农业工程

李明智，赵学伟，邓长辉，等

农业工程

虾夷扇贝海上转运系统改进设计与试验

李明智，赵学伟，邓长辉，等

目的：虾夷扇贝海上转运系统作业模式主要依靠人工完成，作业流程繁琐、工作效率低、扇贝缩边死亡现象严重，且在搬运过程中极易发生人员滑倒、踩踏扇贝等现象，致使碎贝率高。该研究从虾夷扇贝海上转运作业方式、转运船舶甲板作业形式以及安全生产等方面考虑，为虾夷扇贝采捕船与运输船设计了可拆装式拣贝作业平台、对冲洗式传送装置与可折叠式转运笼箱等，取代原来人工作业方式，优化转运作业模式，提高转运效率与扇贝成活率。方法：采用海上生产对比试验，试验历时5个月（2013年8—12月份），每月试验4次。将试验运输船辽长渔运18023的4个活水舱标记为1号、2号、3号、4号活水舱，其中1号与2号活水舱存放改造前的笼箱，共装入1400箱，每箱装扇贝16 kg，合计约22.4 t；3号与4号活水舱存放改造后的笼箱，共装入64箱，每箱装扇贝350 kg，合计约22.4 t。为了提高试验效率，为1号、2号与3号、4号活水舱共配备了16艘112 kW采捕船，其中8艘配备甲板拣贝作业系统与可折叠式装贝笼箱，另外8艘采用原作业模式，配备原始笼箱。整个试验过程中分别统计每艘采捕船的拣贝时间与运输船两组活水试验舱的装卸贝时间。为了对比2种作业模式对虾夷扇贝品质的影响，待扇贝运至净化暂养中心后，分别对1号、2号、3号、4号活水舱中的扇贝进行筛选工作，去除破损与缩边死亡的扇贝，之后统计碎贝率与缩边死亡率。结果：改造后的虾夷扇贝海上转运系统较原转运系统在提高工作效率方面效果显著。经5个月海上生产对比试验测得，原虾夷扇贝海上转运系统每艘采捕船用于拣贝装箱及下舱的平均时间约为2.52 h，运输船装卸贝平均时间约为1.5 h（装卸1、2号活水舱），需配备的工作人数120人，其中采捕船每艘所需工作人员10人（共计80人），运输船配备船员（装卸贝时也需投入工作）10人，流动工作人员30人（专门负责协助船员进行装卸贝作业）；改造后的虾夷扇贝转运系统，采捕船安装甲板拣贝作业系统并为作业船舶配备可折叠式笼箱，优化了虾夷扇贝海上转运系统作业模式，作业人数由120人减少至74人，其中采捕船每艘减少2人，运输船装卸贝时采用吊机工作，故无需流动人员，作业人数减少30人；每艘采捕船拣贝装箱及下舱的平均时间为1.92 h，运输船装卸贝平均时间为0.98 h（装卸3、4号活水舱），较原虾夷扇贝海上转运系统作业效率分别提高了31.3%和53.1%。采用原虾夷扇贝海上转运系统运输，扇贝的平均缩边及死亡率约为3.35%，且5个月扇贝缩边及死亡率差异显著（P＜0.05）；采用改造后的虾夷扇贝海上转运系统运输，扇贝的平均缩边及死亡率约为1.92%，且5个月扇贝缩边及死亡率无显著差异（P＞0.05），与原转运系统相比扇贝缩边及死亡率差异显著（P＜0.05），平均可降低约1.43%。采用原虾夷扇贝海上转运系统运输，平均碎贝率约为2.83%，且5个月试验测得碎贝率差异显著（P＜0.05）；改造后的虾夷扇贝海上转运系统平均碎贝率约为0.84%，且5个月试验测得碎贝率无显著差异（P＞0.05），较原虾夷扇贝海上转运系统平均碎贝率降低约1.99%。以扇贝平均转运量80 t/d，每年转运天数为300 d为例，扇贝按32元/kg计算，扇贝缩边死亡率与碎贝率取5个月试验平均值。年总节省费用体现在降低虾夷扇贝缩边死亡率与碎贝率节省的费用以及劳动力节省费用两方面，则年总节省费用约为2853.6万元。结论：改造后的虾夷扇贝海上转运系统为作业船舶配备了甲板拣贝作业系统与可折叠式装贝笼箱，优化了转运系统的作业模式，作业人数由120人减少至74人，采捕船拣贝装箱及下舱的平均时间与运输船装卸贝平均时间较原虾夷扇贝海上转运系统作业效率分别提高了31.3%和53.1%；采用改造后的虾夷扇贝海上转运系统运输，扇贝的平均缩边及死亡率约为1.92%，且5个月扇贝缩边及死亡率无显著差异（P＞0.05），与原转运系统相比扇贝缩边及死亡率显著降低（P＜0.05），平均可降低约1.43%；改造后的虾夷扇贝海上转运系统平均碎贝率约为0.84%，5个月测试结果无较大波动，较原转运系统平均碎贝率降低了约1.99%；改造后的虾夷扇贝海上转运系统经济效果显著，年总节省费用约2853.6万元。

来源出版物：农业工程学报, 2014, 30(16)：53-60

入选年份：2014

基于物元分析的土地生态安全评价

黄辉玲，罗文斌，吴次芳，等

摘要：目的：随着水土流失、土壤沙化、草场退化和森林减少等土地生态问题的日益突出，土地生态安全评价成为了土地可持续利用研究的重要课题之一。针对综合指数评价存在的信息屏蔽和主观性问题，该文采用物元分析法，对河北省2005年到2007年各年的土地生态安全状况进行比较，提取了各单个指标提供的分异信息，提高了等级判定的客观性和科学性。方法：采用“经济（economy）—环境（environment）—社会（Society）”模式，来构建土地生态安全评价指标体系，运用专家咨询法和层次分析法（AHP）确定各指标权重。划分土地生态安全评价的等级，参照全国平均水平、国家环保总局《生态县、生态市、生态省建设指标（试行）》标准值、国际通行标准取值、河北省平均水平等，建立土地生态安全评价的经典域物元矩阵和节域物元矩阵。数据主要来自于河北经济年鉴、河北农村年鉴和中国统计年鉴。确定关联函数及关联度，计算综合关联度并确定评价等级。该方法即可以计算各指标对应各评价等级的关联度，以判定该指标的安全级别，也可求出所有指标的综合关联度，以判定2005年、2006年和2007年河北省土地生态安全级别。结果：运用物元模型对河北省2005年、2006年和2007年土地生态安全进行评价，结果表明：（1）2005年、2006年河北省土地生态安全级别为临界安全，2007年河北省土地生态安全级别为较安全，整体上呈现出由临界安全向较安全跃升的趋势。从以上分析中可以看出，自2004年之后的河北省的生态环境保护政策和措施起到了积极的作用，虽然2006年比照2005年的土地生态安全略有下降，总体上3年来土地生态安全等级在提升，但为了促使2007年的安全等级稳定在较安全状态，仍需进一步巩固已取得的成果。（2）根据单个指标提供的分异信息，滑坡、泥石流治理面积、人均GDP、经济密度、机耕面积占比、第三产业占国民生产总值比重、城市化水平和万元GDP能耗在2007年比2005年、2006年出现不同等级的上升趋势，说明以上指标对河北省土地生态安全水平的提升有重要的贡献。而人均耕地面积、农药施用量和工业废水排放达标率在2005年后呈现下降势头，成为制约河北省土地生态安全水平提升的因素。（3）物元模型能够揭示单个评价指标的分异信息，表明物元分析方法适用于土地生态安全评价。结论：物元分析法将土地生态安全物元、土地生态安全特征和特征量值作为物元，结合本区域实际状况、专家意见得到模型的经典域、节域、权重、关联度，从而建立起土地生态安全评价的物元评判模型，不仅克服了评价过程中人为因素的影响，而且对参评因子进行量化处理，提高了土地生态安全评价的精度。依据研究成果，建议下一阶段政府环保工作的重点为：一方面是不断提高人民的生活水平，增加农业机械作业的工作面积，加大治理滑坡、泥石流受灾地区的力度，降低万元GDP能耗，巩固已取得的成果；另一方面在于控制人口增长、大力保护耕地、不断提高科技水平和增加投入，以提高工业废水达标率，并引导农民合理施用农药。

来源出版物：农业工程学报, 2010, 26(3)：316-322

入选年份：2015

基于BP神经网络的冬小麦耗水预测

陈博，欧阳竹

摘要：目的：基于大田实测数据，充分利用人工神经网络强大的非线性映射能力，探索建立利用较少气象资料、反映作物生物特性、计算简便、精度可靠的冬小麦耗水量预测模型。方法：根据中国科学院禹城农业试验站2003—2006年冬小麦季的气象资料和大型称重式蒸渗仪观测资料，把实测作物系数作为作物因子指标，建立以日最高温度、日净辐射、实测表层60 cm土壤含水率、日序数和作物系数为输入因子，蒸渗仪实测蒸散量为输出因子的BP神经网络预测模型，神经网络拓扑结构为5-9-1，网络中间层神经元传递函数采用S型正切函数Tansig，输出层神经元传递函数采用线性函数Purelin，训练函数为基于Bayes算法的Trainbr。以2003—2004和2006年数据作为模型训练样本建立模型，以2005年数据作为模型检验样本，对模型性能和效果进行验证。模型预测性能的评价指标包括相对误差的绝对值K、预测值和实测值的均方根误差RMSE和Nash-Sutcliffe效率指数E。结果：冬小麦耗水量预测模型训练值和目标值的均方根误差RMSE为1.01 mm，Nash-Sutcliffe效率指数E为0.830，训练值和目标值的复相关系数为0.8303，模拟结果较好。模型预测值和实测值的均方根误差RMSE为0.88 mm，Nash-Sutcliffe效率指数E为0.865，预测值和实测值复相关系数达到0.9265，模型预测效果良好。模型预测值平均相对误差为13.1%，相对误差绝对值K小于20.0%的检验样本数所占比例为81.8%，最大相对误差为28.3%，最小相对误差为0.6%，精度高于过去禹城地区建立的SPAC模型模拟精度。模型对冬小麦耗水量较高时段的模拟和预测误差较大，主要是由于冬小麦低耗水量数据占比大，造成样本数据分布不均匀，神经网络训练结果不稳定。对模型的5个输入因子进行主成分分析表明，影响冬小麦日耗水量大小的最主要因子是代表作物生长发育状况的日序数n和表层60 cm土壤含水率W。结论：BP神经网络冬小麦耗水预测模型对禹城地区冬小麦耗水特性模拟可靠，预测精度较高。BP神经网络模型采用Trainbr训练函数，有效提高了模型的泛化能力，增强了模型预测性能。

来源出版物：农业工程学报, 2010, 26(4)：81-86

入选年份：2015

基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发

李楠，刘成良，李彦明，等

摘要：目的：农田墒情信息是现代农业实施精准施肥、精确灌溉的重要科学依据。目前国内墒情监测在大尺度上依赖于遥感技术，难以实现墒情信息的精准监测；小范围内主要依靠人工定点测量，无法实现墒情数据的自动传输；现有基于网络通讯技术的墒情监测系统还存在功能简单，信息采集自动化程度不高，信息共享和决策支持层次较低等问题。为了实现快速准确地采集墒情信息，研究开发了基于3S（GPS/GIS/GPRS）技术联合的农田墒情远程监测系统。方法：系统总体由3层网络组成：底层为无线传感器网络，中层为GSM/GPRS/GPS网络，上层为Internet网络。底层和中层通过设置网关节点连接，中层和上层则利用公共电信网关连接，系统通过农田信息监测网络节点和远程服务器实现，在小范围内由传感器节点基于ZigBee通讯协议组成无线传感器网络，在大尺度上通过网关节点集成GPS网络，利用GSM/GPRS网络实现与Internet的信息交互，完成了墒情数据的自动采集、无线传输和准确定位。系统中设计了太阳能自供电的长寿命无线传感器节点和网关节点，开发了服务器端农田墒情信息管理系统软件，实现了Web方式下的参数远程设置和信息实时监测，完成了墒情信息系统、地理信息系统（GIS）、气象信息系统以及决策支持系统等多系统的整合。结果：开发了基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统，该系统已在河南省新乡封丘县试运行，共设8个测站，每个测站布置4个无线传感器网络节点，可采集的墒情信息参数包括：土壤水势、土壤含水率、气温、相对湿度和地下水位。数据采样间隔设定为30 min。采集数据可经网关节点传送至远程服务器端。安装在服务器端的管理软件实现数据的存储、显示、统计分析、查询和打印等功能。该系统具有以下特点：（1）采用无线传感器网络和GPRS网络相结合的数据传输方式，只在网关节点集成GPRS模块，既实现了数据的无线传输，又解决了因将GPRS模块部署在众多墒情监测节点引起的成本过高问题。（2）由两级能量存储器组成的太阳能自供电模块有效地延长了监测节点的使用寿命。（3）通过与服务器数据库的交互，实现了Web方式下客户端对传感器节点的远程参数设置功能。（4）集成GIS系统，实现了具有空间属性的墒情数据的可视化管理。结论：该研究采用的技术原理具有高度的通用性，完全可以应用于其他相关领域的信息监测过程。尽管系统在诸如传感器节点通讯的可靠性、各节点能源供应的稳定性等方面还需完善，但该系统已实现了多种通讯技术在农田信息监测中的综合应用。随着农业现代化的发展，孤立的土壤墒情监测系统已不能满足要求，加强多系统之间的集成研究，发挥多系统综合优势，才能为农业生产决策提供准确的科学依据，在这方面还需要进行进一步研究。

来源出版物：农业工程学报, 2010, 26(4)：169-174

入选年份：2015

“痕量灌溉”理论支撑与技术特点的质疑

张国祥，赵爱琴

摘要：目的：近年来，有文献提出“痕量灌溉”的概念，即：微灌系统无需提供动力或在1～2 m水压下，基于毛细管原理和膜过滤技术，由微灌纤维束、土壤及作物根系形成毛细管系统，根据作物需水状况，通过毛细管系统，实现了依据作物需水多少的“自适应”灌溉，并解决了灌水器堵塞问题。该文基于现有理论、试验资料及微灌实践，针对文献中“痕量灌溉”的原理，分析其合理性，讨论这种技术是否有合理的理论支撑，是否能达到其所述效果。方法：对痕量灌溉自适应灌溉的控水和防堵原理进行深入理论分析，采用已发表试验资料进行佐证。结果：研究发现：（1）根据毛细管现象的基本特征、痕灌灌水器及小流量点水源的实际，毛细管力不可能成为灌溉系统的基础力。原因如下：痕灌灌水器的纤维束长度仅约5 mm，根据毛细管现象的基本特征，其毛细管力最大为管内5 mm高水柱的质量，与已有研究中痕灌水压1～2 m相比，仅占0.25%～0.5%，与微灌管进口水头为5、7.5和10 m相比，更是微不足道。（2）痕量灌溉能实现与作物需水相匹配的“自适应灌溉”，缺乏依据。痕量灌溉自适应指灌水器出水口的毛细管束结构，通过毛细管现象，实现其出水量与作物需水量相匹配。由于毛细管力不可能是其基础力，因而，靠它实现自适应灌溉也毫无根据；已有试验资料表明作物耗水强度与灌水流量变化不一致，有的产量低于滴灌，不支持痕量灌溉实现了自适应灌溉。（3）滤膜及纤维束滴头流道可以长久不堵塞的结论，显得过于草率。（1）对痕量灌溉ISO短周期堵塞测试程度的试验结果的解读有误，该标准不是用来评价灌水器抗堵性能的依据。而且其结果表明，随试验阶段进展，控水头流量渐增，这可能说明纤维束间流道出现了堵塞点，堵塞点上游水压大幅增大，堵塞点周围纤维在水压力推动下滑出灌水器，从而增大了过流面积，这种局部堵塞陆续发生，致使出现流量渐增结果。（2）膜过滤条件下，滤膜孔径越小，对化学堵塞越敏感，被拦截的物理杂质也越多，拦截杂质中的黏粒会降低滤膜上游沉积物的透水性。在冬天停灌时，可能产生溶质析出，为膜上游面沉积物固结提供了条件。痕灌系统需要在地下长期工作，随时间推移，发生膜堵塞几率会越来越大，堵塞风险较大。（3）痕灌纤维束间隙是最小的，一旦管内呈现负压，会发生负压吸泥现象。黏粒会随水吸入纤维束间流道，并在停灌期间失水，堵塞流道。结论：根据国际微灌界的共同认知，流量不大于12 L/h的灌水器统称为滴头，痕量灌溉应归属于地下滴灌，只是用了膜过滤和纤维束结构的滴头。痕量灌溉作为新提出来的灌水技术，其理论和技术本身存在诸多问题，目前最需要的是补做技术原理的小面积试验验证。

来源出版物：农业工程学报, 2015, 31(6)：1-7

入选年份：2015