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棉花膜下滴灌监测及自动化控制实施与应用

发布时间：2024-10-26 09:44:33 来源：农资网编辑：郑钦文本文有3628个字，大约阅读时间10分钟

作者

自动化滴灌技术，是一项全新的技术和前沿科技，自动化技术应用于大农业特别是在大田的运用也是一个崭新的领域。最早引进此项技术均是全套的采用以色列的技术和设备，由于建设成本较高，只试点性的在南方应用于果园和生态园林建设等一些附加值较高的产业。

近几年，随着该项技术不断成熟，建设成本的不断降低，自动化控制滴灌开始在兵团部分团场得到较大范围的应用并取得了成功，棉花膜下滴灌监测与自动化控制是滴灌自动化控制与棉花膜下栽培模式及测土施肥的完美结合，他是通过探测器，把探测到的土壤墒情和肥力状况经自动化处理后，通过自动化控制滴灌这个平台去实现精准滴水、精准施肥的一项技术。2007年，我团在三监区的3013亩(一套系统控制)上实施该项技术，并取得了初步成功，现就该项目建设的情况谈谈该项技术实施与应用。

1、项目区概况

49团灌区农业技术装备良好，我团现有耕地面积15.5万亩,农田作业率100%，农业机械化程度较高。目前，全团各类节水灌溉新技术如膜下滴灌、移动式滴灌等已开始大面积推广，自2005－2007年，我团先后投入5000余万元资金进行了新技术的应用，一是在16个农业连队，4个监区安装了设施节水灌溉设备，2007年，又新增节水灌溉面积2万亩，使全团节水灌溉面积达8.8万亩，占目前棉花播种面积的83.8％。经过近几年节水灌溉项目建设，团场在建设和运行管理方面，积累了丰富的经验，培养了一支技术干部队伍，建设与管理的体制不断健全，水平逐步提高，为“棉花膜下滴灌微机智能决策及自动化控制系统”项目的示范建设奠定了基础。

2、项目引进的过程

2.1常规滴灌方式存在问题

由于现有的滴灌系统均采用人工控制球阀进行灌溉，受长期沟灌传统思维影响，种植户不能严格按照设计灌溉时间、周期、秩序，而是经常人为延长灌溉时间、打乱轮灌秩序，造成轮灌周期得不到有效控制，最终造成棉花滴灌系统运行不正常，棉田因灌水不均匀而整体减产，很难达到预期的节水增产目的。

根据近几年设计的方案来看，设计者从水力学最优化设计角度将水量分到各支管以达到压力均衡及水量平衡的目的，以提高管道利用率、节省管材投资。这也是滴灌推广初期为降低成本达到大面积推广使用的必由之路。但此种设计理念的提出也导致后期滴灌管理操作的不便性，主要表现为以下几点：

2.1.1我团现有常规滴灌面积达9万亩，且全部采用的是兵团农八师的支附管设计模式，地面球阀较多（平均每亩地达1.4个）。同时开启的阀门很分散，增大了职工的劳动强度切且不便操作。特别是夜间棉田内不便行走，职工通常有“省事”心理，选取就近几组阀或方便开启的阀门滴灌，人为打破轮灌制度。

2.1.2由于土地承包到户，种植户在水肥分摊上不能达到一致，导致不能按设计轮灌制度开启球阀，但也同时打破了水力运行规律无法保证系统压力的建立，系统压力无法建立也同时导致灌水质量无法保证，这就是平常我们说的低压运行的主要原因。

2.1.3不按灌溉制度操作就会造成灌溉均匀性遭到破坏，这是造成滴灌系统不节水，或节水就减产的主要原因。这些问题得不到解决，导致部分种植户对滴灌效果产生质疑，拒绝使用滴灌带及滴灌设施。

2.2膜下滴灌采用自动化控制的必要性

现有滴灌系统想达到节水、增产的目的只有通过以下途径：

2.2.1严格执行灌溉制度，达到水利设计要求。

2.2.2提高设备运转效率，保证灌溉均匀度。

2.2.3根据棉花不同生育期的需水规律合理分配灌水量。

2.2.4根各地土壤肥力状况和棉花各生长期对各种肥力的需求分配肥料。

2.2.5根据不同时期气候情况灵活调整灌溉计划。

2.2.6减轻劳动强度，提高劳动生产率。

而这些问题只有通过自动化控制灌溉，降低人为因素影响，才能有效解决。

3、项目基本建设情况

3.1前期情况

此项目由石河子大学与农三师设计院共完成设计任务，农三师设计院负责滴灌水利工程设计部分，石河子大学负责自动化与监测部分。并通过招投标，自动化控制与监测部分由石河子大学石达赛特有限责任公司中标并完成。

3.2建设面积

自动化系统2007年在我团三监区建设成功，示范面积3013亩，示范区土壤质地为砂壤土，土壤贫瘠，开垦种植不到两年。示范区种植棉花品种为中棉35号，播期为4月8日--4月15日。

3.3系统配置

示范区为新建滴灌系统，系统最大供水流量为915.13m3/h，扬程41.6m，选择200-400(I)型卧式离心泵4台，并联运行，单泵额定流量260m3/h，扬程42m，电机功率45kw，配45kw一托四变频一台，1000m3/h的自动反冲洗式过滤器1台，2台SFG-400型施肥罐。

棉花种植行距为10cm+66cm+10cm+66cm，滴灌带按一管四布设，平均间距1.52m。滴灌带滴头流量2.8L/h，间距0.3m，工作压力0.1MPa；支管采用D90薄壁PE管，工作压力0.25MPa，滴管带通过调压按扣三通与支管连接；干管采用PVC管，工作压力0.4MPa。

选用D90调压电磁阀，即在支管入口调压，让流量偏差在支管和毛管两级分配，电磁阀水头损失3m，毛管通过按扣三通与支管连接。该技术方案特点是支管相对铺设长度短(铺设长度最可达68m)，干管间距小，干管用量大，支管和电磁阀的单位造价较低。电磁阀采用进口以色列NETAFIM电磁阀，过水流量为60-90方/h，单位造价为1300元/个。

该系统共用213个电磁阀（控制面积14亩/个），单阀控制面积14亩/个。采用单支管轮灌方式，划分为15个轮灌组，灌水周期4.5d，一次灌水延续时间6h。系统配备有18套水分传感器，还配备了棉花动态生长视频设备以及小型气象站等。

3.4自动化系统结构组成及功能

自动化系统采用石河子大学自主研发的基于GPRS棉田自动化控制系统，系统采用有线方式进行自动化水肥监测与控制，由灌溉自动控制子系统、农田墒情监测子系统、作物生长图像采集分析子系统、水肥智能决策子系统等多个子系统。系统可根据气象信息、土壤墒情、作物生长视频监测结果（看天、看地、看苗）自动评估水肥状况及作物长势，并将结果自动发送到用户手机，用户根据智能决策结果进行自动化灌溉。该系统可提高田间水肥利用效率，减轻干部职工的工作强度，从而实现农田信息监测的实时性、预报的动态性、灌溉的自控性和农业生产精准化目标，最终达到节水、增产、节本、扩植、增效的目的。

3.5项目投入情况

3013亩示范项目总投入320万，亩投入1032元/亩。其中，滴灌工程部分投入220万元，亩投入710元/亩，由于需要配合自动化控制，不能完全按水利学最优化配置，亩造价同比普通滴灌高出20-50元/亩；3013亩示范项目总投入80.4936万元，其中，自动化系统总投入52.4936万元，亩均投入174元；水肥监测与智能决策系统投入20万元，亩均66元；设备安装、运行维护、技术培训及前期费等科技保障投入8万元，亩均投入26元。；系统投入要根据电磁阀控制面积大小以及系统控制面积大小而定，本系统电磁阀控制面积仅14亩/个。由于电磁阀为进口，造价很高，如果电磁阀控制面积加大，亩成本会降低。

3.6示范区产量情况

示范区棉花全期共灌水11次，每次灌水15-25方/亩，灌水总量260方/亩，比未进行水分智能监控的滴灌系统节水30方/亩。由于示范区土壤盐碱较大，部分地块是新收复的弃耕地，原有耕地也进行二次复平（无埂条田建设），耕作层受到一定的破坏，2007年由于出苗率不高，平均籽棉测产375公斤，但比2006年增产52公斤。

4、示范项目建设的几点认识

经过试验，实施滴灌自动化控制效果良好，主要体现为以下几方面：

4.1轮灌制度的操作方式决定了自动化控制的必要性

滴灌系统是根据作物生长情况和地理条件设计总需水量，再从水利学角度将总水量经过多级输水管和滴灌带均匀分配到田间，自动化控制技术实施，由中央监控站对田间工作站和田间电磁阀按水利学优化设计轮灌制度进行灌溉，杜绝人工开启阀门的随意性，管理方便。

4.2滴灌自动化控制是现代农业发展的必由之路

自动化控制是信息技术在农业生产的具体应用，是现代农业发展的必然方向。职工土地承包管理从40亩向300亩甚至更高迈进，必须依靠自动化管理手段，精准滴灌更需要智能化决策的技术支撑。

4.3为不同土质棉花滴灌模式各生育期需水量提供了科学依据。

从推行自动化控制灌溉滴灌，科研人员对不同灌溉不同土质下的滴灌模式棉花各生育期需水量进行了大量的研究，自动化控制的实施确保了滴灌时间、滴量及灌水周期，为滴灌模式下不同土质棉花各生育期需水量提供了科学依据。达到节水效果。由于采用自动化控制灌溉，灌溉时间得以保证，从而使灌溉水量得到有效控制，达到了预期的节水效果。本项目区实测节水50方/亩，水费价格0.10元/方，亩节约水费5元，3100亩棉田共节约水费24485元。

4.4提高了棉花生产管理水平和生产效率

实施自动化控制，棉花管理定额由原来的30-50亩提高到250亩地。项目的实施，提高了管理定额提高，为团场进一步推广农业信息技术提供了实践应用经验。自动化控制软件是国内自主研发的，操作比较简单。由于滴灌系统运行是采用程序化管理，所有电磁阀的开启均由中央监控室统一管理，节省了大量的劳动力。

5、存在的问题及建议

滴灌自动化技术毕竟是一项高新技术，需要考虑的影响因素很多。除了设备质量过关外，还要考虑软件设计、网络布设、通讯协议接口、防水防盗等。在系统运行中我们认为还存在以下不足：

5.1有线控制方式的线缆保护问题

本系统运行过程中，我们采用有线方式进行数据通讯，但由于本示范区土壤盐碱很大，线缆埋设又是跟随地下管道一起进行的，深度在80cm左右，长期浸泡在潮湿的盐碱水中，对电缆腐蚀很大。加上新上系统灌水过程中多处出现爆管等现象，挖掘管道时线路多处损伤，致使通讯信号时断时续，影响了数据传输。

5.2系统造价过高

系统需然采用的是国产系统，但系统总造价超过1000元/亩，这也是制约项目大面积推广的一个主要因素。

5.3水肥监测精度与控制精度的统一性不够

由于水监测主要采用的是探测器，养分监测主要采用数码相机摄象等来收集，这就存在一个监测精度问题，一个监测器控制的范围是一个以监测器为圆心的圆，而控制滴灌一个轮灌组是上个方阵，况且监测范围与控制范围也不能重合；加之团场对土壤性质原始数据、基础资料不足也是影响监测精度的一个因素。

5.4人员素质与自动化系统相互适应的问题

由于系统采用的是当前我国最先进的自动化系统，对建设后的管理要求比较高，系统了现问题时往往束手无策，影响系统正常运行，问题排除速度慢。同时，自动化控制系统要尽量适应使用者的知识层次和技术水平，使用者也要不断提高自身素质适应新技术带来的挑战，这是一个相互作用的过程。作为开发者和使用者应该进行充分的沟通才能达到一种平衡，也才能使先进的技术迅速得到推广。

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