第9章 滴灌系统自动化.doc

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1、第9章 滴灌系统自动化滴灌系统自动化是实现水资源高效节约、劳动效率极大提高的重要手段，它是灌溉管理的必然方向。科学的灌溉理念是“浇作物”，而不是“浇地”。要真正做到作物需要多少水，滴灌系统就能及时而准确地提供多少水，只有使滴灌灌水过程实现自动化控制才有可能达到。滴灌系统自动化有以下优点：按照作物的需水规律适时适量地灌溉，从而提高作物产量和水的利用效率；提高劳动效率，改善劳动条件，节约劳力费、运行费和与田间灌水管路的开、闭有关的其他费用；一开始就按采用自动化灌溉系统规划的滴灌工程，可降低管道、泵站和阀门等方面的基本建设投资。滴灌比其他任何灌水方法都更易于实现自动化控制。因为：滴灌系统全套设备一般

2、情况下都是永久性的；滴灌灌水流量很低，在单位时间内用同样的水源能比其他灌溉方法灌溉更大面积；滴灌情况下，各种农事活动可以在灌水期间同时进行而不受任何妨碍；滴灌对于环境因素，如风或辐射等的反应不敏感。第1节 自动化控制系统类型自动化控制系统种类繁多，按自动化程度可分为半自动化系统和全自动化系统；按计量阀可分为时间控制系统和水量控制系统；按工作形式可分为顺序水力控制系统，顺序电控或水-电控制系统和非顺序的有程序或无程序电控系统等。9.1.1半自动化控制系统顺序水力控制系统这种系统按顺序对各阀门进行水力控制和遥控，通过施加和释放水压来开关阀门。水压由能够承受工作水压的塑料软管传递给阀门，软管管径一般

3、612mm，一端与水阀相联，另一端与自动控制装置或输水管路相联。有些水力控制系统可以与管路的主阀或水源系统相联。采用这种方法时，便对主阀门进行了自动控制。当顺序控制系统开始运行时，主阀就开启，在灌木结束时则关闭。另一种顺序控制系统用电控方式启动水泵，灌水结束时立即使水泵停止工作。顺序水力控制系统根据预定的灌水量实现控制。每个阀的配水量可以不同，并能通过阀上的调节器进行调节。顺序水力控制系统属半自动化控制系统。电动或水力-电力驱动的顺序控制系统电动顺序控制系统通过电缆供给的电流来控制各阀门。控制板至阀门的电流通常经过一个降压变压器降为24伏的交流电。为安全起见，不能将地下电缆中的220伏电流通至

4、各阀门。常规的电磁阀主要用于低流量场合。在采用大口径管道的情况下，电磁阀仅用来启闭控制阀。整个灌水作业是用水力-电力控制的，而次级阀门用水力控制。有些系统采用水力顺序控制的方式，但系统的启动则靠电控，由一个装在主阀旁边的时钟控制。在这种情况下，由蓄电池供给直流电，而不用交流电。此种控制系统也属半自动化控制系统。9.1.2全自动化控制系统非顺序电动控制系统是完全自动化的系统，这种系统根据灌水量或灌水周期来控制互相独立运行的电力控制阀或水力控制阀。每一个阀门能根据预先制定的程序或土壤含水量，施放不同的水量或在不同的时间开始灌水。在控制板上有控制电路，能操纵水泵和主阀，根据预定的灌水模式进行土壤含水

5、量测定，使灌水量满足作物的需要。这类系统通常是遥控的，并设计成田间数据反馈的形式，以便能自动调节以及根据输水管路内的压力与流量的变化做出相应的调整。第2节 半自动化控制系统9.2.1顺序水力控制系统小型滴灌系统用控制系统顺序水力控制系统特别适用于以小直径管道小流量进行灌水的滴灌系统，如温室大棚等滴灌系统。在与干管联接的每一个接头处（最后一个接头除外），装设一套由计量阀和水力控制阀组成的控制装置。在最后一个接头处仅装计量阀。计量阀与滴灌管路相联，水力控制阀装接在要控制毛管组（支管）之后的干管上。计量阀和水力控制阀之间用一段导压管联结（图9-1）。图9-1 小型滴灌系统用顺序水力控制器控制系统部件

6、该系统仅由两个部件组成一个自动计量阀和一个水力控制阀。计量阀中有一个水平叶轮，叶轮的转速与水的流速成正比。叶轮驱动一组减速齿轮，减速齿轮再通过一个锥形离合器与一个凸轮相联。凸轮通过一根轴与刻度盘联在一起。当预先确定的水量灌完后，刻度盘上的“零”位正对着阀体上的箭头，凸轮就释放一个制动装置，使水流停止。通过一个能避免在管路内产生压力波动的水力制动器来缓冲阀门的关闭动作。水力控制阀由装在Y型阀体上的柱塞和柱塞套构成，柱塞套用青铜或塑料制成，柱塞则由青铜制成。阀内有橡皮衬垫，达到气密封，有一根导压管通到柱塞套的端部。工作原理开始灌水时，将计量阀调到所需要的灌水量，打开主阀。水在压力作用下通过第一个计

7、量阀到达干管上的水力控制阀，水流在此被阻断。当第一组毛管（第一条支管）灌溉了预定的水量后，第一个计量阀就关闭，施加在该组毛管（该条支管）水力控制阀端部的压力被解除，在干管内水压的作用下下一个计量阀被打开，于是第二组毛管（第二条支管）开始灌水。压力水流通过第二个计量阀传到第二个水力控制阀端部，使之保持闭合状态。依次继续下去，直至与干管相联的最后一个计量阀投入工作为止。较大滴灌系统用控制系统这种控制系统适合于任意流量和直径在51254mm范围内的管道上使用。可以装在干管上顺序打开支管上各阀门；或装在支管上顺序打开毛管上各阀门。这种控制系统由若干个自动水力计量阀组成，可装也可不装输水量累积数读出装置

8、。每个计量阀可单独运行，也可用来启动一系列附加的水力控制阀。这种系统的流量取决于在不造成过多摩擦损失的情况下通过管路的最大流量。各个计量阀之间及计量阀与水力控制阀之间用612mm直径的挠性管联结，挠性管沿着干管或支管埋设在地下。图9-2 较大型滴灌系统用顺序水力控制器控制系统部件这种控制系统由三个主要部件组成：自动计量阀（51254mm）、水力控制阀（51254mm）和水力导压管。水力计量阀由叶轮壳、导水组件和一个水力控制阀组成。装在叶轮壳内调节器和稳流器之间的沃耳特曼（Woltmann）型中央叶轮，根据水的流速而旋转。叶轮驱动减速齿轮，减速齿轮通过一个锥形离合器和一个凸轮相联。凸轮与调节旋钮

9、用一根轴联结，旋纽带有一根在刻度盘上移动的指针，刻度盘则固定在阀体上。凸轮驱动一个和导水组件相联的水力控制阀，并利用水的压力使计量间开启或关闭。水力控制阀的柱塞将空气排出，管道内的水压就使水力控制阀开启。灌完预定的水量后，旋钮指针到达零位，然后凸轮的凸出部分转到水力控制阀的反方向，使水力控制阀回位，此时，水力控制阀将管路中的水压传给该阀的柱塞，使之关闭工作原理装在直管管路上的顺序水力控制系统的作业方法是：轮灌开始时，所有计量阀调节到需要的灌水量。当主阀打开时，水流流到第一个计量阀，水的压力通过12mm大的水力导压管传给第二个计量阀，使之保持关闭。第一根支管完成预定的灌水量之后，第一个计量阀关闭

10、。作用在第二个计量阀柱塞上的压力解除，在干管水压的作用下打开第二个计量阀，第二条支管即开始灌水。以同样的方式重复这一过程，直到最后一条支管的计量阀打开，完成全部轮灌。9.2.2电动顺序控制系统在这种控制系统中，向不同小区供水的水量由一个时钟确定这种系统主要是为家庭花园和喷灌设计的，但从原理上讲，可以用于任何永久性的灌溉系统。轮灌的开始时间。虽然有些控制器的轮灌开始时间是由工厂预调的，但滴灌系统自动开始灌水的时间通常也可以由使用者调节。当轮灌的开始时间需要经常变动时，通常是在一个标有24小时的钟面外缘上，在需要开始供水的时刻装上某种形式的自动触发机构来确定灌水开始时间。普通的自动触发机构有：插在

11、时钟钟面外缘孔中的销子，孔的间隔时间一般为一小时；在钟面外缘装设固定的滑动触头，一般每隔15分钟装一个，滑动触头可以按进去或拉出来，以调节灌水开始时间。或采用可绕钟盘外缘自由移动触头，它可以停放在任意希望的位置上，然后用一个小的调节螺钉锁定。用任何一种触发机构都能在24小时内开始一次或几次轮灌。短周期重复轮灌的灌水方式常常用于发芽和幼苗期的灌溉。要使控制系统投入运行，可以转动钟面来调节，使实际时间正对着指针所指的时间。然后根据预定的轮灌开始时间，将自动触发机构放到钟面的某一个或某几个适当的位置；只要供电不间断，不管控制器处于何种状态，时针将连续运行。有些控制器上不采用钟面式触发机构，而在一个平

12、盘上设有24个滑动开关，每小时1个。作业人员根据预定的开始轮灌时间，将相应的滑动开关放到“开”的位置，而将所有其他的开关放到“关”的位置。日历程序器因为大多数情况下，一周内并不需要每天灌水，因此控制器通常装有一个日历程序器，以便在一周内预期的那一天能自动开始轮灌。大多数控制器装有14天的日程程序器，也有些只有7天的日程程序器。14天日程程序的主要优点是，既可按一周的时间表运行，如星期一、星期三、星期五等；也可隔日运行。显然，这使灌水日期要隔周变换。用于住宅区滴灌的控制器，大多数在其面板上有一个日历轮，自动触发机构安放在这种日历轮的周围，就和安放在钟面周围一样。通常，在预定灌水日期的位置上放有一

13、个自动触发器，到这一天，触发器接通一个开关，在一昼夜期间，按预先调好的时间开始轮灌。在没有放置自动触发装置的日子，不会自动灌水。有些大型控制器采用一个滑动开关程序器，除了每天备有一个滑动开关这一点以外，该装置的作用方式和钟面或日历轮完全一样。将每个滑动开关放在“开”（灌水）或“关”（不灌水）的位置，就如同将销子插进钟面周围的孔中那样建立了日程程序。日程程序器与时钟相联接每隔24小时该装置就前移一个位置。因此，只要时针在走动，这种日程编程装置就能指出正确的日期。选位器实际上，所有的自动控制器的面板上都有一个选位器。选位器一般是带有指针或指示器的旋钮，它有两个用途：A、在自动轮灌期间，向作业人员显

14、示运行到哪一个位置这是因为，旋钮与一分度机构的轴相联，因此，当控制器逐步完成轮灌，旋钮就从一个位置转到另一个位置。B、当控制器用手工操纵时，作人工选位器用，可用手将旋钮转到预定的位置。有时也可用其他方式，例如通过一个设在紧靠面板后面的数字刻度盘或转动鼓，使得表示轮灌位置的号码通过面板上的小孔显示出来。在这种情况下，可以转动旋钮或按下按钮来机械式地指示选位器的位置，而实现手工选位。9.2.3顺序电动控制系统在这种系统中，通过一个水表的开启和关闭来控制各个区的控制装置，从而控制各小区的洪水量。在每天以24小时计的14大的轮灌周期内，系统的运行时间由一个时钟来确定，并可用张力计或蒸发皿来触发系统的运

15、行。每一个小区的控制装置有自己的开关，按顺序进行的灌水作业能够自动绕过某一关闭的小区控制装置，继续启动以后的各个控制装置。控制板的电源可以用常规的220伏交流电，也可用蓄电池供给的直流电。由蓄电池或干电池供电的控制板，一般通过脉冲阀而不是常规的电磁阀来启动水力控制阀。可以对控制板进行遥控，并能随时使其停止工作系统的运行：可用各种方式进行定量控制，例如用时钟。这类系统大多数都有一个由水表带动的时钟系统，它能够产生电脉冲。来自水表的电脉冲输入到装在控制板上的电子仪表。这些议表可以预先调节到预定的灌水量，视所用水表的精度而定。此外，还通过一个计数器来连续显示灌水的阶段；另一种定量控制方式是利用穿孔带

16、编程器。控制板的运行程序被输入到穿孔带上，只要改变穿孔带，就能容易地改变控制板的运行程序。还有一种使用方法，即同样的程序可以用来控制一系列依次相接的轮灌。这一类自动控制系统通常包括在灌水期间进行施肥的程序。9.2.4 滴灌系统中自动控制灌水量的重要性如前所述，半自动化控制系统有两种程序控制方法：根据预先确定的时间间隔灌水和根据预先确定的灌水量控制灌水。如果以时间为基准的控制系统在运行中不发生故障，那么农田将从水泵或水源获得恒定的水量，这种情况通常多见于温室或地面平整、中央有井的田块。但是大多数农田的地面是不平的，沿程水流的压力会有波动，结果，地势较高的田块单位面积单位时间内的灌水量小于地势较低

17、的田块。压力的波动变化也会破坏流量的稳定，结果就不能精确保证预定的灌水量。此外，一个滴头的流量可假定为常数，但实际上它是随时间而变化的。不仅压力的波动会对滴头的流量产生明显影响，而且随着时间的推移，由于沉积物的部分堵塞，流量会逐渐减小。以时间控制为基准进行滴灌的田块，在农民意识到滴灌系统已部分堵塞之前，实际上己少输送了30%的水量。结果，作物开始缺水。因此，根据灌水量进行自动控制对于滴灌来说，比之任何其他的灌水方法更为重要。第3节 全自动化控制系统 所有非顺序控制系统都是完全自动化控制系统。由于计算机技术和遥测、遥感技术的发展，灌溉自动化控制系统越来越先进、可靠并向智能化方向发展。大型滴灌系统

18、均采用计算机中央控制系统，目前有三种类型中央控制系统：卫星站系统、解码器系统和混合系统。本节介绍几种有代表性的系统并对个别国内研发适合小系统采用的非顺序控制系统原理也做简要介绍。9.3.1摩托罗拉（Motorola）遥控非顺序控制系统系统的组成该系统主要由中央控制板和田间控制板两部分组成。如果需要对多个地块灌水，则一块中央控制板能够操纵多个地块的 田间控制板。除上述装置外，在控制阀的旁边还有一个局部控制点，它从田间控制板接收信号，并将此信号反馈回去，以表明该控制阀已经收到信号。中央控制板和田间控制板之间的连接有以下三种方式：用一根双股电缆连接；无线电通讯，仅用一个信息通道；当中央控制板与田间控

19、制板之间距离达几百米时，可用一根多股电缆直接从田间引到中央控制板来代替田间控制板。必须根据当地条件和该种方法的经济可行性来选择适用的连接方法。中央控制板中央控制板，它能完全控制所有的田间灌水作业将信息送往各控制阀并连续获得灌溉系统运行情况的信息。它由一个灌水程序编制装置、一个信息传输装置、控制各毛管的标准设备以及一个报警装置所组成。灌水程序通过键盘输入程序编制装置。对于每个控制阀，这种灌水程序包括下列数据：运行顺字；投入运行的控制阀的类型；分配给该控制阀的水量；会引发报警信号的流量，例如，管路内产生瞬时突增的过量流量。每一项数据存人存储器时，就被显示在灯光显示板上（如同现代计算机中的灯光显示）

20、。这样就能经常进行检查和防止出差错。通过一个专门的键将信息输入存储器。一当程序被存入存储器，滴灌系统就能开始运行。每个控制阀按编定的程序开启，输完额定的水量后，程序控制装置就关闭该阀，并开启下一个阀。应不断对输水流量进行观察，以检查流量是否在规定的范围内或是否超出了此范围。按下显示按钮，可以在显示板上读出所需的关于某一控制阀的数据。必要时，可以在灌水期间临时改变灌水程序。这种系统能转换为手控方式，利用各自的信号来开启每个控制阀。在这种标准装置上，也可安装“开启”和“关闭”按钮。在这些按钮的旁边有指示灯，它们显示出送往控制阀的信息是否已抵达田间。从田间反馈的信息如果是可靠的，该控制阀即投入运行并

21、发一信息给中央控制版，该信息使显示板上相应的指示灯开启。某一控制阀如在工作中发生故障，也发一信息给中央控制板。这样，如果管路中出现暂时故障，中央控制板也不会收到错误的信息。田间控制板田间控制板的功能是：接收中央控制板的指令并将它们传输给各控制阀；接收有关各田块控制阀的状态、灌水量和流量的信息，并通过一根信息通道传输给中央控制板。田间控制板设于地块的中央，是遥控的。由中央控制板发出的信息通过一个单信息通道传给田间控制板，再通田间控制板传输给各田间控制阀。田间控制板也从各水表收集信息并传输到中央控制板。运行过程正常运行可以将各种各样的灌水程序输入到灌水程序编制装置中。轮灌装置可以包括一根输水管或几

22、根输水管上的一组控制阀。这种装置能够预先确定每个控制阀的输水量、最大允许流量，并能规定各控制阀的运行次序（一个电力控制阀控制一组水力控制阀）。在灌水期间，可以了解哪些控制阀正投入运行，并可在显示板上看到该阀还需输送的水量。在系统未与预定的程序相连时也可用人工操作，在这种情况下，从田间各控制阀取得的信息也返回中央控制板。不正常运行在自动遥控系统中，可以检测某些不正常运行情况。在下列情况下将发出报警信号：如果指示某一控制阀开启而无反应；如果指示某一控制阀关闭而无反应；某一管路的流量超过规定流量。如果一条管道的流量超过预定值，在中央控制板上会出现报警信号，该管道自动关闭。然后有二种可能：A、田间的所

23、有管道自动关闭，在查明故障起因之前，整个系统停止运行；B、发生问题的一组控制阀关闭，相邻的控制阀被打开。作业人员可以随意在这两种可能之间进行选择。中央控制板上的闪光信号和音响信号共同构成警报信号。在按下控制板上的一个按钮之前，音响信号总是在响；在故障排除之前，闪光灯始终闪光。该系统的优点可对田间灌水作业甚至距离很远的地块进行全面控制，包括灌水量和流量数据的反馈。各部件均按标准规格制造，只要将出故障的部件更换，很容易排除故障。这就是说，该系统可以不间断地作业。田间的控制部件均以小电流工作，故可用蓄电池作电源；正常运行情况下，工作足够长的时间后才需充电。在制定和执行灌水计划方面具有最大的灵活性。在

24、系统运行过程中，可对任何灌水程序进行改变；在运用自动控制的同时，也可进行人工控制。能自动检测运行故障，并通过闪光和音响信号报警。9.3.2 MicroMaster灌溉自控系统结构中央计算机控制系统由中央控制室主控模块、供配水执行模块、田间灌溉墒情采集模块、灌溉用水信息采集模块、气象测报模块和远程监测模块组成。系统结构见图9-3。图9-3 中央计算机控制系统结构MM4500田间控制系统及连接示意图见图9-4：图9-4 MM4500田间控制系统及其连接示意图（a）MM4500田间控制器；（b）MM4500中控系统连接示意图原理9.3.3雨鸟（RainBird）解码器系统系统结构计算机控制解码器界面

25、线路终端盒解码器电磁阀遥控系统手掌控制器 MAXI 双芯线图9-5 解码器系统结构图田间解码器田间解码器是一个用树脂密封起来的印刷电路板，具有防水保护可直接埋设于地下，它包含微处理控制面板，可以提供多种控制和测试功能，并具有过载保护功能以保护内部部件，其最基本的功能是一个开关控制一个电磁头，一个电磁头控制一个电磁阀的开启。田间解码器的工作原理是：一个解码器有一个或多个地址码，地址码通过双线传输线的唯一数字信号激活。当地址被激活，其解码器容许电流连接到相应电磁头，控制相应的电磁阀。田间解码器有多种型号可供选用。FD101型为一个地址控制一个电磁头；FD102型为一个地址控制一个或同时控制两个电磁

26、头；FD202型为两个地址每个地址可单独控制一个或两个电磁头；FD401型为四个地址，每个地址可独立控制一个电磁头，等等。图9-6 田间解码器解码控制器解码控制器是用于中央控制器与田间解码器和传感解码器之间的信息转换设备。有两种型号：SDI型有200个解码器地址，400个电磁线圈；LDI型有500个解码器地址，1000个电磁线圈。图9-7 SDI型解码控制器解码器系统设计双线设计的规格大小必须满足解码器系统工作要求并维修方便。因为由双线控制电磁头，因此双线的截面大小必须能提供足够的电压和电流支持系统运行。线路布置方式有分岔布置和回路布置两种。推荐采用分岔布置形式，该布置形式维修和扩增线路十分方

27、便。一般情况下不采用回路布置方式，只有当分岔布置时其线路长度超过允许最大长度时才考虑采用。允许最大布设长度：分岔布置情况下，系双芯线从连接终端盒到最远解码器的距离（见图9-8）；回路布置情况下，系双芯线从连接终端盒到最远解码器的距离，再返回到终端盒的长度（见图9-9）。不同型号双芯线允许的最大布设长度见表9-1。SDI/LDI图9-8 分岔布置双芯线允许最大布设长度示意图 SDI/LDI图9-9回路布置双芯线允许最大布设长度示意图表9-1 不同型号双芯线允许的最大布设长度线号截面积（mm2）回路布置（km）分岔布置（km）142.014.83.8123.324.56.1105.349.39.8

28、解码器系统优点解码器系统有以下优点：安装简单;节约电缆线，只需卫星站系统电缆线的1/8；全部安装在地下，可防止人为破坏，不影响地面景观；维修方便、节约；扩大或增加阀门控制区非常容易；投资便宜。9.3.4新疆农科院温室大棚非顺序电控系统压力源为水塔高位水池（箱）、自来水管路的自动控制系统 这种控制系统的原理如图9-3所示：图9-10 压力源为水塔、高位水池（箱）、自来水管路的自动控制系统电路图（电路图处于停灌状态）电接点张力计由一根电线与张力计指针上的触点A接通，另一根电线通过游丝与张力计可调触点B相连，可调触点可通过表外旋纽任意调节。把电接点张力计埋设在土壤中，根据所种作物及其生育阶段，扭动调

29、节旋钮使触点B位于其pF值上限位置，当土壤中的水分逐渐消耗变干时，pF值增大，指针上升，当A、B两触点接触时，电源接通，电子管开始工作，信号放大，继电器吸合，电磁阀开启，滴灌开始。灌到一定时间后，当灌溉水的前沿部分浸润到磁头时，张力计吸水，指针下降，A、B触头脱离，电子管停上工作，继电器断开，电磁阀关闭，滴灌停止。压力源为水泵的自动控制系统压力源为水泵的自动控制系统，原理同前，只是将电磁阀改为三相磁力开关，以操纵电动机控制灌水。其电路图加图9-4所示。图9-11 压力源为水泵的自动控制电路图（电路图处于停灌状态）当A、B两触点接触时，磁力开关线圈通电，三对动合触头闭合，电动机与电源接通，电动机

30、启动，带动水泵运行，开始滴灌。A、B触点脱离，磁力开关切断电源，滴灌停止。为保护电动机的安全，在紧靠电源处应加设电动机保护启动器。轮灌区种植不同作物时的自动控制某些滴灌系统，各轮灌区种植的作物可能不一样，耗水规律和耗水量不尽相同，各轮灌区中装设的张力计发出的信号必不一致，难免发生一个轮灌区还未灌完。其他轮灌区又需要灌水的现象。但滴灌系统一般均按轮灌方式设计以降低系统造价。在此情况下，就需要加装一套控制装置，在任何情况下只允许其中一个轮灌区正常运行，待这个轮灌区浇完后才允许其他给了浇水信号的一个轮灌区运行。现以种植不同作物的四个轮灌区的滴灌系统为例说明其原理（图9-5）。该控制器由四个交流接触器

31、组成，每个交流接触器有一对常开触头和三对常闭触头。当其中任何一个轮灌区运行时，它的常开触头吸合并同时将三个常闭触头断开。其他三个轮灌区给了浇水信号也不能工作，待这个轮灌区浇水完毕，常开触头断开时，同时将三个常闭触头闭合，其他给了信号的轮灌区动作灵敏者先吸合常开触头，并同时断开三个常闭触头，阻止其他轮灌区运行。图9-12 轮灌区自动灌水控制器线路图（四个轮灌区）第4节 灌溉自动控制系统传感器为了有效地灌水，必须在作物需要水的时候进行灌溉，所灌的水量必须精确地补充根系土壤层水分的短缺。为了能够实现这样的有效灌水，就必须有相应的科学、实用的能监测并能将监测结果传输给指令装置的仪器传感器。目前自动化灌

32、溉中应用最广泛的传感方法有两种：一是利用土壤水分测定仪做传感器；二是利用蒸发皿做传感器。9.4.1利用土壤水分测定仪作为传感器测定土壤含水量的方法很多，有称重法、电阻法、射线法、张力计（负压计）法、中子仪法、时间域反射仪（DTR）法等。灌溉自动控制系统中应用的方法有张力计法、电阻法、中子仪法和DTR法。目前生产中应用最广泛的是张力计法；电阻法易受化学物质、有机物质影响，一般精度不高已逐渐被淘汰。目前科研中主要使用最先进的DTR法，中子仪法因成本高，对有机物含量多、低含水率的土壤的测量精度差，对表层（0.3m）土壤水的测定需另加装置等使用者也越来越少。利用张力计作为传感器张力计简介张力计是测定土

33、壤水所承受压力的仪器，这种压力通常是负压故又称负压计。这种负压叫做土壤水分张力或水分吸引压，它表征了作物根系吸水的难易。张力小，作物根系从土壤中吸取单位水分所需要的能量少；张力大，作物根系从土壤中吸取单位水分所需要的能量多。它的基本原理是：在选定位置的土壤中埋入多孔质陶瓷管头，用塑料导管与真空表密封相连，装满水，使土壤水通过陶瓷管头的多孔体壁与管内的水呈水理学连接（只通水不透气）。当土壤干燥时，土壤从陶瓷管吸水，张力计内形成局部真空，真空表指出读数；当灌水时土壤变湿，水再吸回到张力计内，真空表读数下降。真空表读数通常以pF值表示：pF值是张力（负压或吸力）头的水柱厘米数的对数。pF值为1即张力

34、头是10cm水柱；pF为2，张力头为100cm水柱；依此类推。不同土壤虽然水分含量不同，但其田间持水量、生长阻碍点、早期凋萎点和永久凋萎点的水分张力（pF值）是相同的。根据作物对土壤水分的吸收利用进行土壤水分分类，pF值与土壤水分常数间的关系如图9-13所示。1.83.03.84.27.0(水分常数)田间持水量生长阻碍点早期凋萎点永久凋萎点有效水速效水迟效水正常生长有效水图 图9-13 pF值与土壤水分常数间的关系 注：重力水：为饱和持水量（pF0）到田间持水量（pF1.8）之间的水，因短时间内（12天）在重力的作用下流向下层，仅有极少部分可被利用；有效水：是从田间持水量（pF1.8）到永久凋

35、萎点(pF4.2)范围内的水分。有效水分又分：（a）速效水：是田间持水量（pF1.8）到早期凋萎点（pF3.8）之间的水分。这种水作物较易吸收，土壤水分若维持在这个范围内，作物基本上不会发生凋萎现象。（b）迟效水：早期凋萎点（pF3.8）到永久凋萎点（pF4.2）之间的水分。在这个范围内的水分作物不易吸收，生长、发育受阻，产量、品质下降。无效水：永久凋萎点（pF4.2）以下的水分,因有强大的吸引压，作物不能吸收利用。速效水分中，田间持水量（pF1.8）到作物生长受阻水分点（pF3.0）的水分称正常生育有效水分（作物的最优含水量均在此范围内）。为了保证作物稳产高产，土壤水必须维持在这个范围内。张

36、力计的pF值范围为03.0，正好能控制这一范围，故能成功地用于指导灌溉。需要说明的是：土壤质地不同其保水和持水力也不相同。因而它们保证作物正常生育的有效水分数量也不相同。保水率差的（轻质土）其保证作物正常生育有效水分的数量较少（见图9-14），宜采取低张力水分管理。图9-14 不同土壤条件下的土壤含水量对于自动化灌水而言，在确定灌水周期和最佳水分张力时，为了使土壤保持均匀的低水分张力和使作物在接近于可能蒸发蒸腾的条件下生长，最好尽量缩短灌水间隔。许多研究表明，当作物能够不受水分限制进行蒸腾时，其产量最高。但是，一定要注意防止出现积水以及因深层渗漏雨造成水量的损失。因此应将张力计的陶土怀放在主要

37、根系层的中部。张力计在自动化滴灌系统中应用的可靠性由于田块上土壤、作物状况的不均匀性，用任何方法测定的土壤水分与地块的实际土壤含水量总存在一定差异。一处土样的水分含量只代表那一点的水分状况，一块地块的平均含水量需要多个有代表性测点的测定数据。在以色列，即使土壤状况相当均匀的田块，灌溉推广服务站一般在进行灌水之前也要取四处土样进行测定，并根据这些测定值的平均数来确定灌水量。显然，用这种方法进行灌水时对于较干旱处的作物水分将是不够的，将会造成减产。自动化滴灌系在多点同时监测土壤水分状况，但根据最干燥点的水分状况进行灌水，可以完全避免作物受旱。传感器为张力计的自动化滴灌系统传感器为张力计的自动化滴灌

38、系统控制装置由电控张力计、电子开关、电磁阀三部件组成。将电控张力计插入土中至需要的深度，每个张力计通过一根三股电缆与几个电子开关装置中的一个连接。一个开关装置与一个电磁阀连接，该阀控制通往滴灌系统的水路的开或闭。当土壤含水量降低时，土壤通过张力计的陶瓷杯从张力计管中吸水，张力计感应出土壤吸力的增加，当土壤吸力达到某一预定的最小值时，每个张力计启动相应的电子开关，电子开关再开启相应的电磁阀。当土壤含水量增加到某一预定的最大值时，电控张力计启动相应的电子开关，关闭相应的电磁阀，停止灌水。新疆农科院温室大棚非顺序电控系统就是一种以张力计作为传感器的自动化滴灌系统。在土壤湿润前沿达到陶瓷杯之前，启动滴

39、灌系统的第一个张力计始终与电磁阀相连，因此，可防止不断地开启和关闭灌水系统。利用TDR仪作为传感器时域反射仪(TDR)是利用特高频电磁波在土壤中的传导特性来测定土壤含水量的仪器。电磁波在介质中的传播速度V可用式9-1表示： （9-1）式中：电磁波在真空中的传播速度； 介质的介电常数； 磁性常数。电磁波在真空中的传播速度为300000km/s。土壤的磁性常数为1，由此可将式9-1变换为下式： （9-2）土壤中固体成分占其容积的50%左右，土壤固体成分的介电常数一般为2。水的介电常数约为80，因此土壤水分数量的多少对土壤的介电常数影响很明显。根据国外某些机构的研究，不同质地土壤的介电常数与土壤含水

40、量的关系可以统一标定，误差在5以内；而且容重、温度对土壤的介电常数与土壤含水量的关系影响很小。时域反射仪利用上述原理，测定电磁波在土壤中传播一定距离所需的时间，求出土壤的介电常数；再根据已标定的土壤容积水含量与土壤介电常数的关系推求出土壤水含量。标定曲线内置，仪器直接显示土壤容积含水量。时域反射仪的优点是施测快，安全、可靠、精度高，不受矿物质含量、矿化度、温度等影响，携带、安装方便。土样也不受扰动，可反复多次测量。更为突出的优点是能完成定时多点（可达2 6 5个）自动观测和计算，并能同时完成多项（水分、溶质、电导率和温度等）内容的观测。数据自动采集并远程遥控。是目前世界进行土壤水分监测最有应用

41、前景的测量仪器。其缺点是价格昂贵，仅在科学研究中采用。图9-15 TDR土壤水分测定系统简意图9.4.2利用蒸发皿作为传感器在以色列等发达国家，经过大量的试验研究和长期生产实践，业已确定出不同气候条件下各种作物的生育期耗水量与蒸发皿的蒸发量之间的关系，可以利用这种关系来安排灌水计划。在以色列，利用蒸发皿作为传感器，以太阳能为电源的计算机自动化控制系统处处可见；农场主一个星期去查看一次即可，非常方便。国内尚无这方面资料。国外多用A级蒸发皿，而国内气象台站过去多用20cm直径小口径蒸发皿，现统一规定将E601B型蒸发皿作为气象台站标准蒸发皿。利用蒸发皿作为传感器时可以参考国外有关试验资料，但关键是

42、必须取得经过大量试验证明的换算系数后，经过换算才能使用。利用蒸发皿作为传感器其原理十分简单：如果将电极放在蒸发皿中确定的高度位置（根据以往的试验和经验），就能够自动控制滴灌作业。当蒸发皿内的水面降到预定的高度，就开始灌水；当蒸发皿内水面升至一定高度，灌水则停止。第5节 规划设计滴灌自动化控制应注意的问题目的必须明确自动化只是实现滴灌系统科学管理的手段，不是目的。规划设计自动化滴灌系统必须首先明确其目的。例如：新疆生产建设兵团棉花膜下滴灌，为了降低管网造价并适应分片承包的管理模式，有相当数量的系统将流量分散采用附管轮灌模式，控制阀门非常之多，人工控制难度极大甚至无法实施不得不改用自动化控制。再如

43、：人工无法准确的实施科学的灌水制度，需要通过有关的监测仪器实现科学的灌溉管理；等等。不同的目的其达到方法是不完全一样的，应从中选择经济实用的方法。与滴灌管网设计相协调对于计划新建的自动化滴灌系统，自动控制系统设计应该与滴灌系统设计同步进行设计和施工，做到充分地协调一致；对于在原有滴灌系统上改建为自动化控制的滴灌系统，必须符合该系统原来的水利设计要求，适应原设计的轮灌制度，这是进行自动化改建的前提。否则，所谓的滴灌系统自动化控制是无法实现的。需要指出的是：目前影响滴灌自动化控制系统投资多少的关键因素是末端执行机构电磁阀的数量。电磁阀的数量又和管网设计和轮灌方式有关。关于轮灌问题本书第7章已有专门

44、的论述，在可能的情况下滴灌系统轮灌次数越少，管网造价越低。轮灌次数少管网造价低的原因是配水管路（分干管、支管）管径细，所需的管件少，特别是所需的控制阀门少。因此，它与降低自动控制系统造价是一致的：轮灌次数少，所需的电磁阀少，田间控制设备也少。因此，滴灌管网的优化设计，不仅带来的是管网系统投资的大大降低、人工管理的方便；同时也带来自动化控制设备投资的大大减少和管理的方便。坚持因地制宜、突出效益的原则 滴灌工程的规模大小、作物种类、水源情况等差异很大，进行自动化控制的目的必须明确，在进行自动化系统规划设计时，必须坚持因地制宜、突出效益的原则。用最简单最便宜的方法到达目的，就是最好的方法。我国各地在

45、作物需水规律和滴灌灌溉制度方面的研究比较落后，积累资料甚少，所谓的智能化自动化管理系统投资很高、且往往只是纸上谈兵，生产上不可盲目采用。主要参考书目及文献资料 D.戈德堡,B.戈内特,D.里蒙.滴灌原理与应用.北京:中国农业机械出版社,1984.12 张志新等.滴灌.乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社,1992.3 门旗.解码器介绍.雨鸟公司,2004 水利部农村水利司,中国灌溉排水发展中心.节水灌溉工程实用手册.北京:中国水利水电出版社,2005.8 杨培玲.土壤与水资源学基础.北京:中国水利水电出版社,2005. 新疆生产建设兵团农业局专题调研组. 关于对农一、二、六、七、八师自动化滴灌系统调研情况的报告. 兵团精准农业技术研讨会论文汇编, 2005. 王光强,谭志环,谢龙.棉花膜下滴灌自动化控制的应用及前景分析. 兵团精准农业技术研讨会论文汇编, 2005. 姚永熙.水文仪器与水利水文自动化.河海大学出版社,2001.816