淺談一體化集成灌溉系統在農業科研試驗基地中的應用

陳培玉，金榮生

（河南省農業科學院基地管理與服務中心，河南新鄉 453500）

我國水資源短缺，存在分布不均、人均占有量少等問題，農業用水量在總用水量中所占比例為71%左右。節水灌溉工程是將水資源從水源地輸送至作物根系，盡可能減少水量損失，滿足作物全生育期對水資源的需求，提高水的利用率和水分生產率，水利用系數普遍在0.8 以上，節水效果十分明顯，對優化各行業水資源配置具有十分重要的意義［1］。農業科研試驗基地是支撐農業科學試驗的平臺和展示綜合創新能力的窗口，是農業科研第二實驗室［2］。農業科研試驗基地涉及不同作物的研究方向，對灌溉的需求也不盡相同，因此農業試驗基地灌溉系統的選擇既要滿足其個性化、多元化的灌溉需求，又要具有農業節水灌溉模式的示范性。河南現代農業研究開發基地（以下簡稱“基地”）一體化集成灌溉系統，可以較好地滿足這一要求。

1 基地基本情況

1.1 基地概況

基地隸屬于河南省農業科學院，是融農業高新技術研究、現代農業展示、科普教育、產業研發及農業觀光于一體的新型綜合性試驗示范園區，占地383 hm2，分為農業科學試驗、高新技術中試與孵化、現代農業展示3個功能區，其中農業科學試驗區占地156.67 hm2，內有排渠縱橫，外有環渠圍繞，臨近中央湖區，道路通暢，地塊根據14 個專業研究所（中心）不同的農業科學研究和科技產業研發需求，統一劃分，形狀規整，主要開展農作物育種、高產高效栽培、植物營養與保護、種子加工、工廠化育苗、精準農業、節水農業等學科的試驗研究，涉及的農作物包括小麥、大豆、芝麻、玉米、油菜、花生、水稻和棉花等。

1.2 基地自然條件

基地屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，春短風多雨水少，夏季炎熱雨水多，秋高氣爽日照長，冬長寒冷少雨雪。年平均氣溫14.4 ℃，年平均降雨量約為550 mm，年蒸發量為2 034 mm，年平均日照在2 324.5 h左右，平均日照率53.8%，無霜期224 d，最長年份258 d，風向以東北風和西南風較多。地下水資源豐富，南靠黃河，西北接天然文巖渠，東北接王村排渠。10 年平均地下水位為3 m，主要接受大氣降水及黃河側向徑流補給，其動態特征隨季節變化，水位變幅1.0 m 左右。

2 基地一體化集成灌溉系統的構成

2.1 系統整體布局

一體化集成灌溉系統是以一體化集成泵站為基礎，融合管網工程、渠道工程、自動化控制工程，兼容多種灌溉設施及水肥一體化系統的總稱。其中，泵站和管網、自動化控制是整個系統的核心部分。該系統以基地23.33 hm2的中心湖水作為主要灌溉水源，設計湖底高程81.694 m，蓄水量50～70 萬立方米，將中心湖水提升加壓、過濾后，送至管網系統進水口，經過主干管、分干管、支管三級耐壓管道輸送，將水送至田間地頭。各末端用戶可以根據各自需要，聯合微噴、滴灌、噴灌等灌溉形式。

2.2 一體化集成泵站

一體化集成泵站的基礎設施包括水泵、電機、過濾器設備、進出水管道、變頻控制柜和高低壓配電柜等；安全設備包括逆止閥、排氣閥、控制閥、安全閥等；計量設備包括流量計、真空表、壓力表和溫度計等，集成泵站平面示意圖見圖1。

2.2.1 泵的選擇

該系統采用5 臺水泵供水。其中，4 臺長軸深井泵為主泵，型號為300LJC160-11.5，流量均為160 m3，揚程65 m，單臺電機功率37 kW；持壓泵1 臺，型號175QJ10-60/4，功率為4 kW，用于小流量時的管道保壓和用水。采用階梯流量控制，根據用水量的多少，自動控制開啟水泵的臺數，節能省電，還能減少管道運行壓力，提高水泵利用率，降低故障率。

圖1 集成泵站平面示意圖

2.2.2 過濾系統

泵站過濾系統采用兩級過濾，采用8 個Φ1 000 mm的砂石過濾器并聯安裝，作為初級過濾，攔截水中大的顆粒雜質、浮游微生物及藻類。采用過濾精度為120 目的網式自動反沖洗過濾器作為灌溉系統的精過濾，保障灌溉噴頭不被堵塞。

2.2.3 泵站控制柜

采用交流電動機變頻調速技術，由PID（比例-積分-微分控制器）閉環控制，能自動按照系統用水量和設定的壓力調節其供水量，通過PLC（可編程控制器）程序自動控制補泵、退泵等操作，不僅使系統供水壓力恒定，還能達到最理想的節能效果。設定不同的壓力可以滿足不同灌溉方式的需要。泵房控制系統有多項報警保護功能，如水位過低、流量過大、異常超壓、電源錯相、電機過載、壓力傳感器中斷以及過濾器故障等。

2.3 系統管網

該系統保留了基地舊式井灌管網系統，增加高壓管網灌溉系統，供水管采用具有更好的伸縮性和抗沖擊性能的PE 管，主管外徑355～400 mm，支管外徑110～200 mm，分管外徑為50 mm，承壓能力1.6 MPa，整個系統管網長度約40 000 m。灌溉管網系統設計灌溉保證率達到90%，灌溉水利用系數：滴灌不低于0.9，噴灌不低于0.8，小管出流不低于0.9，管灌不低于0.85。

2.4 自動化控制系統

自動化系統主要包括中央計算機、管道電磁閥、田間控制器、解碼器、水肥一體化設備及數據采集和監測設備。中央計算機和ACC（解碼器控制器）田間分控箱采用GPRS（通用分組無線服務技術）手機網絡進行通信，計算機需連接互聯網，分控箱集成了帶有數據業務的移動SIM 卡，控制距離不受地域限制，計算機安裝位置靈活方便，也可實現遠程操作。ACC 田間分控箱之間采用GCBL 通信電纜進行通信，ROAM 遠程遙控器與ACC 田間分控箱的通信采用27 MHz 低頻無線通信，可實現3 km的遙控操作。同時，計算機可以載入項目區當地平面圖，進行圖形操作，實現遠程操控，動態模擬顯示泵站、電磁閥、流量計量等的工作狀態，隨時調取各末端工作情況和歷史數據。

3 系統優勢

3.1 “2+1”水源模式，科研灌溉用水雙保險

“2+1”指湖水、井水兩個水源保障，共用一套管網系統。以湖水等地表水為主，井水為輔，雙水源保障，不誤農時。同時，地表水灌溉是國家提倡的節水灌溉方式，充分利用地表水能夠保證地下水資源可持續利用。與地下水灌溉相比，地表水灌溉不僅能夠節約水資源，富含有機質，還能增強作物抗病蟲害、抗倒伏能力，提高作物品質。

3.2 提高水資源利用率和灌溉效率

該系統采用1.6 MPa PE 管道輸水灌溉可減少滲漏損失和蒸發損失，提高水資源的利用率。同時，較高的管道耐壓能力為灌溉效率的提高提供保障。以滴灌為例，用水量比三面光溝渠減少水損20%～30%，肥水利用率提高20%～40%，可節省工時60 個/hm2［3］。就微噴而言，傳統井灌管網最多能滿足3～5 根微噴管（80 m）同時工作的壓力，而一體化灌溉系統能同時滿足20～30根微噴管正常工作，效率提升近7 倍。

3.3 減少占地，方便管理

該系統管道埋深80 cm，不影響正常耕作，突出地面的噴灌設施緊鄰試驗地邊，減少占用耕地面積，有效提高了作物種植率。每個灌溉終端都設有閥門控制開關，便于對灌溉過程中水量的控制，滿足不同作物用水需求，為農業科研試驗灌溉用水科學化管理創造有利條件。

3.4 兼容能力強

該系統兼容能力強，可以滿足農業科研試驗灌溉需求的多樣化，出水量最高為650 m3·h-1，能同時滿足微噴、大噴灌、滴灌、漫灌、移動式噴灌等多種灌溉模式需求。如小麥在耕作前，需要壓堿壓鹽灌溉時宜用漫灌方式，分檗期宜用微噴方式，灌漿期宜用移動式噴灌方式等。

3.5 拓展性和實用性強

該系統拓展性和實用性強，滿足現代農業試驗基地的展示性、示范性。系統能通過電腦端或手機APP 端遠程控制泵站控制柜、試驗地電動閥、電磁閥，配合試驗地監控系統實現農業灌溉可視自動化管理，建立基地高效灌溉工程與節水技術集成示范區，促進高效灌溉農業的規范化、規模化發展。

4 問題及建議

4.1 系統設施保護問題

田間電動閥長期在閥門井內，線路及控制板容易受潮，造成電機損壞。建議電動閥門控制面板通過加高連接桿高于地面，用控制箱加以保護，利用太陽能提供電動閥電源，減少電線的使用和破損概率。

4.2 湖水過濾問題

湖水中泥沙較多，容易堵塞過濾系統。建議水源前端增加二級過濾沉淀池，減少湖水泥沙含量及雜物，同時加強管理，定期清理沉淀池、過濾器，避免堵塞，影響灌溉。

4.3 壓力設置問題

該系統兼容多種灌溉模式，但不同的灌溉模式所需供水壓力不同，滴灌1～2 Pa、微噴3～4 Pa、噴灌5～7 Pa，需要制定科學灌溉制度，結合總體灌溉系統運行情況，采取輪灌，由基地中心辦公室進行統一調控調度，保證灌溉季節需水量大時能夠有序完成灌水。