一种灌溉方法及系统与流程

1.本技术涉及农业生产领域，尤其涉及一种灌溉方法及系统。


背景技术：

2.我国是农业大国，而灌溉是农业生产中最重要的活动之一。同时我国还是水资源匮乏国家，农业灌溉用水大约占全国供水量的60％，然而灌溉用水效率仅在45％左右，远低于发达国家的平均水平。因此，发展灌溉节水技术不仅可以应对水资源匮乏，缓解水资源危机，同时对于保障农业生产，实现高效、精准农业，进而保障我国粮食安全具有重要意义。
3.目前国内农田灌溉大多还是采用沟灌、漫灌等方式，灌溉人员利用个人经验判断是否需要对农田进行灌溉，确定灌溉量的多少。或者采用半自动灌溉控制系统，通常是依靠经验采用控制时间的方式来设定灌溉时间和灌溉量。这些灌溉方式都较为粗糙，没有定量的实时监测，缺乏足够的数据依据，可能会出现灌溉不足或是灌溉频次不够，不能给作物提供足够的水资源，或是灌溉过多进而水径流流失，导致灌溉水利用率低造成水资源浪费的问题，无法达到精准灌溉和节水的目的。同时灌溉系统的自动化程度低，对人力的依赖程度较高，无法实现大规模的农业生产。
4.近些年随着灌溉技术的发展，市场上也出现了一系列智能灌溉系统。智能灌溉系统将由传统的人工灌溉转变为结合智能化、数字化技术手段，依托移动设备等管理平台以及无线通讯技术实现对农田的智能化管理。对农田土壤状态及农作物生长状态进行可视化监控，实时收集土壤墒情、太阳能光照强度、降雨量等数据并进行分析，实现科学、动态管理及自动化灌溉的目的。然而，即便如此，现有的智能灌溉仍然存在诸多问题。例如过分注重输水效率的提升，缺少对作物需求量的研究；计算土壤储水能力，常规使用的工具均不可靠，作物蒸发蒸腾量历史平均值很难获得，这些都导致现有的智能灌溉系统大多都是“伪智能”。在不了解土壤储水、作物需水、真实耗水的情况下，只是气象、墒情数据输入，再加上智能终端操作而已，无法在根本上解决水资源利用率低的问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种灌溉方法及系统。
6.本发明实施例第一方面提供了一种灌溉方法，所述方法包括：
7.采集土壤信息和环境信息，根据所述土壤信息和环境信息获得土壤有效储水能力和土壤有效储水量；
8.根据土壤信息获得作物耗水量，获取预设天数范围内的气象信息，并根据土壤信息、环境信息和气象信息获得预设天数范围内的模拟蒸发蒸腾量，所述模拟蒸发蒸腾量包括实际值和预测值；
9.根据所述作物耗水量和模拟蒸发蒸腾量实际值计算作物系数，并根据所述作物系数和模拟蒸发蒸腾量预测值获得作物在预设天数范围内的逐日耗水量预测值；
10.根据土壤有效储水量和作物逐日耗水量预测值获得灌溉时间；
11.根据所述土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得灌溉水量；
12.根据所述灌溉时间和灌溉水量控制灌溉设备进行灌溉。
13.优选地，所述方法还包括：
14.在土壤的不同深度处部署分层多深度土壤水分传感器，通过所述分层多深度土壤水分传感器采集土壤信息和环境信息。
15.优选地，所述获得土壤有效储水能力和土壤有效储水量的过程包括：
16.根据所述土壤信息和环境信息获得田间持水量和作物凋萎系数；
17.根据所述田间持水量和作物凋萎系数获得土壤有效储水能力和土壤有效储水量。
18.优选地，所述获得作物逐日耗水量预测值的过程包括：
19.根据土壤信息、环境信息和气象信息获得预设天数范围内的逐日参考蒸发蒸腾量；
20.根据逐日参考蒸发蒸腾量计算逐日模拟蒸发蒸腾量，所述逐日模拟蒸发蒸腾量预测值包括逐日模拟蒸发蒸腾量实际值和逐日模拟蒸发蒸腾量预测值；
21.剔除作物耗水量中不符合预设标准的数据，获得作物的日真实耗水量；
22.根据所述逐日模拟蒸发蒸腾量实际值和作物日真实耗水量获得作物系数；
23.根据所述逐日模拟蒸发蒸腾量预测值和作物系数获得作物逐日耗水量预测值。
24.优选地，所述获得作物逐日耗水量预测值的过程还包括：
25.通过第t个灌溉期的作物系数获得第t 1个灌溉期的作物逐日耗水量预测值。
26.优选地，所述方法还包括：
27.监测灌溉设备的实际灌溉水量；
28.当所述实际灌溉水量达到根据所述土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得的灌溉水量时，控制灌溉设备停止灌溉。
29.本发明实施例第二方面提供了一种灌溉系统，所述系统包括采集模块、处理模块和控制模块；
30.所述采集模块，用于采集土壤信息和环境信息；
31.所述处理模块，包括处理器，所述处理器内部配置有处理器可执行的操作指令，以执行如下操作：
32.根据土壤信息获得作物耗水量，获取预设天数范围内的气象信息，并根据土壤信息、环境信息和气象信息获得预设天数范围内的模拟蒸发蒸腾量，所述模拟蒸发蒸腾量包括实际值和预测值；
33.根据所述作物耗水量和模拟蒸发蒸腾量实际值计算作物系数，并根据所述作物系数和模拟蒸发蒸腾量预测值获得作物在预设天数范围内的逐日耗水量预测值；
34.根据土壤有效储水量和作物逐日耗水量预测值获得灌溉时间；
35.根据所述土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得灌溉水量；
36.所述控制模块，用于根据所述灌溉时间和灌溉水量控制灌溉设备进行灌溉。
37.优选地，所述采集模块为分层多深度土壤水分传感器。
38.优选地，所述控制模块为开关控制器，用于控制灌溉设备和灌溉管道的开关状态。
39.优选地，所述系统还包括流量监测模块，用于监测灌溉设备的实际灌溉水量，
40.所述处理模块，包括处理器，所述处理器内部配置有处理器可执行的操作指令，以
执行如下操作：
41.当所述实际灌溉水量达到根据所述土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得的灌溉水量时，通过控制模块控制灌溉设备停止灌溉。
42.本发明的有益效果如下：本发明所提出的灌溉方法，首先根据土壤信息和环境信息获得土壤有效储水能力，然后根据作物系数和模拟蒸发蒸腾量预测值获得作物逐日耗水量预测值，最后获得灌溉水量和灌溉时间。本发明通过获取土壤和作物两方面的实际情况和需求实现合理化灌溉，为灌溉时间和灌溉水量提供可靠的数据支撑，提高水资源利用率和灌溉效率。
附图说明
43.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
44.图1为本发明实施例1所述的灌溉方法的流程图；
45.图2为本发明实施例1所述的灌溉系统的原理图；
46.图3为具体实例中不同深度土层有效储水量和蓄水潜力示意图；
47.图4为具体实例中未来预设天数的降雨和蒸发蒸腾量预测示意图。
具体实施方式
48.为了使本技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
49.实施例1
50.如图1所示，本实施例提出一种灌溉方法，该方法包括：
51.s101、采集土壤信息和环境信息，根据所述土壤信息和环境信息获得土壤有效储水能力和土壤有效储水量。
52.土壤有效储水能力反映了土壤储水容量的大小，是在土壤田间持水量与作物胁迫点含水量之间的储水空间，是一个和土壤质地结构、植物根系生长动态深度及根系/土壤水势平衡均相关的数值。
53.土壤有效储水量是当前土壤含水量高于作物胁迫点含水量之间的储水空间，其决定了当前土壤中可被植物利用的水分含量。
54.本实施例通过采集土壤信息和环境信息获得上述土壤有效储水能力和土壤有效储水量。其中，采集土壤信息和环境信息则通过部署传感器的方式实现。具体的，本实施例中，在田间提前部署分层多深度土壤水分传感器，该分层多深度土壤水分传感器的部署位置则需根据作物种植、地形地貌、土壤、灌溉方式等多方面因素综合确定。本实施例通过以下多种情况具体说明分层多深度土壤水分传感器的部署方式。
55.(1)确定作物的种类，根据作物种类选择不同规格的分层多深度土壤水分传感器；
56.(2)根据作物种类，了解其根系分布，选择距离作物根系吸水较近的位置部署分层多深度土壤水分传感器；
57.(3)对于常规农作物，选择每个轮灌组内能代表大多数土壤特性的区域，要求地块平整且无低洼积水，与水坑、水池等多水环境保持一定的距离，避免水侧渗对土壤含水量产生影响。同时，根据农作物对土壤水分的干旱、水涝敏感性差异，也可以选择地块中最容易发生干旱、水涝的位置作为分层多深度土壤水分传感器部署位置；
58.(4)确定灌溉湿润区分布，如漫灌、喷灌系统中，选取作物主要吸水根系附近的位置即可；滴灌系统中，除了要选取靠近作物主要吸水根系的位置，还要求部署在湿润区，建议在同一支管两个相邻微喷头或滴头之间居中的位置；
59.(5)确定作物长势分布，分层多深度土壤水分传感器部署需要选取作物长势较为均衡并且可代表绝大多数作物长势的位置。
60.通过分层多深度土壤水分传感器采集土壤信息和环境信息可以获得田间持水量和作物凋萎系数。其中，田间持水量是指地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间(一般为砂土类、壤土类在灌水后24小时取样，黏土类必须在48小时或更长时间)土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量，是大多数作物可利用的土壤水上限。
61.部署完分层多深度土壤水分传感器之后，若有可预见的充分灌水或降水发生，则等待充分灌水或降水的发生，以获得田间持水量，或者人为在分层多深度土壤水分传感器周围进行局部的充分灌水，同样可以获得田间持水量。
62.作物凋萎系数是作物开始发生永久凋萎时的土壤含水量，是确定土壤有效含水量的一个重要指标。在实际农业生产中，不太可能刻意地做干旱测试以获得作物在不同生育期不同土质下的作物凋萎系数。但通过分层多深度土壤水分传感器的动态采集，可以找出农作物根系从土壤中吸收水分逐渐减少直至很难再从土壤中吸收水分时每个土层的土壤含水量状态。
63.根据田间持水量和作物凋萎系数，可以计算获得动态的土壤有效储水能力。再根据作物在多深度土壤水分吸收情况分析作物的主要耗水根系深度。这样，土壤有效储水能力即为在分层多深度土壤水分传感器采集时间段内，作物主要耗水根系深度以上的土壤中，田间持水量高于作物凋萎系数的土壤储水空间。土壤有效出水量则为当前土壤含水量高于作物凋萎系数的土壤储水空间。
64.s102、根据土壤信息获得作物耗水量，获取预设天数范围内的气象信息，并根据土壤信息、环境信息和气象信息获得预设天数范围内的模拟蒸发蒸腾量；
65.s103、根据所述作物耗水量和模拟蒸发蒸腾量实际值计算作物系数，并根据所述作物系数和模拟蒸发蒸腾量预测值获得作物在预设天数范围内的逐日耗水量预测值。
66.作物逐日耗水量预测值为未来数天内，同一地点每天的模拟蒸发蒸腾量预测值与作物系数的乘积，作物耗水量预测值即为未来数天内作物逐日耗水量预测值之和。其中，模拟蒸发蒸腾量预测值是经过插值(位置插值、时间插值)后的覆盖整个区域的时间历史连续的参考蒸发蒸腾量。该模拟蒸发蒸腾量预测值的获取需要知晓过去、现在及未来数天内的气象信息，例如降水、光照、温度等。然后再根据土壤信息、环境信息和气象信息进行插值计算后获得逐日模拟蒸发蒸腾量预测值。其中，根据气象信息获取的时间可以将逐日模拟蒸发蒸腾量预测值分为逐日模拟蒸发蒸腾量实际值和逐日模拟蒸发蒸腾量预测值。逐日模拟蒸发蒸腾量实际值即为在过去一段时间内实际的模拟蒸发蒸腾量，逐日模拟蒸发蒸腾量预
测值即为在未来一段时间内预测的模拟蒸发蒸腾量。
67.作物系数是面向特定作物、特定区域、特定灌溉方式，基于实测数据提取的，代表特定作物耗水量与当地气象之间关系的作物系数。通过分层多深度土壤水分传感器采集的土壤信息可以获得每一天的作物耗水量，剔除作物耗水量中含水量过高或过低(通常为灌溉结束日、次日或下次灌溉日的前一日)以及阴天、降雨等导致未能够充分进行土壤蒸发、农作物蒸腾消耗土壤水分的数据，从而获得作物日真实耗水量，进而可以计算获得作物系数：作物日真实耗水量/逐日模拟蒸发蒸腾量实际值。然后根据作物系数和逐日模拟蒸发蒸腾量预测值获得作物逐日耗水量预测值。
68.本实施例中，作物系数是一个缓慢变化且相对稳定的数据，因此，本实施例采用相临近的前一时期计算获得的作物系数作为下一次作物逐日耗水量预测值的计算依据。
69.s104、根据土壤有效储水量和作物逐日耗水量预测值获得灌溉时间；
70.s105、根据所述土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得灌溉水量。
71.具体的，将土壤有效储水能力、作物逐日耗水量预测值以及下一次灌溉时间都作为动态数值实时更新，并动态比较作物逐日耗水量预测值以及当前土壤有效出水量，从而计算出下一次灌溉的最晚开始时间。如果决定灌溉，则通过计算土壤有效储水能力和土壤有效储水量的差值获得灌溉水量。
72.s106、根据所述灌溉时间和灌溉水量控制灌溉设备进行灌溉。
73.此外，本实施例还可以监测灌溉设备的实际灌溉水量，当实际灌溉水量达到根据土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得的灌溉水量时，控制灌溉设备和灌溉管道停止灌溉。
74.本实施例所提出的灌溉方法，首先根据土壤信息和环境信息获得土壤有效储水能力，然后根据作物系数和模拟蒸发蒸腾量预测值获得作物逐日耗水量预测值，最后获得灌溉水量和灌溉时间。本发明通过获取土壤和作物两方面的实际情况和需求实现合理化灌溉，为灌溉时间和灌溉水量提供可靠的数据支撑，提高水资源利用率和灌溉效率。
75.实施例2
76.如图2所示，本实施例提出一种灌溉系统，该系统包括采集模块、处理模块和控制模块；
77.所述采集模块，用于采集土壤信息和环境信息；
78.所述处理模块，包括处理器，所述处理器内部配置有处理器可执行的操作指令，以执行如下操作：
79.根据土壤信息获得作物耗水量，获取预设天数范围内的气象信息，并根据土壤信息、环境信息和气象信息获得预设天数范围内的模拟蒸发蒸腾量，所述模拟蒸发蒸腾量包括实际值和预测值；
80.根据所述作物耗水量和模拟蒸发蒸腾量实际值计算作物系数，并根据所述作物系数和模拟蒸发蒸腾量预测值获得作物在预设天数范围内的逐日耗水量预测值；
81.根据土壤有效储水量和作物逐日耗水量预测值获得灌溉时间；
82.根据所述土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得灌溉水量；
83.所述控制模块，用于根据所述灌溉时间和灌溉水量控制灌溉设备进行灌溉。
84.具体的，本实施例中，采集模块为分层多深度土壤水分传感器。控制模块为开关控
制器，可通过有线或无线的方式控制电磁法开关或其他类型开关的开启和关闭，进而控制灌溉设备和灌溉管道进行灌溉并控制灌溉水量。系统还包括流量监测模块，用于监测灌溉设备的实际灌溉水量。所述处理模块，包括处理器，所述处理器内部配置有处理器可执行的操作指令，以执行如下操作：当所述实际灌溉水量达到根据所述土壤有效储水能力和土壤有效储水量获得的灌溉水量时，通过控制模块控制灌溉设备停止灌溉。
85.下面以具体实例进一步对本发明所提出的灌溉方法进行说明。
86.采集模块采用型号为et100的分层多深度土壤水分传感器实现。该分层多深度土壤水分传感器为管式一体结构，包括多深度土壤水分传感单元、电源模块和数据采集传输模块，外接太阳能板进行供电以支持长时间工作。在其管体的不同深度部署温度传感器和水分传感器，例如每10cm部署一个水分传感器，合计部署10个深度，就可以同时采集到10个不同土壤深度的水分含量数据，数据同位同源，可以进行数据关联分析和验证。
87.根据部署在田间的分层多深度土壤水分传感器，可以获取动态的土壤有效储水能力和土壤有效储水量，如图3所示。左侧曲线为实测的各深度土壤在农作物种植后的历史最低含水量，右侧曲线为实测的各深度土壤在农作物种植后的历史最高含水量，中间曲线为实测的各深度土壤当前含水量。历史最低含水量和当前含水量之间的灰度区域为土壤有效储水量，历史最高含水量和当前含水量之间的灰度区域为土壤蓄水潜力。考虑到田间持水量和作物凋萎系数无法真实模拟，则用历史最低含水量和历史最高含水量作为实际参考。
88.图3中作物主要耗水根系深度为30mm，土壤有效储水能力为在采集时间段内，作物主要耗水根系深度，即30mm以上的土壤中土壤田间持水量高于作物凋萎系数的土壤储水空间。根据图3所示，当前在6月6日的土壤有效储水量为27mm，土壤蓄水潜力为51mm，那么土壤有效储水能力即为78mm，即在当前从地表道农作物最大根系深度范围内的土壤中，土壤最多能储存78mm的水分。
89.结合图4所示未来7天参考蒸发蒸腾量预测图的数据，以未来日参考蒸发蒸腾量作为未来作物逐日耗水量参考，则未来7天(6月6日-6月12日)的日蒸发蒸腾量分别为：8.21mm,6.62mm,6.05mm,4.27mm,3.58mm,4.42mm,4.6mm，7天总蒸发蒸腾量为37.75mm。结合降雨预测，在6月9日、6月10日和6月12日分别预测有降雨预计2.62mm,1.14mm,19.85mm,7天预计降雨23.61mm。
90.根据日参考蒸发蒸腾量和日降雨预测，当前土壤有效储水量可以满足作物未来5天24.97mm的耗水量，包括蒸发蒸腾的28.73mm和3.76mm的降雨。但不能满足未来6天29.39mm的耗水量，因此，建议下一次灌溉时间要早于6月10日。若此时灌溉，建议灌溉水量不超过51mm。
91.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。