新型稻田節水系統研究

摘要：為了實現節水灌溉和生態環境保護，達到成本低廉和知識結構簡單的要求，提出了一種基于電氣開關控制灌溉和人工控制回收的新型稻田節水系統。該系統分為灌溉和回收2個部分，液位開關控制稻田水位實現節水灌溉，廢水通過自然回收加以凈化利用。設計了系統的總體結構、硬件結構和電氣控制原理圖，有一定的實用價值。

關鍵詞：新型稻田；節水灌溉；系統原理；PLC；廢水回收；利用；廢水凈化利用

中圖分類號： S274文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0184-03

收稿日期：2016-03-15

基金項目：浙江省水利廳科技計劃（編號：RC1441）。

作者簡介：吳衛峰（1966—），男，江西上饒人，碩士，副教授，主要從事機電控制研究。E-mail：wuwf@zjweu.edu.cn。

我國水稻種植面積占糧食總面積近三成，而其耗水量占全國總用水量的一半左右，占農業總用水量的近七成，但利用率只有四成左右[1]，大力發展水稻節水灌溉，是緩解農業用水供需矛盾、促使農業高產高效的有效措施，對保證我國糧食安全及農業可持續發展具有重大意義。

生態節水、降本增效是節水灌溉的2個重要方面。生態節水不僅重視節約水資源，還要重視廢水回收處理利用；降本增效要求以低勞動力和成本實現高收益。技術和成本是一對矛盾體，強調技術就得提高成本，控制成本就得犧牲技術，如何統籌技術和成本從而有效達到生態節水、降本增效，是節水灌溉的重點和難點。將“3S”、電子信息、自動控制等先進技術應用于節水灌溉是目前研究的熱門課題。匡迎春采取田間試驗、實物制作、統計學分析和人工智能等方法研究水稻節水灌溉的自動調控管理體系[2]；紀建偉等運用傳感器、PLC控制和組態軟件實現稻田灌溉自動控制系統設計[3]；石建飛等以PLC為控制核心，通過無線通信、數據采集分析實現農田灌溉和施肥自動控制[4]；劉超等設計一種采用無協議通信方式PLC監控系統[5]；夏洪等通過傳感器信號PLC控制自動實現稻田灌溉[6]。專家學者做了大量研究工作，取得了不少成果，促進了稻田自動灌溉技術日益成熟，但成果現實應用推廣卻不盡如人意，究其原因主要存在3個方面問題：（1）技術復雜、不經濟。現今稻田自動灌溉過分強調自動化，采用了大量先進技術，系統設計復雜，前期建設工作量大，一次性成本投入大，后期使用維護難度大，對操作人員技術要求很高。（2）脫離國情、成本效益差。水稻種植經濟效益不高，是國家重點扶持產業。農民文化程度普遍偏低，傳統耕作觀念根深蒂固，面對大投入低回報對先進技術自然產生抗拒，市場推廣前景暗淡。（3）重視前端灌溉節水，忽視后端廢水循環利用。廢水含有較多化肥和農藥，正確處理廢水不盡，可以減輕對環境污染，還可變廢為寶，節約大量水資源。

因此，建立在不計成本，過分強調先進理念，田間地頭布滿管路閘閥、監測元件和控制設施，技術結構復雜上的稻田自動灌溉技術不是水稻節水灌溉的發展方向，符合國情、技術簡單、經濟性高、使用簡便，注重廢水回收的實用型灌溉模式才是現實之需。其難點在于：（1）灌溉控制原理簡單可靠，控制設施操作維護方便、經濟實用；（2）田間閘閥、監控設備無投入，灌溉不受影響；（3）廢水回收利用因地制宜，不增加額外成本。我國水稻種植分布范圍廣，地形復雜，主糧區大多地勢較平坦，本項目選取平坦稻田開展研究。

1系統總體設計

1.1設計思想

本著系統的實用性和推廣性要求特作如下設計：（1）稻田采用自動灌溉；排放、回收廢水靠自流完成，無需借助動力和控制設施；廢水集中凈化或利用。稻田自動灌溉關鍵是如何監測田間水位及根據水位的變化采用何種最簡潔、經濟的方式控制泵的運行；廢水排放回收關鍵是如何人為地構造高低面；廢水利用關鍵是收集。（2）基于平坦農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，只需在出水口一處監測水位就大致反映田間水位狀況，省去田間布滿監測元件和閘閥等控制設施。水位監測采用3點位連桿浮球液位開關，系統控制采用質高價廉的電氣開關控制，以減少控制設備數量，降低布線復雜度和成本。（3）系統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%[7]，田間地頭無需埋設其他管網。田間開挖溝坑相通，主管與稻田通過管接頭相通。（4）為了廢水自然排放回收，根據薄露灌溉[8-9]常用水位2 cm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0.5 cm的落差以構造高低面。（5）在出水池旁設置回水池，廢水經由出水池自動流向回水池進行處理，還可作為另一水源向稻田灌溉。

通過以上設計，該系統與傳統灌溉系統相比技術結構復雜程度不高，成本投入很少。水泵和電機可與傳統灌溉的水泵和電機通用，只增加了幾只普通電氣開關、1只接觸器、1只3點位連桿浮球液位開關管道和土石方量大量減少。電氣開關控制系統成本僅需300元左右，操作簡單可靠；3點位連桿浮球液位開關只需50元左右，安裝容易可靠。整個系統增加的成本與減少成本相比可以忽略不計，因此無論從經濟效益還是技術分析來看系統設計都是可行的。

1.2系統組成及工作原理

系統由泵站、輸水管路、監控裝置和回收利用設施等組成。泵站由水源1、電機4、混流泵6、吸水管3、吸水管開關2和泵排水管7構成；輸水管路由排水池8、出水池9、主管12、短管13和回水擋板18組成，排水池與出水池相通，出水池與主管連通，另一側經由回水擋板與回水池通斷；監控裝置由電氣控制器5和水位傳感器10等組成；回收利用設施由回水池14、回水管15、廢水吸管16和廢水管開關17組成（圖1）。

自動灌溉和自然回收是系統節水兩大功能。為使灌溉和回收能及時切換而互不影響，特設了回水擋板，擋板啟閉由人工操作完成。為調節水溫和穩定水位，增置了出水池，一方面增加晾曬時間以提高水溫，另一方面可消弱水泵排水沖擊波動對水位傳感器干擾。灌溉時，關閉回水擋板阻止灌溉用水流向回水池；回收時，打開回水擋板讓出水池和稻田的水回流到回水池。

系統結構簡單，功能原理清晰，操控方便，只需人工開關幾個按鈕和擋板就可自動實現灌溉和回收，省心省力。其工作原理如下：灌溉時，關閉回水擋板18，關閉泵廢水吸管手動開關17，打開泵吸水管手動開關2，啟動電氣控制器5使電機4工作，驅動混流泵6從水源1提水，水由排水池8流經出水池9過程中日曬升溫后進入主管12，由主管經由稻田短管13流向稻田11，當稻田的水位達到規定高度時，水位傳感器10開關斷開關閉電動機，提水泵停止工作直至下一次供水過程。回收時，打開回水擋板15，廢水自然流向回收池14進行凈化儲存以待利用。廢水利用時，關閉泵吸水管手動開關2，打開泵廢水管開關17，廢水流向回水池，啟動電機驅動泵6提廢水灌溉稻田11，方法同上。

2控制系統設計

2.1控制方案及原理

系統采用自動和手動相結合的方法控制。稻田自動灌溉采用電氣控制方式，通過水位傳感器——常閉式連桿浮球液位開關監測水位變化，決定電氣控制線路通斷，實現對水泵控制，其他設施由人工操作。廢水自然回流，無需專門控制。

[JP2]常閉式連桿浮球液位開關主要由浮球、磁簧開關和環狀磁鐵組成，使用磁力運作，無機械連接件，運作簡單可靠。當被測介質浮動浮球時，浮球帶動主體移動，同時浮球另一端的磁體將控制開關動作桿上的磁體。在密閉的金屬或塑料管內，設置一點或多點的磁簧開關，然后將管子貫穿一個或多個，中空而內部裝有環型磁鐵的浮球，并利用固定環，控制浮球與磁簧開關在相關位置上，使浮球在一定范圍內上下浮動。利用浮球內的磁鐵去吸引磁簧開關的接點，產生開與關的動作。[JP]

控制原理如圖2所示，按下按鈕開關SB2，由于連桿浮球液位開關浮球沒浮動一定位置一直常閉，控制線路導通，繼電器KM通電，接觸器KM閉合進而三相開關KM閉合，電動機通電運轉帶動水泵提水，當水位上升浮動連桿浮球液位開關的浮球移動到一定位置時，浮球內的磁鐵吸引2磁簧片分離造成控制線路斷開，繼電器KM失電導致接觸器KM斷開，三相開關KM分離，電動機失電停轉，水泵停止工作，此水位就是當前稻田所需控制水位，從而實現稻田自動灌溉。水位控制的關鍵在于連桿浮球液位開關浮球浮動范圍設定。按鈕SB1為系統急停開關，按鈕FR為熔斷保護開關。

2.2水位控制方案

水稻的生長期約需130 d。水稻需水規律是節水灌溉的重[CM（25]要依據，常以建立水層來滿足水稻對水的需求[7-9]：（1）淺[CM）][FL）]

[FK（W14][TPWWF2.tif][FK）]

水栽秧，濕潤定苗。定苗水層約1 cm，維持3 d左右。（2）寸水返青，薄水分蘗。定苗后稻田應保持1.5～2 cm淺水層返青促蘗，維持34 d左右。（3）夠苗曬田，控苗搭架。當田間苗數達到預期穗數的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1.5～2 cm，保水2～3 d，再放水落干，如此往復2～3個回合。（4）足水孕穗。稻田保持3.5～5 cm水層，確保穗大粒多，維持31 d左右。（5）抽穗保水。水層是1.5～2 cm，此時無水受旱，造成抽穗不齊或抽不出穗來，維持10 d左右。（6）干濕壯籽。灌漿結實期后應進行干濕交替間歇灌溉，水層是 1～2 cm，維持30 d左右。（7）進入黃熟階段后，稻田應排水落干。

水稻生長期需1、2、5 cm 3段水位，因此需設置能實現3點控制的連桿浮球液位開關來控制水位。水位控制方案如圖3所示。浮球1實現1 cm水位控制，浮球2實現2 cm水位控制，浮球3實現5 cm水位控制。

2.3硬件設計

水稻不同生長期的水位由液位開關控制，液位開關選 LP-RF 連桿浮球液位開關，所有的開關出線在同一接線盒，外部施工配線成本低廉，單價最低，使用磁簧開關不需供應電源，接點壽命可達200萬次，長度7.6 cm，精確度±0.3 cm，豎直安裝±30°，觸電輸出常閉，觸點類型SPST簧片，開關設定點3，安裝高度13.2 cm。3個按鈕的作用分別是啟動、急停和保護，都選擇價格低廉、功能可靠的普通型；電機選用普通Y型電機。

3廢水回收利用

廢水回收對生態環境保護、水資源循環利用都有重要意義，是節水灌溉系統的重要環節。廢水回收利用重點解決廢水怎么回收、怎么凈化、怎么利用等關鍵問題，同時又要考慮投入成本少、回收凈化利用設施簡單。

3.1廢水回收

廢水回收采用自然流態回收，即起點與終點有一定的落差，借助液體重力自然流向終點。因此在出水池設置一回收池，回收池應能容納所有稻田最大正常排水量，連接出水池的主管安裝和全部稻田面沿主管方向要人為形成小于0.5 cm的落差以構造高地面，以便實現廢水的自然回流。灌溉與回收通過人工操作回收擋板完成，如圖4所示。

3.2廢水凈化利用

為補充水稻成長所需的N、P、K等多種微量元素以增加產[CM（25]量，需向稻田施加化肥；為防稻蟲害，需向稻田噴灑農藥。

未被吸收的化肥和農藥大量存儲在稻田間水里，會隨著淋洗、田間排水、地表徑流等方式進入周圍的土壤和水體，造成的環境危害。因此對田間的廢水進行凈化處理已成為化肥和農藥使用中被廣泛關注的問題。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、鎂等多種養分，豐富的有機質懸浮物，所以用廢水灌溉稻田節省肥料、節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。廢水利用參照系統工作原理方式進行。（2）生物凈化模式。栽植狐尾藻、苦草[JP3]、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，以達到排放水標準。[JP]

4結論

稻田灌溉采用電氣開關控制水位，實現灌溉的自動化，省去了人工看護和浪費水資源，在不增加成本的投入基礎上考慮廢水回收凈化利用，以低成本高效率節約水資源和環境保護，同時又不排斥勞動者參與其中。因此該系統是一個從灌溉、回收、凈化和利用的循環節水系統，實現了人、機、水和環境的和諧統一，具有現實意義和推廣價值。

參考文獻：

[1]水利部農村水利司.水稻節水灌溉技術[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2012：1-22.

[2]匡迎春. 南方丘陵區水稻節水灌溉自動調控系統的研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2011.

[3]紀建偉，鄧巍巍，趙毅勇. 基于PLC的稻田灌溉自動控制系統研究[J]. 沈陽農業大學學報，2013，44（3）：257-261.

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[5]劉超，石建飛，李愛傳，等. 水稻節水灌溉無線遠程PLC監控系統[J]. 農機化研究，2011，33（11）：19-23.

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