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水稻智慧化灌溉
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

近日農業單位的大內宣是遙控間歇灌溉省水。參加宣傳的單位有一個農業研究所,兩個地區改良場,一家大學的兩個科系。

台灣官方農業智慧灌溉之內容如下:在水田裝置水位計,在入水口裝置電動閥門。水位計的訊號傳至農民手機。農民以手機輸出啟動命令,匣門打開,水源流入水田。在達到給水水位之後,以手機輸出命令關閉匣門。此智慧灌溉系統及完工(附件12)

國際標準的農業智慧灌溉系統介紹如下:

一、基本盤

1.水田需要整平,其平整程度是方便感測器的取樣點有代表性。

2.在執行智慧灌溉時,水渠內有充分供水。如果水源是由水利會統一調配,那就無法自止控制灌溉。

3.水田是匣門啟閉供水。匣門之運作是否順暢,機械動作是否確定?

4.匣門為電源供應控制,是直流電或交流電。如果使用直流電,備用電池如何安置與保存足夠電力。如果使用太陽能板充電,備用儲存電源能否負載。如果使用交流電,電源如何連接。用電申請的計費方式如何?

5.上述控制系統的成本多少,可以控制多少面積水田?

二、真正的農業灌溉智慧

真正的智慧灌溉系統,必須解決以下問題:

().水稻的需水量知多少

在每次灌溉作業,必須確定水稻之需水量。這種需水量,因水稻生長階段而不同。水稻栽培有四大階段:秧苗期、營養生長期,生殖生長期與成熟期,那麼需水量是多少?以自動控制的角度,不足代表低於此參數,水稻即受到缺水應力。太多代表給予太多水量,浪費水資源。因此不同品種,不同生長階段的水稻,到底需要多少水。

().如何確知水稻田區現有水量?還是以根區的土壤水分含量為依據?如果使用水位計,水位計只能探查水田土上方水位的高低。土壤水分有兩種,一為土壤水分含量,一為土壤水分潛勢(或稱張力,tension),水田應該以哪一種參數才有代表性。只有水位計,無法理解水稻根區環境的水分狀態。

().如果已有上述()之參數,最佳水位或是根區水分量。那麼要使用哪一類型的感測器,水位計有數種原理開發而成的水位計,那一種適合水田?其準確性,重複性與老化程度等性能是甚麼?如何供應其作業電源?如何使用介質水分計,是量測水分量或是張力?哪型感測器適合?如何提供電源?

().取樣技術

以上述水位計或土壤水分計進行量測,那麼多少田區面積需要一只感測器才有代表性?以三分地為例,將近1000m2之面積需要裝多少感測器?其取樣間隔是多少?累積多少量測數據再進行數據處理?或是隨時傳訊而不必加以平均與除錯?

().關鍵參數是什麼?

如果上述問題都已解決,那麼要以那些數值作為給水動作之參考?是水位低於某一數值,或是根部土壤水分低於一個臨界值?有份SRI保育型農業環境學會的會長說明"土壤出現雞爪痕,約拇指寬裂縫,或是踩進田區,腳印壓不出水,就需要補水。補水到淹腳目高度即可。這種說法被稱為農民傳統智慧。但是此傳統智慧無法與自動控制加以連結。

().智慧控制之思考

何謂智慧控制?自動控制技術代表可感測,可控制,而且脫離人為的因素,不是以個人主觀判斷,而是以建立給水量或缺水狀態之依據,以下介紹水田智慧灌溉的思維。

水田田區給水並非靜態過程,而是一個與環境及作物相關動態過程。依質量不減定律,水田田區水量之平衡公式如下:

流入:給水量+雨量+土壤蓄水量+水田表層現有水量

流出:排水量+蒸發散量+滲透量

上述參數中其量測技術如下:

1.給水量:由匣門之開口面積,給水流量與時間加以計算。

2.雨量:由雨量計量測。

3.土壤蓄水量:由土壤水分計或張力計量測。

4.水田地表以上蓄水量:由水位計量測。

5.排水量:與給水量之量測技術相同。

6.蒸發散量:由蒸發散量模式計算。

7.滲透量:以滲透量計加以量測。

    其中蒸發散量模式其計算參數為日照量、氣溫、相對濕度、風速與植物生長階段、植株狀態等。前四個因子為氣候站量測值,後二個因子由作物生長情況加以決定,在水稻生長之灌溉控制中,又有兩項設定參數。

.正常供水:土壤由含水量之最低局限制為給水依據,水田地表上方水位極限為停止給水依據。

.施以應力:又稱曬田處理,以增進根系生長。實施曬田時,土壤內部水分狀態與持續時間此為此作業的控制因子。

 

上述智慧控制內容,自感測器性能與佈置,作物生理之臨界參數,水田水量模式之各種感測與計算等,這是國際水稻智慧灌溉之內涵,實施細節更加細微。那麼台灣農業官方之所謂"水稻灌溉自動化",離國際農業技術水準相差多遠?

   世界各地的水稻灌溉自動化技術水準,可以參考的論文如下:

 

1.馬來西亞

Fully Automatic Water Irrigation and Drainage System for Paddy Rice Cropping in Malaysia 2013 IEEE 3rd International Conference on System Engineering and Technology, 19 - 20 Aug. 2013, Shah Alam, Malaysia

https://ieeexplore.ieee.org/document/6650142

 

2.印度

Automated Irrigation System for Rice: A Review. The Andhra Agric. J 65 (spl): 324-329, 2018

https://www.researchgate.net/publication/341283050_Automated_Irrigation_System_for_Rice_A_Review

 

3.韓國

Evaluating the Impact of Climate Change on Paddy Water Balance Using APEX-Paddy Model. Water 2020, 12, 852; doi:10.3390/w12030852.

https://www.mdpi.com/2073-4441/12/3/852

 

4.義大利

Towards a smart automated surface irrigation management in rice-growing areas in Italy. Journal of Agricultural Engineering 2016; XLVII:585]

https://www.researchgate.net/publication/309704048_Towards_a_smart

_automated_surface_irrigation_management_in_ricegrowing_areas_in_Italy

 

5.歐盟

Evaluating performances of the first automatic system for paddy irrigation in European. Agricultural Water Management 201 (2018) 58–69

https://www.researchgate.net/publication/322930433_Evaluating_perform

ances_of_the_first_automatic_system_for_paddy_irrigation_in_Europe

 

附件1. 遙控間歇灌溉省水 稻農:技術待克服

記者林宛諭/彰化報導 2021412日 週一

https://tw.news.yahoo.com/%E9%81%99%E6%8E%A7%E9%96%93%E6%AD%87%E7%81%8C%E6%BA%89%E7%9C%81%E6%B0%B4-%E7%A8%BB%E8%BE%B2-%E6%8A%80%E8%A1%93%E5%BE%85%E5%85%8B%E6%9C%8D-222020319.html

智慧化灌溉系統可節約灌溉用水至少30%,農民用手機App遠端操作,在家就可監測水位省去巡田水時間。記者林宛諭/攝影

近日缺水嚴重,台中農改場與農業試驗所等單位研發間歇灌溉技術,以App進行遠端操作,即時水位監看,再進行間歇灌溉,可以節約灌溉用水至少30%;不過田中農會總幹事張瑞欣表示,這樣的省水措施立意良好,雖然還需克服不少技術困難,但值得試辦。 

台中農改場作物改良課助理研究員吳以健說,水稻每一期作1公頃需12千噸灌溉水量,傳統水稻田時常灌水入田維持飽水狀態,此作業模式消耗大量水資源,也耗費人工與時間,因田區長時間湛水,更使稻株根部氧氣缺乏,根系無法深入土壤,導致營養效率不佳及提高倒伏風險。 

吳以健說,若改以間歇灌溉,不僅省水,更有助於土壤透氣與稻株根系發育,讓水稻更強健,只要在田間安裝水位計與電動閘門或水閥,連上電腦的智慧化灌溉系統,農民只要在家裡透過手機或平版電腦的App隨時監控田間水位,可一鍵按下啟動智慧化灌溉系統,水就送進農田,省去農民巡田水時間,有助於解決農村人力不足問題。 

彰化縣田中鎮農會總幹事張瑞欣表示,間歇灌溉立意很好,不過前提是需要水源充足才可能實施,以田中鎮而言,目前採輪灌供210方式,水源極缺,都是上游一區一區的水輪灌到下一區,不可能採間歇灌溉;不過若在水源較充足時,倒可以試驗此種灌溉方式,但小農耕種面積小,不符合成本效益,必須以大面積重劃田施行,且此灌溉方式需用到電,目前政府管制農業用電申請,也需要配合開放農業用電。 

 

附件 2. 智慧科技改善稻作缺水困境!

台中農改場開發遠端水閥App提升灌溉效率

稿源:2021-3-17/食力

https://www.foodnext.net/science/technology/paper/5852569048
農委會台中區農業改良場(以下簡稱台中農改場)表示,近年氣候變遷的影響日益顯著,據中央氣象局資料,彰化地區2020年的降雨量未達過去15年平均降雨量50%,顯示缺水逆境之急迫與嚴峻,而水稻是農作物中灌溉用水量最多者,如何有效利用水資源以確保台灣水稻生產,是農業重要議題之一。
 

台中農改場表示,傳統水稻長時間採深水灌溉,耗用大量水資源、時間及人力,鑒於此情況, 台中農改場與中興大學、農委會農業試驗所及苗栗農改場組成團隊,進行間歇乾濕灌溉研究加以改善。

 

間歇灌溉成為缺水重要解方 更能讓稻株頭好壯壯

台中農改場表示,間歇灌溉方式係水田灌溉至水深5公分後,讓田水自然蒸發與滲漏,待土壤表面無積水但仍濕潤狀態下,隔天再灌溉至水深5公分,並續予反覆。據試驗結果,間歇灌溉較傳統方式降低用水量3040 %,灌溉次數從每日補水,減少到341次,顯著降低灌溉人力與時間成本。此外,間歇灌溉可促進土壤通氣,故稻株根系與分蘗生長良好,稻株粗壯,稻穀產量亦獲得確保,若再應用合理化施肥技術,可降低白米蛋白質含量,增進米飯食味品質。

在家拿起手機就能遙控灌溉 盼能有效解決農村人口困境

台中農改場說明,稻作智慧農業研究團隊在間歇灌溉系統上,已進一步開發智慧化模組,利用與中央系統介接之水位計,隨時記錄水位,另以手機APP遠端查詢,若顯示水位不足,即可直接以APP遙控田間電子水閥進行灌溉,如此可省去前往田區路途與等待灌溉滿水的時間,並可於短時間內管理多處田區,提高工作效率。台中農改場表示,未來將持續引入自動化電腦系統,以電腦判識水位並自動進行灌溉作業,達到全自動智慧化管理的目標,供作大規模經營的水稻產銷主體之省時省工高效率生產的配套工具。
台中農改場最後表示,此智慧間歇灌溉系統對於近年水資源與農村人力缺乏困境,可提供有效解決方案,未來將持續推廣應用。