一種寬行距分根交替灌溉自動控制方法與流程

本發(fā)明涉及節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種寬行距分根交替灌溉技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著淡水資源的日益短缺與需水量的不斷增加，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)已成為世界各國實現(xiàn)水資源約束條件下可持續(xù)發(fā)展的重要對策。我國水資源人均占有量只有2300立方米，約為世界人均水平的1/4，排在世界上第121位，是世界上13個貧水國家之一，同時農(nóng)業(yè)又是用水大戶，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全國總供水量的65%左右。然而，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源不足與嚴(yán)重浪費、利用效率低等矛盾十分突出，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)更為緊迫。鑒于目前我國農(nóng)田水利投入水平的制約，改進地面灌溉在相當(dāng)長的時間內(nèi)將是節(jié)水灌溉的主流，但就節(jié)水潛力而言，生物節(jié)水是未來節(jié)水農(nóng)業(yè)的研究重點與熱點，因此集地面改進和生物節(jié)水于一體的綜合性節(jié)水技術(shù)是我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的重點研究方向。

早在20世紀(jì)60-70年代，國外學(xué)者已開始在一些作物上嘗試采用隔行灌溉和隔溝灌溉技術(shù)，對這些技術(shù)下作物水分利用效率、蒸散發(fā)特性進行了系統(tǒng)研究。1996年，康紹忠等在室內(nèi)盆栽、小區(qū)試驗、大田應(yīng)用試驗的基礎(chǔ)上，首次系統(tǒng)提出了作物根系分區(qū)交替灌溉技術(shù)，闡明了其概念、理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)方式。1997年康紹忠等提出了適于果樹根系分區(qū)交替灌溉的四種應(yīng)用模式，即交替隔溝灌溉系統(tǒng)、移動式交替滴灌系統(tǒng)、環(huán)狀自動控制式交替滴灌系統(tǒng)和交替滲灌系統(tǒng)。結(jié)合我國果園灌水實際，一些學(xué)者還提出了發(fā)展交替穴灌技術(shù)。另外，對稀植類大田作物而言，在集成應(yīng)用壟作溝灌技術(shù)的前提下也可實現(xiàn)不同根區(qū)間的交替供水。

控制性分根交替灌溉作為一種全新的農(nóng)田節(jié)水新思路和新技術(shù)，其研究目前尚處于初期階段，盡管已經(jīng)證實具有理論上和實施上的可能性及巨大的節(jié)水潛力，但在具體實施過程中還存在著一些問題。比如，輸配水管道等設(shè)施裝備的增加，其成本可能會超出常規(guī)灌溉，從而使其經(jīng)濟效益有所降低；考慮土壤水分運動過程、根系分布狀況等的綜合交替灌溉的定量化和可操作化水平還較低；分根交替灌溉控制系統(tǒng)的自動化水平還較低，成本比較高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于大面積應(yīng)用與推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種寬行距分根交替灌溉自動控制方法，使作物行兩側(cè)毛管的水平濕潤半徑相互無影響，根據(jù)作物行兩側(cè)的土壤濕度相互關(guān)系及其與四支土壤水分傳感器和兩組電磁閥的相互作用關(guān)系，通過對相應(yīng)自動控制系統(tǒng)的構(gòu)建實現(xiàn)高效率且高度自動化的寬行距分根交替灌溉。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。

一種寬行距分根交替灌溉自動控制方法，在作物行兩側(cè)分別設(shè)置一組帶有電磁閥的輸水毛管，任一組輸水毛管輸水時均不對另一組輸水毛管下方的土壤濕度產(chǎn)生影響，然后為每組電磁閥配制分別位于作物行兩側(cè)的兩支土壤水分傳感器，然后以下述三組條件為基礎(chǔ)：①同一時刻農(nóng)田土壤任意兩點的土壤含水量都不可能完全一樣、②任一組輸水毛管輸水時均不對另一組輸水毛管下方的土壤濕度產(chǎn)生影響、③作物行兩側(cè)的土壤濕度相互關(guān)系及其與四支土壤水分傳感器和兩組電磁閥的相互作用關(guān)系，通過中央智能控制器的控制實現(xiàn)兩組輸水毛管分別依次向作物行兩側(cè)進行灌溉，即自動實現(xiàn)A側(cè)輸水毛管灌溉時B側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，下次灌溉時B側(cè)輸水毛管灌溉而A側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，自動循環(huán)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：

Ⅰ、在作物行兩側(cè)分別設(shè)置一組帶有電磁閥的輸水毛管，兩組電磁閥及輸水毛管分別標(biāo)記為A、B，任一組輸水毛管輸水時均不對另一組輸水毛管下方的土壤濕度產(chǎn)生影響；且每組輸水毛管下方分別埋設(shè)兩支土壤水分傳感器，合計四支土壤水分傳感器分別標(biāo)記為1、2、3、4；

Ⅱ、設(shè)置一組中央智能控制器，其上設(shè)置有電源輸出通道，四路電壓信號輸入通道標(biāo)記為1、2、3、4，四路繼電器報警輸出通道標(biāo)記為1、2、3、4；

Ⅲ、然后將土壤水分傳感器1、3設(shè)定在輸水毛管A下方，對應(yīng)將土壤水分傳感器2、4設(shè)定在輸水毛管B下方；與此同時將四支土壤水分傳感器1、2、3、4分別與中央智能控制器的四路電壓信號輸入通道1、2、3、4對應(yīng)接通，中央智能控制器分別接收四支土壤水分傳感器根據(jù)土壤濕度狀態(tài)發(fā)送回來的4路電壓信號，然后將該4路電壓信號分別與預(yù)先設(shè)定的與土壤田間持水量相關(guān)的4路報警電壓值進行比較，中央智能控制器根據(jù)比較結(jié)果分別控制四路繼電器報警輸出通道的開合；然后尤為重要的，將四路繼電器報警輸出通道中的1、2與電磁閥A串接，將繼電器報警輸出通道中的3、4與電磁閥B串接；

Ⅳ、最后，設(shè)定四支土壤水分傳感器對應(yīng)的報警值兩高兩低，同一組輸水毛管下方的兩支土壤水分傳感器對應(yīng)的報警值一高一低；

通過上述設(shè)定實現(xiàn)兩組輸水毛管分別依次向作物行兩側(cè)進行灌溉，即自動實現(xiàn)A側(cè)輸水毛管灌溉時B側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，下次灌溉時B側(cè)輸水毛管灌溉而A側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，自動循環(huán)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，步驟Ⅲ中，所述中央智能控制器由直流DC24v電源供電，其上的電源輸出通道與所述四支土壤水分傳感器連接并為后者提供DC12v電源。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，步驟Ⅳ中，設(shè)定四支土壤水分傳感器1、2、3、4對應(yīng)的土壤含水量報警下限值依次為田間持水量的60%、80%、80%、60%；當(dāng)土壤水分傳感器的實際輸出值低于所述預(yù)設(shè)值時，中央智能控制器控制對應(yīng)的繼電器報警輸出通道閉合，當(dāng)與某一電磁閥連接的所有繼電器報警輸出通道均閉合時，電磁閥開啟進行灌溉；否則電磁閥始終處于關(guān)閉狀態(tài)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述輸水毛管設(shè)置在有壓輸水管路上，有壓輸水管路包括主管與若干支管，在主管和支管上分別設(shè)置有閥門。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，作物行兩側(cè)的兩組輸水毛管通過旁通安裝在同一條支管上，并分別在輸水毛管的首部安裝電磁閥，

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，作物行兩側(cè)的兩組輸水毛管分別安裝在兩條并行的支管上，并在支管的首部安裝電磁閥。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述支管采用Ф50mm的PE管道，所述輸水毛管采用Ф20mm的PE滴灌帶，滴頭間距為30cm，水平濕潤半徑為30cm，作物行兩側(cè)的兩組輸水毛管間距為100cm，保證其中一側(cè)輸水毛管灌水時不會引起另一側(cè)土壤含水量的增加。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述土壤水分傳感器為電壓型傳感器，埋深于作物根系層，其在直流DC12v電源供電條件下工作，根據(jù)土壤含水量的大小輸出一個0-5v直流電壓信號，土壤含水量Q電壓信號V的關(guān)系是：Q=V/5。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述電磁閥為常閉式電磁閥，供電為直流DC12v，通電開啟、斷電關(guān)閉。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

本發(fā)明使作物行兩側(cè)毛管的水平濕潤半徑無相互影響，根據(jù)作物行兩側(cè)的土壤濕度相互關(guān)系及其與四支土壤水分傳感器和兩組電磁閥的相互作用關(guān)系，通過對相應(yīng)自動控制系統(tǒng)的構(gòu)建實現(xiàn)了高效率且高度自動化的分根交替灌溉。

具體的，本發(fā)明通過簡單而巧妙的原理設(shè)定和系統(tǒng)構(gòu)建，以“①同一時刻農(nóng)田土壤任意兩點的土壤含水量都不可能完全一樣；②任一組輸水毛管輸水時均不對另一組輸水毛管下方的土壤濕度產(chǎn)生影響；③作物行兩側(cè)的土壤濕度相互關(guān)系及其與四支土壤水分傳感器和兩組電磁閥的相互作用關(guān)系”——這三點為基礎(chǔ)，藉助十分簡單的幾組傳感器、電磁閥和簡易控制器，就高效且高度自動化的實現(xiàn)了兩組輸水毛管分別依次向作物行兩側(cè)進行灌溉，即A側(cè)輸水毛管灌溉時B側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，下次灌溉時B側(cè)輸水毛管灌溉而A側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，自動循環(huán)。

本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)置有三個核心點：①土壤水分傳感器1、3設(shè)定在輸水毛管A下方，對應(yīng)將土壤水分傳感器2、4設(shè)定在輸水毛管B下方；②四支土壤水分傳感器1、2、3、4分別與中央智能控制器的四路電壓信號輸入通道1、2、3、4對應(yīng)接通，其中的四路繼電器報警輸出通道中的1、2與電磁閥A連接，3、4與電磁閥B連接；③四支土壤水分傳感器對應(yīng)的報警值兩高兩低，同一組輸水毛管下方的兩支土壤水分傳感器對應(yīng)的報警值一高一低——參見下文的實施例3，正是上述三點設(shè)置的相互作用達成了本發(fā)明的自動化分根灌溉技術(shù)效果。

另外，本發(fā)明的方法還集成了分根節(jié)水灌溉技術(shù)，保持作物根系活動層的土壤在水平（垂直）剖面的某個區(qū)域干燥，同時使根系在水平（垂直）剖面的干燥區(qū)域交替出現(xiàn)，始終保持作物根系的一部分生長在干燥或較為干燥的土壤環(huán)境中，這樣的控制效果具有極高的節(jié)水和增產(chǎn)效果；這是因為，首先，處于干燥區(qū)的作物根系會產(chǎn)生水分脅迫信號傳遞到葉氣孔，從而有效調(diào)節(jié)葉氣孔關(guān)閉，控制蒸騰，而處于濕潤區(qū)的作物根系從土壤中吸收水分，以滿足作物的最小生命之需，使對作物的傷害保持在臨界限度以內(nèi)；其次，分根交替灌溉時土壤表層總是間歇性的處于干燥區(qū)，這樣既可減少棵間的無效蒸發(fā)損失，又可改善土壤的透氣性，促進作物根系補償生長，增強根系的功能，提高根系對土壤水分、養(yǎng)分的利用率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個具體實施方式的原理圖，其中A、B兩組毛管安裝在同一條支管上，并在毛管首部安裝有電磁閥。

圖2是本發(fā)明另一具體實施方式的原理圖，其中A、B兩組毛管分別安裝在兩條并行的支管上，并在支管的首部安裝電磁閥。

圖中：中央智能控制器（1）、支管（2）、輸水毛管（3）、電磁閥（4）、土壤水分傳感器（5）。

具體實施方式

以下是發(fā)明人給出的實施例，需要說明的是這些實施例均為本發(fā)明較優(yōu)的實例，本發(fā)明并不限于這些實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員按照本發(fā)明公開的方案，對其中的技術(shù)特征所作的等效替換、添加，均屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1、管道裝置系統(tǒng)

支管采用Ф50mm的PE管道，毛管采用Ф20mm的PE滴灌帶，滴頭間距為30cm，水平濕潤半徑為30cm，毛管通過旁通與支管連接。在每行作物的左右兩側(cè)分別布設(shè)一條毛管，兩條毛管間距為100cm，能夠保證其中一側(cè)毛管灌水時不會引起另一側(cè)毛管處土壤濕度（含水量）的增加，并按照左右分為A、B兩組，圖1給出了A、B兩組毛管安裝在同一條支管上的結(jié)構(gòu)示意圖，并在每條毛管的首部安裝有電磁閥，電磁閥為常閉式電磁閥，供電為直流DC12v，即通電開啟、斷電關(guān)閉。圖2給出了A、B兩組毛管分別安裝在兩條并行的支管上，并在支管的首部安裝電磁閥。

實施例2、自動控制系統(tǒng)

選擇一行作物，分別在作物行的左右兩側(cè)，也就是兩條毛管的附近安裝土壤水分傳感器，土壤水分傳感器共4只，平均分為兩組，即傳感器-1、3與傳感器-2、4，分別位于作物種植行的左右兩側(cè)的毛管處，埋深于作物根系層附近。土壤水分傳感器為電壓型傳感器，即在直流DC12v電源供電條件下，根據(jù)土壤濕度（含水量）的大小，將輸出一個0-5v直流電壓信號。土壤含水量（Q）電壓信號（v）的關(guān)系是：Q=V/5。其供電由中央智能控制器電源輸出通道提供，并將0-5v直流電壓信號通過電壓輸入通道輸送給中央智能控制器，同時與土壤濕度（含水量）報警下限值進行比較，此處設(shè)置4只土壤水分傳感器的土壤濕度（含水量）報警下限值依次為田間持水量的60%、80%、80%、60%。

實施例3、寬行距分根交替灌溉的自動化實現(xiàn)

首先明確，本研究的目標(biāo)是：“在寬行距條件下，高效且高度自動化的實現(xiàn)了兩組輸水毛管分別依次向作物行兩側(cè)進行灌溉，即A側(cè)輸水毛管灌溉時B側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，下次灌溉時B側(cè)輸水毛管灌溉而A側(cè)輸水毛管關(guān)閉，達到一定土壤濕度要求后兩側(cè)輸水毛管均關(guān)閉，自動循環(huán)”。

在進行分根交替灌溉之前，農(nóng)田土壤不同點位的土壤濕度（含水量）可能存在一定的差異，但是不會太大，同時由于4只土壤水分傳感器中，第2、3只的土壤濕度（含水量）報警下限值均為田間持水量的80%，因此在農(nóng)田蒸散發(fā)過程中，第2、3只土壤水分傳感器先報警，從而驅(qū)動相對應(yīng)的第2路、3路報警輸出通道閉合。另外，農(nóng)田土壤任意兩點的土壤濕度（含水量）都不可能完全一樣，或多或少都會存在一些差異，這就會造成在農(nóng)田蒸散發(fā)過程的后期，第1、4只中的一只土壤水分傳感器-1的數(shù)值先下降到中央智能控制器報警下限值（田間持水量的60%），從而驅(qū)動相對應(yīng)的第1路報警輸出通道先閉合，隨即相對應(yīng)的電磁閥A打開，A組（右側(cè)）毛管開始灌水，直至達到田間持水量灌水停止。由于第3只土壤水分傳感器位于作物行右側(cè)（A組）毛管處，其測得的土壤濕度值將由小變大，直到田間持水量，這樣就會造成已經(jīng)閉合的第3路報警輸出通道將斷開，即使第4只土壤水分傳感器測得的土壤濕度（含水量）降低到田間持水量的60%，相對應(yīng)的第4路報警輸出通道閉合，電磁閥B也不會打開，B組（左側(cè)）毛管也不會灌水。

隨著作物行右側(cè)（A組）毛管灌水過程的結(jié)束，作物行右側(cè)土壤的含水量在田間持水量上下；由于作物行兩側(cè)毛管的間距足夠?qū)挘瑑蓚?cè)毛管的灌溉水不存在相互影響，也就是右側(cè)毛管的灌水不會造成左側(cè)土壤濕度（含水量）的增加，因此作物行左側(cè)的土壤濕度（含水量）基本在田間持水量的60%以下，此時相對應(yīng)的第2、4路報警輸出通道處于閉合狀態(tài)，在之后的農(nóng)田蒸散發(fā)過程中，由于第1、3只土壤水分傳感器的土壤濕度（含水量）下限報警值分別為田間持水量的60%與80%，因此相對應(yīng)的第3路報警輸出通道會先閉合，隨即相對應(yīng)的電磁閥B打開，B組（左側(cè)）毛管開始灌水，直至達到田間持水量灌水停止。由于第2只土壤水分傳感器位于作物行左側(cè)（B組）毛管處，其測得的土壤濕度值將由小變大，直到田間持水量，這樣就會造成已經(jīng)閉合的第2路報警輸出通道將斷開，即使第1只土壤水分傳感器測得的土壤濕度（含水量）降低到田間持水量的60%，相對應(yīng)的第1路報警輸出通道閉合，電磁閥A也不會打開，A組（右側(cè)）毛管也不會灌水。

隨著作物行左側(cè)（B組）毛管灌水過程的結(jié)束，作物行左側(cè)土壤的含水量在田間持水量上下；由于作物行兩側(cè)毛管的間距足夠?qū)?，兩?cè)毛管的灌溉水不存在相互影響，也就是左側(cè)毛管的灌水不會造成右側(cè)土壤濕度（含水量）的增加，因此作物行右側(cè)的土壤濕度（含水量）基本在田間持水量的60%—80%之間，此時相對應(yīng)的第3路報警輸出通道處于閉合狀態(tài)，在之后的農(nóng)田蒸散發(fā)過程中，由于第2、4只土壤水分傳感器的土壤濕度（含水量）下限報警值分別為田間持水量的80%與60%，因此相對應(yīng)的第2路報警輸出通道會先閉合，現(xiàn)在剩下第1路、4路報警輸出通道還處于斷開狀態(tài)，誰先閉合取決于第1、4只土壤水分傳感器測得的土壤濕度（含水量）誰先達到田間持水量的60%，由于作物行左側(cè)（B組）毛管剛剛灌過水，因此位于作物行右側(cè)（A組）毛管處的第1只土壤水分傳感器測得的土壤濕度（含水量）將先達到田間持水量的60%，相對應(yīng)的第1路報警輸出通道會先閉合，隨即相對應(yīng)的電磁閥A打開，A組（右側(cè)）毛管開始灌水，直至達到田間持水量灌水停止。

依次循環(huán)，便可實現(xiàn)寬行距條件下，分根交替灌溉的自動控制過程。即當(dāng)作物行右側(cè)土壤濕度（含水量）達到田間持水量的60%，同時左側(cè)土壤濕度（含水量）達到田間持水量的80%時，右側(cè)毛管開始灌水；同樣，當(dāng)作物行左側(cè)土壤濕度（含水量）達到田間持水量的60%，同時右側(cè)土壤濕度（含水量）達到田間持水量的80%時，左側(cè)毛管開始灌水。

可見，本發(fā)明研究目標(biāo)的達成依據(jù)下述三點為基礎(chǔ)：“①同一時刻農(nóng)田土壤任意兩點的土壤含水量都不可能完全一樣；②任一組輸水毛管輸水時均不對另一組輸水毛管下方的土壤濕度產(chǎn)生影響；③作物行兩側(cè)的土壤濕度相互關(guān)系及其與四支土壤水分傳感器和兩組電磁閥的相互作用關(guān)系”。

本發(fā)明根據(jù)作物行兩側(cè)4點土壤濕度（含水量）大小及組合作用關(guān)系，驅(qū)動作物行兩側(cè)的兩組電磁閥自動交替開啟與關(guān)閉，并通過輸配水管道與毛管，將灌溉水適時、適量的輸送到作物左右兩側(cè)旁邊，為作物正常生長提供水分保障。該分根交替灌溉的自動控制系統(tǒng)及方法，能夠提高節(jié)水灌溉的自動化水平，具有節(jié)能、環(huán)保、綠色、低碳的特點。

本發(fā)明面向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與水資源安全的需戰(zhàn)略求，圍繞農(nóng)業(yè)用水粗放與節(jié)水灌溉自動化水平較低的問題，開展寬行距分根交替灌溉自動控制系統(tǒng)及方法的研究，集成創(chuàng)新現(xiàn)代傳感器技術(shù)與智能控制技術(shù)，實現(xiàn)寬行距分根交替灌溉的自動化控制，為節(jié)水灌溉自動化提供了新的高效且實用的技術(shù)手段。

上述描述僅作為本發(fā)明可實施的技術(shù)方案提出，不作為對其技術(shù)方案本身的單一限制條件。