稻田生态节水系统研究

吴卫峰

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州　310018)



稻田生态节水系统研究

吴卫峰

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州310018)

摘要：提出一种基于PLC控制灌溉和人工控制回收的新型稻田节水系统.该系统分为灌溉和回收2部分，液位开关控制稻田水位实现节水灌溉，废水通过自然回收加以净化利用.设计了系统的总体结构、硬件结构和软件流程图该系统成本低廉、知识结构简单，是一个从灌溉、回收、净化和利用的循环节水系统，实现了人、机、水和环境的和谐统一，对实现节水灌溉和生态环境保护有一定实用价值.

关键词：稻田；节水灌溉；PLC；回收

0引言

我国水稻种植面积占粮食总面积的28%，而其耗水量占全国总用水量的54%左右，占农业总用水量的65%以上，但利用率只有40%左右[1]，大力发展水稻节水灌溉，是缓解农业用水供需矛盾，促使农业高产高效的有效措施，对保证我国粮食安全及农业可持续发展具有重大意义.将“3S”、电子信息、自动控制等先进技术应用于节水灌溉是目前研究的热门课题.匡迎春等[2]采取田间试验、实物制作、统计学分析和人工智能等方法研究水稻节水灌溉的自动调控管理体系；纪建伟等[3]运用传感器、PLC控制和组态软件实现稻田灌溉自动控制系统设计；石建飞等[4]以PLC为控制核心，通过无线通信、数据采集分析实现农田灌溉和施肥自动控制；刘超等[5]设计一种采用无协议通信方式PLC监控系统；夏洪等[6]通过传感器信号PLC控制自动实现稻田灌溉.稻田自动灌溉技术日益成熟，为水稻节水灌溉提供了发展方向，但这些技术侧重于理论研究忽视实际应用，不宜大面积推广.为此找到一种实用型的灌溉模式更具现实意义.

1稻田自动灌溉存在问题及难点

1.1存在问题

专家学者对稻田自动灌溉作了大量研究工作，取得了不少成果，但推广程度不高，究其原因：(1)技术复杂、不经济.现今稻田自动灌溉过分强调自动化，采用了大量先进技术，系统设计复杂，前期建设工作量大，一次性成本投入大，后期使用维护难度大，对操作人员技术要求很高.(2)脱离国情、成本效益差.水稻种植经济效益不高，是国家重点扶持产业.农民文化程度普遍偏低，传统耕作观念根深蒂固，面对大投入低回报和先进技术自然产生抗拒，市场推广前景暗淡.(3)重视前端灌溉节水，忽视后端废水循环利用.废水含有较多化肥和农药，正确处理废水不尽可以减轻对环境污染还可变废为宝，节约大量水资源.

1.2难点

针对稻田自动灌溉存在的问题，研究符合国情、技术简单、经济性高、使用简便，注重废水环保回收利用、适用平坦农田、不考虑施肥环节的新型稻田灌溉系统应为当务之需，难点在于：(1)稻田自动灌溉控制原理要简单可靠，控制设施要尽量少，做到经济实用和维护方便；(2)田间管网布局要少、成本投入要低，灌溉不受影响，废水回收利用如何因地制宜，避免增加额外设施投入.

2系统总体设计

2.1设计思想

稻田自动灌溉与回收若不考虑经济问题不难实现，但如果田间布满监测元件和控制设施，技术结构复杂不经济，难推广.鉴于系统的实用和推广性要求特作如下设计：

(1)稻田自动灌溉

稻田自动灌溉其关键是如何监测田间水位及根据水位的变化控制泵闸阀供停水，可借助PLC控制器和水位监测装置来实现，水位监测装置测量稻田水位反馈信号给PLC，由PLC控制电机实现水泵动停进而控制稻田水位；基于平坦农田基本处于等高面水位，若将出水池底面做成与稻田面等高，整个稻田系统只需在出水口一处设置水位监测装置，其水位就可大致反映稻田水位状况，省去田间布满监测元件和闸阀等控制设施，减少控制设备数量，降低布线复杂度.

(2)废水回收

靠自流特点自然完成，无需借助动力和控制设施.废水排放回收关键是如何人为构造高地面，根据薄露灌溉[7-8]常用水位20 mm量程范围，主管安装和全部稻田面沿主管方向要人为形成小于5 mm的落差以构造高低面；同时为了废水的储蓄和净化需设置一回收池，回收池应位于地势较低处无需选择典型地块，以靠近泵站的荒地、水塘最佳，这是一创新.

(3)输入首尾处理

系统输水首尾由一根主管直通，管道采用薄壁钢丝混凝土管，价格为同口径混凝土管的33%[9]，田间地头无需埋设其它管网.田间开挖沟坑相通，主管与稻田通过管接头相通，避免田间地头布满输水管.

(4)废水利用

废水利用环节关键是形成连通器，在回收池底部埋设1根管道与废水池底部相连从而形成连通器，回收池废水自动流向废水池，借助自动灌溉装置就可作为水泵另一水源向稻田灌溉.

通过以上设计，该系统与传统灌溉系统相比技术结构复杂程度不高，成本投入降低(见表1).

表1　设备、成本对比列表(以10块稻田为例)

注：本文系统除提水泵和电机外，只需1个PLC控制器、3个液位传感器和1座废水连通池，管道和土石方量很少.PLC采用S7-200CPU221型，价格仅需300元左右，操作简单可靠；液位传感器采用电子水位开关只需300元左右，安装容易可靠.整个系统成本可控在两千元左右.因此无论从经济分析还是技术分析来看系统设计都是可行的.

2.2系统组成及工作原理

系统(见图1)由泵站、输水管路、监控装置和回收利用设施等组成.①泵站由水源1、电机4、混流泵6、吸水管3、吸水管开关2和泵排水管7构成；②输水管路由排水池8、出水池9、短管12、主管13、出水挡板20和回水挡板15组成，排水池与出水池相通，出水池与主管连通，主管始端经由出水挡板与出水池通断，末端经由回水挡板与回收设施通断；③监控装置由PLC控制器5和水位传感器10等组成；；④回收利用设施由回水池14、回水管16和废水池17、废水吸管18和废水管开关19组成，系统组成结合图5所示更清晰.

图1　系统原理图①—水源；②—吸管开关；③—吸管；④—电机；⑤—控制器；⑥—水泵；⑦—泵排水管；⑧—排水池；⑨—出水池；⑩—水位传感器；—稻田；—短管；—主管；—回水池；—回水挡板；—回水管；—废水池；—废水吸管；—废水管开关；—出水挡板

3控制系统设计

3.1控制原理

系统采用自动和手动控制.自动控制利用PLC控制水泵电机，通过水位传感器及水稻生长规律相关数据编写PLC控制程序来决定水泵工作状态，实现稻田的自动灌溉，控制原理(见图2).其它设施由人工操作.废水自然回流，无需专门控制.

图2　控制原理

3.2水位控制方案

水位控制方案(见图3).水泵排水管②向排水池①灌水，安装于出水池③里的水位传感器④检测水位并将信息反馈PLC控制器(图中未示)，当水位达到预设水位时停止水泵供水，当水位变低水泵又重启，如此稳定该水位至一段时间后才进入下1个灌溉期，直至整个灌水周期结束.

图3　控控制方案①—排水池；②—泵排水管；③—出水池；④—水位传感器；⑤—主管

3.3硬件设计

水稻不同生长期的水位由液位开关控制，3个液位开关的作用分别是：启动，急停和电机输出控制.PLC可选择价格低廉、功能可靠的S7-200CPU221，输入6点、输出4点不带扩展模块；液位开关可选用电子水位开关，无机械活动部件，耐污耐用，不怕漂浮物，可防波浪，任意角度安装，用普通管夹固定即可.工作电压DC24 V，判断有水时输出24 V，无水0 V，可与PLC配合使用；电机选用普通Y型电机.

3.4软件设计

水稻的生育期除育秧、栽秧外包括返青、分蘖、孕穗、抽穗开花、乳熟和黄熟阶段，大约需130 d左右.水稻需水由生理需水、生态需水和耕作需水组成，大部分水是以深层渗漏和棵间蒸发损失掉.水稻需水规律为：分蘖前期需水量较小，分蘖末期需水量逐渐增大，到拔节孕穗期达到顶峰.孕穗和抽穗期是水稻整个生育期中需水量最多的时期，其次为分蘖期和乳熟期，以后需水量逐渐减弱.

需水规律是节水灌溉的重要依据，常以建立水层来满足水稻对水的需求[7-9]：

(1)浅水栽秧，湿润定苗.定苗水层约10 mm；

(2)寸水返青，薄水分蘖.定苗后稻田应保持15～20 mm浅水层返青促蘖；

(3)够苗晒田，控苗搭架.当田间苗数达到预期穗数的80%时，要适度排水晒田，以控制后期无效分蘖.晒田时，放水落干3～5 d，再上新水约15～20 mm，保水2～3 d，再放水落干，如此往复2～3个回合；

(4)足水孕穗.稻田约保持35～50 mm水层，确保穗大粒多；

(5)抽穗保水.水层约是15～20 mm，此时无水受旱，造成抽穗不齐或抽不出穗来；

(6)干湿壮籽.灌浆结实期后应进行干湿交替间歇灌溉，水层约是15～20 mm；

(7)进入黄熟阶段后，稻田应排水落干.

根据水位控制方案，PLC会根据水位传感器传来的数据与预置值相比较，自动决定水泵开关，并根据实际天数与PLC预置天数决定稳定期和哪个水位传感器起作用，程序流程(见图4).

图4　程序流程图

4废水回收利用

废水回收对生态环境保护，水资源循环利用都有重要意义，是节水灌溉系统的重要环节.废水回收利用重点解决废水怎么回收、怎么净化、怎么利用等关键问题，同时又要考虑投入成本少，回收净化利用设施简单.

4.1废水回收

废水回收采用自然流态回收：即起点与终点有一定的落差，借助液体重力自然流向终点.因此选一块末端稻田作为回收池，回收池应能容纳所有稻田最大正常排水量，连接出水池与回收池的主管安装和全部稻田面沿主管方向要人为形成小于5 mm的落差以构造高地面.以便实现废水的自然回流.灌溉与回收通过人工操作挡板完成(见图5).

图5　废水回收利用①—出水池；②—出水挡板；③—稻田；④—主管；⑤—回水挡板；⑥—回水池；⑦回水管；⑧—废水池

4.2废水净化利用

为补充水稻成长所需的N、P、K等多种微量元素以增加产量，需向稻田施加化肥；为防稻虫害，需向稻田喷洒农药.未被吸收的化肥和农药大量存储在稻田间水里，会随着淋洗、田间排水、地表径流等方式进入周围的土壤和水体，造成的环境危害.因此,对田间的废水进行净化处理已成为化肥和农药使用中被广泛关注的问题.废水净化利用可以采用2种截然不同的方法：

(1)废水灌溉模式.废水不做任何净化处理直接灌溉稻田，稻田废水中含有较多氮，磷、钾、锌、镁等多种养分，丰富的有机质悬浮物，所以用废水灌溉稻田节省肥料、节省水资源和降低成本，而且土壤肥力不断提高，尤其水稻生长的干湿交替期更为有利.废水利用参照系统工作原理方式进行；

(2)生物净化模式.栽植狐尾藻、苦草、水葫芦、伊绿藻等具净化功能的水草，吸附分解水里的污染

物，以达到排放水标准.

5结论

稻田灌溉采用PLC水位控制，实现灌溉的自动控制，省去了人工劳动和浪费水资源，在不增加成本的投入基础上考虑废水回收净化利用，以低成本高效率节约水资源和环境保护，同时又不排斥劳动者参与其中.因此该系统是一个从灌溉、回收、净化和利用的循环节水系统，实现了人、机、水和环境的和谐统一，具有现实意义和推广价值.

参考文献：

[1]水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心.水稻节水灌溉技术[M].郑州：黄河水利出版社，2012：1-22.

[2]匡迎春.南方丘陵区水稻节水灌溉自动调控系统的研究[D].长沙：湖南农业大学，2011.

[3]纪建伟，邓巍巍，赵毅勇.基于PLC的稻田灌溉自动控制系统研究[J].沈阳农业大学学报，2013，44(3)：257-261.

[4]石建飞，曹洪军，衣淑娟，等.基于PLC的寒地水稻水肥一体化灌溉系统设计[J].农机化研究，2014(12)：58-60.

[5]刘超，石建飞，李爱传，等.水稻节水灌溉无线远程PLC监控系统[J].农机化研究，2011(11)：19-21.

[6]夏洪，林刚勇，朱兆优，等.一种PLC控制的自动灌溉系统[J].机床与液压，2007，35(7)：64-65.

[7]魏铁军，刘福林，刘东.几种水稻节水灌溉技术[J].现代化农业，2008(11)：19-20.

[8]郑世宗，陈雪，张志剑.水稻薄露灌溉对水体环境质量影响的研究[J].中国农村水利水电，2005(3)：7-8.

[9]栾永庆，陈吉江，沈海标.余姚市节水型社会建设实践[M].郑州：黄河水利出版社，2014.

On Ecological Water-saving System for Rice Field

WU Wei-feng

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:In order to realize water-saving irrigation and ecological environmental protection, as well as to achieve the goal of low cost and simplified knowledge structure, a new water saving system for rice field based on PLC control irrigation and manual control recycle was put forward. The system consisted of irrigation part and recycle part, the water-saving aim was realized by liquid level switch which could control water level of rice field. The waste water was naturally recycled so that it could be decontaminated and reused. The overall structure of system, the hardware structure and software flow chart were designed in this paper with certain practical value.

Key words:rice field; water-saving irrigating; PLC; recycle

收稿日期：2015-11-21

基金项目：浙江省水利厅科技计划项目(RC1441)

作者简介：吴卫峰(1966-)，男，江西德兴人，副教授，从事机电控制研究.

中图分类号：S275

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)04-0053-05