浅谈一体化集成灌溉系统在农业科研试验基地中的应用

陈培玉，金荣生

（河南省农业科学院基地管理与服务中心，河南新乡 453500）

我国水资源短缺，存在分布不均、人均占有量少等问题，农业用水量在总用水量中所占比例为71%左右。节水灌溉工程是将水资源从水源地输送至作物根系，尽可能减少水量损失，满足作物全生育期对水资源的需求，提高水的利用率和水分生产率，水利用系数普遍在0.8 以上，节水效果十分明显，对优化各行业水资源配置具有十分重要的意义［1］。农业科研试验基地是支撑农业科学试验的平台和展示综合创新能力的窗口，是农业科研第二实验室［2］。农业科研试验基地涉及不同作物的研究方向，对灌溉的需求也不尽相同，因此农业试验基地灌溉系统的选择既要满足其个性化、多元化的灌溉需求，又要具有农业节水灌溉模式的示范性。河南现代农业研究开发基地（以下简称“基地”）一体化集成灌溉系统，可以较好地满足这一要求。

1 基地基本情况

1.1 基地概况

基地隶属于河南省农业科学院，是融农业高新技术研究、现代农业展示、科普教育、产业研发及农业观光于一体的新型综合性试验示范园区，占地383 hm2，分为农业科学试验、高新技术中试与孵化、现代农业展示3个功能区，其中农业科学试验区占地156.67 hm2，内有排渠纵横，外有环渠围绕，临近中央湖区，道路通畅，地块根据14 个专业研究所（中心）不同的农业科学研究和科技产业研发需求，统一划分，形状规整，主要开展农作物育种、高产高效栽培、植物营养与保护、种子加工、工厂化育苗、精准农业、节水农业等学科的试验研究，涉及的农作物包括小麦、大豆、芝麻、玉米、油菜、花生、水稻和棉花等。

1.2 基地自然条件

基地属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，春短风多雨水少，夏季炎热雨水多，秋高气爽日照长，冬长寒冷少雨雪。年平均气温14.4 ℃，年平均降雨量约为550 mm，年蒸发量为2 034 mm，年平均日照在2 324.5 h左右，平均日照率53.8%，无霜期224 d，最长年份258 d，风向以东北风和西南风较多。地下水资源丰富，南靠黄河，西北接天然文岩渠，东北接王村排渠。10 年平均地下水位为3 m，主要接受大气降水及黄河侧向径流补给，其动态特征随季节变化，水位变幅1.0 m 左右。

2 基地一体化集成灌溉系统的构成

2.1 系统整体布局

一体化集成灌溉系统是以一体化集成泵站为基础，融合管网工程、渠道工程、自动化控制工程，兼容多种灌溉设施及水肥一体化系统的总称。其中，泵站和管网、自动化控制是整个系统的核心部分。该系统以基地23.33 hm2的中心湖水作为主要灌溉水源，设计湖底高程81.694 m，蓄水量50～70 万立方米，将中心湖水提升加压、过滤后，送至管网系统进水口，经过主干管、分干管、支管三级耐压管道输送，将水送至田间地头。各末端用户可以根据各自需要，联合微喷、滴灌、喷灌等灌溉形式。

2.2 一体化集成泵站

一体化集成泵站的基础设施包括水泵、电机、过滤器设备、进出水管道、变频控制柜和高低压配电柜等；安全设备包括逆止阀、排气阀、控制阀、安全阀等；计量设备包括流量计、真空表、压力表和温度计等，集成泵站平面示意图见图1。

2.2.1 泵的选择

该系统采用5 台水泵供水。其中，4 台长轴深井泵为主泵，型号为300LJC160-11.5，流量均为160 m3，扬程65 m，单台电机功率37 kW；持压泵1 台，型号175QJ10-60/4，功率为4 kW，用于小流量时的管道保压和用水。采用阶梯流量控制，根据用水量的多少，自动控制开启水泵的台数，节能省电，还能减少管道运行压力，提高水泵利用率，降低故障率。

图1 集成泵站平面示意图

2.2.2 过滤系统

泵站过滤系统采用两级过滤，采用8 个Φ1 000 mm的砂石过滤器并联安装，作为初级过滤，拦截水中大的颗粒杂质、浮游微生物及藻类。采用过滤精度为120 目的网式自动反冲洗过滤器作为灌溉系统的精过滤，保障灌溉喷头不被堵塞。

2.2.3 泵站控制柜

采用交流电动机变频调速技术，由PID（比例-积分-微分控制器）闭环控制，能自动按照系统用水量和设定的压力调节其供水量，通过PLC（可编程控制器）程序自动控制补泵、退泵等操作，不仅使系统供水压力恒定，还能达到最理想的节能效果。设定不同的压力可以满足不同灌溉方式的需要。泵房控制系统有多项报警保护功能，如水位过低、流量过大、异常超压、电源错相、电机过载、压力传感器中断以及过滤器故障等。

2.3 系统管网

该系统保留了基地旧式井灌管网系统，增加高压管网灌溉系统，供水管采用具有更好的伸缩性和抗冲击性能的PE 管，主管外径355～400 mm，支管外径110～200 mm，分管外径为50 mm，承压能力1.6 MPa，整个系统管网长度约40 000 m。灌溉管网系统设计灌溉保证率达到90%，灌溉水利用系数：滴灌不低于0.9，喷灌不低于0.8，小管出流不低于0.9，管灌不低于0.85。

2.4 自动化控制系统

自动化系统主要包括中央计算机、管道电磁阀、田间控制器、解码器、水肥一体化设备及数据采集和监测设备。中央计算机和ACC（解码器控制器）田间分控箱采用GPRS（通用分组无线服务技术）手机网络进行通信，计算机需连接互联网，分控箱集成了带有数据业务的移动SIM 卡，控制距离不受地域限制，计算机安装位置灵活方便，也可实现远程操作。ACC 田间分控箱之间采用GCBL 通信电缆进行通信，ROAM 远程遥控器与ACC 田间分控箱的通信采用27 MHz 低频无线通信，可实现3 km的遥控操作。同时，计算机可以载入项目区当地平面图，进行图形操作，实现远程操控，动态模拟显示泵站、电磁阀、流量计量等的工作状态，随时调取各末端工作情况和历史数据。

3 系统优势

3.1 “2+1”水源模式，科研灌溉用水双保险

“2+1”指湖水、井水两个水源保障，共用一套管网系统。以湖水等地表水为主，井水为辅，双水源保障，不误农时。同时，地表水灌溉是国家提倡的节水灌溉方式，充分利用地表水能够保证地下水资源可持续利用。与地下水灌溉相比，地表水灌溉不仅能够节约水资源，富含有机质，还能增强作物抗病虫害、抗倒伏能力，提高作物品质。

3.2 提高水资源利用率和灌溉效率

该系统采用1.6 MPa PE 管道输水灌溉可减少渗漏损失和蒸发损失，提高水资源的利用率。同时，较高的管道耐压能力为灌溉效率的提高提供保障。以滴灌为例，用水量比三面光沟渠减少水损20%～30%，肥水利用率提高20%～40%，可节省工时60 个/hm2［3］。就微喷而言，传统井灌管网最多能满足3～5 根微喷管（80 m）同时工作的压力，而一体化灌溉系统能同时满足20～30根微喷管正常工作，效率提升近7 倍。

3.3 减少占地，方便管理

该系统管道埋深80 cm，不影响正常耕作，突出地面的喷灌设施紧邻试验地边，减少占用耕地面积，有效提高了作物种植率。每个灌溉终端都设有阀门控制开关，便于对灌溉过程中水量的控制，满足不同作物用水需求，为农业科研试验灌溉用水科学化管理创造有利条件。

3.4 兼容能力强

该系统兼容能力强，可以满足农业科研试验灌溉需求的多样化，出水量最高为650 m3·h-1，能同时满足微喷、大喷灌、滴灌、漫灌、移动式喷灌等多种灌溉模式需求。如小麦在耕作前，需要压碱压盐灌溉时宜用漫灌方式，分檗期宜用微喷方式，灌浆期宜用移动式喷灌方式等。

3.5 拓展性和实用性强

该系统拓展性和实用性强，满足现代农业试验基地的展示性、示范性。系统能通过电脑端或手机APP 端远程控制泵站控制柜、试验地电动阀、电磁阀，配合试验地监控系统实现农业灌溉可视自动化管理，建立基地高效灌溉工程与节水技术集成示范区，促进高效灌溉农业的规范化、规模化发展。

4 问题及建议

4.1 系统设施保护问题

田间电动阀长期在阀门井内，线路及控制板容易受潮，造成电机损坏。建议电动阀门控制面板通过加高连接杆高于地面，用控制箱加以保护，利用太阳能提供电动阀电源，减少电线的使用和破损概率。

4.2 湖水过滤问题

湖水中泥沙较多，容易堵塞过滤系统。建议水源前端增加二级过滤沉淀池，减少湖水泥沙含量及杂物，同时加强管理，定期清理沉淀池、过滤器，避免堵塞，影响灌溉。

4.3 压力设置问题

该系统兼容多种灌溉模式，但不同的灌溉模式所需供水压力不同，滴灌1～2 Pa、微喷3～4 Pa、喷灌5～7 Pa，需要制定科学灌溉制度，结合总体灌溉系统运行情况，采取轮灌，由基地中心办公室进行统一调控调度，保证灌溉季节需水量大时能够有序完成灌水。