本發(fā)明涉及一種放牧草地智能補充灌溉系統(tǒng)，具體涉及利用機井或溝渠、水泵、管道、水箱及機電一體自動化技術(shù)來實現(xiàn)牧草生長周期內(nèi)水分需求全自動補給灌溉。此系統(tǒng)屬于草地畜牧業(yè)管理領(lǐng)域，通過對水分灌溉的自動化管理，及時按需補充水分，提高牧草的產(chǎn)量，并節(jié)省大量灌溉的人力成本，實現(xiàn)草地灌溉的智能化與自動化。

背景技術(shù)：

草地是地球陸地最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)之一，全球草地面積約為34億公頃，占全球陸地面積的25%，我國草地面積約4億公頃，占我國總面積的約42%，是我國畜牧業(yè)的重要支柱，草地生產(chǎn)力的大小直接影響我國畜牧業(yè)的產(chǎn)出。

政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)是氣候變化研究的最權(quán)威機構(gòu)，其第5次評估報告指出，從1880年到2012年，全球地表平均溫度升高了0.85℃，中國自1913年以來地表平均溫度升高了0.91℃?，F(xiàn)有的研究表明氣候變化導(dǎo)致我國90%的可利用天然草地呈現(xiàn)不同程度退化，草地在總面積減少的同時，草地質(zhì)量也在不斷下降。在天然草地生產(chǎn)力不斷退化的情況下，人工草地的建設(shè)對畜牧業(yè)生產(chǎn)的不斷增長起到了重要的支撐作用，我國人工草地面積近660萬公頃，占全國草地面積的2%，人工草地的產(chǎn)量約是天然草地的1~5倍。水分的虧缺狀況直接影響牧草的產(chǎn)量，灌溉是增加草地生產(chǎn)力的重要措施之一，據(jù)現(xiàn)有的灌溉研究顯示，合理的灌溉將使天然草地牧草的產(chǎn)量增加10%～150%甚至更多，人工草地對灌溉的依賴性更大，草地種植初期必須依賴灌溉，合理灌溉對人工草地產(chǎn)草量的增加最高可達5倍之多，因而加強草地灌溉是增加草地產(chǎn)草量的重要途徑。

草地面積廣，水源地狀況條件差異大，人工灌溉耗費人力和財力也相當(dāng)巨大，必須找到合理有效的灌溉方式，使草地灌溉達到低成本高產(chǎn)出的效果。我國草地實行灌溉的比例僅在5%左右，且大多采用粗獷式的人工大水灌溉，本發(fā)明旨在依據(jù)我國放牧草地的特點，設(shè)計出一種智能補充灌溉系統(tǒng)，依靠水分探頭和機電一體自動化技術(shù)，降低草地灌溉的人力成本，提高草地的生產(chǎn)力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對我國草地灌溉，本發(fā)明創(chuàng)造設(shè)計出了一種智能補充灌溉系統(tǒng)，在需要灌溉及有條件的草地或草場，因草地環(huán)境條件選取適宜的灌溉方案，鋪設(shè)灌溉管道，使用土壤水分含量傳感器及溫度傳感器監(jiān)測土壤的水分虧缺狀況及土壤潛在蒸發(fā)，并結(jié)合不同牧草的需水特點和短期的天氣預(yù)報情況，當(dāng)水分虧缺及近期無降水的條件下，需要灌溉時，由太陽能及風(fēng)力發(fā)電裝置提供電源（如果有交流電也可以直接使用），自動灌溉控制系統(tǒng)控制水泵從水井、水塘或河流溝渠抽取水，經(jīng)儲水器、管道、電控閥門、水表及相應(yīng)的灌溉設(shè)施如噴頭噴灌帶等進行灌溉，當(dāng)達到設(shè)定的灌溉量后，關(guān)閉水泵及閥門，停止灌溉，系統(tǒng)繼續(xù)實時監(jiān)測土壤含水量，當(dāng)顯示水分再次虧缺并符合灌溉條件時再次啟動灌溉系統(tǒng)進行灌溉。

采用上述系統(tǒng)的本發(fā)明具有以下二個主要優(yōu)點：1）對土壤水分及溫度的實時監(jiān)測，并結(jié)合牧草需水特點、天氣狀況等進行灌溉，可以高效利用水源，提高水分利用率或使用有限的水源灌溉更大的面積；2）灌溉是全自動進行，可以極大地節(jié)省人力，適宜于大面積草場使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明草地智能補充灌溉系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示為發(fā)明草地智能補充灌溉系統(tǒng)示意圖，其主要包含有充電設(shè)施1、電源2、主控制器3、水源4、水泵5、總水表6、總水閥7、儲水器8、增壓泵9、分控制器10、分水表11、分水閥12、草地溫度探頭13、草地水分探頭14、儲水器水壓探頭15、儲水器水溫探頭16、水源水壓探頭17、無線模塊18、水管20、灌溉設(shè)施21組成，這些組成部件中，有些部件是必備的，有些部件是依據(jù)草地實際情況進行配置和選擇的，而有些部件是可根據(jù)草地實際情況進行取舍的。

現(xiàn)結(jié)合圖1對此系統(tǒng)中各主要部件的功用及其依條件取舍情況作一下說明。對于充電設(shè)施1，可以采用光能、風(fēng)能或是水能中的一種或多種組成，但如果草地附近本身就有電力供應(yīng)，就可以不必要使用；電源2是必備的，如果需灌溉草地附近有電力供應(yīng)，就直接作為電源2使用，如果草地附近沒有電力供應(yīng)，電源2就可以由充電電池組及相應(yīng)的電力逆變裝置購成，它與充電設(shè)施1一同構(gòu)成此系統(tǒng)的電能供應(yīng)系統(tǒng)；主控制器3是本系統(tǒng)中必備的部件，它通過電纜22與電源2相連，控制整個智能補充灌溉系統(tǒng)的運行；水源4在系統(tǒng)中是必備的，沒有相應(yīng)的水源就無法灌溉，水源4可以是水塘、河流、溝渠或機井，依草地的地理位置條件而定；水泵5是用于給管道系統(tǒng)輸送動力，如果草地水源4的地理位置較低，如機井或低洼地的水塘或河流溝渠，必須要使用水泵5來提水，但如果水源4的位置較高，如處于山上的融雪水，通過筑壩形成的小水塘，本身能提供足夠的壓力勢能，則可以不需要水泵5提供動力；總水表6用于計量灌溉系統(tǒng)總的灌溉量，是必須的部件；總水閥7是整個灌溉系統(tǒng)的水流開關(guān)，也是必須的，并且此水閥是一種自保持的電磁閥，即只在執(zhí)行打開或關(guān)閉動作的時候耗費電能，一旦打開或關(guān)閉動作完成，能在不通電的情況下保持其打開或關(guān)閉狀態(tài)，以便節(jié)省電能；儲水器8是一個起儲水蓄積及增溫雙重功效的部件，它一般是建于高處的防滲或密閉的容器，一般可采用防滲池、水箱或水塔等來實現(xiàn)，一般情況下這個部件在系統(tǒng)中是必須的，一方面如果水源4的水溫較低，如從機井、低洼地或融雪產(chǎn)生的水流，過低的水溫灌溉到草地上對牧草的生長有一定的不利影響，通過儲水器8在太陽照射下能增加水溫，更適宜灌溉，儲水器8的另一個重要作用是對水的蓄積作用，有時水源4的水源量不大，如山上融雪或小流量的溝渠，是一種長期小流量的水流過程，通過水泵5提水或建壩攔水，將小股的水流積蓄起來并輸送到儲水器8中保存，等到需要灌溉時有足夠的水提供給草地灌溉之用，如果水的來源本身地勢很高，通過建立攔壩形成的貯水器能提供足夠的壓力，其也可以直接當(dāng)作水源4使用；增壓泵9是一個可選的部件，當(dāng)儲水器8不能提供足夠的灌溉水壓力時，可采用它來提供額外的動力，保證灌溉的順利進行；分控制器10是必備部件，由它來控制灌溉某一片區(qū)域，其上連接有必備的指示草地溫度及含水量的草地溫度探頭13和草地水分探頭14；分水表11用來計量其后端灌溉區(qū)域的水量，分水閥12分別用來打開或關(guān)閉其后端的灌溉管道，也是采用節(jié)能的自保持電磁閥；儲水器水壓探頭15用來指示儲水器8中的水位壓力是否能滿足灌溉的要求，是否需要從水源4補充水量的作用，依儲水器8的有無進行取舍；儲水器水溫探頭16用來指示儲水器8中水體的溫度，可作為灌溉時間選擇的輔助依據(jù)，也是根據(jù)儲水器8的有無進行取舍；水源水壓探頭17用來指示水源水體的水壓及水位，同時還可防止在無水的情況下啟動水泵；無線模塊18在主控制器3、總水表6、總水閥7、分控制器10、分水表11和分水閥12上都有配置，它是此系統(tǒng)的必備部件，通過它們與主控制器3通訊，能獲得灌溉的總水量、分水量及發(fā)送閥開關(guān)的相關(guān)指令，采用無線傳輸?shù)姆绞剑梢源蟠蠊?jié)省線纜的費用，也防止可能存在的有線電纜鼠咬、蟲啃及電線老化的風(fēng)險；水管20用來輸送灌溉水，是必備部件；灌溉設(shè)施21也是必備部件，但其采用的方式依所需要的條件進行選擇，噴灌的范圍較廣，需要的水壓較大，水量也要充足，如果現(xiàn)場具備這樣的條件就可以采用，但如果水壓不是很足，水量也不是很大，灌溉設(shè)施21也可采用微噴、噴灌帶、滴灌或分區(qū)漫灌等方式。而且此系統(tǒng)中的總水表6、總水閥7、分水表11、分水閥12這幾個部件內(nèi)部都帶有小的水力發(fā)電裝置及可充電電池，可以通過灌溉水流補充能量來滿足運行時的電能需求，分控制器10的內(nèi)部有可充電電池，其有導(dǎo)線與分水表11和分水閥12相連（圖1中未示），其電力的供給通過分水表11、分水閥12中的水流發(fā)電來提供。

圖1中給出的也是一種較為典型的草地補充灌溉的實施例示意圖，下面結(jié)合圖1來說明此實施例的工作方式。在此系統(tǒng)中，沒有交流電能的供應(yīng)，充電設(shè)施1采用了太陽能，電源2采用電池加逆變裝置（圖中未示）給主控制器供電，水源4為低洼地的水塘，系統(tǒng)帶有水箱作為儲水器8使用，設(shè)有增壓泵9，灌溉設(shè)施21采用可調(diào)節(jié)角度及方向的自動噴頭，當(dāng)此系統(tǒng)如圖1連接好并開始自動運行后，分控制器10讀取與之相連的草地溫度探頭13、草地水分探頭14的值，并通過無線模塊18傳送給主控制器3，主控制器3中存儲有草地各個生長時期需要灌溉的草地最低土壤含水量閾值、每次灌溉需要的水量、適宜的灌溉時間及溫度等信息，還能接收到通過無線終端如手機無線網(wǎng)（圖中未示）所發(fā)送過來的近期天氣狀況，當(dāng)草地水分探頭14的值低于主控制器3中存儲的最低土壤含水量閾值時，主控制器3再查看近期是否有降水，如果沒有降水或降水量不能滿足需求，則準(zhǔn)備啟動灌溉，但灌溉的啟動時間會根據(jù)儲水器水溫探頭16的值是否滿足需求在一天內(nèi)可能會作一定的推遲，一般夜間不進行灌溉，并且主控制器還根據(jù)當(dāng)時的草地溫度探頭13指示的溫度及未來幾天的天氣情況計算潛在蒸散量并最終給出本次灌溉的水量及灌溉啟動的最佳時間，當(dāng)主控制器3啟動灌溉指令后，通過無線模塊18發(fā)送指令打開總水閥7和分水閥12，啟動水泵5，水泵5從水源4中抽取灌溉水送入儲水器8水箱中，通過增壓泵9增壓后由管道20輸送到灌溉設(shè)施21的噴頭中噴出，噴頭可以調(diào)節(jié)出水的角度及方向噴向草地19進行灌溉，圖1中的虛線23指示的是噴頭噴水的邊界，調(diào)節(jié)好的噴頭角度及方向可以保證最大限度地利用好灌溉水，覆蓋整個灌溉區(qū)域。在噴灌的過程中，總水表6和分水表11分別計量灌溉的量并通過無線模塊18傳送到主控制器3中，當(dāng)達到主控制器3中計算好的灌溉量后，主控制器3會發(fā)送停止灌溉的指令，關(guān)閉水泵5及增壓泵9，并無線控制關(guān)閉總水閥7和分水閥12，此時系統(tǒng)處于停止灌溉狀態(tài)，而主控制器3及分控制器10會一直通過偵測草地水分探頭14的值并與存儲的最低灌溉含水量閾值進行比較，如果低于此閾值就會啟動下一次灌溉。而且主控制器3在偵測草地水分探頭14的過程中，如果草地土壤含水量指示值達不到需要灌溉的空閑時段，而此時儲水器水壓探頭15指示的儲水量不足，主控制器會自動啟動水泵5及打開總水閥7對儲水器8補充水量，特別是當(dāng)水源4的水流量很小的情況下，通過這種方式可將零散的水源4中的水逐漸積累到儲水器8中蓄積起來，保證灌溉時有足夠的灌溉用水，當(dāng)儲水器水壓探頭15指示儲水器已充滿，達到額定水壓后，主控制器3則會關(guān)閉水泵5及總水閥7，停止對儲水器補水。

本智能補充灌溉系統(tǒng)的啟動是根據(jù)插入到草地土壤中的草地水分探頭14來感知土壤的水分虧缺狀況，由于不同類型的草地土壤的質(zhì)地、保水性能不一樣，而且生長在其上面的牧草的需水特性也不一樣，因而在使用前應(yīng)對土壤的物理性狀及牧草的需水狀況進行綜合評判，設(shè)定合理的灌溉起始土壤含水量閾值，防止設(shè)定的最低土壤含水量值過低，系統(tǒng)難以達到而無法啟動；另一方面也要防止設(shè)定的最高含水量過高，即使灌溉量達到后草地仍沒有達到或超過最高含水量，導(dǎo)致系統(tǒng)不停灌溉的狀況。

本系統(tǒng)運行的核心是基于草地水分探頭14指示土壤含水量的虧缺狀況來實現(xiàn)的，因而必須保證草地水分探頭14的準(zhǔn)確性及可靠性，草地水分探頭14在使用前必須經(jīng)過篩選校準(zhǔn)保證其精度；另外，由于草原上可能存在較多老鼠或其它小動物，潛在的啃咬會造成傳感器損壞，因而此關(guān)鍵部件應(yīng)做好防護，對其傳輸線要加PVC管或不銹鋼軟管進行防護處理，并且地埋防止鼠啃蟲咬或牛羊踩踏造成的損害，提高系統(tǒng)運行的可靠性。