自動灌溉系統在農業節水工程中的應用

劉浩波

（桂林誠鄉規劃建筑設計院有限公司，廣西 桂林 541001）

隨著水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節水途徑和措施。我國是一個水資源嚴重短缺的國家，且在我國的用水結構中，農業用水占全國用水總量的70%，其中90%以上用于灌溉，由于種種原因，我國水資源利用率及利用效率較低。近年來，我國灌溉自動化控制技術迅速興起，相關研究已深入到將氣象因素、蒸騰量和土壤含水率相結合的綜合灌溉控制。但由于我國節水自動灌溉系統方面的研究起步較晚，與國外相比，灌溉自動化水平不高。因此，研發設計自動化節水灌溉系統，加強自動化灌溉系統在農業節水工程中的應用具有十分重要的意義。

1 自動灌溉系統的概述

1.1 自動灌溉系統的工作原理

自動灌溉系統由中央控制計算機、傳感器、數據采集系統、電磁閥及軟件系統組成，制定各自相應的灌溉制度（最適宜作物生長、生育的土壤含水率指標上下限，可以灌溉的風速值、雨量值），并通過傳感器將測得的土壤墑情實時傳輸給中央控制系統，由計算機判斷是否需要灌溉。當土壤含水率指標小于設定的下限值時，計算機自動打開電磁閥灌溉，當土壤含水率指標大于設定的上限值時，控制系統將自動關閉相應田間的電磁閥停止灌溉。

1.2 自動灌溉系統的特點

（1）自動灌溉系統采用先進的自動反沖洗過濾系統，組裝簡單、反沖洗次數少、抗腐蝕能力強、自動清洗效果好。

（2）自動灌溉系統采用先進的水肥混合技術，可自由設定施肥時間和管道沖洗時間，施肥均勻性高，濃度可調，根據作物種類和生長的不同階段進行調節，使用方便。

（3）自動灌溉系統除全自動控制外，系統還允許管理人員采用半自動、手動等控制方式，控制方式多樣化，適應多樣化的管理。

（4）自動灌溉系統采用的是智能決策灌溉，杜絕了人工開啟閥門的隨意性，保證了灌溉精度，方便對農作物灌溉施肥的管理。

（5）自動灌溉系統由于采用自動灌溉控制，可很好地保證灌溉時間、灌溉水量、灌溉精度，使灌水量得到了有效的保證。

（6）應用自動灌溉系統，由于電磁閥的開啟均由中央監控室統一管理，可節省大量的勞動力，從而大大節省了人力成本。

事實證明，自動灌溉系統具有投資少、效益高、運行可靠、節水顯著、故障低、節約人工等優點，是高科技在農業生產中的具體運用，具有廣闊的發展前景。

2 自動灌溉系統方案的設計

2.1 測量參數

在進行自動化灌溉控制時，由于不同的作物對水分的需求量是不一樣的，且土壤溫度也是決定是否灌溉的一個重要參數。因此，在設計時，測量參數需考慮到土壤水分和土壤溫度。

2.1.1 土壤水分測量

土壤水分是土壤的重要組成部分，土壤水分的測量是實施節水灌溉、按需灌溉的基礎。目前，適宜用于自動灌溉控制系統中的土壤水分測量方法為負壓式傳感器法。用負壓式傳感器法來測量土壤的水分，具有田間原位測定、快速直讀、不破壞土壤結構、價格低廉、無放射性物質、安全可靠、便于長期觀測和積累田間水勢資料等優點，是一種低成本的直接測量方法，能夠連續測量土壤含水量。

2.1.2 土壤溫度測量

由于控制系統中對于土壤溫度的測量要求不是很高，因此在進行系統設計時要求選擇一個價格低、性能好、電路簡單、具有一定精度的溫度傳感器。目前，常用的測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和半導體集成溫度傳感器等。在實際應用中，半導體溫度傳感器由于具有小型化、線性好、低成本、易于電路設計或控制電路接口等優點，最適合用在控制系統中測量土壤溫度。

另外，至于其他的參數，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在測量參數已足夠和簡化系統降低成本的前提下，可以不用考慮測量。

2.2 傳感器數量

針對土壤情況不同，需要的傳感器數量也不同。有的土壤一致性好，只需一個傳感器測量土壤墑情；有的土壤一致性差，需要多支傳感器來測量土壤墑情。同時，土壤的面積有大有小，也決定了需要不同數量的傳感器。一般，在設計時連接三個負壓式土壤水分傳感器、一個溫度傳感器。

2.3 作物缺水判斷

不同的作物對水分的需求是不同的；周圍環境不同，作物的需水量也會有所不同；即使同一作物，在不同生長階段對水分的需求也不同。因此，作物缺水判斷是控制系統通用性設計中的一個難點。在設計時，控制儀器則應具有允許操作者通過鍵盤設定判斷土壤缺水標準的功能；對不同作物，農業專家可憑經驗設定不同的判斷值來實現作物按需灌溉。這樣，不僅能充分利用農業專家的經驗，還可以使自動化灌溉控制儀器適用于許多不同作物，提高了儀器的通用性。

2.4 灌溉控制方式

目前，我國各個設施農業中灌溉系統的水狀況不一樣，有的采用電機控制水流、有的采用水泵加壓后才能進行灌溉，有的采用電磁閥代替手動閥門控制水流灌溉。因此，控制系統在設計時要考慮到控制信號的通用性，既能控制電機、水泵，又能控制電磁閥。設計時，由于這三種輸水設備均是通過接通電源工作的，因此可在輸水設備的電源線上加一個開關，由控制系統來控制開關的閉合，即可實現由控制系統實現了灌溉的自動化控制。

不同土壤滲水能力也不同，如砂土滲水能力強，黏土滲水能力較弱。在灌溉時，如黏土土壤，因為水分不能及時滲入土壤深層，致使土壤吸力傳感器不能準確判斷土壤是否已經灌溉結束，導致實際澆水量已足夠而系統設備仍在繼續澆灌，從而沒有達到節水的目的。因此，在設計時，考慮到不同土壤的滲水能力，可設計幾種不同的灌溉方式，針對不同的土壤選擇不同的與之相適應的灌溉方式，以保證能夠達到節水的目的。

2.5 系統軟件設計

系統軟件在整個系統運行中起著核心的作用。在設計時，系統軟件采用WEB界面的C/S軟件結構。邏輯上系統由界面子系統、監控子系統、通訊子系統、內存數據庫管理子系統構成。界面子系統主要是將測控儀送來的當前土壤水分和溫度檢測結果通過數碼管顯示出來；通訊子系統則是將設定的各項參數值發送給測控儀，并接受測控儀發送來的檢測數據；系統監控子系統根據設定的自動灌溉條件自動開、關灌區灌溉電磁閥門完成自動灌溉。

在進行軟件設計時，應充分考慮各種農作物的灌溉制度，在確定各農作物的生育期及土壤含水量和灌水定額的基礎上進行軟件設計，以便在應用系統時，用戶可直接在計算機內輸入農作物的相關信息，系統則可準確計算出各農作物的適宜土壤含水量和每次的灌水額，用于指導系統的準確運行。

3 對我國農業節水工程中應用自動灌溉系統的展望

（1）可設定土壤的負壓力、溫度值，并根據不同作物、不同土壤條件設定灌溉方法，從而增大設備的適用范圍。

（2）擴大系統的控制方式，實現在工作室或家里就可以進行施肥、灌溉等日常工作，實現網絡化控制農業種植與灌溉。

（3）由于我國地面灌溉量大、面廣，要精細地面灌溉技術，急需采用推廣應用激光控制平地技術、水平畦田灌溉技術、田間閘管灌溉系統以及土壤墑情自動監測技術等一切改進地面灌溉措施，逐步實現田間灌溉水的有效控制和適時適量的精細灌溉。

（4）建立“土壤墑情監測網系統”，對全國農田墑情進行監測，為農業灌溉用水和抗旱減災服務。在監測土壤墑情的同時，與當時當地的作物需水量相結合，可科學確定灌溉用水計劃。

（5）控制部分的數據采集應利用傳感器網絡，不能局限于濕度和雨量兩個參數，應包括傳感器的一些應用，通過在農田部署一定密度的空氣溫度、土壤濕度、土壤肥料含量、光照強度、風速等傳感器，可以更好地對農田管理微觀調控，促進農作物生長。

4 結束語

綜上所述，自動灌溉系統的設計采用了傳感技術與單片微機技術，將工業測控技術和農業種植與灌溉技術結合，實現了新的、精確量化的節水灌溉模式。目前，隨著水資源的日趨緊張和我國農業結構調整、農業可持續發展戰略的實施，將自動灌溉系統應用于我國農業節水工程中，對節水灌溉和提高農作物的產量和指導用戶進行科學種植有著重要意義。

1 徐忠輝、潘衛國、石紅梅.自動灌溉控制系統的應用［J］.北京水務，2010（5）

2 樊宜、孫靈志、楊楠.江西省高效農業用水自控系統的設計［J］.江西水利科技，2008（3）

3 張杰、黎耀貴、楊冬升.現代農業節水灌溉自動控制系統設計方案分析與選擇［J］.中國水運，2008（3）