一种全自动土壤保水剂投加系统及其运行方法

本发明属于土壤治理领域，具体涉及一种全自动土壤保水剂投加系统及其运行方法。

背景技术：

我国是水资源严重缺乏的国家，抗旱节水已成为我国农业持续发展的必要途径。土壤保水剂是缓解水资源短缺的一种途径和方法，能起到保水、保肥、提墒、减少蒸发的作用，是继化肥、农药、地膜之后被农民接受的新型农业化学制品。但由于土壤保水剂的准确定量投放、持续维持水量问题尚未解决，所以限制了其迅速吸收大量水分、保肥保药等功效。

cn110201809a公开了一种用于土壤修复的加药系统，包括酸液配药子系统、碱液配药子系统，以及通过管道分别与酸液配药子系统和碱液配药子系统相连的加药子系统。通过在连接管道上分别设置酸液流量计和碱液流量计，在土壤搅拌前精准控制药剂投放量。但该投放方式无法持续供给、也无法根据土壤环境调节供给量。cn111872083a公开了一种预埋缓释型土壤保水剂投放装置，包括土上箱和土内箱，土上箱固定安装在土内箱的顶端，土上箱的底部外壁上开凿有导孔，导孔贯穿土内箱的顶部外壁并与土内箱的内部相连通，土上箱的顶部外壁上螺纹连接有螺杆。其通过预埋的方式，在土壤水分流失结块时，进行投加保水剂。另外需定期添加清水，在土壤水分流失再次结块或保水剂失效时，再次投放保水剂。该预埋后定量投加保水剂的方式，可进一步改进为根据实时土壤含水量情况自动实时控制保水剂循环逐步投放，更精准地投放灌溉周期内所需的保水剂数量，以更高效地发挥保水剂作用，并且方便快捷、减少水资源的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全自动土壤保水剂投加系统及其运行方法，根据实时土壤含水量情况自动实时控制保水剂循环逐步投放，实现保水剂的准确投放和高效发挥迅速吸收水分、保肥保药的作用，避免资源浪费。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种全自动土壤保水剂投加系统，包括正馈系统、反馈系统和plc控制系统，正馈系统和反馈系统分别与plc控制系统电性连接，plc控制系统接收正馈系统和反馈系统信号并循环逐步控制保水剂的投放；所述正馈系统包括检测土壤含水量的tdr测定仪和检测进水流量的流量仪，反馈系统包括检测土壤含水量的tdr测定仪。

一种全自动土壤保水剂投加系统的运行方法，包括以下步骤：

步骤1：正馈系统检测土壤含水量w0，设定plc控制系统中土壤含水量设定值w设，取值范围为60％≤w设≤90％。

步骤2：进行一个灌水周期，正馈系统检测进水流量q，反馈系统检测一个灌水周期后土壤含水量wi(i为灌水周期次数)。

步骤3：plc控制系统接收正馈系统检测数据w0、q和反馈系统检测数据wi，根据数据计算保水剂投加量r保水剂，并控制保水剂在投加点投放相应数量的保水剂。

步骤4：当wi<w设时，重复步骤2至3。

优选的，所述步骤3中保水剂投加量式中，r保水剂为保水剂投加量(kg)，q为进水流量(m³/min)，λ为流量单耗系数(kg/m³)，k为修正系数，wi为土壤含水量(％)，当wi≥w设时wi取w设，μ为投加确定系数。

优选的，所述修正系数0.9≤k≤1.1。

优选的，所述投加确定系数μ：当wi<w设且wi≤60％时，μ＝0.77/(wi)²+3.43，当wi≥w设或wi<w设且wi>60％时，μ＝5.5。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明的全自动土壤保水剂投加系统的正、反馈控制系统实时监测土壤含水量。在不同土壤含水量的情况下，相应调整参数，使得计算出的保水剂的投放量更为准确。

2)本发明的全自动土壤保水剂投加系统采用循环逐步投放保水剂的方式，能充分发挥保水剂迅速吸收水分、保肥保药的作用，同时减少水分蒸发和渗漏、提高水资源利用率。

附图说明

图1为实施例1全自动保水剂投加系统的结构示意图；

图2为实施例1全自动保水剂投加系统的运行方法中投加确定系数μ随土壤含水量变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种全自动土壤保水剂投加系统，包括正馈系统、反馈系统和plc控制系统，正馈系统和反馈系统分别与plc控制系统电性连接，plc控制系统接收正馈系统和反馈系统信号并对保水剂的投放量进行调控。正馈系统包括检测土壤含水量的tdr测定仪，检测进水流量的流量仪；反馈系统包括检测土壤含水量的tdr测定仪。

对肥力中等的玉米试验田采用全自动土壤保水剂投加系统：

正馈系统tdr测定仪检测土壤含水量w0为27.8％，设定plc控制系统中土壤含水量设定值w设为80％。进行一个灌水周期(i＝1)，正馈系统流量仪检测进水流量q为25m³/min，反馈系统检测一个灌水周期后土壤含水量w1为56.2％。

如图2所示，由多组实验结果确定投加确定系数μ的经验公式：在60％≤w设≤90％时，当wi<w设且wi≤60％时，μ＝0.77/(wi)²+3.43，当wi≥w设或wi<w设且wi>60％时，μ＝5.5。

plc控制系统接收正馈系统检测数据w0、q和反馈系统检测数据w1，计算投加确定系数μ和保水剂投加量r保水剂：由于土壤含水量w1＝56.2％<w设＝80％且w1≤60％，因此投加确定系数μ＝0.77/(w1)²+3.43＝5.87。进水流量q＝25m³/min，流量单耗系数λ＝7.21kg/m³，修正系数k＝1.1，因此：plc控制系统控制在投加点投放保水剂9.59kg。

由于w1＝56.2％<w设＝80％，需进行下一个循环。进行第二个灌水周期(i＝2)，正馈系统检测进水流量q为25m³/min，反馈系统检测第二个灌水周期后土壤含水量w2为72.8％。plc控制系统接收正馈系统检测数据q和反馈系统检测数据w2，计算投加确定系数μ和保水剂投加量r保水剂：由于土壤含水量w2＝72.8％<w设＝80％且w2>60％，因此投加确定系数μ＝5.5。进水流量q＝25m³/min，流量单耗系数λ＝7.21kg/m³，修正系数k＝1.0，因此：plc控制系统控制在投加点投放保水剂5.44kg。

由于w2＝72.8％<w设＝80％，需再进行下一个循环。进行第三个灌水周期(i＝3)，正馈系统检测进水流量q为25m³/min，反馈系统检测第三个灌水周期后土壤含水量w3为83.9％。plc控制系统接收正馈系统检测数据q和反馈系统检测数据w2，计算投加确定系数μ和保水剂投加量r保水剂：由于土壤含水量w3＝83.9％>w设＝80％，因此投加确定系数μ＝5.5，wi取w设＝80％。进水流量q＝25m³/min，流量单耗系数λ＝7.21kg/m³，修正系数k＝0.9，因此：plc控制系统控制在投加点投放保水剂2.12kg。

由于w3＝83.9％>w设＝80％，终止循环。土壤含水量最终达到设定值w设＝80％，该系统运行中土壤保水剂投加总量为17.15kg。循环逐步投放的方式能准确控制投放量，也最大限度地发挥土壤保水剂迅速吸收大量水分、保肥保药的功效，与以传统投放方式达到w设＝80％相比，节约水量28.5％。

以上实施例仅作为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。