一、概述

农田灌排实验主要研究作物不同生育阶段受涝渍对作物生长发育的影响，求得作物淹水深度、淹水历时、地下水埋深及其动态变化与产量的关系，为确定农田除涝降渍排水设计标准提供依据，而其中测坑排水实验的一个最基本也是最重要的要求就是要实现对地下水位及其动态变化的精准控制。农田灌溉实验则主要研究不同作物的需水量、需水规律、灌溉制度、及灌溉效益等，其中土壤含水率的动态变化、灌溉水量及地下水补给量的精确计量都是实验所需的重要数据。本研究介绍了在农田灌溉实验观测中，能够有效地利用自动化方式进行补排水计量实验，丰富实验数据，加强对比分析，对于提高科学研究的可靠性和深度具有重要价值。

二、自动补排水计量系统

1.自动补排水计量系统原理

自动补排水计量系统原理如下：结合图1所示，该系统提供一种用于农田排灌试验测坑水位计量系统的装置，测坑1的滤层2与平水器3底部通过连接管5连接，使滤层2底部与平水器3底部处于同一水平面，保证平水器3水位与测坑1的水位平齐。平水器3表面有刻度（实际没有刻度），水位基本保持在设定值不变。

该装置对测坑水位的检测和控制分为两种状态，即加水状态和排水状态。当压力式传感器检测到平水器3水位低于设定值时，电磁阀8开启，水流通过进水管4流入平水器3进行补水，同时流量计6对补充的水量进行计量。直到压力式水位计7监测到水量补充到平水器3的设定后，电磁阀8关闭，在此补水过程中平水器中的水会不断的向测坑中补充；当平水器3的水位高于设定值时，电磁阀9打开，开始排水，同时流量计会计量排水量，压力传感器7监测到水位到达平水器3的初始值时，电磁阀9关闭，在排水过程中测坑中水会回流到平水器中。

图1 自动补排水计量系统原理图

图2 自动补排水计量系统结构图

在进水管及连通管处安装计量装置，通过电磁阀的开关对灌排水量进行控制，用计量装置进行计量，不在水平器内安装计量设备，这种计量方式稳定性高，计量方式更加科学完善，便于对照实验的结果观测，结构简单、使用方便。

2.自动补排水计量系统组成、控制方式

（1）系统组成

如图2所示，测坑0～40cm土层埋设有土壤水分传感器，可实时监测土壤含水率的动态变化，传感器与计算机连接；测坑上部安装自动灌溉装置并与计算机相连。无需灌溉时装置可移动至测坑外，这样可避免对作物造成遮光；当计算机监测到土壤含水率低于试验设定下限时，则控制灌溉装置移至测坑上部，并根据作物的高度将喷头调节至合适位置进行灌溉（避免灌溉时水喷到测坑外），灌水量由计算机根据试验设定的土壤水分上限进行计算确定。

测坑的底部（滤层）与平水器通过管道相连通，并装设有压力传感器，用来测量地下室内供水水柱（平水器）和测坑内的地下水位（水压）。在进水管、出水管及测坑平水器连通管处均安装有电磁阀和电动阀。电磁阀和电动阀的主要作用是控制管路（水路）系统的开启与闭合。为保证“零压差”情况下能正常动作和降低造价，在供水水柱与测坑连接的压差很小的联通管路上采用电动球阀代替常开电磁阀；在进水管处采用LWBS-15脉冲型流量变送器进行供水水量计量，多套设备可共用一个。传感器与流量计的输出接口与计算机相连。

该系统组成结构实现了灌排试验测坑的灌排自动控制一体化。既可实时监测耕层（或剖面）土壤水分的动态变化并根据试验需要进行自动灌溉，又可以自动无级调控测坑的地下水位及其动态变化，并对灌溉水量及地下水补排水量进行计量。

（2）控制方式

1）土壤含水率控制

测坑0～40cm埋设有土壤水分传感器，其输出端与计算机相连，可监测并记录40cm土层深度的土壤含水率动态变化，并根据输入计算机的土壤水分控制下限来自动判断测坑是否需要灌溉，如需灌溉则根据输入计算机的土壤水分控制上限及监测到的实时平均土壤含水率计算所需灌水量，计算机对自动灌溉装置发出指令，对测坑进行灌溉并记录灌水量。

图3 农田灌排实验自动补排水计量系统软件工作流程图

2）地下水位控制

测坑底部滤层通过管道与地下室内的供水水柱（平水器）相连。在静态调控条件下，由于测坑内种植作物，测坑内的地下水将通过土壤毛管上升至作物根系区并连续不断地供其生理和生态需水。因此，从理论上讲由于滞后作用测坑内的地下水位要略低于供水水柱内的水位，但两者相差不大；在动态调控条件下，如地下水位从某一低值上升至某一高值，或由某一高值降至某一低值，均由计算机根据设定参数自动调控完成，在这一过程中测坑和平水器中的水位相差较大。

根据需要该系统对地下水位的监测和控制分为两种状态，即加水状态和排水状态。在静态或地下水位由低值向高值动态变化过程中设定为加水状态，系统通过压力变送器循环检测每套装置平水器内的水压并与设定水位值进行比较，当检测到的水位值低于设定值时（Δh=-3mm），计算机即发出指令，供水电磁阀开启进行加水；在地下水位从高值降至低值动态变化时设定为排水状态，在此过程中测坑中的水将回流至平水器内，对水位的控制同样也是通过计算机调节平水器内的水位来完成的，即当检测到的水位高于设定水位值时（Δh=+10mm），由计算机发出指令开启排水管路电磁阀进行排水。

为了真实反映测坑中地下水位及其动态变化过程，该系统增设了对测坑内地下水位的监测。具体方法为：①在静态情况下，由计算机定时（时间间隔2～4h）发出指令关闭电动球阀，延时片刻后读取压力变送器的检测值，此值即为测坑内的地下水位；②在动态过程中根据试验需要，增加或减少检测次数。

该系统地下水位为无级调控，调控范围为+10cm～-200cm，即地面以上10cm至地面以下200cm。

供水量的计量采用脉冲式流量变送器（事前需进行率定），16套装置共用一个流量变送器 ，安装于总进水管上。

3）上位机软件开发

系统上位机软件采用MCGS工控组态软件，利用该组态软件高级开发包中的工具，通过硬件组态（配置）、数据组态、图形图象组态等工作二次开发出了满足科研要求、高性能、专业化的地下水位实时监控和数据采集与处理系统软件。在程序运行过程中，可对参数进行设置或修改；并将采集到的各种试验数据进行自动分析、运算、曲线绘制、报表打印以及存储等各项数据处理。流程如图3所示。

（3）功能和特点

该系统功能主要有：①自动调控地下水位。即根据试验要求自动地调节、控制地下水状态，使之保持某一不变水位（静态调控）或以某种方式使地下水位上升或下降（动态调控）等。②实现数据的量测、采集与处理完全自动化。这些数据包括测坑地下水位动态、土壤含水率动态、作物的腾发量、排水量、灌溉量等。③该系统可用于农田灌排水指标、饱和与非饱和土壤水分运动、土壤溶质运移规律、土壤水分参数以及SPAC（土壤—植物—大气连续体）等领域的定量研究。

该系统可实现灌排试验全过程实时监控与管理；控制方式灵活，全自动、半自动与手动相结合，保证了系统的可靠性、灵活性；该系统具有时效性强、效率高、信息量大和精度高等特点，采用Windows操作系统，可视化、直观性强，人机界面友好，操作方便。

三、总结与展望

本文介绍了农田灌排实验及其自动补排水计量系统的原理、功能、结构、特点。该系统可实现农田灌溉试验的耕层（或剖面）土壤水分自动监测、地下水补给量的自动监测及自动灌溉等，并对数据自动采集、处理与存储；同时，可实现农田排水试验的地下水位无级自动控制与调节，自动补排水并计量。该系统在农田灌排试验自动化方面有广泛的应用前景■