自动化控制在农业灌溉系统中的应用刍议

杨 光 范志华 肖 戟 苏成贵 钟文才

吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022

中国淡水资源总量为28兆立方米，占世界水资源总量的6%，位居世界水资源总量排名的第四位。然而，中国人口数量非常庞大，中国人均水资源量仅占世界平均水平的1/4，是世界人均水资源最匮乏的[1]。此外，由于中国独特的地理环境，气候多变，造成我国水资源在空间上和时间上的分布极为不均。中国是一个农业灌溉用水量很大的国家，传统的农业灌溉技术已不能很好地满足农业灌溉用水的需要。

1 自动化控制定义

自动化控制是指整个操作流程间接地脱离人们对系统的第一手操作，通过借助一些辅助的设施或者其他控制机器的装置，使得被操作的对象（如机器、设备等）的某个工作流程或被操控对象自主地遵照最初的设定法则运行。为了达成各种繁杂的控制任务目标，被操控的对象在一开始就与控制对象的设备根据特定的方式相连接，组成一个有机的整体，这就是自动控制系统。对于自动控制系统而言，被操控对象的输出数量被严格把控着，温度、压力或其他飞行轨迹都可能成为一个特定的值。此外，操控的装置则是对被操控对象实施控制作用的相关机构的总概括，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制[2]。时序控制灌溉系统、ET智能灌溉系统和中央计算机控制灌溉系统这三类是现在经常会用到的自动化控制系统。其中，国内基本上使用的是时序控制灌溉系统。

2 农业灌溉系统的内容

2.1 定义

为了调节区域性缺水现状，农业灌溉系统在农业生产中的运用越来越广泛。农业灌溉最简单来说就是农业灌溉活动。一般来说，农业灌溉方式可分为三种：一种是常用的地面灌溉；一种是普通喷灌；还有一种是微灌。农业灌溉系统的具体组成部分主要包括排水、供水、配水、蓄水、退水等各级渠沟或管道，相关灌溉设施和建筑物。农业灌溉系统流程首先从水源区获取灌溉水源，然后通过各输水配水渠道或管道以及其他输水设施进行水源运送，最后将水源送达农业耕作区进行配水灌溉。

2.2 分类

农业灌溉系统可分为渠道灌溉系统和管道灌溉系统两大类。

(1)渠道灌溉系统

从水的源头、提供水的渠道和其他相关建筑物向农田供水、然后通过田间输送水源的这一整个工程是渠道灌溉系统。渠道灌溉系统有三大主要组成要素，即渠道源头工程、输送水源工程和储水蓄水的田间工程[3]。渠道源头工程负责取水源头的水的输送和水的调配，是整个渠道灌溉系统的最为开始的部分；输水工程包括水闸、闸门、渡槽、瀑布、陡坡等输水过程中的辅助建筑物和输水通道。田间野外工程是指沟和渠的统称，一般包括渠、沟、垄、田、小测水设备。田间工程主要职责是将水源地运输过来的水直接运输到田间，根据田间农作物的需要及时进行灌溉调节。渠道灌溉系统的各部分相互配合，缺一不可。

(2)管道灌溉系统

管道灌溉系统是指将水处理后由有压或无压管道网从水源地输送到田间的整个流程工程。和渠道灌溉系统一样，管道灌溉系统也由三部分组成：第一个轮毂（从进水和处理）、分配管网（水的输送和分配）和灌水器（水在现场分布）。管道系统分很多种。根据结构形式，管道系统可分为开式（自由水调节井，分流管）、封闭式（闭管，管内一定压力）、半封闭式（控制阀开闭、浮球阀）；根据工作压力的大和小，有无压力、低压、中压和高压四种灌溉管道系统。依照输送水和配送水的方式又可分为加压输水系统和自压输水系统。依照工作方式，可分为移动式、半固定式和固定式；根据管网分类，可分为树形网络和环状网络。

2.3 现状

国内灌溉技术的发展已经具有两千多年的历史，最早可追溯到楚国孙叔敖利用大别山上来水，形成既能防下游水涝又能供上游灌溉的期思陂[4]。到现在，我国水灌溉技术已经有了长足的发展，但相比于国外一些发达国家而言，我国的灌溉技术多半还只是处于半自动化和人工的程度。除此之外，由于我国灌溉技术多由国外引进，国外已经根据其本国的情况形成了固定的灌溉模式，这也就意味着，我们在引进外国灌溉技术的同时也引进了适应他国的灌溉模式，由于不同国家的灌溉实践存在的差异，导致了他国先进灌溉技术在我国的不适应性。因此，中国农业灌溉技术自动化的发展仍是一个等待解决的问题。

3 农业灌溉系统自动化控制的必要性

3.1 社会发展趋势

农业生产劳动水平对于一个国家经济发展水平的评定自古以来都占有非常重要的地位。区域间的水资源分配不均加剧了各地区生产水平的差异。南方地区气候独特，降水充足，多洪涝之灾。而在北方和西北地区，降水稀少，甚至有时干旱数年。在过去经济发展水平落后，人们根本无力抵抗自然，农业灌溉技术的落后成为了历史的必然。虽然现在我国水资源的时空差异仍然存在，但当代社会是一个智能化的时代，现代信息技术的发展为实现农业全面自动化灌溉提供了一个非常有利的条件。通过对他国先进灌溉技术的借鉴、反思与总结，我国逐渐摸索出了适合我国农业灌溉的自动化控制灌溉技术。

3.2 传统农业灌溉不足

传统农业灌溉大部分只是局限在人工灌溉和借助于一些简单的灌溉工具方面（如水车）。随着物价上涨，农田灌溉员的雇佣成本也在上涨。对于拥有广阔的农田的农场主而言，高昂的人工成本让其难以担负。自动化灌溉系统的前期投入成本虽然也高，但毕竟是一次性投入，相比于每年需负担的高人工成本来说，自动化灌溉系统在经济成本上还是比较划算的。另外，传统农业灌溉技术解决的问题大多停留在小区域间的水资源分布不均上。对于大面积内的水资源分配问题还是不能很好地加以解决。最后，传统农业灌溉因技术问题的缺陷，灌溉技术较为粗糙，水质水量也因灌溉技术的不足受到很大的影响。

4 自动化控制在农业灌溉中的应用优势

自动化控制灌溉技术的优势主要表现在以下几个方面：操作简单、防腐蚀性强、洁净度高、节水性能高。农业灌溉系统对操作者的操作水平要求一般不会太高，所以自动化控制系统的灌溉设计相对来说易操作。农业灌溉过程会掺杂化肥的使用，化肥中含有大量的腐蚀性物质，自动化控制灌溉选择了防腐蚀性强的材质作为管道或渠道输水设施。由于自动化控制灌溉系统设置简易，输水过程中水源通过的渠道较少，因此输送到灌溉地的水洁净度也高。自动化控制灌溉系统除了能智能设定灌溉模式之外，也能通过手工设定，智能设定与人工监管相结合模式降低了水资源在运输过程中的流失率[5]。

5 结语

自动化控制系统在农业灌溉领域占有重要的地位，合理地运用自动化控制系统对国家农业发展可以起到良好的促进作用，也有利于更好地节约水资源，从而缓解水资源匮乏地区的用水紧张问题。相信在不久的将来，基于自动化控制系统的农业灌溉技术将会遍及中国大江南北。