葡萄园自动化节水灌溉系统设计分析

努尔比耶·艾散

(疏附县农业农村局，新疆 喀什 844100)

现代化农业的典型特征大大减少了行业所需劳动力数量，而随着我国城镇化水平提高，农业从业人口显著减少，因此自动化、无人化节水灌溉会成为现代化农业的发展方向。在自动化节水灌溉系统运行过程中，中央控制系统会接收来自田间土壤湿度传感器数据，若数值低于设定值，则控制中心会发出信号给泵房、控制阀门等，启动灌溉系统。整个自动化灌溉下系统就是对传统节水灌溉系统进行了智慧升级。在此，主要选取中央控制系统和水管系统内容进行设计分析[1]。

1 项目区概况

本项目选取新疆喀什市罕库木村一处面积为20hm2的葡萄种植园作为分析对象，该种植园始建于2020年6月，种植的葡萄品种包括：木纳格、绿葡萄、喀拉玉祖姆。该园区配备了较完善的水源井和泵站系统，但灌溉方式还是传统漫灌。不仅水资源浪费严重，而且每灌溉一次就需要耗费300个人工/h(人工费10元/h)，按照最低6次的灌溉需求，仅灌溉一项的人工支出就不低于18000元/a。而自动化节水灌溉系统投资成本在6000元/hm2，本项目总计花费120000元，而且节水效益显著，对比使用人工，预计五年内就能收回成本。

2 设计主要依据参数

2.1 作物耗水强度

节水灌溉只是湿润部分土壤，能都达到精准送水效果，大大减少了水分蒸发量。作物的耗水强度Ea直接决定了灌溉系统需要达到的灌溉能力，其可通过经验公式(1)计算[2]。表1是主要作物耗水强度参考值(以月平均耗水强度峰值为标准)，本项目采用的是滴灌系统，按照6mm/d计算。

表1 不同作物耗水强度参考值 单位：mm/d

(1)

式中：Ge—作物遮阴率，因作物种类、生长阶段而不同；Ec—作物需水量，mm/d。

2.2 土壤湿润比

在计算土壤湿润比时，一般以埋深20cm处为标准，计算该值的目的是确定灌溉定额[3]。不同灌溉方式土壤湿润比P的计算公式也不同，具体如下：

2.2.1单行直线毛管布置

(2)

式中，Dw—土壤水分扩散半径，m；Se—滴头间距，m；SL—毛管间距，m。

2.2.2双行直线毛管布置

(3)

式中，S1—毛管窄间距，m；P1—与S1对应的土壤湿润比；S2—毛管宽间距，m；P2—与S2对应的土壤湿润比；Sr—作物行距，m。

2.2.3微喷头平均布置

(4)

式中，Aw——微喷头有效湿润面积，m2。

该葡萄园设计采用单管双行直线毛管布置形式。不同作物土壤湿润比建议值见表2。

表2 不同作物土壤湿润比建议值 单位：%

根据表2的建议值，本项目确定采用的土壤湿润比为50%。

2.3 灌水定额及时间设计

灌水定额m是灌溉系统设计中最重要的参数，等于补充缺水量所需要的灌溉水深度，参见公式(5)[4]。灌溉系统每天运行时间理论上不得超过20h，但为了保证系统寿命，本项目要求不得超过12h。

m=1000·γ·z·p·(θ1-θ2)

(5)

式中，γ—土壤干容重，g/cm3；z—计划湿润层深度，m(注：大田作物0.3～0.5m，蔬菜0.2～0.3m，果树1.0m)；p—土壤湿润比，%；θ1—适宜含水量上限，%；θ2—适宜含水量下限，%。

3 自动化节水灌溉系统设计

根据该葡萄园区内交通及地形情况，将其分为2个灌溉区，基本情况见表3。接下来对园区自动化节水灌溉系统进行详细设计分析。

表3 2个分区基本布置情况

3.1 控制系统设计

本项目整个灌溉系统的核心就是自动化控制系统，其基本结构如图1所示。该系统主要依赖计算机自动管理功能，真正实现了根据实际需求做到定量、精准灌溉[5]。下面针对该系统主要部分进行设计。

图1 控制系统核心结构示意图

3.1.1数据采集部分设计

该系统数据采集工作由传感器负责。其中湿度传感器埋在土壤深20cm处，本项目采用的湿度传感器型号为“RHD-100”，具体技术参数见表4。

表4 “RHD-100”湿度传感器技术参数

雨量传感器采用型号为“RS-100”光学雨量传感器，具有精度高、反应快、可靠性好、价格贵等特点，但需要定期维护[6]。

3.1.2驱动部分设计

驱动部分主要是起到了开闭电磁阀的功能，接收来自计算机控制的指令。其工作原理是：当电磁阀通上电后，产生吸力将阀门吸起，此时灌溉水顺利通过；断电后阀门关闭，水流被截断。本项目采用的是上海凯利科ZS直动式电磁阀，工作参数完全满足本项目使用。

3.1.3控制部分设计

控制部分硬件是一台电脑，软件通过编写程序来实现对电磁阀的自动控制，包括：电磁阀开闭时间，延续时长，也可以人为实时控制。该软件使用VB语言在Access平台上实现，目前已经有现成的软件系统，而且涉及到商业机密，在此无法将程序语言提供。

3.2 各类水管系统设计

自动化节水灌溉的实现还是需要各类水管系统支持，不管是滴灌还是微喷灌，管路系统设计是否科学合理直接影响了灌溉效果。

（3）数据结果及分析。从表1数据可知，底泥样品pH均值为7.7，为中性偏碱；而在EC方面，其均值为689μS/cm，是正常土壤EC的范围（100～300μS/cm）最大值的2倍多，显示出底泥中存在高浓度的游离离子；NAG-pH均值为8.6，大于产酸阈值5.0，无产酸能力，净产酸NAG为0kg H2SO4/t。在营养情况方面，底泥样品总氮和总磷含量均较低，均为0.4g/kg，分别为缺乏和甚缺乏水平。另外，我们测定了底泥样品总钙和有效钙的含量，其均值分别为115 842mg/kg和96535mg/kg，可以看出底泥样品中总钙和有效钙均非常高。

3.2.1毛管系统设计分析

(1)毛管布置形式设计。本项目区毛管布置形

式为“单管双行直线”，该种布置方式适用于密植作物，经常配合地膜覆盖使用，能有效提高灌溉水利用率，如图2所示。滴灌规格为Φ20mmPE管，滴头间距0.5m，设计工作压力0.1MPa，最大流量6.0L/h。

图2 单管双行毛管布置示意图

(2)毛管灌溉能力复核。毛管的灌溉能力δ至少要达到葡萄最大耗水强度(5.0mm/d)，参见式(6)。经计算得δ=6.0mm/d，满足灌溉需求。

(6)

式中，qs—滴头设计最大流量。

(3)毛管极限长度计算。众所周知，毛管越长，对支管和干管的长度需求减少，且能提高灌溉均匀度，既减少投资又能提高灌溉效果，但由于水压限制，不可能无限增加毛管长度，其极限长度Lm计算参见式(7)[7]。注意：该公式默认坡度为0°，若坡度增加，则极限长度还需减少。

(7)

该15hm2葡萄园基本上都是平坦土地，因此可不考虑坡度影响。经过计算，本项目毛管极限长度为52m，在实际应用时设计该值为50m。

(4)毛管水力计算。水力计算决定了灌溉动力系统选型，毛管进口压力水头H计算参见式(8)，经计算得：H=11.0m。

H=hd+Δh

(8)

Δh=α·k·F·hf

(9)

式中，hd—毛管出口压力水头，m；Δh—毛管总水头损失，m；α—温度修正系数，查表得0.9336；k—局部水头加大系数，取1.15；F—多口系数，查表得0.366；hf—无旁孔出流时水头损失，m。

3.2.2干管、支管系统设计分析

本项目所涉及到的干、支管均采用UPVC管，具体规格见表5。

表5 项目区干管和支管布置情况

经过计算，得出干管水头损失14.0m，支管水头损失0.05m，过程不再赘述。

干管和支管设计的总体原则是“距离最短”，降低材料、施工费用，同时降低沿途水头损失。干管从水源引至田地，所以总长度较大。之后由支管将水分配到各地块，连接毛管，结构如图3所示。

图3 大坝监测状态模拟

图3 管道布置示意图

4 结语

该葡萄园应用了自动化灌溉系统后，每灌溉一次仅耗费10个人工/h，而且无需现场操作，控制计算机便可实现灌溉目标。在葡萄生长全周期内，土壤的湿度均能够保持在适宜范围内，整个生长期间就是由技术人员对系统进行维护了3次，大大简化了灌溉时的劳动强度。但该系统对整个团队的技术要求较高，这也是限制该技术推广发展的主要原因之一。为此，相关部门可以组织技术人员对种植户进行培训。