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《湖南农业大学》 2011年
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南方丘陵区水稻节水灌溉自动调控系统的研究

匡迎春  
【摘要】:随着水资源的日趋紧张,世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。农业是世界最大的用水户,农业用水占世界总淡水量的2/3,发展节水灌溉是节约水资源的重要途径。水稻是世界上栽培面积和产量仅次于小麦的主要细粮作物,中国水稻种植面积占粮食总面积的28%,而其耗水量占全国总用水量的54%左右,占农业总用水量的65%以上。因此,发展水稻的节水灌溉技术、实施科学的灌溉管理方式对于保证我国的粮食安全及农业的可持续发展都具有重大意义。 将“3S”、电子信息、自动控制等先进技术应用于节水灌溉是目前研究的热门课题。南方丘陵区是我国重要的农业生产基地,农田多为梯田,面积小且形状无规则,降雨量丰富,但存在着季节性干旱。为此,针对南方丘陵区地形、土壤、气候特点,采取田间试验、实物制作、统计学分析和人工智能等方法研究水稻节水灌溉的自动调控管理体系,取得的相关成果如下。 1)应用传统统计学、地统计学,分析了南方丘陵区小面积稻田墒情空间变异性;为丘陵区小面积稻田设计了队列阵、射线阵、梅花阵3种墒情采样方案,并应用均值t检验法对3种采样方案进行验证。空间变异性分析结果是:小面积稻田墒情呈正态分布,空间变异系数为11.88%,表明呈弱变异性;块金值与基台值的比值为79.23%,表明墒情的空间相关性较弱;同时t检验结果表明3种采样方案的误差≤3%。 2)应用TDR型土壤湿度传感器、无线传输技术,研制了适合于南方丘陵区的田间监测系统;同时,针对南方丘陵区的水稻土,对TDR型土壤湿度传感器进行了标定;对自制的无线监测系统进行了性能测试。标定试验结果表明,水稻土的容积含水率y与TDR型土壤湿度传感器输出电压x的关系为y=49.553x+4.705;研制的田间测量仪,体积小、功耗低、成本低、.操作简易;性能测试结果表明,田间信息监测系统的节能性好,测量误差≤5%,1000m内的传输准确率达到100%。 3)应用模糊控制理论,以田间水层深度和土壤含水量为灌溉指标,设计了适合于南方丘陵区的稻田节水自动灌溉系统。将稻田水层深度/土壤含水率的实际值与设定值相除,得到的比例值及其变化率作为模糊控制的输入量,水泵灌溉时间为输出量,建立了一个“双输入—单输出”的模糊控制器。仿真试验表明,自动灌溉控制系统稳定性好,与人工灌溉相比,可节约用水量约10%。 4)研制了自动灌溉系统的终端控制器,实现了水泵提灌过程中上位机通讯功能,水泵运行参数设置、灌溉信息保存、显示等功能,为水泵提灌的自动化管理提供了条件。 5)从农田水分平衡公式推导了稻田t时间段灌溉量It与降雨量、灌溉面积之间的非线性关系,应用BP神经网络,建立了灌溉量It的2种预测模型:①以降雨量Pt、灌溉面积St为输入,灌溉量It为输出,建立了“2—4—1”的BP神经网络预测模型;②以t时间之前三个时间段的降雨量Pt-3、Pt-2、Pt-1和灌溉面积St为输入,灌溉量It为输出,建立了“4—6—1”BP神经网络预测模型;同时进一步建立了降雨量Pt的预测模型,以t时间之前三个时间段的降雨量Pt-3、Pt-2、Pt-1,为输入,t时间的降雨量Pt为输出,建立了“3—5—1”BP神经网络降雨量预测模型。应用试验区18年的历史数据对3个预测模型进行检验,检验结果表明,灌溉量It第一种预测模型的预测精度≥95%,第二种预测模型预测精度约为90%,降雨量预测精度≥90%。从而为实施动态配水提供了依据,为解决南方丘陵区季节性干旱提供了有效途径。 6)设计了“水稻节水灌溉自动调控系统”软件,从而建立了一个集实时监测、预测、灌溉于一体的水稻节水自动灌溉系统。 本研究建立了一个集实时监测、预测与灌溉于一体的丘陵区水稻节水灌溉自动调控管理系统,为我国农村精准灌溉技术的推广提供了一种应用模式,为实现水稻节水灌溉的信息化管理提供了思路。
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