適用于吐魯番地區(qū)果園自動化滴灌裝置的設(shè)計

安尼瓦·斯地克，穆哈西，吾買爾·吐爾遜

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊，830049；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊，830052)

0 引 言

新疆吐魯番是嚴(yán)重的干旱區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)量大，嚴(yán)重的水資源危機已成為限制本地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的主要障礙。近年來隨著新疆社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，各用水部門間的矛盾日益劇增，使原本微弱的綠洲生態(tài)環(huán)境問題愈加突出[1,2]。隨著人民生活水平的提高各農(nóng)戶都關(guān)注自己果園的綠化，但水源的嚴(yán)重短缺問題阻礙著他們的積極性。主要的問題有：①各用戶自己的果園只靠飲用水漫灌形式澆灌，但漫灌果園用水量多、灌水時間長；②飲用水價格貴、流量和壓力小。為解決此問題，研制出了果園自動控制澆水裝置[3-5]。該裝置價格低，可根據(jù)飲用水的流量和壓力，調(diào)好灌水時間和灌水周期后，不需要人監(jiān)守實現(xiàn)自動澆灌。一方面可大幅度減少勞動量，家人出游也不必?fù)?dān)憂果園的澆水問題；另一方面大大降低了果樹減產(chǎn)或死亡帶來的損失。本文結(jié)合應(yīng)用實例來說明該裝置設(shè)計過程及其功能特點，為類似果園實現(xiàn)節(jié)水灌溉自動化技術(shù)提供參考。

1 工作原理及技術(shù)參數(shù)

果園自動化澆灌裝置由管道部分(支管和毛管)、電磁閥(閥門)、傳感器(傳出土壤體積含水量)、接收器(接收土壤體積含水量信息)、繼電器(判斷電源)和時間繼電器(調(diào)節(jié)灌水時間)等6個部分組成。電磁閥與繼電器相連，繼電器與接收器相連，接收器收到傳感器傳來的信息，如土壤體積含水量等，若達(dá)到設(shè)定值時，繼電器接通電源，打開電磁閥進(jìn)行澆灌。技術(shù)參數(shù)的計算：①確定土壤體積含水量和計劃濕潤層深度等參數(shù)；②根據(jù)果園果樹株行距確定支管和毛管長度；③根據(jù)飲用水流量和壓力來確定電磁閥的位置和輪灌組(灌水小區(qū))數(shù)。

2 設(shè)計應(yīng)用實例

2.1 設(shè)計參數(shù)

(1)設(shè)計思路。作物類型和種植方向確定之后，首先選定毛管類型、毛管內(nèi)徑d、滴頭流量q等參數(shù)。根據(jù)地形條件和作物種植模式確定毛管間距SL和滴頭間距Se，再計算毛管極限長度，確定毛管實際鋪設(shè)長度進(jìn)行核對。毛管實際鋪設(shè)長度除以滴頭間距再乘滴頭流量，從而獲得一條毛管的流量[6-8]。判斷飲用水流量和水頭是否滿足一條毛管流量(灌水小區(qū))和壓力要求，試驗區(qū)飲用水流量和壓力滿足4條毛管的流量和壓力，因此屬于1個電磁閥控制的A灌水小區(qū)(見圖1)，相應(yīng)灌水小區(qū)控制系統(tǒng)見圖2。根據(jù)地形條件確定支管長度L支計算相應(yīng)的支管流量Q支，然后計算干管流量Q干，干管流量應(yīng)小于等于飲用水水量。

圖1 一個灌水A小區(qū)Fig.1 Schematic diagram of a A irrigation area

圖2 控制3個灌水小區(qū)的系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the control system of three irrigation districts 注：1-控制實例區(qū)(A)灌水小區(qū)的繼電器；2-總時間繼電器(時間上控制3個灌水器的時間和循環(huán)過程)；3-開關(guān)(自動及手動兩用型)；4-電源開關(guān)；5-電源判斷器；6-接收器(接收土壤含水率傳感器信息)；7-B、C等其他灌水小區(qū)的時間繼電器；8-C灌水小區(qū)的繼電器；9-B灌水小區(qū)的繼電器；10-C灌水小區(qū)的輸水管；11-B灌水小區(qū)的輸水管；12-總繼電器(控制3個灌區(qū)的循環(huán)灌水)；13-實例A灌水小區(qū)的繼電器。

(2)土壤濕潤范圍的計算。在無觀測資料時，土壤性質(zhì)(土壤容重)、土壤初始含水率、滴頭流量q和灌水時間t確定之后，土壤濕潤范圍按下列經(jīng)驗公式計算確定[9]：

R=(A+Bq)t1-α

(1)

式中：R為計算水平擴散時濕潤半徑(計算垂直擴散時土壤濕潤深度用H表示)，m；t為滴水時間，min；q為滴頭流量，L/h；A、B、α為與土壤因素有關(guān)的系數(shù)，查表1確定。通過試驗確定土壤濕潤深度(或濕潤半徑)、土壤容重和滴頭流量之后，查表1后按經(jīng)驗公式(1)反求滴水時間t。

采用式(1)分別計算出土壤橫向擴散半徑(濕潤半徑)和縱向濕潤深度，然后可計算土壤濕潤比。

(3)滴灌下土壤濕潤比的計算。果樹滴灌屬于點水源滴灌，水以滴水形式進(jìn)入土壤，在土壤重力勢和基質(zhì)勢的作用下，不僅向土壤縱向運動，而且也在土壤基質(zhì)勢的作用下橫向運動，逐漸濕潤樹根下附近的土壤。滴灌繼續(xù)滴水時，土壤縱和橫各向水分都在變化。

①影響土壤濕潤比的因素。土壤濕潤比受毛管和滴水器的布置形式的影響。毛管上滴水孔數(shù)多土壤濕潤比較大，毛管數(shù)多同樣濕潤比也大，因此土壤濕潤比的大小與所選用的滴頭類型和毛管數(shù)有密切關(guān)系。土壤濕潤比是該滴頭濕潤體體積V濕占該滴頭控制灌溉面積上的土體積V灌百分比，一行樹設(shè)一條毛管情況見圖3，各向均質(zhì)土壤滴水后的土壤濕潤體及滴頭間距見圖4。

圖3 單行直線毛管布置Fig.3 Single linear capillary arrangement

滴頭滴水下土壤濕潤比按下式表達(dá)，即：

(2)

表1 不同土壤質(zhì)地對應(yīng)的A、B、α值Tab.1 Soil texture corresponds to different A、B and α value

圖4 土壤濕潤體及滴頭間距Fig.4 Moist soil body and drop head spacing

由圖2和3可推導(dǎo)灌溉面積上的土體V濕，土壤濕潤體積相似于圓柱體，近似計算體積按下式計算：

(3)

V灌=SeSLH

(4)

將式(3)和式(4)代入式(2)整理后可得土壤濕潤比P：

(5)

式中：n為滴水孔數(shù)(單個滴頭供水時n=1)；P為土壤濕潤比，%；V灌為滴頭控制灌溉面積上的土體積，m3；Se為滴頭間距，m；SL為毛管間距，m；V濕為灌溉面積上的土體；H為濕潤深度，m；DW為土壤水分?jǐn)U散直徑，m。

②工作壓力及管道長度計算。根據(jù)飲用水的壓力(工作壓力h)按式(6)計算確定滴頭流量q，購買相應(yīng)滴頭流量的滴水器(穩(wěn)流滴頭器)。按照果樹行距(SL)株距(Se)，按式(7)以毛管和支管長度作為變量，調(diào)節(jié)Q系計算至飲用水提供流量相等為止。

q=chx

(6)

(7)

2.2 計算實例

(1)試驗地概況。試驗地由4行葡萄、3行蘋果和3行桃子組成。土壤為沙壤土，土壤容重為1.25 g/cm3，平均氣溫35.2 ℃。①葡萄試驗地長20 m寬6 m，面積為0.012 hm2，葡萄栽種模式株行距為2 m×2 m；②蘋果試驗地長20 m寬10 m,面積為0.02 hm2，蘋果栽種模式株行距4 m×5 m；③桃子試驗地長20 m寬4 m，面積為0.008 hm2，桃子栽種模式株行距為2.5 m×4 m。采用毛管直徑20 mm滴灌管，滴水器間距分別為2.0、4.0、2.5 m，飲用水壓力水頭為12 m，流量為20 m3/h。試驗區(qū)飲用水流量和壓力最多滿足4條毛管的流量和壓力，因此葡萄園A區(qū)、蘋果園B區(qū)及桃子園C區(qū)分別設(shè)置3個輪灌區(qū)。

(2)現(xiàn)狀及裝置參數(shù)確定。吐魯番地區(qū)農(nóng)戶以種植葡萄為主，采用溝灌方式。蘋果、桃子及梨子等果樹為副，采用漫灌方式。每公頃葡萄灌水量13 140 m3，其余果樹(蘋果、梨子及桃子等)每公頃灌溉量在11 820 m3左右，果樹平均灌水量12 480 m3。當(dāng)?shù)仫嬘盟畠r格1.8 元/m3，每公頃地灌水費22 464 元。實施自動裝置后，每公頃灌水定額300 m3，15 d灌一次水，1 a灌水9次，每公頃地灌水量2 700 m3，滴灌灌水費每公頃4 860 元。采用最好滴管材料的情況下每公頃需要9 750 元，自動控制系統(tǒng)灌溉1路設(shè)備每公頃需要3 000 元，合計17 610 元。家用飲用水不同流量和水頭相應(yīng)控制面積計算結(jié)果見表2，計算公式見參考文獻(xiàn)[7-9]。

表2 農(nóng)村用戶飲用水不同流量和水頭控制面積計算結(jié)果Tab.2 Different rural users tap water flow andhead control area calculation results

由表2可看出，水頭為6 m時，毛管鋪設(shè)長度應(yīng)在25 m左右為宜，支管長度控制在15～20 m。原因是有限的水頭滿足不了支管進(jìn)口的壓力，使hd≥ΔH毛進(jìn)+ΔH支進(jìn)+hi時可滿足要求，hi為管道進(jìn)口處水頭損失、連接件水頭損失及干管水頭損失(沿程水頭損失和局部水頭損失)之和，通過推算得hi=0.3 m。

鑒于家用飲用水的流量和水頭(壓力)小，該灌溉裝置采用儲水桶(或修建小型水池)進(jìn)行蓄水調(diào)節(jié)，將飲用水龍頭改為電磁閥，電磁閥與儲水桶的浮子相連，儲水桶蓄滿水后浮子上升斷開電源自動關(guān)閉飲用水電磁閥。灌溉系統(tǒng)加壓泵、電磁閥及繼電器與田間探頭相連，通過探頭測定的土壤含水量達(dá)到調(diào)萎系數(shù)時，繼電器→電磁閥→加壓泵自動啟動，開始田間灌溉作業(yè)。

3 裝置特點總結(jié)

(1)節(jié)水效果及適應(yīng)性。在吐魯番實地進(jìn)行試驗可知：自動控制系統(tǒng)灌溉1路設(shè)備每公頃需要3 000 元，每公頃地節(jié)省灌水水費4 500 元左右。該裝置彌補了現(xiàn)有自動灌溉系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)的不足之處，適用于果圓、農(nóng)作物及溫室大棚的微灌。

(2)裝置幾個特點。①適應(yīng)性強。面積大小可根據(jù)增、減管道長度及直徑調(diào)節(jié)，地形落差較大時可實現(xiàn)自壓自動灌溉。②簡便性。主要材料部件由電磁閥、繼電器、水泵等組成，結(jié)構(gòu)和操作簡單，調(diào)節(jié)完后自動完成定期灌溉任務(wù)。③可調(diào)性。根據(jù)土壤性質(zhì)、作物類型及氣候條件確定灌水量和灌水時間，同時根據(jù)作物各生長期的需水量可調(diào)節(jié)灌水量和灌水時間。④節(jié)能性。根據(jù)輪灌次序通電，作業(yè)完后及時停電，耗電量少，無電灌區(qū)可采用太陽能板供電，同樣實現(xiàn)自動灌溉。⑤自控性。土壤含水率達(dá)到下限時通過傳感器發(fā)的信號來控制電磁閥的啟閉，實現(xiàn)自動作業(yè)。也可通過聯(lián)通或移動手機綁定推廣到無線遠(yuǎn)程控制自動灌溉裝置。

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