农场滴灌自动化设施构建可行性分析

　　摘    要：　为实现芳草湖农场节水滴灌自动化, 满足干旱半干旱地区发展高效节水农业设施的要求, 以芳草湖农场滴灌自动化设施建设为例, 从建设范围、规模、尤其是各阶段工程方案的比选角度进行系统研究。结果表明, 在该地区开展节水滴灌自动化设施建设是可行的, 同时也对相似地区开展此类项目具有一定的借鉴意义。

　　关键词：　节水滴灌; 自动化; 芳草湖农场;

　　Abstract：　In order to realize the automation of drip irrigation in Fangcaohu Farm Festival and meet the requirements of developing high-efficiency water-saving agricultural facilities in arid and semi-arid areas, take the construction of drip irrigation automation facilities in Fangcaohu Farm as an example, from the scope of construction, scale, and especially the engineering schemes of each stage.Systematic research based on comparison angles.The results show that it is feasible to carry out the construction of drip irrigation automation facilities in this area, and it also has certain reference significance for similar projects in similar areas.

　　Keyword：　saving drip irrigation system; automation; Fangcaohu Farm;

　　1 项目区自然条件及背景

　　1.1 自然条件

　　芳草湖农场位于新疆维吾尔自治区呼图壁县境内, 是大片的河漫滩平原, 地势平坦, 呈不规则的长方形, 占地约141.96万亩。地势东南高西北低, 地形较为平坦。农场位于中纬度西风带, 大陆性气候十分明显。项目区丹板社区土壤主要为灰漠土, 农业方面主要受霜冻、冻害、旱灾、风灾等自然灾害的破坏。

　　1.2 项目区背景

　　芳草湖农场耕地面积为41.03万亩, 截至目前已建成节水滴灌面积35.7万亩、农场远程信息管理中心一座。经过近几年的运行, 滴灌自动化系统大大降低了人力劳动强度, 节约水资源效果明显, 系统运行良好, 受到广泛认可。

　　2 项目区现状

　　2.1 水资源及水源情况

　　芳草湖农场地表水资源主要来自呼图壁河、引额济乌工程和玛纳斯河, 年均场口引水量约为1.68亿m3;地下水主要来源于冲积平原下游河道、渠系渗漏及过量灌溉水补给, 年提取量约4200万m3。芳草湖农场主要蓄水工程包括大海子水库、东河水库及鹰湖水库, 目前工况良好, 不存在工程隐患。

　　2.2 农田水利设施现状

　　芳草湖农场现主要有干、支、斗三级渠道, 渠系总长637.33km, 其中已防渗475.35km, 完好程度56.67%。项目区丹坂社区有效灌溉面积7.8万亩, 现有节水滴灌面积6.8万亩, 地面灌溉面积1.0万亩。

　　3 工程建设内容

　　3.1 建设范围及规模

　　综合考虑项目分年实施计划结合农场实际情况, 本次将丹坂社区1连、3连和5连的6个地块选定为项目区, 项目区面积6 700亩。单个系统控灌面积680―1 500亩, 本工程等别为Ⅴ等, 工程规模为小 (2) 型, 主、次要建筑物级别5级。滴灌工程设计保证率不应低于90%。本次工程灌溉保证率按90%计算。

　　3.2 工程布局

　　本次项目共建设6个地块的滴灌及滴灌自动化系统, 总面积为6 700亩。工程建设以提高水资源利用效率和生产效益, 推进小型农田水利工程建设为目标。目前项目区地块渠、林、路配套完善, 农田格局成型, 本次工程为建设节水滴灌和滴灌自动化, 不改变农田格局, 只改变田间灌水方式。

　　3.3 主要建设内容

　　本次工程新建滴灌及滴灌自动化系统6个, 控灌面积6 700亩。新建滴灌系统配套地埋管道31492m, 配套地面PE管41 541m, 沉淀池、蓄水池、泵房各6座, 配套首部设备6套;并配套滴灌自动化设备6套。

　　4 设计方案比选

　　4.1 滴灌带

　　目前比较常用的灌水器 (滴灌带) 有单翼迷宫式滴灌带、压力补偿式滴灌带、内镶式滴灌带。

　　其中, 单翼迷宫式滴灌带对泥沙处理要求最低、堵塞敏感性较高, 单米造价最低, 使用年限为1年, 较适用于棉花、小麦等大田作物;压力补偿式滴灌带工作压力及范围最宽、流量对压力不敏感、对水温的变化不敏感, 但其对泥沙处理要求最高、单米造价最高, 并且使用年限可达5年, 较适用于树木、经济林灌溉;内镶式滴灌带各项指标介于两者之间。经比较本次项目区内棉花滴灌使用内镶式滴灌带, 葡萄滴灌使用单翼迷宫式滴灌带。

　　4.2 输配水管道管材

　　PE管耐腐蚀、水流阻力小、节约能源、安装简便迅速、抗伸缩率大, 拉伸断裂强度大, 抗冻性能较好, 缺点是大口径管造价高。PVC管优点是重量轻、不结垢, 输水能力强, 安装简便迅速;缺点是抗冻性能较差, 易脆裂、耐腐蚀性较弱, 对土质要求较高。

　　PE管使用年限较PVC管长, 柔韧性、抗冻性能较好, 结合芳草湖农场滴灌多年运行经验, 本次工程选择PE管作为滴灌地埋管道。

　　4.3 轮灌方式

　　滴灌系统的管材均选用轻质高强的PE管, 干管与分干管地埋, 支管、毛管置于地表。管网系统通过支管轮灌系统和辅管轮灌系统两种方案比较, 在本项目中选用支管轮灌系统, 该方案技术可行, 维修方便, 操作简单, 工作效率高, 年费用较低[1], 布置方式见图1。

　　图1 支管+毛管布置方式

　　4.4 自动化控制技术方案

　　在当前兵团范围内应用的滴灌自动控制技术按照其从田间控制中心到控制终端 (电磁阀) 的通讯方式划分主要有两种:有线通讯方案和无线通讯方案。

　　4.4.1 无线通讯方案

　　无线通讯方案包括基于GSM/GPRS公用网络的控制技术和基于2.4GHz无线自组网的自动控制技术, 需对这两种技术比选。

　　(1) 基于GSM/GPRS公用网络的控制技术

　　田间控制中心到控制终端 (阀门控制器) 之间的通讯通过GSM/GPRS实现的控制技术, 特点是系统覆盖范围大, 可靠性高, 数据传输距离远, 可以进行双向监测数据的传送, 设计和施工简单。

　　(2) 基于2.4GHz无线自组网的控制技术

　　田间控制中心到控制终端 (阀门控制器) 之间的通讯通过2.4G免费微功率频段实现的控制技术, 性能稳定, 避免无线电频点占用费, 无通讯费;传输距离达到10-20 km;结构简洁、拆卸灵活, 功耗低、具有网络性能故障自诊断功能, 系统可靠性较高。

　　经比较后, 2.4GHz无线自组网的自动控制技术更适合项目区的需要。

　　4.4.2 有线通讯方案

　　信号有线传输方式指信号传输介质为实体, 由电缆传输。信号电缆连接系统首部和电磁阀, 传输系统首部向电磁阀发出的信号, 输送电压为AC24V。电缆采用铠装电缆, 免套管, 防鼠、防水。中央控制室和系统首部之间也采用电缆连接, 通过电缆传送接收数据。

　　4.4.3 方案比较

　　采取有线方案需要铺设线缆, 防止线缆断路是项目安全运行的条件之一。本项目主要种植棉花和酿酒葡萄, 项目区需要每年翻耕。采取有线方案有造成短路影响控制系统运行的风险, 因此本次项目采取无线方案, 采取2.4GHz无线自组网的自动控制技术。

　　5 效果分析

　　由于本项目仅为6个地块配套滴灌, 没有新增灌溉面积, 而是提高水资源利用率, 减少田间灌溉的水量损失, 因此无需做水量平衡分析, 故仅考虑节水滴灌实施前后的节水量分析[2]。

　　5.1 灌溉制度分析

　　现状年, 项目区灌溉方式为地面灌, 种植作物为棉花和酿酒葡萄。棉花面积5 200亩, 酿酒葡萄面积1 500亩。棉花田间灌水定额为70―80m3/亩, 全年灌水6次, 灌溉定额380m3/亩;酿酒葡萄灌溉定额为60―70m3/亩, 全年灌水7次, 灌溉定额440m3/亩。现状年灌溉制度表见表1。

　　1 现状年灌溉制度表表

　　表2设计水平年灌溉制度表表

　　项目建设后项目区均为滴灌, 经计算得棉花最大田间灌水定额为19.67m3/亩, 全年灌水13次, 灌溉定额为314.72m3/亩。酿酒葡萄最大田间净灌水定额为18.4m3/亩, 全年灌水14次, 灌溉定额为312.8m3/亩。作物设计水平年灌溉制度见表2。

　　5.2 灌溉水利用系数

　　5.2.1 渠道水利用系数

　　本次项目区内现状年渠道水利用系数为农渠水利用系数, 项目区内农渠水利用系数经农场提供为0.92, 实施节水滴灌后为管道所代替, 设计水平年管道输水利用系数为0.98。

　　5.2.2 田间水利用系数

　　现状年田间水利用率取0.88, 设计水平年取0.9。

　　5.2.3 灌溉水利用系数

　　灌溉水利用系数等于渠道水利用系数与田间水利用系数的乘积。本次项目为节水滴灌工程, 项目区地块现状年采用农渠进行灌溉, 设计水平年项目区为节水滴灌系统, 农渠为管道所代替。工程建设后项目区的灌溉水利用系数见表3。

　　根据计算得出项目区内现状年地面灌溉地块水利用系数为0.81;设计水平年项目区均为节水滴灌, 项目区灌溉水利用系数为0.88。

　　5.3 需水量计算

　　现状年需水量计算见表4。

　　根据项目区地面灌棉花和酿酒葡萄的灌溉定额和项目区灌溉水利用系数, 计算项目区现状年棉花净灌溉需水量为263.6万m3, 毛灌溉需水量为325.43万m3。

　　设计水平年需水量计算见表5。

　　表3项目区实施前后灌溉水利用系数计算表表

　　表4项目区现状年需水量表

　　表5 目区设计水平年需水量表

　　设计水平年项目区净灌溉需水量为210.57万m3, 毛灌溉需水量为239.29万m3。

　　6 工程效益

　　6.1 资源效益

　　计算项目区现状年灌溉需水量为325.43万m3, 项目建成后, 项目区灌溉需水量为239.29万m3, 项目建设后可节约水资源每年86.14万m3。

　　6.2 经济效益

　　本项目实施后, 改善灌溉面积6 700亩, 项目区地块灌溉保证率由地面灌的75%提高到90%。项目区的农业生产能力将得到提高, 实行滴灌后单产比地面灌提高15%―20%。项目区的主要农作物是棉花和葡萄。项目建设前平均每亩棉花平均单产110kg, 实施本项目之后每亩棉花可达到125kg, 平均每亩增产15kg, 按皮棉平均18元/kg。葡萄平均每亩单产800kg, 项目实施之后可达到1 100kg, 平均每亩增产300kg, 按葡萄平均2.8元/kg。

　　7 结语

　　综合项目区所在地的自然条件和项目经验, 经过认真比选, 在芳草湖农场实施滴灌自动化设施建设具有明显的资源和经济效益, 对提升水资源利用率、保护生态环境和增加收益具有明显效果, 符合可持续发展的各项要求, 是干旱地区发展农业设施建设的有效途径。

　　参考文献：

　　[1]李劲彬.灌溉技术的应用研究——以渭南某农场为例[J].农业与技术, 2017, 37 (21) :71-74.
　　[2]蒋靖.农田灌溉系统下的现代灌区规划设计分析[J].内蒙古水利, 2018, 5:28-30.