芳草湖農(nóng)場滴灌自動化設(shè)施建設(shè)方案淺析

徐宜龍

(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300）

1 項目區(qū)概況

1.1 自然環(huán)境概況

芳草湖農(nóng)場位于新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁縣境內(nèi)，是大片的河漫灘平原，地勢平坦，呈不規(guī)則的長方形，占地約141.96 萬畝。地勢東南高西北低，地形較為平坦。農(nóng)場位于中緯度西風(fēng)帶，大陸性氣候十分明顯。項目區(qū)丹板社區(qū)土壤主要為灰漠土，農(nóng)業(yè)方面主要受霜凍、凍害、旱災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等自然災(zāi)害的破壞。

芳草湖農(nóng)場地表水資源主要來自呼圖壁河、引額濟烏工程和瑪納斯河，年均場口引水量約為1.68 億m3；地下水主要來源于沖積平原下游河道、渠系滲漏及過量灌溉水補給，年提取量約4200 萬m3。芳草湖農(nóng)場主要蓄水工程包括大海子水庫、東河水庫及鷹湖水庫，目前工況良好，不存在工程隱患。

1.2 農(nóng)田水利設(shè)施現(xiàn)狀

芳草湖農(nóng)場現(xiàn)主要有干、支、斗三級渠道，渠系總長637.33 km，其中已防滲475.35 km，完好程度56.67%。項目區(qū)丹坂社區(qū)有效灌溉面積7.8 萬畝，現(xiàn)有節(jié)水滴灌面積6.8 萬畝，地面灌溉面積1.0 萬畝。

芳草湖農(nóng)場耕地面積為41.03 萬畝，截至目前已建成節(jié)水滴灌面積35.7 萬畝、農(nóng)場遠(yuǎn)程信息管理中心一座。經(jīng)過近幾年的運行，滴灌自動化系統(tǒng)大大降低了人力勞動強度，節(jié)約水資源效果明顯，系統(tǒng)運行良好，受到廣泛認(rèn)可。

2 工程建設(shè)內(nèi)容

2.1 建設(shè)范圍及規(guī)模

綜合考慮項目分年實施計劃結(jié)合農(nóng)場實際情況，本次將丹坂社區(qū)1 連、3 連和5 連的6 個地塊選定為項目區(qū)，項目區(qū)面積6700 畝。單個系統(tǒng)控灌面積680 畝～1500 畝，本工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為小(2)型，主、次要建筑物級別5 級。滴灌工程設(shè)計保證率不應(yīng)低于90%。本次工程灌溉保證率按90%計算。

2.2 工程布局

本次項目共建設(shè)6 個地塊的滴灌及滴灌自動化系統(tǒng)，總面積為6700 畝。工程建設(shè)以提高水資源利用效率和生產(chǎn)效益，推進小型農(nóng)田水利工程建設(shè)為目標(biāo)。目前項目區(qū)地塊渠、林、路配套完善，農(nóng)田格局成型，本次工程為建設(shè)節(jié)水滴灌和滴灌自動化，不改變農(nóng)田格局，只改變田間灌水方式。

2.3 主要建設(shè)內(nèi)容

本次工程新建滴灌及滴灌自動化系統(tǒng)6 個，控灌面積6700 畝。新建滴灌系統(tǒng)配套地埋管道31492 m，配套地面PE管41541 m，沉淀池、蓄水池、泵房各6 座，配套首部設(shè)備6 套；并配套滴灌自動化設(shè)備6 套。

3 設(shè)計方案比選

3.1 滴灌帶

目前比較常用的灌水器（滴灌帶）有單翼迷宮式滴灌帶、壓力補償式滴灌帶、內(nèi)鑲式滴灌帶。其中，單翼迷宮式滴灌帶對泥沙處理要求最低、堵塞敏感性較高，單米造價最低，使用年限為1 年，較適用于棉花、小麥等大田作物；壓力補償式滴灌帶工作壓力及范圍最寬、流量對壓力不敏感、對水溫的變化不敏感，但其對泥沙處理要求最高、單米造價最高，并且使用年限可達5年，較適用于樹木、經(jīng)濟林灌溉；內(nèi)鑲式滴灌帶各項指標(biāo)介于兩者之間。經(jīng)比較本次項目區(qū)內(nèi)棉花滴灌使用內(nèi)鑲式滴灌帶，葡萄滴灌使用單翼迷宮式滴灌帶。

3.2 輸配水管道管材選擇

PE 管耐腐蝕、水流阻力小、節(jié)約能源、安裝簡便迅速、抗伸縮率大，拉伸斷裂強度大，抗凍性能較好，缺點是大口徑管造價高。PVC 管優(yōu)點是重量輕、不結(jié)垢，輸水能力強，安裝簡便迅速，缺點是抗凍性能較差，易脆裂、耐腐蝕性較弱，對土質(zhì)要求較高。

PE 管使用年限較PVC 管長，柔韌性、抗凍性能較好，結(jié)合芳草湖農(nóng)場滴灌多年運行經(jīng)驗，本次工程選擇PE 管作為滴灌地埋管道。

3.3 輪灌方式選擇

滴灌系統(tǒng)的管材均選用輕質(zhì)高強的PE 管，干管與分干管地埋，支管、毛管置于地表，管網(wǎng)系統(tǒng)通過支管輪灌系統(tǒng)和輔管輪灌系統(tǒng)兩種方案比較，在本項目中選用支管輪灌系統(tǒng)，該方案技術(shù)可行，維修方便，操作簡單，工作效率高，年費用較低[1]，布置方式見圖1。

圖1 支管+ 毛管布置方式

3.4 自動化控制技術(shù)方案比選

在當(dāng)前兵團范圍內(nèi)應(yīng)用的滴灌自動控制技術(shù)按照其從田間控制中心到控制終端（電磁閥）的通訊方式劃分主要有兩種：有線通訊方案和無線通訊方案。

1）無線通訊方案

無線通訊方案包括基于GSM/GPRS 公用網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)和基于2.4 GHz無線自組網(wǎng)的自動控制技術(shù)，需對這兩種技術(shù)比選。

a.基于GSM/GPRS 公用網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)

田間控制中心到控制終端（閥門控制器）之間的通訊通過GSM/GPRS 實現(xiàn)的控制技術(shù)，特點是系統(tǒng)覆蓋范圍大，可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)；可以進行雙向監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳送，設(shè)計和施工簡單。

b.基于2.4 GHz 無線自組網(wǎng)的控制技術(shù)

田間控制中心到控制終端（閥門控制器）之間的通訊通過

2.4 G 免費微功率頻段實現(xiàn)的控制技術(shù)，性能穩(wěn)定，避免無線電頻點占用費，無通訊費；傳輸距離達到10 km～20 km；結(jié)構(gòu)簡潔、拆卸靈活，功耗低、具有網(wǎng)絡(luò)性能故障自診斷功能，系統(tǒng)可靠性較高。

經(jīng)比較后，2.4 GHz 無線自組網(wǎng)的自動控制技術(shù)更適合項目區(qū)的需要。

2）有線通訊方案

信號有線傳輸方式指信號傳輸介質(zhì)為實體，由電纜傳輸。信號電纜連接系統(tǒng)首部和電磁閥，傳輸系統(tǒng)首部向電磁閥發(fā)出的信號，輸送電壓為AC24V。電纜采用鎧裝電纜，免套管，防鼠、防水。中央控制室和系統(tǒng)首部之間也采用電纜連接，通過電纜傳送接收數(shù)據(jù)。

3）方案比較

采取有線方案需要鋪設(shè)線纜，防止線纜斷路是項目安全運行的條件之一。本項目主要種植棉花和釀酒葡萄，項目區(qū)需要每年翻耕。采取有線方案有造成短路影響控制系統(tǒng)運行的風(fēng)險。因此本次項目采取無線方案，采取2.4 GHz無線自組網(wǎng)的自動控制技術(shù)。

4 實施效果分析

由于本項目僅為6 個地塊配套滴灌，沒有新增灌溉面積，因此無需做水量平衡分析，故僅考慮節(jié)水滴灌實施前后的節(jié)水量分析[2]。

4.1 灌溉制度分析

現(xiàn)狀年，項目區(qū)灌溉方式為地面灌，種植作物為棉花和釀酒葡萄。棉花面積5200 畝，釀酒葡萄面積1500 畝。棉花田間灌水定額為70 m3/畝～80 m3/畝，全年灌水6 次，灌溉定額380 m3/畝；釀酒葡萄灌溉定額為60 m3/畝～70 m3/畝，全年灌水7 次，灌溉定額440 m3/畝?，F(xiàn)狀年灌溉制度表見表1。

表1 現(xiàn)狀年灌溉制度表

項目建設(shè)后項目區(qū)均為滴灌，經(jīng)計算得棉花最大田間灌水定額為19.67 m3/畝，全年灌水13 次，灌溉定額為314.72 m3/畝。釀酒葡萄最大田間凈灌水定額為18.4 m3/畝，全年灌水14 次，灌溉定額為312.8 m3/畝。作物設(shè)計水平年灌溉制度見表2。

表2 設(shè)計水平年灌溉制度表

作物 生育階段灌溉起止時間 凈灌水定額(m3/畝)灌溉定額(m3/畝)(月/日)灌溉天數(shù)（d)1 4.20-4-25 18.4 6棉花（滴灌）釀酒葡萄（滴灌）2 5.1-5.6 18.4 6 3 5.12-5.17 18.4 6 4 5.24-5.29 18.4 6 5 6.1-6.6 18.4 6 6 6.6-6.11 18.4 6 7 6.18-6.23 18.4 6 8 6.24-6.29 18.4 6 9 7.6-7.11 18.4 6 10 7.18-7.23 18.4 6 11 7.24-7.29 18.4 6 12 8.5-8.10 18.4 6 13 14 312.8 8.17-8.22 10.9-10.30 18.4 73.6 6 22

4.2 灌溉水利用系數(shù)分析

1）渠道水利用系數(shù)

本次項目區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀年渠道水利用系數(shù)為農(nóng)渠水利用系數(shù)，項目區(qū)內(nèi)農(nóng)渠水利用系數(shù)經(jīng)農(nóng)場提供為0.92，實施節(jié)水滴灌后為管道所代替，設(shè)計水平年管道輸水利用系數(shù)為0.98。

2）田間水利用系數(shù)

現(xiàn)狀年田間水利用率取0.88，設(shè)計水平年取0.9。

3）灌溉水利用系數(shù)

灌溉水利用系數(shù)等于渠道水利用系數(shù)與田間水利用系數(shù)的乘積。本次項目為節(jié)水滴灌工程，項目區(qū)地塊現(xiàn)狀年采用農(nóng)渠進行灌溉，設(shè)計水平年項目區(qū)為節(jié)水滴灌系統(tǒng)，農(nóng)渠為管道所代替。工程建設(shè)后項目區(qū)的灌溉水利用系數(shù)見表3。

表3 項目區(qū)實施前后灌溉水利用系數(shù)計算表

根據(jù)計算得出項目區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀年地面灌溉地塊水利用系數(shù)為0.81；設(shè)計水平年項目區(qū)均為節(jié)水滴灌，項目區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.88。

4.3 需水量計算

1）現(xiàn)狀年需水量計算結(jié)果見表4。

表4 項目區(qū)現(xiàn)狀年需水量

根據(jù)項目區(qū)地面灌棉花和釀酒葡萄的灌溉定額和項目區(qū)灌溉水利用系數(shù)，計算項目區(qū)現(xiàn)狀年棉花凈灌溉需水量為263.6 萬m3，毛灌溉需水量為325.43 萬m3。

2）設(shè)計水平年需水量計算見表5。

表5 項目區(qū)設(shè)計水平年需水量

設(shè)計水平年項目區(qū)凈灌溉需水量為210.57 萬m3，毛灌溉需水量為239.29 萬m3。

5 工程效益分析

1）資源效益分析

計算項目區(qū)現(xiàn)狀年灌溉需水量為325.43 萬m3，項目建成后，項目區(qū)灌溉需水量為239.29 萬m3，項目建設(shè)后可節(jié)約水資源每年86.14 萬m3。

2）經(jīng)濟效益分析

本項目實施后，改善灌溉面積6700 畝，項目區(qū)地塊灌溉保證率由地面灌的75%提高到90%。項目區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力將得到提高，實行滴灌后單產(chǎn)比地面灌提高15%～20%。項目區(qū)的主要農(nóng)作物是棉花和葡萄。項目建設(shè)前平均每畝棉花平均單產(chǎn)110 kg，實施本項目之后每畝棉花可達到125 kg，平均每畝增產(chǎn)15 kg，按皮棉平均18 元/kg，葡萄平均每畝單產(chǎn)800 kg，項目實施之后可達到1100 kg，平均每畝增產(chǎn)300 kg，按葡萄平均2.8 元/kg。

6 結(jié)語

綜合項目區(qū)所在地的自然條件和項目經(jīng)驗，經(jīng)過認(rèn)真比選，在芳草湖農(nóng)場實施滴灌自動化設(shè)施建設(shè)具有明顯的資源和經(jīng)濟效益，對提升水資源利用率、保護生態(tài)環(huán)境和增加收益具有明顯效果，符合可持續(xù)發(fā)展的各項要求，是干旱地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)的有效途徑。