CN111406606B - 一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统及灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统及灌溉方法，灌溉系统包括地表灌溉装置、地表水位测量装置、TDR水分监测装置、地下水位监测装置和采集控制箱，地表灌溉装置包括灌溉电磁阀和远程发讯水表，地表水位测量装置包括观测支架和地表水位跟踪仪，地下水位监测装置包括观测井和地下水位监测仪，TDR水分监测装置埋设于地表层的土壤中，采集控制箱包括灌溉控制器、TDR水分采集器、地下水位采集器及计算机，各个数据采集器用于采集相应传感器的数据并传递给计算机，计算机根据预置的软件考虑水稻作物生育期的用水量需求控制地表灌溉装置和溢流阀门进行精准灌溉，本发明自动化程度高，灌溉精准，能节水环保的同时提高水稻的产量。

Description

一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统及灌溉方法

技术领域

本发明属于水利工程和农学领域，涉及一种水稻灌溉技术，具体涉及一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统及灌溉方法，根据水稻作物七个生育期需水量不同，配套全自动高精度监测水稻作物耗水指标设备，制定按生育期精细节水灌溉技术。

背景技术

水稻作物节水灌溉是根据水稻需水量制定的一系列灌溉方式，确保节省灌溉用水的同时保障水稻作物产量最大化。故在水利信息化的发展趋势下，如何结合水稻监测自动化设备实现水稻作物自动、智能化节水灌溉是目前最具有意义的试验研究。目前国内各省灌溉试验站受自动测量水稻地表水位设备精度不够限制，延用的监测方式仍然是人工测针监测，实验人员使用手动测针每天测量水稻作物地表水位变化，根据灌溉水层下限，再开启灌溉系统的开始键，系统输入根据测坑/大田面积*需要的水层高度换算成对应的灌溉水量，系统达到设定水量后自动停止并记录灌溉量如此实现半自动化灌溉。少数试验站应用高精度液位传感器大致测量地表水层，此种方式因受液位传感器测量精度限制，结合灌溉设备自动灌溉也只能实现粗略的自动化功能，无法进行精细的节水灌溉并计算需水量，更无法准确识别各个生育期的不同需水差异，进而无法实现真正的按生育期需水量不同进行每个生育周期独立精细节水自动、智能灌溉。因此，急需要一种按水稻作物生育期智能节水灌溉系统，能够高精度分辨水稻地表水层、能高精度记录灌溉水量，灌溉系统能设置当季水稻作物七个生育期的时间段，可实现按水稻作物每个生育期不同需水量的上下限控制阀值实现自动智能灌溉并自动记录好每日水稻作物耗水量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统及灌溉方法，根据水稻作物七个生育期需水量不同，配套全自动高精度监测水稻作物地表水层设备、高精度灌溉设备、制定按水稻不同生育期需水量不同精细化进行自动智能化节水灌溉并能自动记录灌溉量及计算出每天水稻日耗水量。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统，其特征在于：包括地表灌溉装置、地表水位测量装置、TDR水分监测装置、地下水位监测装置和采集控制箱，所述地表灌溉装置用于对测坑或大田进行灌溉，所述地表水位测量装置包括埋于测坑或大田内的观测支架和设于观测支架内的地表水位跟踪仪，所述地下水位监测装置包括深埋于测坑或大田内的观测井和安装于观测井内的地下水位监测仪，所述TDR水分监测装置埋设于地表层的土壤中，用于检测地表土壤的含水率，所述采集控制箱包括灌溉控制器、TDR水分采集器、地下水位采集器及计算机，所述灌溉控制器用于接收计算机的控制信号来控制地表灌溉装置的灌溉量大小，所述TDR水分采集器用于采集DR水分监测装置的土壤含水率信号并传递给计算机，所述地下水位采集器用于采集地下水位监测装置的地下水位信号并传递给计算机，所述地表水位采集器用于采集地表水位监测装置的地表水位信号并传递给计算机，所述计算机内预置编写好的考虑水稻作物生育期需水量变化的数据控制采集分析软件，所述测坑或大田还设有用于排地表水的溢流阀门，所述溢流阀门通过采集控制箱内的计算机进行控制。

进一步地，所述地表水位测量装置、TDR水分监测装置和地下水位监测装置安装于测坑或者大田的一侧，所述地表灌溉装置安装于测坑或者大田相对的另一侧。

进一步地，所述观测支架为有机玻璃管，所述有机玻璃管四周开有呈梅花状分布的透水孔，所述有机玻璃管底部采用堵头堵上，有机玻璃管四周采用防止泥沙透过的纱布包裹。

进一步地，所述观测井为埋设于地下土壤中的塑料管，所述塑料管四周开有呈梅花状分布的透水孔，塑料管四周采用防止泥沙透过的纱布包裹，所述塑料管埋深为2.5-4.5米。

进一步地，所述地表灌溉装置包括灌溉电磁阀和远程发讯水表和灌溉控制器，所述灌溉控制器接收计算机发出的灌溉量信号，并通过该信号控制灌溉电磁阀的开度，所述远程发讯水表用于反馈校正灌溉量。

进一步地，所述有机玻璃管下部埋设到测坑土面以下5cm处，通过管卡、螺丝使其安装垂直，地表水位跟踪仪的测针位于有机玻璃管圆心处。

各个数据采集器分别采集地表水位跟踪仪、地下水位监测仪和TDR水分监测装置采集的数据，所述计算机用于运行数据控制采集分析软件，并对数据进行分析，然后对灌溉控制器发出灌溉量控制信号或对溢流阀门发出用于排水的阀门开度信号。

进一步地，所述TDR水分监测装置包括埋设于土壤表层以下8-15cm的土壤水分传感器。

进一步地，所述地表水位跟踪仪为自动跟踪地表水位的测量仪。

一种利用上述的智能节水灌溉系统的灌溉方法，其特征在于：编写根据水稻作物生育期需水量变化的数据控制采集分析软件，利用数据控制采集分析软件根据采集的地表水位、地下水位和土壤含水率计算出当期测坑或大田所需灌溉量，所述地表灌溉装置根据接收到的灌溉量信息进行精准灌溉，或者打开溢流阀门排水。

进一步地，所述水稻作物生育期按照时间顺序依次为返青期、分蘖前期、分蘖后期、分蘖后期晒田、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期和黄熟期后续落干期。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统，其具有以下优点：

(1)通过使用高精度自动测量水稻地表水层的地表水位跟踪仪，填补了无稳定高精度自动测量水稻地表水层设备的空白。

(2)通过使用高精度脉冲水表，灌溉水量计量精度1L，提高了灌水计量精度。

(3)通过采集控制箱的数据控制采集分析软件，将灌溉方式按水稻作物7个生育期不同需水量进行自动精细灌溉。

(4)通过采集控制箱内计算机中运行的数据控制采集分析软件，设置好当季生育期时刻后，系统可自动切换每个生育期，自动灌溉、自动停止并记录每一类数据，自动计算水稻日耗水量。

(5)该系统根据水稻作物生育期细分，非晒田期通过采集的地表水位数据作为灌溉上下限，晒田期间通过表层TDR水分监测装置土壤含水量作为晒田灌溉下限控制实现在按生育期精准节水灌溉。本系统能根据水稻作物七个不同生育期需水量不同，到达不同生育期时刻后自动切换成当前生育期需水量灌溉控制阀值进行灌溉，改善了原水稻灌溉在整个生育期按同一需水量水层控制阀值的灌溉方式。同时，该系统引入高精度地表水位跟踪仪作为作物地表水层监测，解决了传统的手动测针测量水稻地表水层无法实现自动化的缺点，同时解决了部分实验人员应用液位传感器测量水稻地表水层变化精度不足的问题。该项系统成本较低、推广应用意义大，是目前水稻作物实现智能节水灌溉的优良方案。

附图说明

图1是本发明智能节水灌溉系统示意图。

图2是本发明智能节水灌溉系统构成框架图。

图3是本发明智能节水灌溉系统运行控制示意图。

1-地表水位跟踪仪，2-TDR水分监测装置，3-地表灌溉装置，4-地下水位监测装置，5-采集控制箱，6-测坑，7-溢流阀门，8-观测支架，9-灌溉电磁阀，10-远程发讯水表。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明(本实施例以测坑6为对象进行说明，大田的具体实施手段完全一样)。

参见图1，一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统，其特征在于：包括地表灌溉装置3、地表水位测量装置、TDR水分监测装置2、地下水位监测装置4和采集控制箱5，所述地表灌溉装置3用于对测坑6进行灌溉，所述地表水位测量装置包括埋于测坑6或大田内的观测支架8和设于观测支架8内的地表水位跟踪仪1，所述地下水位监测装置4包括深埋于测坑6或大田内的观测井和安装于观测井内的地下水位监测仪，所述TDR水分监测装置2埋设于地表层的土壤中，用于监测地表土壤的含水率，所述采集控制箱5包括灌溉控制器、TDR水分采集器、地下水位采集器及计算机，所述灌溉控制器用于接收计算机的控制信号来控制地表灌溉装置3的灌溉开关，所述TDR水分采集器用于采集DR水分监测装置的土壤含水率信号并传递给计算机，所述地下水位采集器用于采集地下水位监测装置4的地下水位信号并传递给计算机，所述地表水位跟踪仪用于采集地表水位信号并传递给计算机并控制地表灌溉装置开关，所述计算机内预置编写好的考虑水稻作物生育期需水量变化的数据控制采集分析软件，所述测坑6或大田还设有用于排地表水的溢流阀门7，所述溢流阀门7通过采集控制箱5内的计算机进行控制。

所述地表灌溉装置包括灌溉电磁阀9和远程发讯水表10和灌溉控制器，所述灌溉控制器接收计算机发出的灌溉量信号，并通过该信号控制灌溉电磁阀9的开度，所述远程发讯水表10用于反馈校正灌溉量。

本发明的地表水位跟踪仪1测量原理为通过一测针电极测量水电阻，根据所测电阻大小判别水面，为了消除水面张力影响，地表水位跟踪仪1采用点测方式测量。使用有机玻璃管制成的观测支架8垂直固定在测坑6内，所述有机玻璃管四周开有呈梅花状分布的透水孔，所述有机玻璃管底部采用堵头堵上，有机玻璃管四周采用防止泥沙透过的100目纱布包裹，地表水位跟踪仪1的测针安装处于作为观测支架8的有机玻璃管中心，并使整个地表水位跟踪仪1安装水平。测针和钢丝被作为观测支架8的有机玻璃保护，避免其设备在田间受水稻植株干扰，风速干扰导致实际使用稳定性和重复性低的问题，同时有机玻璃的透明性不影响查看实时设备测针工作状态；地表灌溉装置3安装在测坑6地表水位跟踪仪1的对面，避免灌溉时进水口附近水面波动影响地表水位跟踪仪1监测精度；TDR水分监测装置2的水分传感器水平埋设在测坑6居中地表土壤10cm处，用于在分蘖后期晒田期作含水率下限灌溉阀值反馈；地下水位监测装置4用于监测测坑6下边界条件—地下水位埋深。溢流阀门7用于在播种前泡田期测坑6地表水位上限控制及防止自动模式下各个生育期出现供水自动停止故障时，深度浸泡水稻根系导致水稻作物根系腐烂，一般安装在地表土层以上8cm处。

参见图2和图3，在测坑6一侧安装居中水平安装好地表水位跟踪仪1，通过水平仪保证地表水位跟踪仪1安装水平；使用100目纱布包裹好观测支架8的有机玻璃管(梅花状分布的透水孔从底部往上10cm)，其底部使用堵头密封好。有机玻璃管下部埋设到测坑6土面以下5cm处，通过管卡、螺丝使其安装垂直，并使地表水位跟踪仪1测针位于有机玻璃管圆心处。在离地表水位跟踪仪11米外埋设好3m深的观测井，把地下水位监测装置4的液位传感器投入其中，通过测坑6地表土层与液位传感器感应芯片的差值标定好测坑6的零位，换算成测坑6地下水位埋深数值；地表灌溉装置3安装在地表水位跟踪仪1对立面，先接入电磁阀，再接入远程发讯水表10(脉冲式)，电磁阀与发讯水表之间直线管路间距不小于水表口径10倍(现场测坑6使用DN15水表，直线间距15cm)，发讯水表后端管路直线距离不小于水表口径5倍(现场直线距离8cm)。所有设备都采用弱电供电(DC12V和DC24V)，保障户外供电安装及可选用太阳能供电系统供电。所有数据采集器集中到采集控制箱5，其控制箱内布置灌溉控制器、TDR水分采集器、地下水位采集器及计算机。计算机中运行根据水稻作物生育期需水量变化而编写的数据控制采集分析软件，集中采集各项设备数据，数据控制采集分析软件实时采集地表水位跟踪仪1数据，TDR水分监测装置2数据以及地下水位监测装置4数据，并根据系统内设置的每个生育期地表水层阀值自动精准控制地表灌溉装置3开启，根据地表水位跟踪仪1数据变化到该生育期地表供水上限时自动控制地表灌溉装置3关闭，并把地表灌溉装置3的供水量反馈给运行系统保存。分蘖后期晒田期间TDR水分数据作物干旱供水下限，当TDR水分数据达到分蘖后期晒田期设定的下限(一般根据季节及品种分为田间持水量的80％-90％)，地表灌溉装置3开启，根据地表水位跟踪仪1数据变化到该分蘖后期晒田期间地表水层上限时自动控制地表灌溉装置3关闭，并把地表灌溉装置3的供水量反馈给运行系统保存。运行系统每天早上8点通过前一天8点到当天8点地表水位跟踪仪1的数据变化计算出前一天的耗水量，若这一天期间出现灌水，系统自动减除供水量增加的水层后再准确计算出真实日耗水量。

本实施例中，观测井使用100PPR管加工成呈梅花状分布透水孔的塑料管，在塑料管外包裹100目过滤网，垂直埋设在测坑6中，深度3米，安装位在地表水位跟踪仪1设备同一侧。

作为改进的本实施例，所述应用地表水位跟踪仪1解决了使用手动测针测量水稻地表水层而无法实现自动化的问题，同时解决了部分实验人员应用液位传感器测量水稻地表水层变化精度不足的缺点(液位传感器测量精度2mm左右，地表水位跟踪仪1实验室测量精度0.05mm，大田实际应用环境0.2mm。所述地表水位跟踪仪1为高精度自动监测地表水层设备，地表水位跟踪仪1使用绕轮上钢丝连接测针每2S向下点测地表水面来获得地表水层高度，解决了传统的人工测针测量水稻地表水层无法实现自动化的问题，该方式应用测针接触水面灵敏度高，同时解决了部分用户使用液位传感器测量水稻地表水层精度不足的缺点。

所述地表水位测量装置的观测支架8解决了其他类似结构地表水监测设备在田间受水稻植株干扰、风速干扰导致实际使用稳定性和重复性低的问题。

本实施例中，所述数据控制采集分析软件按水稻作物7个生育期分别为：1.返青期、2.分蘖前期、3.分蘖后期(分蘖后期+分蘖后期晒田)、4.拔节孕穗期、5.抽穗开花期、6.乳熟期、7.黄熟期(黄熟期+黄熟期后续落干期)，细化灌溉决策指令，做到更精准灌溉，大大节约灌溉水资源。

本实施例中，所述地表灌溉装置3使用脉冲远程水表计量，大大提高了计量精度(灌溉精度1L)。

本实施例中，所述数据控制采集分析软件通过地表水位跟踪仪1采集的数据，每天早上8点自动计算出测坑6日耗水量并自动存储在数据库中，简化了科研人员技术分析工作。

本发明的工作流程表述如下：

本发明在使用时，接通总电源，计算机中运行数据控制采集分析软件，以浅水灌溉模式为例，在系统中设置好当季间浅水溉模式每个生育期的开始时间和结束时间，点击“浅水灌溉模式开始”按钮即可。系统会根据输入的每个生育期区间智能决策并记录好供水量、计算好日耗水量。

需要指出的是本发明数据控制采集分析软件并不需要特殊算法的软件，根据水稻作物生育期的不同需水量利用常规算法编写即可，为公知常识技术，因此，在此本发明不在公布详细算法和软件代码。

本发明的保护范围并不限于设备的品牌及水稻作物的种类，通过改变相应的控制参数就可以满足更多的水产农作物需求。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行某些结构尺寸以及部件数量的改动而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动属于发明权利要求及其等同技术的范围内，则发明的意图也包含这些改动在内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种考虑水稻作物生育期的智能节水灌溉系统，其特征在于：包括地表灌溉装置、地表水位测量装置、TDR水分监测装置、地下水位监测装置和采集控制箱，所述地表灌溉装置用于对测坑或大田进行灌溉，所述地表水位测量装置包括埋于测坑或大田内的观测支架和设于观测支架内的地表水位跟踪仪，所述地下水位监测装置包括深埋于测坑或大田内的观测井和安装于观测井内的地下水位监测仪，所述TDR水分监测装置埋设于地表层的土壤中，用于检测地表土壤的含水率，所述采集控制箱包括灌溉控制器、TDR水分采集器、地下水位采集器及计算机，所述灌溉控制器用于接收计算机的控制信号来控制地表灌溉装置的灌溉量大小，所述TDR水分采集器用于采集DR水分监测装置的土壤含水率信号并传递给计算机，所述地下水位采集器用于采集地下水位监测装置的地下水位信号并传递给计算机，所述地表水位采集器用于采集地表水位监测装置的地表水位信号并传递给计算机，所述计算机内预置编写好的考虑水稻作物生育期需水量变化的数据控制采集分析软件，所述测坑或大田还设有用于排地表水的溢流阀门，所述溢流阀门通过采集控制箱内的计算机进行控制；

所述地表水位测量装置、TDR水分监测装置和地下水位监测装置安装于测坑或者大田的一侧，所述地表灌溉装置安装于测坑或者大田相对的另一侧；

所述观测支架为有机玻璃管，所述有机玻璃管四周开有呈梅花状分布的透水孔，所述有机玻璃管底部采用堵头堵上，有机玻璃管四周采用防止泥沙透过的纱布包裹；

所述观测井为埋设于地下土壤中的塑料管，所述塑料管四周开有呈梅花状分布的透水孔，塑料管四周采用防止泥沙透过的纱布包裹，所述塑料管埋深为2.5-4.5米；

所述地表灌溉装置包括灌溉电磁阀和远程发讯水表，所述灌溉控制器接收计算机发出的灌溉量信号，并通过该信号控制灌溉电磁阀的开度，所述远程发讯水表用于反馈校正灌溉量。

2.如权利要求1所述的智能节水灌溉系统，其特征在于：所述有机玻璃管下部埋设到测坑土面以下5cm处，通过管卡、螺丝使其安装垂直，地表水位跟踪仪的测针位于有机玻璃管圆心处。

3.如权利要求1所述的智能节水灌溉系统，其特征在于：所述TDR水分监测装置包括埋设于土壤表层以下8-15cm的土壤水分传感器。

4.如权利要求2所述的智能节水灌溉系统，其特征在于：所述地表水位跟踪仪为自动跟踪地表水位的测量仪。

5.一种利用权利要求4所述的智能节水灌溉系统的灌溉方法，其特征在于：编写根据水稻作物生育期需水量变化的数据控制采集分析软件，利用数据控制采集分析软件根据采集的地表水位、地下水位和土壤含水率计算出当期测坑或大田所需灌溉量，所述地表灌溉装置根据接收到的灌溉量信息进行精准灌溉，或者打开溢流阀门排水。

6.如权利要求5所述的智能节水灌溉系统的灌溉方法，其特征在于：所述水稻作物生育期按照时间顺序依次为返青期、分蘖前期、分蘖后期、分蘖后期晒田、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期和黄熟期后续落干期。