南疆自動化滴灌棉花灌溉制度的研究

阿布都卡依木·阿布力米提，趙經華，馬英杰，馬道坤

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2. 中國農業大學信息與電氣工程學院，北京100083)

0 引 言

新疆是水資源極為緊缺的干旱地區，水資源利用效率依然不高，尤其是農業水利用率較低，除了自然蒸發和深層滲漏以外，因灌溉管理等措施的不完善而產生的水量浪費也是主要的原因。常規滴灌系統均采用人工控制球閥進行灌溉，受傳統長期溝灌思維影響,種植戶往往不能嚴格按照設計進行灌溉，經常人為延長灌溉時間和輪灌周期，最終造成棉花滴灌系統運行異常，很難達到預期的節水增產目的[1-4]。

自動化滴灌系統是世界先進國家發展高效農業節水的重要舉措，由于減少了大量的勞動力，同時減少了因人工管理不當而造成的水資源浪費[5-7]。以色列、日本、美國等一些國家都已有自動化滴灌成功的范例。通過采用遙感、墑情監測系統等技術來監測土壤水分變化和作物生長，對灌區實行動態管理，實現用水的自動遙控和自動化用水管理是為了農業水管理的發展趨勢。近幾年來許多學者[8-14]對自動化技術在膜下滴灌棉花上的應用做了研究，闡明了生產中存在問題。可大多都偏于理論為主，缺少用實時數據驗證的案例，因此自動化技術在應用及改善中仍有較多問題。本文以南疆塔河種業滴灌自動化試驗項目為例，采用自動化滴灌措施，在大田棉花地以出地樁為研究單元(灌水小區)，對流量、壓力和土壤墑情進行監測，分析研究符合自動化滴灌技術的有效灌溉制度，以期為當地棉花制定自動化灌溉制度提供數據依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年在新疆阿克蘇地區農一師阿拉爾市塔河種業良繁一場三隊，(北緯40°55′47.49″，東經81°04′52.09″)在智能化滴灌建設示范項目基礎上進行。示范區總面積173 hm2，分為兩個系統，每個系統中有9塊條田(地塊)，一共有18塊條田(地塊)組成，一塊條田(地塊)的面積為約8 hm2。種植作物是棉花，種植模式為一膜一管四行作物(10+66+10)、株距為10 cm，滴頭間距30 cm、毛管間距1.26 m，滴頭流量2.8 L/h，土壤類型沙壤土、沙土為主。在原有的滴灌系統基礎上改造成自動化滴灌系統，改造內容包括滴灌系統首部改造和田間改造。

1.2 試驗設計與方法

本次試驗田塊一共有117個出地樁(灌水小區)，把手控閥門改造并安裝智能化測試設備，一個出地樁所控制的面積是約1 hm2。出地樁的改造包括每一個出地樁上安裝了自動化電磁雙頭閥一臺(簡稱電磁閥，是指一臺電磁閥自帶兩個自動化閥門，能夠控制一個出地樁雙邊的兩條支管)、智能化流量/壓力傳感器一臺，智能化遠程閥門控制器一臺，信號發收器等；田間灌溉控制站(又稱網關)路由五套，每套網關控制相鄰4塊條田。網關布置時將相鄰4塊條田看作成一個控制區，劃對角線確定出單個控制區的中心點，由此點基礎上采用智能化小無線設備和移動式網關進行信號強度的測試，最后制定出信號強度90%以上的點為最佳安裝田間控制站之處及其安裝。同時在一個系統中選擇4塊條田，在每一塊條田內安裝田間自動化墑情監測傳感器，一共安裝20套墑情傳感器，每一套傳感器自帶三個監測探頭，能監測土壤水分和溫度。此傳感器安裝位置是在一臺電磁閥所能夠控制的灌溉面積之內，探頭埋在地膜之下，距離滴灌帶15 cm處，埋深深度10、20、40 cm。這種布置方式便于監測土壤水分和溫度的變化規律及其與灌水量的關系，能夠為自動化滴灌系統制定有效、可靠的灌溉制度提供依據。由田間控制站(網關)控制和接收田間自動化設備的運行及數據傳送、存儲，同時報送到總控制站電腦和平臺，并實時顯示在監控屏幕。

示范試驗區于2015年6月14日澆頭水，灌頭水前一天完成整個系統輸水管道和地面管的排氣、試壓作業。棉花整個生育期平均灌水12次，灌水周期是根據棉花各生育期作物需水量不同，以實時自動監測的土壤墑情(土壤含水率及土壤溫度)為依據，按照當地用戶的種植經驗和類似地區以往的試驗資料調整灌水時間，并非固定式地制定。本文以該系統第一個輪灌組數據為例，對整個項目區自動化監測的水量、壓力及墑情數據進行分析，為今后自動化灌溉提供試驗依據。該輪灌組是同一個系統內由兩條分干管控制的兩塊條田組成，每一條分干管上同時開4個出地樁及其兩邊的支管，共有8個出地樁16條支管同時工作。在系統壓力和田間管網系統正常工作的情況下，該輪灌組每次灌水時間出地樁出水管道壓力統計情況見表1。

因整個系統不是按照設計灌溉制度運行，而是為了方便田間管理和施肥，采用由一家戶承包管理的地塊為一個輪灌組進行灌溉。所以同一個輪灌組各出地樁實際工作壓力不均勻會引起流量不均勻，該輪灌組每次灌水后灌水定額統計情況見表2。

2 結果與分析

在系統運行當中，系統首部壓力是由管理員進行手動調試。系統壓力滿足整個系統經常運行所需要的設計工作壓力，在此前提下對各個出地樁實際水量和管道壓力的變化數據進行比較和分析。并且針對單個片區的流量與同一個條田內同時工作的出地樁流量和壓力的均勻度進行分析。

表1 灌水小區各節點工作壓力統計表 kPa

表2 棉花全生育期灌水定額統計表 m3/hm2

2.1 試驗小區灌水量的分析

按照滴灌系統的設計規范來說，同時工作的每一條支管出水量是相等的。因此滴灌系統運行工作的時候往往被默認為每一出地樁的出水量是一樣的，可是實際運行當中市場出現一些不理想的因素；如系統運行時有毛管脫漏、支管打結之處流水、由出地樁與地面管連接的不結實漏水、不在灌水輪灌組內的其他出水管同時流水和輪灌組的編制不合理等。

目前新疆滴灌技術的發展已經有十多年的歷史，滴灌系統的工況、地面灌的管理、配備和施工監督方面的技術和認識相當成熟。可是因為很多地方種植戶以個體為單位承包管理和種地管地分散的原因，使灌水、施肥和管理不一致，一次輪灌組只灌水一家戶(一塊條田)等客觀情況。所以滴灌系統實際運行當中，經常出現相同時間內只工作一條(一塊條田)或兩條(兩塊條田)分干管工作，并且地里的所有閥門都打開而延長灌水時間和產生灌水量不均勻等情況。以下試驗項目區第一個輪灌組為典型對整個試驗區項目進行分析，見圖1。

圖1 各出地樁灌水時間與灌水定額圖

由圖1可知，同時工作的各個出地樁出水量之間有明顯的差異，這種情況下同一塊地里不同出地樁所控制的作物實際灌水定額就不一樣，就會出現灌溉不均勻、作物長勢不均勻、產量不均勻等現象。

2.2 試驗小區管道壓力分析

各出水管道的水量和管道工作壓力是密切相關，而且管道出水點壓力恰恰是各管道水量均勻分配的主要前提條件之一。對于自動化電磁閥來說出地樁出水壓力不均勻或者過低的話，會引起電磁閥不能經常發揮其作用，甚至出現無法經常工作等情況。所以運行智能化滴管技術之前掌握和控制好各出水點的壓力是極為重要的，該試驗小區每次灌水時候的出水樁的壓力情況如圖2所示。

由圖2 可知，兩條分干管同時工作的情況下，兩條分干管上的各出地樁工作壓力是不均勻的。在大田灌溉中，尤其是用自動化技術進行灌溉的時候，各出水管壓力反映系統輸水管道的工作狀況和水量的分布情況。

2.3 試驗小區灌水量與管道壓力關系

通過針對在每次灌水時間同時進行灌溉的片區里各個出水樁管道壓力與灌水量實時監測的數據進行分析得知，各個出地樁水量與管道壓力的變化有緊密的關系。管道壓力的降低或者出現低壓運行等情況時，在各支管灌水量之間會產生灌水量不均勻等不良現象。灌溉小區每次灌水時出地樁出水量與壓力之間的關系見圖3，灌水均勻度和壓力均勻度關系見圖4。 經過方差分析得知，該灌區滴灌系統各出水點管道壓力相當不均勻，約18%，灌溉均勻度隨著系統管道壓力的不均勻而明顯低，灌區滴灌系統的灌水均勻度為約16%。由此數據可知，本灌區目前明顯的存在滴灌系統低壓不均勻運行情況下進行灌溉。按照常規經驗進行灌溉、憑經驗制定灌溉制度會出現灌溉片區灌水不均勻，相鄰兩個出地樁所灌溉的水量之間也存在差別。因為常規滴灌灌溉制度是柔性的，一旦設施自動化灌溉，這種矛盾就暴露出來。

圖2 各出地樁灌水時間與壓力分布圖

2.4 試驗小區土壤水分與溫度變化趨勢

自動化滴灌運行當中，要按照作物特性來做灌溉預報和制定符合當地條件的灌溉制度，首先除了掌握灌水量和管道系統的運行壓力以外，必須了解土壤持水特性。為了掌握好土壤水分的變化情況，對該實驗小區土壤含水率與土壤溫度的變化做實時監測和分析，見圖5。

圖3 管道壓力與水量均關系圖 圖4 管道壓力與水量均勻度圖

圖5 土壤含水率與溫度變化曲線圖

土壤水分和土壤溫度是作物生長的主要影響因素，土壤水分與溫度的合理控制是供適合生長環境的前提條件。由圖5得知，土壤水分和土壤溫度變化的基本規律，并且含水率與溫度在不同斷層面的變化趨勢，同時可以看出土壤水分與土壤溫度的變化關系。圖5中可以看出該試驗小區土壤含水率的變化范圍為19.6%～33.38%(體積含水率)，土壤溫度變化范圍為17.05～21.63 ℃，土壤含水率和土壤溫度完全符合作物生長所需的必要條件。

2.5 試驗小區灌水量與產量關系

以一個出地樁控制灌溉的小區為單位，對同時工作的各個出地樁所控制灌溉小區的棉花進行測產。測產是按照每個灌溉小區里選定代表性的70株棉花，并且統計有效鈴數，然后以50個有效鈴的平均重量算出單位灌水小區的籽棉產量，單位灌溉小區的灌溉定額與產量統計見表3。

表3 灌水量與產量的關系

由圖6可知，隨著灌水量增加棉花產量呈先增大后降低的趨勢，灌溉定額為7 426 m3/hm2的灌溉小區棉花產量出現最大值6 567.60 kg/hm2。這說明灌水量增加到一定程度后，如果繼續增加灌水量會起到負面作用。

圖6 灌水量與產量關系圖

3 結 語

本文對自動化滴灌示范試驗區實時監測的灌水定額、灌溉定額及土壤墑情數據資料進行分析，得知現有灌區因灌溉輪灌制度不嚴格按照滴灌設計的要求運行，常規滴灌系統仍然存在低壓運行而灌水不均勻的問題，并且相互偏差明顯大。在試驗中監測同時間內各灌水小區的不同灌水量情況下，灌溉定額為7 426 m3/hm2時則產量達到最高值6 567.60 kg/hm2，反而灌水量達到最大值之處產量卻比較低。

目前新疆農業水利建設仍然處于落后狀態，為了提高水資源高效利用率、灌區灌溉均勻度和編制合理的灌溉制度，全面推廣自動化灌溉技術掌握作物需水耗水及土壤墑情變化規律，為將來的智慧農業專家系統提供參考依據。同時要加強對用戶和基層管理員的培訓，提高他們對新技術的理解和利用能力，促進和推廣合理而科學的灌溉農業。

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