我國節水灌溉系統研究中的問題及解決措施-藏刊網

0 引言

我國是世界上 13 個貧水國之一,人均水資源缺乏.近年來,城市的快速發展和人口的迅速膨脹,使水資源的需求量日益增長,水資源緊缺已成為我國經濟和社會發展的制約因素.灌溉作為我國的用水大戶,用水量約占總水資源量的 65% ,且利用率低、浪費嚴重.因此,發展節水灌溉技術是解決我國水資源短缺問題的必由之路[1 -3],是協調人與環境相和諧,構建生態和諧社會的必然要求.

1 國內外節水灌溉系統研究現狀

1. 1 國外節水灌溉系統研究現狀

自動化灌溉控制系統自 20 世紀 80 年代開始在美國、以色列等國家得到研究和應用,由于技術復雜、應用難度大、價格昂貴,控制灌溉設備最早主要應用于園林綠化.20 世紀 90 年代,計算機技術和通訊技術的飛速發展,使得構建自動化灌溉系統的難度、成本逐漸降低,從而使自動化灌溉控制系統在農田灌溉中逐漸得到應用[4].在國外,節水灌溉發展時間長,電子技術水平高,節水灌溉配套的自動控制系統較先進.

1. 1. 1 作物信息技術在灌溉系統中的應用

以作物信息技術為基礎,對作物水分狀況進行準確、快速和可靠評價,是現代農業精量灌溉工程系統的一個重要組成部分.Marsal 等通過研究植物水潛能進行灌溉控制,但其需人工測量且過程非常復雜不便實際應用[5].S. A. OShaughnessy 等以作物冠層溫度作為棉花灌溉的控制參數取得了良好的效果,棉花產量比人工經驗灌溉高出許多[6].Noble Abraham 等根據作物葉面溫度、作物含水量、土壤電導率和土壤含水量之間的關系,于 2000 年設計了基于作物葉片溫度和土壤電導率的自動灌溉系統,并得到推廣應用[7].

1. 1. 2 無線傳感網絡技術在灌溉系統中的應用

無線傳感網絡結構由傳感器節點數據處理決策部分和用戶接受裝置組成,其在農業中的應用是推進農業灌溉智能化的最可行方法之一.J. A. LopezRiquelme 等應用無線傳感器網絡技術進行水分管理,設計系統的軟件和硬件,并內置一個實時監測系統.

該系統能耗低、可靠性好,在應用過程中取得較好的效果[8].2011 年,LI ZHEN 等使用混合無線傳感器和網絡執行器研發了閉環滴灌控制系統,共 10 個監測節點、5 個灌溉控制節點; 監測和控制節點能夠采集土壤不同深度的溫度、含水率和電導率,并據此進行水分自動灌溉控制[9].J. M. Blonquist Jr 研發了基于土壤水分傳感器信息反饋原理的 TDT 系統,并成功應用于城市綠化節水灌溉中,根據草坪根區土壤水分的動態變化和設定的土壤水分含量特定值進行自動灌溉,節約灌溉用水,降低灌溉成本[10].

1. 1. 3 人工智能技術在灌溉系統中的應用

人工智能技術包括專家系統、模糊邏輯系統及神經網絡技術等.Ahmed Rafea 等研究了基于知識自動獲取的水肥管理專家系統,解決了水肥灌溉的時間問題,并進行了大量的驗證試驗.試驗結果證明,該系統精度高,可靠性好[11].M. Bahat 等在分析現有灌溉普遍存在的問題基礎上,研發了基于模糊控制的灌溉控制系統.該系統結構簡單,控制精度高[12].Abd-ulelah Al - Faraj 等以溫室內高羊茅生長數據為基礎,采用模糊邏輯建立了 FL - CWSI 水力檢測系統.該系統無需考慮作物冠層阻力、空氣動力學阻力和土壤熱通量等參數,適用于市售大部分微噴頭且可重新編輯控制程序[13].Huang Binbin 等使用神經網絡技術和模糊理論優化神經網絡參數,通過遺傳算法獲取節水灌溉最佳模型.該技術可避免模糊理論中人為干涉加權值引起的誤差,獲得較好的效果[14].

1. 2 國內節水灌溉系統研究現狀

我國節水灌溉自動化正處于起步階段,目前主要依靠人工測量和控制,局限于節水灌溉單項技術的推廣和應用,技術集成和自動化水平低,不利于用水的精細管理和合理化灌溉[15].

1. 2. 1 GIS 在灌溉系統中的應用

GIS 支持下的農田節水灌溉系統,就是通過利用地理信息系統技術,采用地理空間技術來采集、分析、處理和存儲影響農田作物節水灌溉的各種因子,結合先進節水灌溉制度,分析計算灌區每一單元的實時需水量.周子瑾于 2002 年采用 MAPINFO 的 DDE 技術,通過高級編程語言 Delphi 實現了 MAPINFO 與 PLC 的連接,完成兩者的集成并成功應用于灌溉系統中[16].

2008 年,任盛明以 GIS 技術支持下的節水灌溉系統為研究對象,闡述了該系統研究的內容和方法,并對 GIS技術在節水灌溉中應用的特點及優勢進行了分析[17].

1. 2. 2 單片機技術在灌溉系統中的應用

戴彬虎介紹了基于單片機的節水灌溉控制系統,進行了軟硬件設計,并詳細闡述系統的工作原理.該系統具有成本低、運行可靠、可拓展性好等特點,有廣泛的應用價值和前景[18].2010 年,劉凱等人以 AVR單片機為核心控制芯片,設計了一套節水灌溉控制系統,能夠對土壤含水率進行自動檢測,并通過模糊控制規則對電磁閥執行有效控制,從而實現對農作物進行適時、適量的灌溉[19].倪濤以單片機為核心,將模糊規則和合成推理相結合,根據實際經驗獲得模型,對節水灌溉系統模糊控制決策進行了分析[20].楊運經基于變頻節能節水灌溉系統中對蓄水池水位測控的實際需要,以 MCS -51 單片機為核心設計了一種水位測控的硬件及軟件電路系統,實現了對蓄水池水位的精確測量與監控,并在節水灌溉中得到了良好應用[21].

1. 2. 3 無線傳感網絡技術在灌溉系統中應用

近年來,由于無線傳感網絡具有應用成本低、網絡結構靈活、數據傳輸距離遠等優點,在國內發展迅速,在農業灌溉系統中也得到了應用.李祥林等采用直流閉鎖電磁閥,設計 ZigBee 節點硬件,開發 ZigBee節點軟件,設計出以 ZigBee 分布式無線傳感網絡進行精確農田信息實時采集的智能節水灌溉系統,通過GPRS 模塊實現農田數據遠程傳輸.該系統具有低成本、高利用率的特點[22].王驥等綜合運用無線傳感器智能信息處理技術、無線數據通信技術以及基于 Inter-net 顯示平臺的監測點管理查詢技術,將功能相同或不同的傳感器構成智能化傳感器網絡,從而提升了系統的自動化與監測水平[23]; 趙南等將分布式加權多維尺度定位算法和我國農田灌溉的實際情況相結合,設計了一套切實可行的農田灌溉無線傳感網絡監測系統,從根本上解決了網絡結構、網絡節點定位算法、節點的硬件構成和節點間通信等問題[24].

1. 2. 4 自動灌溉策略的研究

節水灌溉自動控制技術發展很快,灌溉作業自動控制使用的策略也很多,主要有定時設定法、開放線路法和密閉線路法[25].曹成茂等采用定時設定法研究了定時自動噴灌控制器控制 9 個噴頭,水壓足、霧化好,可避免因噴灌而產生的土壤板結,節水效果顯著[26].湯萬龍等應用解碼自動控制灌溉系統,即中央控制軟件通過解碼交換裝置對田間解碼器發出指令;解碼器通過思維編碼做出反應,獲取電流直接激活電測閥,從而控制灌水器運行的灌溉系統,進行給水量控制.該原理科學、構造簡單,在國內外得到廣泛應用[27].高曉紅等針對傳統節水灌溉系統存在的弊端提出以植物器官的幾何尺寸作為反饋控制變量的自動灌溉系統,被控對象和反饋控制參數都是植物本身,實現真正意義上的密閉控制,提高控制精度,實現自動灌溉[28].

總體來看,已有的自動灌溉控制系統等相關設施,大部分為國外引進技術,不但成本高,設備配件也都要依賴進口,操作人員需經專門培訓,操作維護不便,而且尚未考慮到我國的氣候條件、土壤條件、作物類型等因素,降低了系統的通用性,不便于推廣和應用.而目前國內有關節水灌溉控制系統的研究大多數是研究性課題,開發的灌溉控制系統尚處于研制、試用階段,且多數研究只是單一的機械控制,尚未與農作物生長相結合,研究產品的成套性和實用性較差,且成果轉化率低,與國外相比有較大差距,因而我國急需進行節水灌溉控制系統的相關研究.

2 我國節水灌溉系統研究存在的問題

1\\) 缺少專業從事農業節水灌溉的復合型人才和資金投入.開發性能完善的節水灌溉控制系統需要大量人力、財力的投入,需要多學科交叉融合.開發是一個漫長復雜的過程,需要大量資金投入,從事農業節水灌溉研究的學者需要有農學和工學的背景知識,還要具備一定的農田實踐能力.目前,我國農學和工學教育聯系不緊密,大部分學者從事理論研究,缺少農業實踐,缺少復合型農業節水灌溉研究人員.

2\\) 缺少栽培環境對作物生長信息影響機制及獲取方法.節水灌溉就是從灌溉土地轉為灌溉作物,根據作物需求合理灌溉,研究作物生長信息及其獲取方法是實現節水灌溉的關鍵.不同的栽培介質對作物生長影響不盡一致,尤其是近年來無土栽培快速發展,應用的栽培基質種類繁多,急需研究不同基質栽培作物的生長信息以及快速獲取該信息的方法和設備.

3\\) 缺少高集成化、智能化的控制技術及設備.我國在這一領域的研究相對落后,進一步研發節水灌溉控制技術及設備\\( 主要包括作物生長信息采集技術、變量控制理論及設備\\) 是解決我國農用水資源供需矛盾的關鍵.根據作物生長信息和作物水分動態監測信息,應用網絡和自動控制等技術建立集作物生長監測、栽培介質水環境監測、信號傳輸和決策功能的精準自動控制系統是十分必要的.

3 我國節水灌溉系統發展的對策

1\\) 高校應進一步優化所設學科,國家設立研究課題和投入研發資金.相關高校開設的課程應將工學、農學相結合,為將來從事節水灌溉行業奠定良好的基礎; 同時,國家應設立研究課題,投入研發資金,鼓勵科研單位自主創新.

2\\) 應用新的灌溉控制方法的同時完善作物生長信息獲取方法.將模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法、支持向量和法粒子群算法等非線性的新型控制策略應用到節水灌溉自動控制系統研究領域,同時研究作物生長信息獲取方法,為作物生長驚喜調控提供科學依據.通過專家系統、決策支持系統將農作物需水需肥規律等各方面特征因素有機的結合起來,實現智能化、精確化和標準化.

3\\) 高集成化、智能化和節能化控制技術及設備研發.在現有研究基礎上進一步開發精確灌溉控制及灌溉設備,研究噴頭、供水設備、控制閥等灌溉設備,使其系列化.充分利用各類傳感器實現作物的生長信息、土壤含水率等的動態監測,運用網絡技術、數據通信技術、傳感技術等建立具有傳輸、監測和決策功能的智能化節水灌溉系統; 同時,盡可能采用可再生能源作為自動設備的驅動能源.

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