適用于吐魯番地區果園自動化滴灌裝置的設計

安尼瓦·斯地克，穆哈西，吾買爾·吐爾遜

(1.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊，830049；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊，830052)

0 引 言

新疆吐魯番是嚴重的干旱區，降雨稀少，蒸發量大，嚴重的水資源危機已成為限制本地區農業經濟發展的主要障礙。近年來隨著新疆社會經濟的快速發展，各用水部門間的矛盾日益劇增，使原本微弱的綠洲生態環境問題愈加突出[1,2]。隨著人民生活水平的提高各農戶都關注自己果園的綠化，但水源的嚴重短缺問題阻礙著他們的積極性。主要的問題有：①各用戶自己的果園只靠飲用水漫灌形式澆灌，但漫灌果園用水量多、灌水時間長；②飲用水價格貴、流量和壓力小。為解決此問題，研制出了果園自動控制澆水裝置[3-5]。該裝置價格低，可根據飲用水的流量和壓力，調好灌水時間和灌水周期后，不需要人監守實現自動澆灌。一方面可大幅度減少勞動量，家人出游也不必擔憂果園的澆水問題；另一方面大大降低了果樹減產或死亡帶來的損失。本文結合應用實例來說明該裝置設計過程及其功能特點，為類似果園實現節水灌溉自動化技術提供參考。

1 工作原理及技術參數

果園自動化澆灌裝置由管道部分(支管和毛管)、電磁閥(閥門)、傳感器(傳出土壤體積含水量)、接收器(接收土壤體積含水量信息)、繼電器(判斷電源)和時間繼電器(調節灌水時間)等6個部分組成。電磁閥與繼電器相連，繼電器與接收器相連，接收器收到傳感器傳來的信息，如土壤體積含水量等，若達到設定值時，繼電器接通電源，打開電磁閥進行澆灌。技術參數的計算：①確定土壤體積含水量和計劃濕潤層深度等參數；②根據果園果樹株行距確定支管和毛管長度；③根據飲用水流量和壓力來確定電磁閥的位置和輪灌組(灌水小區)數。

2 設計應用實例

2.1 設計參數

(1)設計思路。作物類型和種植方向確定之后，首先選定毛管類型、毛管內徑d、滴頭流量q等參數。根據地形條件和作物種植模式確定毛管間距SL和滴頭間距Se，再計算毛管極限長度，確定毛管實際鋪設長度進行核對。毛管實際鋪設長度除以滴頭間距再乘滴頭流量，從而獲得一條毛管的流量[6-8]。判斷飲用水流量和水頭是否滿足一條毛管流量(灌水小區)和壓力要求，試驗區飲用水流量和壓力滿足4條毛管的流量和壓力，因此屬于1個電磁閥控制的A灌水小區(見圖1)，相應灌水小區控制系統見圖2。根據地形條件確定支管長度L支計算相應的支管流量Q支，然后計算干管流量Q干，干管流量應小于等于飲用水水量。

圖1 一個灌水A小區Fig.1 Schematic diagram of a A irrigation area

圖2 控制3個灌水小區的系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the control system of three irrigation districts 注：1-控制實例區(A)灌水小區的繼電器；2-總時間繼電器(時間上控制3個灌水器的時間和循環過程)；3-開關(自動及手動兩用型)；4-電源開關；5-電源判斷器；6-接收器(接收土壤含水率傳感器信息)；7-B、C等其他灌水小區的時間繼電器；8-C灌水小區的繼電器；9-B灌水小區的繼電器；10-C灌水小區的輸水管；11-B灌水小區的輸水管；12-總繼電器(控制3個灌區的循環灌水)；13-實例A灌水小區的繼電器。

(2)土壤濕潤范圍的計算。在無觀測資料時，土壤性質(土壤容重)、土壤初始含水率、滴頭流量q和灌水時間t確定之后，土壤濕潤范圍按下列經驗公式計算確定[9]：

R=(A+Bq)t1-α

(1)

式中：R為計算水平擴散時濕潤半徑(計算垂直擴散時土壤濕潤深度用H表示)，m；t為滴水時間，min；q為滴頭流量，L/h；A、B、α為與土壤因素有關的系數，查表1確定。通過試驗確定土壤濕潤深度(或濕潤半徑)、土壤容重和滴頭流量之后，查表1后按經驗公式(1)反求滴水時間t。

采用式(1)分別計算出土壤橫向擴散半徑(濕潤半徑)和縱向濕潤深度，然后可計算土壤濕潤比。

(3)滴灌下土壤濕潤比的計算。果樹滴灌屬于點水源滴灌，水以滴水形式進入土壤，在土壤重力勢和基質勢的作用下，不僅向土壤縱向運動，而且也在土壤基質勢的作用下橫向運動，逐漸濕潤樹根下附近的土壤。滴灌繼續滴水時，土壤縱和橫各向水分都在變化。

①影響土壤濕潤比的因素。土壤濕潤比受毛管和滴水器的布置形式的影響。毛管上滴水孔數多土壤濕潤比較大，毛管數多同樣濕潤比也大，因此土壤濕潤比的大小與所選用的滴頭類型和毛管數有密切關系。土壤濕潤比是該滴頭濕潤體體積V濕占該滴頭控制灌溉面積上的土體積V灌百分比，一行樹設一條毛管情況見圖3，各向均質土壤滴水后的土壤濕潤體及滴頭間距見圖4。

圖3 單行直線毛管布置Fig.3 Single linear capillary arrangement

滴頭滴水下土壤濕潤比按下式表達，即：

(2)

表1 不同土壤質地對應的A、B、α值Tab.1 Soil texture corresponds to different A、B and α value

圖4 土壤濕潤體及滴頭間距Fig.4 Moist soil body and drop head spacing

由圖2和3可推導灌溉面積上的土體V濕，土壤濕潤體積相似于圓柱體，近似計算體積按下式計算：

(3)

V灌=SeSLH

(4)

將式(3)和式(4)代入式(2)整理后可得土壤濕潤比P：

(5)

式中：n為滴水孔數(單個滴頭供水時n=1)；P為土壤濕潤比，%；V灌為滴頭控制灌溉面積上的土體積，m3；Se為滴頭間距，m；SL為毛管間距，m；V濕為灌溉面積上的土體；H為濕潤深度，m；DW為土壤水分擴散直徑，m。

②工作壓力及管道長度計算。根據飲用水的壓力(工作壓力h)按式(6)計算確定滴頭流量q，購買相應滴頭流量的滴水器(穩流滴頭器)。按照果樹行距(SL)株距(Se)，按式(7)以毛管和支管長度作為變量，調節Q系計算至飲用水提供流量相等為止。

q=chx

(6)

(7)

2.2 計算實例

(1)試驗地概況。試驗地由4行葡萄、3行蘋果和3行桃子組成。土壤為沙壤土，土壤容重為1.25 g/cm3，平均氣溫35.2 ℃。①葡萄試驗地長20 m寬6 m，面積為0.012 hm2，葡萄栽種模式株行距為2 m×2 m；②蘋果試驗地長20 m寬10 m,面積為0.02 hm2，蘋果栽種模式株行距4 m×5 m；③桃子試驗地長20 m寬4 m，面積為0.008 hm2，桃子栽種模式株行距為2.5 m×4 m。采用毛管直徑20 mm滴灌管，滴水器間距分別為2.0、4.0、2.5 m，飲用水壓力水頭為12 m，流量為20 m3/h。試驗區飲用水流量和壓力最多滿足4條毛管的流量和壓力，因此葡萄園A區、蘋果園B區及桃子園C區分別設置3個輪灌區。

(2)現狀及裝置參數確定。吐魯番地區農戶以種植葡萄為主，采用溝灌方式。蘋果、桃子及梨子等果樹為副，采用漫灌方式。每公頃葡萄灌水量13 140 m3，其余果樹(蘋果、梨子及桃子等)每公頃灌溉量在11 820 m3左右，果樹平均灌水量12 480 m3。當地飲用水價格1.8 元/m3，每公頃地灌水費22 464 元。實施自動裝置后，每公頃灌水定額300 m3，15 d灌一次水，1 a灌水9次，每公頃地灌水量2 700 m3，滴灌灌水費每公頃4 860 元。采用最好滴管材料的情況下每公頃需要9 750 元，自動控制系統灌溉1路設備每公頃需要3 000 元，合計17 610 元。家用飲用水不同流量和水頭相應控制面積計算結果見表2，計算公式見參考文獻[7-9]。

表2 農村用戶飲用水不同流量和水頭控制面積計算結果Tab.2 Different rural users tap water flow andhead control area calculation results

由表2可看出，水頭為6 m時，毛管鋪設長度應在25 m左右為宜，支管長度控制在15～20 m。原因是有限的水頭滿足不了支管進口的壓力，使hd≥ΔH毛進+ΔH支進+hi時可滿足要求，hi為管道進口處水頭損失、連接件水頭損失及干管水頭損失(沿程水頭損失和局部水頭損失)之和，通過推算得hi=0.3 m。

鑒于家用飲用水的流量和水頭(壓力)小，該灌溉裝置采用儲水桶(或修建小型水池)進行蓄水調節，將飲用水龍頭改為電磁閥，電磁閥與儲水桶的浮子相連，儲水桶蓄滿水后浮子上升斷開電源自動關閉飲用水電磁閥。灌溉系統加壓泵、電磁閥及繼電器與田間探頭相連，通過探頭測定的土壤含水量達到調萎系數時，繼電器→電磁閥→加壓泵自動啟動，開始田間灌溉作業。

3 裝置特點總結

(1)節水效果及適應性。在吐魯番實地進行試驗可知：自動控制系統灌溉1路設備每公頃需要3 000 元，每公頃地節省灌水水費4 500 元左右。該裝置彌補了現有自動灌溉系統和滴灌系統的不足之處，適用于果圓、農作物及溫室大棚的微灌。

(2)裝置幾個特點。①適應性強。面積大小可根據增、減管道長度及直徑調節，地形落差較大時可實現自壓自動灌溉。②簡便性。主要材料部件由電磁閥、繼電器、水泵等組成，結構和操作簡單，調節完后自動完成定期灌溉任務。③可調性。根據土壤性質、作物類型及氣候條件確定灌水量和灌水時間，同時根據作物各生長期的需水量可調節灌水量和灌水時間。④節能性。根據輪灌次序通電，作業完后及時停電，耗電量少，無電灌區可采用太陽能板供電，同樣實現自動灌溉。⑤自控性。土壤含水率達到下限時通過傳感器發的信號來控制電磁閥的啟閉，實現自動作業。也可通過聯通或移動手機綁定推廣到無線遠程控制自動灌溉裝置。

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