王春素

（博乐农五师全新勘测设计有限公司 新疆 博乐 833400）

新疆兵团第五师（以下简称五师）地处祖国西北边陲，准噶尔盆地西南缘，承担着国家赋予的屯垦戍边的职责。本兵团所在区域远离海洋，气候干燥，属典型的大陆性气候，年均降水量90mm，年均蒸发量1500mm，拥有的水资源量极为有限，季节性缺水矛盾突显，严重阻碍了五师农业经济的发展。为解决水土不平衡的矛盾，合理利用水资源，五师从上世纪80年代初期即开始研究、应用、推广节水灌溉技术，经历了淹灌(以修防渗渠为节水措施)、喷灌(半固定式加压喷灌)、滴灌(全固定式膜下滴灌)三个发展过程，发展至今，在节水灌溉技术的运用和推广方面均颇有心得。截至目前，五师共发展节水灌溉面积63.25万亩，其中喷灌面积4.15万亩，滴灌59.1万亩。

1 节水灌溉技术推广中存在的问题

随着节水灌溉技术的发展和农业生产需求的革新，高效节水灌溉技术在实际推广和应用中发现了一些问题：首先，由于人为因素的影响，科学的灌溉制度在普通模式下的节水灌溉中得不到贯彻执行，影响了灌溉效果；其次，与先进的自动化控制相比，普通模式下的节水灌溉仍需要人为机械重复性操作，才能完成灌溉任务，与精准农业的高标准要求仍存在一定的差距；第三，从资源利用率、劳动生产率、产业化程度等方面考虑，普通模式的节水灌溉技术仍需要进一步改进。

针对以上问题，农五师从2003年开始实验，实施自动化滴灌工程以改进，但早期因自动化设备落后等原因，实验结果是失败的。2013年，五师根据兵团水利局应用节水新技术的工作安排，分别在五师84团、89团和90团利用小型农田水利专项工程资金，实施了近万亩灌溉自动化试点工作，经过两年的实际运行，取得了较好的效果。下文以90团自动化滴灌工程为例，详细介绍改进后的设计。

2 滴灌系统布置

作为滴灌工程的主体，输配水管网占到整个工程投资的大部分。管网布置就相当于人体的血管，对于整个工程来说至关重要，不仅要达到管路短、投资省、效果好、结构简单、利于管理操作的要求，还要适应农作物的种植生长需水要求，而且要保证运行安全。管网布置要因地制宜，要考虑地块形状、坡度、水源位置，以及作物种植结构、气候条件等因素。

2.1 地面管布置方式

本次90团小农水项目区4760亩地，现状都是常规滴灌地（喷滴共用系统），主要种植作物为棉花。对项目区滴灌轮灌方式主要分析三种设计方案：支管+辅管+毛管模式、支管+毛管模式及长短支管+毛管模式。

支管+辅管+毛管模式：一般支管和辅管的直径分别为 Ф63mm、Ф32mm或Ф75mm、Ф40mm，辅管紧靠支管并与之平行分成若干条，从支管分水，然后再向毛管供水。该轮灌方式水量分散，灌水相对均匀，水头损失小，轮灌小区划分均衡，所选水泵功率较低，运行费用少。但因为其地面分布有较多一级辅管，连接件相对较多，易产生漏水、泄压等现象，开启辅管球阀的频次多，操作麻烦，同时辅管上球阀数量多。该方式是项目区当前正在使用的布置方式，效果不佳。

支管+毛管模式：支管直径一般在Ф90mm～Ф110mm之间，采取毛管直接与支管相连，减少了系统的连接管件，系统的运行管理方便，灌水小区面积可增加到20亩～30亩，但系统的造价高。该模式下地面管材连接件少，仅在增接口处设电磁阀，运行操作方便。但其水量相对集中，水头损失大，工程建设亩投资高，而且不易做到同一分干管上的支管同时灌溉，不利于化控、喷药等农业机械化线性操作。

长短支管+毛管模式：采用长短支管进行连接，两根支管灌水小区面积相当于“支管+毛管”的一半，其在水力学优化设计上兼取了支辅管轮灌的优点，也解决了单支管不易实现的农业机械化线性操作的问题。该方式系统运行管理更为方便，对地下干管要求接近于单支管方式，造价低。但与单支管轮灌相比，每个出地三通处需4个电磁阀，单支管轮灌每个出地三通处需2个电磁阀。

以上支管+毛管模式及长短支管+毛管模式都适合应用滴灌自动控制系统，但是从运用推广的角度，长短管轮灌更为科学，后期机耕作业、化控、打药都相对更方便，因此，本项目滴灌地面工程设计方案主要采用长短支管+毛管模式。

2.2 地埋管布置方式

本次项目区均为井水加压滴灌灌溉方式，共分为5个加压系统，单个系统控制面积以1000亩左右为宜。

当前项目区为喷滴共用系统，出地三通间距为20m，现状灌溉方式为辅管轮灌，为了最大程度兼顾当前系统，减少工程投资，本次自动化控制设计考虑两种方案。一是增加地埋管，采用支管轮灌方式；一是地埋管不动，地面支管采用长短管轮灌方式。具体方案比选如下（以2#系统作为比选典型）：

方案一：新增地埋分干管三条，地面支管管径de90，支管长度100m，支管间距80m。优点：支管长度短，输水损失小，支管入口压力均衡。缺点：管网投资太大，造成不必要的浪费。

方案二：系统地埋管网布置基本不做改动，只是根据配置的水泵流量，合理划分轮灌组，对现有的地埋管道进行水力复核计算，复核能否满足系统正常工作，地面支管采用长短管布置方式，支管管径de110。优点：经济合理，节约创新，满足灌溉要求。缺点：支管长，输水损失相对较大，入口压力不易均衡。

综合比较灌溉要求、投资大小等，本设计地埋管布置方式最终选择方案二。

图1 管网布置图

3 自动控制系统设计

本次90团小农水项目区设备配置为：团级管理监控平台，在系统首部安装灌溉控制箱（含软件）、压力变送器、首部灌溉控制器、超声波流量计、变频柜等设备；在各系统田间安装电磁阀及阀控器。

3.1 团级监控中心

主要负责：①基础数据的采集和录入；②统计数据上报；③滴灌首部运行及能效数据的自动采集；④灌溉实时数据采集、统计和查询；⑤田间信息实时采集、统计和查询；⑥全团灌溉系统的监测控制；⑦自动化灌溉管理等。

本项目团级监控中心管理用房为现有会议室，其面积及功能可满足监控中心使用要求，无需新建管理用房。配置1台服务器、2台操作站（计算机）、1台打印机、1套无线收发设备、1套固定IP宽带接入设备、1套显示设备。

3.2 首部运行及能效监控

首部运行及能效监控器主要对灌溉用水进行监测，实现全团灌溉用水总量数据自动化实时监测、统计，以利于灌溉用水总量控制。其根据首部电压、电流、过滤器前后压差、压力以及出口流量，结合设备额定参数，计算水泵功效、功率、有功、无功、总功等数据，对能效进行评估，为节能方案的制定提供数据支持，使设备处于最佳能耗状态。具体包括系统首部设备控制器、超声波流量计、压力变送器、电量采集装置、无线通讯设备。

3.3 田间灌溉控制

以独立灌溉系统为单位，设置首部灌溉控制器、电磁阀及其阀门状态反馈传感器、无线阀控器（一拖四）设备。按照设计轮灌制度，由首部灌溉控制器自动向无线阀控器发送指令，控制阀门开启和关闭，并将阀门真实工作状态反馈给首部灌溉控制器，实施自动化灌溉。该系统的主要设备包括：①电磁阀。电磁阀为水力驱动隔膜阀，借管道水压驱动阀门隔膜动作，实现开关阀。本次项目采用4′脉冲电磁阀。②GSM阀门控制器。阀门控制器以公用的GSM手机网络为通讯平台，能够接收授权设备发来的短信指令，控制电磁阀开关，同时也能向授权设备反馈电磁阀的状态。GSM阀门控制器采用太阳能供电，一个GSM阀门控制器可控制1～4个电磁阀。

4 结语

自动化滴灌工程在五师试点成功后，棉花籽棉产量较常规滴灌提高20kg/亩，运行成本较同地区常规滴灌降低60元/亩。滴灌灌溉自动控制方式与常规普通滴灌方式相比，具有节省水、肥、省时、节省人工等优点，并可提高灌溉均匀度，有利于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广。同时，通过自动化灌溉控制，适时、适量地灌水，提高作物产量和管理定额，对环境保护也有一定的作用。灌溉自动控制模式与普通滴灌相比，可杜绝人为因素造成的不能严格按照设计轮灌顺序、灌水时间执行的现象。

随着农业现代化进程的加快、农业结构调整，自动控制滴灌灌溉方式可有效降低劳动强度，提高劳动管理定额，改善农业生产条件，提高农业综合生产效益，农业生产对滴灌自动化技术的要求会越来越迫切。新疆农五师在滴灌自动化技术应用上率先探索，进行了很多有益的尝试，抛砖引玉，与同行交流探讨。陕西水利