0 引言
我国是世界上 13 个贫水国之一,人均水资源缺乏.近年来,城市的快速发展和人口的迅速膨胀,使水资源的需求量日益增长,水资源紧缺已成为我国经济和社会发展的制约因素.灌溉作为我国的用水大户,用水量约占总水资源量的 65% ,且利用率低、浪费严重.因此,发展节水灌溉技术是解决我国水资源短缺问题的必由之路[1 -3],是协调人与环境相和谐,构建生态和谐社会的必然要求.
1 国内外节水灌溉系统研究现状
1. 1 国外节水灌溉系统研究现状
自动化灌溉控制系统自 20 世纪 80 年代开始在美国、以色列等国家得到研究和应用,由于技术复杂、应用难度大、价格昂贵,控制灌溉设备最早主要应用于园林绿化.20 世纪 90 年代,计算机技术和通讯技术的飞速发展,使得构建自动化灌溉系统的难度、成本逐渐降低,从而使自动化灌溉控制系统在农田灌溉中逐渐得到应用[4].在国外,节水灌溉发展时间长,电子技术水平高,节水灌溉配套的自动控制系统较先进.
1. 1. 1 作物信息技术在灌溉系统中的应用
以作物信息技术为基础,对作物水分状况进行准确、快速和可靠评价,是现代农业精量灌溉工程系统的一个重要组成部分.Marsal 等通过研究植物水潜能进行灌溉控制,但其需人工测量且过程非常复杂不便实际应用[5].S. A. OShaughnessy 等以作物冠层温度作为棉花灌溉的控制参数取得了良好的效果,棉花产量比人工经验灌溉高出许多[6].Noble Abraham 等根据作物叶面温度、作物含水量、土壤电导率和土壤含水量之间的关系,于 2000 年设计了基于作物叶片温度和土壤电导率的自动灌溉系统,并得到推广应用[7].
1. 1. 2 无线传感网络技术在灌溉系统中的应用
无线传感网络结构由传感器节点数据处理决策部分和用户接受装置组成,其在农业中的应用是推进农业灌 溉 智 能 化 的 最 可 行 方 法 之 一.J. A. LopezRiquelme 等应用无线传感器网络技术进行水分管理,设计系统的软件和硬件,并内置一个实时监测系统.
该系统能耗低、可靠性好,在应用过程中取得较好的效果[8].2011 年,LI ZHEN 等使用混合无线传感器和网络执行器研发了闭环滴灌控制系统,共 10 个监测节点、5 个灌溉控制节点; 监测和控制节点能够采集土壤不同深度的温度、含水率和电导率,并据此进行水分自动灌溉控制[9].J. M. Blonquist Jr 研发了基于土壤水分传感器信息反馈原理的 TDT 系统,并成功应用于城市绿化节水灌溉中,根据草坪根区土壤水分的动态变化和设定的土壤水分含量特定值进行自动灌溉,节约灌溉用水,降低灌溉成本[10].
1. 1. 3 人工智能技术在灌溉系统中的应用
人工智能技术包括专家系统、模糊逻辑系统及神经网络技术等.Ahmed Rafea 等研究了基于知识自动获取的水肥管理专家系统,解决了水肥灌溉的时间问题,并进行了大量的验证试验.试验结果证明,该系统精度高,可靠性好[11].M. Bahat 等在分析现有灌溉普遍存在的问题基础上,研发了基于模糊控制的灌溉控制系统.该系统结构简单,控制精度高[12].Abd-ulelah Al - Faraj 等以温室内高羊茅生长数据为基础,采用模糊逻辑建立了 FL - CWSI 水力检测系统.该系统无需考虑作物冠层阻力、空气动力学阻力和土壤热通量等参数,适用于市售大部分微喷头且可重新编辑控制程序[13].Huang Binbin 等使用神经网络技术和模糊理论优化神经网络参数,通过遗传算法获取节水灌溉最佳模型.该技术可避免模糊理论中人为干涉加权值引起的误差,获得较好的效果[14].
1. 2 国内节水灌溉系统研究现状
我国节水灌溉自动化正处于起步阶段,目前主要依靠人工测量和控制,局限于节水灌溉单项技术的推广和应用,技术集成和自动化水平低,不利于用水的精细管理和合理化灌溉[15].
1. 2. 1 GIS 在灌溉系统中的应用
GIS 支持下的农田节水灌溉系统,就是通过利用地理信息系统技术,采用地理空间技术来采集、分析、处理和存储影响农田作物节水灌溉的各种因子,结合先进节水灌溉制度,分析计算灌区每一单元的实时需水量.周子瑾于 2002 年采用 MAPINFO 的 DDE 技术,通过高级编程语言 Delphi 实现了 MAPINFO 与 PLC 的连接,完成两者的集成并成功应用于灌溉系统中[16].
2008 年,任盛明以 GIS 技术支持下的节水灌溉系统为研究对象,阐述了该系统研究的内容和方法,并对 GIS技术在节水灌溉中应用的特点及优势进行了分析[17].
1. 2. 2 单片机技术在灌溉系统中的应用
戴彬虎介绍了基于单片机的节水灌溉控制系统,进行了软硬件设计,并详细阐述系统的工作原理.该系统具有成本低、运行可靠、可拓展性好等特点,有广泛的应用价值和前景[18].2010 年,刘凯等人以 AVR单片机为核心控制芯片,设计了一套节水灌溉控制系统,能够对土壤含水率进行自动检测,并通过模糊控制规则对电磁阀执行有效控制,从而实现对农作物进行适时、适量的灌溉[19].倪涛以单片机为核心,将模糊规则和合成推理相结合,根据实际经验获得模型,对节水灌溉系统模糊控制决策进行了分析[20].杨运经基于变频节能节水灌溉系统中对蓄水池水位测控的实际需要,以 MCS -51 单片机为核心设计了一种水位测控的硬件及软件电路系统,实现了对蓄水池水位的精确测量与监控,并在节水灌溉中得到了良好应用[21].
1. 2. 3 无线传感网络技术在灌溉系统中应用
近年来,由于无线传感网络具有应用成本低、网络结构灵活、数据传输距离远等优点,在国内发展迅速,在农业灌溉系统中也得到了应用.李祥林等采用直流闭锁电磁阀,设计 ZigBee 节点硬件,开发 ZigBee节点软件,设计出以 ZigBee 分布式无线传感网络进行精确农田信息实时采集的智能节水灌溉系统,通过GPRS 模块实现农田数据远程传输.该系统具有低成本、高利用率的特点[22].王骥等综合运用无线传感器智能信息处理技术、无线数据通信技术以及基于 Inter-net 显示平台的监测点管理查询技术,将功能相同或不同的传感器构成智能化传感器网络,从而提升了系统的自动化与监测水平[23]; 赵南等将分布式加权多维尺度定位算法和我国农田灌溉的实际情况相结合,设计了一套切实可行的农田灌溉无线传感网络监测系统,从根本上解决了网络结构、网络节点定位算法、节点的硬件构成和节点间通信等问题[24].
1. 2. 4 自动灌溉策略的研究
节水灌溉自动控制技术发展很快,灌溉作业自动控制使用的策略也很多,主要有定时设定法、开放线路法和密闭线路法[25].曹成茂等采用定时设定法研究了定时自动喷灌控制器控制 9 个喷头,水压足、雾化好,可避免因喷灌而产生的土壤板结,节水效果显着[26].汤万龙等应用解码自动控制灌溉系统,即中央控制软件通过解码交换装置对田间解码器发出指令;解码器通过思维编码做出反应,获取电流直接激活电测阀,从而控制灌水器运行的灌溉系统,进行给水量控制.该原理科学、构造简单,在国内外得到广泛应用[27].高晓红等针对传统节水灌溉系统存在的弊端提出以植物器官的几何尺寸作为反馈控制变量的自动灌溉系统,被控对象和反馈控制参数都是植物本身,实现真正意义上的密闭控制,提高控制精度,实现自动灌溉[28].
总体来看,已有的自动灌溉控制系统等相关设施,大部分为国外引进技术,不但成本高,设备配件也都要依赖进口,操作人员需经专门培训,操作维护不便,而且尚未考虑到我国的气候条件、土壤条件、作物类型等因素,降低了系统的通用性,不便于推广和应用.而目前国内有关节水灌溉控制系统的研究大多数是研究性课题,开发的灌溉控制系统尚处于研制、试用阶段,且多数研究只是单一的机械控制,尚未与农作物生长相结合,研究产品的成套性和实用性较差,且成果转化率低,与国外相比有较大差距,因而我国急需进行节水灌溉控制系统的相关研究.
2 我国节水灌溉系统研究存在的问题
1) 缺少专业从事农业节水灌溉的复合型人才和资金投入.开发性能完善的节水灌溉控制系统需要大量人力、财力的投入,需要多学科交叉融合.开发是一个漫长复杂的过程,需要大量资金投入,从事农业节水灌溉研究的学者需要有农学和工学的背景知识,还要具备一定的农田实践能力.目前,我国农学和工学教育联系不紧密,大部分学者从事理论研究,缺少农业实践,缺少复合型农业节水灌溉研究人员.
2) 缺少栽培环境对作物生长信息影响机制及获取方法.节水灌溉就是从灌溉土地转为灌溉作物,根据作物需求合理灌溉,研究作物生长信息及其获取方法是实现节水灌溉的关键.不同的栽培介质对作物生长影响不尽一致,尤其是近年来无土栽培快速发展,应用的栽培基质种类繁多,急需研究不同基质栽培作物的生长信息以及快速获取该信息的方法和设备.
3) 缺少高集成化、智能化的控制技术及设备.我国在这一领域的研究相对落后,进一步研发节水灌溉控制技术及设备( 主要包括作物生长信息采集技术、变量控制理论及设备) 是解决我国农用水资源供需矛盾的关键.根据作物生长信息和作物水分动态监测信息,应用网络和自动控制等技术建立集作物生长监测、栽培介质水环境监测、信号传输和决策功能的精准自动控制系统是十分必要的.
3 我国节水灌溉系统发展的对策
1) 高校应进一步优化所设学科,国家设立研究课题和投入研发资金.相关高校开设的课程应将工学、农学相结合,为将来从事节水灌溉行业奠定良好的基础; 同时,国家应设立研究课题,投入研发资金,鼓励科研单位自主创新.
2) 应用新的灌溉控制方法的同时完善作物生长信息获取方法.将模糊控制、神经网络控制、遗传算法、支持向量和法粒子群算法等非线性的新型控制策略应用到节水灌溉自动控制系统研究领域,同时研究作物生长信息获取方法,为作物生长惊喜调控提供科学依据.通过专家系统、决策支持系统将农作物需水需肥规律等各方面特征因素有机的结合起来,实现智能化、精确化和标准化.
3) 高集成化、智能化和节能化控制技术及设备研发.在现有研究基础上进一步开发精确灌溉控制及灌溉设备,研究喷头、供水设备、控制阀等灌溉设备,使其系列化.充分利用各类传感器实现作物的生长信息、土壤含水率等的动态监测,运用网络技术、数据通信技术、传感技术等建立具有传输、监测和决策功能的智能化节水灌溉系统; 同时,尽可能采用可再生能源作为自动设备的驱动能源.
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