智能化滴灌技術及其在棉花生產上的應用
2008-01-01 00:00:00楊明翟云龍章建新
天津農業科學 2008年3期
摘要：主要介紹了智能化滴灌的工作原理、主要功能、特點，并比較了智能化滴灌技術和常規滴灌技術在棉花生產應用上的區別，提出了智能化滴灌技術在生產上存在的問題以及今后的發展方向。
關鍵詞：智能化滴灌；常規滴灌；棉花
中圖分類號：S275.6文獻標識碼：B文章編號：1006—6500(2008)03—0030—03
常規滴灌系統均采用人工控制球閥進行灌溉，要達到節水增產的目的必須嚴格執行灌溉制度；提高設備運轉效率，保證灌溉均勻度；根據棉花不同生育期的需水規律合理分配水量；根據不同時期氣候情況靈活調整灌溉計劃。受長期溝灌傳統思維影響，種植戶往往不能嚴格按照設計進行灌溉，經常人為延長灌溉時間和輪灌周期，最終造成棉花滴灌系統運行異常。2006年新疆農業大學農學院引進了智能化滴灌系統，該系統減少了人為因素的影響，能有效解決以上問題，進一步提高了勞動生產率，取得了較好的效果。
1 智能化滴灌控制系統
智能化滴灌系統由中央監控站、田間控制站、水動閥、田間小型氣候站和全天視頻監控模塊組成，以相應的通訊系統和系統軟件作為支撐。中央監控站根據棉花需水規律和生長情況制定符合水利學要求的輪灌計劃，并將該計劃轉換成控制指令發送到田間控制站，田間控制站按指令開啟和關閉相應的水動閥，從而實現灌溉計劃。
智能化滴灌系統以預先制定程序為主進行自動灌溉。本系統在灌溉管理方面設置了兩種模式。一種是根據豐產棉田需水規律研究工作的要求，設置人機對話的灌溉管理操作程序。根據不同時期不同處理小區需灌水量，依據各小區滴孔水流速(與水動閥流量、灌溉水壓力、滴孔的平均流量等參數有關)，計算出各處理滴灌所需時間。向系統輸入計算所得的需灌時間后，即可實施對各處理區定時定量滴灌。另一種灌溉管理模式為自動灌溉方式，它在試驗研究工作結束后應用，根據棉花各生育期生長良好的土壤水勢上限來自動控制灌水時機與所需水量。中央監控系統可以隨時通過計算機了解查詢所有灌區的當前灌溉狀態和灌溉歷史記錄。
系統自動記錄每個水動閥總共的開啟時間，由此可以計算出每個水動閥的灌溉總用水量。再根據每個水動閥與地塊的隸屬關系可以計算出每塊地的灌溉量等統計數據。系統自動監視各個主要設備的運行狀態，一旦發現故障會自動報警。例如，需要灌溉時中央監控站向遠處的田間控制站發出灌溉指令，田間輸水管道上的水動閥自動打開進行灌溉。同時灌溉過程中計算機對管道壓力實施檢測，發現管道壓力過高便自動停止供水或開啟另一輪灌組的水動閥，以保證輸水管道的安全運行。
2 智能化滴灌與常規滴灌的比較
2.1 常規滴灌系統的弊端
通過原有人工滴灌泵站的使用過程中發現，不按灌溉制度操作就會造成滴灌不均勻，這是造成滴灌系統不節水，或節水就減產的主要原因。
(1)同時開啟的閥門很分散，增大了職工的勞動強度且操作不便，特別是夜間棉田內不宜行走。職工通常都不進地開閥，從而導致前一輪滴灌小區滴灌時間長達9～12h，而夜間該小區只有第2天才能灌溉，人為增長了滴灌周期。
(2)因輪灌制度實施難度較大，職工開啟輪灌小區有“省事”心理，人為打破輪灌制度，選取就近幾組閥或方便開啟的閥門滴灌，或為了夜間不進地而同時打開多個輪灌組，從而造成系統低壓運行。
上述2種因素都打破了水利運行規律，滴灌質量無法保證，人為因素導致棉花受旱。通常又采用延長時間或點片補水的辦法補旱，其結果是旱片越補越多，系統就進入了惡性循環，再想進入正常秩序將付出巨大代價，輪灌制度決定了智能化控制的必要性。以上問題如得不到解決，將會對已建滴灌工程帶來巨大沖擊。
2.2 智能化滴灌系統的特點
(1)智能化控制實施后，由中央監控站按照設計輪灌制度控制田間水動閥，進行灌溉，杜絕了人工開啟閥門的隨意性，方便了系統的管理。
(2)由于采用智能化控制灌溉，灌溉時間得以保證，從而使灌溉水量得到有效控制，達到了預期的節水效果。
(3)智能化控制的實施確保了滴灌時間、滴水量及灌水周期，為滴灌模式下不同土質的棉花各生長期需水量提供了科學依據。
(4)由于滴灌系統是采用程序化管理，所有水動閥的開啟均由中央監控室統一管理，節省了大量的勞動力，人工管理的土地定額由原來的2.67hm2增加到8hm2。由于提高了灌水均勻度，棉花長勢良好，有明顯的增產效果。
3 智能化滴灌技術的應用
農一師十團十四連于2006年建立滴灌系統，取水方式為地表水，系統設計水量800m3/h，首部過濾為自動反沖洗疊式過濾器，設計出口壓力0.38MPa，總灌溉面積333.4hm2。
整個系統共有11個條田，分24個灌溉區，一次輪灌時間3.5d，全區共計369個出水樁，每個出水樁平均控制滴灌面積為0.95hm2，每個灌溉小區一次同時開啟9條支管的18個出水樁，平均控制13hm2。在369個出水樁上安裝水動閥，架設19個田間工作站，由中央監控站對田間工作站進行控制，田間控制站對站內水動閥進行打開、關閉管理。
3.1 不同灌溉方式對產量及品質的影響
常規滴灌和智能化滴灌對棉花產量及品質的影響結果見表1。從表中可以看出，相同條件下，智能化滴灌和常規滴灌所得結果存在一定的差異，無論是海島棉還是陸地棉，單鈴質量、絨長、衣分、產量等指標均表現為智能化滴灌明顯優于常規滴灌，陸地棉品種中棉所35表現尤為突出。
3.2 不同灌溉方式下的經濟效益分析
常規滴灌和智能化滴灌的使用費用見表2。由表2可以看出，從節水和節肥增產效果來看，與常規滴灌相比，智能化滴灌節水率能達到15.7％，水產比為0.89kg/m3，比常規滴灌高0.21kg/m3，水效益(即單方水所創造的產值)為4.36元/m3，比常規滴灌的3.66元/m3高0.7元/m3；從規模效益來看，智能化滴灌要比常規滴灌有明顯增加，常規滴灌每個勞動力最多能管理2.67hm2棉花地，而智能化滴灌每個勞動力能管理8hm2，按照職工最大承辦面積進行比較，實際純收入智能化滴灌是常規滴灌的1.89倍。
智能化滴灌年均總成本比常規滴灌增加53.4元/667m2，這部分增加的費用要靠單產增加來彌補；智能化滴灌比常規滴灌增產70kg/667m2，增產率14％；籽棉價格按5.7元/kg計，智能化滴灌比常規滴灌增加收入399元/667m2。扣除成本投入后，純收入為1679元，比常規滴灌增收399元/667m2。
從生產要素投入情況分析，智能化滴灌與常規滴灌相比，主要是滴灌設備和相關閥門費用增加較大；其次是拾花費用增加56元/667m2。而水費、機力費、人工費、肥料費和農藥費均比常規滴灌有不同程度減少。
4 智能化滴灌存在的問題及對策
(1)滴灌智能化控制系統要在灌溉制度上改進，掌握棉田需水的時間、灌水量等準確數據資料，要完善棉田檢測手段，如購置棉田需水豐缺指標、土壤含水量等的檢測儀器，充分利用微機系統為灌水提供決策依據。在應用軟件中可設置需灌“警戒水勢值”(棉花在某一生育期需灌溉的水勢上限值)，需灌小區面積，需灌土層厚度(滴灌條件下60cm)等參數，用來計算各小區需灌水量。
(2)目前，地面布置系統勞動強度相應比較高，耗材高，怎樣降低勞動強度及一次性投入是當前亟待解決的問題。從技術上改進，并爭取國家農業基礎設施政策性貸款和支持，以降低一次性的資金投入。
(3)進一步完善和提高棉田配套管理技術減少人工作業，提高承包定額，使微機智能化充分發揮作用，承包定額應提高到6.67hm2以上。滴灌智能化控制系統解放了勞動力，既科學又經濟，能真正實現灌溉方面每人管理8hm2地的愿望。
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