农田精准灌溉控制模型的构建与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种农田精准灌溉控制模型的构建与应用，旨在解决现有技术中所存在的灌溉控制不够精确、可靠性差、使用维护不便的技术问题。本发明专利技术提供一种农田精准灌溉控制模型的构建方法和一种农田精准灌溉方法，根据所构建模型的土壤有效含水容量、实施监测的土壤水分含量、田间蒸发速率计算灌溉水量。本发明专利技术基于土壤质地推导农田土壤有效含水量（允许灌溉的最大容量）的转换函数、实时监测的土壤水分和作物蒸散发量（耗水量）数据进行实时、定量地精准控制灌溉，能够实现农田智能灌溉，灌溉水量精准，节水效果明显，水分生产率较常规灌溉提高90%以上，有效地提高作物产量，每亩可以增产20%以上。

【技术实现步骤摘要】
农田精准灌溉控制模型的构建与应用
本专利技术涉及农田灌溉
，具体涉及一种农田精准灌溉控制模型的构建与应用。
技术介绍
农业种植中，灌溉原则是灌溉量、灌溉次数和灌溉时间要根据作物需水特性、生育阶段、气候、土壤条件而定，要适时、适量，合理灌溉。随着世界水资源短缺的加剧，精准灌溉成为农业种植的重点研究方向之一。中国专利文献CN104904569A公开了一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统及方法，通过土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水分检测单元的数据，决策处理系统采集决策通信单元所接收的数据，估计出灌溉区的整体含水量，产生控制数据，使电磁阀产生相应动作，进行自主灌溉。此专利技术技术方案采用最大似然估计法动态估计整个灌溉区的含水量。该技术方案所依赖的动态含水量涉及到利用彭曼公式计算参考作物的蒸腾蒸发量ET0，尽管彭曼公式是计算作物需水量的常规计算模型，但由于该公式参数较多，对于环境条件复杂的农田灌溉反倒因输入数据较多，计算结果常存在较大的误差；此外，该技术方案依赖于无线传输系统的实时传输，对于农田实时精准灌溉来说过于复杂，而且使用维护成本较高，其可靠性也难以保障。中国专利文献CN109845625A公开了一种基于神经网络的多维参量农作物智能灌溉控制方法，通过采集当前灌溉农田的雨量信息、土壤墒情信息、风速信息、温湿度信息、光照强度信息及流量信息等参量，基于神经网络建立以农作物需水信号为响应信息的农作物需水量模型，通过该模型对农作物多维环境参量进行计算处理，最终预测出当前农田农作物的需水量，控制器通过对需水量、降雨量及土壤墒情做出综合判决结果并根据判决结果控制电磁阀，实现对农作物的灌溉。该技术方案虽然考虑影响灌溉需水量的因素较全面，但对于环境条件复杂的农田灌溉反倒因输入数据较多，测算结果常常是有很大的误差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于土壤质地归纳推导出的农田土壤有效含水量（允许灌溉的最大容量）转换函数、实时监测的土壤水分和作物蒸散发量（耗水量）数据的农田精准灌溉控制模型，将其应用于农田灌溉控制中，以期解决现有技术中所存在的灌溉控制不够精确、可靠性差、使用维护不便的技术问题。为解决上述技术问题，专利技术人在长期大量的试验研究及科研实践中发现，现有的农田灌溉控制方法中均未考虑农田土壤质地对土壤田间持水量、凋萎含水量的影响，而土壤田间持水量、凋萎含水量则是土壤有效含水容量确定的基本指标；显然，精确的农田灌溉水量是不能够超过农田土壤有效含水容量的限制，否则就会导致灌溉水的渗漏、径流及土壤养分淋失。基于此，本专利技术采用如下技术方案：提供一种农田精准灌溉控制模型的构建方法，包括以下步骤：（1）取试验地土壤样品，测定田间土壤的粘粒和砂粒所占百分数数据；测定土壤田间持水量和土壤凋萎点；（2）将以上所得各项数据代入如下公式：土壤田间持水量(v/v%)=A×土壤砂粒(w/w%)+B×土壤粘粒(w/w%)＋C；土壤凋萎点(v/v%)=D×土壤砂粒(w/w%)+E×土壤粘粒(w/w%)＋F；进行回归计算，分别得到所示试验地土壤的A、B、C、D、E、F具体参数值；（3）计算土壤有效水容量：土壤有效水容量(v/v%)=土壤田间持水量(v/v%)-土壤凋萎点(v/v%)；由此（2）和（3）转换函数关系，在实际的灌溉控制系统中只需输入土壤的粘粒(<0.002mm)和砂粒(2~0.02mm)所占百分数(%)数据就可以获得土壤有效水容量；（4）有了土壤有效含水容量，再根据实时监测的土壤水分含量、田间蒸发速率计算灌溉水量。优选的，在所述步骤（1）中：田间土壤的砂粒和粘粒所占百分数数据采用吸管法测定。优选的，在所述步骤（1）中：所述土壤粘粒的大小为<0.002mm；所述土壤砂粒的大小为2～0.02mm。优选的，在所述步骤（1）中：土壤田间持水量和土壤凋萎点采用压力板法测定。另提供一种农田精准灌溉方法，根据所构建模型的土壤有效含水容量、实时监测的土壤水分含量、田间蒸发速率计算灌溉水量；当实时监测的土壤水分含量达到土壤允许耗水量的上限时：灌溉水量(m3)=土壤有效含水容量(v/v%)×计划湿润深度×灌溉面积(m2)×(30%～60%)；当实时监测的土壤水分含量没有达到土壤允许耗水量的上限，但田间蒸腾蒸发(ET)量累计达到土壤允许耗水量的上限时：灌溉水量(m3)=ET所耗水的累积量(m3)。优选的，所述土壤允许耗水量的上限为土壤有效含水量的30%～60%。优选的，灌溉时在田间分别布设土壤水分传感器、蒸腾蒸发传感器，铺设灌溉管道，设置灌溉控制器、管道流量计、水泵；所述土壤水分传感器埋设在田间小区的中间；所述蒸腾蒸发传感器安装于田间地头，灌溉管道或水井的附近。与现有技术相比，本专利技术的主要有益技术效果在于：1.本专利技术基于土壤质地推导农田土壤有效含水量（允许灌溉的最大容量）的转换函数、实时监测的土壤水分和作物蒸散发量（耗水量）数据的实时、定量地精准控制灌溉，能够实现农田智能灌溉，灌溉水量精准，节水效果明显，水分生产率提高90%以上，有效地提高作物产量，每亩可以增产20%以上。2.本专利技术在有效地提高灌溉水生产率、农作物产量的同时，降低灌溉生产和人力成本，同时有效减少或避免农田肥料淋失，保护生态环境具有积极促进作用和明显的经济及社会效益。附图说明图1为基于本专利技术农田精准灌溉控制模型的控制原理示意图。图2为土壤水分传感器、蒸腾蒸发传感器和灌溉控制系统安装示意图；图中，1为滴灌带；2为蒸腾蒸发传感器；3为太阳能板；4为灌溉控制器；5为水泥浇筑柱；6为水泵；7为土壤水分传感器；8为电线；9为数据线；10为管道流量计；11为电磁阀。具体实施方式下面结合附图和实施例来说明本专利技术的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本专利技术，并不以任何方式限制本专利技术的范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。实施例一：农田精准灌溉控制模型的构建1.建立基于土壤质地的土壤有效水容量计算模型，如图1所示：（1）确定待测区域，选择有代表性的田块作为试验地；（2）取试验地土壤样品，测定其土壤质地（土壤中各粒级占土壤重量的百分比组合），得田间土壤的粘粒(>0.002mm)、砂粒(2～0.02mm)所占百分数(%)数据；采用吸管法测定，操作步骤见GB7845-87中华人民共和国国家标准：森林土壤颗粒组成（机械组成）的测定。（3）分别测定对应试验地的土壤田间持水量、土壤凋萎点数据；土壤田间持水量和土壤凋萎点的测定采用压力板法，操作步骤见土壤理化分析与剖面描述（刘光崧.1996.土壤理化分析与剖面描述.中国标准出版社，page15.）。（4）将以上所得各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种农田精准灌溉控制模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）取试验地土壤样品，测定田间土壤的粘粒和砂粒所占百分数数据；测定土壤田间持水量和土壤凋萎点；/n（2）将以上所得各项数据代入如下公式：/n土壤田间持水量= A×土壤砂粒+B×土壤粘粒＋C；/n土壤凋萎点= D×土壤砂粒+E×土壤粘粒＋F；/n进行回归计算，分别得到所示试验地土壤的A、B、C、D、E、F具体参数值；/n（3）计算土壤有效水容量：/n土壤有效水容量= 土壤田间持水量-土壤凋萎点；/n（4）根据土壤有效含水容量、实时监测的土壤水分含量、田间蒸发速率计算灌溉水量。/n

【技术特征摘要】
1.一种农田精准灌溉控制模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取试验地土壤样品，测定田间土壤的粘粒和砂粒所占百分数数据；测定土壤田间持水量和土壤凋萎点；
（2）将以上所得各项数据代入如下公式：
土壤田间持水量=A×土壤砂粒+B×土壤粘粒＋C；
土壤凋萎点=D×土壤砂粒+E×土壤粘粒＋F；
进行回归计算，分别得到所示试验地土壤的A、B、C、D、E、F具体参数值；
（3）计算土壤有效水容量：
土壤有效水容量=土壤田间持水量-土壤凋萎点；
（4）根据土壤有效含水容量、实时监测的土壤水分含量、田间蒸发速率计算灌溉水量。


2.根据权利要求1所述的农田精准灌溉控制模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤（1）中：田间土壤粘粒和砂粒所占百分数数据采用吸管法测定。


3.根据权利要求1所述的农田精准灌溉控制模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤（1）中：所述土壤粘粒的大小为<0.002mm；所述土壤砂粒的大小为2～0.02mm。


4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏义长，许澍，张霞，王声锋，李道西，张磊，高世凯，葛建坤，张昊，雷宏军，刘佳琪，李真真，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南;41