楊 光 范志華 肖 戟 蘇成貴 鐘文才

吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130022

中國淡水資源總量為28兆立方米，占世界水資源總量的6%，位居世界水資源總量排名的第四位。然而，中國人口數(shù)量非常龐大，中國人均水資源量僅占世界平均水平的1/4，是世界人均水資源最匱乏的[1]。此外，由于中國獨(dú)特的地理環(huán)境，氣候多變，造成我國水資源在空間上和時(shí)間上的分布極為不均。中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉用水量很大的國家，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)已不能很好地滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水的需要。

1 自動(dòng)化控制定義

自動(dòng)化控制是指整個(gè)操作流程間接地脫離人們對(duì)系統(tǒng)的第一手操作，通過借助一些輔助的設(shè)施或者其他控制機(jī)器的裝置，使得被操作的對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備等）的某個(gè)工作流程或被操控對(duì)象自主地遵照最初的設(shè)定法則運(yùn)行。為了達(dá)成各種繁雜的控制任務(wù)目標(biāo)，被操控的對(duì)象在一開始就與控制對(duì)象的設(shè)備根據(jù)特定的方式相連接，組成一個(gè)有機(jī)的整體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，被操控對(duì)象的輸出數(shù)量被嚴(yán)格把控著，溫度、壓力或其他飛行軌跡都可能成為一個(gè)特定的值。此外，操控的裝置則是對(duì)被操控對(duì)象實(shí)施控制作用的相關(guān)機(jī)構(gòu)的總概括，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[2]。時(shí)序控制灌溉系統(tǒng)、ET智能灌溉系統(tǒng)和中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)這三類是現(xiàn)在經(jīng)常會(huì)用到的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。其中，國內(nèi)基本上使用的是時(shí)序控制灌溉系統(tǒng)。

2 農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的內(nèi)容

2.1 定義

為了調(diào)節(jié)區(qū)域性缺水現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用越來越廣泛。農(nóng)業(yè)灌溉最簡單來說就是農(nóng)業(yè)灌溉活動(dòng)。一般來說，農(nóng)業(yè)灌溉方式可分為三種：一種是常用的地面灌溉；一種是普通噴灌；還有一種是微灌。農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的具體組成部分主要包括排水、供水、配水、蓄水、退水等各級(jí)渠溝或管道，相關(guān)灌溉設(shè)施和建筑物。農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)流程首先從水源區(qū)獲取灌溉水源，然后通過各輸水配水渠道或管道以及其他輸水設(shè)施進(jìn)行水源運(yùn)送，最后將水源送達(dá)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)進(jìn)行配水灌溉。

2.2 分類

農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可分為渠道灌溉系統(tǒng)和管道灌溉系統(tǒng)兩大類。

(1)渠道灌溉系統(tǒng)

從水的源頭、提供水的渠道和其他相關(guān)建筑物向農(nóng)田供水、然后通過田間輸送水源的這一整個(gè)工程是渠道灌溉系統(tǒng)。渠道灌溉系統(tǒng)有三大主要組成要素，即渠道源頭工程、輸送水源工程和儲(chǔ)水蓄水的田間工程[3]。渠道源頭工程負(fù)責(zé)取水源頭的水的輸送和水的調(diào)配，是整個(gè)渠道灌溉系統(tǒng)的最為開始的部分；輸水工程包括水閘、閘門、渡槽、瀑布、陡坡等輸水過程中的輔助建筑物和輸水通道。田間野外工程是指溝和渠的統(tǒng)稱，一般包括渠、溝、壟、田、小測(cè)水設(shè)備。田間工程主要職責(zé)是將水源地運(yùn)輸過來的水直接運(yùn)輸?shù)教镩g，根據(jù)田間農(nóng)作物的需要及時(shí)進(jìn)行灌溉調(diào)節(jié)。渠道灌溉系統(tǒng)的各部分相互配合，缺一不可。

(2)管道灌溉系統(tǒng)

管道灌溉系統(tǒng)是指將水處理后由有壓或無壓管道網(wǎng)從水源地輸送到田間的整個(gè)流程工程。和渠道灌溉系統(tǒng)一樣，管道灌溉系統(tǒng)也由三部分組成：第一個(gè)輪轂（從進(jìn)水和處理）、分配管網(wǎng)（水的輸送和分配）和灌水器（水在現(xiàn)場(chǎng)分布）。管道系統(tǒng)分很多種。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，管道系統(tǒng)可分為開式（自由水調(diào)節(jié)井，分流管）、封閉式（閉管，管內(nèi)一定壓力）、半封閉式（控制閥開閉、浮球閥）；根據(jù)工作壓力的大和小，有無壓力、低壓、中壓和高壓四種灌溉管道系統(tǒng)。依照輸送水和配送水的方式又可分為加壓輸水系統(tǒng)和自壓輸水系統(tǒng)。依照工作方式，可分為移動(dòng)式、半固定式和固定式；根據(jù)管網(wǎng)分類，可分為樹形網(wǎng)絡(luò)和環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。

2.3 現(xiàn)狀

國內(nèi)灌溉技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)具有兩千多年的歷史，最早可追溯到楚國孫叔敖利用大別山上來水，形成既能防下游水澇又能供上游灌溉的期思陂[4]。到現(xiàn)在，我國水灌溉技術(shù)已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但相比于國外一些發(fā)達(dá)國家而言，我國的灌溉技術(shù)多半還只是處于半自動(dòng)化和人工的程度。除此之外，由于我國灌溉技術(shù)多由國外引進(jìn)，國外已經(jīng)根據(jù)其本國的情況形成了固定的灌溉模式，這也就意味著，我們?cè)谝M(jìn)外國灌溉技術(shù)的同時(shí)也引進(jìn)了適應(yīng)他國的灌溉模式，由于不同國家的灌溉實(shí)踐存在的差異，導(dǎo)致了他國先進(jìn)灌溉技術(shù)在我國的不適應(yīng)性。因此，中國農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)自動(dòng)化的發(fā)展仍是一個(gè)等待解決的問題。

3 農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化控制的必要性

3.1 社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)水平對(duì)于一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的評(píng)定自古以來都占有非常重要的地位。區(qū)域間的水資源分配不均加劇了各地區(qū)生產(chǎn)水平的差異。南方地區(qū)氣候獨(dú)特，降水充足，多洪澇之災(zāi)。而在北方和西北地區(qū)，降水稀少，甚至有時(shí)干旱數(shù)年。在過去經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平落后，人們根本無力抵抗自然，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的落后成為了歷史的必然。雖然現(xiàn)在我國水資源的時(shí)空差異仍然存在，但當(dāng)代社會(huì)是一個(gè)智能化的時(shí)代，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全面自動(dòng)化灌溉提供了一個(gè)非常有利的條件。通過對(duì)他國先進(jìn)灌溉技術(shù)的借鑒、反思與總結(jié)，我國逐漸摸索出了適合我國農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化控制灌溉技術(shù)。

3.2 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉不足

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉大部分只是局限在人工灌溉和借助于一些簡單的灌溉工具方面（如水車）。隨著物價(jià)上漲，農(nóng)田灌溉員的雇傭成本也在上漲。對(duì)于擁有廣闊的農(nóng)田的農(nóng)場(chǎng)主而言，高昂的人工成本讓其難以擔(dān)負(fù)。自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的前期投入成本雖然也高，但畢竟是一次性投入，相比于每年需負(fù)擔(dān)的高人工成本來說，自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)成本上還是比較劃算的。另外，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)解決的問題大多停留在小區(qū)域間的水資源分布不均上。對(duì)于大面積內(nèi)的水資源分配問題還是不能很好地加以解決。最后，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉因技術(shù)問題的缺陷，灌溉技術(shù)較為粗糙，水質(zhì)水量也因灌溉技術(shù)的不足受到很大的影響。

4 自動(dòng)化控制在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)化控制灌溉技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：操作簡單、防腐蝕性強(qiáng)、潔凈度高、節(jié)水性能高。農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)對(duì)操作者的操作水平要求一般不會(huì)太高，所以自動(dòng)化控制系統(tǒng)的灌溉設(shè)計(jì)相對(duì)來說易操作。農(nóng)業(yè)灌溉過程會(huì)摻雜化肥的使用，化肥中含有大量的腐蝕性物質(zhì)，自動(dòng)化控制灌溉選擇了防腐蝕性強(qiáng)的材質(zhì)作為管道或渠道輸水設(shè)施。由于自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)設(shè)置簡易，輸水過程中水源通過的渠道較少，因此輸送到灌溉地的水潔凈度也高。自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)除了能智能設(shè)定灌溉模式之外，也能通過手工設(shè)定，智能設(shè)定與人工監(jiān)管相結(jié)合模式降低了水資源在運(yùn)輸過程中的流失率[5]。

5 結(jié)語

自動(dòng)化控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域占有重要的地位，合理地運(yùn)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)國家農(nóng)業(yè)發(fā)展可以起到良好的促進(jìn)作用，也有利于更好地節(jié)約水資源，從而緩解水資源匱乏地區(qū)的用水緊張問題。相信在不久的將來，基于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)將會(huì)遍及中國大江南北。