位20 mm量程范圍，主管安裝和全部稻田面沿主管方向要人為形成小于5 mm的落差以構(gòu)造高低面；同時為了廢水的儲蓄和凈化需設(shè)置一回收池，回收池應(yīng)位于地勢較低處無需選擇典型地塊，以靠近泵站的荒地、水塘最佳，這是一創(chuàng)新.

(3)輸入首尾處理

系統(tǒng)輸水首尾由一根主管直通，管道采用薄壁鋼絲混凝土管，價格為同口徑混凝土管的33%[9]，田間地頭無需埋設(shè)其它管網(wǎng).田間開挖溝坑相通，主管與稻田通過管接頭相通，避免田間地頭布滿輸水管.

(4)廢水利用

廢水利用環(huán)節(jié)關(guān)鍵是形成連通器，在回收池底部埋設(shè)1根管道與廢水池底部相連從而形成連通器，回收池廢水自動流向廢水池，借助自動灌溉裝置就可作為水泵另一水源向稻田灌溉.

通過以上設(shè)計，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不高，成本投入降低(見表1).

表1　設(shè)備、成本對比列表(以10塊稻田為例)

注：本文系統(tǒng)除提水泵和電機(jī)外，只需1個PLC控制器、3個液位傳感器和1座廢水連通池，管道和土石方量很少.PLC采用S7-200CPU221型，價格僅需300元左右，操作簡單可靠；液位傳感器采用電子水位開關(guān)只需300元左右，安裝容易可靠.整個系統(tǒng)成本可控在兩千元左右.因此無論從經(jīng)濟(jì)分析還是技術(shù)分析來看系統(tǒng)設(shè)計都是可行的.

2.2系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)(見圖1)由泵站、輸水管路、監(jiān)控裝置和回收利用設(shè)施等組成.①泵站由水源1、電機(jī)4、混流泵6、吸水管3、吸水管開關(guān)2和泵排水管7構(gòu)成；②輸水管路由排水池8、出水池9、短管12、主管13、出水擋板20和回水擋板15組成，排水池與出水池相通，出水池與主管連通，主管始端經(jīng)由出水擋板與出水池通斷，末端經(jīng)由回水擋板與回收設(shè)施通斷；③監(jiān)控裝置由PLC控制器5和水位傳感器10等組成；；④回收利用設(shè)施由回水池14、回水管16和廢水池17、廢水吸管18和廢水管開關(guān)19組成，系統(tǒng)組成結(jié)合圖5所示更清晰.

圖1　系統(tǒng)原理圖①—水源；②—吸管開關(guān)；③—吸管；④—電機(jī)；⑤—控制器；⑥—水泵；⑦—泵排水管；⑧—排水池；⑨—出水池；⑩—水位傳感器；—稻田；—短管；—主管；—回水池；—回水擋板；—回水管；—廢水池；—廢水吸管；—廢水管開關(guān)；—出水擋板

3控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1控制原理

系統(tǒng)采用自動和手動控制.自動控制利用PLC控制水泵電機(jī)，通過水位傳感器及水稻生長規(guī)律相關(guān)數(shù)據(jù)編寫PLC控制程序來決定水泵工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)稻田的自動灌溉，控制原理(見圖2).其它設(shè)施由人工操作.廢水自然回流，無需專門控制.

圖2　控制原理

3.2水位控制方案

水位控制方案(見圖3).水泵排水管②向排水池①灌水，安裝于出水池③里的水位傳感器④檢測水位并將信息反饋PLC控制器(圖中未示)，當(dāng)水位達(dá)到預(yù)設(shè)水位時停止水泵供水，當(dāng)水位變低水泵又重啟，如此穩(wěn)定該水位至一段時間后才進(jìn)入下1個灌溉期，直至整個灌水周期結(jié)束.

圖3　控控制方案①—排水池；②—泵排水管；③—出水池；④—水位傳感器；⑤—主管

3.3硬件設(shè)計

水稻不同生長期的水位由液位開關(guān)控制，3個液位開關(guān)的作用分別是：啟動，急停和電機(jī)輸出控制.PLC可選擇價格低廉、功能可靠的S7-200CPU221，輸入6點(diǎn)、輸出4點(diǎn)不帶擴(kuò)展模塊；液位開關(guān)可選用電子水位開關(guān)，無機(jī)械活動部件，耐污耐用，不怕漂浮物，可防波浪，任意角度安裝，用普通管夾固定即可.工作電壓DC24 V，判斷有水時輸出24 V，無水0 V，可與PLC配合使用；電機(jī)選用普通Y型電機(jī).

3.4軟件設(shè)計

水稻的生育期除育秧、栽秧外包括返青、分蘗、孕穗、抽穗開花、乳熟和黃熟階段，大約需130 d左右.水稻需水由生理需水、生態(tài)需水和耕作需水組成，大部分水是以深層滲漏和棵間蒸發(fā)損失掉.水稻需水規(guī)律為：分蘗前期需水量較小，分蘗末期需水量逐漸增大，到拔節(jié)孕穗期達(dá)到頂峰.孕穗和抽穗期是水稻整個生育期中需水量最多的時期，其次為分蘗期和乳熟期，以后需水量逐漸減弱.

需水規(guī)律是節(jié)水灌溉的重要依據(jù)，常以建立水層來滿足水稻對水的需求[7-9]：

(1)淺水栽秧，濕潤定苗.定苗水層約10 mm；

(2)寸水返青，薄水分蘗.定苗后稻田應(yīng)保持15～20 mm淺水層返青促蘗；

(3)夠苗曬田，控苗搭架.當(dāng)田間苗數(shù)達(dá)到預(yù)期穗數(shù)的80%時，要適度排水曬田，以控制后期無效分蘗.曬田時，放水落干3～5 d，再上新水約15～20 mm，保水2～3 d，再放水落干，如此往復(fù)2～3個回合；

(4)足水孕穗.稻田約保持35～50 mm水層，確保穗大粒多；

(5)抽穗保水.水層約是15～20 mm，此時無水受旱，造成抽穗不齊或抽不出穗來；

(6)干濕壯籽.灌漿結(jié)實(shí)期后應(yīng)進(jìn)行干濕交替間歇灌溉，水層約是15～20 mm；

(7)進(jìn)入黃熟階段后，稻田應(yīng)排水落干.

根據(jù)水位控制方案，PLC會根據(jù)水位傳感器傳來的數(shù)據(jù)與預(yù)置值相比較，自動決定水泵開關(guān)，并根據(jù)實(shí)際天數(shù)與PLC預(yù)置天數(shù)決定穩(wěn)定期和哪個水位傳感器起作用，程序流程(見圖4).

圖4　程序流程圖

4廢水回收利用

廢水回收對生態(tài)環(huán)境保護(hù)，水資源循環(huán)利用都有重要意義，是節(jié)水灌溉系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié).廢水回收利用重點(diǎn)解決廢水怎么回收、怎么凈化、怎么利用等關(guān)鍵問題，同時又要考慮投入成本少，回收凈化利用設(shè)施簡單.

4.1廢水回收

廢水回收采用自然流態(tài)回收：即起點(diǎn)與終點(diǎn)有一定的落差，借助液體重力自然流向終點(diǎn).因此選一塊末端稻田作為回收池，回收池應(yīng)能容納所有稻田最大正常排水量，連接出水池與回收池的主管安裝和全部稻田面沿主管方向要人為形成小于5 mm的落差以構(gòu)造高地面.以便實(shí)現(xiàn)廢水的自然回流.灌溉與回收通過人工操作擋板完成(見圖5).

圖5　廢水回收利用①—出水池；②—出水擋板；③—稻田；④—主管；⑤—回水擋板；⑥—回水池；⑦回水管；⑧—廢水池

4.2廢水凈化利用

為補(bǔ)充水稻成長所需的N、P、K等多種微量元素以增加產(chǎn)量，需向稻田施加化肥；為防稻蟲害，需向稻田噴灑農(nóng)藥.未被吸收的化肥和農(nóng)藥大量存儲在稻田間水里，會隨著淋洗、田間排水、地表徑流等方式進(jìn)入周圍的土壤和水體，造成的環(huán)境危害.因此,對田間的廢水進(jìn)行凈化處理已成為化肥和農(nóng)藥使用中被廣泛關(guān)注的問題.廢水凈化利用可以采用2種截然不同的方法：

(1)廢水灌溉模式.廢水不做任何凈化處理直接灌溉稻田，稻田廢水中含有較多氮，磷、鉀、鋅、鎂等多種養(yǎng)分，豐富的有機(jī)質(zhì)懸浮物，所以用廢水灌溉稻田節(jié)省肥料、節(jié)省水資源和降低成本，而且土壤肥力不斷提高，尤其水稻生長的干濕交替期更為有利.廢水利用參照系統(tǒng)工作原理方式進(jìn)行；

(2)生物凈化模式.栽植狐尾藻、苦草、水葫蘆、伊綠藻等具凈化功能的水草，吸附分解水里的污染

物，以達(dá)到排放水標(biāo)準(zhǔn).

5結(jié)論

稻田灌溉采用PLC水位控制，實(shí)現(xiàn)灌溉的自動控制，省去了人工勞動和浪費(fèi)水資源，在不增加成本的投入基礎(chǔ)上考慮廢水回收凈化利用，以低成本高效率節(jié)約水資源和環(huán)境保護(hù)，同時又不排斥勞動者參與其中.因此該系統(tǒng)是一個從灌溉、回收、凈化和利用的循環(huán)節(jié)水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、水和環(huán)境的和諧統(tǒng)一，具有現(xiàn)實(shí)意義和推廣價值.

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On Ecological Water-saving System for Rice Field

WU Wei-feng

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:In order to realize water-saving irrigation and ecological environmental protection, as well as to achieve the goal of low cost and simplified knowledge structure, a new water saving system for rice field based on PLC control irrigation and manual control recycle was put forward. The system consisted of irrigation part and recycle part, the water-saving aim was realized by liquid level switch which could control water level of rice field. The waste water was naturally recycled so that it could be decontaminated and reused. The overall structure of system, the hardware structure and software flow chart were designed in this paper with certain practical value.

Key words:rice field; water-saving irrigating; PLC; recycle

收稿日期：2015-11-21

基金項(xiàng)目：浙江省水利廳科技計劃項(xiàng)目(RC1441)

作者簡介：吳衛(wèi)峰(1966-)，男，江西德興人，副教授，從事機(jī)電控制研究.

中圖分類號：S275

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)04-0053-05