農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)與管理思考

彭 鵬

河南省陸渾水庫管理局

1 引言

隨著信息劃時代的到來，農(nóng)業(yè)技術(shù)也隨之進行了不同領(lǐng)域的改革創(chuàng)新，那么對于農(nóng)田節(jié)水灌溉方面，也利用信息化工具創(chuàng)新出農(nóng)田高效節(jié)水灌溉自動化技術(shù)，既降低了人力成本，又提高了灌溉效率。同時，灌溉用水問題也是需要困擾灌溉工程的重要因素，那么可以由政府引導開展水權(quán)水價改革，從而既提高當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性，又解決灌溉用水問題。

2 我國農(nóng)田高效節(jié)水灌溉存在的問題

2.1 農(nóng)田高效節(jié)水灌溉設(shè)施并不完備

雖然，目前政府正在號召全社會力量幫助農(nóng)村地區(qū)提升機械化生產(chǎn)水平，但是由于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土地面積分布廣泛，各地區(qū)技術(shù)和投入力量參差不齊。而且水資源相對分布不均，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)相對落后，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，農(nóng)業(yè)用水灌溉浪費比較嚴重，從而制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展。為了補短板，保障國家糧食安全，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，因此必要發(fā)展農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程。那么，發(fā)展農(nóng)田高效節(jié)水灌溉可能出現(xiàn)兩種情況。一是有些地區(qū)的農(nóng)田中的水力灌溉設(shè)施還是之前政府統(tǒng)一出資幫助修建的，而經(jīng)過長時間的使用早已出現(xiàn)生銹、堵塞、管道破裂等問題，但是因為這其中并沒有足夠?qū)I(yè)維修養(yǎng)護人員進行維護更換，所以導致這些舊的農(nóng)田節(jié)水灌溉設(shè)施已失去原本的應(yīng)用價值。二是有些地區(qū)的農(nóng)民使用集資自建的方式修建農(nóng)田節(jié)水灌溉設(shè)施，雖然在一定程度上解決了農(nóng)田灌溉問題，但是由于部分農(nóng)民對先進的農(nóng)田灌溉技術(shù)掌握的不準確，部分修建的農(nóng)田水利設(shè)施是存在不合理性和技術(shù)缺陷的，所以在投入使用后農(nóng)田灌溉利用系數(shù)并不高，大水漫灌現(xiàn)象嚴重，并且由于不能有效合理地控制水資源的用量，這種自建水利灌溉設(shè)施還會浪費大量的水資源。

2.2 農(nóng)田高效節(jié)水灌溉管理存在松懈問題

農(nóng)田高效節(jié)水灌溉技術(shù)包括管灌、噴灌和滴管。我國因地制宜大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)是必然趨勢?，F(xiàn)在大部分地區(qū)都在發(fā)展農(nóng)田管灌技術(shù)。首先，對于已經(jīng)在農(nóng)田水利灌溉方面就業(yè)的管理人員。在當前大多數(shù)的農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程中，由于節(jié)水灌溉工程主要是用在農(nóng)田地下埋藏管道完成，再加之每個地區(qū)的地形地質(zhì)條件存在差異，這就使得有些管道埋藏的深度和位置較為隱蔽，所以當維修管理人員找尋時容易疏忽，尤其對于不熟悉該地區(qū)地形的新人，而這就使得有些管理員工會采用隨機檢查的工作方式，收集一些易修易見的管道維修數(shù)據(jù)就草草收工，這就為水利灌溉出現(xiàn)問題埋下隱患。其次，對于當?shù)氐貐^(qū)投入在水利灌溉管理方面的資金不夠。大多數(shù)地區(qū)的政府在響應(yīng)中央加大農(nóng)田節(jié)水灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求后，都會在本地區(qū)的農(nóng)村生產(chǎn)用地上加快建設(shè)灌溉設(shè)施，但是有些地區(qū)存在重建設(shè)、輕管理的問題，雖然已投入大量資金用于建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，但是并沒有后續(xù)資金用于聘請相應(yīng)的專業(yè)維修管理人員定期管理。并且，有些維修管理人員對于較大型的水利灌溉工程缺乏實踐經(jīng)驗，尤其是剛剛畢業(yè)的大學生，所以很難在這些水利灌溉工程中完成全面檢查管理工作，從而使得對農(nóng)田節(jié)水灌溉工程的管理程度較低。

3 農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)與管理措施

3.1 利用水權(quán)水價改革倒逼機制

從農(nóng)村地區(qū)使用農(nóng)田節(jié)水灌溉設(shè)施的居民來看，大多數(shù)居民主要關(guān)心水價問題，因為有些居民擁有的農(nóng)田范圍較廣，所以相應(yīng)地安裝的水利灌溉設(shè)施較多，那么用的灌溉水相較其他用戶就會成倍增長。而農(nóng)村生活用水都是需要農(nóng)民自費購買，尤其對于水資源較為缺乏的地區(qū)，實行灌溉用水購買制可以有效控制水資源用量。但是，由于有些農(nóng)村土地用戶認為這種方式不合理，或者認為自己可以依靠自主取水的方式進行灌溉，所以不愿意自費購水，而這種現(xiàn)象既不利于當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，又使得當?shù)剞r(nóng)田節(jié)水灌溉效率地下。那么，當?shù)卣梢栽谠撧r(nóng)村地區(qū)推行水權(quán)水價倒逼機制，從而改善這種問題現(xiàn)狀。比如，甘肅武威涼州區(qū)政府就使用該種方法。首先，需要在農(nóng)村地區(qū)改革農(nóng)村用水的價格。從農(nóng)村土地的適用類型上看，有些農(nóng)戶實用溫室大棚種植，有些農(nóng)戶還是使用傳統(tǒng)人工勞作的方式進行種植，而這兩種方式需要的灌溉用水量是存在差異的。那么，對于使用溫室大棚的農(nóng)戶，當?shù)卣梢栽诿慨€合理的配水定額范圍內(nèi)，將該農(nóng)戶的地表水和地下水水費分別降低25%和50%，同時將水資源費進行免征。而對于依然使用傳統(tǒng)人力勞作方式種植的農(nóng)戶，當?shù)卣梢栽诿慨€合理的配水定額范圍內(nèi)，將地表水和地下水的水費分別提高25%和20%。同時，當?shù)卣€配套使用超額用水累加收費制度。由此可見，通過這種水權(quán)水價倒逼機制，總體上是在引導當?shù)剞r(nóng)戶利用溫室大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)種植，因為在溫室大棚內(nèi)水資源的利用率要優(yōu)于傳統(tǒng)種植，這就說明農(nóng)田節(jié)水灌溉用水的流失率也低于傳統(tǒng)種植用地，從而提高農(nóng)田節(jié)水效率。并且，溫室大棚一般采用噴灌和滴管技術(shù)，這些高效節(jié)水設(shè)施的農(nóng)田節(jié)水灌溉工程還易于檢查管理，所以這種機制還可以提高農(nóng)田節(jié)水灌溉工程的管理效率。

圖1

3.2 利用農(nóng)田高效節(jié)水灌溉自動化技術(shù)

自動化農(nóng)田高效節(jié)水灌溉技術(shù)的核心，在于使用現(xiàn)代化的信息智能控制系統(tǒng)，如首部控制器、田間控制器等設(shè)施。而這些設(shè)備具有無人化、高效管理、自主灌溉等優(yōu)勢，這就可以避免當下常常因人為因素導致的缺乏管理問題，還有可以避免因人為因素導致的管理效率低下問題，從而可以提高農(nóng)田節(jié)水灌溉工程的管理效率。那么，以下就從總體結(jié)構(gòu)和主要控制設(shè)備構(gòu)成兩個方面，詳細介紹農(nóng)田節(jié)水灌溉自動化技術(shù)。

圖2

3.2.1 自動化系統(tǒng)總體架構(gòu)

自動化灌溉系統(tǒng)總體構(gòu)成由中央控制中心、首部控制層和田間控制層三個層級，見下圖3所示。該灌溉自動化控制系統(tǒng)的工作流程是田間墑情采集系統(tǒng)快速準確地采集田間信息傳輸?shù)街醒肟刂浦行?；中央控制中心的工作站對獲取信息進行管理和決策，編制灌溉計劃，然后將計劃指令傳遞給首部控制系統(tǒng)進行執(zhí)行操作；并且，首部控制系統(tǒng)還可以將受到的計劃指令進行實時保存，這樣就可以使得隨時將已保存的指令，通過田間控制器閥門進行灌溉。

圖3 節(jié)水灌溉自動化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 控制系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成

其一，中央控制中心。顧名思義，中央控制中心就是管理田間整個灌溉區(qū)域的核心設(shè)施，既需要實時監(jiān)控范圍內(nèi)所有的灌溉工作狀況，又需要及時安排和儲存灌溉計劃數(shù)據(jù)。中央控制器由電源控制箱、主控計算機及外圍設(shè)備等組成，主控計算機上安裝農(nóng)田自動化監(jiān)控軟件，主要包括信息采集與處理、數(shù)據(jù)顯示、首部控制等模塊組成。并且，監(jiān)控中心還可以利用GPRS 覆蓋范圍廣泛的優(yōu)勢，將監(jiān)控范圍擴展到各個灌溉區(qū)域，同時通過將收集的監(jiān)控信息數(shù)據(jù)傳輸給首部控制器及時保存，最后將保存的數(shù)據(jù)按照預(yù)定灌溉計劃進行實施。

其二，首部控制器層。從組成部分上來看，首部控制器主要是由GPRS 和中央控制器組成，以及ZigBee 和田間控制器組成，同時還可以將若干傳感器與首部控制器相關(guān)聯(lián)，從而提高首部控制器的管控能力。而首部控制系統(tǒng)核心為灌溉單元控制器，其本身為智能站，其基本功能為存儲管理中心下發(fā)的灌溉計劃或者直接在本機編制灌溉計劃并自動執(zhí)行。進入執(zhí)行狀態(tài)后，在灌溉期間連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況，發(fā)現(xiàn)故障實時報警，并隨時接受灌溉計劃調(diào)整。

其三，田間控制層。田間墑情采集系統(tǒng)是田間工作層的核心設(shè)備，主要依靠傳感設(shè)備收集田間周邊的環(huán)境信息，如農(nóng)作物、氣候溫度、排水系統(tǒng)運行情況等數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)通過CAN有線或Zigbee無線通訊等方式上報及存儲。而灌溉自動控制系統(tǒng)作為田間控制層的關(guān)鍵設(shè)備，就必須具備較為全面的測量儀器，如壓力傳感器、電磁流量計、生長精密傳感器等設(shè)施，如下圖4。并且，與灌溉自動控制系統(tǒng)想配套的還有電磁閥，該設(shè)備主要是利用電纜將其與其他田間控制器進行連接，這樣就形成了一張全面的電磁控制網(wǎng)絡(luò)，那么當灌溉施肥程序自動啟動時，就會帶動灌溉閥門相應(yīng)地發(fā)生開啟或關(guān)閉操作。

圖4 Zigbee系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

其四，通信網(wǎng)絡(luò)。在無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)出現(xiàn)之后，這就為田間控制系統(tǒng)提供更為高效的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)。而ZigBee在田間控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有顯明的應(yīng)用優(yōu)勢，一方面其自帶的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用范圍較為廣泛，另一方面其所消耗的電能較少，同時還可以實現(xiàn)對農(nóng)田大規(guī)模分布式傳感器數(shù)據(jù)的收集；另外，GPRS 技術(shù)也具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠在線和按流量計費等優(yōu)。那么，將分布式ZigBee 和GPRS 無線通信技術(shù)應(yīng)用于自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)進行遠程傳輸具有良好的實時性和可靠性，可以實現(xiàn)節(jié)水灌溉裝置的遠程監(jiān)控和自動化調(diào)節(jié)，達到定時定量和精確化灌溉的目的。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于自動化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)束語

綜上所述，農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程是與多方面因素相關(guān)聯(lián)的，并且基于推進我國農(nóng)業(yè)機械化水準的基礎(chǔ)上，農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程還需要積極與信息化工具相聯(lián)系。那么，一方面通過利用水權(quán)水價改革倒逼機制，可以從水利灌溉工程的用戶主體上解決購水供水問題，同時可以提高溫室大棚農(nóng)業(yè)種植的普及程度。另一方面，通過利用農(nóng)田節(jié)水灌溉自動化技術(shù)，可以將傳統(tǒng)農(nóng)田節(jié)水灌溉工程的方向轉(zhuǎn)向高效智能化和信息化水利灌溉方向，這既滿足國家提倡農(nóng)業(yè)機械化的要求，也可以提高農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程的使用效率和管理效率，從而促進農(nóng)田高效節(jié)水灌溉工程的持續(xù)健康發(fā)展，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)，保證國家糧食安全。