CN106035003A - 一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，步骤一：通过安装在稻田监测小区的信息采集装置，实时获取各个稻田小区的气象、水位及土壤墒情的基础数据，将获取的数据发送至无线测控模块；步骤二：无线测控模块接收数据，将其发送至系统分析中心；系统分析中心结合通过前期设定稻田灌溉/排水分析程序，自动运行设定程序，生成灌溉阀门及排水闸门的开启与关闭控制信号；步骤三：智能控制器根据从系统分析中心接收的信号控制灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭；同时将相关基础数据发送至手机监控终端，进行人工控制。本发明能够实现稻田面源污染输出的调控，达到面源氮磷流失最小化；实现水稻田节水灌溉数字化精确控制水位深度。

Description

一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法

【技术领域】

本发明涉及一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，尤其是涉及一种通过耦合田间水位、沟渠水位、土壤湿度及降雨信息，实现田间水位调节与面源氮磷污染流失最小化的稻田智能管理方法。该方法可以应用于环境监测、农业面源污染防控，属于面源污染防控技术领域。

【背景技术】

农业面源污染是指在农业生产活动中，农田中的泥沙、营养盐、农药及其它污染物，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏，进入水体而形成的面源污染，是最为重要且分布最为广泛的面源污染。水稻是我国的主要粮食作物，稻田也是我国农业面源污染的重要来源。研究表明，农田中的氮磷面源污染主要是通过地表径流作用形成的，当降雨和灌溉强度超过农田土壤下渗速度时就形成了地表径流，它将作物未利用的氮磷带出农田，并污染周边环境。其污染负荷与降雨状况、土壤特性、施肥状况、农业土地利用和田间管理方式等因素密切关系。在稻田耕作中，由于水稻喜湿，为保证作物需水量，因而用于田间灌溉的水量较大，水资源浪费严重，同时易增加地表径流，引起面源污染。因此针对水稻主产区面源污染流失特征，开展水稻主产区控水减排氮磷污染关键技术研发，这对实现水稻主产区水资源高效利用和有效减少面源氮磷污染具有重要的理论和现实意义。

应用于节水灌溉技术领域的系统较为常见，例如申请号为201310245037.6，名称为一种灌区田间节水智能化灌溉系统，公开号为CN103299882B的专利，通过土壤墒情采集模块和气象信息采集模块，利用智能控制器生成渠道闸门开启与关闭控制信号，来操控农田灌溉状态，实现智能化灌溉。还有更多的是利用生态沟渠、集水设施等径流终端收集装置和方法来控制农业面源污染的技术，例如一种人工稻田湿地系统及控制农田面源污染的方法(申请号为201510245277.5)，利用沟塘系统防治平原水网区农田面源污染的方法(申请号为201510753570.2)，以及一种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统和方法(申请号为201210251534.2)等专利。

上述专利大多单一的进行节水或是减排工作，且减排工作主要以排水终端控制为主，缺少既能智能化节水、又能在源头控制面源污染产生的系统化技术。本发明将在田块尺度通过水稻蒸腾、土壤湿度、田面水深度、沟渠水位、施肥及气象信息的耦合分析，通过田间水位、灌溉水量和沟渠水位的耦合联动分析，得到田块尺度稻田控水减排决策支持系统，实现稻田水位预测和面源污染安全排放。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，旨在解决农业面源污染严重、田间水资源浪费的问题，能够实现7天的稻田水位精准预测和面源污染安全排放。

本发明是一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，该方法包括步骤：

步骤一：基础数据采集；

通过安装在稻田监测小区的气象、水位、土壤墒情信息采集装置，实时获取各个稻田小区的气象、水位及土壤墒情的基础数据，并将获取到的基础数据发送至无线测控模块。

阶段二：系统分析控制；

无线测控模块接收所述的基础数据，并将其发送至系统分析中心；系统分析中心结合通过前期设定稻田灌溉/排水分析程序，自动运行设定程序，生成灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭控制信号。

阶段三：远程控制终端；

智能控制器根据从系统分析中心接收的信号控制灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭。同时系统分析中心将相关基础数据发送至手机监控终端，手机监控终端可查看作物生长及环境相关信息，并可选择关闭自动运行程序，进行人工控制，将控制信号发送到智能控制器即可进行灌溉或排水。

其中，步骤一中信息采集装置采集到的用于分析程序的数据包括；水位信息采集模块测得的初始田面水位H₀(mm)，气象信息采集模块测得的田面蒸发量E₀(mm/d)，以及7天内预测降雨量P(mm/d)；气象信息采集模块采集的包括空气温度、空气湿度、风速、风向、气压和雨量等信息，用于对作物生长及环境情况的观测分析；土壤墒情采集模块测得的土壤温度、土壤湿度等数据，用于监测是否处于水稻正常生长所需状态(特别需要满足灌水下限之上)。

其中，步骤二需要根据当地实际情况进行输入数据，包括：水稻生长各时期的需水系数α，一般水稻的α＝0.9-1.3，根据“α值法”时段内作物作物需水量ET＝αE₀；稻田日渗漏量S(mm/d)，根据作物需水量和日渗漏量，得到作物田间耗水量W_c＝ET+ST，其中T(d)为预测时长(作物田间耗水量也可通过输入作物耗水强度得到)；水稻不同生长时期的田面需求水位H(mm)。

其中，步骤二中关于系统分析中心的灌溉/排水分析程序，具体是将H设定为田面需求水位(mm)，H₀为初始田面水位(mm)，P为时段内预测降雨量(mm/d)，W_c为时段内田间耗水量(mm)，Q为灌溉水量(mm)，D为排水量(mm)，T为预测时长(d)。一般在实际操作中，除返青期需要保持一定的水层，其他时期根据灌溉分析程序结果进行间歇灌溉即可，排水操作则可根据排水分析程序进行。当H₀+PT–H-W_c<0时，系统生成灌溉信号，进行田间灌溉，其中灌溉水量Q＝H+W_c-H₀–PT；当H₀+PT–H-W_c>0时，系统生成排水信号，进行田间排水(排田面水)，其中排水量D＝H₀+PT-H-W_c。

本发明方法所应用的设备为一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理系统，该智能管理系统包括：

数据采集模块，具体包括气象信息采集模块，用于采集空气温度、空气湿度、风速、风向、气压和雨量信息，并通过无线通信方式进行输出的；水位信息采集模块，用于采集田面水深度、沟渠水位、地下水位等信息，并通过无线通信方式进行输出；土壤墒情采集模块，用于采集土壤温度、土壤湿度、蒸发量等信息，并通过无线通信方式进行输出；

无线测控模块，与所述数据采集模块及系统分析中心进行无线通讯，用于接收气象信息采集模块、水文信息采集模块以及土壤墒情采集模块所采集到的各类信息，并传输给系统分析中心；

系统分析中心，用于接收、存储并处理无线测控模块所传输的信息，通过前期设定稻田灌溉/排水分析程序，自动运行设定程序，生成灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭控制信号，与智能控制器相连接；

智能控制器：用于接收所述系统分析中心输出的灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭控制信号，并根据所接收的信号控制灌溉阀门以及排水闸门电机动作的执行模块；

供电模块：与所述数据采集模块、无线测控模块、系统分析基站、智能控制器等分别连接，用于提供电源；

手机监控终端，与所述系统分析中心进行无线通讯，用于接收所述系统分析中心传送的农田灌溉的气象、水位及土壤信息，并可直接控制所述执行模块中灌溉阀门以及排水闸门动作的手机监控终端。

进一步，所述气象信息采集模块，是指用于采集空气温湿度、风速风向、气压和降雨信息，并将所采集信息输出的综合数字气象仪，；

所述水位信息采集模块，是指用于采集田面水深度、沟渠水位、地下水位等信息，并将信息输出的水位监测仪；

所述土壤墒情采集模块，是指用于采集土壤温度并进行输出的土壤温湿度传感器，采集土壤湿度信息并进行输出的土壤水分检测装置；

所述供电模块，包括太阳能板、太阳能控制器和蓄电池。三者之间的关系是：在太阳能控制器的控制下，将由太阳能板转化太阳辐射能量得到电能，送往蓄电池中存储，并在需要的时候释放出来。通过白天对太阳能收集转化为电能进行储备，来用于各模块的电量使用。

本发明的一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，其优点及功效在于：能够实现稻田面源污染输出的调控，达到面源氮磷流失最小化。其次，将智能控制应用于节水灌溉领域，实现水稻田节水灌溉数字化精确控制水位深度。该系统的建立可以解决农业面源污染严重、田间水资源浪费等问题。同时，本发明经济可靠、简单易行、智能化水平高，具有较好的经济效益、生态效益和社会效益。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的调控稻田面源污染的节水控水智能管理系统的结构示意图。

图2是本发明实施案例中排灌沟渠的布置图。

图3是本发明实施案例使用图1所示系统实现稻田面源污染调控下节水控水智能方法的流程示意图。

图中，1、稻田监测小区；2、排水闸门；3、灌溉阀门；4、水位信息采集模块；5、土壤墒情采集模块；6、电源连接线与数据通讯线；7、无线测控模块；8、气象信息采集模块；9、系统分析中心；10、手机监控终端；11、太阳能控制器；12、蓄电池；13、太阳能板；14、智能控制器；15、排水沟；16、灌溉渠；17、斗沟；18、农沟；19、毛沟；20、斗渠；21、农渠；22、毛渠。

【具体实施方式】

以下结合附图和实施案例对本发明的具体实施方案做进一步详细描述。以下所描述的实施案例仅用于解释本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的调控稻田面源污染的节水控水智能管理系统的结构示意图，如图1所示，本实施例的调控稻田面源污染的节水控水智能管理系统，包括：气象信息采集模块8，水位信息采集模块4，土壤墒情采集模块5，无线测控模块7，系统分析中心9，智能控制器14，供电模块(包括太阳能控制器11、蓄电池12、太阳能板13)，以及手机监控终端10。在水稻种植中，一般将农田分成许多田格，以田格为单位，该实施案例中田格长100m、宽25m。

气象信息采集模块8，主要作用为记录植物的生长环境状态，具体的可选用SHQ-2型综合数字气象仪，安装于稻田监测小区1的空地，用于采集空气温度、空气湿度、风速、风向、气压和雨量等信息，并将信息传输给无线测控模块7；

水位信息采集模块4，可选用水位监测仪进行监测，安装于各个稻田监测小区1的稻田内及田间的沟渠中，用于采集田面水深度、沟渠水位、地下水位等信息，并将信息传输给无线测控模块7；

土壤墒情采集模块5，可选用土壤温湿度传感器进行信息采集，安装于用于各个稻田监测小区1的稻田内，用于采集土壤温度、土壤湿度等信息，并将信息传输给无线测控模块7；

无线测控模块7，与所述水位信息采集模块4、土壤墒情采集模块5、气象信息采集模块8及系统分析中心9进行无线通讯，用于接收气象信息采集模块8、水文信息采集模块4以及土壤墒情采集模块5所采集到的各类信息，并传输给系统分析中心9。具体的传输过程中需要合理规划电源连接线与数据通讯线的数量及位置。

系统分析中心9，用于接收、存储并处理无线测控模块7所传输的信息，完成对实时采集数据的显示、存储，对历史数据库的查询、显示、管理、维护、报表打印，可方便管理人员查询和管理用户基本信息、用水量、农作物生长情况等。通过前期设定稻田灌溉/排水分析程序，自动运行设定程序，生成灌溉阀门3以及排水闸门2的开启与关闭控制信号，与所述智能控制器14相连接；

智能控制器14：用于接收所述系统分析中心9输出的灌溉阀门3以及排水闸门2的开启与关闭控制信号，并根据所接收的信号控制灌溉阀门3以及排水闸门2电机动作的执行模块；

手机监控终端10，与所述系统分析中心9进行无线通讯，用于接收所述系统分析中心9传送的农田灌溉的气象、水位及土壤信息，并可直接控制所述执行模块中灌溉阀门3以及排水闸门2动作；

供电模块：包括太阳能控制器11、蓄电池12和太阳能板13，与所述气象信息采集模块8、水位信息采集模块4、土壤墒情采集模块5、无线测控模块7、系统分析中心9、智能控制器14等分别连接，用于提供电源。通过白天对太阳能收集转化为电能进行储备，来用于之后夜间或者其他特殊天气下各个设备的电量使用，体现了绿色环保的科学理念，也很方便快捷。具体的可根据各设备的数量以及当地日照情况来计算用电量后确定供电模块中太阳能板大小和蓄电池容量。

图2是实施案例中排灌沟渠的布置图，根据实际情况构建田间排水系统和灌溉系统。稻田灌溉主要为泡田期和插秧后的生育期，本实施案例中设置了斗渠20、农渠21和毛渠22进行间歇灌溉，以满足水稻的需水要求的前提下做到节水灌溉。排水则选用明沟排水，为使明沟达到控制地下水位的作用，其相对单纯排除地面水的明沟要略深。明沟排水系统包括了田间排水沟网(毛沟19和农沟18)和输水沟道(斗沟17)。排灌沟渠具体设置可参考图2所示，系统内排灌渠道的深度、间距及底面宽度的一般设置如下表1所示。

表1

图3是本发明实施案例使用图1所示系统实现稻田面源污染调控下节水控水智能管理的流程示意图，该调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，主要包括以下三个阶段。

阶段一：基础数据采集，通过安装在稻田监测小区的气象、水位、土壤墒情信息采集装置，实时获取各个稻田小区的气象、水位及土壤墒情的基础数据，并将获取到的基础数据发送至无线测控模块。其中用于分析程序的数据包括，水文信息采集模块4测得的初始田面水位H₀(mm)，气象信息采集模块8测得的田面蒸发量E₀(mm/d)，以及7天内预测降雨量P(mm/d)；气象信息采集模块8采集的包括空气温度、空气湿度、风速、风向、气压和雨量等信息，用于对作物生长及环境情况的观测分析；土壤墒情采集模块5，测得的土壤温度、土壤湿度等数据，用于监测是否处于水稻正常生长所需状态(特别需要满足灌水下限之上)。阶段二：系统分析控制，无线测控模块接收所述的基础数据，并将其发送至系统分析中心。系统分析中心结合通过前期设定稻田灌溉/排水分析程序，自动运行设定程序，生成灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭控制信号。需要根据当地实际情况进行输入的数据包括：水稻生长各时期的需水系数α，一般水稻的α＝0.9-1.3，根据“α值法”时段内作物作物需水量ET＝αE₀；稻田日渗漏量S(mm/d)，根据作物需水量和日渗漏量，得到作物田间耗水量W_c＝ET+ST，其中T(d)为预测时长(作物田间耗水量也可通过输入作物耗水强度得到)；水稻不同生长时期的田面需求水位H(mm)。

具体地，关于系统分析中心的灌溉/排水分析程序，将H设定为田面需求水位(mm)，H₀为初始田面水位(mm)，P为时段内预测降雨量(mm/d)，W_c为时段内田间耗水量(mm)，Q为灌溉水量(mm)，D为排水量(mm)，T为预测时长(d)。一般在实际操作中，除返青期需要保持一定的水层，其他时期根据灌溉分析程序结果进行间歇灌溉即可，排水操作则可根据排水分析程序进行。当H₀+PT–H-W_c<0时，系统生成灌溉信号，进行田间灌溉，其中灌溉水量Q＝H+W_c-H₀–PT；当H₀+PT–H-W_c>0时，系统生成排水信号，进行田间排水(排田面水)，其中排水量D＝H₀+PT-H-W_c。水稻生育期各阶段的需求水位和耗水强度等可以参考下表2。

表2

阶段三：远程控制终端，智能控制器根据从系统分析中心接收的信号控制灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭。同时系统分析中心将相关基础数据发送至手机监控终端，手机监控终端可查看作物生长及环境相关信息，并可选择关闭自动运行程序，进行人工控制，将控制信号发送到智能控制器即可进行灌溉或排水。

针对稻田面源污染监测中灌溉用水量大、监测数据误差大、雨后排水流量大导致面源污染严重等难题，通过这三个阶段的实施，本发明将能够实现稻田面源污染输出的调控，实现灌溉用水、排水和田沟水位的精准化管理，达到面源氮磷流失最小化。

Claims (4)

1.一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，该方法包括步骤：

步骤一：基础数据采集；

通过安装在稻田监测小区的气象、水位、土壤墒情信息采集装置，实时获取各个稻田小区的气象、水位及土壤墒情的基础数据，并将获取到的基础数据发送至无线测控模块；

步骤二：系统分析控制；

无线测控模块接收所述的基础数据，并将其发送至系统分析中心；系统分析中心结合通过前期设定稻田灌溉/排水分析程序，自动运行设定程序，生成灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭控制信号；

步骤三：远程控制终端；

智能控制器根据从系统分析中心接收的信号控制灌溉阀门以及排水闸门的开启与关闭；同时系统分析中心将相关基础数据发送至手机监控终端，手机监控终端可查看作物生长及环境相关信息，并可选择关闭自动运行程序，进行人工控制，将控制信号发送到智能控制器即可进行灌溉或排水。

2.根据权利要求1所述的一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，其特征在于：步骤一中信息采集装置采集到的用于分析程序的数据包括；水位信息采集模块测得的初始田面水位H₀，气象信息采集模块测得的田面蒸发量E₀，以及7天内预测降雨量P；气象信息采集模块采集的包括空气温度、空气湿度、风速、风向、气压和雨量等信息，用于对作物生长及环境情况的观测分析；土壤墒情采集模块测得的土壤温度、土壤湿度等数据，用于监测是否处于水稻正常生长所需状态。

3.根据权利要求1所述的一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，其特征在于：步骤二需要根据当地实际情况进行输入数据，包括：水稻生长各时期的需水系数α，一般水稻的α＝0.9-1.3，根据“α值法”时段内作物作物需水量ET＝αE₀；稻田日渗漏量S，根据作物需水量和日渗漏量，得到作物田间耗水量W_c＝ET+ST，其中T为预测时长；水稻不同生长时期的田面需求水位H。

4.根据权利要求1所述的一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法，其特征在于：步骤二中关于系统分析中心的灌溉/排水分析程序，具体是将H设定为田面需求水位，H₀为初始田面水位，P为时段内预测降雨量，W_c为时段内田间耗水量，Q为灌溉水量，D为排水量，T为预测时长；当H₀+PT–H-W_c>0时，系统生成灌溉信号，进行田间灌溉，其中灌溉水量Q＝H+W_c-H₀–PT；当H₀+PT–H-W_c>0时，系统生成排水信号，进行田间排水，其中排水量D＝H₀+PT-H-W_c。