摘要：農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展使農(nóng)業(yè)用水量越來越大，然而我國水資源嚴重不足，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式對水的有效利用率較低導(dǎo)致大量浪費水資源，發(fā)展節(jié)水灌溉迫在眉睫。本文提出了一種節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案投資相對較小，既可一定程度實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉自動化，又能*大程度地利用水資源。
隨著中國農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量越來越大，然而我國水資源嚴重不足，且傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式對水的有效利用率僅在 45% 左右而導(dǎo)致水資源的大量浪費。所以，現(xiàn)階段不合理的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式急需改變，發(fā)展節(jié)水灌溉，節(jié)約水資源。節(jié)水灌溉，是遵循農(nóng)作物在不同生長發(fā)育階段對水資源需求不同的客觀規(guī)律，進行適時適量灌溉，盡可能少地利用水資源而盡可能多地獲得農(nóng)作物產(chǎn)出的一種新型灌溉模式。本文提出了一種節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案投資相對較小，既可一定程度實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉自動化，又能*大程度地利用水資源。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)主要通過監(jiān)測稻田等灌溉區(qū)的土壤含水量，由系統(tǒng)判別何時灌溉多大程度的水，進而節(jié)省稻田等灌溉區(qū)的用水量，從而提高水資源的利用率。系統(tǒng)主要由一個中央泵房、若干個灌溉小區(qū)和若干米的干渠及支渠組成。它的控制系統(tǒng)由中央計算機遠程控制若干臺水泵和相應(yīng)的閥門，同時對灌溉區(qū)的若干臺儀表進行數(shù)據(jù)采集，再由系統(tǒng)進行相應(yīng)處理，達到自動控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)的效果。
本系統(tǒng)采用由中央控制主機、對應(yīng)的現(xiàn)場控制單元、若干個傳感器以及 RS-485 通訊線等組成的具有三級結(jié)構(gòu)的集散型操作和控制系統(tǒng)，如圖 1 所示。該系統(tǒng)可以同時監(jiān)測和控制若干個灌溉小區(qū)農(nóng)作物的生長水分狀況。其中中央控制級由一臺計算機構(gòu)成，它的主要任務(wù)是控制灌溉小區(qū)的各種儀表；中間控制級由現(xiàn)場服務(wù)器構(gòu)成，它主要承擔各個儀表和中央控制級計算機之間的通訊任務(wù)；在系統(tǒng)控制的各個灌溉小區(qū)，就地控制級由一套現(xiàn)場控制單元構(gòu)成，其作用是存貯和預(yù)處理所采集到的數(shù)據(jù)，并且起到對現(xiàn)場水泵動作和電動閘閥實現(xiàn)控制的作用。經(jīng)過實際運行，結(jié)果表明本系統(tǒng)的硬件設(shè)計符合節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，性能穩(wěn)定、施工簡便、易于擴充、功能完善、性價比高。
2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集
2.1 田間墑情采集
田間墑情采集主要是測定田間土壤的水分。采用探頭式土壤水分計來測量旱作物和低水分段；而采用探頭式土壤水分計測量高水分段，明顯精度不夠，所以要進行試驗以建立淺層地下水埋深和稻田等灌溉區(qū)土壤水分的關(guān)系曲線。根據(jù)田間土壤的水分含量，系統(tǒng)根據(jù)不同農(nóng)作物的需水量判定是否需要灌溉。
2.2 雨水利用與雨量觀測
充分地利用雨水，可以降低成本、節(jié)省水資源、減少灌水量，可以利用水質(zhì)好、污染少的雨水促進作物生長而增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，是發(fā)展節(jié)水灌溉的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)通過對雨水量的檢測，根據(jù)實際情況適時適量地對不同農(nóng)作物進行灌溉。
2.3 河、渠水位測量
河、渠水位的高低，是系統(tǒng)自動判定是否需要對灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物進行灌溉的重要條件。本系統(tǒng)主要采用由精密電阻和干簧管組成的浮球式磁感應(yīng)水位傳感器對河、渠水位的高低進行測量，然后系統(tǒng)根據(jù)河、渠水位的高低適時適量地對不同農(nóng)作物進行灌溉。經(jīng)過實際運用，效果良好。
2.4 計量供水
系統(tǒng)主要在泵站、渠系、田間這三個地方設(shè)置了兩種不同的水量計量設(shè)備。在泵站主要采用的是管道流量計；而在渠系和田間主要采用的是由帶遠傳磁翻板液位計、長喉道量水槽、流量積算儀等部分組成的數(shù)字式長喉道明渠量水計。實際測試表明，泵站所采用的管道流量計、渠系和田間所采用的數(shù)字式長喉道明渠量水計，能滿足灌溉區(qū)域各種情況的量水精度要求，從而使節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)根據(jù)實際情況適時適量地對不同農(nóng)作物進行灌溉實現(xiàn)節(jié)水。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 管理子系統(tǒng)
系統(tǒng)管理系統(tǒng)主要采用 Visual Basic 語言進行開發(fā)，共分為 4 個子系統(tǒng)：泵房管理子系統(tǒng)的功能是通過實時監(jiān)測降雨量等數(shù)據(jù)控制水泵；土壤監(jiān)測子系統(tǒng)記錄土壤的狀態(tài)，同時反映出田地對水的需求量，從而實現(xiàn)對土壤的監(jiān)測；閘門控制子系統(tǒng)的功能是控制每個灌溉小區(qū)（每塊田地）閥門的開關(guān)；數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)的作用是對各種采集過來的數(shù)據(jù)進行處理，以曲線圖或柱狀圖顯示出來供用戶查看。
3.2 系統(tǒng)功能模塊
灌區(qū)用水自動化管理系統(tǒng)分為 10 個功能模塊：泵站控制模塊主要實現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)大型泵站的計算機遠程控制操作；雨量采集模塊用于實時采集灌區(qū)內(nèi)的降雨量；電量采集模塊主要完成灌區(qū)泵站用電的計量；閘門控制模塊主要是對灌區(qū)內(nèi)的支渠閘門實現(xiàn)開啟操作；稻田水位采集模塊主要用于測量灌區(qū)土壤水分；河水位和蓄水池水位采集模塊用于采集河流和蓄水池的水位；瞬時流量和累計流量采集模塊分別對各泵站和各閘門水口的瞬時流量和累計流量進行實時監(jiān)測；關(guān)鍵設(shè)備運行檢測報警模塊可以保證整個系統(tǒng)能可靠、安全、不間斷地長時間工作；數(shù)據(jù)庫查詢統(tǒng)計模塊主要用于記錄泵站的工作狀況以及統(tǒng)計灌區(qū)的用水量、水位水情等各類信息；通信模塊主要用于系統(tǒng)各設(shè)備之間的通訊。
4 結(jié)語
通過對本文提出的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的實際運行，可見該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、對操作員要求低，可比較全依據(jù)農(nóng)作物的需水狀況進行灌溉，節(jié)約成本，較為有效地實現(xiàn)了節(jié)水灌溉。