自动化控制在新疆农业滴灌中的应用

2014-03-03白昕阳王强

新疆农业科技 2014年5期

关键词：土壤水分灌溉作物

白昕阳，王强

1.湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430070 2.新疆农业厅农业信息中心，乌鲁木齐 830049

自动化控制在新疆农业滴灌中的应用

白昕阳1，王强2

1.湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430070 2.新疆农业厅农业信息中心，乌鲁木齐 830049

灌溉是弥补自然降水量的不足与不均，保证适时适量的满足作物生长所需水分的重要措施。目前，新疆很多农田灌溉水平较低，不但浪费水资源，而且造成灌水过量、不足或不及时，对植物的正常生长产生不利影响。本文详细介绍自动化灌溉系统的组成、功能特点及程序实现，以期为自动化滴灌技术的应用提供理论参考。

滴灌；自动化控制；应用

1 概述

新疆地处亚欧大陆腹地，远离海洋，降水稀少，蒸发强烈，单位面积产水量在全国位居第二十二位，属水资源紧缺地区。据统计，新疆水资源压力系数为0.65，人口缺水率为15.6%，牲畜缺水率为24.3%，目前，新疆水资源已过度开发，可增加供给生产生活等方面用水非常有限。所以，节水型社会建设是解决新疆严重水资源短缺问题的关键措施之一。

农业是节水型社会建设的优先领域，长期以来，新疆农业用水量一直占新疆用水总量的90%以上。但是,农业用水却存在着资源性缺水、结构性缺水、工程性缺水等现实问题，要想解决这一问题，必须走节水高效型农业发展道路，提高农业用水利用率，在节省大量水资源的同时，也能促进生态环境的健康发展。同时，有助于推进农业种植结构调整和农业技术的改革，进而持续提高农业生产效率、保障农民增收、推动农业可持续健康发展。

自动化滴灌系统是世界先进国家发展高效农业节水的重要举措，以色列、日本等国家均采用先进的节水灌溉方式，在其农业灌区大面积推广自动化滴灌系统，尤其在干旱、半干旱地区，由传统的充分灌溉向非充充分灌溉发展，对灌区实行动态管理，实现农业灌溉用水管理的自动化。

2 自动化滴灌系统的组成

自动化滴灌系统主要由决策支持系统、数据采集监测系统、灌溉自动控制系统3个子系统组成。其工作原理为：根据各地实际情况在田间布置传感器和底层采集设备，将田间信息定期转换成数字信号，向决策系统传输并进行分析整理。决策系统配有方法库、模型库和决策库，对整个自动化滴灌系统进行技术支持，对经过处理的具有实际意义的数据进行分析计算，得出精确灌水量、最佳灌水时间及作物长势等重要信息。具体功能为：

2.1 决策支持系统

决策支持系统有数据库管理系统、模型库管理系统、知识库管理系统、控制管理系统组成。数据库主要用于管理和维护农田水分管理决策和模型运算数据，主要包括土壤信息、作物信息、传感器信息、灌溉指标、气象信息、水量信息等。

模型库是决策支持系统的核心，用于自动化滴灌系统的水量预报与决策，作物生长状况分析及多种决策方案优化组合。

管理库提供检索、查询等管理手段，可实现以下功能，一是数据采集和信号转换等数据处理功能。二是分析数据的数值及图形显示。三是数据记录与预警。四是阀门状态监控。

2.2 滴灌控制系统

滴灌自动控制系统的硬件部分主要由传感器、采集器、计算机、控制器、电子阀门等部分组成，软件部分主要是智能控制程序设计。根据实际需要，灌溉自动控制系统可分为手动控制系统、全自动控制系统和半自动控制系统。

2.2.1 手动控制系统

所有操作均由人工完成，如水泵、阀门、灌溉时长等。此类系统成本低，技术含量不高，便于维护使用；缺点是准确性差，易造成灌溉过量或不足，不能有效灌溉大面积农田。

2.2.2 全自动控制系统

不需要人工直接参与，通过系统控制程序自动控制灌水时间及时长。人的作用只是调整控制程序和检修设备。

2.2.3 半自动控制系统

系统中在灌溉区域未安装传感器，灌水时间、灌水量和灌溉周期等均是根据预先编制的程序，而不是根据作物和土壤水分及气象资料的反馈信息来控制的。这类系统的自动化程度不等，有的一部分实行自动控制，有的是几部分进行自动控制。

3 滴灌自动化控制设计

3.1 自动化控制方法

基本控制方法有三种：分别是时间、水量和反馈控制。时间控制系统是按预定好的时间放水或关水；水量控制系统是按照设计的配水量放水或关水；反馈控制系统是根据灌区内传感器的反应，将信号传送到控制枢纽部分来关水或放水。这在地多人少、劳力紧张的边远地区，沙漠地带的防护林区，铁路路基沿线，经济力量雄厚的城郊蔬菜种植区显得特别实用。目前，发达国家在灌区普遍使用了滴灌自动化控制系统，并通过滴灌自动化控制系统软件来控制灌溉和检测作物生长、土壤状况及气象趋势，取得了较好的效果。为人们充分利用现代化仪器设备在滴灌系统中应用提供指导。

3.2 生产计划制定

控制系统提供一套科学的作物生产管理系统，它通过提高作物产量和品质以及减少用水量来提高水分利用效率，能给用户提供一套针对灌溉方案制定的先进、完善的作物生产管理的管理系统，用户能够使用它获得他们的每一块农田的土壤水分状况图，能够给每块农田制定出合理的灌溉管理计划，根据每块农田各自的灌溉需求对不同农田进行灌溉优先排序，制定合理灌溉计划。

3.3 灌溉计划制定

灌溉计划一般是指确定何时进行灌溉及合适的灌溉量，在作物生长期根据土壤类型和作物自身生长能力，不同的农田具有不同的土壤水分亏缺量和日水分利用量，因此不同的农田需要不同的灌溉计划。农民通过土壤水分测定技术利用软件处理和显示不同层次土壤水分特征，能加深对发生于土壤内的各种过程的理解，以便进行更精细的灌溉计划和灌溉管理决策的制定，以确保土壤水分总是保持作物生长所需的最佳含水量。当土壤水分和被作物利用的水分的准确数量被测定后，通过软件可以计算下一次滴灌的日期和准确的灌水量，它将考虑当前每天水分利用状况、天气变化和历史资料来帮助管理者制定以后的灌水计划。

3.4 自动化滴灌功能设计

3.4.1 数据综合分析

总结重要信息形成报告，帮助制定每日的管理决策方案。同时也可以编辑出前几个生长季的作物生长、水分管理、土壤等数据资料，并进行综合分析，为以后的灌溉方案制定提出更合理更完善的评价标准。

3.4.2 数据采集

可以人工录入和显示系统田间实际收集的数据，如土壤水分张力计的读数、作物籽粒大小。有关作物的数据可以测定得到，作物生长参数与土壤水分含量相关联可以确定作物生长期的水分需求量。气候数据资料可以人工输入或由气象站自动装载。天气数据参数的个数没有限制，它可以与任一个作物生长测定值和任一水平的土壤水分含量相关联制作相互作用关系图。从气象数据资料中可以得到蒸发损失的总水分量的数据并且把它与测定的日水分使用量相比较来调整该地区的作物灌溉计划。

3.4.3 数据处理

可以计算使土壤剖面达到灌溉饱和点所需的准确时间数。同时计算自从播种或其他生长时期（如发芽、开花等）以来的天数，使土壤水分能够与过去多年的作物生长资料数据参数同步分析，以确定作物水分利用效率。能够很好地评估作物总产量，尤其是对于玉米、小麦和棉花。可以通过作物－水分方程和气象资料估算理论产量。通过速率方程，计算作物生长速率。计算作物当前日水分利用量占整个生长季日水分利用量地比例。同时也可计算不同水分含量地土壤水分变化速率，这些速率变化表明土壤紧实问题和土壤干旱地程度。能够指导最有效地利用有限的水资源获得最大农业效益。建立土壤水分含量、作物长势及天气状况的数据库以使作物产量和质量获得持续稳定的提高，使高效农业可持续发展。

3.5 自动灌溉控制器

要实现灌溉的自动化，必须有自动灌溉控制器，该装置由土壤湿度传感器、控制器和电磁阀组成，能够按土壤墒情和作物需水特性实施自动灌溉（沟灌、喷灌、滴灌、渗灌），实现科学灌溉，节能、省水，使菜地和农地产量和质量明显提高。智能化，精准化灌溉技术是伴随着计算机应用技术、传感器制造技术、塑料工业技术的提高而逐步实现的。