南疆自动化滴灌棉花灌溉制度的研究

阿布都卡依木·阿布力米提，赵经华，马英杰，马道坤

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083)

0 引 言

新疆是水资源极为紧缺的干旱地区，水资源利用效率依然不高，尤其是农业水利用率较低，除了自然蒸发和深层渗漏以外，因灌溉管理等措施的不完善而产生的水量浪费也是主要的原因。常规滴灌系统均采用人工控制球阀进行灌溉，受传统长期沟灌思维影响,种植户往往不能严格按照设计进行灌溉，经常人为延长灌溉时间和轮灌周期，最终造成棉花滴灌系统运行异常，很难达到预期的节水增产目的[1-4]。

自动化滴灌系统是世界先进国家发展高效农业节水的重要举措，由于减少了大量的劳动力，同时减少了因人工管理不当而造成的水资源浪费[5-7]。以色列、日本、美国等一些国家都已有自动化滴灌成功的范例。通过采用遥感、墒情监测系统等技术来监测土壤水分变化和作物生长，对灌区实行动态管理，实现用水的自动遥控和自动化用水管理是为了农业水管理的发展趋势。近几年来许多学者[8-14]对自动化技术在膜下滴灌棉花上的应用做了研究，阐明了生产中存在问题。可大多都偏于理论为主，缺少用实时数据验证的案例，因此自动化技术在应用及改善中仍有较多问题。本文以南疆塔河种业滴灌自动化试验项目为例，采用自动化滴灌措施，在大田棉花地以出地桩为研究单元(灌水小区)，对流量、压力和土壤墒情进行监测，分析研究符合自动化滴灌技术的有效灌溉制度，以期为当地棉花制定自动化灌溉制度提供数据依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年在新疆阿克苏地区农一师阿拉尔市塔河种业良繁一场三队，(北纬40°55′47.49″，东经81°04′52.09″)在智能化滴灌建设示范项目基础上进行。示范区总面积173 hm2，分为两个系统，每个系统中有9块条田(地块)，一共有18块条田(地块)组成，一块条田(地块)的面积为约8 hm2。种植作物是棉花，种植模式为一膜一管四行作物(10+66+10)、株距为10 cm，滴头间距30 cm、毛管间距1.26 m，滴头流量2.8 L/h，土壤类型沙壤土、沙土为主。在原有的滴灌系统基础上改造成自动化滴灌系统，改造内容包括滴灌系统首部改造和田间改造。

1.2 试验设计与方法

本次试验田块一共有117个出地桩(灌水小区)，把手控阀门改造并安装智能化测试设备，一个出地桩所控制的面积是约1 hm2。出地桩的改造包括每一个出地桩上安装了自动化电磁双头阀一台(简称电磁阀，是指一台电磁阀自带两个自动化阀门，能够控制一个出地桩双边的两条支管)、智能化流量/压力传感器一台，智能化远程阀门控制器一台，信号发收器等；田间灌溉控制站(又称网关)路由五套，每套网关控制相邻4块条田。网关布置时将相邻4块条田看作成一个控制区，划对角线确定出单个控制区的中心点，由此点基础上采用智能化小无线设备和移动式网关进行信号强度的测试，最后制定出信号强度90%以上的点为最佳安装田间控制站之处及其安装。同时在一个系统中选择4块条田，在每一块条田内安装田间自动化墒情监测传感器，一共安装20套墒情传感器，每一套传感器自带三个监测探头，能监测土壤水分和温度。此传感器安装位置是在一台电磁阀所能够控制的灌溉面积之内，探头埋在地膜之下，距离滴灌带15 cm处，埋深深度10、20、40 cm。这种布置方式便于监测土壤水分和温度的变化规律及其与灌水量的关系，能够为自动化滴灌系统制定有效、可靠的灌溉制度提供依据。由田间控制站(网关)控制和接收田间自动化设备的运行及数据传送、存储，同时报送到总控制站电脑和平台，并实时显示在监控屏幕。

示范试验区于2015年6月14日浇头水，灌头水前一天完成整个系统输水管道和地面管的排气、试压作业。棉花整个生育期平均灌水12次，灌水周期是根据棉花各生育期作物需水量不同，以实时自动监测的土壤墒情(土壤含水率及土壤温度)为依据，按照当地用户的种植经验和类似地区以往的试验资料调整灌水时间，并非固定式地制定。本文以该系统第一个轮灌组数据为例，对整个项目区自动化监测的水量、压力及墒情数据进行分析，为今后自动化灌溉提供试验依据。该轮灌组是同一个系统内由两条分干管控制的两块条田组成，每一条分干管上同时开4个出地桩及其两边的支管，共有8个出地桩16条支管同时工作。在系统压力和田间管网系统正常工作的情况下，该轮灌组每次灌水时间出地桩出水管道压力统计情况见表1。

因整个系统不是按照设计灌溉制度运行，而是为了方便田间管理和施肥，采用由一家户承包管理的地块为一个轮灌组进行灌溉。所以同一个轮灌组各出地桩实际工作压力不均匀会引起流量不均匀，该轮灌组每次灌水后灌水定额统计情况见表2。

2 结果与分析

在系统运行当中，系统首部压力是由管理员进行手动调试。系统压力满足整个系统经常运行所需要的设计工作压力，在此前提下对各个出地桩实际水量和管道压力的变化数据进行比较和分析。并且针对单个片区的流量与同一个条田内同时工作的出地桩流量和压力的均匀度进行分析。

表1 灌水小区各节点工作压力统计表 kPa

表2 棉花全生育期灌水定额统计表 m3/hm2

2.1 试验小区灌水量的分析

按照滴灌系统的设计规范来说，同时工作的每一条支管出水量是相等的。因此滴灌系统运行工作的时候往往被默认为每一出地桩的出水量是一样的，可是实际运行当中市场出现一些不理想的因素；如系统运行时有毛管脱漏、支管打结之处流水、由出地桩与地面管连接的不结实漏水、不在灌水轮灌组内的其他出水管同时流水和轮灌组的编制不合理等。

目前新疆滴灌技术的发展已经有十多年的历史，滴灌系统的工况、地面灌的管理、配备和施工监督方面的技术和认识相当成熟。可是因为很多地方种植户以个体为单位承包管理和种地管地分散的原因，使灌水、施肥和管理不一致，一次轮灌组只灌水一家户(一块条田)等客观情况。所以滴灌系统实际运行当中，经常出现相同时间内只工作一条(一块条田)或两条(两块条田)分干管工作，并且地里的所有阀门都打开而延长灌水时间和产生灌水量不均匀等情况。以下试验项目区第一个轮灌组为典型对整个试验区项目进行分析，见图1。

图1 各出地桩灌水时间与灌水定额图

由图1可知，同时工作的各个出地桩出水量之间有明显的差异，这种情况下同一块地里不同出地桩所控制的作物实际灌水定额就不一样，就会出现灌溉不均匀、作物长势不均匀、产量不均匀等现象。

2.2 试验小区管道压力分析

各出水管道的水量和管道工作压力是密切相关，而且管道出水点压力恰恰是各管道水量均匀分配的主要前提条件之一。对于自动化电磁阀来说出地桩出水压力不均匀或者过低的话，会引起电磁阀不能经常发挥其作用，甚至出现无法经常工作等情况。所以运行智能化滴管技术之前掌握和控制好各出水点的压力是极为重要的，该试验小区每次灌水时候的出水桩的压力情况如图2所示。

由图2 可知，两条分干管同时工作的情况下，两条分干管上的各出地桩工作压力是不均匀的。在大田灌溉中，尤其是用自动化技术进行灌溉的时候，各出水管压力反映系统输水管道的工作状况和水量的分布情况。

2.3 试验小区灌水量与管道压力关系

通过针对在每次灌水时间同时进行灌溉的片区里各个出水桩管道压力与灌水量实时监测的数据进行分析得知，各个出地桩水量与管道压力的变化有紧密的关系。管道压力的降低或者出现低压运行等情况时，在各支管灌水量之间会产生灌水量不均匀等不良现象。灌溉小区每次灌水时出地桩出水量与压力之间的关系见图3，灌水均匀度和压力均匀度关系见图4。 经过方差分析得知，该灌区滴灌系统各出水点管道压力相当不均匀，约18%，灌溉均匀度随着系统管道压力的不均匀而明显低，灌区滴灌系统的灌水均匀度为约16%。由此数据可知，本灌区目前明显的存在滴灌系统低压不均匀运行情况下进行灌溉。按照常规经验进行灌溉、凭经验制定灌溉制度会出现灌溉片区灌水不均匀，相邻两个出地桩所灌溉的水量之间也存在差别。因为常规滴灌灌溉制度是柔性的，一旦设施自动化灌溉，这种矛盾就暴露出来。

图2 各出地桩灌水时间与压力分布图

2.4 试验小区土壤水分与温度变化趋势

自动化滴灌运行当中，要按照作物特性来做灌溉预报和制定符合当地条件的灌溉制度，首先除了掌握灌水量和管道系统的运行压力以外，必须了解土壤持水特性。为了掌握好土壤水分的变化情况，对该实验小区土壤含水率与土壤温度的变化做实时监测和分析，见图5。

图3 管道压力与水量均关系图 图4 管道压力与水量均匀度图

图5 土壤含水率与温度变化曲线图

土壤水分和土壤温度是作物生长的主要影响因素，土壤水分与温度的合理控制是供适合生长环境的前提条件。由图5得知，土壤水分和土壤温度变化的基本规律，并且含水率与温度在不同断层面的变化趋势，同时可以看出土壤水分与土壤温度的变化关系。图5中可以看出该试验小区土壤含水率的变化范围为19.6%～33.38%(体积含水率)，土壤温度变化范围为17.05～21.63 ℃，土壤含水率和土壤温度完全符合作物生长所需的必要条件。

2.5 试验小区灌水量与产量关系

以一个出地桩控制灌溉的小区为单位，对同时工作的各个出地桩所控制灌溉小区的棉花进行测产。测产是按照每个灌溉小区里选定代表性的70株棉花，并且统计有效铃数，然后以50个有效铃的平均重量算出单位灌水小区的籽棉产量，单位灌溉小区的灌溉定额与产量统计见表3。

表3 灌水量与产量的关系

由图6可知，随着灌水量增加棉花产量呈先增大后降低的趋势，灌溉定额为7 426 m3/hm2的灌溉小区棉花产量出现最大值6 567.60 kg/hm2。这说明灌水量增加到一定程度后，如果继续增加灌水量会起到负面作用。

图6 灌水量与产量关系图

3 结 语

本文对自动化滴灌示范试验区实时监测的灌水定额、灌溉定额及土壤墒情数据资料进行分析，得知现有灌区因灌溉轮灌制度不严格按照滴灌设计的要求运行，常规滴灌系统仍然存在低压运行而灌水不均匀的问题，并且相互偏差明显大。在试验中监测同时间内各灌水小区的不同灌水量情况下，灌溉定额为7 426 m3/hm2时则产量达到最高值6 567.60 kg/hm2，反而灌水量达到最大值之处产量却比较低。

目前新疆农业水利建设仍然处于落后状态，为了提高水资源高效利用率、灌区灌溉均匀度和编制合理的灌溉制度，全面推广自动化灌溉技术掌握作物需水耗水及土壤墒情变化规律，为将来的智慧农业专家系统提供参考依据。同时要加强对用户和基层管理员的培训，提高他们对新技术的理解和利用能力，促进和推广合理而科学的灌溉农业。

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