葡萄園自動化節水灌溉系統設計分析

努爾比耶·艾散

(疏附縣農業農村局，新疆 喀什 844100)

現代化農業的典型特征大大減少了行業所需勞動力數量，而隨著我國城鎮化水平提高，農業從業人口顯著減少，因此自動化、無人化節水灌溉會成為現代化農業的發展方向。在自動化節水灌溉系統運行過程中，中央控制系統會接收來自田間土壤濕度傳感器數據，若數值低于設定值，則控制中心會發出信號給泵房、控制閥門等，啟動灌溉系統。整個自動化灌溉下系統就是對傳統節水灌溉系統進行了智慧升級。在此，主要選取中央控制系統和水管系統內容進行設計分析[1]。

1 項目區概況

本項目選取新疆喀什市罕庫木村一處面積為20hm2的葡萄種植園作為分析對象，該種植園始建于2020年6月，種植的葡萄品種包括：木納格、綠葡萄、喀拉玉祖姆。該園區配備了較完善的水源井和泵站系統，但灌溉方式還是傳統漫灌。不僅水資源浪費嚴重，而且每灌溉一次就需要耗費300個人工/h(人工費10元/h)，按照最低6次的灌溉需求，僅灌溉一項的人工支出就不低于18000元/a。而自動化節水灌溉系統投資成本在6000元/hm2，本項目總計花費120000元，而且節水效益顯著，對比使用人工，預計五年內就能收回成本。

2 設計主要依據參數

2.1 作物耗水強度

節水灌溉只是濕潤部分土壤，能都達到精準送水效果，大大減少了水分蒸發量。作物的耗水強度Ea直接決定了灌溉系統需要達到的灌溉能力，其可通過經驗公式(1)計算[2]。表1是主要作物耗水強度參考值(以月平均耗水強度峰值為標準)，本項目采用的是滴灌系統，按照6mm/d計算。

表1 不同作物耗水強度參考值 單位：mm/d

(1)

式中：Ge—作物遮陰率，因作物種類、生長階段而不同；Ec—作物需水量，mm/d。

2.2 土壤濕潤比

在計算土壤濕潤比時，一般以埋深20cm處為標準，計算該值的目的是確定灌溉定額[3]。不同灌溉方式土壤濕潤比P的計算公式也不同，具體如下：

2.2.1單行直線毛管布置

(2)

式中，Dw—土壤水分擴散半徑，m；Se—滴頭間距，m；SL—毛管間距，m。

2.2.2雙行直線毛管布置

(3)

式中，S1—毛管窄間距，m；P1—與S1對應的土壤濕潤比；S2—毛管寬間距，m；P2—與S2對應的土壤濕潤比；Sr—作物行距，m。

2.2.3微噴頭平均布置

(4)

式中，Aw——微噴頭有效濕潤面積，m2。

該葡萄園設計采用單管雙行直線毛管布置形式。不同作物土壤濕潤比建議值見表2。

表2 不同作物土壤濕潤比建議值 單位：%

根據表2的建議值，本項目確定采用的土壤濕潤比為50%。

2.3 灌水定額及時間設計

灌水定額m是灌溉系統設計中最重要的參數，等于補充缺水量所需要的灌溉水深度，參見公式(5)[4]。灌溉系統每天運行時間理論上不得超過20h，但為了保證系統壽命，本項目要求不得超過12h。

m=1000·γ·z·p·(θ1-θ2)

(5)

式中，γ—土壤干容重，g/cm3；z—計劃濕潤層深度，m(注：大田作物0.3～0.5m，蔬菜0.2～0.3m，果樹1.0m)；p—土壤濕潤比，%；θ1—適宜含水量上限，%；θ2—適宜含水量下限，%。

3 自動化節水灌溉系統設計

根據該葡萄園區內交通及地形情況，將其分為2個灌溉區，基本情況見表3。接下來對園區自動化節水灌溉系統進行詳細設計分析。

表3 2個分區基本布置情況

3.1 控制系統設計

本項目整個灌溉系統的核心就是自動化控制系統，其基本結構如圖1所示。該系統主要依賴計算機自動管理功能，真正實現了根據實際需求做到定量、精準灌溉[5]。下面針對該系統主要部分進行設計。

圖1 控制系統核心結構示意圖

3.1.1數據采集部分設計

該系統數據采集工作由傳感器負責。其中濕度傳感器埋在土壤深20cm處，本項目采用的濕度傳感器型號為“RHD-100”，具體技術參數見表4。

表4 “RHD-100”濕度傳感器技術參數

雨量傳感器采用型號為“RS-100”光學雨量傳感器，具有精度高、反應快、可靠性好、價格貴等特點，但需要定期維護[6]。

3.1.2驅動部分設計

驅動部分主要是起到了開閉電磁閥的功能，接收來自計算機控制的指令。其工作原理是：當電磁閥通上電后，產生吸力將閥門吸起，此時灌溉水順利通過；斷電后閥門關閉，水流被截斷。本項目采用的是上海凱利科ZS直動式電磁閥，工作參數完全滿足本項目使用。

3.1.3控制部分設計

控制部分硬件是一臺電腦，軟件通過編寫程序來實現對電磁閥的自動控制，包括：電磁閥開閉時間，延續時長，也可以人為實時控制。該軟件使用VB語言在Access平臺上實現，目前已經有現成的軟件系統，而且涉及到商業機密，在此無法將程序語言提供。

3.2 各類水管系統設計

自動化節水灌溉的實現還是需要各類水管系統支持，不管是滴灌還是微噴灌，管路系統設計是否科學合理直接影響了灌溉效果。

（3）數據結果及分析。從表1數據可知，底泥樣品pH均值為7.7，為中性偏堿；而在EC方面，其均值為689μS/cm，是正常土壤EC的范圍（100～300μS/cm）最大值的2倍多，顯示出底泥中存在高濃度的游離離子；NAG-pH均值為8.6，大于產酸閾值5.0，無產酸能力，凈產酸NAG為0kg H2SO4/t。在營養情況方面，底泥樣品總氮和總磷含量均較低，均為0.4g/kg，分別為缺乏和甚缺乏水平。另外，我們測定了底泥樣品總鈣和有效鈣的含量，其均值分別為115 842mg/kg和96535mg/kg，可以看出底泥樣品中總鈣和有效鈣均非常高。

3.2.1毛管系統設計分析

(1)毛管布置形式設計。本項目區毛管布置形

式為“單管雙行直線”，該種布置方式適用于密植作物，經常配合地膜覆蓋使用，能有效提高灌溉水利用率，如圖2所示。滴灌規格為Φ20mmPE管，滴頭間距0.5m，設計工作壓力0.1MPa，最大流量6.0L/h。

圖2 單管雙行毛管布置示意圖

(2)毛管灌溉能力復核。毛管的灌溉能力δ至少要達到葡萄最大耗水強度(5.0mm/d)，參見式(6)。經計算得δ=6.0mm/d，滿足灌溉需求。

(6)

式中，qs—滴頭設計最大流量。

(3)毛管極限長度計算。眾所周知，毛管越長，對支管和干管的長度需求減少，且能提高灌溉均勻度，既減少投資又能提高灌溉效果，但由于水壓限制，不可能無限增加毛管長度，其極限長度Lm計算參見式(7)[7]。注意：該公式默認坡度為0°，若坡度增加，則極限長度還需減少。

(7)

該15hm2葡萄園基本上都是平坦土地，因此可不考慮坡度影響。經過計算，本項目毛管極限長度為52m，在實際應用時設計該值為50m。

(4)毛管水力計算。水力計算決定了灌溉動力系統選型，毛管進口壓力水頭H計算參見式(8)，經計算得：H=11.0m。

H=hd+Δh

(8)

Δh=α·k·F·hf

(9)

式中，hd—毛管出口壓力水頭，m；Δh—毛管總水頭損失，m；α—溫度修正系數，查表得0.9336；k—局部水頭加大系數，取1.15；F—多口系數，查表得0.366；hf—無旁孔出流時水頭損失，m。

3.2.2干管、支管系統設計分析

本項目所涉及到的干、支管均采用UPVC管，具體規格見表5。

表5 項目區干管和支管布置情況

經過計算，得出干管水頭損失14.0m，支管水頭損失0.05m，過程不再贅述。

干管和支管設計的總體原則是“距離最短”，降低材料、施工費用，同時降低沿途水頭損失。干管從水源引至田地，所以總長度較大。之后由支管將水分配到各地塊，連接毛管，結構如圖3所示。

圖3 大壩監測狀態模擬

圖3 管道布置示意圖

4 結語

該葡萄園應用了自動化灌溉系統后，每灌溉一次僅耗費10個人工/h，而且無需現場操作，控制計算機便可實現灌溉目標。在葡萄生長全周期內，土壤的濕度均能夠保持在適宜范圍內，整個生長期間就是由技術人員對系統進行維護了3次，大大簡化了灌溉時的勞動強度。但該系統對整個團隊的技術要求較高，這也是限制該技術推廣發展的主要原因之一。為此，相關部門可以組織技術人員對種植戶進行培訓。