農田水利中智慧農業灌溉系統的應用研究

摘 要：水資源短缺、土壤退化和天氣變化等因素的影響，使傳統的農業灌溉模式越來越難以適應。為了提高農業生產效率，保證糧食安全，智慧農業灌溉系統應運而生。智慧農業是利用大數據、物聯網和人工智能等技術，把現代信息技術和農業生產有機地融合在一起，從而達到對農業生產的精確經營。由于常規灌溉模式多依靠人工進行，會造成水資源浪費、灌溉不均、作物長勢不平衡等問題。而智慧農業灌溉系統是一種通過對土壤水分、天氣、農作物長勢等數據進行監測，并進行數據處理，從而達到精確灌溉的目的。既可提高用水效率，又可減少成本支出，提高糧食產量及質量。

關鍵詞：農田水利；智慧農業；灌溉系統；應用研究

農業是國民經濟的重要支柱，如何有效地使用水資源，對實現我國農業領域的可持續發展具有十分重大的意義。近幾年，隨著我國對農業現代化建設的大力扶持，研發和普及智慧農業灌溉技術已逐步被列為重要的政策。智慧農業就是將各種現代信息科技應用于農業的灌溉和生產過程中，使農產品生產向智能化、精準化、高效化方向發展。針對目前農田水利管理中普遍存在的資源浪費、管理不善、低效等問題，智慧農業灌溉技術能夠通過對農業灌溉信息進行監測，并與現代灌溉科技相融合，達到精確灌溉的目的。這樣既可以有效地提高用水效率，又可以減少資源浪費[1]。但是，目前我國在智慧農業灌溉中還存在著技術普及率低、農戶接受程度低等問題。因此，要提高農戶對智慧農業的認識，提高智慧農業灌溉技術應用熱情。在此基礎上，通過政府扶持等措施，為推進我國現代節水技術的發展奠定堅實的基礎。

1智慧農業灌溉系統設計應用的重要性

作為一個農業大國，要想成為一個真正的農業強國，還有很長遠的路要走，因為早期農業種植長期無序的灌溉方式，造成水資源的有效利用率不到50%，而大量的水資源被其他植物吸收、蒸發或污染，這與國家可持續發展戰略不相符。所以，提高農業節水灌溉的智慧化水平，可以最大限度地提高水資源的利用效率，從而有效地緩解我國的缺水狀況[2]。目前，我國農田普遍沿用的是以“漫灌”為主的灌水模式，而不是以“滴灌”或“噴淋”等更節約水資源的模式。傳統的漫灌模式存在著灌水效率低下、水量不能準確到達作物植株根系等問題，導致大量水分從地表散失或進入地下，導致水資源的浪費。另外，傳統的漫灌模式很難實現對灌水次數的精準調控，極易出現超量灌水，進而造成水資源的嚴重浪費和土地鹽漬化等問題。因此，采用智慧化的農田灌溉系統，可以降低農民在生產過程中的時間費用，并且通過信息化處理等方法，可以對降水概率、土壤含水量等數據進行更加準確和全面的計算，從而實現智慧化灌溉，防止人為因素對作物的生長造成的影響。

2農田水利中智慧農業灌溉應用面臨的挑戰

2.1技術適應性與農民接受度低

智慧灌溉系統的技術適應問題主要體現在系統的復雜多變特點上。智慧灌溉系統的發展離不開高科技，如傳感器、物聯網設備、數據處理軟件等，對相關人員具有較高的要求。但在很多農村地區，農戶的專業知識水平比較低，而且沒有足夠的技術來維護和操作智能設備，這給農戶帶來了許多困擾，如不能準確設定灌溉參數、不能及時處理灌溉問題等[3]。例如，有些農戶在應用土壤水分傳感器時，由于對其工作機理不明，不能準確地知道什么時候該澆水，造成灌水低效，乃至過量灌水。其次，很多農戶習慣采用傳統的灌水方法，他們擔心智能灌溉系統會帶來更高的費用和更大的危險。如有些農戶在試驗中采用全自動噴灌裝置，但因缺少相應的技術知識，在第一次應用中出現許多問題，造成糧食減產。這些經歷讓他們對智能灌溉系統抱有抗拒之心。

2.2數據隱私與安全問題

首先，針對農戶的個人資料與生產資料的安全問題。在很多場景中，農民都要把他們的生產信息上傳到云平臺來進行統計和輔助決策。其中，除了農作物的長勢信息外，還包含了一些重要的個人信息，如農民的身份信息、種植規模、種植方式等。農民個人信息一旦被非法用戶獲得，不僅會使農民的經營秘密遭到侵犯，而且還會損害農民的市場競爭能力和經濟效益。其次，數據的安全性也是不容忽視的問題。目前很多智能節水灌溉技術都是基于互聯網接入與云計算技術，其在傳輸、儲存等環節極易遭受黑客的攻擊。例如，黑客可以利用網絡入侵來獲得對該系統的控制，從而改變其灌溉方案，造成耕地過量灌水或水資源短缺，從而對作物的生產產生直接的影響。另外，由于系統故障和自然災害等原因，還會造成信息的損失和破壞[4]。

此外，目前我國農產品信息資源的整合與協同還存在諸多問題。盡管信息共享可以推動農業科技發展與創新，但是在實踐中，如何在保證農民個人信息安全的基礎上，有效地進行信息共享，仍然是一個難題。很多農民在分享信息時表現得很小心，因為他們害怕自己的信息被濫用或者被利用來進行不正當的競爭。為此，必須構建一個健全的信息分享制度，并在此基礎上制定一個清晰的法規體系。

2.3投資成本與經濟可行性

智慧農業灌溉系統往往具有很高的初始投入。這包括設備的購買，安裝和調試的成本。例如，智慧農業灌溉系統在農業生產過程中的應用，需要對其進行傳感器、控制器、信息傳送等環節的綜合投資，往往要達到幾萬乃至幾十萬。如此高的費用，讓很多中小型種植戶都感到了巨大的財務壓力。另外，由于經濟條件的限制，很多農戶在進行節水灌溉時，往往采用手工澆灌的方法，而沒有采用高技術的智能化灌溉技術。其次，智能灌溉技術的經濟性還與作物品種、氣候條件和市場需要等諸多相關因素有關。在某些地方，常規的灌溉方法還是比較經濟和容易處理的。例如，在水源充足、天氣潮濕的地方，農戶由于投資回報時間長，有潛在的用水浪費等風險，對智慧農業灌溉系統的選擇不太積極。另外，農產品的價格起伏也讓農戶失去了對智慧農業灌溉系統的投資信心，尤其是在面對不明朗的市場行情時，很多農戶會采取觀望態度，而不愿馬上進行技術改造。

另外，智慧農業灌溉系統的運維費用也是不容忽視的。盡管在初期能夠有效地改善用水利用率，但是當其發生失效時，維修成本會比較高。另外，對農戶而言，他們還需要專業的技能和訓練才能掌握這種高科技產品。部分區域農戶缺少相應的知識基礎，缺少相應的訓練手段，致使其在智能灌溉中無法發揮應有的作用。同時，政府與市場的配套也是制約智慧農業發展的重要因素。若能給予適當補助、低息貸款或科技訓練，則可降低農戶的財務壓力，增強農戶對智慧型灌區的接受程度。另外，在當前對可持續農業及節水意識日益增強的背景下，智能節水技術在將來的發展中可能會逐漸改善。

3智慧農業灌溉系統在農田水利中的實現

3.1農業灌溉的實施監測與管理

在現代化農業中，采用智慧農業灌溉系統是提高農田水利設施運行效率的一種有效途徑。通過對農業灌溉的實施監測與管理，農戶可以對土壤水分、氣候變化及需水量進行準確預測，進行合理灌溉，達到節水增產的目的[5]。

以某大型農場為例，引進智慧農業灌溉系統，以提高灌區的智能化程度。智慧農業灌溉系統配備有土壤濕度傳感器、氣象站及遠程控制系統，實現了對土壤濕度的采集與傳遞。在實際應用中，將土壤濕度傳感器埋入地下，實現對土壤含水量的實時監控。氣象觀測站實時記錄溫度、濕度和降水量。該裝置在偵測到的土壤水分含量降至一個特定的臨界值時，就會發出警告，提醒管理者。通過移動軟件，管理員可以隨時看到實時信息，并針對各農作物的需水量特征，制定出最優的灌水方案。例如，在持續無雨情況下，若稻田土壤含水量低于20%，該裝置將會自動開啟灌水裝置，保證稻田在最重要的生長時期獲得充足的用水。而針對小麥作物，會在整個生長周期內，依據小麥的需水量變化規律，及時調節灌水次數及灌水量，以防止因灌水過度而導致的水土流失及土壤鹽堿化。

3.2農作物生長期間的精準灌溉技術

以玉米種植為例，在整個生長期，各生長期對水量的需求各不相同。針對玉米苗期、拔節期和灌漿期三個時期的具體情況，提出精確灌水方案，實現對玉米生長期的精確控制。例如苗期，由于玉米根系還沒有完全發育，對土壤的濕度要求較高，所以該系統能夠通過對傳感器的信息進行實時控制，從而實現對土壤的滴灌或者是噴灌。而在拔節階段，由于玉米長勢較快，需要更多的水，因此可以加大澆水次數和澆水量，保證作物不受干旱影響。另外，精準灌溉還具有與氣象數據相融合的智能調節功能，通過與氣象站相連，可以獲得降水、溫度、濕度等氣象參數，避免在降雨前灌溉，降低用水成本。同時，通過對監測結果的分析，為農戶提供合理灌溉決策，農戶可根據玉米生長期的歷史資料，掌握各氣象因素對用水量的影響，從而制定出更為合理的灌溉計劃。

3.3農業灌溉的遠程控制技術

以果園種植灌溉為例，果樹苗木生長階段的土壤濕度和養分供給非常重要。智慧農業灌溉系統可設定較為頻繁的灌溉周期，保證苗木得到充分的水分供應，從而使其根系健康成長。隨著果實的成熟，對用水的要求也越來越高，特別是在花期和結果階段。此時，該系統能夠依據天氣狀況以及果園的長勢狀況，對灌水進行智能調節。例如，在溫度上升或降水變少時，該裝置就能根據果園的需要，不斷加大澆水次數和灌水量。在水果成熟階段，水分管理對果品質量及產量有很大的影響。這時，可以通過遠程控制澆水來實現對果樹的精確澆水，防止因過量澆水而引起的裂果和因缺水而引起的果實干癟。最終，在果樹休眠期間，對水量的要求明顯下降，這時，該裝置會依據土壤的濕度情況以及氣候的改變而停止澆水，保證果園在休眠期間能夠獲得適宜的休息，并維持了土壤中的水量平衡。

3.4自動化灌溉設備

3.4.1微噴灌溉系統

微型噴灌技術是一項新型的節水技術，它在農業生產中得到了越來越多地使用，它在節水、節能等方面具有重要的意義。微型噴灌是一種智能化的噴灌裝置，它的主要特點是采用了先進的噴頭設計以及智能控制模塊。這種噴霧裝置是利用微型噴嘴將水噴霧成極小的液滴，并將其噴灑到作物根系上，不僅可以保持較高的濕度，還可以降低水分的散失。此方法尤其適用于對濕度有很高需求的果樹和蔬菜種植領域。

微噴技術相對于常規的漫灌或滴灌，可實現對種植區域內特定范圍作物的直接噴灑，降低水資源的損失。國內外有關資料表明，采用微型噴灌技術，其水分利用率可達90%，比常規噴灌的60%～70%的水資源利用率有所提高。特別是在缺水地區，它可以有效地支撐可持續的農業發展[6]。

在實踐應用中，微噴灌技術常常和土壤水分傳感器組成一體化的智能化灌溉系統，該傳感器可以對地面上的水分進行實時測量，并將其信息傳輸到中央控制中心。在土壤含水量達到規定的臨界值時，可進行微量噴灑，保證了作物的正常生長，這種智慧化的管理模式，既可有效地利用水資源，又可有效地減少人工干預造成的誤差。

3.4.2滴灌系統

滴灌系統可將水直接傳輸至作物根系，從而達到精確灌溉的目的。這樣既可以降低水分的蒸發損失，又可以避免土地的鹽堿化。該系統包括水源、輸水管線、灌水器及控制器等。農戶可以依據不同的種植時期、不同的天氣狀況，對水量、灌水時機進行靈活調節，達到精細經營的目的。

以我國西北部為例，由于氣候干燥，水源極度匱乏。對于需要大量水分的農作物，如稻米和果樹等，農民廣泛使用滴灌系統。由于采用了滴水灌溉技術，農戶可以把水直接輸送到農作物的根系位置，從而降低了水資源的損耗，提高了農作物的長勢，提高糧食產量。實例表明，某果園在采用該技術后，可使果園增產30%，用水利用率提高50%。另外，實現滴灌系統的自動化也是目前灌溉自動化的發展方向。利用傳感器與數據處理等手段，實現對土壤水分、氣候等環境參數的在線監測，從而實現對灌溉方案的優化。例如，一些高級的滴頭裝置上裝有土壤水分感應裝置，當地面水分含量降到一定程度時，就能自動啟動澆水，該精準灌溉技術在提升用水效率的同時，也可以減少化肥、農藥的使用，推動我國農業可持續發展。

4結語

綜上所述，智慧農業灌溉系統可以對土壤水分、氣象條件及農作物長勢進行監測，進而對灌溉進行動態調控和精確滴灌。例如，在旱季，該系統會主動加大灌水次數；而在雨季時，會降低或停止灌水。該系統既節省了用水，又減輕了作業人員的勞動強度，增加了經濟效益。但是，目前我國的智慧農業灌溉系統還存在著設備投入成本高、農戶技術技能訓練難、信息安全難等問題。在此基礎上，進一步研究重點應該放在如何減少智能灌水門檻、增加農戶可采納性，以及針對不同地域和作物的智能灌水系統方面。與此同時，國家及有關部門應該加強對智慧農業灌溉系統的扶持，給予農戶一定的資金補助與引導，從而促進智慧農業的可持續發展。

參考文獻：

[1]李官平，張黔川，王永濤，等.智慧農業中自動化灌溉技術及其應用實踐[J].數字農業與智能農機，2024，（06）：84-86.

[2]李銀露，郭夕琴，徐必勇.PLC工業互聯技術在智慧農業灌溉中的應用[J].南方農機，2024，55（10）：48-50.

[3]李紅莎.基于農業互聯網平臺的灌溉監測信息系統研究[J].農機化研究，2024，46（08）：221-225.

[4]黃星科，鄒中妃，胡勒，等.基于貴州山地特點的智慧農業系統設計研究[J].山西農經，2024，（02）：51-53+69.

[5]雷栩藝.無線通信技術在智慧農業灌溉中的實踐應用[J].機電技術，2023，（04）：23-25+44.

[6]徐金美，劉鋒.廣電智慧農業5G灌溉系統建設及應用[J].廣播電視網絡，2023，30（07）：94-96.