高标准农田灌溉中滴灌首部自动化控制技术——以隆德县观音中药材种植基地为例

魏玉学

（隆德县观庄水利工作站，宁夏 隆德 756300）

滴灌在我国尤其是在北方地区农业高效节水灌溉中处于主导地位。资料显示，大面积推广应用滴灌技术，能够凸显其最大优势，如改善生态用水，提高水资源利用率，增加农作物质量和产量、节水节肥等［1］。滴灌技术在我国的农业灌溉中发挥出了重要作用，尤其是在调节生态环境用水结构和农业节水增产增效方面。随着滴灌技术在我国大范围的推广和应用，其在推动我国现代化农业生产方式转变的基础上，大大提高了节水灌溉效率。滴灌的首部是自动化控制应用的关键部位，传统的滴灌首部主要通过人为的方式进行操作，造成了随意性大、水肥无法控制、工作效率低下等问题，影响了田间滴灌节水增效和降低成本的初衷。相关资料表明，滴灌自动化控制技术的应用，可使人工管理定额提高近6倍，管理费用降低50%，水、肥灌溉均匀度均提高20%，节水增产5%～20%［2］。滴灌首部自动化技术的实施，能够达到增效降本、节水节肥的效果。下面以宁夏回族自治区隆德县观音中药材种植基地为例，介绍滴灌首部自动化控制技术。

1 滴灌布置情况

隆德县观音中药材种植基地配套的滴灌工程位于隆德县筛子河流域。该工程主要是由滴灌首部系统、输配水管网和田间配套工程组成的高标准梯田整合工程。项目区一共有4个滴灌区，总面积为60 hm2。4个滴灌区中包含1 座过滤器管理房，3 座各100 m3用来减压的蓄水池，1套过滤器（此过滤器是由自动砂石叠片构成），1套注肥系统（包含施肥泵和带搅拌器的溶肥灌），1台变压器（型号为 S9-200/10），1 组高压 T 接，1.5 km 的 10 kV 高压线，0.5 km的380 V低压线。

灌区为自流灌溉，灌区布置在阴洼骨干坝东北侧，控制灌溉面积为60 hm2，工程通过1#主干管在200 m3蓄水池进行取水，经过滤系统过滤以及施肥系统施肥后，1#主干管输水至田间进行自压灌溉，1#主干管为DN315PVC管，总长4.64 km。

田间系统毛管为Φ 16 滴灌带，总长7 522.98 km，平行于作物种植方向布置；分支管为Φ 75PE 管，垂直与毛管布置，总长8.11 km；支管为Φ 110PVC地埋管，平行于支管布置，总长6.19 m；分干管垂直于支管布置，Φ 200PVC管1.07 km，Φ 250PVC管2.18 m。

2 滴灌首部控制系统结构

首部控制系统是整个灌溉系统的中心，其是一个多种设备集中的承担着取水、过滤、注肥和输配水以及关联控制的多功能单元，首部控制器是整个灌溉自动监控系统的核心，能够通过土壤水分传感器测定土壤水分含量来控制灌溉，同时能够对水源、水泵、电机、电气控制柜、过滤器等进行实时控制及运行监测；对首部管网出水口的压力和流量、过滤器的压差、水泵电动机的三相电参数进行实时监测、预警，当系统出现故障时保护水泵、电机、过滤器、管网的设备安全。其主要监控功能如下［3］：控制水泵启停，采集水泵状态，1个控制器控制2台水泵，可单控也可联动双控；对泵出口压力，过滤器出口压力进行检测，判断过滤器前后压差，进行压力异常报警；对变频柜进行监控，包括指令控制变频柜自动运行、停止，监视电控室的电压、电机工作电流等；实现与灌溉云平台的远程通信和人机交互，保证灌溉系统按照设定好的灌溉制度、运行参数安全、可靠运行。首部控制系统结构如图1所示。

图1 首部控制系统结构

首部无线控制网关及云控制平台是整个控制系统的控制核心，首部无线网关实现与云灌溉平台的网络通信。首部平板电脑通过本地INTERNET网络与云平台实现远程通信，将远程平台的轮灌方式下载到本地，并通过网桥和无线网关实现对水泵、阀门、墒情、水位等的采集及控制。无线网关通过WLAN转换器以及485通信方式实现与平板电脑、水泵控制器、水泵采集器、无线墒情及阀控节点的通信。首部控制系统的主要监控设备布置如图2所示。

图2 首部控制系统的主要监控设备布置

3 滴灌首部无线网关技术

首部无线网关是汇聚水泵控制器、无线阀门控制器、无线墒情采集、无线水位采集等智能设备的通信节点，并将这些节点的数据通过GPRS/CDMA 移动互联到互联网云灌溉管理平台，实现灌溉实时监测与控制。无线通信采用自组织低功耗无线网络，发射功率严格控制在50 mW：无线通信要求开阔条件下传输距离700 m，具备与各个采集节点、中继节点通讯功能，支持GPRS、CDMA网络通信；采用GPRS/CDMA/3G等公网无线与无线自组网融合方式［4］。

现场无线具有自组网能力，支持休眠条件下的自动路由功能，控制响应延时小于10 s，无线阀控器和采集器不需要任何现场配置；支持多网关热备份冗余，保证在一个网关失效的情况下，10 min 内由其他网关接管无线节点的通信及控制工作；采用太阳能10 W板及22 AH锂电供电，支持市电供电。无线通信及GPRS（3G）通信值守功耗平均电流小于5 MA。输出可控制两路12 V 直流电源，最大电流1 A。连续阴天电池可以工作30 d以上。

4 滴灌首部水泵控制器技术

水泵无线计量控制设备实现灌溉水泵的远程启动和关闭，实时监测水泵电量、流量和压力等参数，实现用水计量控制和管理功能。水泵无线计量控制设备具有以下功能：内置电能量采集功能，电量参数包括三相电压、电流、功率和电量；支持超声波流量计或远传水表接入，实时计量灌溉流量和用水量；380 V 市电宽范围，缺项条件下设备正常供电，市电断电事件上报；支持安全管理功能，包括井房门、保护外箱门、设备外壳合法操作身份认证；4个压力监测功能，用于出水压力指示和过滤器的效果指示，异常报警，并停泵；支持水位采集和报警功能；无线通信可通过远程GPRS/CDMA 模式或无线自组网模式，与云平台中心连接；保证设备在没有平台条件下可以临时工作，不丢失任何信息；支持断电连续运行90 d；设备能量状态采集；设备故障状态报警［5］。

5 滴灌首部管道压力传感器技术指标

管道压力传感器符合以下技术指标：测量范围为0.0～0.4 MPa、0.0～0.6 MPa、0.0～1.0 MPa、0.0～10.0 MPa等，应根据管道的实际压力情况选择量程范围；精度为±0.5%FS；线性为优于1%FS；长期稳定性为±0.3%FS/a（最大）；零点温度误差为±0.02%FS/℃；满度温度误差为±0.02%FS/℃；管压压力传感器要耐腐蚀，安装防漏水［6］。

6 滴灌首部主要部分自动化功能技术

滴灌首部自动化主要包括泵站（内有动力机、水泵和变配电设备）和施肥系统，主要作用是将水源经过自动加压，然后通过自动化装置加入肥料和农药，经过净化处理后最后经输配管网将水输送到田间［7］。

6.1 对滴灌泵站进行远程集中管理

通过对泵站进行远程集中管理达到对灌溉水利用情况进行监控，达到在灌溉过程中实时统计和监测用水总量的目的，实施取水授权控制，以利于控制灌溉用水总量。通过对滴灌泵站的远程集中管理，实现泵站电压、电流、功耗等数据自动采集，结合统计分析泵站压力、流量、过滤器工作状态等数据，分析田间灌溉模式的合理性，为水资源调度、电力调度提供基础数据［8］。另外，用户可以通过云端（远程服务器），不受空间、时间和设备（支持包括PC机、手机和平板等多种终端）的限制，实现对泵站运行状态的监控，包括对主管、支管道出水口压力进行监测；对主管、支管道出水口流量进行监测；对变频柜进行监控，包括指令控制变频柜自动运行、停止，监视电控室的电压、电机第三方工作电流等。为了能够对机井的水位变化进行实时监测和控制，要利用先进的压力水位传感器来实现，当水位低于设定水位线时会发出报警信息［9］。

6.2 自动化施肥系统

自动化施肥灌溉技术是把施肥和灌溉合二为一的水肥一体化技术，该技术通常是利用地形的自然落差（没有落差的情况下借助配套的压力系统），把肥料（要求肥料一定是液体或者可溶的固体）配兑成一定比例的肥料液，然后通过可以控制的供水和供肥管道将水和肥料液输送到水肥贮存器，使水和肥料液充分融合后，按照不同种类作物的需肥特征、生长规律及土壤养分含量，将融合后的水和肥料液通过田间配套的管道输送到每个滴头，通过自动化地控制滴头而形成定量、定时和均匀的滴灌来浸润农作物的根系，促进农作物良好生长发育［10］。

隆德县观音中药材种植基地一共有4 个滴灌片区，对每个灌区首部泵站和施肥系统进行全自动化设计，从而使其能够按照需要自动开启，这样就能最大限度地减少施肥环节中的人工成本与运行成本［11］。

7 产生的效益分析

滴灌灌溉效益主要由工程实施带来的农业增产效益计算。采用扣除成本法计算，即将有项目与无项目相比新增加的净效益作为滴灌灌溉效益。实施滴灌后的效益见表1。由建设前的传统灌溉到建设后的滴灌灌溉，灌溉年净增效益为201.10万元［12］。

表1 实施滴灌后作物效益表

8 结语

本笔者以隆德县观音中药材种植基地高标准农田灌溉中滴灌为例论述了滴灌首部自动化控制技术，即控制系统结构、无线网关、水泵控制器、管道压力传感器和自动化功能等技术，只有熟练掌握这些技术，才能很好地对滴灌系统进行操作。滴灌技术的普及不但可以降低管理方面的成本，而且可以减少灌溉过程中的用工，是当今有效解决灌溉节水问题的必要措施之一。