自动灌溉系统在农业节水工程中的应用

刘浩波

（桂林诚乡规划建筑设计院有限公司，广西 桂林 541001）

随着水资源的日趋紧张，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。我国是一个水资源严重短缺的国家，且在我国的用水结构中，农业用水占全国用水总量的70%，其中90%以上用于灌溉，由于种种原因，我国水资源利用率及利用效率较低。近年来，我国灌溉自动化控制技术迅速兴起，相关研究已深入到将气象因素、蒸腾量和土壤含水率相结合的综合灌溉控制。但由于我国节水自动灌溉系统方面的研究起步较晚，与国外相比，灌溉自动化水平不高。因此，研发设计自动化节水灌溉系统，加强自动化灌溉系统在农业节水工程中的应用具有十分重要的意义。

1 自动灌溉系统的概述

1.1 自动灌溉系统的工作原理

自动灌溉系统由中央控制计算机、传感器、数据采集系统、电磁阀及软件系统组成，制定各自相应的灌溉制度（最适宜作物生长、生育的土壤含水率指标上下限，可以灌溉的风速值、雨量值），并通过传感器将测得的土壤墒情实时传输给中央控制系统，由计算机判断是否需要灌溉。当土壤含水率指标小于设定的下限值时，计算机自动打开电磁阀灌溉，当土壤含水率指标大于设定的上限值时，控制系统将自动关闭相应田间的电磁阀停止灌溉。

1.2 自动灌溉系统的特点

（1）自动灌溉系统采用先进的自动反冲洗过滤系统，组装简单、反冲洗次数少、抗腐蚀能力强、自动清洗效果好。

（2）自动灌溉系统采用先进的水肥混合技术，可自由设定施肥时间和管道冲洗时间，施肥均匀性高，浓度可调，根据作物种类和生长的不同阶段进行调节，使用方便。

（3）自动灌溉系统除全自动控制外，系统还允许管理人员采用半自动、手动等控制方式，控制方式多样化，适应多样化的管理。

（4）自动灌溉系统采用的是智能决策灌溉，杜绝了人工开启阀门的随意性，保证了灌溉精度，方便对农作物灌溉施肥的管理。

（5）自动灌溉系统由于采用自动灌溉控制，可很好地保证灌溉时间、灌溉水量、灌溉精度，使灌水量得到了有效的保证。

（6）应用自动灌溉系统，由于电磁阀的开启均由中央监控室统一管理，可节省大量的劳动力，从而大大节省了人力成本。

事实证明，自动灌溉系统具有投资少、效益高、运行可靠、节水显著、故障低、节约人工等优点，是高科技在农业生产中的具体运用，具有广阔的发展前景。

2 自动灌溉系统方案的设计

2.1 测量参数

在进行自动化灌溉控制时，由于不同的作物对水分的需求量是不一样的，且土壤温度也是决定是否灌溉的一个重要参数。因此，在设计时，测量参数需考虑到土壤水分和土壤温度。

2.1.1 土壤水分测量

土壤水分是土壤的重要组成部分，土壤水分的测量是实施节水灌溉、按需灌溉的基础。目前，适宜用于自动灌溉控制系统中的土壤水分测量方法为负压式传感器法。用负压式传感器法来测量土壤的水分，具有田间原位测定、快速直读、不破坏土壤结构、价格低廉、无放射性物质、安全可靠、便于长期观测和积累田间水势资料等优点，是一种低成本的直接测量方法，能够连续测量土壤含水量。

2.1.2 土壤温度测量

由于控制系统中对于土壤温度的测量要求不是很高，因此在进行系统设计时要求选择一个价格低、性能好、电路简单、具有一定精度的温度传感器。目前，常用的测温传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻和半导体集成温度传感器等。在实际应用中，半导体温度传感器由于具有小型化、线性好、低成本、易于电路设计或控制电路接口等优点，最适合用在控制系统中测量土壤温度。

另外，至于其他的参数，如土壤盐分、作物叶面蒸腾量等，在测量参数已足够和简化系统降低成本的前提下，可以不用考虑测量。

2.2 传感器数量

针对土壤情况不同，需要的传感器数量也不同。有的土壤一致性好，只需一个传感器测量土壤墒情；有的土壤一致性差，需要多支传感器来测量土壤墒情。同时，土壤的面积有大有小，也决定了需要不同数量的传感器。一般，在设计时连接三个负压式土壤水分传感器、一个温度传感器。

2.3 作物缺水判断

不同的作物对水分的需求是不同的；周围环境不同，作物的需水量也会有所不同；即使同一作物，在不同生长阶段对水分的需求也不同。因此，作物缺水判断是控制系统通用性设计中的一个难点。在设计时，控制仪器则应具有允许操作者通过键盘设定判断土壤缺水标准的功能；对不同作物，农业专家可凭经验设定不同的判断值来实现作物按需灌溉。这样，不仅能充分利用农业专家的经验，还可以使自动化灌溉控制仪器适用于许多不同作物，提高了仪器的通用性。

2.4 灌溉控制方式

目前，我国各个设施农业中灌溉系统的水状况不一样，有的采用电机控制水流、有的采用水泵加压后才能进行灌溉，有的采用电磁阀代替手动阀门控制水流灌溉。因此，控制系统在设计时要考虑到控制信号的通用性，既能控制电机、水泵，又能控制电磁阀。设计时，由于这三种输水设备均是通过接通电源工作的，因此可在输水设备的电源线上加一个开关，由控制系统来控制开关的闭合，即可实现由控制系统实现了灌溉的自动化控制。

不同土壤渗水能力也不同，如砂土渗水能力强，黏土渗水能力较弱。在灌溉时，如黏土土壤，因为水分不能及时渗入土壤深层，致使土壤吸力传感器不能准确判断土壤是否已经灌溉结束，导致实际浇水量已足够而系统设备仍在继续浇灌，从而没有达到节水的目的。因此，在设计时，考虑到不同土壤的渗水能力，可设计几种不同的灌溉方式，针对不同的土壤选择不同的与之相适应的灌溉方式，以保证能够达到节水的目的。

2.5 系统软件设计

系统软件在整个系统运行中起着核心的作用。在设计时，系统软件采用WEB界面的C/S软件结构。逻辑上系统由界面子系统、监控子系统、通讯子系统、内存数据库管理子系统构成。界面子系统主要是将测控仪送来的当前土壤水分和温度检测结果通过数码管显示出来；通讯子系统则是将设定的各项参数值发送给测控仪，并接受测控仪发送来的检测数据；系统监控子系统根据设定的自动灌溉条件自动开、关灌区灌溉电磁阀门完成自动灌溉。

在进行软件设计时，应充分考虑各种农作物的灌溉制度，在确定各农作物的生育期及土壤含水量和灌水定额的基础上进行软件设计，以便在应用系统时，用户可直接在计算机内输入农作物的相关信息，系统则可准确计算出各农作物的适宜土壤含水量和每次的灌水额，用于指导系统的准确运行。

3 对我国农业节水工程中应用自动灌溉系统的展望

（1）可设定土壤的负压力、温度值，并根据不同作物、不同土壤条件设定灌溉方法，从而增大设备的适用范围。

（2）扩大系统的控制方式，实现在工作室或家里就可以进行施肥、灌溉等日常工作，实现网络化控制农业种植与灌溉。

（3）由于我国地面灌溉量大、面广，要精细地面灌溉技术，急需采用推广应用激光控制平地技术、水平畦田灌溉技术、田间闸管灌溉系统以及土壤墒情自动监测技术等一切改进地面灌溉措施，逐步实现田间灌溉水的有效控制和适时适量的精细灌溉。

（4）建立“土壤墒情监测网系统”，对全国农田墒情进行监测，为农业灌溉用水和抗旱减灾服务。在监测土壤墒情的同时，与当时当地的作物需水量相结合，可科学确定灌溉用水计划。

（5）控制部分的数据采集应利用传感器网络，不能局限于湿度和雨量两个参数，应包括传感器的一些应用，通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理微观调控，促进农作物生长。

4 结束语

综上所述，自动灌溉系统的设计采用了传感技术与单片微机技术，将工业测控技术和农业种植与灌溉技术结合，实现了新的、精确量化的节水灌溉模式。目前，随着水资源的日趋紧张和我国农业结构调整、农业可持续发展战略的实施，将自动灌溉系统应用于我国农业节水工程中，对节水灌溉和提高农作物的产量和指导用户进行科学种植有着重要意义。

1 徐忠辉、潘卫国、石红梅.自动灌溉控制系统的应用［J］.北京水务，2010（5）

2 樊宜、孙灵志、杨楠.江西省高效农业用水自控系统的设计［J］.江西水利科技，2008（3）

3 张杰、黎耀贵、杨冬升.现代农业节水灌溉自动控制系统设计方案分析与选择［J］.中国水运，2008（3）