農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

摘要：所謂灌溉自動(dòng)化，即在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，使用一定的設(shè)備、元件，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓喔确绞剑跍?zhǔn)確地分析各種生產(chǎn)要素的基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)階段分別進(jìn)行定時(shí)、定量的自動(dòng)、半自動(dòng)灌溉。應(yīng)用節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)，研究自動(dòng)化控制灌溉用水量是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的先決條件。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；農(nóng)業(yè)；自動(dòng)控制

1 引言

我國(guó)目前灌區(qū)用水管理還僅僅停留在依靠農(nóng)民的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和手工計(jì)算分析階段，仍局限于節(jié)水灌溉單項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，技術(shù)集成和自動(dòng)化水平較低，還未大面積和大規(guī)模采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。同時(shí)，各灌區(qū)又限于設(shè)備和儀器原因，沒(méi)有能力測(cè)試土壤墑情、土壤濕度等信息。大部份測(cè)試都是采用人工作業(yè)和人工記錄方法，大于勞動(dòng)處于低水平重復(fù)狀態(tài)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率低，資料準(zhǔn)確性差，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。

由于各灌區(qū)測(cè)試數(shù)據(jù)參差不齊，沒(méi)有系統(tǒng)性，而且缺乏數(shù)據(jù)自動(dòng)收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)輸送系統(tǒng)，沒(méi)有計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理能力，使灌區(qū)資料不能統(tǒng)一匯總計(jì)算分析，給生產(chǎn)管理帶來(lái)許多不便。因此，必須開(kāi)展新的、技術(shù)含量更高的技術(shù)試驗(yàn)研究，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備、先進(jìn)技術(shù)，建立灌溉系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，為科學(xué)決策、優(yōu)化調(diào)度提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)。從而，在高產(chǎn)節(jié)水條件下，提高對(duì)田間工程和農(nóng)業(yè)措施的要求，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)水的目的。具體還應(yīng)因地制宜，按本地實(shí)際情況(氣象、土壤、耕作技術(shù)、作物生育期等)開(kāi)展適應(yīng)性強(qiáng)的科研與開(kāi)發(fā)，采用節(jié)水的決策軟件，對(duì)水資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)制和實(shí)時(shí)灌溉，把有限的水資源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

農(nóng)業(yè)要從管理粗放型向依靠科技進(jìn)步、信息化、現(xiàn)代化方向轉(zhuǎn)變，要及時(shí)引進(jìn)利用當(dāng)今國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，大力推進(jìn)以科技服務(wù)、信息服務(wù)為主的服務(wù)體系建設(shè)，逐步建立農(nóng)業(yè)水土工程建設(shè)管理體系。為了及時(shí)進(jìn)行灌溉、排水、防洪和其他水土管理工作，需要水資源和灌溉渠系的監(jiān)測(cè)控制設(shè)備，如遙測(cè)設(shè)備、灌水器械或灌排系統(tǒng)的閘門(mén)，進(jìn)行自動(dòng)化操作。高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)要求實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用，必須把水資源開(kāi)發(fā)、輸配水、灌水技術(shù)和降雨、蒸發(fā)、土壤墑情、作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮，綜合分析處理，做到降水、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按需、按期、按量自動(dòng)供水。因此，灌溉自動(dòng)化是新世紀(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。

2 建設(shè)灌溉及節(jié)水型農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的必要性

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普及，不僅被農(nóng)業(yè)院校、研究機(jī)構(gòu)大量采用，而且在縣、鄉(xiāng)各水利部門(mén)的使用也呈上升趨勢(shì)。然而，目前計(jì)算機(jī)功能的開(kāi)發(fā)應(yīng)用還多局限于文字處理、數(shù)據(jù)處理等方面。而利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉管理、農(nóng)田信息采集、數(shù)據(jù)處理及預(yù)報(bào)、調(diào)控等功能尚未開(kāi)發(fā)利用。隨著各類(lèi)傳感器件和信息傳輸系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成為可能，為大量微型機(jī)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用創(chuàng)造了條件。運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)施農(nóng)田灌溉自動(dòng)化是完全可行的。

目前比較穩(wěn)定可靠的農(nóng)用傳感器有測(cè)量溫度、降雨量、流量、相對(duì)濕度、土壤濕度、水面蒸發(fā)量、水位和電導(dǎo)率(土壤鹽分)等的傳感器。在節(jié)水灌溉管理系統(tǒng)中，微機(jī)通過(guò)設(shè)置在田間的各類(lèi)傳感器不斷獲取信息，并依賴(lài)以土壤特性和灌溉管理、農(nóng)作物需水規(guī)律的知識(shí)與模型為依據(jù)的軟件支持，為管理者及時(shí)提供關(guān)于農(nóng)田實(shí)時(shí)水分狀況、通氣狀況、儲(chǔ)水?dāng)?shù)量、灌溉日期及灌水量的預(yù)報(bào)，并通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)實(shí)施灌溉自動(dòng)化。根據(jù)水資源狀況及產(chǎn)量目標(biāo)，計(jì)算機(jī)可以協(xié)助人們確定科學(xué)的灌溉制度，減少灌溉水的浪費(fèi)。

甘肅省河西地區(qū)是我國(guó)悠久的具有多樣生態(tài)、生產(chǎn)類(lèi)型和鮮明特色的綠洲農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，是西北內(nèi)陸河流域灌溉農(nóng)業(yè)的精華寶地之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠石羊河、黑河及疏勒河三大水系的灌溉來(lái)維持和發(fā)展，水是制約河西地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最關(guān)鍵因素。主要表現(xiàn)在粗放的灌溉方式與落后的灌水技術(shù)已不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求，科學(xué)合理地利用有限的水資源，有效地控制大田用水量，根據(jù)天然來(lái)水量、水庫(kù)蓄水量、可開(kāi)采地下水量及農(nóng)作物生長(zhǎng)的需要及時(shí)供應(yīng)水量是促進(jìn)節(jié)約用水的必要的科學(xué)手段。因此實(shí)施灌溉及節(jié)水型農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。

3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

灌區(qū)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)由有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)或混合組網(wǎng)構(gòu)成，灌區(qū)及節(jié)水型農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其作用是全面監(jiān)測(cè)各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的工作狀況，收集各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)并整理、記錄和存儲(chǔ)，作好數(shù)據(jù)分析。工作方式有自動(dòng)和人工兩種，自動(dòng)方式是中心計(jì)算機(jī)設(shè)備根據(jù)軟件設(shè)置自動(dòng)采集土壤墑情、氣象參數(shù)、降水量和蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)以判斷作物所需的水量，然后根據(jù)采集到的各閘控站河道水量、水庫(kù)水量及地下水量等數(shù)據(jù)合理安排供水量，供水量通過(guò)渠道監(jiān)測(cè)設(shè)施取得數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)反控各閘控站而控制供水量，并啟動(dòng)田間自動(dòng)灌溉設(shè)備進(jìn)行灌溉。人工方式是由操作員下達(dá)指令，取得各閘控站采集的河道、水庫(kù)和地下水三部分的可供水量數(shù)據(jù)，依據(jù)反饋回來(lái)的各種氣象信息和作物生長(zhǎng)需水信息啟閉渠道閘門(mén)，分配水量，按照調(diào)度方案測(cè)控渠道流量，修正配水系數(shù)。這兩種方式均可預(yù)報(bào)輪灌周期。

閘門(mén)控制站

根據(jù)中心控制站的指令，采集河道、水庫(kù)、地下水和水位數(shù)據(jù)，并啟閉閘門(mén)自動(dòng)運(yùn)行到位。各閘門(mén)控制站兼有水位和降水量數(shù)據(jù)采集任務(wù)，可根據(jù)閘控站數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的安裝條件，采用具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能和即時(shí)固態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能的水位計(jì)，現(xiàn)有的壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、浮子式水位計(jì)和氣泡式水位計(jì)等均能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集任務(wù)。它與中心控制站之間的數(shù)據(jù)傳輸方式有有線(xiàn)傳輸方式和無(wú)線(xiàn)傳輸方式，有線(xiàn)方式就是利用當(dāng)?shù)剜]電程控交換系統(tǒng)(PSTN)電話(huà)線(xiàn)或?qū)Ｓ镁€(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，有主動(dòng)式、被動(dòng)式和互動(dòng)式。無(wú)線(xiàn)傳輸方式是采用專(zhuān)用微波電路或超短波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

田間無(wú)人氣象站

監(jiān)測(cè)具有代表性的小范圍內(nèi)的氣象參數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心控制站，供配水預(yù)測(cè)參考。參數(shù)有田間降水量、田間微水位、蒸發(fā)量、風(fēng)速、風(fēng)向、日光輻射強(qiáng)度以及溫度、濕度等。采用蒸發(fā)器傳感器，因?yàn)檎羯⒑乃颗c水面蒸發(fā)量關(guān)系密切，當(dāng)供水量為蒸發(fā)量的0.7倍時(shí)，作物的水分利用率與經(jīng)濟(jì)效益均較佳。

作物生長(zhǎng)與土壤養(yǎng)分、土壤墑情監(jiān)測(cè)

根據(jù)田間作物所需養(yǎng)分，使用葉面儀、葉面蒸發(fā)儀以及土壤濕度傳感器，根據(jù)土壤濕度(吸力)及相應(yīng)的作物需灌指標(biāo)來(lái)確定何時(shí)需要灌溉。采用溫度與濕度傳感器，當(dāng)二者測(cè)定值滿(mǎn)足:大于25℃和小于30%時(shí)為干熱風(fēng)天氣，這時(shí)應(yīng)開(kāi)啟灌溉設(shè)備，以減輕干熱風(fēng)對(duì)作物的危害。利用土壤含水量測(cè)試儀測(cè)試不同深度土壤水分含量，以確定不同作物根系所在深度的需水量;利用土壤養(yǎng)分測(cè)定儀等采集作物生長(zhǎng)狀態(tài)參數(shù)，在運(yùn)行終端站點(diǎn)通過(guò)檢查置數(shù)器發(fā)送相關(guān)參數(shù)，供中心控制站接收和處理各種參數(shù)，從而全面判斷灌區(qū)水資源需求量和利用狀況。

渠道水情遙測(cè)與流量監(jiān)測(cè)

在主要的干渠、支渠和斗渠上均設(shè)置無(wú)人水情遙測(cè)站，自動(dòng)測(cè)報(bào)渠道水位值，了解配水情況，水位監(jiān)測(cè)設(shè)備可以采用固態(tài)存儲(chǔ)的各種類(lèi)型水位計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)的渠道上同時(shí)配用先進(jìn)的明渠流量計(jì)，精確計(jì)算渠道流量，通過(guò)閘門(mén)控制站進(jìn)行調(diào)水分配。數(shù)據(jù)傳輸可以采用閘門(mén)控制站的數(shù)據(jù)傳輸方式。

田間自動(dòng)灌溉設(shè)施

目前，各灌區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了干渠、支渠和斗渠防滲襯砌渠道的配套，節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)當(dāng)集中轉(zhuǎn)向解決田間深層滲漏的田間灌溉方式方面。采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉設(shè)備和灌溉方式，包括畦灌、膜上灌、波涌灌、噴灌、滴灌以及微灌等，在保證作物正常生長(zhǎng)的前提下，可以將用水量控制在最佳數(shù)值，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)語(yǔ)

田間節(jié)水灌溉技術(shù)推廣選擇的方向，既要符合灌區(qū)的實(shí)際又要符合我國(guó)國(guó)情。應(yīng)用節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)，研究自動(dòng)化控制灌溉用水量是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的先決條件。二十一世紀(jì)是信息化時(shí)代!傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)必將和現(xiàn)代的控制技術(shù)與信息技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合!到那時(shí)!我們就可以看到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全盤(pán)自動(dòng)化了。

參考文獻(xiàn)

[1]晏國(guó)生.計(jì)算機(jī)在農(nóng)機(jī)化管理中的應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，1998.1-6.

[2]陳兆育.臺(tái)灣農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究〔J〕.臺(tái)灣農(nóng)業(yè)探索，2001，(2):23-25.

[3]楊震宇，夏狄剛，全岳明，等.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與自動(dòng)化〔J〕.中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2001，(2):46-47.