自動(dòng)化滴灌技術(shù)在新疆地區(qū)的應(yīng)用與推廣

王春素

（博樂農(nóng)五師全新勘測設(shè)計(jì)有限公司 新疆 博樂 833400）

新疆兵團(tuán)第五師（以下簡稱五師）地處祖國西北邊陲，準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，承擔(dān)著國家賦予的屯墾戍邊的職責(zé)。本兵團(tuán)所在區(qū)域遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，屬典型的大陸性氣候，年均降水量90mm，年均蒸發(fā)量1500mm，擁有的水資源量極為有限，季節(jié)性缺水矛盾突顯，嚴(yán)重阻礙了五師農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為解決水土不平衡的矛盾，合理利用水資源，五師從上世紀(jì)80年代初期即開始研究、應(yīng)用、推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，經(jīng)歷了淹灌(以修防滲渠為節(jié)水措施)、噴灌(半固定式加壓噴灌)、滴灌(全固定式膜下滴灌)三個(gè)發(fā)展過程，發(fā)展至今，在節(jié)水灌溉技術(shù)的運(yùn)用和推廣方面均頗有心得。截至目前，五師共發(fā)展節(jié)水灌溉面積63.25萬畝，其中噴灌面積4.15萬畝，滴灌59.1萬畝。

1 節(jié)水灌溉技術(shù)推廣中存在的問題

隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的革新，高效節(jié)水灌溉技術(shù)在實(shí)際推廣和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了一些問題：首先，由于人為因素的影響，科學(xué)的灌溉制度在普通模式下的節(jié)水灌溉中得不到貫徹執(zhí)行，影響了灌溉效果；其次，與先進(jìn)的自動(dòng)化控制相比，普通模式下的節(jié)水灌溉仍需要人為機(jī)械重復(fù)性操作，才能完成灌溉任務(wù)，與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)要求仍存在一定的差距；第三，從資源利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)業(yè)化程度等方面考慮，普通模式的節(jié)水灌溉技術(shù)仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

針對以上問題，農(nóng)五師從2003年開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)施自動(dòng)化滴灌工程以改進(jìn)，但早期因自動(dòng)化設(shè)備落后等原因，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是失敗的。2013年，五師根據(jù)兵團(tuán)水利局應(yīng)用節(jié)水新技術(shù)的工作安排，分別在五師84團(tuán)、89團(tuán)和90團(tuán)利用小型農(nóng)田水利專項(xiàng)工程資金，實(shí)施了近萬畝灌溉自動(dòng)化試點(diǎn)工作，經(jīng)過兩年的實(shí)際運(yùn)行，取得了較好的效果。下文以90團(tuán)自動(dòng)化滴灌工程為例，詳細(xì)介紹改進(jìn)后的設(shè)計(jì)。

2 滴灌系統(tǒng)布置

作為滴灌工程的主體，輸配水管網(wǎng)占到整個(gè)工程投資的大部分。管網(wǎng)布置就相當(dāng)于人體的血管，對于整個(gè)工程來說至關(guān)重要，不僅要達(dá)到管路短、投資省、效果好、結(jié)構(gòu)簡單、利于管理操作的要求，還要適應(yīng)農(nóng)作物的種植生長需水要求，而且要保證運(yùn)行安全。管網(wǎng)布置要因地制宜，要考慮地塊形狀、坡度、水源位置，以及作物種植結(jié)構(gòu)、氣候條件等因素。

2.1 地面管布置方式

本次90團(tuán)小農(nóng)水項(xiàng)目區(qū)4760畝地，現(xiàn)狀都是常規(guī)滴灌地（噴滴共用系統(tǒng)），主要種植作物為棉花。對項(xiàng)目區(qū)滴灌輪灌方式主要分析三種設(shè)計(jì)方案：支管+輔管+毛管模式、支管+毛管模式及長短支管+毛管模式。

支管+輔管+毛管模式：一般支管和輔管的直徑分別為 Ф63mm、Ф32mm或Ф75mm、Ф40mm，輔管緊靠支管并與之平行分成若干條，從支管分水，然后再向毛管供水。該輪灌方式水量分散，灌水相對均勻，水頭損失小，輪灌小區(qū)劃分均衡，所選水泵功率較低，運(yùn)行費(fèi)用少。但因?yàn)槠涞孛娣植加休^多一級輔管，連接件相對較多，易產(chǎn)生漏水、泄壓等現(xiàn)象，開啟輔管球閥的頻次多，操作麻煩，同時(shí)輔管上球閥數(shù)量多。該方式是項(xiàng)目區(qū)當(dāng)前正在使用的布置方式，效果不佳。

支管+毛管模式：支管直徑一般在Ф90mm～Ф110mm之間，采取毛管直接與支管相連，減少了系統(tǒng)的連接管件，系統(tǒng)的運(yùn)行管理方便，灌水小區(qū)面積可增加到20畝～30畝，但系統(tǒng)的造價(jià)高。該模式下地面管材連接件少，僅在增接口處設(shè)電磁閥，運(yùn)行操作方便。但其水量相對集中，水頭損失大，工程建設(shè)畝投資高，而且不易做到同一分干管上的支管同時(shí)灌溉，不利于化控、噴藥等農(nóng)業(yè)機(jī)械化線性操作。

長短支管+毛管模式：采用長短支管進(jìn)行連接，兩根支管灌水小區(qū)面積相當(dāng)于“支管+毛管”的一半，其在水力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)上兼取了支輔管輪灌的優(yōu)點(diǎn)，也解決了單支管不易實(shí)現(xiàn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化線性操作的問題。該方式系統(tǒng)運(yùn)行管理更為方便，對地下干管要求接近于單支管方式，造價(jià)低。但與單支管輪灌相比，每個(gè)出地三通處需4個(gè)電磁閥，單支管輪灌每個(gè)出地三通處需2個(gè)電磁閥。

以上支管+毛管模式及長短支管+毛管模式都適合應(yīng)用滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是從運(yùn)用推廣的角度，長短管輪灌更為科學(xué)，后期機(jī)耕作業(yè)、化控、打藥都相對更方便，因此，本項(xiàng)目滴灌地面工程設(shè)計(jì)方案主要采用長短支管+毛管模式。

2.2 地埋管布置方式

本次項(xiàng)目區(qū)均為井水加壓滴灌灌溉方式，共分為5個(gè)加壓系統(tǒng)，單個(gè)系統(tǒng)控制面積以1000畝左右為宜。

當(dāng)前項(xiàng)目區(qū)為噴滴共用系統(tǒng)，出地三通間距為20m，現(xiàn)狀灌溉方式為輔管輪灌，為了最大程度兼顧當(dāng)前系統(tǒng)，減少工程投資，本次自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)考慮兩種方案。一是增加地埋管，采用支管輪灌方式；一是地埋管不動(dòng)，地面支管采用長短管輪灌方式。具體方案比選如下（以2#系統(tǒng)作為比選典型）：

方案一：新增地埋分干管三條，地面支管管徑de90，支管長度100m，支管間距80m。優(yōu)點(diǎn)：支管長度短，輸水損失小，支管入口壓力均衡。缺點(diǎn)：管網(wǎng)投資太大，造成不必要的浪費(fèi)。

方案二：系統(tǒng)地埋管網(wǎng)布置基本不做改動(dòng)，只是根據(jù)配置的水泵流量，合理劃分輪灌組，對現(xiàn)有的地埋管道進(jìn)行水力復(fù)核計(jì)算，復(fù)核能否滿足系統(tǒng)正常工作，地面支管采用長短管布置方式，支管管徑de110。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)約創(chuàng)新，滿足灌溉要求。缺點(diǎn)：支管長，輸水損失相對較大，入口壓力不易均衡。

綜合比較灌溉要求、投資大小等，本設(shè)計(jì)地埋管布置方式最終選擇方案二。

圖1 管網(wǎng)布置圖

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次90團(tuán)小農(nóng)水項(xiàng)目區(qū)設(shè)備配置為：團(tuán)級管理監(jiān)控平臺，在系統(tǒng)首部安裝灌溉控制箱（含軟件）、壓力變送器、首部灌溉控制器、超聲波流量計(jì)、變頻柜等設(shè)備；在各系統(tǒng)田間安裝電磁閥及閥控器。

3.1 團(tuán)級監(jiān)控中心

主要負(fù)責(zé)：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和錄入；②統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上報(bào)；③滴灌首部運(yùn)行及能效數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集；④灌溉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)和查詢；⑤田間信息實(shí)時(shí)采集、統(tǒng)計(jì)和查詢；⑥全團(tuán)灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測控制；⑦自動(dòng)化灌溉管理等。

本項(xiàng)目團(tuán)級監(jiān)控中心管理用房為現(xiàn)有會(huì)議室，其面積及功能可滿足監(jiān)控中心使用要求，無需新建管理用房。配置1臺服務(wù)器、2臺操作站（計(jì)算機(jī)）、1臺打印機(jī)、1套無線收發(fā)設(shè)備、1套固定IP寬帶接入設(shè)備、1套顯示設(shè)備。

3.2 首部運(yùn)行及能效監(jiān)控

首部運(yùn)行及能效監(jiān)控器主要對灌溉用水進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)全團(tuán)灌溉用水總量數(shù)據(jù)自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)，以利于灌溉用水總量控制。其根據(jù)首部電壓、電流、過濾器前后壓差、壓力以及出口流量，結(jié)合設(shè)備額定參數(shù)，計(jì)算水泵功效、功率、有功、無功、總功等數(shù)據(jù)，對能效進(jìn)行評估，為節(jié)能方案的制定提供數(shù)據(jù)支持，使設(shè)備處于最佳能耗狀態(tài)。具體包括系統(tǒng)首部設(shè)備控制器、超聲波流量計(jì)、壓力變送器、電量采集裝置、無線通訊設(shè)備。

3.3 田間灌溉控制

以獨(dú)立灌溉系統(tǒng)為單位，設(shè)置首部灌溉控制器、電磁閥及其閥門狀態(tài)反饋傳感器、無線閥控器（一拖四）設(shè)備。按照設(shè)計(jì)輪灌制度，由首部灌溉控制器自動(dòng)向無線閥控器發(fā)送指令，控制閥門開啟和關(guān)閉，并將閥門真實(shí)工作狀態(tài)反饋給首部灌溉控制器，實(shí)施自動(dòng)化灌溉。該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：①電磁閥。電磁閥為水力驅(qū)動(dòng)隔膜閥，借管道水壓驅(qū)動(dòng)閥門隔膜動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥。本次項(xiàng)目采用4′脈沖電磁閥。②GSM閥門控制器。閥門控制器以公用的GSM手機(jī)網(wǎng)絡(luò)為通訊平臺，能夠接收授權(quán)設(shè)備發(fā)來的短信指令，控制電磁閥開關(guān)，同時(shí)也能向授權(quán)設(shè)備反饋電磁閥的狀態(tài)。GSM閥門控制器采用太陽能供電，一個(gè)GSM閥門控制器可控制1～4個(gè)電磁閥。

4 結(jié)語

自動(dòng)化滴灌工程在五師試點(diǎn)成功后，棉花籽棉產(chǎn)量較常規(guī)滴灌提高20kg/畝，運(yùn)行成本較同地區(qū)常規(guī)滴灌降低60元/畝。滴灌灌溉自動(dòng)控制方式與常規(guī)普通滴灌方式相比，具有節(jié)省水、肥、省時(shí)、節(jié)省人工等優(yōu)點(diǎn)，并可提高灌溉均勻度，有利于灌溉過程的科學(xué)管理和先進(jìn)灌溉技術(shù)的推廣。同時(shí)，通過自動(dòng)化灌溉控制，適時(shí)、適量地灌水，提高作物產(chǎn)量和管理定額，對環(huán)境保護(hù)也有一定的作用。灌溉自動(dòng)控制模式與普通滴灌相比，可杜絕人為因素造成的不能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)輪灌順序、灌水時(shí)間執(zhí)行的現(xiàn)象。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，自動(dòng)控制滴灌灌溉方式可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)管理定額，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)效益，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對滴灌自動(dòng)化技術(shù)的要求會(huì)越來越迫切。新疆農(nóng)五師在滴灌自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用上率先探索，進(jìn)行了很多有益的嘗試，拋磚引玉，與同行交流探討。陜西水利