河西地區(qū)恒壓變量與恒量變壓節(jié)水灌溉方案設(shè)計及效益對比分析

，， ，

(1.甘肅省臨澤縣水務(wù)局，甘肅 臨澤 734200；2.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 研究目標(biāo)、方法、技術(shù)路線

項目針對河西地區(qū)分散應(yīng)用的滴灌、噴灌、管灌等高效節(jié)水技術(shù)不能聯(lián)合運(yùn)行，導(dǎo)致工程投資重復(fù)的難題，將三種灌溉方式與變頻技術(shù)進(jìn)行組裝配套，按照“恒壓變量”和“恒量變壓”兩套方案，運(yùn)用自動化控制系統(tǒng)，在大田作物、經(jīng)濟(jì)作物上進(jìn)行試驗，以作物增產(chǎn)增收、節(jié)水節(jié)能為目的，提出適合河西主要糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物的高效混合灌溉試驗方案，組成高效混合灌溉自動化控制系統(tǒng)，建立新的節(jié)水農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)體系，完成高效節(jié)水農(nóng)業(yè)向精準(zhǔn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的。

項目以作物增產(chǎn)、降低工程投資為目的，針對河西地區(qū)主要作物分別按“恒壓變量”和“恒量變壓”兩套高效混合灌溉技術(shù)方案進(jìn)行試驗，比較其增產(chǎn)、節(jié)水節(jié)能效果。同時在試驗過程中應(yīng)用電磁閥、超聲波流量計等自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行水量控制，提高灌溉水利用效率。

2 試驗區(qū)概況

項目試驗研究區(qū)地處于綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙多，自然災(zāi)害頻繁。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm，年日照時數(shù)3 028 h，光熱資源豐富，≥0 ℃積溫3 550 ℃，≥10 ℃積溫3 145 ℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗區(qū)土質(zhì)0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳?，土壤平均容重?.54 g/cm3[1]。

試驗基地屬紅崖山灌區(qū)，為典型的井河混灌區(qū)。區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)良好，適合作物灌溉。

研究試驗區(qū)占地13畝，其中噴灌4畝，滴灌5畝，管灌4畝。埋設(shè)φ110PVC(1.0 MPa)干管0.11 km，φ110PVC(1.0 MPa)支管0.23 km，在支管上安裝間距為20 m的出地管并配套給水栓，整個試驗小區(qū)共安裝出地管12根、配套給水栓12個，使田間的灌溉系統(tǒng)分為12個灌水單元。每一個灌水單元，可直接進(jìn)行管灌方式的地面灌溉，也可從給水栓接引移動式鋁合金支管、噴桿、噴頭進(jìn)行噴灌，或者從給水栓接引移動式PE支管、毛管和滴頭進(jìn)行滴灌。噴、滴、管灌采用同一主管系統(tǒng)輸水灌溉。

地面鋪設(shè)的噴灌系統(tǒng)管徑為50 mm，豎桿高度1.2 m，管徑33 mm，是鍍鋅鐵管。ZY1型噴頭成18 m×18 m的正方形布置，流量為6.0 m3/h，工作壓力0.30 MPa；地面鋪設(shè)的滴灌系統(tǒng)干管管徑為25 mm的PE管，支管管徑為20 mm的PE管，毛管管徑為16 mm，滴頭為迷宮式滴頭，流量2.0 L/h，工作壓力0.2 MPa。毛灌間距根據(jù)作物的不同而變化，其中棉花0.60 m，玉米0.40 m，葵花0.40 m。

機(jī)井位于試驗區(qū)北面，井深100 m，地下水位31 m。井內(nèi)安裝型號為250QJ80-80/4的潛水泵一臺，流量80 m3/h，揚(yáng)程80 m，效率73%；配套YQS00-30型電機(jī)一臺，額定功率30 kw，額定轉(zhuǎn)速2 875 r/min，功率因數(shù)0.82，效率80%，額定電壓380 V，額定電流50 A。

2011年、2012年，試驗區(qū)根據(jù)生產(chǎn)研究需要，每年種植13畝，其中：噴灌葵花4畝，滴灌棉花5畝，管灌玉米4畝。

3 試驗方案設(shè)計

3.1 井灌區(qū)管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化方案

將甘肅河西走廊正在分散應(yīng)用的管灌、噴灌、滴灌等單項節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行科學(xué)組裝，與核心成熟技術(shù)-變頻調(diào)速技術(shù)配套后形成“高效混合灌溉系統(tǒng)”?？傮w運(yùn)行方案為：田間噴、滴、管各灌溉系統(tǒng)分時段輪流運(yùn)行，變頻器按對應(yīng)參數(shù)控制水泵轉(zhuǎn)速。

變頻器與不同灌溉方式對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)(Q噴、Q滴、Q管和H噴、H滴、H管)是通過灌溉系統(tǒng)的工程設(shè)計結(jié)果提供的，不同的灌溉方式要求不同的水泵轉(zhuǎn)速，不同的水泵轉(zhuǎn)速要求不同的輸入主頻率。實際運(yùn)行時，主頻率由變頻器通信界面進(jìn)行人工輸入。

按灌溉系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)與變頻器控制方式，系統(tǒng)運(yùn)行方案設(shè)計為恒壓變量和恒量變壓兩種研究方案。

3.1.1 恒壓變量方案

恒壓變量方案是水泵在運(yùn)行過程中，壓力傳感器將壓力檢測點(水泵出口處)的壓力信號傳送給變頻器。如果壓力檢測點的壓力低于設(shè)定壓力，變頻器將提高輸入水泵機(jī)組的電源頻率，從而提高水泵轉(zhuǎn)速，使壓力檢測點，即整個管網(wǎng)的壓力得以提升，此時，水泵出水量將相應(yīng)增大；反之，當(dāng)壓力檢測點的壓力高于設(shè)定壓力時，變頻器將降低輸入水泵機(jī)組的電源頻率，從而降低水泵轉(zhuǎn)速，使壓力檢測點，即整個管網(wǎng)的壓力下降，此時，水泵出水量將相應(yīng)減小。這樣，水泵轉(zhuǎn)速的提高與降低完全取決于管網(wǎng)的壓力與設(shè)定壓力的比較結(jié)果，通過對水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整使壓力檢測點的壓力保持恒定(等于壓力設(shè)定值)，而出水量則發(fā)生相應(yīng)變化[2]。恒壓變量變頻調(diào)速混合灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計組裝配套如圖1所示。

圖1 恒壓變量、恒量變壓變頻調(diào)速混合灌溉系統(tǒng)

3.1.2 恒量變壓方案

恒量變壓方案是水泵在運(yùn)行過程中，流量傳感器將流量檢測點(水泵出口處)的流量信號傳送給變頻器。如果流量檢測點的流量低于設(shè)定流量，變頻器將提高輸入水泵機(jī)組的電源頻率，從而提高水泵轉(zhuǎn)速，使流量檢測點，即整個管網(wǎng)的流量得以提升，此時，水泵出水量將相應(yīng)增大；反之，當(dāng)流量檢測點的流量高于設(shè)定流量時，變頻器將降低輸入水泵機(jī)組的電源頻率，從而降低水泵轉(zhuǎn)速，使流量檢測點，即整個管網(wǎng)的流量下降，此時，水泵出水量將相應(yīng)減小。這樣，水泵轉(zhuǎn)速的提高與降低完全取決于管網(wǎng)的流量與設(shè)定流量的比較結(jié)果，通過對水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整使流量檢測點的流量保持恒定(等于流量設(shè)定值)，而壓力則發(fā)生相應(yīng)變化[2]。恒量變壓變頻調(diào)速混合灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計組裝配套如圖1所示(用圖虛線框中的流量傳感器置換壓力傳感器，其他設(shè)備不變)。

3.2 自動化控制技術(shù)方案

在管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，輔助以成熟的自動化控制技術(shù)，形成高效混合灌溉自動化控制系統(tǒng)，提高田間灌溉的精準(zhǔn)度和信息化度。

自動化控制系統(tǒng)技術(shù)方案：改進(jìn)原有的富士公司生產(chǎn)的FRN22G11S-4型變頻柜(功率22 kw，額定電壓380～480 V，允許波動范圍+10%～-15%，頻率50/60 Hz，允許波動范圍±5%，加、減速時間均為0.01～3 600 s)，使其從單一的“恒壓”控制改進(jìn)為“恒壓”、“恒量”雙向控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制供水流量的目的；利用大連索尼卡(LIANKESONIC)公司生產(chǎn)的FV4018型超聲波流量計精準(zhǔn)計量管道輸水流量；利用土壤墑情GPRS遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)，在電腦上遙控電磁閥的開關(guān)，同時實時監(jiān)測土壤溫度、濕度及相關(guān)氣象因子，實現(xiàn)信息化遠(yuǎn)程控制。

3.3 高效混合灌溉自動化控制系統(tǒng)

將井灌區(qū)管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化方案——高效混合灌溉系統(tǒng)與成熟的自動化控制系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，得到高效混合灌溉自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高效節(jié)水技術(shù)與自動化控制技術(shù)的完美結(jié)合，通過在農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)用水領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，為以后從高效灌溉農(nóng)業(yè)向精準(zhǔn)灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供具有可操作性的基礎(chǔ)條件。

4 實際節(jié)能分析

2011年、2012年試驗站進(jìn)行了恒壓變量、恒量變壓方案的試驗，并觀測變頻設(shè)備運(yùn)行狀況，記錄各種灌水方式的耗能情況并與未變頻時(2010年)相比較，分析其節(jié)能情況。

4.1 恒壓變量方案節(jié)能效果評價

恒壓變量方案節(jié)能情況詳見表1、表2。

表1 恒壓變量方案運(yùn)行情況

表2 恒壓變量工程年節(jié)能效益表

由表1、表2可知，恒壓變量方案年總節(jié)電量580.26 kw·h，節(jié)電效率24.57%，畝均節(jié)電量44.64 kw·h/畝，畝均節(jié)電效益22.32元/畝，若推廣1萬畝，每年節(jié)電效益可達(dá)到22.32萬元。

4.2 恒量變壓方案節(jié)能效果評價

恒量變壓方案節(jié)能情況詳見表3、表4。

表3 恒量變壓方案運(yùn)行情況

表4 恒量變壓工程年節(jié)能效益

由上表3、表4可知，恒量變壓方案年總節(jié)電量713.46 kw·h，節(jié)電效率27.44%，畝均節(jié)電量54.88 kw·h/畝，畝均節(jié)電效益27.44元/畝，若推廣1萬畝，每年節(jié)電效益可達(dá)到27.44萬元。

4.3 節(jié)能效果評價

根據(jù)兩年節(jié)能效果監(jiān)測可知，恒壓變量、恒量變壓兩種方案年節(jié)電量分別達(dá)到580.26 kw·h和713.46 kw·h，分別有290.13元和356.73元的年節(jié)電效益。畝均節(jié)電量分別為44.64 kw·h/畝、54.88 kw·h/畝，節(jié)電效率分別為24.57%、30.21%，畝均節(jié)電效益分別為22.32元/畝、27.44元/畝。若推廣1萬畝，年節(jié)電效益可分別達(dá)到22.32萬元和27.44萬元。同時可看出，變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)電主要體現(xiàn)在管灌這一灌溉方式，并且恒量變壓方案的年節(jié)電量和年節(jié)電效益均大于恒壓變量方案，與理論分析結(jié)果相符合。

5 效益分析及方案比較結(jié)論

5.1 效益分析

本項目是在當(dāng)前噴灌、滴灌、管灌等高效節(jié)水技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)組合配套，解決高效灌水與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整之間的矛盾，改善加壓設(shè)備和灌溉設(shè)備的工作條件、延長水泵及噴、滴、管灌系統(tǒng)的使用壽命，達(dá)到節(jié)能降耗、節(jié)水高效的目的。根據(jù)項目的系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)行方式及運(yùn)行效果，項目效益主要體現(xiàn)在節(jié)能降耗、節(jié)水高效及作物增產(chǎn)三個方面。

5.1.1 恒壓變量方案經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)項目總體任務(wù)安排，2011年在試驗站開展恒壓變量方案試驗，種植噴灌葵花4畝，滴灌棉花5畝，管灌玉米4畝，共13畝。恒壓變量方案作物增產(chǎn)效益詳見表5。由表5可知，畝均增產(chǎn)效益260元/畝。

表5 恒壓變量作物增產(chǎn)效益

恒壓變量方案作物節(jié)水效益詳見表6。由表6可知，恒壓變量試驗方案節(jié)水效益12.75元/畝。

表6 恒壓變量作物節(jié)水效益

項目經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在作物增產(chǎn)效益、節(jié)水效益、節(jié)能效益三個方面。經(jīng)計算，恒壓變量方案經(jīng)濟(jì)效益為370.01元/畝，若推廣1萬畝，年效益可達(dá)370.01萬元(表7)。

表7 恒壓變量方案經(jīng)濟(jì)效益

5.1.2 恒量變壓方案經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)項目總體任務(wù)安排，2012年在試驗站開展恒量變壓方案試驗，種植噴灌葵花4畝，滴灌棉花5畝，管灌玉米4畝，共13畝。恒量變壓方案作物增產(chǎn)效益詳見表8。由表8可知，恒量變壓方案畝均增產(chǎn)效益270元/畝。

表8 恒量變壓作物增產(chǎn)效益

恒量變壓方案作物節(jié)水效益詳見表9。由表9可知，恒量變壓試驗方案節(jié)水效益12.75元/畝。

表9 恒量變壓作物節(jié)水效益

項目經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在作物增產(chǎn)效益、節(jié)水效益、節(jié)能效益三個方面。經(jīng)計算，恒量變壓方案經(jīng)濟(jì)效益為373.90元/畝，若推廣1萬畝，年效益可達(dá)373.90萬元(表10)。

5.2 方案比較結(jié)論

項目經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在作物增產(chǎn)效益、節(jié)水效益、節(jié)能效益三個方面，由表7(370.01元/畝)、表10(373.90元/畝)可知，恒量變壓方案總效益較恒壓變量方案多3.89元/畝。若推廣1萬畝，恒量變壓方案總效益較恒壓變量方案多3.89萬元/萬畝年。

表10 恒量變壓方案經(jīng)濟(jì)效益