智能化节水灌溉技术分析及具体的应用方案

井绪军

DOI： 10.3969/j.issn.1003-1650.2024.18.025

全球正面临着水资源日益紧缺的挑战，特别是在农业领域，传统的灌溉方法往往导致了大量的水资源浪费，因此，发展节水灌溉技术成为农业可持续发展的关键。智能化节水灌溉技术是一种结合了现代信息技术和农业工程技术的创新方法，为解决这一问题提供了新的可能性，这一技术的引入和发展，不仅有助于提高农田水利工程的效率，而且能够解决人民的用水问题，对整个农业生产和生态环境的改善以及农村经济水平提升都具有重大意义。山东省作为农业大省，农业生产规模巨大，粮食生产、蔬菜生产等都需要大量水资源，为更加充分利用水资源，解决水资源浪费问题，在本地急需积极推广智能化灌溉技术。

一、智能化节水灌溉技术概述

1、智能化节水灌溉技术原理

智能化节水灌溉技术主要依赖于传感器技术、遥感技术、数据采集与处理以及决策算法等，实现智能化灌溉，不仅满足农作物的水分需求，还达到节水目的。传感器可以实时监测土壤的湿度、温度等参数，遥感技术则可以监测作物的生长状况和需水量，数据采集系统将收集到的信息进行处理，并通过决策算法分析出最佳的灌溉方案。目前常用的智能化节水灌溉技术有以下几种。

①低压管道输水技术

通过将管道埋设在地下，利用隐蔽的地下管道进行低压输水，这种方法能够提高输水效率，节约水资源，同时防止水土流失和盐渍化。

②喷灌技术

利用专业设备将加压水喷射到空气中，均匀地喷在地面上吸收植物，喷灌适用于低矮植物，并且对地形适应性强。

③滴灌技术

滴灌是将压力管中的水分输送到灌水器中，在一定的工作压力下将灌溉水注入土壤中，滴灌流量小、输水时间长、频率高。

④微灌技术

微灌是利用低压水泵和压力管道系统输送水的节水技术，在低压水流的作用下，水通过微雾化喷嘴喷射到空气中，分散成小水滴，均匀地喷到植物根部进行灌溉，微灌节水效率高，适用于各种需水植物。

2、智能化节水灌溉技术的优势

智能节水灌溉系统涉及传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，是一种新型灌溉技术。与传统灌溉方式相比，智能化节水灌溉技术具有显著的优势。它能根据作物的实际需求进行精确灌溉，避免了水资源的浪费。它能提高作物的产量和品质，因为适当的灌溉有助于作物的生长。智能化节水灌溉技术还有助于减少化肥和农药的使用，从而降低环境污染。减轻劳动强度，智能化技术的应用可以大大减轻农民的劳动强度，真正实现“解放双手”。智能化灌溉系统可结合云平台存储的历史数据，根据植物生长状态，调整灌溉方案，不需要人工控制，系统自动检测何时需要灌溉，如何进行灌溉等，同时，管理者可通过系统远程控制灌溉效果，实现无人值守的灌溉过程，从而减轻劳动强度。

二、智能化节水灌溉技术的应用方案

1、建立智能化节水灌溉系统

通过在农田内部和周边设置各类传感器，监测土壤水分含量、作物生长情况、气象条件等关键参数，从而实现对农田水分状态的实时监测和数据采集。通过采用物联网技术来实现对智能化节水灌溉系统的远程控制与实时监测，是现代农田灌溉中的重要技术创新，智能化节水灌溉系统中结合了信息技术、传感技术和灌溉技术，为农田灌溉带来了革命性的变化，提高了灌溉效率，减少了资源浪费。数据分析在智能化灌溉系统中扮演着至关重要的角色，通过收集和分析土壤湿度、气象数据等关键信息，系统可以为精准灌溉提供科学依据。这种基于数据的智能化决策，使灌溉更加精准和有效，满足作物生长的需水量，同时避免了过度灌溉带来的浪费和环境负担。在实际的灌溉实践中，智能灌溉系统可以采用不同的灌溉方式，如喷灌、滴灌和微喷灌等。喷灌系统通过喷头将水均匀喷洒到作物上，具有覆盖面积大、操作简便的特点，适用于大面积农田的灌溉。滴灌系统则通过滴头将水缓慢滴入土壤，实现精确控制水量，适用于需水量较小的作物，节水效果显著;而微喷灌系统介于喷灌和滴灌之间，适用于需要局部湿润的作物，能够有效保持土壤湿度平衡。

2、建立数据模型

在建立农田水利工程中智能化节水灌溉系统的数据模型时，必须全面考虑包括数据采集、加工、分析及决策制定在内的各个环节，以便通过模型选择、参数调整和算法控制等手段更为有效地操控灌溉系统，从而提升水资源的使用效率。详细步骤如下：数据采集：利用传感设备、记录仪或其他数据采集工具搜集农业水利灌溉系统的历史信息，重点包括灌溉持续时间、用水量以及土壤的温度和湿度等数据。数据加工：对搜集来的数据进行精炼处理，例如消除异常数据、数据标准化等操作，以保留那些具有实际应用价值的信息。模型构建：依据收集并加工过的数据建立一个数值模型，常见模型包括回归分析模型、神经网络模型和时间序列分析模型等，数据模型的建立能够预测农业灌溉的需求情况。模型评估与改善：构建完成的模型需要进行评估和改善，通常采用交叉验证的方式来检验模型的精确度与稳定性，若发现预测结果与实际灌溉需求相差甚远，就必须对模型进行调整和优化。决策辅助：利用预测模型得到的数据推算出未来农业生产中的灌溉需求量，并结合实际情况对灌溉方案进行相应的调整和改良。

3、智能化节水灌溉系统的试运行

在启动灌溉系统之前必须进行预试运行，以验证其正常功能，在此过程中需要根据设计图纸逐步调整操作参数，并按组分批进行灌溉。以下步骤应在试运行前认真执行：彻底检查以确保灌溉系统中的所有部件都已经正确地安置并能够顺畅工作;在试运行阶段，应该根据设计计划的流量进行灌溉，同时要注意整个系统的工作环境以及水源的水温应保持在5～30℃之间，因为温度的极端波动可能会对系统的运行产生不利影响;对于喷灌系统而言，应分批次进行试运行，检查水源、水泵、地面移动管道、喷头、闸阀以及进排气阀等部件的工作状况，并根据需要进行调整;对于微灌系统而言，在试运行阶段应实行分组循环灌溉的方法，并保证系统运行的稳定性，同时需仔细观察滴灌管道、管件和阀门等是否存在渗漏、破损或脱落等问题，一旦发现问题应立即进行修复，并详细记录，修复后需重新试运行，直至系统运行达标即可结束;对于管灌系统而言，在试运行之前应先打开出水口，然后启动水泵，接着慢慢打开水泵的出口控制阀。在变更出水口时，应遵循先打开再关闭的顺序操作;而在停止灌溉时，应依序渐渐关闭水泵出口控制阀，停止水泵，最后关闭出水口。在试运行过程中，应重点检查机井、动力装置、水泵、闸阀、进排气阀、给水栓以及地面移动灌溉闸管或软管等部件的性能，并根据实际情况作出必要的调整。

三、智能化节水灌溉技术应用面临的困境

1、技术成熟度不足

尽管智能化节水灌溉技术取得了一定的进展，但其在农田水利工程中的应用尚未完全成熟，在实际应用中，仍可能出现各种技术问题，如传感器故障、决策算法偏差等，这些都是技术方面的问题，而智能化节水灌溉效果与灌溉技术水平息息相关。以传感器故障为例，智能化节水灌溉技术的核心是依赖传感器实时监测土壤水分、气象条件等数据，然后根据数据进行灌溉决策。然而传感器的准确性、稳定性和耐久性仍存在一定问题，可能会导致数据采集不准确或中断，进而影响到灌溉的精准性和效果。

2、缺乏完善的节水灌溉管理制度

完善的节水灌溉管理制度是保证智能节水灌溉工作有序推进的前提，许多地区已经开始引入智能化节水灌溉技术，但与之配套的管理制度并不完善，例如在工作中没有明确的管理规定和操作流程，节水灌溉技术虽然已经推广但是应用过程中没有按照相关规定使用各种设备等，使得节水灌溉技术的推广和应用受到了很大的限制。与此同时，由于管理制度不完善，农民或相关从业人员在使用智能化节水灌溉设备时可能存在操作不当或不规范的情况，造成设备使用效率不高、灌溉效果不佳，进而影响到节水灌溉技术的实际效果。

3、成本高昂

首先，智能化节水灌溉系统涉及多种先进技术的集成，导致其建设和维护成本相对较高，这使得许多小型农田水利工程望而却步，尤其是一些比较偏远的农村地区，农民对智能化节水灌溉技术和设备的接受度有限，认为价格太过高昂无法接受，对新技术的效果也存在一些疑虑，限制了技术的普及和推广。其次，智能化节水灌溉技术的运营和维护成本较高，技术的应用需要定期维护设备、更新软件、监测数据等，这些运营和维护费用需要持续投入，增加了农民或农业生产者的运营成本。若缺乏专业技术人员进行维护和管理，可能会导致设备故障频发、效果不佳，从而影响到节水灌溉技术的实际效果和长期可持续性。

四、智能化节水灌溉技术的应用措施

1、加强智能化节水灌溉技术的研发

加强智能化节水灌溉技术的研发力度，不断优化和完善相关技术，提高系统的稳定性和可靠性，才是提高智能化节水灌溉技术应用水平的关键。在现有基础上要持续增加研发投入，政府和企业应加大对智能化节水灌溉技术研发的投入，提供足够的资金支持，鼓励科研机构和高校开展相关研究，探索更先进的节水灌溉技术和设备。建立智能化节水灌溉技术研发平台，整合科研机构、高校和企业等资源，形成产学研一体化的研发体系，提高技术研发的效率和成果转化率。为了不断提高我国智能化节水灌溉技术水平，还可以加强国际合作，尤其是一些智慧农业比较发达的国家，我国可增加与国际先进的节水灌溉技术研发机构开展合作，引进国外先进技术，促进技术的交流和进步。

2、建立健全的节水灌溉管理制度

为了确保智能化节水灌溉技术的有效实施，必须建立健全的节水灌溉管理制度。首先要对智能化节水灌溉的操作过程进行明确，制定明确的技术操作规程、设备维护保养制度、人员培训制度等，为节水灌溉工作提供支持。通过制度的建立，可以确保技术的正确使用和设备的正常运行，从而最大程度地发挥节水灌溉技术的作用。在节水灌溉过程中使用人必须按照正确的规章制度进行操作，一旦出现任何问题，可以及时找到责任人，确保水资源得到充分利用，减少浪费现象。

3、加大推广力度，对农民进行培训教育

为更好地推广智能化节水灌溉技术，农业部门需积极引进和推广先进的技术和设备。农业部门要推广应用示范，让农民切实看到节水灌溉的优势和效益。在部分地区建立智能化节水灌溉技术应用示范基地，通过示范基地的实践和推广，展示技术的优势和应用效果，促进技术的普及和应用。需要注意的是，建立示范基地要充分考虑当地的气候、土壤、作物等因素，对灌溉技术、灌溉系统等进行科学合理的规划设计，这包括对水源的勘察、灌溉方式的确定、设备的选型等，让农民可以真正看到节水灌溉在农业生产中的作用。要加强政策扶持，政府应出台相关政策，为智能化节水灌溉技术在农田水利工程中的应用提供财政补贴、税收优惠等支持，激发农民和相关企业的积极性，减轻农民购置智能化节水灌溉设备的压力。加大对农民的培训教育力度，定期组织针对农民的培训活动，让他们了解智能化节水灌溉技术的优势和应用方法，同时要加强对农业技术人员的培训，提高他们在系统安装、维护和管理方面的能力，并且安排农业技术人员深入基层，对节水灌溉技术进行宣传推广，提高农民对节水灌溉技术的积极性。

4、提高设备的可靠性和耐用性

首先，对智能化节水灌溉设备进行严格的质量检验和认证，在设备制造阶段，应严格按照相关标准和规范进行生产，确保产品质量达到要求，具备良好的性能和稳定的运行特性。通过建立健全的质量管理体系，加强对设备生产过程的监督和把关，可以有效提高设备的可靠性和耐用性，减少因质量问题导致的故障和损坏。其次，定期维护和保养智能化节水灌溉设备。设备在长时间运行过程中会受到各种因素的影响，如灰尘、湿气、温度等，可能导致设备性能下降或损坏。因此，定期对设备进行检查、清洁、润滑和更换易损件等维护工作，可以延长设备的使用寿命，保证设备的正常运行，提高节水灌溉技术的效果和稳定性。最后，加强技术培训和人员素质提升，农民和从业人员需要具备一定的技术知识和操作技能，能够正确使用和维护智能化节水灌溉设备，及时处理常见故障，保障设备的正常运行，以有效提升设备的可靠性和耐用性，确保技术的有效应用。

5、智能化节水灌溉技术应用实例

东平县作为一个农业大县，农业是主要产业，近年来逐渐实现规模化生产，农业机械设备的推广应用越来越频繁，智能化节水灌溉技术也在本地大力推广，带来的效益十分显著。例如本地农民使用平移式喷灌机灌溉麦田，平移式喷灌机可根据不同地块的土壤墒情，有针对性地设定“出水量、液体肥含量和平移速度”，极大提高了春管的精准度。近年来，东平县新建了高标准农田、清淤沟渠、新增了高效节水灌溉面积，铺设节水管道，新建泵站等工作，同时积极引入智慧高效灌溉设备，助力粮食节本增效，实现粮食增量生产。

综上所述，智能化节水灌溉技术在农田水利工程中的应用具有诸多优势，不仅可以提高水资源利用效率，降低劳动成本，还可以促进农业的可持续发展。现代农业发展必须加强智能化灌溉技术的应用，但目前智能化节水灌溉技术在农田水利应用中存在一些问题，需要从技术研发、制度建设、示范推广、培训教育等方面入手，全面提升智能化节水灌溉技术在农田水利工程中的应用效果，促进我国农业实现可持续发展。

（作者单位：271502山东省泰安市东平县接山镇农业生产综合服务队）