α 值法自動灌溉系統研究

馮永斌FENG Yong-bin；張興旺ZHANG Xing-wang

（蘭州資源環境職業技術學院，蘭州 730021）

（Lanzhou Resources &Environment Voc-tech College，Lanzhou 730021，China）

1 研究背景與意義

1.1 我國農業灌溉用水現狀 我國是一個嚴重缺水的國家，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，水資源人均占有量將繼續下降，加之水資源污染嚴重、水質惡化的同時，而農業是用水大戶，近年來農業用水約占全國用水總量的62%，部分地區高達90%以上，但是農業用水浪費相當嚴重，灌溉水和自然降水利用率低，農業用水效率不高，區域缺水問題已經顯現出來。

目前，傳統的灌溉模式已不再適合我國國情的發展，農業節水灌溉普及較好，我國有效灌溉面積為9.25 億畝，節水灌溉工程面積4.38 億畝，其中高效節水灌溉工程面積1.87 億畝，雖然節水灌溉發展成效明顯，但總體滯后于現代農業發展和推進農業現代化的需要，缺乏自動化灌溉，仍然存在灌溉水利用率低、田間滲漏量大，灌溉不及時等問題。發展適時灌溉，自動化節水灌溉農業已是國家可持續戰略的重大舉措之一。

1.2 研究的國內外發展趨勢 隨著全球性水資源供需矛盾的日益加劇，特別是發達國家都把發展節水高效農業作為農業可持續發展的重要措施，國外灌溉自動控制系統已逐步趨于成熟、系列化。在國內，近30 年間，農業還是依靠傳統灌溉技術，自動化灌溉未能應用到灌溉工程中。國內在開發灌溉自動控制系統方面處于研制、試用階段。能實際投入應用，且應用較廣的系統還不多見，我國研制自動灌溉系統技術還處在初級階段，任然停留在理論的探討以及小規模的試驗；另外市場上的自動灌溉系統造價高，農戶操作不方便，投資較大，這限制了一定灌區的普及。

1.3 研究的意義與目的 現代自動化灌溉系統與傳統人工灌溉控制系統相比，具有節水、節省人工量等優點，而且可以避免灌溉中的人為因素，所造成的不利影響，能夠準確性操作，利于灌區的科學管理。此外，通過自動灌溉系統可以適時、適量進行灌水，提高農作物產量，同時，也是現代農業發展的需要。本論文研究的目的在于：

①α 值法自動灌溉系統的研究是按照作物土壤適宜含水率為上、下限變化參考值，確定灌溉時間，適時灌溉，提高灌水的及時性。②通過時間控制器，控制灌溉水量，定量灌溉，減少深層滲濾量，提高灌水的利用率，節約水資源，并有效的防止灌溉造成的土壤結構的破壞。③通過利用太陽能對灌溉水加熱，提高土壤溫度，促進作物生長發育。

2 研究內容

該自動灌溉系統是利用在充分灌溉條件下按照某時段內作物需水量ET 和與ET 同時段的水面蒸發量E0 之間的關系式，即：ET=αE0，按照該時段作物土壤適宜含水率為上、下限，通過蒸發皿的水位變化監控土壤含水率變化，調控電動蝶閥適時開關給灌溉區供水，適時灌溉，提高灌水的及時性。如：某地區棉花幼苗期需水模系數α=0.65，棉花幼苗期土壤計劃濕潤層為35cm，土壤適宜含水率為55%～70%（以田間持水率的百分率計），土壤田間持水率為30%（以占土壤體積百分率計），則田間適宜最大含水量為7.35mm，適宜最小含水量為5.8mm，在無降雨的情況下采用適時灌溉，則棉花幼苗期的灌水定額為1.55mm，當蒸發皿（80cm 口徑）水位差為2.38mm，則蒸騰量：ET=αE0=0.65×2.38=1.55mm，此時該地達到適宜最小含水率，水源水箱開始給灌區灌水，灌水量為1.55mm，蒸發皿補給水箱為蒸發皿供水至上立柱點，到下一次再開始灌溉。

3 研究基礎

3.1 理論科學性 傳統的地面灌溉方式是按照土壤田間持水率為上限，作物允許土壤的最小含水率為下限，制定灌溉制度，確定灌水時間，灌溉制度制定后，遇到降雨和氣象條件與設計典型年有變化時，灌水的及時性無法保證。本論文的研究的基礎條件是充分灌溉制度下的灌溉，因為現行的灌溉制度大多是充分灌溉條件下的灌溉制度，這方面的研究資料比較完備。α 值法的自控適時灌溉系統是按照作物土壤適宜含水率為上、下限，通過蒸發皿的水位變化監控土壤含水率變化，調控電動蝶閥適時開關給灌溉區供水，適時灌溉，提高灌水的及時性。這為論文的研究運用奠定了理論科學基礎。

3.2 技術可行性 本論文的理論基礎是用α 值法計算作物需水量，該方法的理論研究、試驗和生產運用都比較成熟，各地區灌溉試驗站有大量的試驗數據，為論文提供了充分的技術保障。在充分灌溉條件下，實現自控適時灌溉，該技術在模型設計中得到體現，并后期應用于試驗田，通過試驗統計說明，此技術能夠使作物在最適宜的土壤水分狀況下，達到豐產、高產的目的，而且該系統具有田間工程簡單，需要的設備少，投資省，技術簡單，操作方便，群眾容易掌握，能耗少，節約水資源，節約灌溉時間，提高灌水利用率，能夠推廣使用是可行的。

3.3 設計思路 大量灌溉試驗資料表明，氣象因素（溫度、日照、濕度、風速等）是影響作物需水量的主要因素，而當地的水面蒸發量又是各種氣象因素綜合影響的結果。

α 值法是作物需水量的直接計算方法，是利用水面蒸發這一參數估算作物需水量，其計算公式為：ET=αE0；

其中：ET——某時段的作物需水量，以水層深度計，mm；E0——與ET 同時段的水面蒸發量，以水層深度計，mm；E0 一般采用80cm 口徑蒸發皿的蒸發值；α——農作物需水模系數，即同時期需水量與水面蒸發量之比值，一般由實驗確定。測定土壤含水率，確定作物某生育期最優含水率的上限值和下限值，計算出在該含水率范圍之間的土壤含水量，即確定了作物的需水量，利用α 值法的計算公式，推算出蒸發皿的蒸發量。

利用蒸發皿的水位變化，適時監控土壤水分變化，在充分灌溉條件下，通過電磁閥等自動裝置，控制灌水時間和灌水量，實現以水面蒸發為參數的自控適時灌溉，使作物在最適宜的生長土壤環境下，達到豐產、高產的目的。

4 系統實施

①系統參數確定。利用灌溉試驗資料，確定作物不同生育期的需水模系數、土壤計劃濕潤層、土壤適宜含水率、土壤田間持水率，計算出作物不同生育期的一次灌溉用水量和蒸發皿的水位變化量。以甘肅省蘭州市城關區某校農水實訓基地試驗田的棉花種植為例。

表1 棉花各生育階段參數表

②灌溉系統制作。通過浮標、自動控制閘閥、時間控制器等設備把灌溉水源、蒸發皿、蒸發皿補充水箱、田間灌溉系統有機的結合起來，組裝成一個完整的灌溉系統。

③田間試驗階段。在完成灌溉水量和灌水系統制作后，在部分實驗田里使用，完成灌溉系統性能測試。

④產品開發利用。通過田間試驗后，完善系統缺陷，逐步進行田間推廣。如果該系統能夠進行大面積的推廣，該系統使用方便、維護簡單、價格低廉、精度較高，具有良好的商品化開發及廣闊的市場應用前景。

5 結語

α 值法自動灌溉系統，農戶可以利用此系統控制大面積的作物灌溉用水，而且在水量充足地區，同樣適用于充分灌溉條件下的畦灌、溝灌和噴灌，在提高水的有效利用率的同時，還能節省人力、物力，操作簡單，造價低，實際應用普及程度高。

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