精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制技術(shù)

前言

　　自然環(huán)境離不開水的存在，人類生存、動植物的生長都和水息息相關(guān)，全世界共同面臨的問題是可用水資源貧乏。中國水資源貧乏，人均占有量僅2 300 m3/年，只相當(dāng)于世界人均的1/4，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個(gè)國家之一。中國又是世界農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占社會總耗水量的80%以上，但水資源利用有效性很差。如何解決農(nóng)業(yè)需水量大、浪費(fèi)大和水資源貧乏這一矛盾是關(guān)系國計(jì)民生的大事。在作物生產(chǎn)中，作物有效灌水量的多少是影響作物產(chǎn)量的重要因素，目前，中國年灌溉用水量約3 900億m3，有效利用率只有30%～50%，而先進(jìn)國家已達(dá)70%～80%，中國每立方厘米水的糧食生產(chǎn)能力不足1.5kg，先進(jìn)國家已達(dá)2.4公斤。因此，節(jié)約用水、提高水資源利用率顯得尤為重要?！　∷Y源的合理利用是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要條件，實(shí)施精準(zhǔn)灌溉能有效提高水資源利用率。當(dāng)前，我國現(xiàn)有的節(jié)水灌溉系統(tǒng)多采用對微噴灌用具的改進(jìn)，如改裝霧化噴頭、安裝配套的防滴器等，而缺少對植物需水信號和土壤水分狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，不能實(shí)現(xiàn)按植物生長發(fā)育的需求進(jìn)行定時(shí)定量精準(zhǔn)灌溉，出現(xiàn)或者不能在植物需水時(shí)及時(shí)補(bǔ)水，或者一次灌水過多的現(xiàn)象，影響植物生長。在水資源嚴(yán)重不足的情況下，造成水源浪費(fèi)，也會因?yàn)橥寥浪诌^多，肥料（特別是氮肥）將隨水分滲漏到地下水中，造成污染。　　精準(zhǔn)灌溉是按照植物生命需求進(jìn)行灌水和停水。要用最少的水取得最好的灌溉效果，達(dá)到節(jié)水灌溉的最大效益，就要深入了解植物的需水狀況，在植物需水時(shí)進(jìn)行定量供水。從生命活動的本質(zhì)上檢測植物響應(yīng)干旱的生理過程，是對抗旱理論的發(fā)展和創(chuàng)新，具有重要的理論和實(shí)踐意義?！　”緯灾参锷杷疇顩r和土壤墑情為依據(jù)，提出了精準(zhǔn)灌溉新思路。主要內(nèi)容如下。　　1）詳細(xì)闡述了我國水資源概況及精準(zhǔn)節(jié)水灌溉的意義，敘述了灌溉控制技術(shù)的范疇及其發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了按植物生命需水狀況精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制技術(shù)概況?！　?）將土壤—植物—水作為一個(gè)大系統(tǒng)，研究三者之間的密切相關(guān)性，以此作為按植物生命需水狀況精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的理論依據(jù)?！　?）系統(tǒng)地闡述了精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分別提出了基于現(xiàn)場總線式和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)式的精準(zhǔn)灌溉控制體系結(jié)構(gòu)，給出了硬件實(shí)現(xiàn)及軟件設(shè)計(jì) 方案?！　?）詳細(xì)敘述了土壤水分及植物莖體含水率的采集方法，并對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性進(jìn)行分析。　　5）闡述了基于介質(zhì)介電特性的水分傳感器的理論基礎(chǔ)及測量方法、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器的測量敏感度；對BD-I型土壤水分傳感器和BD-II型植物水分傳感器的性能作了詳細(xì)說明，并通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，證明其有效性?！　?）以2008北京奧運(yùn)項(xiàng)目——民族大道精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的成功實(shí)施為范例，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)思路—系統(tǒng)組成—系統(tǒng)的生物學(xué)依據(jù)—系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)—遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)），到工程實(shí)施（實(shí)施現(xiàn)場區(qū)域劃分—BD-I型傳感器的布局設(shè)置—控制電纜埋設(shè)及噴頭安裝—運(yùn)行結(jié)果及分析），介紹了按植物生命需水狀況精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制技術(shù)的應(yīng)用?！　”本┞?lián)合大學(xué)電信學(xué)院的張軍老師、北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院的王海蘭老師參加了本書的撰寫工作。章軍富、彭曾愉、江挺等研究生為本書的編寫做了大量的工作，在此表示衷心的感謝?！　”緯乃醒芯渴窃趪易匀换痦?xiàng)目 （30671715）、國家“十一五“重大支撐項(xiàng)目（2006 BAD 03 A 01）、林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200704040）及2008北京市教育委員會共建項(xiàng)目共同資助下完成的，在此表示衷心的感謝?！　∮捎谥咚接邢?，時(shí)間倉促，對該項(xiàng)技術(shù)的研究還有待于深入，缺點(diǎn)和不足之處在所難免，懇請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　 本書詳細(xì)闡述了土壤墑情及植物莖體含水率測量方法，及土壤水分傳感器和植物莖體水分傳感器的工作原理和研制過程，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了傳感器具有較高的可靠性、一致性和穩(wěn)定性。以此為基礎(chǔ)，研制出了按植物需求精準(zhǔn)節(jié)水灌溉自動調(diào)控系統(tǒng)，并成功應(yīng)用到北京奧運(yùn)項(xiàng)目——民族大道精準(zhǔn)節(jié)水灌溉項(xiàng)目，證明了此系統(tǒng)具有較高的可用性。    本書適合節(jié)水灌溉研究學(xué)者、農(nóng)林高等院校的教師及學(xué)生、節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)人員、節(jié)水灌溉施工技術(shù)人員閱讀。

書籍目錄

第1章　緒　論	　1.1　我國水資源概況及精準(zhǔn)節(jié)水灌溉的意義	　　1.1.1　水資源概述	　　1.1.2　人類長期面臨的水資源問題	　1.2　灌溉控制技術(shù)的范疇及其發(fā)展現(xiàn)狀	　　1.2.1　灌溉控制技術(shù)的范疇	　　1.2.2　我國灌溉控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展	　1.3　按植物生命需水狀況精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制技術(shù)概況	第2章　土壤、植物以及水之間的關(guān)系	　2.1　引言	　2.2　土壤	　　2.2.1　土壤質(zhì)地及分類	　　2.2.2　土壤結(jié)構(gòu)及分類	　　2.2.3　土壤容重、孔隙度及濕度	　2.3　植物	　　2.3.1　植物成長	　　2.3.2　植物結(jié)構(gòu)	　2.4　水	　　2.4.1　水和土壤	　　2.4.2　水和植物	　2.5　小結(jié)	第3章　水分采集方法	　3.1　引言	　3.2  土壤水分采集方法	　　3.2.1　烘干法	　　3.2.2　瓶筒法測量土壤含水量	　　3.2.3　中子衰減法測量土壤含水量	　　3.2.4　張力計(jì)式土壤水分傳感器	　　3.2.5　近紅外反射法測量土壤含水量	　　3.2.6　介電法速測土壤含水量	　3.3　植物莖體水分采集方法	　　3.3.1　直接法	　　3.3.2　間接法	　3.4　小結(jié)	第4章  水分傳感器的理論基礎(chǔ)及測量方法	　4.1  引言	　4.2  土壤水分傳感器的理論基礎(chǔ)及測量方法	　　4.2.1  土壤水分介電測量的理論基礎(chǔ)	　　4.2.2  土壤介電測量的通用模型	　　4.2.3  電極化和介電常數(shù)	　　4.2.4  介電弛豫和德拜方程	　　4.2.5  測試頻率的確定	　　4.2.6  基于駐波率（SWR）原理的快速測量方法	　　4.2.7  基于傳輸線阻抗原理的快速測量方法	　　4.2.8  基于電磁場理論的分析方法	　4.3　植物莖體水分傳感器的理論基礎(chǔ)及測量方法	　　4.3.1  植物莖體的宏觀構(gòu)造及水分分布變異	　　4.3.2  植物莖體水的存在形式及水分分布變異	　　4.3.3  植物的介電特性	　　4.3.4  植物莖體含水率與介電常數(shù)的標(biāo)定關(guān)系	　4.4  小結(jié)	第5章  水分傳感器的結(jié)構(gòu)研究	　5.1  引言	　5.2  土壤水分傳感器結(jié)構(gòu)研究	　　5.2.1  單針式結(jié)構(gòu)	　　5.2.2  兩針式結(jié)構(gòu)	　　5.2.3  三針式結(jié)構(gòu)	　　5.2.4  平行四針式結(jié)構(gòu)	　5.3  植物莖體水分傳感器結(jié)構(gòu)研究	　5.4　BD-I型土壤水分傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)	　　5.4.1  四針等長土壤水分探頭的特征阻抗模型	　　5.4.2  四針不等長型土壤水分探頭的阻抗模型	　　5.4.3  BD-I型土壤水分探頭阻抗模型的試驗(yàn)驗(yàn)證	　5.5  BD-II型植物莖體水分傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)	　5.6  傳感器總體電路設(shè)計(jì)	　　5.6.1  檢波電路的設(shè)計(jì)	　　5.6.2  顯示儀表電路的設(shè)計(jì)	　　5.6.3  電池充電電路	　5.7  小結(jié)	第6章  傳感器性能分析研究	　6.1  引言	　6.2  傳感器的能量分布及測量敏感度分析	　　6.2.1  空間敏感度的定義	　　6.2.2  BD-II型水分傳感器測量敏感度分析	　　6.2.3  BD-I型水分傳感器探頭的測量敏感度分析	　6.3  BD-I型傳感器性能分析研究	　　6.3.1  測量數(shù)據(jù)的處理方法	　　6.3.2  BD-I型傳感器的靜、動態(tài)特性	　　6.3.3  BD-I型傳感器的一致性分析	　　6.3.4  BD-I型傳感器測量結(jié)果受土壤質(zhì)地影響的分析	　　6.3.5  BD-I與TDR、FD型土壤水分傳感器性能對比分析	　　6.3.6  用BD-I型土壤水分傳感器監(jiān)測作物土壤墑情	　6.4  BD-II型傳感器性能分析研究	　　6.4.1  有機(jī)溶液介電常數(shù)測量實(shí)驗(yàn)	　　6.4.2  烘干標(biāo)定實(shí)驗(yàn)	　　6.4.3  植物體積含水率實(shí)時(shí)測量實(shí)驗(yàn)	　6.5  小結(jié)第7章　精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)體系	　7.1　引言	　7.2　精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成	　　7.2.1　基于現(xiàn)場總線式灌溉控制系統(tǒng)	　　7.2.2  幾種常用的總線控制網(wǎng)絡(luò)	　　7.2.3  基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)	　7.3  小結(jié)	第8章  按植物生命需水狀況精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例	　8.1  引言　8.2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)	　　8.2.1  設(shè)計(jì)思想	　　8.2.2  系統(tǒng)組成	　　8.2.3  系統(tǒng)的生物學(xué)依據(jù)	　　8.2.4  系統(tǒng)工作原理	　　8.2.5  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)	　　8.2.6  灌溉監(jiān)測控制器	　　8.2.7  系統(tǒng)監(jiān)控器	　　8.2.8  系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)	　　8.2.9  系統(tǒng)控制輪灌區(qū)的劃分原則	　　8.2.10  灌溉小區(qū)土壤含水率預(yù)設(shè)值的整定	　　8.2.11  系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)	　8.3  工程實(shí)施	　　8.3.1  區(qū)域劃分	　　8.3.2  傳感器的埋設(shè)	　　8.3.3  控制線纜埋設(shè)和噴頭安裝	　8.4  實(shí)際運(yùn)行及結(jié)果分析	　8.5  小結(jié)	參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　節(jié)約用水的根本思路是精準(zhǔn)灌溉，精準(zhǔn)灌溉控制是按照植物生命需求進(jìn)行灌水和停水。　　植物生命需水主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是植物的耐旱特性；另一方面是土壤含水量。按植物生命需水狀況精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)就是依據(jù)植物耐早特性，結(jié)合土壤含水量來實(shí)時(shí)控制灌溉系統(tǒng)的啟動、停止，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉?！　“粗参锷杷疇顩r精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)包括：植物水分傳感器、土壤水分傳感器、電磁閥、系統(tǒng)控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控器及其相關(guān)軟件。植物水分傳感器及土壤水分傳感器的研究是精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否精準(zhǔn)、可靠運(yùn)行的前提，因此，植物水分、土壤水分測量方法的研究是本書研究的一個(gè)重要內(nèi)容。　　植物含水量是植物耐旱的一個(gè)重要指標(biāo)，它與植物水勢密切相關(guān)，是影響植物生長的重要物理參數(shù)。只有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地提取植物生理含水量，才能較為精確地獲得植物水勢，無論是對于精細(xì)城市園林業(yè)的研究與應(yīng)用，還是對節(jié)水技術(shù)體系的實(shí)施都具有很高的理論價(jià)值?！　⊥寥篮渴前粗参锷杷疇顩r精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的另一個(gè)重要控制依據(jù)，是本系統(tǒng)可靠運(yùn)行、精準(zhǔn)控制的保證，因此，土壤水分測量方法及其傳感器的研究有著非常重要的地位?！　∠到y(tǒng)控制器是按植物生命需水狀況精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其軟硬件設(shè)計(jì)有著異乎尋常的重要地位，控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是保證本系統(tǒng)安全、可靠、有效運(yùn)行的保證?！　∵h(yuǎn)程監(jiān)控器從字面上理解可以分為“監(jiān)”和“控”兩部分，其中“監(jiān)”也就是遠(yuǎn)程監(jiān)視，可以分為兩大部分：一是對植物水分、土壤水分參數(shù)的監(jiān)視；二是對控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（電磁閥、傳感器）的監(jiān)視。遠(yuǎn)程監(jiān)視就是指通過控制網(wǎng)絡(luò)以獲得信息為主；而“控”是指遠(yuǎn)程控制，即通過控制網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行操控，例如啟、停電磁閥等，但它不僅僅包括對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行重新啟動、停止等操作。

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