河西地区恒压变量与恒量变压节水灌溉方案设计及效益对比分析

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(1.甘肃省临泽县水务局，甘肃 临泽 734200；2.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

1 研究目标、方法、技术路线

项目针对河西地区分散应用的滴灌、喷灌、管灌等高效节水技术不能联合运行，导致工程投资重复的难题，将三种灌溉方式与变频技术进行组装配套，按照“恒压变量”和“恒量变压”两套方案，运用自动化控制系统，在大田作物、经济作物上进行试验，以作物增产增收、节水节能为目的，提出适合河西主要粮食作物、经济作物的高效混合灌溉试验方案，组成高效混合灌溉自动化控制系统，建立新的节水农业高效生产体系，完成高效节水农业向精准节水农业的转变，达到节能节水的目的。

项目以作物增产、降低工程投资为目的，针对河西地区主要作物分别按“恒压变量”和“恒量变压”两套高效混合灌溉技术方案进行试验，比较其增产、节水节能效果。同时在试验过程中应用电磁阀、超声波流量计等自动化控制系统进行水量控制，提高灌溉水利用效率。

2 试验区概况

项目试验研究区地处于绿洲和腾格里沙漠交界地带，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥，降水稀少，蒸发量大，风沙多，自然灾害频繁。多年平均气温7.8 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均湿度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，年日照时数3 028 h，光热资源丰富，≥0 ℃积温3 550 ℃，≥10 ℃积温3 145 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm。试验区土质0～60 cm为黏壤土，60 cm以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54 g/cm3[1]。

试验基地属红崖山灌区，为典型的井河混灌区。区域内地下水水质良好，适合作物灌溉。

研究试验区占地13亩，其中喷灌4亩，滴灌5亩，管灌4亩。埋设φ110PVC(1.0 MPa)干管0.11 km，φ110PVC(1.0 MPa)支管0.23 km，在支管上安装间距为20 m的出地管并配套给水栓，整个试验小区共安装出地管12根、配套给水栓12个，使田间的灌溉系统分为12个灌水单元。每一个灌水单元，可直接进行管灌方式的地面灌溉，也可从给水栓接引移动式铝合金支管、喷杆、喷头进行喷灌，或者从给水栓接引移动式PE支管、毛管和滴头进行滴灌。喷、滴、管灌采用同一主管系统输水灌溉。

地面铺设的喷灌系统管径为50 mm，竖杆高度1.2 m，管径33 mm，是镀锌铁管。ZY1型喷头成18 m×18 m的正方形布置，流量为6.0 m3/h，工作压力0.30 MPa；地面铺设的滴灌系统干管管径为25 mm的PE管，支管管径为20 mm的PE管，毛管管径为16 mm，滴头为迷宫式滴头，流量2.0 L/h，工作压力0.2 MPa。毛灌间距根据作物的不同而变化，其中棉花0.60 m，玉米0.40 m，葵花0.40 m。

机井位于试验区北面，井深100 m，地下水位31 m。井内安装型号为250QJ80-80/4的潜水泵一台，流量80 m3/h，扬程80 m，效率73%；配套YQS00-30型电机一台，额定功率30 kw，额定转速2 875 r/min，功率因数0.82，效率80%，额定电压380 V，额定电流50 A。

2011年、2012年，试验区根据生产研究需要，每年种植13亩，其中：喷灌葵花4亩，滴灌棉花5亩，管灌玉米4亩。

3 试验方案设计

3.1 井灌区管道灌溉系统优化方案

将甘肃河西走廊正在分散应用的管灌、喷灌、滴灌等单项节水灌溉技术进行科学组装，与核心成熟技术-变频调速技术配套后形成“高效混合灌溉系统”。总体运行方案为：田间喷、滴、管各灌溉系统分时段轮流运行，变频器按对应参数控制水泵转速。

变频器与不同灌溉方式对应的设计参数(Q喷、Q滴、Q管和H喷、H滴、H管)是通过灌溉系统的工程设计结果提供的，不同的灌溉方式要求不同的水泵转速，不同的水泵转速要求不同的输入主频率。实际运行时，主频率由变频器通信界面进行人工输入。

按灌溉系统设计参数与变频器控制方式，系统运行方案设计为恒压变量和恒量变压两种研究方案。

3.1.1 恒压变量方案

恒压变量方案是水泵在运行过程中，压力传感器将压力检测点(水泵出口处)的压力信号传送给变频器。如果压力检测点的压力低于设定压力，变频器将提高输入水泵机组的电源频率，从而提高水泵转速，使压力检测点，即整个管网的压力得以提升，此时，水泵出水量将相应增大；反之，当压力检测点的压力高于设定压力时，变频器将降低输入水泵机组的电源频率，从而降低水泵转速，使压力检测点，即整个管网的压力下降，此时，水泵出水量将相应减小。这样，水泵转速的提高与降低完全取决于管网的压力与设定压力的比较结果，通过对水泵转速的调整使压力检测点的压力保持恒定(等于压力设定值)，而出水量则发生相应变化[2]。恒压变量变频调速混合灌溉系统方案设计组装配套如图1所示。

图1 恒压变量、恒量变压变频调速混合灌溉系统

3.1.2 恒量变压方案

恒量变压方案是水泵在运行过程中，流量传感器将流量检测点(水泵出口处)的流量信号传送给变频器。如果流量检测点的流量低于设定流量，变频器将提高输入水泵机组的电源频率，从而提高水泵转速，使流量检测点，即整个管网的流量得以提升，此时，水泵出水量将相应增大；反之，当流量检测点的流量高于设定流量时，变频器将降低输入水泵机组的电源频率，从而降低水泵转速，使流量检测点，即整个管网的流量下降，此时，水泵出水量将相应减小。这样，水泵转速的提高与降低完全取决于管网的流量与设定流量的比较结果，通过对水泵转速的调整使流量检测点的流量保持恒定(等于流量设定值)，而压力则发生相应变化[2]。恒量变压变频调速混合灌溉系统方案设计组装配套如图1所示(用图虚线框中的流量传感器置换压力传感器，其他设备不变)。

3.2 自动化控制技术方案

在管道灌溉系统优化方案的基础上，辅助以成熟的自动化控制技术，形成高效混合灌溉自动化控制系统，提高田间灌溉的精准度和信息化度。

自动化控制系统技术方案：改进原有的富士公司生产的FRN22G11S-4型变频柜(功率22 kw，额定电压380～480 V，允许波动范围+10%～-15%，频率50/60 Hz，允许波动范围±5%，加、减速时间均为0.01～3 600 s)，使其从单一的“恒压”控制改进为“恒压”、“恒量”双向控制水泵电机转速，达到控制供水流量的目的；利用大连索尼卡(LIANKESONIC)公司生产的FV4018型超声波流量计精准计量管道输水流量；利用土壤墒情GPRS远程自动监测系统，在电脑上遥控电磁阀的开关，同时实时监测土壤温度、湿度及相关气象因子，实现信息化远程控制。

3.3 高效混合灌溉自动化控制系统

将井灌区管道灌溉系统优化方案——高效混合灌溉系统与成熟的自动化控制系统技术相结合，得到高效混合灌溉自动化控制系统，实现高效节水技术与自动化控制技术的完美结合，通过在农业精准用水领域的推广应用，为以后从高效灌溉农业向精准灌溉农业的发展提供具有可操作性的基础条件。

4 实际节能分析

2011年、2012年试验站进行了恒压变量、恒量变压方案的试验，并观测变频设备运行状况，记录各种灌水方式的耗能情况并与未变频时(2010年)相比较，分析其节能情况。

4.1 恒压变量方案节能效果评价

恒压变量方案节能情况详见表1、表2。

表1 恒压变量方案运行情况

表2 恒压变量工程年节能效益表

由表1、表2可知，恒压变量方案年总节电量580.26 kw·h，节电效率24.57%，亩均节电量44.64 kw·h/亩，亩均节电效益22.32元/亩，若推广1万亩，每年节电效益可达到22.32万元。

4.2 恒量变压方案节能效果评价

恒量变压方案节能情况详见表3、表4。

表3 恒量变压方案运行情况

表4 恒量变压工程年节能效益

由上表3、表4可知，恒量变压方案年总节电量713.46 kw·h，节电效率27.44%，亩均节电量54.88 kw·h/亩，亩均节电效益27.44元/亩，若推广1万亩，每年节电效益可达到27.44万元。

4.3 节能效果评价

根据两年节能效果监测可知，恒压变量、恒量变压两种方案年节电量分别达到580.26 kw·h和713.46 kw·h，分别有290.13元和356.73元的年节电效益。亩均节电量分别为44.64 kw·h/亩、54.88 kw·h/亩，节电效率分别为24.57%、30.21%，亩均节电效益分别为22.32元/亩、27.44元/亩。若推广1万亩，年节电效益可分别达到22.32万元和27.44万元。同时可看出，变频调速技术节电主要体现在管灌这一灌溉方式，并且恒量变压方案的年节电量和年节电效益均大于恒压变量方案，与理论分析结果相符合。

5 效益分析及方案比较结论

5.1 效益分析

本项目是在当前喷灌、滴灌、管灌等高效节水技术的基础上，进行系统组合配套，解决高效灌水与种植结构调整之间的矛盾，改善加压设备和灌溉设备的工作条件、延长水泵及喷、滴、管灌系统的使用寿命，达到节能降耗、节水高效的目的。根据项目的系统设计、运行方式及运行效果，项目效益主要体现在节能降耗、节水高效及作物增产三个方面。

5.1.1 恒压变量方案经济效益分析

根据项目总体任务安排，2011年在试验站开展恒压变量方案试验，种植喷灌葵花4亩，滴灌棉花5亩，管灌玉米4亩，共13亩。恒压变量方案作物增产效益详见表5。由表5可知，亩均增产效益260元/亩。

表5 恒压变量作物增产效益

恒压变量方案作物节水效益详见表6。由表6可知，恒压变量试验方案节水效益12.75元/亩。

表6 恒压变量作物节水效益

项目经济效益主要体现在作物增产效益、节水效益、节能效益三个方面。经计算，恒压变量方案经济效益为370.01元/亩，若推广1万亩，年效益可达370.01万元(表7)。

表7 恒压变量方案经济效益

5.1.2 恒量变压方案经济效益分析

根据项目总体任务安排，2012年在试验站开展恒量变压方案试验，种植喷灌葵花4亩，滴灌棉花5亩，管灌玉米4亩，共13亩。恒量变压方案作物增产效益详见表8。由表8可知，恒量变压方案亩均增产效益270元/亩。

表8 恒量变压作物增产效益

恒量变压方案作物节水效益详见表9。由表9可知，恒量变压试验方案节水效益12.75元/亩。

表9 恒量变压作物节水效益

项目经济效益主要体现在作物增产效益、节水效益、节能效益三个方面。经计算，恒量变压方案经济效益为373.90元/亩，若推广1万亩，年效益可达373.90万元(表10)。

5.2 方案比较结论

项目经济效益主要体现在作物增产效益、节水效益、节能效益三个方面，由表7(370.01元/亩)、表10(373.90元/亩)可知，恒量变压方案总效益较恒压变量方案多3.89元/亩。若推广1万亩，恒量变压方案总效益较恒压变量方案多3.89万元/万亩年。

表10 恒量变压方案经济效益