高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田灌溉中滴灌首部自動(dòng)化控制技術(shù)
——以隆德縣觀音中藥材種植基地為例

魏玉學(xué)

（隆德縣觀莊水利工作站，寧夏 隆德 756300）

滴灌在我國尤其是在北方地區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉中處于主導(dǎo)地位。資料顯示，大面積推廣應(yīng)用滴灌技術(shù)，能夠凸顯其最大優(yōu)勢，如改善生態(tài)用水，提高水資源利用率，增加農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量、節(jié)水節(jié)肥等［1］。滴灌技術(shù)在我國的農(nóng)業(yè)灌溉中發(fā)揮出了重要作用，尤其是在調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境用水結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)增效方面。隨著滴灌技術(shù)在我國大范圍的推廣和應(yīng)用，其在推動(dòng)我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上，大大提高了節(jié)水灌溉效率。滴灌的首部是自動(dòng)化控制應(yīng)用的關(guān)鍵部位，傳統(tǒng)的滴灌首部主要通過人為的方式進(jìn)行操作，造成了隨意性大、水肥無法控制、工作效率低下等問題，影響了田間滴灌節(jié)水增效和降低成本的初衷。相關(guān)資料表明，滴灌自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，可使人工管理定額提高近6倍，管理費(fèi)用降低50%，水、肥灌溉均勻度均提高20%，節(jié)水增產(chǎn)5%～20%［2］。滴灌首部自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)施，能夠達(dá)到增效降本、節(jié)水節(jié)肥的效果。下面以寧夏回族自治區(qū)隆德縣觀音中藥材種植基地為例，介紹滴灌首部自動(dòng)化控制技術(shù)。

1 滴灌布置情況

隆德縣觀音中藥材種植基地配套的滴灌工程位于隆德縣篩子河流域。該工程主要是由滴灌首部系統(tǒng)、輸配水管網(wǎng)和田間配套工程組成的高標(biāo)準(zhǔn)梯田整合工程。項(xiàng)目區(qū)一共有4個(gè)滴灌區(qū)，總面積為60 hm2。4個(gè)滴灌區(qū)中包含1 座過濾器管理房，3 座各100 m3用來減壓的蓄水池，1套過濾器（此過濾器是由自動(dòng)砂石疊片構(gòu)成），1套注肥系統(tǒng)（包含施肥泵和帶攪拌器的溶肥灌），1臺(tái)變壓器（型號(hào)為 S9-200/10），1 組高壓 T 接，1.5 km 的 10 kV 高壓線，0.5 km的380 V低壓線。

灌區(qū)為自流灌溉，灌區(qū)布置在陰洼骨干壩東北側(cè)，控制灌溉面積為60 hm2，工程通過1#主干管在200 m3蓄水池進(jìn)行取水，經(jīng)過濾系統(tǒng)過濾以及施肥系統(tǒng)施肥后，1#主干管輸水至田間進(jìn)行自壓灌溉，1#主干管為DN315PVC管，總長4.64 km。

田間系統(tǒng)毛管為Φ 16 滴灌帶，總長7 522.98 km，平行于作物種植方向布置；分支管為Φ 75PE 管，垂直與毛管布置，總長8.11 km；支管為Φ 110PVC地埋管，平行于支管布置，總長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 滴灌首部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首部控制系統(tǒng)是整個(gè)灌溉系統(tǒng)的中心，其是一個(gè)多種設(shè)備集中的承擔(dān)著取水、過濾、注肥和輸配水以及關(guān)聯(lián)控制的多功能單元，首部控制器是整個(gè)灌溉自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，能夠通過土壤水分傳感器測定土壤水分含量來控制灌溉，同時(shí)能夠?qū)λ?、水泵、電機(jī)、電氣控制柜、過濾器等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及運(yùn)行監(jiān)測；對首部管網(wǎng)出水口的壓力和流量、過濾器的壓差、水泵電動(dòng)機(jī)的三相電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)水泵、電機(jī)、過濾器、管網(wǎng)的設(shè)備安全。其主要監(jiān)控功能如下［3］：控制水泵啟停，采集水泵狀態(tài)，1個(gè)控制器控制2臺(tái)水泵，可單控也可聯(lián)動(dòng)雙控；對泵出口壓力，過濾器出口壓力進(jìn)行檢測，判斷過濾器前后壓差，進(jìn)行壓力異常報(bào)警；對變頻柜進(jìn)行監(jiān)控，包括指令控制變頻柜自動(dòng)運(yùn)行、停止，監(jiān)視電控室的電壓、電機(jī)工作電流等；實(shí)現(xiàn)與灌溉云平臺(tái)的遠(yuǎn)程通信和人機(jī)交互，保證灌溉系統(tǒng)按照設(shè)定好的灌溉制度、運(yùn)行參數(shù)安全、可靠運(yùn)行。首部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 首部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首部無線控制網(wǎng)關(guān)及云控制平臺(tái)是整個(gè)控制系統(tǒng)的控制核心，首部無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與云灌溉平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信。首部平板電腦通過本地INTERNET網(wǎng)絡(luò)與云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，將遠(yuǎn)程平臺(tái)的輪灌方式下載到本地，并通過網(wǎng)橋和無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對水泵、閥門、墑情、水位等的采集及控制。無線網(wǎng)關(guān)通過WLAN轉(zhuǎn)換器以及485通信方式實(shí)現(xiàn)與平板電腦、水泵控制器、水泵采集器、無線墑情及閥控節(jié)點(diǎn)的通信。首部控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 首部控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控設(shè)備布置

3 滴灌首部無線網(wǎng)關(guān)技術(shù)

首部無線網(wǎng)關(guān)是匯聚水泵控制器、無線閥門控制器、無線墑情采集、無線水位采集等智能設(shè)備的通信節(jié)點(diǎn)，并將這些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA 移動(dòng)互聯(lián)到互聯(lián)網(wǎng)云灌溉管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)灌溉實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。無線通信采用自組織低功耗無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射功率嚴(yán)格控制在50 mW：無線通信要求開闊條件下傳輸距離700 m，具備與各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)通訊功能，支持GPRS、CDMA網(wǎng)絡(luò)通信；采用GPRS/CDMA/3G等公網(wǎng)無線與無線自組網(wǎng)融合方式［4］。

現(xiàn)場無線具有自組網(wǎng)能力，支持休眠條件下的自動(dòng)路由功能，控制響應(yīng)延時(shí)小于10 s，無線閥控器和采集器不需要任何現(xiàn)場配置；支持多網(wǎng)關(guān)熱備份冗余，保證在一個(gè)網(wǎng)關(guān)失效的情況下，10 min 內(nèi)由其他網(wǎng)關(guān)接管無線節(jié)點(diǎn)的通信及控制工作；采用太陽能10 W板及22 AH鋰電供電，支持市電供電。無線通信及GPRS（3G）通信值守功耗平均電流小于5 MA。輸出可控制兩路12 V 直流電源，最大電流1 A。連續(xù)陰天電池可以工作30 d以上。

4 滴灌首部水泵控制器技術(shù)

水泵無線計(jì)量控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)灌溉水泵的遠(yuǎn)程啟動(dòng)和關(guān)閉，實(shí)時(shí)監(jiān)測水泵電量、流量和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)用水計(jì)量控制和管理功能。水泵無線計(jì)量控制設(shè)備具有以下功能：內(nèi)置電能量采集功能，電量參數(shù)包括三相電壓、電流、功率和電量；支持超聲波流量計(jì)或遠(yuǎn)傳水表接入，實(shí)時(shí)計(jì)量灌溉流量和用水量；380 V 市電寬范圍，缺項(xiàng)條件下設(shè)備正常供電，市電斷電事件上報(bào)；支持安全管理功能，包括井房門、保護(hù)外箱門、設(shè)備外殼合法操作身份認(rèn)證；4個(gè)壓力監(jiān)測功能，用于出水壓力指示和過濾器的效果指示，異常報(bào)警，并停泵；支持水位采集和報(bào)警功能；無線通信可通過遠(yuǎn)程GPRS/CDMA 模式或無線自組網(wǎng)模式，與云平臺(tái)中心連接；保證設(shè)備在沒有平臺(tái)條件下可以臨時(shí)工作，不丟失任何信息；支持?jǐn)嚯娺B續(xù)運(yùn)行90 d；設(shè)備能量狀態(tài)采集；設(shè)備故障狀態(tài)報(bào)警［5］。

5 滴灌首部管道壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)

管道壓力傳感器符合以下技術(shù)指標(biāo)：測量范圍為0.0～0.4 MPa、0.0～0.6 MPa、0.0～1.0 MPa、0.0～10.0 MPa等，應(yīng)根據(jù)管道的實(shí)際壓力情況選擇量程范圍；精度為±0.5%FS；線性為優(yōu)于1%FS；長期穩(wěn)定性為±0.3%FS/a（最大）；零點(diǎn)溫度誤差為±0.02%FS/℃；滿度溫度誤差為±0.02%FS/℃；管壓壓力傳感器要耐腐蝕，安裝防漏水［6］。

6 滴灌首部主要部分自動(dòng)化功能技術(shù)

滴灌首部自動(dòng)化主要包括泵站（內(nèi)有動(dòng)力機(jī)、水泵和變配電設(shè)備）和施肥系統(tǒng)，主要作用是將水源經(jīng)過自動(dòng)加壓，然后通過自動(dòng)化裝置加入肥料和農(nóng)藥，經(jīng)過凈化處理后最后經(jīng)輸配管網(wǎng)將水輸送到田間［7］。

6.1 對滴灌泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理

通過對泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理達(dá)到對灌溉水利用情況進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到在灌溉過程中實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測用水總量的目的，實(shí)施取水授權(quán)控制，以利于控制灌溉用水總量。通過對滴灌泵站的遠(yuǎn)程集中管理，實(shí)現(xiàn)泵站電壓、電流、功耗等數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析泵站壓力、流量、過濾器工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，分析田間灌溉模式的合理性，為水資源調(diào)度、電力調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［8］。另外，用戶可以通過云端（遠(yuǎn)程服務(wù)器），不受空間、時(shí)間和設(shè)備（支持包括PC機(jī)、手機(jī)和平板等多種終端）的限制，實(shí)現(xiàn)對泵站運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，包括對主管、支管道出水口壓力進(jìn)行監(jiān)測；對主管、支管道出水口流量進(jìn)行監(jiān)測；對變頻柜進(jìn)行監(jiān)控，包括指令控制變頻柜自動(dòng)運(yùn)行、停止，監(jiān)視電控室的電壓、電機(jī)第三方工作電流等。為了能夠?qū)C(jī)井的水位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，要利用先進(jìn)的壓力水位傳感器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)水位低于設(shè)定水位線時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息［9］。

6.2 自動(dòng)化施肥系統(tǒng)

自動(dòng)化施肥灌溉技術(shù)是把施肥和灌溉合二為一的水肥一體化技術(shù)，該技術(shù)通常是利用地形的自然落差（沒有落差的情況下借助配套的壓力系統(tǒng)），把肥料（要求肥料一定是液體或者可溶的固體）配兌成一定比例的肥料液，然后通過可以控制的供水和供肥管道將水和肥料液輸送到水肥貯存器，使水和肥料液充分融合后，按照不同種類作物的需肥特征、生長規(guī)律及土壤養(yǎng)分含量，將融合后的水和肥料液通過田間配套的管道輸送到每個(gè)滴頭，通過自動(dòng)化地控制滴頭而形成定量、定時(shí)和均勻的滴灌來浸潤農(nóng)作物的根系，促進(jìn)農(nóng)作物良好生長發(fā)育［10］。

隆德縣觀音中藥材種植基地一共有4 個(gè)滴灌片區(qū)，對每個(gè)灌區(qū)首部泵站和施肥系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，從而使其能夠按照需要自動(dòng)開啟，這樣就能最大限度地減少施肥環(huán)節(jié)中的人工成本與運(yùn)行成本［11］。

7 產(chǎn)生的效益分析

滴灌灌溉效益主要由工程實(shí)施帶來的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益計(jì)算。采用扣除成本法計(jì)算，即將有項(xiàng)目與無項(xiàng)目相比新增加的凈效益作為滴灌灌溉效益。實(shí)施滴灌后的效益見表1。由建設(shè)前的傳統(tǒng)灌溉到建設(shè)后的滴灌灌溉，灌溉年凈增效益為201.10萬元［12］。

表1 實(shí)施滴灌后作物效益表

8 結(jié)語

本筆者以隆德縣觀音中藥材種植基地高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田灌溉中滴灌為例論述了滴灌首部自動(dòng)化控制技術(shù)，即控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、無線網(wǎng)關(guān)、水泵控制器、管道壓力傳感器和自動(dòng)化功能等技術(shù)，只有熟練掌握這些技術(shù)，才能很好地對滴灌系統(tǒng)進(jìn)行操作。滴灌技術(shù)的普及不但可以降低管理方面的成本，而且可以減少灌溉過程中的用工，是當(dāng)今有效解決灌溉節(jié)水問題的必要措施之一。