CN103814795B - 稻田自动化智能灌溉系统以及采用该系统进行农田灌溉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稻田自动化智能灌溉系统，还涉及一种采用该系统进行农田灌溉的方法，其特征在于：包括提水泵站、农渠、农田灌溉自动控制装置和稻田土壤水分监控装置；稻田土壤水分控制器可根据液位计的输出信号控制提水泵启闭控制器动作，由提水泵给农渠供水，农田灌溉自动控制装置根据农田水位将农渠内灌溉水自动灌入农田或切断灌水。本发明的优点在于：结构简单、维护方便。解决了水稻浅湿灌溉种植新技术难以推广的问题，对我国现阶段农田水利精确灌溉、节水增效有着重大的现实意义。

Description

稻田自动化智能灌溉系统以及采用该系统进行农田灌溉的方法

技术领域

本发明涉及一种稻田自动化智能灌溉系统，还涉及一种采用该系统进行农田灌溉的方法。

背景技术

水稻是我国主要的粮食作物,传统的淹水栽培种植模式不仅耗水量大,水资源浪费严重,水分利用率低,而且容易引起环境面源污染。随着我国人口增长和经济快速发展,缺水已成为我国面临的最严重的战略问题之一,严重制约了农业的可持续发展。国内外研究结果表明,水稻具有一定的水旱两栖性,有很大的节水潜力。

传统淹水栽培模式开始逐渐向节水栽培模式转变。水稻节水栽培能够显著提高蒸腾蒸发效率和单叶水分利用率。实践已证明，水稻控制灌溉节水栽培模式可以促进水稻生长发育,增加有效分蘖数,提高产量。但该种模式在实施时，由于需要专人值守，费事费力，因此推广较难，如何让广大农民能够方便、快捷的掌握控制灌溉技术，实现稻田自动化智能灌溉是摆在水利人面前的一个重大课题。

目前在实现大面积稻田自动化智能灌溉时，虽然可借鉴一些集监视测量、控制、保护、管理于一体的计算机综合自动化系统，但主要存在以下两个方面的难点：

第一、推广水稻节水灌溉技术时,其灌水下限是以根层土壤水分为控制灌溉指标的,因而,及时、准确地获取稻田土壤水分,就成为提高推广水稻节水灌溉技术水平的关键。目前常用的取土烘干称重法虽测得数据准确,但工作量大,也不能及时提供数据；中子土壤水分仪投资大,且测定表层土壤水分不尽准确;运用电阻和电容原理制作的各式水分仪(如土壤湿度计、查墒仪等),对接近田间持水量(高水分段)的土壤水分测定误差较大;水银负压计可测得较准确的土壤水吸力,但大面积推广应用在操作管理上存在一定难度。

第二、水稻在灌溉时，引农渠的灌溉用水一般直接流入农田，或者通过泵泵入，造成水资源的巨大浪费，不符合节水灌溉技术的要求；后来也出现了部分能够自动灌排水的装置，其利用机械或电气等方式进行水位的检测，进而控制给排水。电气控制进行给排水的控制方式使用时精度高、适用较大范围的水位控制，但对工作的环境要求较高，需要确保正常的供电以及保持传感器的清洁度；而实际农田灌溉的使用环境较差，会影响检测用传感器的正常、准确工作，且用电不方便，因此电气类给排水装置不易推广使用。

因此，研发一种易于推广的大面积稻田自动化智能灌溉系统及其方法势在必行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、易于推广的稻田自动化智能灌溉系统，还涉及一种采用该系统进行农田灌溉的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种稻田自动化智能灌溉系统，其创新点在于：包括提水泵站、农渠、农田灌溉自动控制装置和稻田土壤水分监控装置；一提水泵站，该提水泵站设置在水源侧，包括一个与水源连通的进水池，一个与农渠连通的出水池，一组配备变频电机的提水泵，以及一控制提水泵变频电机启闭的提水泵启闭控制器；提水泵的进水口A、出水口A分别对应进水池和出水池，并在进水池、出水池内分别设置有液位传感器A和液位传感器B，所述液位传感器A和液位传感器B接入提水泵启闭控制器；若干农渠，由干渠以及连通干渠的支渠组成，干渠与出水池直接连通；至少一设置在农田内的稻田土壤水分监控装置，包括一个地下水位观测井，一个设置在地下水位观测井内的液位计，以及一个稻田土壤水分控制器，该稻田土壤水分控制器可根据液位计的输出信号控制提水泵启闭控制器动作；若干农田灌溉自动控制装置，设置在农田与农渠之间，用于根据农田水位将支渠内灌溉水自动灌入农田或切断灌水。

优选的，所述稻田自动化智能灌溉系统还包括一水质自动检测装置，该水质自动检测装置具有一个PH值检测仪，一个溶解氧检测仪，以及一个水质自动报警控制器，所述PH值检测仪以及一个溶解氧检测仪的输出信号接入水质自动报警控制器；水质自动报警控制器还具有一个与提水泵启闭控制器通讯的输出端口。

优选的，所述农田灌溉自动控制装置包括储水箱、增压机构、阀瓣和浮球引导机构；储水箱具有一个位于底部的出水口B，出水口B设置有阀座，还具有一个位于底部或侧壁的进水口B，该进水口B通过管道与支渠连通；增压机构为一内置于储水箱底部的导流增压罩，该导流增压罩罩在储水箱的出水口B上；导流增压罩的顶部具有一个位于出水口B正上方的导流增压口；所述导流增压罩内的空间中由导流增压口至出水口之间形成的区域为导流增压区，其余区域为缓冲区；阀瓣内置于导流增压罩内，并可与出水口B阀座配合实现出水口B的完全密封；浮球引导机构用于根据农田水层深度控制阀瓣动作的，包括一用于引导阀瓣动作的浮球，以及连接浮球与阀瓣的杠杆组件；该浮球设置在储水箱外，所述浮球位于下限位状态，浮球通过杠杆组件驱动阀瓣移动至导流增压口一侧；浮球位于上限位状态，浮球通过杠杆组件驱动阀瓣与出水口阀座配合封闭出水口B。

优选的，所述稻田土壤水分控制器通过无线通讯模块实现与提水泵启闭控制器的通讯。

优选的，所述稻田土壤水分控制器配备有水稻生育期各时段所需灌水量上、下限的波段开关。

优选的，所述稻田土壤水分控制器配备有水稻生育期各时段所需灌水量上、下限的可编程数据库，以及石英钟模块。

一种采用上述稻田自动化智能灌溉系统进行稻田灌溉的方法，其特征在于本发明中稻田灌溉方法具体为：步骤S1：首先，由稻田土壤水分监控装置检测稻田地下水埋深；并根据稻田土壤的土质、土层深度选择相应的稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线，进而计算出该片稻田的即时土壤含水率，记做Wa；步骤S2：将即时土壤含水率Wa与稻田的生育期对应，选择出稻田在该生育期内需要良好生长所需的土壤含水率下限W_下；当即时土壤含水率低于稻田在该生育期内土壤含水率下限时，即Wa＜W_下；提水泵启闭控制器根据稻田土壤水分检测装置的输出信号控制提水泵的开启，给农渠进行供水；当即时土壤含水率高于稻田在该生育期内土壤含水率上限时，即Wa＞W_上；提水泵启闭控制器根据稻田土壤水分检测装置的输出信号控制提水泵的关闭，停止给农渠供水；步骤S3：农田灌溉自动控制装置根据稻田的即时水位间歇性的将支渠内灌溉水自动灌入稻田，当稻田内水位切断灌水。

优选的，所述稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线中，当土质为轻壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=26.5H-0.155；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=26.5H-0.146；当土质为砂壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=29.7H-0.067；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=27.3H-0.062；当土质为重壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=31.1H-0.067；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=29.7H-0.063；其中，H为浅层地下水埋深，其单位为m。

本发明的优点在于：

本发明中的自动化智能灌溉系统运行时，首先是根据水稻控制灌溉的高产节水模式和水稻各生育期土壤水分控制指标输入至稻田土壤水分监控装置。稻田土壤水分监控装置检测的土壤含水率达到灌水下限指标时，向提水泵站发送控制信号，自动启动提水泵抽水进入水渠（干渠），为农田提供灌溉用水，灌溉水经干渠流入支渠再流入农渠由农田灌溉自动控制装置自动注入农田；农田灌溉自动控制装置则根据农田内水位间歇性启闭供水。当稻田土壤水分监控装置检测农田达到相应生育期灌水上限指标时，提水泵自动关闭，停止向水渠供水，完成一次自动化智能灌溉过程，周而复始，自动检测至下一个灌溉周期的到来。

本发明中的智能灌溉系统能通过稻田土壤水分监控装置对稻田土壤水分的实时检测，并控制提水泵站的启闭；在一段时间内，为整个稻田区补充所有灌溉所需用水，进行供水总量的管理控制，避免不必要的水资源浪费。在对稻田土壤水分进行实时检测时，利用稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线，由稻田地下水埋深间接计算出该片稻田的即时土壤含水率，使得实时监测得以顺利实现。

而农田灌溉自动控制装置设置在支渠与农田之间，用于根据农田水位将支渠内灌溉水自动灌入农田或切断灌水，进而进行局部区域稻田的间歇性灌水，实现用水终端的管理控制，既能够补充稻田生长所需水分，又避免秧苗长时间被水覆盖影响生长。灌溉时，无需人工值守进行控制，且不利用电气等监测手段进行，结构简单、维护方便。解决了水稻控制灌溉种植新技术难以推广的问题，对我国现阶段农田水利精确灌溉、节水增效有着重大的现实意义。

而本发明中农田灌溉自动控制装置包括储水箱、增压机构、阀瓣和浮球引导机构，其在关闭时，以浮球为引导，最终利用水压来关闭阀门，灵敏度好，供水量准确，密封效果好，不易渗漏；在浅水量供水需求下依然能够实现良好的密封，并结合浮球引导机构的浮球高度可进行整体或独立的高度调整，使得其水位深浅能够在1-7cm的范围内自由调节，进而方便、灵活适应不同深度的供水需求，特别适用于水稻生长不同阶段对水量的不同需求。

本发明中稻田土壤水分控制器通过无线通讯模块实现与提水泵启闭控制器的通讯，减少通讯布线，降低成本。而稻田土壤水分控制器配备有水稻生育期各时段所需灌水量上、下限的波段开关，使得稻田土壤水分控制在控制补水时能够根据不同的生育期给出合适、准确的供水需求，提高水资源有效利用率。

附图说明

图1为本发明中稻田自动化智能灌溉系统结构组成图。

图2为本发明中提水泵站结构示意图。

图3为本发明中稻田土壤水分监控装置结构示意图。

图4为本发明中农田灌溉自动控制装置结构示意图。

图5为本发明中导流增压罩与储水箱的底板位置关系图。

图6为本发明中导流增压罩俯视图。

图7为本发明中地下水埋深与土壤含水率关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中的稻田自动化智能灌溉系统，包括提水泵站2、农渠4、农田灌溉自动控制装置3、稻田土壤水分监控装置5和水质自动检测装置6。

具体为：

一提水泵站2，该提水泵站2设置在水源1侧，如图2所示，包括一个与水源2连通的进水池21，一个与农渠2连通的出水池22，一组配备变频电机24的提水泵23，以及一控制提水泵变频电机24启闭的提水泵启闭控制器；提水泵23的进水口A、出水口A分别对应进水池21和出水池22，并在进水池21、出水池22内分别设置有液位传感器A和液位传感器B，液位传感器A和液位传感器B接入提水泵启闭控制器。

提水泵站2的配电柜25配备有提水泵启闭控制器,以及电动机多功能保护装置，用于保护提水泵变频电机的过载、过流、过压、欠压、缺相等；通过液位传感器A和液位传感器B的信号来检测进、出水池内液位高度，进而实现进水池超低水位自停、出水池溢流自停。

若干农渠2，由干渠以及连通干渠的支渠组成，支渠的数量和布局根据实际稻田来设计，干渠与出水池直接连通。本发明中农渠采用砼防渗渠。

至少一设置在农田内的稻田土壤水分监控装置4，如图3所示，包括一个地下水位观测井41，一个设置在地下水位观测井41内的液位计42，以及一个稻田土壤水分控制器43，该稻田土壤水分控制器43可根据液位计的输出信号控制提水泵启闭控制器动作。

为避免灌溉水中杂质较多影响检测准确性，本实施例中，液位计选择磁致伸缩液位计。磁致伸缩液位计的传感器工作时，传感器的电路部分将在波导丝上激励出脉冲电流，该电流沿波导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。在磁致伸缩液位计的传感器测杆外配有一浮子，此浮子可以沿测杆随液位的变化而上下移动。在浮子内部有一组永久磁环。当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场相遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。本实施例中，在地下水位观测井41靠近底面处浇筑混凝土层44，在混凝土层44上放置稻田土壤水分监控装置4的控制箱45，稻田土壤水分控制器43以及液位计42的上部分位于控制箱45内。

若干农田灌溉自动控制装置3，设置在农田与农渠之间，用于根据农田水位将支渠内灌溉水自动灌入农田或切断灌水。如图4、5、6所示，其主要包括储水箱31、导流增压罩32、阀瓣33和浮球引导机构34。储水箱31主要用于临时储存从水源引入的灌溉用水，该储水箱31具有一个位于底部的出水口311，该出水口311通常设置在储水箱31的底板上，即储水箱1的最底端；储水箱31还具有一个位于底部或侧壁的进水口312。出水口311可配备一个可与阀瓣配合提高密封效果的阀座。水源的灌溉用水通过进水口进入储水箱31，并在箱体内形成具有一定高度的液面，当出水口311打开时，灌溉用水则通过最底部的出水口311排出流入农田。增压机构用于在储水箱关闭时，利用储水箱31内灌溉用水的水压为阀瓣33提供一个向下的压力，以便快速以及更好的压紧出水口311阀座，实现停止供水。增压机构为一内置于储水箱底部的导流增压罩32，该导流增压罩32罩在储水箱的出水口311上。导流增压罩32为一个矩形箱体，该矩形箱体罩于储水箱31的出水口上，导流增压罩32的顶板靠近侧板处开有一个矩形的导流增压口321，矩形导流增压口321的长度方向与矩形箱体的顶板宽度方向相同，且该导流增压口的长度等于矩形箱体的顶板宽度；该矩形导流增压口321位于出水口311正上方，出水口311采用与矩形导流增压口321对应的矩形结构；同样的，导流增压罩32内的空间中由导流增压口321至出水口311之间形成的区域为导流增压区，其余区域为非灌溉用水直接冲击的缓冲区。阀瓣33用于与出水口阀座配合实现出水口启闭，该阀瓣33内置于导流增压罩32内；阀瓣33的结构形状与出水口311及出水口阀座相配。

浮球引导机构34用于根据农田水层深度控制阀瓣动作，包括一用于引导阀瓣动作的浮球341，以及连接浮球341与阀瓣33的杠杆组件；杠杆组件包括杠杆支架342、转轴343、阀瓣连接段杠杆344、浮球连接段杠杆345，一对杠杆支架342安装在导流增压罩32外的储水箱31内，两杠杆支架342的顶部之间安装有转轴343，阀瓣连接段杠杆344的一端与转轴343固定，另一端从导流增压口321伸入导流增压罩32内与阀瓣33连接；浮球连接段杠杆345的一端与转轴343固定，另一端连接浮球341。该浮球341设置在储水箱31外，浮球341位于下限位状态，浮球341通过杠杆组件驱动阀瓣移动至缓冲区；浮球341位于上限位状态，浮球341通过杠杆组件驱动阀瓣3与出水口阀座配合封闭出水口311。

水质自动检测装置105具有一个PH值检测仪，一个溶解氧检测仪，以及一个水质自动报警控制器，所述PH值检测仪以及一个溶解氧检测仪的输出信号接入水质自动报警控制器；水质自动报警控制器还具有一个与提水泵启闭控制器通讯的输出端口。

本发明中水质自动检测装置主要采用PH值检测仪和溶解氧检测仪对 p H值、溶解氧值进行自动监测，p H值在6-9之间, 溶解氧 ≥ 饱和率90%（或7.5） 6  5  3  2,灌溉水质分类分别为Ⅰ类 、Ⅱ类 Ⅲ类、 Ⅳ类 、Ⅴ类。当检测量超过设定限量报警时，通过报警脉冲信号自动关闭提水泵并进行声光报警，避免将污染水源送入农渠。

本发明中，为增加便捷性，稻田土壤水分控制器通过无线通讯模块实现与提水泵启闭控制器的通讯。

为了适应水稻不同生育期对灌溉水的需求，稻田土壤水分控制器配备有水稻生育期各时段所需灌水量上、下限的波段开关。当然，这里的波段开关仅仅是示例性的，不是局限性的。稻田土壤水分控制器还可配备有水稻生育期各时段所需灌水量上、下限的可编程数据库，以及石英钟模块。利用石英钟模块提供的时间自动调用可编程数据库中与之对应的该时段水稻生育期所需灌水量上、下限。

本发明中还提供一种采用上述稻田自动化智能灌溉系统进行灌溉的方法：以江苏省如皋市丁堰镇鞠庄村稻田灌溉为例： 如皋市地处长江三角洲北翼，北纬32°00′~32°30′、东经120°20′~120°50′，南临长江，属于水稻主产区的长江流域。

步骤S1：首先，由稻田土壤水分监控装置检测稻田地下水埋深；并根据稻田土壤的土质、土层深度选择相应的稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线，进而计算出该片稻田的即时土壤含水率，记做Wa；

稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线中，当土质为轻壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=26.5H-0.155；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=26.5H-0.146；当土质为砂壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=29.7H-0.067；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=27.3H-0.062；当土质为重壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=31.1H-0.067；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=29.7H-0.063；其中，H为浅层地下水埋深，其单位为m。

 本实施例中，如皋地区属于通南高沙土区，属于轻壤土，因此选用相应的函数曲线公式。

步骤S2：将即时土壤含水率Wa与稻田的生育期对应，选择出稻田在该生育期内需要良好生长所需的土壤含水率下限W_下；

当即时土壤含水率低于稻田在该生育期内土壤含水率下限时，即Wa＜W_下；提水泵启闭控制器根据稻田土壤水分检测装置的输出信号控制提水泵的开启，给农渠进行供水；

当即时土壤含水率高于稻田在该生育期内土壤含水率上限时，即Wa＞W_上；提水泵启闭控制器根据稻田土壤水分检测装置的输出信号控制提水泵的关闭，停止给农渠供水；

稻田的生育期自前向后依次主要分为：移栽返青期、分蘖前中期、分蘖末期、拔节期、孕穗抽穗期、乳熟期、黄熟期；

如皋地区稻田在不同生育期的土壤含水率上限均为100%，移栽返青期下限为100%、分蘖前中期下限为90～80%、分蘖末期下限为70～75%、拔节期为70～80%、孕穗抽穗期为80～90%、乳熟期为70～80%、黄熟期为70～75%。

步骤S3：农田灌溉自动控制装置根据稻田的即时水位间歇性的将支渠内灌溉水自动灌入稻田，当稻田内水位切断灌水。

步骤S3待补充；

移栽返青期灌溉水层上限为30～40mm、分蘖前中期灌溉水层上限为20～30mm、分蘖末期灌溉水层上限为烤田阶段、拔节期灌溉水层上限为20～30mm、孕穗抽穗期灌溉水层上限为20～40mm、乳熟期灌溉水层上限为20～30mm、黄熟期灌溉水层上限为干、干、湿、湿阶段，湿阶段灌溉水层上限为5～10mm。

水稻浅湿灌溉模式控制相关指标可见下表：

表1      水稻浅湿灌溉模式控制相关指标

采用上述灌溉方法，比正常灌溉节水123m³/亩,省电1.485元/亩，省工12.5元/亩，2013年度增产26kg/亩，若按市场价4.2元/kg计算亩增效109.2元，直接综合效益达123.185元/亩。本实施例为小型灌区，面积为1000亩左右，本专利稻田自动化智能灌溉系统亩投资100元(设备寿命≥10年),净增收益达103.185元/亩，当年可收回全部投资还能增收。

上述稻田自动化智能灌溉系统以及采用该智能系统灌溉的方法中，稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线的理论依据为：

稻田土壤水份和浅层地下水主要来源于降雨和灌溉,消耗于水稻蒸腾、棵间蒸发和土壤渗漏。在稻田处于无水层状态,当根层土壤水分大于田间持水量时,土壤水既向上蒸腾蒸发,又向下补给地下潜水;当根层土壤水小于田间持水量时,地下潜水则通过土壤毛细管向上补给土壤水。稻田土壤水和浅层地下水在垂直运动中,存在着较密切的水力关系。若能用稻田地下水埋深来反应根层土壤水分状况,将会为水稻节水灌溉技术的推广提供一种简便而有效的测试方法。以能量观念分析,稻田土壤水分是在水势作用下,从能量高的点向能量低的点流动。测试表明,土壤吸力与土壤含水率之间存在着对应的关系,即:吸力最大值为零,对应为土壤饱和含水量;吸力在-1500ｋＰａ时,土壤水降至凋萎含水量。田间持水量有吸力,与土质有关,具有一定的变化范围,一般为-3～-33ｋＰａ。通过实验，南通地区沙性土壤田间持水量的吸力值,实测值在-5.7～-6.3ｋＰａ之间变化,可取用-6ｋＰａ。根据实测土壤含水率和相应的土壤水吸力,并以饱和含水量和田间持水量为控制点,绘制稻田土层含水率与吸力相关曲线。

运用曲线可由吸力推求土壤含水率,获取水稻田根层土壤水动态变化规律,为建立稻田土壤水分和地下水埋深关系提供相应的土壤水分数据,亦可由此获取稻田灌水下限的土壤水吸力指标。

根据稻田浅层地下水由地表向下消退的过程,建立0～20ｃｍ和0～30ｃｍ土壤含水率Ｗａ与地下水埋深Ｈ的相关曲线(参见图7)。结果表明,根层土壤水分与地下水埋深大致呈幂函数的变化规律即随浅层地下水埋深加深,土壤含水率由大变小,其经验公式如下表。

表2   稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线经验公式

注: H—浅层地下水埋深（m）,W_a—土壤含水率(占干土重%)，相关系数是根据大样本统计得到，本专利中函数曲线方程的相关系数均在0.9以上，在统计学上属于非常相关。因此采用上述函数曲线关系的稻田地下水埋深与土壤含水率，具有很高的准确性。

由绘制的土壤含水率与地下水埋深关系曲线知,稻田土质不同,其曲线有所差异,饱和含水量较高(0～30ｃｍ土层为37.5%)的轻壤土, 曲线起点高。在土壤高水分段(饱和含水量～田间持水量)的曲线,轻壤土在高沙土之上。当土壤水分随地下水埋深消退到一定程度时,两条曲线相交,其相交点的地下水埋深,0～20ｃｍ和0～30ｃｍ土层分别为0.25ｍ和0.65ｍ。相交点以下的曲线,高沙土在轻壤土之上,其消退更趋平缓,原因是:由于轻壤土0-20cm和0-30cm土壤容重等水文物理特性相差较小，而砂壤土、重壤土则较大之故，由于多年坚持秸秆还田综合改造,高沙土区稻田表层10ｃｍ的干容重小,田间持水量大;30ｃｍ土层的干容重大,孔隙率小;30ｃｍ以下为沙壤土(含沙粒20%～30%),干容重变小,孔隙率增大。显然,在土层30ｃｍ处形成了紧密的相对不透水层,其水分消退显得缓慢;而下层沙壤土孔隙多,加之高沙土区地势略高,促使地下潜水位下降速度加快。当根层土壤水分消退到稻田灌水下限指标时, 出现高沙土区的地下水埋深将超过轻壤土区的地下水埋深的情况。

因此，综上所述，稻田地下水埋深与土壤含水率之间存在一定的函数曲线。即可能够通过直接测量稻田地下水埋深间接计算到该时段实际的土壤含水率，进而为实现本发明中的智能灌溉提供重要理论和实验依据。

工作原理：

由稻田土壤水分监控装置实时或定期检测稻田地下水埋深，利用稻田地下水埋深与土壤含水率的函数曲线关系，间接计算得到实时土壤含水率；

若实时土壤含水率Wa小于W_下下限；稻田土壤水分监控装置发出控制信号给提水泵启闭控制器，控制提水泵开启，使得水源的灌溉水源源不断进入农渠；

农渠进入稻田的水，完全由农田灌溉自动控制装置独立控制，其作用是间歇性提供一定水位的灌溉水；在不断提供灌溉水的过程中，地下水水位、实时土壤含水率也随之上升，当该数值达到上限后，提水泵关闭，不给农渠供水。

如此实现在一个周期内对整个区域稻田的整体供水和局部供水自动控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种稻田自动化智能灌溉系统，包括提水泵站、农渠、农田灌溉自动控制装置和稻田土壤水分监控装置；

    一提水泵站，该提水泵站设置在水源侧，包括一个与水源连通的进水池，一个与农渠连通的出水池，一组配备变频电机的提水泵，以及一控制提水泵变频电机启闭的提水泵启闭控制器；提水泵的进水口A、出水口A分别对应进水池和出水池，并在进水池、出水池内分别设置有液位传感器A和液位传感器B，所述液位传感器A和液位传感器B接入提水泵启闭控制器；

    若干农渠，由干渠以及连通干渠的支渠组成，干渠与出水池直接连通；所述农渠采用砼防渗渠；

    至少一设置在农田内的稻田土壤水分监控装置，包括一个地下水位观测井，一个设置在地下水位观测井内的液位计，以及一个稻田土壤水分控制器，该稻田土壤水分控制器可根据液位计的输出信号控制提水泵启闭控制器动作；

若干农田灌溉自动控制装置，设置在农田与农渠之间，用于根据农田水位将支渠内灌溉水自动灌入农田或切断灌水；

其特征在于：所述农田灌溉自动控制装置包括储水箱、增压机构、阀瓣和浮球引导机构；储水箱具有一个位于底部的出水口B，出水口B设置有阀座，还具有一个位于底部或侧壁的进水口B，该进水口B通过管道与支渠连通；增压机构为一内置于储水箱底部的导流增压罩，该导流增压罩罩在储水箱的出水口B上；导流增压罩的顶部具有一个位于出水口B正上方的导流增压口；所述导流增压罩内的空间中由导流增压口至出水口之间形成的区域为导流增压区，其余区域为缓冲区；阀瓣内置于导流增压罩内，并可与出水口B阀座配合实现出水口B的完全密封；浮球引导机构用于根据农田水层深度控制阀瓣动作的，包括一用于引导阀瓣动作的浮球，以及连接浮球与阀瓣的杠杆组件；该浮球设置在储水箱外，所述浮球位于下限位状态，浮球通过杠杆组件驱动阀瓣移动至导流增压口一侧；浮球位于上限位状态，浮球通过杠杆组件驱动阀瓣与出水口阀座配合封闭出水口B。

2.根据权利要求1所述的稻田自动化智能灌溉系统，其特征在于：所述稻田自动化智能灌溉系统还包括一水质自动检测装置，该水质自动检测装置具有一个PH值检测仪，一个溶解氧检测仪，以及一个水质自动报警控制器，所述PH值检测仪以及一个溶解氧检测仪的输出信号接入水质自动报警控制器；水质自动报警控制器还具有一个与提水泵启闭控制器通讯的输出端口。

3.根据权利要求1或2所述的稻田自动化智能灌溉系统，其特征在于：所述稻田土壤水分控制器通过无线通讯模块实现与提水泵启闭控制器的通讯。

4.根据权利要求1或2所述的稻田自动化智能灌溉系统，其特征在于：所述稻田土壤水分控制器配备有水稻生育期各时段所需灌水量上、下限的波段开关。

5.根据权利要求1或2所述的稻田自动化智能灌溉系统，其特征在于：所述稻田土壤水分控制器配备有水稻生育期各时段所需灌水量上、下限的可编程数据库，以及石英钟模块。

6.一种采用权利要求1所述稻田自动化智能灌溉系统进行稻田灌溉的方法，其特征在于该方法具体为：

    步骤S1：首先，由稻田土壤水分监控装置检测稻田地下水埋深；并根据稻田土壤的土质、土层深度选择相应的稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线，进而计算出该片稻田的即时土壤含水率，记做Wa；

    步骤S2：将即时土壤含水率Wa与稻田的生育期对应，选择出稻田在该生育期内需要良好生长所需的土壤含水率下限W_下；

    当即时土壤含水率低于稻田在该生育期内土壤含水率下限时，即Wa＜W_下；提水泵启闭控制器根据稻田土壤水分检测装置的输出信号控制提水泵的开启，给农渠进行供水；

    当即时土壤含水率高于稻田在该生育期内土壤含水率上限时，即Wa＞W_上；提水泵启闭控制器根据稻田土壤水分检测装置的输出信号控制提水泵的关闭，停止给农渠供水；

步骤S3：农田灌溉自动控制装置根据稻田的即时水位间歇性的将支渠内灌溉水自动灌入稻田或切断灌水。

7.根据权利要求6所述稻田灌溉的方法，其特征在于：所述稻田地下水埋深与土壤含水率关系曲线中，

    当土质为轻壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=26.5H-0.155；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=26.5H-0.146；

    当土质为砂壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=29.7H-0.067；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=27.3H-0.062；

    当土质为重壤土时，水稻根系密集层的土壤深度在0~20cm时，Wa=31.1H-0.067；水稻根系密集层的土壤深度为0~30cm时，Wa=29.7H-0.063；

    其中，H为浅层地下水埋深，其单位为m。