关于智能化节水灌溉技术的分析

□ 张振海（河南省荥阳市水务局）

1 智能化灌溉势在必行

目前，在我国节水灌溉已经成为人们的共识，各级政府在各个时期都把节水灌溉放在发展和规划的首要位置，随着水资源的日益缺乏，也随着我国国力的日益增长，喷灌、滴灌等现代化的灌溉方式在我国正加速推进，现代化的灌溉方式不仅可以节约用水，减少水资源的浪费，还可以节约用人，大大提高劳动生产效率。更重要的是现代化的灌溉方式，可以方便地进行控制，使土壤水分含量始终保持在合理的范围内，为作物的生长提供一个优良的环境，从而提高作物的产量和品质。

2 技术方案

2.1 系统的构成

2.1.1 恒压供水系统

恒压供水系统采用多井并联变频恒压供水技术，将区域内所有的水源井都连接到主管道上，由恒压变频技术协调各个水泵的工作，可以调动所有的水源集中灌溉某一区域，使水泵的使用效率大大提高，同时又使灌溉效率大大提高。

2.1.2 信息采集

信息采集采用土壤墒情在线传感器，雨量在线传感器等，压力传感器等可以适时地将各种物理信息变成电信号，在软件的驱动下完全自动地向外发送数据，发送时间间隔可以任意调整，可以是1 s、1min、或者是1h，这些工作不需要人工操作，一天24 h无间断工作。

信息采集点的关键工作是测量土壤含水量，测量土壤含水量的测量主要靠土壤含水量传感器来工作，土壤含水量传感器的工作原理是通过测量土壤的电介质常数，来计算土壤体积含水量。水的介电常数大约是80，土壤矿质的大概为4，空气为1。由于水的介电常数非常高，因此当土壤中的水分含量变化时，土壤的介电常数也随之发生相当大的变化。使用时可将之置于欲测量的土壤中，通过测量传感器上电容的变化，从而测量土壤中的水分含量的变化。信息采集点的数量可以根据灌溉小区的数量来确定，一般一个灌溉小区设置一个信息采集点，一个信息采集点由一组（三个）土壤含水量传感器组成，并且根据作物或植物的根系分上中下垂直均匀分布，分别测量土壤中不同深度的含水量。

2.1.3 信息传输

信息传输可以采用有线传输和无线传输，有线传输又分485双绞线和光缆传输，无线传输又分无线电台和GPRS传输，这要视当地的具体情况，哪种方式方便可靠就用哪种。

2.1.4 信息处理

各种数据经过采集、传输送到信息处理中心，信息处理中心将对各种数据进行处理，数据处理功能是把采集到的数据存放在数据库中，并且在软件的支持下，与系统的预设数据、历史数据进行比较、判断，然后发出各种指令，去控制外部设备的状态。信息处理的另一个任务是数据处理，即对各种历史数据进行数据运算，可以进行1天、1月、1季、1年甚至10年的最大值、最小值、平均值、前差值、积累值、和其它各种特殊的运算处理、统计分析。经过处理的数据根据需要，生成各类报表、趋势曲线、生产图表，包括即时报表、班报、月报、年报、各类趋势曲线、棒状图等。进而进行分析预测和建立灌溉模型。

2.1.5 控制终端

控制终端主要指管网系统中的电磁阀（或电动阀），一般根据实际需要在管网的每一个分支出安置一个电磁阀，电磁阀的开启与关闭由中心控制计算机控制。

2.2 系统的功能

2.2.1 控制功能

控制功能包括：第一，根据土壤水分传感器获得的土壤含水量和作为的最佳需水量，系统经过分析判断，发出指令，控制电磁阀开启或者关闭。第二，根据压力传感器获得的压力数据，系统经过分析判断，发出指令，控制井泵的开启或者关闭，以及变频器的工作状态，使管网的压力保持在一个恒定的状态。第三，电磁阀控制方式：一是点击方式：点击电磁阀在电脑屏幕上的按钮打开电磁阀，再点击该按钮，电磁阀关闭，这种方式比较灵活方便。二是定时方式：点击电磁阀在电脑屏幕上的按钮打开电磁阀，当灌溉到一定时间后自动关闭该电磁阀。三是巡灌方式：将一区域内的电磁阀关联起来，并设定一个灌溉时间间隔，当点击第一个电磁阀对应的按钮后，第一个电磁阀打开，当灌溉时间达到设定时间时，第一个电磁阀自动关闭，第二个电磁阀自动打开，进行灌溉，当第二个电磁阀灌溉时间达到设定值时，第二个电磁阀自动关闭，第三个电磁阀又自动打开，这样依次进行，实现在一个区域内巡灌。

2.2.2 报警功能

按轻度干旱、中度干旱、严重干旱和特大干旱4个干旱等级划分旱情，当发生严重干旱时，系统自动发出警报，弹出报警画面，并通过声光方式通知值班人员。报警画面不但显示报警点和报警类型，而且还可以按照报警等级做出相关反应，记录报警的信息。

2.2.3 地理信息系统功能

地理信息系统基本功能是将表格型数据（无论它来自数据库，电子表格文件或直接在程序中输入）转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览，操作和分析。

具体操作是将各信息采集点的地理位置标注在地图上，这样可以直观地看到各信息采集点具体的地理位置和一个区域内各检测点的分布，用鼠标点击检测点的位置可以看到各检测点的具体数据，便于查询。

2.2.4 直观显示功能

2.2.4.1 用不同的颜色表示不同的旱情

各信息采集点在地图上的标注点的颜色随检测值的变化而变化，即达到不同干旱等级显示不同的颜色，如红色代表特大干旱、橙色代表严重干旱、黄色代表中度干旱、蓝色代表轻度干旱，如图2所示。这样不但可以看到一个检测点的具体数据信息，又可以从宏观上看到一个区域的整体旱情分布，便于从宏观上进行决策。对应于不同的响应级别，制定相应的响应方案。

2.2.4.2 灌溉时间显示

用鼠标点击某一电磁阀控制按钮，对应的电磁阀打开，同时在电脑屏幕上显示电磁阀打开的运行时间，使操作者随时都可以看到某一区域灌溉的程度。

2.2.5 历史记录查询功能

可以查询1天、1月、1季或者1年的历史记录，并以表格或曲线的形式显现出来。

极大地方便科技工作者进行科学研究。

3 应用

作物的需水量是一个复杂的参数，不同地域、不同土质、不同季节、不同作物品种、不同生长期所需的水分是不一样的，一般作物苗期需水较少，随着作物生长逐渐加大，到生长旺盛时期蓄水量最大，成熟期蓄水量逐渐减少。另外，作物水分临界期（作物水分临界期指土壤缺水对作物生长和产量影响最严重的时期。）也有所不同，例如麦类为：抽穗灌溉期；玉米为：抽雄期；棉花为：花铃期；豆科作物为：开花期；水稻为：孕穗、抽穗期，等等。智能化灌溉系统的建立为科技工作者提供了一个实验平台，一个实验工具，能够完成前述的许多靠人力难以完成的繁杂工作，能使灌溉技术产生质的飞跃，能把简单的节水灌溉跃升为科学灌溉。我们将建立更多的这种实验平台，更多的实验基地，使农业科技工作者，生物科技工作者探索出更多的作物生长规律，需水量规律，灌溉规律，提升水利对粮食产量的贡献率，为国家的粮食安全和经济建设不断地做出新贡献。