芳草湖農場滴灌自動化設施建設方案淺析

徐宜龍

(五家渠農六師勘測設計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300）

1 項目區概況

1.1 自然環境概況

芳草湖農場位于新疆維吾爾自治區呼圖壁縣境內，是大片的河漫灘平原，地勢平坦，呈不規則的長方形，占地約141.96 萬畝。地勢東南高西北低，地形較為平坦。農場位于中緯度西風帶，大陸性氣候十分明顯。項目區丹板社區土壤主要為灰漠土，農業方面主要受霜凍、凍害、旱災、風災等自然災害的破壞。

芳草湖農場地表水資源主要來自呼圖壁河、引額濟烏工程和瑪納斯河，年均場口引水量約為1.68 億m3；地下水主要來源于沖積平原下游河道、渠系滲漏及過量灌溉水補給，年提取量約4200 萬m3。芳草湖農場主要蓄水工程包括大海子水庫、東河水庫及鷹湖水庫，目前工況良好，不存在工程隱患。

1.2 農田水利設施現狀

芳草湖農場現主要有干、支、斗三級渠道，渠系總長637.33 km，其中已防滲475.35 km，完好程度56.67%。項目區丹坂社區有效灌溉面積7.8 萬畝，現有節水滴灌面積6.8 萬畝，地面灌溉面積1.0 萬畝。

芳草湖農場耕地面積為41.03 萬畝，截至目前已建成節水滴灌面積35.7 萬畝、農場遠程信息管理中心一座。經過近幾年的運行，滴灌自動化系統大大降低了人力勞動強度，節約水資源效果明顯，系統運行良好，受到廣泛認可。

2 工程建設內容

2.1 建設范圍及規模

綜合考慮項目分年實施計劃結合農場實際情況，本次將丹坂社區1 連、3 連和5 連的6 個地塊選定為項目區，項目區面積6700 畝。單個系統控灌面積680 畝～1500 畝，本工程等別為Ⅴ等，工程規模為小(2)型，主、次要建筑物級別5 級。滴灌工程設計保證率不應低于90%。本次工程灌溉保證率按90%計算。

2.2 工程布局

本次項目共建設6 個地塊的滴灌及滴灌自動化系統，總面積為6700 畝。工程建設以提高水資源利用效率和生產效益，推進小型農田水利工程建設為目標。目前項目區地塊渠、林、路配套完善，農田格局成型，本次工程為建設節水滴灌和滴灌自動化，不改變農田格局，只改變田間灌水方式。

2.3 主要建設內容

本次工程新建滴灌及滴灌自動化系統6 個，控灌面積6700 畝。新建滴灌系統配套地埋管道31492 m，配套地面PE管41541 m，沉淀池、蓄水池、泵房各6 座，配套首部設備6 套；并配套滴灌自動化設備6 套。

3 設計方案比選

3.1 滴灌帶

目前比較常用的灌水器（滴灌帶）有單翼迷宮式滴灌帶、壓力補償式滴灌帶、內鑲式滴灌帶。其中，單翼迷宮式滴灌帶對泥沙處理要求最低、堵塞敏感性較高，單米造價最低，使用年限為1 年，較適用于棉花、小麥等大田作物；壓力補償式滴灌帶工作壓力及范圍最寬、流量對壓力不敏感、對水溫的變化不敏感，但其對泥沙處理要求最高、單米造價最高，并且使用年限可達5年，較適用于樹木、經濟林灌溉；內鑲式滴灌帶各項指標介于兩者之間。經比較本次項目區內棉花滴灌使用內鑲式滴灌帶，葡萄滴灌使用單翼迷宮式滴灌帶。

3.2 輸配水管道管材選擇

PE 管耐腐蝕、水流阻力小、節約能源、安裝簡便迅速、抗伸縮率大，拉伸斷裂強度大，抗凍性能較好，缺點是大口徑管造價高。PVC 管優點是重量輕、不結垢，輸水能力強，安裝簡便迅速，缺點是抗凍性能較差，易脆裂、耐腐蝕性較弱，對土質要求較高。

PE 管使用年限較PVC 管長，柔韌性、抗凍性能較好，結合芳草湖農場滴灌多年運行經驗，本次工程選擇PE 管作為滴灌地埋管道。

3.3 輪灌方式選擇

滴灌系統的管材均選用輕質高強的PE 管，干管與分干管地埋，支管、毛管置于地表，管網系統通過支管輪灌系統和輔管輪灌系統兩種方案比較，在本項目中選用支管輪灌系統，該方案技術可行，維修方便，操作簡單，工作效率高，年費用較低[1]，布置方式見圖1。

圖1 支管+ 毛管布置方式

3.4 自動化控制技術方案比選

在當前兵團范圍內應用的滴灌自動控制技術按照其從田間控制中心到控制終端（電磁閥）的通訊方式劃分主要有兩種：有線通訊方案和無線通訊方案。

1）無線通訊方案

無線通訊方案包括基于GSM/GPRS 公用網絡的控制技術和基于2.4 GHz無線自組網的自動控制技術，需對這兩種技術比選。

a.基于GSM/GPRS 公用網絡的控制技術

田間控制中心到控制終端（閥門控制器）之間的通訊通過GSM/GPRS 實現的控制技術，特點是系統覆蓋范圍大，可靠性高，數據傳輸距離遠；可以進行雙向監測數據的傳送，設計和施工簡單。

b.基于2.4 GHz 無線自組網的控制技術

田間控制中心到控制終端（閥門控制器）之間的通訊通過

2.4 G 免費微功率頻段實現的控制技術，性能穩定，避免無線電頻點占用費，無通訊費；傳輸距離達到10 km～20 km；結構簡潔、拆卸靈活，功耗低、具有網絡性能故障自診斷功能，系統可靠性較高。

經比較后，2.4 GHz 無線自組網的自動控制技術更適合項目區的需要。

2）有線通訊方案

信號有線傳輸方式指信號傳輸介質為實體，由電纜傳輸。信號電纜連接系統首部和電磁閥，傳輸系統首部向電磁閥發出的信號，輸送電壓為AC24V。電纜采用鎧裝電纜，免套管，防鼠、防水。中央控制室和系統首部之間也采用電纜連接，通過電纜傳送接收數據。

3）方案比較

采取有線方案需要鋪設線纜，防止線纜斷路是項目安全運行的條件之一。本項目主要種植棉花和釀酒葡萄，項目區需要每年翻耕。采取有線方案有造成短路影響控制系統運行的風險。因此本次項目采取無線方案，采取2.4 GHz無線自組網的自動控制技術。

4 實施效果分析

由于本項目僅為6 個地塊配套滴灌，沒有新增灌溉面積，因此無需做水量平衡分析，故僅考慮節水滴灌實施前后的節水量分析[2]。

4.1 灌溉制度分析

現狀年，項目區灌溉方式為地面灌，種植作物為棉花和釀酒葡萄。棉花面積5200 畝，釀酒葡萄面積1500 畝。棉花田間灌水定額為70 m3/畝～80 m3/畝，全年灌水6 次，灌溉定額380 m3/畝；釀酒葡萄灌溉定額為60 m3/畝～70 m3/畝，全年灌水7 次，灌溉定額440 m3/畝。現狀年灌溉制度表見表1。

表1 現狀年灌溉制度表

項目建設后項目區均為滴灌，經計算得棉花最大田間灌水定額為19.67 m3/畝，全年灌水13 次，灌溉定額為314.72 m3/畝。釀酒葡萄最大田間凈灌水定額為18.4 m3/畝，全年灌水14 次，灌溉定額為312.8 m3/畝。作物設計水平年灌溉制度見表2。

表2 設計水平年灌溉制度表

作物 生育階段灌溉起止時間 凈灌水定額(m3/畝)灌溉定額(m3/畝)(月/日)灌溉天數（d)1 4.20-4-25 18.4 6棉花（滴灌）釀酒葡萄（滴灌）2 5.1-5.6 18.4 6 3 5.12-5.17 18.4 6 4 5.24-5.29 18.4 6 5 6.1-6.6 18.4 6 6 6.6-6.11 18.4 6 7 6.18-6.23 18.4 6 8 6.24-6.29 18.4 6 9 7.6-7.11 18.4 6 10 7.18-7.23 18.4 6 11 7.24-7.29 18.4 6 12 8.5-8.10 18.4 6 13 14 312.8 8.17-8.22 10.9-10.30 18.4 73.6 6 22

4.2 灌溉水利用系數分析

1）渠道水利用系數

本次項目區內現狀年渠道水利用系數為農渠水利用系數，項目區內農渠水利用系數經農場提供為0.92，實施節水滴灌后為管道所代替，設計水平年管道輸水利用系數為0.98。

2）田間水利用系數

現狀年田間水利用率取0.88，設計水平年取0.9。

3）灌溉水利用系數

灌溉水利用系數等于渠道水利用系數與田間水利用系數的乘積。本次項目為節水滴灌工程，項目區地塊現狀年采用農渠進行灌溉，設計水平年項目區為節水滴灌系統，農渠為管道所代替。工程建設后項目區的灌溉水利用系數見表3。

表3 項目區實施前后灌溉水利用系數計算表

根據計算得出項目區內現狀年地面灌溉地塊水利用系數為0.81；設計水平年項目區均為節水滴灌，項目區灌溉水利用系數為0.88。

4.3 需水量計算

1）現狀年需水量計算結果見表4。

表4 項目區現狀年需水量

根據項目區地面灌棉花和釀酒葡萄的灌溉定額和項目區灌溉水利用系數，計算項目區現狀年棉花凈灌溉需水量為263.6 萬m3，毛灌溉需水量為325.43 萬m3。

2）設計水平年需水量計算見表5。

表5 項目區設計水平年需水量

設計水平年項目區凈灌溉需水量為210.57 萬m3，毛灌溉需水量為239.29 萬m3。

5 工程效益分析

1）資源效益分析

計算項目區現狀年灌溉需水量為325.43 萬m3，項目建成后，項目區灌溉需水量為239.29 萬m3，項目建設后可節約水資源每年86.14 萬m3。

2）經濟效益分析

本項目實施后，改善灌溉面積6700 畝，項目區地塊灌溉保證率由地面灌的75%提高到90%。項目區的農業生產能力將得到提高，實行滴灌后單產比地面灌提高15%～20%。項目區的主要農作物是棉花和葡萄。項目建設前平均每畝棉花平均單產110 kg，實施本項目之后每畝棉花可達到125 kg，平均每畝增產15 kg，按皮棉平均18 元/kg，葡萄平均每畝單產800 kg，項目實施之后可達到1100 kg，平均每畝增產300 kg，按葡萄平均2.8 元/kg。

6 結語

綜合項目區所在地的自然條件和項目經驗，經過認真比選，在芳草湖農場實施滴灌自動化設施建設具有明顯的資源和經濟效益，對提升水資源利用率、保護生態環境和增加收益具有明顯效果，符合可持續發展的各項要求，是干旱地區發展農業設施建設的有效途徑。