适用于吐鲁番地区果园自动化滴灌装置的设计

安尼瓦·斯地克，穆哈西，吾买尔·吐尔逊

(1.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐，830049；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐，830052)

0 引 言

新疆吐鲁番是严重的干旱区，降雨稀少，蒸发量大，严重的水资源危机已成为限制本地区农业经济发展的主要障碍。近年来随着新疆社会经济的快速发展，各用水部门间的矛盾日益剧增，使原本微弱的绿洲生态环境问题愈加突出[1,2]。随着人民生活水平的提高各农户都关注自己果园的绿化，但水源的严重短缺问题阻碍着他们的积极性。主要的问题有：①各用户自己的果园只靠饮用水漫灌形式浇灌，但漫灌果园用水量多、灌水时间长；②饮用水价格贵、流量和压力小。为解决此问题，研制出了果园自动控制浇水装置[3-5]。该装置价格低，可根据饮用水的流量和压力，调好灌水时间和灌水周期后，不需要人监守实现自动浇灌。一方面可大幅度减少劳动量，家人出游也不必担忧果园的浇水问题；另一方面大大降低了果树减产或死亡带来的损失。本文结合应用实例来说明该装置设计过程及其功能特点，为类似果园实现节水灌溉自动化技术提供参考。

1 工作原理及技术参数

果园自动化浇灌装置由管道部分(支管和毛管)、电磁阀(阀门)、传感器(传出土壤体积含水量)、接收器(接收土壤体积含水量信息)、继电器(判断电源)和时间继电器(调节灌水时间)等6个部分组成。电磁阀与继电器相连，继电器与接收器相连，接收器收到传感器传来的信息，如土壤体积含水量等，若达到设定值时，继电器接通电源，打开电磁阀进行浇灌。技术参数的计算：①确定土壤体积含水量和计划湿润层深度等参数；②根据果园果树株行距确定支管和毛管长度；③根据饮用水流量和压力来确定电磁阀的位置和轮灌组(灌水小区)数。

2 设计应用实例

2.1 设计参数

(1)设计思路。作物类型和种植方向确定之后，首先选定毛管类型、毛管内径d、滴头流量q等参数。根据地形条件和作物种植模式确定毛管间距SL和滴头间距Se，再计算毛管极限长度，确定毛管实际铺设长度进行核对。毛管实际铺设长度除以滴头间距再乘滴头流量，从而获得一条毛管的流量[6-8]。判断饮用水流量和水头是否满足一条毛管流量(灌水小区)和压力要求，试验区饮用水流量和压力满足4条毛管的流量和压力，因此属于1个电磁阀控制的A灌水小区(见图1)，相应灌水小区控制系统见图2。根据地形条件确定支管长度L支计算相应的支管流量Q支，然后计算干管流量Q干，干管流量应小于等于饮用水水量。

图1 一个灌水A小区Fig.1 Schematic diagram of a A irrigation area

图2 控制3个灌水小区的系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the control system of three irrigation districts 注：1-控制实例区(A)灌水小区的继电器；2-总时间继电器(时间上控制3个灌水器的时间和循环过程)；3-开关(自动及手动两用型)；4-电源开关；5-电源判断器；6-接收器(接收土壤含水率传感器信息)；7-B、C等其他灌水小区的时间继电器；8-C灌水小区的继电器；9-B灌水小区的继电器；10-C灌水小区的输水管；11-B灌水小区的输水管；12-总继电器(控制3个灌区的循环灌水)；13-实例A灌水小区的继电器。

(2)土壤湿润范围的计算。在无观测资料时，土壤性质(土壤容重)、土壤初始含水率、滴头流量q和灌水时间t确定之后，土壤湿润范围按下列经验公式计算确定[9]：

R=(A+Bq)t1-α

(1)

式中：R为计算水平扩散时湿润半径(计算垂直扩散时土壤湿润深度用H表示)，m；t为滴水时间，min；q为滴头流量，L/h；A、B、α为与土壤因素有关的系数，查表1确定。通过试验确定土壤湿润深度(或湿润半径)、土壤容重和滴头流量之后，查表1后按经验公式(1)反求滴水时间t。

采用式(1)分别计算出土壤横向扩散半径(湿润半径)和纵向湿润深度，然后可计算土壤湿润比。

(3)滴灌下土壤湿润比的计算。果树滴灌属于点水源滴灌，水以滴水形式进入土壤，在土壤重力势和基质势的作用下，不仅向土壤纵向运动，而且也在土壤基质势的作用下横向运动，逐渐湿润树根下附近的土壤。滴灌继续滴水时，土壤纵和横各向水分都在变化。

①影响土壤湿润比的因素。土壤湿润比受毛管和滴水器的布置形式的影响。毛管上滴水孔数多土壤湿润比较大，毛管数多同样湿润比也大，因此土壤湿润比的大小与所选用的滴头类型和毛管数有密切关系。土壤湿润比是该滴头湿润体体积V湿占该滴头控制灌溉面积上的土体积V灌百分比，一行树设一条毛管情况见图3，各向均质土壤滴水后的土壤湿润体及滴头间距见图4。

图3 单行直线毛管布置Fig.3 Single linear capillary arrangement

滴头滴水下土壤湿润比按下式表达，即：

(2)

表1 不同土壤质地对应的A、B、α值Tab.1 Soil texture corresponds to different A、B and α value

图4 土壤湿润体及滴头间距Fig.4 Moist soil body and drop head spacing

由图2和3可推导灌溉面积上的土体V湿，土壤湿润体积相似于圆柱体，近似计算体积按下式计算：

(3)

V灌=SeSLH

(4)

将式(3)和式(4)代入式(2)整理后可得土壤湿润比P：

(5)

式中：n为滴水孔数(单个滴头供水时n=1)；P为土壤湿润比，%；V灌为滴头控制灌溉面积上的土体积，m3；Se为滴头间距，m；SL为毛管间距，m；V湿为灌溉面积上的土体；H为湿润深度，m；DW为土壤水分扩散直径，m。

②工作压力及管道长度计算。根据饮用水的压力(工作压力h)按式(6)计算确定滴头流量q，购买相应滴头流量的滴水器(稳流滴头器)。按照果树行距(SL)株距(Se)，按式(7)以毛管和支管长度作为变量，调节Q系计算至饮用水提供流量相等为止。

q=chx

(6)

(7)

2.2 计算实例

(1)试验地概况。试验地由4行葡萄、3行苹果和3行桃子组成。土壤为沙壤土，土壤容重为1.25 g/cm3，平均气温35.2 ℃。①葡萄试验地长20 m宽6 m，面积为0.012 hm2，葡萄栽种模式株行距为2 m×2 m；②苹果试验地长20 m宽10 m,面积为0.02 hm2，苹果栽种模式株行距4 m×5 m；③桃子试验地长20 m宽4 m，面积为0.008 hm2，桃子栽种模式株行距为2.5 m×4 m。采用毛管直径20 mm滴灌管，滴水器间距分别为2.0、4.0、2.5 m，饮用水压力水头为12 m，流量为20 m3/h。试验区饮用水流量和压力最多满足4条毛管的流量和压力，因此葡萄园A区、苹果园B区及桃子园C区分别设置3个轮灌区。

(2)现状及装置参数确定。吐鲁番地区农户以种植葡萄为主，采用沟灌方式。苹果、桃子及梨子等果树为副，采用漫灌方式。每公顷葡萄灌水量13 140 m3，其余果树(苹果、梨子及桃子等)每公顷灌溉量在11 820 m3左右，果树平均灌水量12 480 m3。当地饮用水价格1.8 元/m3，每公顷地灌水费22 464 元。实施自动装置后，每公顷灌水定额300 m3，15 d灌一次水，1 a灌水9次，每公顷地灌水量2 700 m3，滴灌灌水费每公顷4 860 元。采用最好滴管材料的情况下每公顷需要9 750 元，自动控制系统灌溉1路设备每公顷需要3 000 元，合计17 610 元。家用饮用水不同流量和水头相应控制面积计算结果见表2，计算公式见参考文献[7-9]。

表2 农村用户饮用水不同流量和水头控制面积计算结果Tab.2 Different rural users tap water flow andhead control area calculation results

由表2可看出，水头为6 m时，毛管铺设长度应在25 m左右为宜，支管长度控制在15～20 m。原因是有限的水头满足不了支管进口的压力，使hd≥ΔH毛进+ΔH支进+hi时可满足要求，hi为管道进口处水头损失、连接件水头损失及干管水头损失(沿程水头损失和局部水头损失)之和，通过推算得hi=0.3 m。

鉴于家用饮用水的流量和水头(压力)小，该灌溉装置采用储水桶(或修建小型水池)进行蓄水调节，将饮用水龙头改为电磁阀，电磁阀与储水桶的浮子相连，储水桶蓄满水后浮子上升断开电源自动关闭饮用水电磁阀。灌溉系统加压泵、电磁阀及继电器与田间探头相连，通过探头测定的土壤含水量达到调萎系数时，继电器→电磁阀→加压泵自动启动，开始田间灌溉作业。

3 装置特点总结

(1)节水效果及适应性。在吐鲁番实地进行试验可知：自动控制系统灌溉1路设备每公顷需要3 000 元，每公顷地节省灌水水费4 500 元左右。该装置弥补了现有自动灌溉系统和滴灌系统的不足之处，适用于果圆、农作物及温室大棚的微灌。

(2)装置几个特点。①适应性强。面积大小可根据增、减管道长度及直径调节，地形落差较大时可实现自压自动灌溉。②简便性。主要材料部件由电磁阀、继电器、水泵等组成，结构和操作简单，调节完后自动完成定期灌溉任务。③可调性。根据土壤性质、作物类型及气候条件确定灌水量和灌水时间，同时根据作物各生长期的需水量可调节灌水量和灌水时间。④节能性。根据轮灌次序通电，作业完后及时停电，耗电量少，无电灌区可采用太阳能板供电，同样实现自动灌溉。⑤自控性。土壤含水率达到下限时通过传感器发的信号来控制电磁阀的启闭，实现自动作业。也可通过联通或移动手机绑定推广到无线远程控制自动灌溉装置。

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[1] 史海滨,刘清华.灌溉排水学[M].北京:中国水利水电出版社,2006:13-75.

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[6] 吾买尔·吐尔逊,穆哈西.基于PLC的温室大棚自动防风监控装置设计[J].农机化研究,2015,37(2):218-221,225.

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