新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用

摘要 ? ?滴灌是我國尤其是干旱區(qū)新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉的主要模式，隨著滴灌技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用及提質(zhì)增效的要求，大力發(fā)展應(yīng)用滴灌自動化技術(shù)提升灌溉運(yùn)行管理水平顯得十分迫切。針對目前國內(nèi)滴灌自動化灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一的終端控制閥在田間應(yīng)用過程中存在對灌溉水質(zhì)和雜物處理運(yùn)行能力不足等問題，研發(fā)出了基于互聯(lián)網(wǎng)的新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)技術(shù)。本文利用這一新型自動化灌溉控制技術(shù)，在新疆博州灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行了為期2年的技術(shù)示范應(yīng)用。結(jié)果表明，①新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)田間終端控制閥有明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，對現(xiàn)有終端控制閥改進(jìn)成為較大口徑的過水通道，解決了灌溉水質(zhì)含沙量較大難處理困境;②具有灌溉系統(tǒng)故障自動檢測推送功能，保障了灌溉系統(tǒng)及時更換部件，提升了灌溉運(yùn)行時效性;③對灌溉系統(tǒng)控制器模塊斷電、太陽能電池、存儲器、電機(jī)及電纜等故障具有診斷檢測推送功能，為自動化灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行管護(hù)提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞 ? ?節(jié)水灌溉;終端控制閥研發(fā);自動化灌溉;技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號 ? ?TP273 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）12-0188-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Application ?of ?New ?Water ?Saving ?Irrigation ?Automation ?Control ?System

GAO Jian-xin

（Xinjiang Institute of Water Resources and Hydropower， Urumqi Xinjiang 830049）

Abstract ? ?Drip irrigation is the main mode of agricultural efficient water saving irrigation in China， especially in the arid area of Xinjiang. With the large-scale application of drip irrigation technology and the requirement of improving quality and efficiency， it is very urgent to develop the application of drip irrigation automation technology to improve the level of irrigation operation and management. In view of the problems of terminal controlvalve， which is one of the key technologies of drip irrigation automation system in China， in the field application process， such as the insufficient ability to deal with irrigation water quality and sundries， a new type of water saving irrigation automation control system technology based on Internet is developed. The results showed that the field terminal control valve of the new type water saving irrigation automation control system had obvious structural advantages. The existing terminal control valve was improved into a large-diameter water passage， which solved the difficult problem of large sediment concentration in irrigation water. It had the function of automatic detection and push of irrigation system faults， which ensured the timely replacement of irrigation system components and improved the timeliness of irrigation operation. It had the function of diagnosis， detection and push of irrigation system controller module power failure， solar cell， memory， motor and cable faults， which provided technical support for the operation and management of automatic irrigation control system.

Key words ? ?water saving irrigation; terminal control valve research and development; automatic irrigation; technical application

以滴灌為主要模式的高效節(jié)水灌溉技術(shù)在新疆的應(yīng)用不斷推進(jìn)，預(yù)計2020年推廣應(yīng)用累計面積達(dá)406.67萬hm2。隨著節(jié)水灌溉“提質(zhì)增效”要求的提出，大力發(fā)展滴灌自動化控制灌溉技術(shù)應(yīng)用提升節(jié)水灌溉自動化管理水平，成為高效農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的重要方向[1-5]。田間終端控制閥是滴灌自動化灌溉應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前引進(jìn)和國內(nèi)生產(chǎn)的電磁閥以及電動閥具有輕便耐用和啟閉功率小等優(yōu)點(diǎn)[6-8]，但由于現(xiàn)狀電磁閥及電動閥對灌溉水質(zhì)潔凈度要求高，以及部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因時常發(fā)生因田間雜物而影響運(yùn)轉(zhuǎn)等問題，從而使自動化灌溉設(shè)施運(yùn)行過程時常發(fā)生導(dǎo)流孔易堵塞、影響啟閉開度而無法調(diào)節(jié)灌溉水量，以及出現(xiàn)田間開啟與關(guān)閉時農(nóng)田作物揚(yáng)花、農(nóng)田防風(fēng)林木柳絮等纖維狀雜物進(jìn)入球狀閥芯與閥體之間接縫影響球狀閥芯在閥體內(nèi)正常轉(zhuǎn)動等[9-11]。針對節(jié)水灌溉自動化系統(tǒng)終端控制閥這一關(guān)鍵技術(shù)問題，對現(xiàn)有PE截止閥進(jìn)行電動改造研發(fā)，形成了電動PE截止閥，將其接入互聯(lián)網(wǎng)，形成了基于互聯(lián)網(wǎng)+新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)的田間終端控制閥，解決了自動化控制系統(tǒng)田間終端控制閥的技術(shù)困境[12]。本技術(shù)研發(fā)成果于2017年在新疆博州水利灌溉試驗(yàn)站田間中試，于2018年在試驗(yàn)站滴灌棉花農(nóng)田進(jìn)行推廣應(yīng)用。本文就新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析，旨在為應(yīng)用推廣提供技術(shù)支撐。

1 ? ?應(yīng)用區(qū)概況

研發(fā)技術(shù)成果中試區(qū)在新疆博州水利灌溉試驗(yàn)站實(shí)施，試驗(yàn)站位于精河縣境內(nèi)，距精河縣城約20 km，東距新疆首府烏魯木齊市425 km。試驗(yàn)站區(qū)承擔(dān)節(jié)水灌溉試驗(yàn)、節(jié)水灌溉技術(shù)示范推廣、土地經(jīng)營等工作。試區(qū)處于新疆天山之北西部境內(nèi)，山勢低矮，山體狹窄，干熱效應(yīng)強(qiáng)烈，光照充足，冬夏冷熱懸殊，干旱少雨、風(fēng)大沙多，平原區(qū)年均氣溫7.4 ℃，最高溫13.7 ℃，最低溫5.3 ℃;極端最高氣溫41.3 ℃，極端最低氣溫-36.4 ℃。年均無霜期171 d，最長為194 d，最短135 d。平原區(qū)年均降水量99.7 mm，降水多集中在春、夏季，達(dá)70.9 mm，占年降水量的71.33%。冬季空氣濕度大，夏季炎熱干燥，平原區(qū)年均蒸發(fā)量1 626.0 mm，其中4—9月蒸發(fā)量1 423.9 mm，占全年的88%。試區(qū)屬典型的大陸性降水稀少蒸發(fā)強(qiáng)烈干旱農(nóng)業(yè)區(qū)。

2 ? ?應(yīng)用區(qū)灌溉主要問題

棉花是試驗(yàn)站大田的主要作物之一，滴灌棉花生長期灌水次數(shù)一般達(dá)到10次以上，灌溉用水時間比較長，灌溉用水為井水抽取，井水中含沙量多達(dá)0.2 kg/m3，經(jīng)過一段時間的灌溉之后，滴灌帶末端常常會被井水?dāng)y帶的泥沙淤滿（圖1），嚴(yán)重影響田間灌溉效果。出現(xiàn)此種情況時，工作人員只有將淤滿泥沙的末端滴灌帶剪斷，拼接新的滴灌帶為作物輸水灌溉。

3 ? ?技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 ? ?田間終端控制閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)田間終端控制閥，突破了傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉自動化終端控制閥思路，在PE截止閥基礎(chǔ)上進(jìn)行電動化改造，并接入新疆節(jié)水灌溉自動化控制平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。首先，電動PE截止閥具有較大口徑過水通道（圖2），即使灌溉水含沙量大，也不會在截止閥過水通道內(nèi)沉積，避免了傳統(tǒng)電磁閥結(jié)構(gòu)易堵塞的狀況。除此之外，目前傳統(tǒng)的其他球形電動閥在關(guān)閉情況下，灌溉水泥沙易沉積在閥體內(nèi)側(cè)表面，球形電動閥啟閉時轉(zhuǎn)動球體，沉積在閥體內(nèi)側(cè)表面泥沙會阻滯球體轉(zhuǎn)動，致使球體無法轉(zhuǎn)動，同時，沉積在閥體內(nèi)側(cè)表面泥沙在球體轉(zhuǎn)動時，會對球體表面造成擦痕，影響球形電動閥封水效果。試驗(yàn)站棉花灌溉2年，灌溉控制36 hm2滴灌棉花，總計灌溉20余輪72個田間終端電動控制閥。應(yīng)用期間沒有出現(xiàn)一次因灌溉水質(zhì)含有泥沙而發(fā)生故障，該節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)電動控制閥，解決了灌溉水質(zhì)含沙量較大影響控制閥運(yùn)行的問題。

3.2 ? ?灌溉運(yùn)行故障檢測推送自動功能

新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)具有運(yùn)行設(shè)備故障自動檢測及故障推送功能，可將系統(tǒng)運(yùn)行中各功能部件出現(xiàn)的故障即時推送至管理人員智能終端處，管理人員根據(jù)智能終端上功能部件故障信息推送提示，及時進(jìn)行更換部件保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，改變了過去出現(xiàn)故障由專業(yè)技術(shù)人員實(shí)地排除的狀況，提高了灌溉系統(tǒng)運(yùn)行管理時效性。2018年5月12日，試驗(yàn)站農(nóng)戶手機(jī)收到灌溉系統(tǒng)推送的田間終端功能部件故障信息“十一號終端1號閥電機(jī)脫銷故障”，意思是電機(jī)與傳導(dǎo)電機(jī)動力驅(qū)動閥體蓋板啟閉的聯(lián)軸器脫離，無法驅(qū)動截止閥運(yùn)行啟閉閥門。農(nóng)戶趕至田間十一號終端處將1號電動閥拆解后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸斷裂，與農(nóng)戶的手機(jī)收到故障信息一致。農(nóng)戶根據(jù)手機(jī)提示及現(xiàn)場檢查情況，采用備用電機(jī)更換故障電機(jī)及時排除了運(yùn)行故障。2018年7月15日，灌溉系統(tǒng)十七號田間終端1號電動閥控制區(qū)域棉花灌溉結(jié)束自動關(guān)閉閥門的過程中，管理該地塊的農(nóng)戶手機(jī)收到了“十七號終端1號閥異物堵塞故障”信息，農(nóng)戶趕至系統(tǒng)十七號田間終端拆解一號電動閥檢查發(fā)現(xiàn)，閥體內(nèi)有一塊PVC碎片，對電動閥封水閥蓋的關(guān)閉形成了阻塞，見圖3。

系統(tǒng)田間終端控制器檢測到該故障后，即將該故障對應(yīng)的代碼0x04通過集中控制器上傳至新疆節(jié)水灌溉自動化控制云平臺，平臺將數(shù)字代碼翻譯成文字信息推送至農(nóng)戶手機(jī)，提示農(nóng)戶十七號終端1號閥閥體內(nèi)有異物堵塞，致使閥門不能正常關(guān)閉，工作管理人員及時準(zhǔn)確方便地解決處理好了這一問題。新型節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)除了能準(zhǔn)確檢測、推送技術(shù)設(shè)備運(yùn)行故障外，還能準(zhǔn)確檢測、推送集中控制器模塊斷電、太陽能充電模塊故障、電池模塊故障、存儲器模塊故障、電機(jī)及電機(jī)線纜等故障，為滴灌自動化灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行管理可持續(xù)應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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