基于物联网的精准灌溉系统应用研究

王之中

(抚顺市水利技术推广中心，辽宁 抚顺 113008)

随着我国社会经济高速发展，人民生活水平不断提高，水资源供需矛盾日益加剧[1]。农业灌溉水资源利用效率低、水资源浪费严重，加剧了我国水资源紧缺的现状。因此，积极开发推广应用农业高效节水技术，提高农业用水效率，成为我国社会经济发展的重要部分。新形势下水资源的战略地位日趋凸显，膜袋灌技术是一种高效地面灌水技术，具有省时、省工、节能、节水的优点[2- 3]。王永涛[4]提出了精准灌溉决策的方法，对单一农作物需水量进行研究，但忽略了农作物种植模式带来的影响。张晓翠[5]考虑了农场的灌溉制度、耕作方式、水资源情况等，开发了农场级节水灌溉专家决策系统，但没有灌溉预测预报功能。齐英[6]采用GIS技术，根据农作物需水情况进行灌溉决策，但监测到的气象数据、土壤水分信息时效性较低。本文建立了膜袋精准灌溉决策模型，通过物联网传感器获得实时可靠的土壤墒情、气象、作物吸水根系信息，能够为农业精准决策分析提供新的技术手段。

1 精准灌溉决策模型

1.1 水量平衡法

根据SPAC理论，将膜袋灌农作物吸水根系活动区域视为一个整体，根据地下水补给量、灌溉量、有效降雨量与农作物蒸腾量的平衡关系，对不同生长阶段农作物的需水量确定膜袋灌水量，计算公式如下[7]：

m=W-P-G+ET

(1)

式中，ET—作物蒸腾量，mm；G—地下水补给量，mm，地下水位埋深较低的区域可以忽略；P—有效降雨量，mm；W—田间持水量，mm；m—膜袋系统单次灌水定额，mm。

1.2 膜袋灌溉预报

假设膜袋灌农作物最适宜土壤水分环境为θmin-θmax，若没有灌溉和降雨，土壤中的水分持续消耗减少，当土壤含水率减少到θmin时则需要进行膜袋灌溉。在膜袋实际应用中，可以通过计算作物蒸腾蒸发量，借助物联网土壤墒情监测仪监测土壤含水量的变化情况，实现膜袋灌溉时机条件判别，提高了膜袋灌水补水点的计算精度，公式如下[8]：

(2)

式中，We—膜袋灌农作物可用于蒸腾的全部水量，mm；γ—土壤容重，g/cm3；H—作物吸水根系深度，mm。

将式(2)带入水量平衡公式，得到灌水定额m，即：

m×α=Hγ(θmax-θmin)-P-G+ET

(3)

式中，α—膜袋灌水利用率；其他变量含义同前所述。

膜袋灌水量m与膜袋布设数n的比值即为单条膜袋灌水量m0。

m0=m/n

(4)

2 系统结构与功能实现

精准灌溉系统主要由物联网气象监测系统、土壤墒情监测系统以及膜袋灌水系统组成。灌溉决策主要依据物联网气象监测系统和土壤墒情监测系统的数据结果。其中，物联网气象监测系统可以自动监测灌区太阳辐射、降雨、温湿度、大气压、风速并实现未来的降雨预测和自动计算该地的ET0。土壤墒情监测系统集数据采集-传输-分析于一体，能够自动监测作物多个深度的土壤含水率，具有一定的稳定性，保障了气象数据和土壤水分数据的可靠性。膜袋灌水系统：通常由供水膜袋、塑料管、输配水管网和水源工程组成。

2.1 物联网气象监测系统

通过气象站获取日常气象资料，包括：大气压力、太阳辐射、雨量、风向、风速、相对湿度、空气温度等，根据监测到的气象信息，并结监测地气象信息对未来7d的太阳辐射、大气压、风向、风速、温湿度、降雨和ET0做出精准预测。

2.2 物联网土壤墒情监测系统

本实验在抚顺市农业科研实验站进行，研究区域地理坐标为东经123°55′，北纬41°52′，夏热多雨，冬寒漫长，温差较大，四季分明，属大陆性季风气候。年日照时数为2230～2520h，年平均降水量为760～90mm。2018年5—6月测量不同位置的滴灌玉米田土壤的含水量。地下水位埋深距地表约1.35m，地表25cm以下为沙土，土壤干容重约为1.52～1.67g/cm3，土壤0～25cm为壤土层，土壤干容重约为1.45～1.78g/cm3。由于该地土壤的独特性，其土壤水分的长期监测需要校正。将仪器测定的体积含水量转化为质量含水量并与烘干法标准值进行比较。测定结果见表1。

由表1可知，在45cm以上壤土层仪器测量值的质量含水率与烘干法测得标准水分值误差小于等于2%，符合土壤墒情监测规范精度要求。而45cm以下沙土层土壤含水量数据误差较大，对沙土层数据进行回归分析，回归分析结果如图1所示。可以看出，仪器测定值与烘干法标准值之间的相关系数R2=0.8955，说明校正所得FDR系统测定得出的土壤含水量能较好地反映实际土壤水分状况，与传统的烘干法测得的水分值相符，表明该系统监测到的水分数据和运行是可靠的。该系统每个监测单元的系统参数均能通过云端远程调节，传统的土壤墒情监测仪器则不具备该项功能。校正方程如下：

表1 物联网土壤墒情监测数据与膜袋灌土壤含水率对比

y=1.0511x+8.8490

(5)

式中，x—土壤质量含水量标准值；y—体积含水率转化成的质量含水量值。

图1 土壤墒情监测仪测量值的校正结果

通过监测膜袋灌土壤含水量的变化，得到膜袋灌土壤中客观发生的水分数据变化情况。15cm土壤含水量连续变化曲线，如图2所示。可以看出，土壤含水量发生4次升高，表明该测点发生了4次膜袋灌溉或降雨；降雨或膜袋灌溉结束后，土壤中的水分开始下渗，表层土壤含水量急剧降低，下渗结束后土壤含水量下降曲线呈现出阶梯状的变化规律；由于白天植物蒸腾、土壤蒸发耗水，导致土壤含水量下降速度明显高于夜间。凌晨土壤含水量为20.13%，夜间土壤含水量值降到11.23%，表明15cm深土层的含水量由20.13mm下降到11.23mm，共减了9.07mm。

图2 15cm深度土壤含水量连续变化曲线

根据监测位置的农作物吸水根系深度、当前土壤含水量状态以及历史水分数据，实时计算根系土壤当前蓄水潜力和有效储水量。土壤墒情监测水分模型，如图3所示。随着监测系统数据的采集，模型中的当前土壤含水量、农作物吸水根系所在位置、历史最高含水量以及历史最低含水量都在不断调整；模型根据农作物根系所在土层中历史最低、最高含水量与当前土壤含水量的差值，动态计算出膜袋灌农作物吸水根系所在位置土壤的蓄水潜力(土壤可以存蓄的水分总量，与灌溉模式、有机物的含量、土壤质地等因素有关)及有效储水量(可供作物利用的水分总量，与农作物种类、吸水根系深度、农作物生育期、土壤质地等因素有关)。

图3 土壤墒情监测水分模型

2.3 膜袋灌作物土壤根系的动态监测

整个生育期内，膜袋灌作物根系均处于动态变化过程，以25cm深度土层为中心，20～30cm土层中含水量的每小时变化量；前后时间段内土壤含水量分别为Q1和Q2，当Q1>Q2时，表明由于水分下渗或作物根系吸收，导致该土层的含水量在减少；当Q1

3 结论

通过膜袋精准灌溉决策模型和物联网传感器实现了系统灌水总量、单条膜袋灌水量以及膜袋灌水时间的精准预报。膜袋精准灌溉系统的核心组成部分：气象信息采集部分、土壤墒情、膜袋供水系统。膜袋灌溉技术与物联网技术相互融合应用，有效改变传统地面灌溉的粗放用水方式，将促进以精准灌溉为核心的灌水技术的飞越发展，能够为节水灌溉技术趋向控制化、智能化提供科学参考。