貴州修文水資源供需平衡及自動化灌溉建設(shè)研究

付 杰

(貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

為了促進農(nóng)業(yè)發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉工程建設(shè)是一個必不可少的內(nèi)容。隨著經(jīng)濟、科技發(fā)展，自動化灌溉系統(tǒng)已經(jīng)成為可能。目前，我國已有多個地區(qū)進行了自動化灌溉系統(tǒng)建設(shè)，如：新疆、遼寧、黑龍江等。自動化灌溉系統(tǒng)建設(shè)大大提高了灌溉水利用率，節(jié)約了人力成本，具有十分重要的意義。水資源是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的另一個因素，分析當?shù)厮Y源供需平衡結(jié)果，可為灌區(qū)引水工程建設(shè)提供參考，是灌溉工程建設(shè)過程中比不可少的工作內(nèi)容[1-3]。

1 工程概況

試點區(qū)水源為爛泥溝水庫，水泥庫位于烏江水系平寨河上游，集雨面積4.5 km2，多年平均徑流量247萬m3，多年平均流量0.8m3/s，實測最枯流量0.08 m3/s?！八室惑w”自動化灌溉系統(tǒng)的工程布局為：利用紅星灌區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)中7號水池控制的21.33hm2獼猴桃灌面作為試點區(qū)，在試點區(qū)內(nèi)布置滴灌管，并采用國內(nèi)先進的自動化控制設(shè)施，實現(xiàn)試點區(qū)的“水肥一體”自動化灌溉。

2 水資源供需平衡分析

2.1 可供水量分析

項目區(qū)噴灌區(qū)灌溉保證率取90%，低壓管灌區(qū)設(shè)計保證率取80%，滴灌區(qū)灌溉保證率取90%，根據(jù)計算，項目區(qū)各片區(qū)水量見下表1。

圖1 試點區(qū)概況

表1 項目區(qū)可供水量成果表

2.2 需水量分析

紅星灌區(qū)灌溉面積300hm2，采取滴灌灌水方式。擬規(guī)劃種植獼猴桃，灌溉保證率取90%。采用定額法計算得項目區(qū)灌溉總需水量為27.50萬m3，各月份灌溉需水量見圖2。

人均綜合用水定額按80L/人·天計算，水量利用系數(shù)取0.95(=管道輸水利用系數(shù)0.95)。計算得:所涉區(qū)域年生活需水量為12.56萬m3,年供水量為13.22萬m3。

貴州省修文縣2012年度小型農(nóng)田水利重點縣建設(shè)實施方案涉及谷堡鄉(xiāng)和龍場鎮(zhèn)共2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，按照水源和各片區(qū)灌區(qū)及人飲分布進行水量平衡計算，根據(jù)每個水源灌溉的項目區(qū)面積以及供水人口，對各片區(qū)進行了分析計算。經(jīng)計算，各項目區(qū)的水量均能滿足灌溉及生活需要。

圖2 各月灌溉需水量

3 自動化灌溉工程建設(shè)

3.1 “水肥一體”工程建設(shè)

3.1.1 微灌工程

擬在21.33hm2試點區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)首部配套水肥設(shè)施，在田間鋪設(shè)微灌施肥用滴灌管。滴灌管擬采用直徑20mm，流量3.5L/h，間距50cm，壁厚1.0mm的以色列進口壓力補償?shù)喂喙堋Ｔ摰喂喙芫哂谐隽髁烤鶆?、使用年限長、鋪設(shè)距離長等優(yōu)點。

圖3 補償?shù)喂喙?/p>

3.1.2 “水肥一體”化工程

水肥一體化工程的核心是自動灌溉施肥機，見圖4。該機器配備可編程控制器和監(jiān)控設(shè)備。其可編程控制器為自動灌溉控制軟件開發(fā)提供了平臺，實現(xiàn)專家級灌溉、施肥控制。該機器可根據(jù)用戶需求，設(shè)置灌溉、施肥程序，通過機器上的肥料泵可將作物所需養(yǎng)分和灌溉水注入灌溉管內(nèi)，實現(xiàn)灌溉、施肥一體化作業(yè)，可提高水肥利用效率。利用計算機程序控制灌溉和施肥，可根據(jù)作物需求，精準施肥、灌溉，同時，機器灌溉流量、壓力適應(yīng)范圍大，可在多種環(huán)境中使用。水肥一體化工程安裝示意圖見圖5。

圖4 自動施肥機

圖5 水肥一體化安裝示意圖

3.2 自動化工程設(shè)計

3.2.1 灌溉遠程控制系統(tǒng)

灌溉控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容是現(xiàn)場閘閥井控制系統(tǒng)。閘閥井安裝在支管的分水處，21.33hm2試點工程共設(shè)置6個閘閥井。遠程灌溉系統(tǒng)由：監(jiān)控管理、現(xiàn)場控制多級控制方案，其中檢測管理級位于展示廳，現(xiàn)場控制級位于灌溉區(qū)。在灌溉區(qū)現(xiàn)場設(shè)置18個不同尺寸的電磁閥，可實現(xiàn)不同灌溉方式的自動灌溉。

布置在試點區(qū)的6個現(xiàn)場控制級，通過支管對片區(qū)控制進行控制，可實現(xiàn)根據(jù)作物需水狀況自適應(yīng)灌溉的功能。

3.2.2 泵房水池控制系統(tǒng)

水泵房控制級主要由各種傳感器和水泵控制器等組成，具有水位監(jiān)測、報警、控制水泵啟停和轉(zhuǎn)速等功能，從而實現(xiàn)根據(jù)水位變化控制灌溉啟停，根據(jù)作物需水量控制進、出水量等功能，可在無人的情況下實現(xiàn)自動化管理。基本原理如下：利用液位傳感器實時監(jiān)測水位，利用壓力傳感器控制灌溉流量，采用PID與模糊算法相結(jié)合的控制算法，實現(xiàn)泵房、水池、水處理的自適應(yīng)控制功能。

圖6 1#支管現(xiàn)場控制級組成圖

圖7 高位水池液位控制系統(tǒng)原理圖

3.2.3 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

修文縣農(nóng)業(yè)示范區(qū)區(qū)域大，布線難度高，采用無線網(wǎng)傳輸視頻，同時可滿足園區(qū)高效管理的需求。通過遠程視頻監(jiān)控可保護園區(qū)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)資料的安全，同時也可了解操作人員工作的規(guī)范性；也可對外展示植被生長、管理情況，展現(xiàn)食品安全性。

圖8 視頻監(jiān)控效果示意圖

3.2.4 遠程氣象監(jiān)控系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)氣象對農(nóng)作物生長的影響極大。農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的影響范圍極大，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的極大威脅。實時監(jiān)控農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)，對災(zāi)害等級進行劃分可為園區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供重要保障。氣象站是遠程氣象監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，利用各種傳感器可收集溫度、風(fēng)俗、氣壓、壤情、雨量等信息，利用多種通信方式實現(xiàn)與氣象中心計算機的數(shù)據(jù)共享，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行分析。

3.2.5 中心管理系統(tǒng)

中心管理系統(tǒng)軟件可實時查看各項信息，如：壤情、氣溫、水位等情況。通過監(jiān)控管理實現(xiàn)對各控制級的遠程控制，結(jié)合修文農(nóng)業(yè)示范園區(qū)以及農(nóng)作物種類設(shè)置不同的控制、報警參數(shù)，利用現(xiàn)場級的電磁控制閥，根據(jù)預(yù)設(shè)的要求，按時按量對農(nóng)作物進行灌溉，同時可將灌溉信息上傳至數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)分析可實現(xiàn)預(yù)警預(yù)報功能。

通信方式：監(jiān)控管理級和現(xiàn)場控制級(分站+擴展模塊)之間采用GPRS無線通信方式。監(jiān)控管理級需接入Internet，可實現(xiàn)管理用房和網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控。現(xiàn)場控制級的分站和擴展模塊、傳感器和電磁閥與現(xiàn)場控制級之間采用RVVP6*1.0線纜，并外穿dn50的PE管材與土建部分一起埋入土層。

圖9 管理房中心管理實時畫面

4 結(jié) 語

通過水資源供需平衡分析，修文縣農(nóng)業(yè)示范區(qū)用水可由爛泥溝水庫供給，無需從區(qū)外引水。為了提高園區(qū)管理水平，采用微灌技術(shù)，建設(shè)“水肥一體”自動化灌溉系統(tǒng)，通過計算機軟件實現(xiàn)對各種傳感器收集數(shù)據(jù)的分析，采用PID與模糊算法控制水泵啟停、預(yù)報預(yù)警，實時監(jiān)控作物生長情況，利用科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可解放生產(chǎn)力，提高水資源利用效率和肥效。