CN105230451A - 一种农田作物缺水灌溉自动预报装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农田作物缺水灌溉自动预报装置，包括一个储水器，储水器顶部设置有与储水器内部连通的蒸发盘，储水器底部与一个水位玻璃管连通；水位玻璃管上设置有报警系统，报警系统包括一对触点，当触点之间通过水体导电形成回路时，报警系统不发出警报；当水位下降，触点之间不导电产生断路时，报警系统发出警报。本发明利用一款特别蒸发器的水位下降过程与土壤水分蒸发过程具有较高的相似性原理而设置的，性能可靠。不需要其他参数，也不需要计算，灌溉预报装置会自动根据盛水器里的水位变化进行缺水预报。而且可根据盛水器里面的水位了解田间土壤水分状况，不仅操作简单，而且比较直观。

Description

一种农田作物缺水灌溉自动预报装置

技术领域

本发明属于农田节水灌溉技术领域，涉及农作物生长过程中农田土壤水分的蒸散消减变化与作物生长需水量之间的供求关系的珍断预报技术，特别涉及一种可用于农田作物灌溉自动预报的装置。

背景技术

众所周知，水是生命的源泉，水利是农业的命脉。数千年来的农耕生产实践表明：农作物在整个生长阶段始终都离不开水，农作物最终有没有产量收获关键在于水，这充分体现了水在农业生产活动中的重要性。因此，不论是干旱半干旱地区，还是半湿润易旱区，以及季节性干旱湿润区，农田灌溉都是支撑农业生产的重要保障措施。

然而，近几十年来，随着社会经济的快速发展，各行各业的用水量迅速增加，有限的可利用水资源越来越显得弥足珍贵，传统的农业灌溉用水资源不停的受到挤兑，农田灌溉用水日益减少，水量不足导致部分农田灌溉保证率下降。因此，粗放的大水漫灌必须被逐渐淘汰，而发展以提高灌溉水利用效率为特色的节水灌溉成为灌溉农业发展的必然局势。

在农田灌溉预报方面，过去传统的灌溉预报方法就是经验目测法，主要根据作物的关键生育阶段或生长过程中的生理特征表现，例如叶面蒸腾反应(有萎蔫现象)进行灌溉预报。这种方法其特点就是简单，但是只能定性，不能定量，不能准确的确定作物缺水程度，也就不可能实施精准灌溉，只能根据灌溉条件进行相应的灌溉。近几十年来，随着科学技术的发展，对作物的生长耗水过程有了一个比较清晰的认识，提出了土壤-作物-大气连续体水分循环系统(SPAC系统)，建立了农作物耗水量与土壤水分之间的相关关系，提出了一系列作物需水量计算和评价方法，使得农田作物灌溉预报方法从定性发展到定量，预报精度有了显著提高。目前用于农田灌溉预报的方法主要有以下四种：

(1)水量平衡计算法，利用FAO推荐的彭曼蒙特斯(Penman-Menteith)公式,通过计算参照作物腾发量，再结合作物系数，计算作物耗水量，然后根据水量平衡原理进行灌溉预报；(2)水量平衡称重法，利用土壤蒸渗仪(SoilLysimeter)测定土壤及作物在外界条件下，土壤水分的蒸腾蒸发变化过程，以推求平衡因素中某些难以直接测定的或需研究的某些因素的变化过程，根据土壤的持水性和作物的特性进行灌溉预报；(3)土壤水分测定法，利用土壤水分传感器定时测定土壤实时含水率，结合作物正常生长需要的适宜含水率进行诊断和灌溉预报；(4)遥感法(光谱法)，通过卫星或飞机的高精度探头，高空遥测地表面温度和地表光谱及反射率等参数，结合地面气象、植被和土壤要素的观测来计算作物腾发量，或利用航片或卫星照片的色彩解读判断分析土壤水分或作物水分供给状况，据此进行灌溉预报。上述四种方法理论上都可以比较准确的反映土壤对作物的水分供应状况，但是水量平衡法在利用彭曼蒙特斯公式计算作物耗水量时需要的参数(气象资料)较多，而且计算量相对较大，在生产实际操作中有一定难度。

蒸渗仪法测定的结果与实际土壤水分变化过程相似性较高，但蒸渗仪成本较为昂贵，且仍不能直接获得作物是否缺水的信息，需要综合分析，故也不宜在实际生产中广泛应用。基于土壤水分传感器的土壤水分测定法一方面需要的土壤水分传感器数量较多(一个传感器只能测定一个点位，不能反映整个根系层的土壤水分状况，而且单点测定结果的代表性不确定)，另一方面探测精度较高的土壤水分传感器价位较高，实际引用成本较高。基于卫星或飞机光谱测定的遥感法一方面受天气的影响，另一方面测定结果往往具有滞后性(对测定结果需要进行判读、定位、解析)，而且测定比例较小，只适用于大尺度宏观预报。另外，近年来部分科技工作者也提出了作物冠层气-叶温差法和茎秆茎直径变化或径流计法，作物冠层气-叶温差法是通过测定作物冠层叶面温度与大气温度，建立作物冠层气-叶温差与土壤含水率之间的相关关系，以此来进行作物灌溉预报。目前由于作物冠层温度的测定精度很难控制，所以应用还具有一定难度。茎秆茎直径变化或径流计法，主要通过测定作物(或植物)茎秆茎直径的变化或土壤供给茎秆径流的变化确定作物是否缺水进行灌溉预报，该方法对测定精度要求很高，所以测定设备的成本较高，而且不同的测定样本和作物，其结果不一样，也缺乏相应的诊断指标，所以该方法目前还处于研究阶段。

总体而言，支撑农田节水灌溉的灌溉预报技术、方法和装备较多，但是可广泛推广应用的灌溉预报方法和设备系统并不多，特别是最基本的灌溉预报装置。

发明内容

针对目前农田灌溉预报系统在实际应用中需要配套的软硬件较多，技术要求和设备成本较高，推广应用难度较大等问题，本发明的目标在于设计一款结构简单，性能可靠，廉价实用，可支撑适时适量并达到精准灌溉的农田节水灌溉预报装置。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种农田作物缺水灌溉自动预报装置，包括一个储水器，储水器顶部设置有与储水器内部连通的蒸发盘，储水器底部与一个水位玻璃管连通；水位玻璃管上设置有报警系统，报警系统包括一对触点，当触点之间有水使触点之间导电形成回路时，报警系统不发出警报；当触点之间没有水使触点之间不导电形成断路时，报警系统发出警报。

进一步地，所述的储水器为顶部开口的容器，在容器顶部设置有塞体，穿过塞体设置有输水导管，输水导管一端伸入到容器内部，另一端位于塞体顶部，并贯连所述的蒸发盘。

进一步地，所述的蒸发盘为边缘带有挡圈的盘体，蒸发盘的直径较储水器顶部的外径大，蒸发盘平行于储水器底部设置，在蒸发盘的盘体中以及输水导管中均填充有棉纱，两部分棉纱相互连接。

进一步地，所述的储水器的外径自底部向顶部的方向逐渐减小，在储水器顶部有一段外径一致的部分，为储水器的颈部；所述的塞体设置在颈部中。

进一步地，所述的报警系统的两个触点中，其中一个触点位于水位玻璃管内的底部，固定设置；另一个触点活动式设置，该触点为尖角状，其在水位玻璃管中的位置可调整。

进一步地，所述的报警系统包括继电器、报警器、开关和电源；从一个触点上引出导线，导线依次连接继电器、报警器并连接至另一个触点，所述的电源和开关串联设置后，并联在报警器的两端。

进一步地，所述的水位玻璃管为空心的L形管，在储水器底部贯连有一个导水管，导水管和水位玻璃管底部弯折部分之间通过橡胶管连接，使水位玻璃管和储水器连通，并使水位玻璃管较长的一端保持垂直于水平面状态。

进一步地，所述的水位玻璃管的顶部设置有盖体，盖体上有两个用于通过导线的通孔。

进一步地，所述的储水器的颈部环绕设置有一个弹圈，弹圈的一端设置有螺栓，另一端设置有与螺栓配合的开孔；在所述的水位玻璃管上套装有另一个同样具有螺栓和开孔的弹圈，储水器和水位玻璃管之间的弹圈上连接有固定杆，固定杆为一根两端有通孔的刚性杆，所述的螺栓穿过刚性杆一端的通孔后，继而穿入开孔中，并利用螺栓将弹圈的两端以及固定杆的端部固定。

本发明的农田节水灌溉预报装置与现有技术和装置相比具有以下特点：

1、结构简单：本发明的农田作物缺水灌溉预报装置采用一个土壤水分蒸发模拟蒸发器，仅有一个简单的圆锥形储水器和一个蒸发盘，外加一个缺水报警系统。

2、性能可靠：圆锥形储水器的锥角大小是基于主要土壤类型水分蒸发特征曲线的相关参数确定，蒸发器的水位下降过程与土壤水分蒸发过程具有较高的相似性，也可通过改变蒸发面的大小模拟不同作物覆盖下的蒸腾蒸发过程。

3、廉价实用：由于结构简单，所以制造成本较低。由于蒸发器与农田土壤和作物都在同样的蒸发环境条件下，在实际使用时，只有根据每次农田灌水定额(包括降水量)向盛水器里面添加对应的水量即可。不需要其他参数，也不需要计算，灌溉预报装置会自动根据盛水器里的水位变化进行缺水预报。而且可根据盛水器里面的水位了解田间土壤水分状况，不仅操作简单，而且比较直观。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为蒸发器部分的结构示意图；

图3为缺水报警系统部分的结构示意图；

图中标号代表：1—储水器，2—蒸发盘，3—输水导管，4—棉纱，5—水位玻璃管，6—弹圈，7—橡胶管，8—传感器，9—开关，10—电源，11—报警器，12—继电器，13—导线，14—水位线，15—固定杆。

具体实施方式

根据研究结果表明，在相同的蒸发条件下，锥形瓶内水位的变化过程与土壤水分蒸发量的变化过程极为相似，因此可以用锥形储水器内水位的变化过程模拟土壤水分蒸发量的变化过程。在此基础上，将水位传感器与蒸发器相连，并接入电路断电报警系统，就可实现缺水灌溉预报功能。

本发明的思路是，采用了一种结构形式特别的蒸发器，使得该蒸发器的测定参数变化过程与农田土壤水分蒸发过程相似。在蒸发器与土壤水分同步蒸发的条件下，根据蒸发器的测定结果就可以实时准确的反映土壤水分状况，同时配套缺水自动报警系统，从而实现农田作物因缺水需要灌溉时的自动预报。

遵从上述技术方案，如图1至图3所示，一种农田作物缺水灌溉自动预报装置，包括一个储水器1，储水器1顶部设置有与储水器1内部连通的蒸发盘2，储水器1底部与一个水位玻璃管5连通，构成连通器结构；水位玻璃管5上设置有报警系统，报警系统包括一对触点8，当触点8之间导电时，报警系统不发出警报；当触点8之间不导电时，报警系统发出警报。

本发明的结构其主要包括两部分内容，第一部分是土壤水分模拟蒸发系统，即上述的储水器1和蒸发盘2部分的内容。储水器1中装有一定量的水，具体的水量根据土壤湿度设置；储水器1顶部的蒸发盘2，是用来增大蒸发量，放大水位变化区间，以提高测定精度；蒸发盘2与储水器1连通，用以蒸发储水器1中的水。储水器1中的水位变化，可通过一个带有刻度的水位玻璃管5来监测，通过构成连通器这种结构，使储水器1和水位玻璃管5中的水位始终处于同一高度。

通过上述结构的设置，可以看到，水位玻璃管5中水位的高低能直接反映出储水器1内水量蒸发的多少。如前面所述，在蒸发条件相同的情况下，锥形瓶内的视为变化过程与土壤水分蒸发量的变化过程相似度是非常高的。那么就可以利用水位玻璃管5中水位的变化来评定同样条件下土壤中水分蒸发量的多少。根据这个指导思想，进一步完善了本发明的第二部分：报警系统。报警系统的设置原理是，根据水位玻璃管5中水位的变化，能精确地提供预报功能。其基本要求是，用两个水位传感器，即上述的触点8，构成一个监测端，当两个触点8之间存在水体，使触点8之间连通导电时，报警器11不工作，否则报警器11发出警报，提醒灌溉。另外考虑到实际使用价值，报警系统还要有结构简单、经济、设置方便的要求。

更进一步地，本方案中，储水器1和蒸发盘2部分具体设置方式是，储水器1为顶部开口的容器，在容器顶部设置有塞体，穿过塞体设置有输水导管3，输水导管3一端伸入到容器内部，另一端位于塞体顶部，并贯连所述的蒸发盘2。蒸发盘2用来增大蒸发量，为了使整个监控过程更加精确和便于对蒸发盘2的设置，如图2所示，需要对储水器1顶部利用塞体密闭，仅通过输水导管3向蒸发盘2中提供蒸发水量。输水导管3的下端伸入到储水器。

为了使储水器1中的水能更加有效、无断续地通过蒸发盘2蒸发，同时更加精确地模拟土壤实际环境，使整个蒸发器部分的蒸发过程尽可能接近土壤，设置蒸发盘2为边缘带有挡圈的盘体，蒸发盘2的直径较储水器1顶部的外径大，蒸发盘2平行于储水器1底部设置，在蒸发盘2的盘体中以及输水导管3中均填充有棉纱4，两部分棉纱4相互连接。棉纱4的吸水性较强，因而也能更好地传导水分，并使蒸发盘2中的棉纱4与输水导管3里的棉纱4紧密相连。较不设置棉纱4相比，这种方式能更加有效地传导储水器1中的水分，使蒸发器的蒸发条件与实际情况接近度更高。

发明人在储水器1的选取上进行了长时间的研究与多次试验。试验和研究结论是，储水器1的设置最好为：储水器1的外径自底部向顶部的方向逐渐减小，在储水器1顶部有一段外径一致的部分，为储水器1的颈部；所述的塞体设置在颈部中。

即，储水器1最好是整体为圆锥形结构，下大而上小，这种结构是经过多次试验后，储水器1内水位变化与土壤水分蒸发量变化相似度最高的一种。这种锥形储水器1结构，其锥角大小与土壤性质有关，应根据不同的土壤组成、土壤松软度等因素来实际选取合适锥角的储水器1。

水位玻璃管5为空心的L形管，水位玻璃管5用来观测和设置灌溉预报临界点(农田作物适宜的土壤下限含水率)并进行水位显示(带毫米级刻度标记，标记方式为从上往下数值逐渐增大)；在储水器1底部贯连有一个导水管，导水管和水位玻璃管5底部弯折部分之间通过橡胶管7连接，使水位玻璃管5和储水器1连通，并使水位玻璃管5较长的一端保持垂直于水平面状态；连接时应保持导水管和储水器1连接部分的密闭性，保证不漏水。储水器1的颈部环绕设置有一个弹圈6，弹圈6的一端设置有螺栓，另一端设置有与螺栓配合的开孔；在所述的水位玻璃管5上套装有另一个同样具有螺栓和开孔的弹圈6，储水器1和水位玻璃管5之间的弹圈6上连接有固定杆15，固定杆15为一根两端有通孔的刚性杆，所述的螺栓穿过刚性杆一端的通孔后，继而穿入开孔中，并利用螺栓将弹圈6的两端以及固定杆15的端部固定。通过上述的设置方式，使水位玻璃管5始终保持垂直状态，并且保持与锥形瓶之间的稳固。

具体的报警系统的设置如下：

报警系统的两个触点8中，其中一个触点8位于水位玻璃管5内的底部，固定设置；另一个触点8活动式设置，该触点8为尖角状，其在水位玻璃管5中的位置可调整。底部的触点8为固定端，上部的触点8为参考端，可调整两个触点8之间的距离，以使其中容纳更多的水量。报警系统包括继电器12、报警器11、开关9和电源10；从一个触点8上引出导线13，导线13依次连接继电器12、报警器11并连接至另一个触点8，所述的电源10和开关9串联设置后，并联在报警器11的两端。为了避免水位玻璃管5中水分的蒸发对结果造成的误差影响，水位玻璃管5的顶部设置有盖体，盖体上有两个用于通过导线13的通孔，以尽可能避免水位玻璃管5中水量的损失。

本发明的原理和使用过程如下：

首先将农田作物缺水灌溉预报装置所涉及的部件按图1完成组装，即将蒸发盘2与输水导管3连接在一起，并放置蒸发和输水所用的棉纱4，保证蒸发盘2里的棉纱4与输水导管3里的棉纱4紧密接触，以便圆锥形储水器1里的水比较容易的上升到蒸发盘2用于蒸发，然后将输水导管3插入圆锥形储水器1，并将蒸发盘2固定在圆锥形储水器1上。

利用橡胶管7将水位显示水位玻璃管5连接起来(密封，不漏水)，使得储水器1和水位玻璃管5构成连通体，并用专用的固定夹子(弹圈6)将圆锥形储水器1的颈部和水位玻璃管5固定起来，使得水位玻璃管5处于垂直状态。其次用导线13将传感器(两个触点8)、电源10开关9(连接时必须处于断开状态)、低压电源10串联连接，再与报警器11(或报警灯)和继电器12分别并联连接，如图3所示。

将农田作物缺水灌溉预报装置安放在田间有代表性的地面位置(与农田蒸发环境条件相同)，给圆锥形储水器1加水(非蒸馏水)，加水量的多少需根据土壤含水率的大小来确定，含水率越大，加水量越多，盛水器里的水位越高，水位的高低可以从旁边带刻度的水位玻璃管5获得，如果土壤含水率达到饱和状态时(这种状态通常只有在灌溉刚结束或较大的降雨刚停止后短时间存在)，盛水器则须加满水，此时水位玻璃管5内水位所处的位置刻度为0。但大多数情况下，土壤含水率在田间持水率以下。当给圆锥形储水器1加水后，输水导管3内的棉纱4就会吸水湿润，并且在水势的作用下，就会很快的湿润蒸发盘2内的棉纱4。在初次使用时，加水后的水位必须是在棉纱4湿润的条件下达到设计水位。然后调整上触点8的位置，使其触头固定在作物适宜的土壤含水率下限所对应的水位处。下一步合上电源10开关9，利用普通水的导电性，两个触点8之间形成闭合的电流通路，当开关9闭合后，继电器12吸合，报警器11进入非工作状态。

在太阳辐射等蒸发因素作用下，蒸发器开始蒸发，圆锥形储水器1里的水位线14开始下降。由于圆锥形储水器1的上口部分直径较小，开始水位下降相对较快，随着圆锥形储水器1中水位线14的下降，对应处的直径增大，圆锥形储水器1里的水位下降速度逐渐减慢。经过一段时间的蒸发后，圆锥形储水器1里的水位线14会有一个较大的降低，同样水位显示水位玻璃管5里的水位也会产生同样的下降，当水位线14下降到位于上方的触点8(对应设定的允许最小土壤含水量值)以下时，两个触点8之间出现断路，此时继电器12释放，报警器11启动开始报警，表明相应的土壤含水率降低到了作物适宜的最低含水率以下，需要尽快进行农田灌溉以补充土壤水分。

根据作物生育阶段及生长情况确定适宜的灌水定额进行灌溉，当灌水结束后，立即根据实际灌水定额(灌水深度)，结合蒸发盘2与圆锥形储水器1口径放大比例，确定向圆锥形储水器1中需添加的水量，注入到圆锥形储水器1中，加水后第二个蒸发和灌溉预报过程开始，如此程序循环往复持续进行，直到作物的生育期结束，停止灌溉。

Claims (9)

1.一种农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，包括一个储水器(1)，储水器(1)顶部设置有与储水器(1)内部连通的蒸发盘(2)，储水器(1)底部与一个水位玻璃管(5)连通；水位玻璃管(5)上设置有报警系统，报警系统包括一对触点(8)，当触点(8)之间有水使触点(8)之间导电形成回路时，报警系统不发出警报；当触点(8)之间没有水使触点(8)之间不导电形成断路时，报警系统发出警报。

2.如权利要求1所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的储水器(1)为顶部开口的容器，在容器顶部设置有塞体，穿过塞体设置有输水导管(3)，输水导管(3)一端伸入到容器内部，另一端位于塞体顶部，并贯连所述的蒸发盘(2)。

3.如权利要求2所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的蒸发盘(2)为边缘带有挡圈的盘体，蒸发盘(2)的直径较储水器(1)顶部的外径大，蒸发盘(2)平行于储水器(1)底部设置，在蒸发盘(2)的盘体中以及输水导管(3)中均填充有棉纱(4)，两部分棉纱(4)相互连接。

4.如权利要求2所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的储水器(1)的外径自底部向顶部的方向逐渐减小，在储水器(1)顶部有一段外径一致的部分，为储水器(1)的颈部；所述的塞体设置在颈部中。

5.如权利要求1所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的报警系统的两个触点(8)中，其中一个触点(8)位于水位玻璃管(5)内的底部，固定设置；另一个触点(8)活动式设置，该触点(8)为尖角状，其在水位玻璃管(5)中的位置可调整。

6.如权利要求5所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的报警系统包括继电器(12)、报警器(11)、开关(9)和电源(10)；从一个触点(8)上引出导线(13)，导线(13)依次连接继电器(12)、报警器(11)并连接至另一个触点(8)，所述的电源(10)和开关(9)串联设置后，并联在报警器(11)的两端。

7.如权利要求1所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的水位玻璃管(5)为空心的L形管，在储水器(1)底部贯连有一个导水管，导水管和水位玻璃管(5)底部弯折部分之间通过橡胶管(7)连接，使水位玻璃管(5)和储水器(1)连通，并使水位玻璃管(5)较长的一端保持垂直于水平面状态。

8.如权利要求6所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的水位玻璃管(5)的顶部设置有盖体，盖体上有两个用于通过导线(13)的通孔。

9.如权利要求1所述的农田作物缺水灌溉自动预报装置，其特征在于，所述的储水器(1)的颈部环绕设置有一个弹圈(6)，弹圈(6)的一端设置有螺栓，另一端设置有与螺栓配合的开孔；在所述的水位玻璃管(5)上套装有另一个同样具有螺栓和开孔的弹圈(6)，储水器(1)和水位玻璃管(5)之间的弹圈(6)上连接有固定杆(15)，固定杆(15)为一根两端有通孔的刚性杆，所述的螺栓穿过刚性杆一端的通孔后，继而穿入开孔中，并利用螺栓将弹圈(6)的两端以及固定杆(15)的端部固定。