自動化滴灌技術在新疆地區的應用與推廣

王春素

（博樂農五師全新勘測設計有限公司 新疆 博樂 833400）

新疆兵團第五師（以下簡稱五師）地處祖國西北邊陲，準噶爾盆地西南緣，承擔著國家賦予的屯墾戍邊的職責。本兵團所在區域遠離海洋，氣候干燥，屬典型的大陸性氣候，年均降水量90mm，年均蒸發量1500mm，擁有的水資源量極為有限，季節性缺水矛盾突顯，嚴重阻礙了五師農業經濟的發展。為解決水土不平衡的矛盾，合理利用水資源，五師從上世紀80年代初期即開始研究、應用、推廣節水灌溉技術，經歷了淹灌(以修防滲渠為節水措施)、噴灌(半固定式加壓噴灌)、滴灌(全固定式膜下滴灌)三個發展過程，發展至今，在節水灌溉技術的運用和推廣方面均頗有心得。截至目前，五師共發展節水灌溉面積63.25萬畝，其中噴灌面積4.15萬畝，滴灌59.1萬畝。

1 節水灌溉技術推廣中存在的問題

隨著節水灌溉技術的發展和農業生產需求的革新，高效節水灌溉技術在實際推廣和應用中發現了一些問題：首先，由于人為因素的影響，科學的灌溉制度在普通模式下的節水灌溉中得不到貫徹執行，影響了灌溉效果；其次，與先進的自動化控制相比，普通模式下的節水灌溉仍需要人為機械重復性操作，才能完成灌溉任務，與精準農業的高標準要求仍存在一定的差距；第三，從資源利用率、勞動生產率、產業化程度等方面考慮，普通模式的節水灌溉技術仍需要進一步改進。

針對以上問題，農五師從2003年開始實驗，實施自動化滴灌工程以改進，但早期因自動化設備落后等原因，實驗結果是失敗的。2013年，五師根據兵團水利局應用節水新技術的工作安排，分別在五師84團、89團和90團利用小型農田水利專項工程資金，實施了近萬畝灌溉自動化試點工作，經過兩年的實際運行，取得了較好的效果。下文以90團自動化滴灌工程為例，詳細介紹改進后的設計。

2 滴灌系統布置

作為滴灌工程的主體，輸配水管網占到整個工程投資的大部分。管網布置就相當于人體的血管，對于整個工程來說至關重要，不僅要達到管路短、投資省、效果好、結構簡單、利于管理操作的要求，還要適應農作物的種植生長需水要求，而且要保證運行安全。管網布置要因地制宜，要考慮地塊形狀、坡度、水源位置，以及作物種植結構、氣候條件等因素。

2.1 地面管布置方式

本次90團小農水項目區4760畝地，現狀都是常規滴灌地（噴滴共用系統），主要種植作物為棉花。對項目區滴灌輪灌方式主要分析三種設計方案：支管+輔管+毛管模式、支管+毛管模式及長短支管+毛管模式。

支管+輔管+毛管模式：一般支管和輔管的直徑分別為 Ф63mm、Ф32mm或Ф75mm、Ф40mm，輔管緊靠支管并與之平行分成若干條，從支管分水，然后再向毛管供水。該輪灌方式水量分散，灌水相對均勻，水頭損失小，輪灌小區劃分均衡，所選水泵功率較低，運行費用少。但因為其地面分布有較多一級輔管，連接件相對較多，易產生漏水、泄壓等現象，開啟輔管球閥的頻次多，操作麻煩，同時輔管上球閥數量多。該方式是項目區當前正在使用的布置方式，效果不佳。

支管+毛管模式：支管直徑一般在Ф90mm～Ф110mm之間，采取毛管直接與支管相連，減少了系統的連接管件，系統的運行管理方便，灌水小區面積可增加到20畝～30畝，但系統的造價高。該模式下地面管材連接件少，僅在增接口處設電磁閥，運行操作方便。但其水量相對集中，水頭損失大，工程建設畝投資高，而且不易做到同一分干管上的支管同時灌溉，不利于化控、噴藥等農業機械化線性操作。

長短支管+毛管模式：采用長短支管進行連接，兩根支管灌水小區面積相當于“支管+毛管”的一半，其在水力學優化設計上兼取了支輔管輪灌的優點，也解決了單支管不易實現的農業機械化線性操作的問題。該方式系統運行管理更為方便，對地下干管要求接近于單支管方式，造價低。但與單支管輪灌相比，每個出地三通處需4個電磁閥，單支管輪灌每個出地三通處需2個電磁閥。

以上支管+毛管模式及長短支管+毛管模式都適合應用滴灌自動控制系統，但是從運用推廣的角度，長短管輪灌更為科學，后期機耕作業、化控、打藥都相對更方便，因此，本項目滴灌地面工程設計方案主要采用長短支管+毛管模式。

2.2 地埋管布置方式

本次項目區均為井水加壓滴灌灌溉方式，共分為5個加壓系統，單個系統控制面積以1000畝左右為宜。

當前項目區為噴滴共用系統，出地三通間距為20m，現狀灌溉方式為輔管輪灌，為了最大程度兼顧當前系統，減少工程投資，本次自動化控制設計考慮兩種方案。一是增加地埋管，采用支管輪灌方式；一是地埋管不動，地面支管采用長短管輪灌方式。具體方案比選如下（以2#系統作為比選典型）：

方案一：新增地埋分干管三條，地面支管管徑de90，支管長度100m，支管間距80m。優點：支管長度短，輸水損失小，支管入口壓力均衡。缺點：管網投資太大，造成不必要的浪費。

方案二：系統地埋管網布置基本不做改動，只是根據配置的水泵流量，合理劃分輪灌組，對現有的地埋管道進行水力復核計算，復核能否滿足系統正常工作，地面支管采用長短管布置方式，支管管徑de110。優點：經濟合理，節約創新，滿足灌溉要求。缺點：支管長，輸水損失相對較大，入口壓力不易均衡。

綜合比較灌溉要求、投資大小等，本設計地埋管布置方式最終選擇方案二。

圖1 管網布置圖

3 自動控制系統設計

本次90團小農水項目區設備配置為：團級管理監控平臺，在系統首部安裝灌溉控制箱（含軟件）、壓力變送器、首部灌溉控制器、超聲波流量計、變頻柜等設備；在各系統田間安裝電磁閥及閥控器。

3.1 團級監控中心

主要負責：①基礎數據的采集和錄入；②統計數據上報；③滴灌首部運行及能效數據的自動采集；④灌溉實時數據采集、統計和查詢；⑤田間信息實時采集、統計和查詢；⑥全團灌溉系統的監測控制；⑦自動化灌溉管理等。

本項目團級監控中心管理用房為現有會議室，其面積及功能可滿足監控中心使用要求，無需新建管理用房。配置1臺服務器、2臺操作站（計算機）、1臺打印機、1套無線收發設備、1套固定IP寬帶接入設備、1套顯示設備。

3.2 首部運行及能效監控

首部運行及能效監控器主要對灌溉用水進行監測，實現全團灌溉用水總量數據自動化實時監測、統計，以利于灌溉用水總量控制。其根據首部電壓、電流、過濾器前后壓差、壓力以及出口流量，結合設備額定參數，計算水泵功效、功率、有功、無功、總功等數據，對能效進行評估，為節能方案的制定提供數據支持，使設備處于最佳能耗狀態。具體包括系統首部設備控制器、超聲波流量計、壓力變送器、電量采集裝置、無線通訊設備。

3.3 田間灌溉控制

以獨立灌溉系統為單位，設置首部灌溉控制器、電磁閥及其閥門狀態反饋傳感器、無線閥控器（一拖四）設備。按照設計輪灌制度，由首部灌溉控制器自動向無線閥控器發送指令，控制閥門開啟和關閉，并將閥門真實工作狀態反饋給首部灌溉控制器，實施自動化灌溉。該系統的主要設備包括：①電磁閥。電磁閥為水力驅動隔膜閥，借管道水壓驅動閥門隔膜動作，實現開關閥。本次項目采用4′脈沖電磁閥。②GSM閥門控制器。閥門控制器以公用的GSM手機網絡為通訊平臺，能夠接收授權設備發來的短信指令，控制電磁閥開關，同時也能向授權設備反饋電磁閥的狀態。GSM閥門控制器采用太陽能供電，一個GSM閥門控制器可控制1～4個電磁閥。

4 結語

自動化滴灌工程在五師試點成功后，棉花籽棉產量較常規滴灌提高20kg/畝，運行成本較同地區常規滴灌降低60元/畝。滴灌灌溉自動控制方式與常規普通滴灌方式相比，具有節省水、肥、省時、節省人工等優點，并可提高灌溉均勻度，有利于灌溉過程的科學管理和先進灌溉技術的推廣。同時，通過自動化灌溉控制，適時、適量地灌水，提高作物產量和管理定額，對環境保護也有一定的作用。灌溉自動控制模式與普通滴灌相比，可杜絕人為因素造成的不能嚴格按照設計輪灌順序、灌水時間執行的現象。

隨著農業現代化進程的加快、農業結構調整，自動控制滴灌灌溉方式可有效降低勞動強度，提高勞動管理定額，改善農業生產條件，提高農業綜合生產效益，農業生產對滴灌自動化技術的要求會越來越迫切。新疆農五師在滴灌自動化技術應用上率先探索，進行了很多有益的嘗試，拋磚引玉，與同行交流探討。陜西水利