CN107368109B - 面向用户的稻田水量水质远程调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向用户的稻田水量水质远程调控方法，涉及环境监测、节水灌溉及农业面源污染控制领域。通过稻田监测小区的水位及水质信息采集装置实时获取稻田水位及水质数据，获取的数据传输至无线数传模块；无线数传模块将其传输至数据分析模块；数据分析模块接收并分析数据，生成进水阀门和排水阀门的控制信号；阀门控制器根据从数据分析模块接收的信号控制进水阀门和排水阀门；手机终端同时接收数据分析模块发送的数据，可实时实施人工控制。本发明依据水稻全生育期的生态需水量及水环境保护要求，通过分析实时获取的稻田水位、水质信息，科学调控田间灌溉及排水，实现远程调控、节水灌溉、最大限度减缓稻田氮磷流失等多重目标。

Description

面向用户的稻田水量水质远程调控方法

技术领域

本发明涉及环境监测、节水灌溉及农业面源污染控制领域，具体涉及一种面向用户的稻田水量水质远程调控方法。

该方法依据区域稻田全生育期生态需水量及水环境保护目标，基于田间实时水位-水质数据分析，远程实时控制稻田灌溉和排水，实现节水灌溉、最大限度减缓稻田氮磷流失。

背景技术

稻田氮磷流失是导致附近受纳水体富营养化的重要原因之一。水稻生长过程会经历泡田期、返青期、分蘖期、拔节期、抽穗期、乳熟期、黄熟期等不同阶段。在水稻生长全生育期内，不同生长阶段的田间需水量不同，加上降雨事件的存在，需求进行多次灌溉和排水操作。由于在水稻全生育期内通常施磷肥1次(基肥)、施氮肥至少3次(基肥、分蘖肥、穗肥)，灌溉约10次，加上自然降雨、植物吸收、土壤吸附、渗漏、蒸发等多因素综合影响，导致水稻全生育期内田面水位及养分含量呈时序动态变化。水田氮磷流失主要由水稻生长季节大雨、暴雨后田面水溢出田埂产生的径流以及人为排水所致，施肥导致水稻田面水浓度增加，在此期间降雨和人为排水大大增加了稻田氮磷流失风险。由于排水与田面水中的氮磷浓度变化密切相关，因此，田面水量-水质耦合变化是指导稻田水量管理的重要科学依据。

目前，已有关于水田水量自动调控装置的相关专利，如CN201110063245公开了“水田灌溉排水自动控制装置”、CN201620524972公开了“一种用于控制水田水位的自动排水阀门”、CN106035003公开了“一种调控稻田面源污染的节水控水智能管理方法”。上述专利的共同点是，灌排水控制主要以田间水量或水位作为判断依据、忽视了田面水水质状况，易导致在满足稻田水量需求情况下高浓度田面水的氮磷流失，加大农业面源污染及受纳水体富营养化风险。

本发明提出一种面向用户的稻田水量水质远程调控方法，主要优点是，依据水稻全生育期内不同阶段的田间需水量和水环境保护要求，综合考虑田面水位-水质耦合变化，科学控制田间灌溉和排水，实现3个目的：(1)灌排水的远程控制；(2)节水灌溉；(3)最大程度减缓稻田氮磷流失。

发明内容

本发明的目的在于，提供面向用户的稻田水量水质远程调控方法。该方法依据水稻全生育期田间需水量、当地水环境保护要求及稻田实时水位-水质实时变化，实现田间节水灌溉的自动化，并可依据需要情况实施人工干预。本发明的优点是：田间节水灌溉的自动化与人工干预相结合，最大限度地减少稻田营养物质的流失，尽可能地减少稻田排水对当地江河湖泊等水体造成的污染。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向用户的稻田水量水质远程调控方法，该方法包含下列步骤：

a、在监测小区中安装水位信息采集装置和水质信息采集装置；水位信息采集装置和水质信息采集装置将采集到的水位信息和水质信息实时发送给无线数传模块；无线数传模块将接收到的信息传输给数据分析模块；

b、在稻田的灌水渠处安装进水阀门，在排水沟处安装排水阀门，稻田的进水阀门和排水阀门分别连接到阀门控制器；阀门控制器与数据分析模块连接；阀门控制器和数据分析模块分别与手机终端无线连接；

c、在数据分析模块进行基础数据输入及初始值设置

依据稻田所处的区域特征及灌溉模式，输入基础数据至数据分析模块，包括：田埂(10)高度h，由水稻专家确定的该区域水稻全生育期中各生育期的适宜水位H_s、上限水位H_max和下限水位H_min，区域稻田水质控制指标及其浓度限制C_s；进水阀门的初始高度设置为田埂高度h，排水阀门初始高度设置为相应生育期的上限水位H_max；

d、数据分析模块依据实时接收到的信息进行数据分析及处理，给阀门控制器下达指令，自动控制进水阀门和排水阀门的开或者关；

当数据分析模块接收到稻田水位小于(H_s+H_min)/2时，数据分析模块给阀门控制器下达指令，阀门控制器打开进水阀门执行进水操作；直到数据分析模块接收到稻田水位等于(H_s+H_max)/2时，数据分析模块给阀门控制器下达指令，关闭进水阀门；

当数据分析模块接收到稻田水位大于(H_s+H_max)/2、且氮磷浓度小于区域稻田氮磷浓度排放限制时，数据分析模块给阀门控制器下达指令，阀门控制器将排水阀门的高度调整至(H_s+H_max)/2；当数据分析模块接收到稻田水位大于(H_s+H_max)/2、且氮磷浓度大于区域稻田氮磷浓度排放限制时，数据分析模块给阀门控制器下达指令，阀门控制器将排水阀门的高度调整至H_max。

e、手机终端接收数据分析模块发送的信息，进行实时监控，并可通过关闭自动控制程序，对阀门控制器进行人工控制。

其中，步骤1中信息采集装置采集到的数据包括：田面水位H，用于监测田间水位是否满足水稻相应生育期的生态需水要求；水质传感器采集的氨氮、硝氮、pH、电导率、氧化还原电位、SS等水质信息，用于分析田面水的水质状况、筛选水质控制指标；水质监测指标可扩展。

其中，步骤d数据分析过程中，水质控制指标从水质信息采集装置的采集指标中选取，具体以C_i/C_si偏大者作为优选控制指标(C_i为第i个指标的实测浓度，C_si为第i个指标的区域稻田田面水排放浓度限值)，或根据区域水环境敏感因子人为设定控制指标；

其中，步骤d数据分析过程中，区域稻田田面水氮磷排放浓度限值C_s标准参考《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》及地方水环境保护相关要求等确定；

其中，数据分析模块具有水位-水质实时分析和水位-水质动态模拟双重功能；

其中，数据分析模块在水位水质实时分析过程中，考虑到田面水因蒸发、蒸腾、作物吸收和渗漏等过程发生损失，水位呈实时变化，田间水位以[(H_s+H_min)/2，(H_s+H_max)/2]为水稻各生长期的常规水位调控区间；

其中，数据分析模块在水位水质动态模拟过程中，分别设C₀为水质控制指标初始浓度、H₀为初始水位、C_t为模拟时刻浓度、H_t为模拟时刻水位、P_t为时段内降雨量(近似为径流深)；在次降雨事件的短时间内，忽略蒸发、蒸腾、作物吸收和渗漏影响，在稻田面积一定的前提下满足C₀H₀＝C_tH_t、H_t＝H₀+P_t，依此可模拟不同次降雨条件下(P_t)的水位-水质动态变化(H_t～C_t)，尤其在C₀>C_s的情况下，预测结果可为手机终端依据当地天气预报等信息实施人工控制提供决策支持。

本发明的优点：以往的稻田灌排水操作主要以田间水量或水位作为参考指标，忽略了田面水水质状况。该方法同时监测稻田水位和水质变化，并结合水稻作物生长节律和水环境保护要求科学指导稻田进水和排水，在满足水稻生态需水量的前提下，提高稻田氮磷利用率、最大限度减少稻田氮磷流失。

附图说明

图1为面向用户的稻田水量水质远程调控方法结构示意图。

其中：1为水位信息采集模块，2为水质信息采集模块，3为进水阀门，4为排水阀门，5为无线数传模块，6为数据分析模块，7为阀门控制器，8为手机终端，9为稻田监测小区，10为田埂，11为灌溉渠，12为排水沟。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。以下所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

本实施例以田块为监控对象，稻田为100m(长)×20m(宽)，田埂高度为0.3m。由于氨氮是田面水中无机氮素的主要形态及影响氮素转化的关键物质，根据当地水质保护目标要求，水质控制指标选择氨氮；稻田小区所在地受纳水体为Ⅴ类水质，田间排水的氨氮执行《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》的Ⅴ级标准，即氨氮控制浓度为2.0mg/L。

如图1所示，本实施例提供的面向用户的稻田水量水质远程调控系统，由水位信息采集模块1、水质信息采集模块2、灌溉阀门3、排水阀门4、无线数传模块5、数据分析模块6、阀门控制器7和手机终端8组成。

水位信息采集模块1，选用已有水位传感器，安装于稻田内，主要用于采集田间水位信息，并将数据传输给无线数传模块；

水质信息采集模块2，选用已有YSI多参数水质传感器，安装于稻田内，用于采集田面水氨氮、硝氮、pH、电导率、氧化还原电位、SS等信息，并将信息传输给无线数传模块5；

进水阀门3，选用已有升降式、顶端溢流方式过水的阀门，有利于减少进水和出水对土壤和田面水的扰动；安装于稻田灌溉渠11进水口，与阀门控制器7无线连接，用于稻田进水；

排水阀门4，选用已有升降式、顶端溢流方式过水的阀门，有利于减少进水和出水对土壤和田面水的扰动；安装于稻田排水沟12出水口，与阀门控制器7无线连接，用于稻田排水；

无线数传模块5，与水位信息采集模块1、水质信息采集模块2、数据分析模块6进行无线连接，用于接收水位信息采集模块1和水质信息采集模块2采集的水位和水质等相关信息，并将数据传输给数据分析模块6。

数据分析模块6，与阀门控制器无线连接，用于接收、存储并分析无线数传模块传输的信息，可同时实现水位-水质实时分析和水位-水质动态模拟，并对阀门控制器发送控制指令。

阀门控制器7，分别与数据分析模块和手机终端无线连接，用于接收数据分析模块和手机终端发送的控制指令，并依据指令控制进水阀门和排水阀门的电机动作。

手机终端8，与数据分析模块6和阀门控制器7无线连接，用于接收数据分析模块发送的信息，进行实时监控，并可通过关闭自动运行程序、进行人工控制。

本实施例的工作流程是：

步骤1、在稻田中设置监测小区，在监测小区中安装水位传感器和水质传感器，水位传感器和水质传感器将采集到的水位信息和水质信息实时发送给无线数传模块，无线数传模块将接收到的信息传输给数据分析模块；

步骤2、在稻田的灌水渠处安装进水阀门，在排水沟处安装排水阀门，稻田的进水阀门和排水阀门分别连接到阀门控制器，阀门控制器与数据分析模块连接；手机终端分别与阀门控制器和数据分析模块无线连接；

步骤3、在数据分析模块进行基础数据输入及初始值设置

依据稻田所处的区域特征及灌溉模式，将基础数据输入数据分析模块(6)，主要包括：田埂高度h＝0.3m，区域水稻全生育期中各生育期的适宜水位H_s、上限水位H_max和下限水位H_min(见表1)，水质指标及标准设为“指标＝氨氮，C_s＝2.0mg/L”；将进水阀门(3)的初始高度设置为0.3m；以泡田期为例，排水阀门初始高度设置为H_max＝50mm；在不同生长期，根据表1自动调整初始高度值；

表1水稻全生育期生态需水量

步骤4、数据分析模块6依据接收到的信息进行分析，给阀门控制器7下达指令，自动控制进水阀门3和排水阀门4的电机动作；

当数据分析模块6接收到稻田水位小于(H_s+H_min)/2时，数据分析模块6给阀门控制器7下达指令，阀门控制器7打开进水阀门3执行进水操作；直到数据分析模块6接收到稻田水位等于(H_s+H_max)/2时，数据分析模块6给阀门控制器7下达指令，关闭进水阀门3；

当数据分析模块6接收到稻田水位大于(H_s+H_max)/2、氮磷浓度小于2.0mg/L时，数据分析模块6给阀门控制器7下达指令，阀门控制器7将排水阀门4的高度调整至(H_s+H_max)/2；当数据分析模块6接收到稻田水位大于(H_s+H_max)/2、氮磷浓度大于2.0mg/L时，数据分析模块6给阀门控制器7下达指令，阀门控制器7将排水阀门4的高度调整至H_max。

当氮磷浓度大于2.0mg/L且H＝H_max时，降雨继续发生时，田面水自动溢流。步骤5、手机终端8接收数据分析模块7发送的信息，进行实时监控；并可通过关闭自动控制程序，依据数据分析模块的水位-水质实时分析结果和水位-水质动态模拟结果，结合当地天气预报等信息进行人工控制。

Claims (1)

1.面向用户的稻田水量水质远程调控方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

a、在稻田监测小区(9)中安装水位信息采集装置(1)和水质信息采集装置(2)；水位信息采集装置(1)和水质信息采集装置(2)将采集到的水位信息和水质信息实时发送给无线数传模块(5)；无线数传模块(5)将接收到的信息传输给数据分析模块(6)，数据分析模块(6)用于接收、存储并分析无线数传模块(5)传输的信息；所述的水位信息采集装置(1)选用已有水位传感器，水位信息采集装置(1)采集到的数据包括：田面水位H，用于监测田间水位是否满足水稻相应生育期的生态需水要求；水质信息采集装置(2)选用已有YSI多参数水质传感器，水质信息采集装置(2)采集的数据包括：田面水氨氮、硝氮、pH、电导率、氧化还原电位、SS水质信息，且水质监测指标可扩展，用于分析田面水的水质状况、筛选水质控制指标；

b、在稻田的灌水渠(11)进水口处安装进水阀门(3)，在排水沟(12)出水口处安装排水阀门(4)，稻田的进水阀门(3)和排水阀门(4)分别连接到阀门控制器(7)；阀门控制器(7)与数据分析模块(6)连接；阀门控制器(7)和数据分析模块(6)分别与手机终端(8)无线连接；手机终端(8)用于接收数据分析模块(6)发送的信息，进行实时监控，并可通过关闭阀门控制器(7)自动运行程序、进行人工控制；阀门控制器(7)用于接收数据分析模块(6)和手机终端(8)发送的控制指令，并依据指令控制进水阀门(3)和排水阀门(4)的电机动作；所述的进水阀门(3)选用已有升降式、顶端溢流方式过水的阀门，所述的排水阀门(4)选用已有升降式、顶端溢流方式过水的阀门；

c、在数据分析模块(6)进行基础数据输入及初始值设置

依据稻田所处的区域特征及灌溉模式，输入基础数据至数据分析模块(6)，包括：田埂(10)高度h，由水稻专家确定的该区域水稻全生育期中各生育期的适宜水位H_s、上限水位H_max和下限水位H_min，稻田区域水质氮磷浓度的控制指标以及浓度限值C_s；进水阀门(3)的初始高度设置为田埂高度h，排水阀门(4)初始高度设置为水稻所处生育期的上限水位H_max；其中水质控制指标从水质信息采集装置(2)的采集指标中选取，以C_i/C_si偏大者作为控制指标，此处C_i为第i个指标的实测浓度、C_si为第i个指标的区域稻田田面水排放浓度限值，或者根据区域水环境敏感因子设定控制指标；

d、数据分析模块(6)具有同时实现水位-水质实时分析和水位-水质动态模拟双重功能，数据分析模块(6)依据接收到的信息进行水位-水质实时分析，给阀门控制器(7)下达指令，自动控制进水阀门(3)和排水阀门(4)的开或者关；数据分析模块(6)在水位-水质实时分析过程中，考虑到田面水因蒸发、蒸腾、作物吸收和渗漏过程发生损失，水位呈实时变化，田间水位以[(H_s+H_min)/2，(H_s+H_max)/2]为水稻各生长期的常规水位调控区间：

当数据分析模块(6)接收到稻田水位小于(H_s+H_min)/2时，数据分析模块(6)给阀门控制器(7)下达指令，阀门控制器(7)打开进水阀门(3)执行进水操作，直到数据分析模块(6)接收到稻田水位等于(H_s+H_max)/2时，数据分析模块(6)给阀门控制器(7)下达指令，关闭进水阀门(3)；

当数据分析模块(6)接收到稻田水位大于(H_s+H_max)/2、且氮磷浓度小于区域稻田氮磷浓度排放限制时，数据分析模块(6)给阀门控制器(7)下达指令，阀门控制器(7)将排水阀门(4)的高度调整至(H_s+H_max)/2；当数据分析模块(6)接收到稻田水位大于(H_s+H_max)/2、且氮磷浓度大于稻田区域氮磷浓度控制指标时，数据分析模块(6)给阀门控制器(7)下达指令，阀门控制器(7)将排水阀门(4)的高度调整至H_max；

数据分析模块(6)在水位-水质动态模拟过程中，分别设C₀为水质控制指标初始浓度、H₀为初始水位、C_t为模拟时刻浓度、H_t为模拟时刻水位、P_t为时段内降雨量；在次降雨事件的短时间内，忽略蒸发、蒸腾、作物吸收和渗漏影响，在稻田面积一定的前提下满足C₀H₀＝C_tH_t、H_t＝H₀+P_t，依此可模拟不同次降雨条件下(P_t)的水位-水质动态变化，在C₀>C_s的情况下，预测结果可为手机终端(8)依据当地天气预报信息实施人工控制提供决策支持；

e、手机终端(8)接收数据分析模块(6)发送的信息，进行实时监控，并通过关闭自动控制程序，依据数据分析模块(6)的水位-水质实时分析结果和水位-水质动态模拟结果、结合当地天气预报对阀门控制器(7)进行人工控制。

Images