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滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究
滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究 摘要:本文介紹了引進(jìn)的以色列先進(jìn)的滴灌技術(shù),同時(shí)從滴灌系統(tǒng)、節(jié)水效果到滴灌的自動(dòng)化控制作了詳盡闡敘,并對(duì)百果園第二期工程建設(shè)提出了滴灌系統(tǒng)的設(shè)想,以此范例,作出了在我國(guó)果園灌水實(shí)現(xiàn)滴灌自動(dòng)化的一般方法和建議。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī) 自動(dòng)化 電磁閥
1 簡(jiǎn)介
是國(guó)家果茶良種場(chǎng)XX省優(yōu)質(zhì)果茶良種繁育場(chǎng),是國(guó)家“九五”種子工程在湖南實(shí)施的重點(diǎn)項(xiàng)目,建于1998年8月,1999年三月由農(nóng)業(yè)部授名為“國(guó)家(湖南)果茶良種場(chǎng)”。
廠址位于XX市西郊雷鋒大道7公里處,占地面積620畝。為加速實(shí)施全省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,先后從美國(guó)﹑法國(guó)﹑埃及﹑日本及國(guó)內(nèi)10多個(gè)省市科研育種單位引進(jìn)優(yōu)質(zhì)果茶品種資源158個(gè),優(yōu)質(zhì)果茶種苗40多萬(wàn)株,建成果茶母本園150畝。每年可向社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)果茶苗木200多萬(wàn)株,果茶母(接)穗1萬(wàn)公斤以上,生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果茶產(chǎn)品1000噸以上。
果茶場(chǎng)也是省城第一座以品茶、園藝、垂釣為主題的農(nóng)業(yè)觀光園。這里空氣清新,景色怡人。春有草莓、櫻桃、“明前”茶;夏有枇杷、蘋(píng)果、葡萄、桃、李、楊梅、無(wú)花果與瓜類(lèi);秋有板栗、柿、棗、梨、獼猴桃;冬有柑桔、橙類(lèi)等。一年四季。百果飄香,是個(gè)名副其實(shí)的“百果園”。
該廠第二期工程將于2003年完成,面積將擴(kuò)至1000多畝。年生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果茶苗木將達(dá)到1000萬(wàn)株,優(yōu)質(zhì)果茶產(chǎn)品產(chǎn)量也將成倍增加,更多的農(nóng)業(yè)高新技術(shù)將落戶(hù)該場(chǎng)。果茶苗木和產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢測(cè)、采后處理、加工和多種農(nóng)業(yè)觀光設(shè)施將全部完善和配置。屆時(shí),一個(gè)全新的高科技生態(tài)農(nóng)業(yè)示范、觀光園將會(huì)展現(xiàn)在你的面前。
百果園是農(nóng)業(yè)高科技的結(jié)晶,而滴灌系統(tǒng)是其中的重中之重。百果園現(xiàn)建成的620畝果園,全部由從以色列引進(jìn)的先進(jìn)滴噴灌系統(tǒng)控制,該園地勢(shì)起伏較大,最高處海拔達(dá)86.60m,最低處64.72m,傳統(tǒng)灌水方式很難進(jìn)行,而先進(jìn)的滴灌系統(tǒng)由于對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng),而且特別適應(yīng)山地丘陵地區(qū),所以滴灌正好大施其能,由低處水庫(kù)中取水,經(jīng)過(guò)過(guò)濾加壓,然后由遍布全園的各種管道把帶有肥料、除蟲(chóng)劑的水準(zhǔn)確地送到每片需水地園中,保證果樹(shù)的正常需水。不過(guò)其系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高,全園僅能使用微機(jī)控制電磁閥的開(kāi)啟,不能精確實(shí)現(xiàn)作物的輪灌、對(duì)灌水時(shí)間和灌水量還不能實(shí)現(xiàn)有效的控制,有望進(jìn)一步提高。
2 滴灌系統(tǒng)
滴灌就是滴水灌溉技術(shù),它是利用低壓管道系統(tǒng),使滴灌水成點(diǎn)滴地、緩慢地、均勻而又定量地浸潤(rùn)作物根系最發(fā)達(dá)的區(qū)域,使作物主要根系活動(dòng)區(qū)的土壤始終保持在最優(yōu)含水狀態(tài)。滴灌不同于傳統(tǒng)的地面灌溉濕潤(rùn)全面積土壤,因此滴灌有節(jié)約灌溉用水量、促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量的作用,是一種很有發(fā)展前途的局部灌水技術(shù)。
百果園主要種植柑桔、葡萄、水蜜桃、茶等低矮果樹(shù),如果采用其它灌水方法,不僅浪費(fèi)水資源,而且很難保證滿(mǎn)足果樹(shù)的需水量,而滴灌具有省水節(jié)能、省工省地省肥、操作簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、對(duì)土壤地形適應(yīng)性強(qiáng)、保護(hù)和保持生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),所以滴灌成為了百果園地首選。
2.1百果園滴灌系統(tǒng)的組成
百果園滴灌系統(tǒng)主要由水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和尾部設(shè)備灌水器以及流量、壓力控制部件和測(cè)量?jī)x表等組成,如圖所示。全園滴灌系統(tǒng)組成示意圖:
1.水源 2.水泵 3.供水管 4.蓄水池 5.逆止閥 6.施肥開(kāi)關(guān) 7. 灌水總開(kāi)關(guān) 8.壓力表
9. 主過(guò)濾器 10. 水表 11. 支管 12. 微噴頭 13. 滴頭 14. 毛管(滴灌帶、滲灌管)
15.滴灌支管 16.尾部開(kāi)關(guān)(電磁閥) 17.沖洗閥 18.肥料罐 19.肥量調(diào)節(jié)閥 20.施肥器 21.干管
2.1.1 水源
江河、湖泊、水庫(kù)、井、渠、泉等水質(zhì)符合微灌要求的均可作為水源,百果園采用從園中的水庫(kù)中取水。
2.1.2 首部樞紐
百果園的首部樞紐包括泵組、動(dòng)力機(jī)、肥料罐、過(guò)濾設(shè)備、控制閥、進(jìn)排氣閥、壓力表、流量計(jì)等。其作用是從水庫(kù)中取水增壓并將其處理成符合微灌要求的水流送到系統(tǒng)中去。百果園中采用五級(jí)加壓式離心泵,在水庫(kù)中取水,現(xiàn)取現(xiàn)用,計(jì)劃建一水塔蓄水。
2.1.3 輸配水管網(wǎng)
輸配水管網(wǎng)的作用是將首部樞紐處理過(guò)的水按照要求輸送分配到每個(gè)灌水單元和灌水器。包括干、支管和毛管三級(jí)管道,毛管是微灌系統(tǒng)末級(jí)管道,其上安裝或連接灌水器。微灌系統(tǒng)中直徑小于或等于63毫米的管道常用聚乙烯(PE)管材,大于63毫米的常用聚氯乙烯(PVC)管材。百果園中干、支管采用PVC管和UPVC管,毛管采用PE管。
2.1.4 尾部設(shè)備
尾部設(shè)備是微灌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,包括微管和與之相聯(lián)的灌水器(小微管、滴頭、微噴頭、滴灌帶、滲灌頭、滲灌管等)插桿等。灌水器將微灌系統(tǒng)上游所來(lái)的壓力水消能后將水成滴狀、霧狀等施于所需灌溉的作物根部或葉面。
2.2 百果園滴灌灌溉系統(tǒng)
灌溉系統(tǒng)的第一期工程是由以色列的普拉斯托公司負(fù)責(zé)承建,全園采用先進(jìn)的滴、噴灌相結(jié)合的微灌節(jié)水技術(shù),是我國(guó)南方發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的典范,其具體情況見(jiàn)下:
2.2.1 設(shè)計(jì)原則
滴灌灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了滿(mǎn)足節(jié)水、節(jié)能、省力等之外,通常應(yīng)遵循以下主要原則:
①必須滿(mǎn)足果園果樹(shù)生長(zhǎng)對(duì)水分的要求;
②灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合耕作實(shí)際,便于操作;
③應(yīng)使所選擇的灌水方法既能滿(mǎn)足作物的灌溉要求,又不因灌溉而造成病害、蟲(chóng)害的發(fā)生;
④在盡可能的情況下,灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮施肥及噴藥裝置;
⑤在盡可能的情況下,應(yīng)使灌溉系統(tǒng)在滿(mǎn)足灌溉要求的同時(shí),工程建設(shè)的綜合造價(jià)最小。
2.2.2 設(shè)計(jì)步驟
2.2.2.1資料的收集在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須掌握以下資料:
①地形資料:根據(jù)實(shí)際情況測(cè)繪大比例尺地形圖,其中包括果園的平面布置、道路、水源位置、高差等。
②土壤資料:主要是土壤理化性質(zhì)、地下水埋藏深度和土層厚度等。土壤理化性質(zhì)主要包括土壤類(lèi)別、干容重、含鹽情況、土壤田間持水率等。
③氣象資料:區(qū)域年均降雨量及季節(jié)分布、平均氣溫、極端氣溫(包括最高、最低氣溫)、最大凍土層深度、無(wú)霜期、蒸騰蒸發(fā)資料等。
④水源資料:水源屬性(個(gè)人或集體)、種類(lèi)、水源位置、水質(zhì)、含沙情況、水位、供水能力、利用和配套情況等。若水源為機(jī)井時(shí),還應(yīng)調(diào)查機(jī)井的靜水位和動(dòng)水位,當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí),一定要調(diào)查清楚地下水位及其周年變化規(guī)律。若水源為渠水時(shí),應(yīng)調(diào)查清楚水源的含泥沙種類(lèi)、含沙量、水位、供水時(shí)間、可能的配水時(shí)間等。同時(shí),還應(yīng)特別注意水源的保證率問(wèn)題,不論是只用于果園的水源還是與周?chē)筇锘煊玫乃?都應(yīng)考慮這個(gè)問(wèn)題。
⑤百果園作物種植資料:其中包括作物的種類(lèi)、種植密度(其中最主要的是行距和株距)等。
⑥百果園的環(huán)境資料:包括百果園周?chē)牡匦巍⒔煌ê凸╇姷取?br> 2.2.2.2 灌水方法的選擇灌水方法選擇適當(dāng)與否,除了影響工程投資外,還直接影響著灌溉系統(tǒng)的效益發(fā)揮和灌溉保證率。因此,應(yīng)根據(jù)作物種類(lèi)、作物的種植制度、種植季節(jié)、水源情況、果園設(shè)施情況、工程區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況等,合理地選擇相對(duì)投資較省、灌溉保證率較高且有利于果園果樹(shù)生長(zhǎng)的灌水方法。百果園灌溉系統(tǒng)的灌水方法采用以滴灌為主,滴噴灌相結(jié)合的方式。
2.2.2.3 滴灌系統(tǒng)布置,百果園滴灌系統(tǒng)的管道分干管、支管和毛管等三級(jí),布置時(shí)干、支、毛三級(jí)管道要求盡量相互垂直,以使管道長(zhǎng)度和水頭損失最小。通常情況下,園內(nèi)一般出水毛管平行于種植方向,支管垂直于種植方向。
2.2.2.4 滴灌灌溉制度的擬定
①灌水定額:是指作為滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單位面積上的一次灌水量,如果用灌水深度表示,可用式(4-8)計(jì)算,即
H——計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(米),一般蔬菜0.20-0.30米深根蔬菜或果樹(shù)0.3-1.0米;
p——土壤濕潤(rùn)比,70%-90%。
②設(shè)計(jì)灌水周期:滴灌設(shè)計(jì)灌水周期是指按一定的灌水定額灌水后,在作物適宜土壤含水率的條件下,保障作物正常生長(zhǎng)的可能延續(xù)時(shí)間T,用式(4-9)計(jì)算,即
③一次灌水延續(xù)時(shí)間:一次灌水延續(xù)時(shí)間是指把設(shè)計(jì)灌水定額水量,在不產(chǎn)生徑流的條件下,均勻分布于果園田間所用的灌水時(shí)間,用式(4-10)計(jì)算,即
i. 輪灌區(qū)數(shù)目的確定:(a)對(duì)于固定式滴灌系統(tǒng),輪灌區(qū)數(shù)目可按式(4-11)計(jì)算:(b)對(duì)于移動(dòng)式滴灌系統(tǒng),則有:
ii. 一條毛管的控制灌溉面積:(a)對(duì)于固定式滴灌系統(tǒng),毛管固定在一個(gè)位置上灌水,控制面積為
f=SeL (4-13)
式中 f——每條毛管控制的灌溉面積(平方米)
L——毛管長(zhǎng)度(米),移動(dòng)式滴灌系統(tǒng)中為出流毛管長(zhǎng)度。
(b)對(duì)于移動(dòng)式滴灌系統(tǒng),一條毛管控制的灌溉面積為
2.2.2.5 滴灌系統(tǒng)控制灌溉面積大小的計(jì)算在灌溉水源能夠得到充分保證的條件下,滴灌面積的大小取決于管道的輸水能力。對(duì)于水源流量不能滿(mǎn)足整個(gè)區(qū)域需要時(shí),滴灌面積為
2.2.2.6 管網(wǎng)水力計(jì)算滴灌系統(tǒng)各級(jí)管道布置好以后,即可從最末端或最不利毛管位置開(kāi)始,逐級(jí)推算各級(jí)管道的水頭損失( 滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究包括沿程水頭損失和局部水頭損失)。在設(shè)計(jì)中,同一條支管上的第一條毛管最前端出水孔處水頭與最末一條毛管最末端出水孔處水頭之間的差值,不超過(guò)滴頭設(shè)計(jì)工作壓力的20%,流量差值不超過(guò)10%;對(duì)于采用壓力補(bǔ)償式滴水器時(shí),僅要求區(qū)域內(nèi)滴頭流量差值不超過(guò)10%,并據(jù)此確定支、毛管的最大設(shè)計(jì)長(zhǎng)度;在滴灌中,由于管網(wǎng)中水流壓力通常小于0.3兆帕,所以多選用PVC塑料管道。 管道中水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的壓力損失通常包括沿程阻力損失和局部阻力損失。工程設(shè)計(jì)中塑料管道的沿程阻力損失常選用式(4-1 6)、(4-17)計(jì)算,局部阻力損失常用式(4-18)計(jì)算。 ①沿程阻力損失hf
當(dāng)管道有多個(gè)出水口時(shí),管道的沿程阻力應(yīng)考慮多口出流對(duì)沿程阻力的折減問(wèn)題,多口出流折減系數(shù)k,對(duì)應(yīng)計(jì)算公式
②局部阻力hj
工程設(shè)計(jì)中為了計(jì)算方便,局部阻力損失也常按沿程阻力損失hf的10%估算。
2.2.2.7 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括各級(jí)管道的管材與管徑的選擇、各級(jí)固定管道的縱剖面設(shè)計(jì)、管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
① 管材的選擇:可用于灌溉的管道種類(lèi)很多,應(yīng)該根據(jù)滴灌區(qū)的具體情況,如地質(zhì)、地形、氣候、運(yùn)輸、供應(yīng)以及使用環(huán)境和工作壓力等條件,結(jié)合各種管材的特性及適用條件進(jìn)行選擇。一般情況下,對(duì)于地理固定管道,可選用鋼筋混凝土管、鋼絲網(wǎng)水泥管、石棉水泥管、鑄鐵管和硬塑料管。鋼管易銹蝕和腐蝕,最好不要選用。隨著材料工業(yè)的發(fā)展,地埋管道多選用塑料管。選用塑料管時(shí)一定要注意,不同材質(zhì)的塑料管在幾何尺寸相同的情況下可承受的工作壓力相差甚遠(yuǎn),特別是在使用低密度聚乙烯管(PE管)時(shí),一定要注意管壁的厚度是否達(dá)到了能承受系統(tǒng)所要求壓力的厚度,若沒(méi)有達(dá)到,千萬(wàn)不能使用,否則將會(huì)埋下隱患,造成運(yùn)行時(shí)管道發(fā)生爆破,甚至導(dǎo)致整個(gè)管道系統(tǒng)癱瘓。用于滴灌地埋管道的塑料管,最好選用硬聚氯乙烯管(UPVC管)。對(duì)于口徑150毫米以上的地埋管道,硬聚氯乙烯管在性能價(jià)格比上的優(yōu)勢(shì)下降,應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析選擇合適的管材。塑料管經(jīng)常暴露在陽(yáng)光下使用,易老化,縮短使用壽命。因此,地面移動(dòng)管最好不采用塑料管。
② 管徑的選擇:當(dāng)輪灌編組和輪灌順序確定之后,各級(jí)管道在每一輪灌組所通過(guò)的流量即可知道。通常選用同一級(jí)管道在各輪灌組中可能通過(guò)的最大流量,作為本級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量,依據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)流量來(lái)確定管道的管徑。若某一級(jí)管道,其最大流量通過(guò)的時(shí)間占管道總過(guò)水時(shí)間的比例甚小,也可選取一個(gè)出現(xiàn)次數(shù)較多的次大流量,作為管道的設(shè)計(jì)流量來(lái)確定管徑。同一級(jí)管道的不同管段通過(guò)的最大流量不同時(shí),可分段確定設(shè)計(jì)流量。(a)支管管徑的確定:支管是指直接安裝豎管和滴頭的那一級(jí)管道。支管管徑的選擇主要依據(jù)灌溉均勻的原則。管徑選得越大,支管運(yùn)行時(shí)的水頭損失就越小,同一支管上各滴頭的實(shí)際工作壓力和灌水量就越接近,灌溉均勻度就越接近設(shè)計(jì)狀況。但這樣增大了支管的投資,對(duì)移動(dòng)支管來(lái)說(shuō)還增加了拆裝、搬移的勞動(dòng)強(qiáng)度。管徑選得小,支管投資減少,移動(dòng)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度降低,但由于運(yùn)行時(shí)支管內(nèi)水頭損失增大,同一支管上各滴頭的實(shí)際工作壓力和灌水量差別增大,結(jié)果造成果園各處受水量不一致,影響滴灌質(zhì)量。為了保證同一支管上各滴頭實(shí)際出水量的相對(duì)偏差不大于20%,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ85-85規(guī)定:同一支管上任意兩個(gè)滴頭之間的工作壓力差應(yīng)在滴頭設(shè)計(jì)工作壓力的20%以?xún)?nèi)。顯然,支管若在平坦的地面上鋪設(shè),其首末兩端滴頭間的工作壓力差應(yīng)最大。若支管鋪設(shè)在地形起伏的地面上,則其最大的工作壓力差并不見(jiàn)得發(fā)生在首末滴頭之間�？紤]地形高差△Z的影響時(shí)上述規(guī)定可表示為
許的水頭損失即為從式(4-20)
可以看出:逆坡鋪設(shè)支管時(shí),允許的hw的值小,即選用的支管管徑應(yīng)大些;順坡鋪設(shè)支管時(shí),因△Z的值本身為負(fù)值,其允許的hw的值可以比0.2hp大些,也就是說(shuō)因支管順坡鋪設(shè)時(shí),因地形坡降彌補(bǔ)了支管內(nèi)的部分水力坡降,選用的支管管徑可適當(dāng)?shù)男⌒?當(dāng)一條支管選用同管徑的管子時(shí),從支管首端到朱端,由于沿程出流,支管內(nèi)的流速水頭逐次減小,抵消了局部水頭損失,所以計(jì)算支管內(nèi)水頭損失時(shí),可直接用沿程水頭損失來(lái)代替其總水頭損失,即h'f=hw,式(4-20)可改寫(xiě)為
滴頭選定后,滿(mǎn)頭的設(shè)計(jì)工作壓力可從滴頭性能表中查得。兩滴頭進(jìn)水口高程差(實(shí)際上就是兩滴頭所在地的地面高差)可以從系統(tǒng)平面布置圖中查取。則h'f即可求出。利用公式h'f=FfLQm/db,在其他參數(shù)已知的情況下反求管徑d,d就是該支管可選用的最小管徑的計(jì)算值。因管材的管徑已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。因此,還需按管材的標(biāo)準(zhǔn)管徑將計(jì)算出的管徑規(guī)范取整。對(duì)滴灌系統(tǒng)的支管,考慮到運(yùn)行與管理的方便,最大的管徑一般不超過(guò)100毫米,并且應(yīng)盡量使各支管取相同的管徑,至少也需在一個(gè)作業(yè)區(qū)中統(tǒng)一。對(duì)于固定管道式滴灌系統(tǒng),地理支管的管徑可以不同,但規(guī)格不宜太多,同一條支管一般最多變徑兩次。 (b)支管以上各級(jí)管道管徑的確定:一般情況下,這些管道的管徑是在滿(mǎn)足下一級(jí)管道流量和壓力的前提下按費(fèi)用最小的原則選擇的。管道的費(fèi)用常用年費(fèi)用來(lái)表示。隨著管徑的增大,管道的投資造價(jià)(常用折舊費(fèi)表示)將隨之增高,而管道的年運(yùn)行費(fèi)隨之降低。因此,客觀上必定有一種管徑,會(huì)使上述兩種費(fèi)用之和為最低,這種管徑就是我們要選擇的管徑,稱(chēng)之為經(jīng)濟(jì)管徑。經(jīng)濟(jì)管徑中對(duì)應(yīng)的流速稱(chēng)為經(jīng)濟(jì)流速。圖4-7就是用最小年費(fèi)用法計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑的原理示意圖。用這種方法確定管徑概念清楚,但計(jì)算相當(dāng)繁瑣,往往需要分別計(jì)算出多種管徑的年投資和年運(yùn)行費(fèi),比較后再確定。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,許多優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,如微分法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等已在管道灌溉管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用,具體方法可參閱有關(guān)書(shū)籍。 對(duì)于規(guī)模不太大的滴灌工程,也可用式(4-22)、式(4-23)的經(jīng)驗(yàn)公式估算管道的直徑:
應(yīng)該指出的是,由于管道系統(tǒng)年工作小時(shí)數(shù)少,而所占投資比例又大。因此,一般在灌溉系統(tǒng)壓力能得到滿(mǎn)足的情況下,選用盡可能小的管徑是經(jīng)濟(jì)的,但管中流速應(yīng)控制在2.5~3米/秒以下。
③ 管道縱剖面設(shè)計(jì):管道縱剖面設(shè)計(jì)應(yīng)在系統(tǒng)平面市置圖繪制后進(jìn)行,設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定各級(jí)固定管道在平面上的位置及各種管道附件的位置。管道的縱剖面應(yīng)力求平順,減少折點(diǎn),有起伏時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生負(fù)壓。
ⅰ 埋深及坡度:地埋管的埋深指管徑距地面的垂直距離,埋深應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地面荷載和機(jī)耕要求確定。一般管道在公路下埋深應(yīng)為0.7~1.2米;在農(nóng)村機(jī)耕道下埋深為0.5~0.9米。地埋管的坡度主要視地形條件而定,同時(shí)也應(yīng)考慮地基好壞及管徑大小。一般在地形條件許可的情況下,管徑小、基礎(chǔ)穩(wěn)定性好的管道坡度可陡一點(diǎn);反之應(yīng)緩些。總的來(lái)說(shuō),管道坡度不得超過(guò)1:1,通常控制在1:1.5~1:3以下。
ⅱ 管道連接及附件:地埋管道的連接多采用承插或黏接的形式,轉(zhuǎn)向處用彎頭,分水處用三通或四通接頭,管徑改變處采用異徑接頭,管道末端用堵頭。為方便施工和安裝,同類(lèi)管件應(yīng)考慮其規(guī)格盡量統(tǒng)一。
為了按計(jì)劃進(jìn)行輸水、配水、管道系統(tǒng)上應(yīng)裝置必要的控制閥。白果園中為了實(shí)現(xiàn)灌水的有效控制,設(shè)置了30多個(gè)電子閥.而且各級(jí)管道的首端還設(shè)了進(jìn)水閥或水分閥;當(dāng)管道過(guò)長(zhǎng)或壓力變化過(guò)大時(shí),設(shè)置節(jié)制閥。為保證管道的安全運(yùn)行,還安裝一些附設(shè)裝置。自壓系統(tǒng)的進(jìn)水口和各類(lèi)水泵吸水管的底端應(yīng)分別設(shè)置攔污棚和濾網(wǎng),管道起伏的高處應(yīng)設(shè)排氣裝置,自壓系統(tǒng)進(jìn)水閥后的干管上設(shè)高度高出水源水面高程的通氣管,管道起伏的低處及管道末端設(shè)泄水裝置,管道可能發(fā)生最大水錘壓力處設(shè)置安全閥。
2.3 評(píng)價(jià)
從整體上來(lái)看,XX白果園的滴灌系統(tǒng)是建設(shè)的比較完善的一套滴水灌溉系統(tǒng),設(shè)計(jì)施工都符合現(xiàn)代滴灌的要求,是一套先進(jìn)的現(xiàn)代化滴水灌溉系統(tǒng),而且產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效果。不過(guò)當(dāng)時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)條件的限制,其毛管采用了單行直線(xiàn)布置,灌水均勻度不高,鑒于對(duì)多種毛管布置形式的比較分析,筆者認(rèn)為百果園應(yīng)改進(jìn)為雙行毛管平行布置;而且其控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高,全園僅能使用微機(jī)控制電磁閥的開(kāi)啟,不能精確實(shí)現(xiàn)作物的輪灌、對(duì)灌水時(shí)間和灌水量都不能實(shí)現(xiàn)有效的控制,故需進(jìn)一步對(duì)其控制系統(tǒng)加以設(shè)計(jì)改進(jìn)。正在建設(shè)的二期工程應(yīng)該吸收一期工程中的好的經(jīng)驗(yàn),改進(jìn)一期工程中的不足,特別是應(yīng)該實(shí)現(xiàn)灌水的全自動(dòng)控制。
3 灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)
灌溉中的滴灌系統(tǒng),能很方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,灌水的自動(dòng)化控制能有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉,也是農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的要求。對(duì)微灌的自動(dòng)化控制,根據(jù)控制系統(tǒng)運(yùn)行的方式不同,一般可分為手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和全自動(dòng)控制三類(lèi):
①手動(dòng)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)的所有操作均由人工完成,如水泵、閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉,灌溉時(shí)間的長(zhǎng)短,何時(shí)灌溉等等。這類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成本較低,控制部分技術(shù)含量不高,便于使用和維護(hù),很適合在我國(guó)廣大農(nóng)村推廣。不足之處是使用的方便性較差,不適宜控制大面積的灌溉。
②全自動(dòng)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)不要人直接參與,通過(guò)預(yù)先編制好的控制程序和根據(jù)反映作物需水的某些參數(shù)可以長(zhǎng)時(shí)間地自動(dòng)啟閉水泵和自動(dòng)按一定的輪灌順序進(jìn)行灌溉。人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。這種系統(tǒng)中,除灌水器、管道、管件及水泵、電機(jī)外,還包括中央控制器、自動(dòng)閥、傳感器(土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等)及電線(xiàn)等。
③半自動(dòng)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)中在灌溉區(qū)域沒(méi)有安裝傳感器,灌水時(shí)間、灌水量和灌溉周期等均是根據(jù)預(yù)先編制的程序,而不是根據(jù)作物和土壤水分及氣象資料的反饋信息來(lái)控制的。這類(lèi)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不等,有的一部分實(shí)行自動(dòng)控制,有的是幾部分進(jìn)行自動(dòng)控制。
為了對(duì)先進(jìn)的滴灌自動(dòng)化控制系統(tǒng)有具體認(rèn)識(shí)和了解,下面我們將對(duì)滴灌的自動(dòng)化控制作詳細(xì)介紹:
3.1 滴灌首部控制樞紐
滴灌自動(dòng)化系統(tǒng)的基本控制方法有:時(shí)間控制、水量控制和反饋控制三種。時(shí)間控制系統(tǒng)是按預(yù)定好的時(shí)間放水或關(guān)水;水量控制系統(tǒng)是按照設(shè)計(jì)的配水 滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究量放水或關(guān)水;反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)灌區(qū)內(nèi)濕度感受器的反應(yīng),然后將信號(hào)傳送到首部控制樞紐部分來(lái)關(guān)水或放水。滴灌系統(tǒng)更便于完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,這在地多人少、勞力緊張的邊遠(yuǎn)地區(qū),沙漠地帶的防護(hù)林區(qū),鐵路路基沿線(xiàn),經(jīng)濟(jì)力量雄厚的城郊蔬菜種植區(qū)顯得特別重要。目前,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在滴灌區(qū)普遍使用了計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng),并通過(guò)專(zhuān)用的滴灌系統(tǒng)軟件來(lái)控制和檢測(cè)作物生長(zhǎng)、土壤狀況和氣象趨勢(shì),取得了良好的效果。大大提高了現(xiàn)代化的土壤水分、作物生長(zhǎng)測(cè)定技術(shù)的可能性和實(shí)用性,具有農(nóng)藝上的綜合性,為人們充分利用現(xiàn)代化儀器設(shè)備在滴灌系統(tǒng)中應(yīng)用提供了巨大的潛力。滴灌系統(tǒng)軟件根據(jù)作物對(duì)水分的需求和土壤墑情制定出合理的灌溉計(jì)劃和作物管理計(jì)劃。
3.2 作物生產(chǎn)管理計(jì)劃制定
控制軟件系統(tǒng)應(yīng)能提供一套科學(xué)的管理系統(tǒng),它通過(guò)提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及減少用水量來(lái)提高水分利用效率,能給農(nóng)民及有關(guān)用戶(hù)提供一套針對(duì)灌溉方案制定作物生產(chǎn)管理的先進(jìn)、完善的管理系統(tǒng),用戶(hù)能夠使用它獲得他們的每一塊農(nóng)田的土壤水分狀況圖,方便的數(shù)據(jù)資料存取能夠得到每一塊農(nóng)田的準(zhǔn)確土壤水分含量,還能夠確定準(zhǔn)確的日水分利用量,能夠給每塊農(nóng)田制定出合理的灌溉管理決策,能夠根據(jù)每一塊農(nóng)田各自的灌水量需求對(duì)不同農(nóng)田進(jìn)行灌溉優(yōu)先排序,以便制定優(yōu)化灌溉計(jì)劃使農(nóng)場(chǎng)或用戶(hù)獲得整體最高產(chǎn)量。
控制軟件系統(tǒng)應(yīng)能允許灌溉管理者根據(jù)作物水分需求和作物對(duì)灌溉的反應(yīng)制定合理的灌溉計(jì)劃,作為一個(gè)完整的灌溉計(jì)劃和作物生產(chǎn)管理軟件包,它能夠?qū)喔葲Q策的制定和作物管理進(jìn)行數(shù)據(jù)資料存儲(chǔ)、運(yùn)算處理、顯示輸出。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)資料主要由中子探測(cè)儀、石膏電阻塊和張力計(jì)測(cè)定獲得。天氣數(shù)據(jù)資料由自動(dòng)氣象站獲得,作物生長(zhǎng)資料如籽粒大小(直徑)、株高和葉片硝酸鹽含量等可直接田間測(cè)定,根據(jù)相應(yīng)的作物響應(yīng),作物生長(zhǎng)資料結(jié)合土壤水分資料能夠制定出合理的灌溉計(jì)劃,通過(guò)實(shí)際調(diào)查能夠提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的管理技術(shù)能夠詳細(xì)地驗(yàn)證作物生長(zhǎng)、土壤水分和氣候之間的關(guān)系,因此能很好地解決一些灌溉管理和作物生長(zhǎng)問(wèn)題,其中包括過(guò)量灌溉導(dǎo)致的灌溉水排滲問(wèn)題、肥料向根部以下淋溶損失問(wèn)題以及為了達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)的籽粒重和穗粒數(shù)或結(jié)果率的控制管理問(wèn)題。
3.3 滴灌系統(tǒng)灌溉計(jì)劃制定
滴灌系統(tǒng)灌溉計(jì)劃一般是指確定何時(shí)進(jìn)行灌溉及應(yīng)該的灌溉量,灌溉計(jì)劃的應(yīng)用可消除代價(jià)巨大的不可預(yù)測(cè)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害,如在作物生長(zhǎng)臨界期由于土壤類(lèi)型和作物自身生長(zhǎng)能力,不同的農(nóng)田具有不同的土壤水分虧缺量和日水分利用量,因此不同的農(nóng)田需要不同的灌溉計(jì)劃。農(nóng)民通過(guò)土壤水分測(cè)定技術(shù)利用軟件處理和顯示不同層次土壤水分特征,能加深對(duì)發(fā)生于土壤內(nèi)的各種過(guò)程的理解,以便進(jìn)行更精細(xì)的灌溉計(jì)劃和灌溉管理決策的制定,以確保土壤水分總是保持作物生長(zhǎng)所需的最佳含水量。
當(dāng)土壤水分和被作物利用的水分的準(zhǔn)確數(shù)量被測(cè)定后,通過(guò)軟件可以計(jì)算下一次滴灌的日期和準(zhǔn)確的灌水量,它將考慮當(dāng)前每天水分利用狀況、天氣變化和歷史資料來(lái)幫助管理者制定以后的灌水計(jì)劃。它把農(nóng)田從最干到最濕分為不同等級(jí)。了解需要灌溉補(bǔ)充的水量有助于協(xié)調(diào)不同用戶(hù)之間和同一用戶(hù)內(nèi)部的水分供給,充分了解雨后何時(shí)開(kāi)始灌溉能使農(nóng)民最大限度地利用自然降水,而把灌水過(guò)多和灌水不及造成地危險(xiǎn)減到最小。
3.4 土壤水分時(shí)間圖和深度圖的應(yīng)用
3.4.1 時(shí)間圖 時(shí)間顯示某一指定土壤容積含水量、根區(qū)土壤含水量或作物響應(yīng)隨時(shí)間的變化。時(shí)間圖的基本顯示:直線(xiàn)表示根區(qū)土壤含水量的飽和點(diǎn)和需灌溉補(bǔ)充點(diǎn);供給的和有效的灌溉和降雨情況;箭頭指示預(yù)測(cè)的灌溉日期;關(guān)于水分飽和點(diǎn)、需灌溉補(bǔ)充點(diǎn)、當(dāng)前和過(guò)去的土壤水分測(cè)定值及計(jì)劃安排的灌水日期和灌水量的總結(jié)表;作物生長(zhǎng)及其對(duì)灌溉管理技術(shù)措施的響應(yīng);該軟件所做的時(shí)間圖可進(jìn)行大小調(diào)整,通過(guò)調(diào)整縱坐標(biāo)軸上的最大值和最小值及橫坐標(biāo)上的日期范圍能夠把圖形中用戶(hù)想要的區(qū)域或作物生長(zhǎng)期內(nèi)的某特定階段的圖形放大。圖形能夠進(jìn)行疊加來(lái)同時(shí)比較不同地點(diǎn)的田塊或不同年份的數(shù)據(jù)。當(dāng)季和前季的作物的生長(zhǎng),土壤水分和天氣資料的疊加圖形比較灌溉管理達(dá)到高度的協(xié)調(diào)一致。用戶(hù)可以選擇任何關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)建立相互作用關(guān)系圖。
3.4.2 深度圖 深度圖顯示土壤容積含水量沿土壤剖面隨深度的變化而變化的情況,通過(guò)該軟件和現(xiàn)代化儀器結(jié)合能夠迅速直接測(cè)定和分析土壤水的剖面分布情況。根區(qū)吸收水分模式可以在深度圖中看到,對(duì)深度圖分析能使農(nóng)民確定每一種農(nóng)作物包括塊根作物在土壤剖面中被研究的土壤體積范圍和土壤剖面的每一深度層的作物利用的水分?jǐn)?shù)量、土壤緊實(shí)度、土壤質(zhì)地變化、高石灰?guī)r含量、地下水位和鹽分等問(wèn)題能夠通過(guò)對(duì)根部活動(dòng)的仔細(xì)分析而發(fā)現(xiàn)。深度圖也可以用來(lái)確定滲入和排出土壤剖面的水分的運(yùn)動(dòng)狀況及深度和數(shù)量,從中能夠給定灌溉飽和點(diǎn)和需灌溉補(bǔ)充點(diǎn)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)值。灌溉或降水后從土壤的根區(qū)排出的水分?jǐn)?shù)量能夠通過(guò)深度圖準(zhǔn)確測(cè)定,根據(jù)可以調(diào)節(jié)灌溉所用時(shí)間以避免水分從土壤剖面排出而損失,控制土壤剖面排出水的數(shù)量將防止地下水水位地升高和土壤養(yǎng)分的淋溶損失,同時(shí)也將降低灌水及滴灌水及抽水的成本。深度圖是一個(gè)非常有用的工具,能夠解決在不同類(lèi)型土壤中灌溉水的水平和垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵問(wèn)題,通過(guò)分別繪制灌溉前和灌溉后距滴管不同距離的各個(gè)點(diǎn)的土壤水分含量圖可比較灌溉水的運(yùn)動(dòng)狀況,用戶(hù)能夠利用研究所得的結(jié)果來(lái)減少水分和肥料排滲,同時(shí)確保作物根系能夠一直得到適量的水分。
3.5 軟件的程序特點(diǎn)
3.5.1程序結(jié)構(gòu) 滴管軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu),這使得制定灌溉方案是查詢(xún)數(shù)據(jù)資料非常方便。管理人員可能負(fù)責(zé)管理幾個(gè)農(nóng)場(chǎng)或幾塊農(nóng)田,每個(gè)農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)田可能有許多檢測(cè)點(diǎn),每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都有一套不同時(shí)間收集的實(shí)際測(cè)定的讀數(shù)記錄。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理,能顯示有關(guān)每一單個(gè)田塊的詳細(xì)資料,還能夠向農(nóng)民分別顯示每一年的作物種植的詳細(xì)資料。能夠顯示農(nóng)場(chǎng)的每個(gè)監(jiān)測(cè)田塊或某一年份的每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況,指明灌溉飽和點(diǎn)和需灌溉補(bǔ)充點(diǎn),當(dāng)前作物日水分使用情況,土壤水分平衡和預(yù)測(cè)出的三次灌溉的日期,土壤水分含量和作物日用水量的測(cè)定值,對(duì)未來(lái)作物在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)的長(zhǎng)期的用水量作出估算。顯示某一具體的時(shí)期的每一深度層的土壤水分含量的讀數(shù)記錄和根區(qū)的總水分含量,同時(shí)顯示土壤水分需要量,中子儀測(cè)定并估算的日水分使用量。利用滴灌軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)資料綜合分析,從中總結(jié)重要的信息形成報(bào)告,以幫助制定每日的管理決策方案。同時(shí)也可以編輯出前幾個(gè)生長(zhǎng)季的作物生長(zhǎng)、水分管理。土壤等數(shù)據(jù)資料,并進(jìn)行綜合分析,為以后的灌溉方案制定提出更合理更完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該軟件程序的所以結(jié)構(gòu)層次能為所選擇的農(nóng)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和某一日期建立報(bào)告。報(bào)告分為五種:深度圖、時(shí)間圖、記錄讀數(shù)報(bào)告。監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)告和灌溉計(jì)劃報(bào)告。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要已及自己微機(jī)系統(tǒng)對(duì)程序進(jìn)行修改編譯,選擇公制和英制計(jì)量單位進(jìn)行數(shù)據(jù)資料綜合分析,將田間測(cè)定得到的數(shù)據(jù)讀數(shù)記錄自動(dòng)粘貼到?jīng)]一個(gè)具體的農(nóng)場(chǎng)欄、監(jiān)測(cè)點(diǎn)欄和日期欄。每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)定日期,時(shí)間及估計(jì)的水分日利用量能夠在粘貼之前輸入。
3.5.2 數(shù)據(jù)輸入在讀數(shù)記錄屏幕中可以人工錄入和顯示田間實(shí)際收集的數(shù)據(jù),如土壤水分張力計(jì)的讀數(shù)、作物籽粒大小。有關(guān)作物的數(shù)據(jù)可以測(cè)定得到,作物生長(zhǎng)參數(shù)與土壤水分含量相關(guān)聯(lián)可以確定作物生長(zhǎng)期的水分需求量。氣候數(shù)據(jù)資料可以人工輸入或由氣象站自動(dòng)裝載。天氣數(shù)據(jù)參數(shù)的個(gè)數(shù)沒(méi)有限制,它可以與任一個(gè)作物生長(zhǎng)測(cè)定值和任一水平的土壤水分含量相關(guān)聯(lián)制作相互作用關(guān)系圖。從氣象數(shù)據(jù)資料中可以得到蒸發(fā)損失的總水分量的數(shù)據(jù)并且把它與測(cè)定的日水分使用量相比較來(lái)調(diào)整該地區(qū)的作物灌溉計(jì)劃。
3.5.3 軟件的數(shù)據(jù)處理利用滴管軟件可以計(jì)算使土壤剖面達(dá)到灌溉飽和點(diǎn)所需的準(zhǔn)確時(shí)間數(shù)。同時(shí)計(jì)算自從播種或其他生長(zhǎng)時(shí)期(如發(fā)芽、開(kāi)花等)以來(lái)的天數(shù),使土壤水分能夠與過(guò)去多年的作物生長(zhǎng)資料數(shù)據(jù)參數(shù)同步分析,以確定作物水分利用效率。使用作物累積日水分方程。能夠很好地評(píng)估作物總產(chǎn)量,尤其是對(duì)于玉米、小麥和棉花�？梢酝ㄟ^(guò)作物-水分方程和氣象資料估算理論產(chǎn)量。通過(guò)速率方程,計(jì)算作物生長(zhǎng)速率。計(jì)算作物當(dāng)前日水分利用量占整個(gè)生長(zhǎng)季日水分利用量地比例。同時(shí)也可計(jì)算不同水分含量地土壤水分變化速率,這些速率地變化表明土壤緊實(shí)問(wèn)題和土壤干旱地程度。滴灌軟件可以分析某一作物在生長(zhǎng)季內(nèi)日水分利用狀況地資料。結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)地土壤水分測(cè)定儀器使用,該軟件能夠指導(dǎo)我們最有效地利用有限的水資源獲得最大農(nóng)業(yè)效益。例如能夠確定每次灌溉的準(zhǔn)確時(shí)間和灌水量。同時(shí)減小過(guò)量灌溉和水分不足對(duì)產(chǎn)量的影響。建立各種不同作物之間水分利用及水分利用效率的差異;建立如不同品種、土壤緊實(shí)情況、不同的耕作史等不同條件下水分利用及水分利用效率的差異;建立現(xiàn)代耕作技術(shù)和傳統(tǒng)耕作技術(shù)條件下的水分利用效率的關(guān)系。確定灌溉和降水的利用效率,用以觀察分析根系吸收水分模式 滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究。有助于合理管理地下水和鹽化問(wèn)題,能夠減少土壤養(yǎng)分的淋溶損失問(wèn)題。建立土壤水分含量、作物長(zhǎng)勢(shì)及天氣狀況的數(shù)據(jù)庫(kù)以使作物產(chǎn)量和質(zhì)量獲得持續(xù)穩(wěn)定的提高,使高效農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
3.6灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)
要實(shí)現(xiàn)灌水的自動(dòng)化,必須有自動(dòng)灌溉控制器,該裝置由土壤濕度傳感器、控制器和電磁閥組成,能夠按土壤墑情和作物需水特性實(shí)施自動(dòng)灌溉(溝灌、噴灌、滴灌、滲灌),達(dá)到高產(chǎn)、高效、和節(jié)水的目的。適用于庭院花圃、苗圃、果園、菜地和農(nóng)地。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,庭院花圃、苗圃水分的自動(dòng)灌溉倍受歡迎。它能省水省事,使花木生長(zhǎng)更好。一畝庭院花圃、苗圃地投資1.0-1.5萬(wàn)元,可以建立自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)。自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉,節(jié)能、省水,使菜地和農(nóng)地產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。智能化,精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、傳感器制造技術(shù)、塑料工業(yè)技術(shù)的提高而逐步實(shí)現(xiàn)的
自動(dòng)化計(jì)算機(jī)灌溉控制系統(tǒng)大約在80年代初由雨鳥(niǎo)公司、摩托羅拉等幾家公司開(kāi)發(fā)、研制成功,并投入使用。由于技術(shù)復(fù)雜、應(yīng)用難度大,價(jià)格高昂,這種控制設(shè)備最早應(yīng)用于高爾夫球場(chǎng)灌溉系統(tǒng)的控制上。90年代,計(jì)算機(jī)工業(yè)的硬件、軟件飛速發(fā)展,使得灌溉系統(tǒng)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作難度越來(lái)越小,功能越來(lái)越豐富,價(jià)格也逐漸降了下來(lái)。這種系統(tǒng)在園林綠化上用得也越來(lái)越多了起來(lái),雨鳥(niǎo)公司針對(duì)不同用途,研制、開(kāi)發(fā)出了中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng):Maxicom
智能化灌溉中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有如下功能:
① 動(dòng)采集各種氣象數(shù)據(jù),計(jì)算并記錄蒸發(fā)蒸騰量ET;
② 根據(jù)前一天的ET值自動(dòng)編制當(dāng)天灌溉程序并實(shí)施灌溉;
③ 可由連接的土壤濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、雨量傳感器等干涉程序,啟動(dòng)、關(guān)閉、暫停灌溉系統(tǒng);
④ 連接流量傳感器可自動(dòng)監(jiān)測(cè)、記錄、警示由于輸水管斷裂引起的漏水及電磁閥故障;最大限度利用管網(wǎng)輸水能力;
⑤ 運(yùn)行程序而不起動(dòng)灌溉系統(tǒng)(干運(yùn)行),測(cè)試程序合理性,不合理時(shí)預(yù)先修改;
⑥ 自動(dòng)記錄、顯示、儲(chǔ)存各灌溉站的運(yùn)行時(shí)間;自動(dòng)記錄、顯示、儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鞣答仈?shù)據(jù),以積累資料,修改程序,修改系統(tǒng)等。
⑦ 頻繁灌溉功能:可將設(shè)計(jì)好的灌水延續(xù)時(shí)間分成若干時(shí)段,以便提供足夠的土壤入滲時(shí)間,減少坡地或粘性土地地面徑流損失。
⑧ 一套中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可控制無(wú)數(shù)臺(tái)田間控制系統(tǒng)(稱(chēng)為衛(wèi)星站),一套中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可控制小到一個(gè)公園, 大到上百個(gè)公園,甚至全城的所有灌溉系統(tǒng)。
⑨ 儲(chǔ)存數(shù)百套灌溉程序;一臺(tái)田間控制器(衛(wèi)星站)可使4個(gè)輪灌區(qū)獨(dú)立灌溉或同時(shí)灌溉。
⑩ 手動(dòng)干涉灌溉系統(tǒng):可在閥門(mén)上手動(dòng)啟、閉系統(tǒng),可在田間衛(wèi)星站上手動(dòng)控制系統(tǒng),也可在計(jì)算機(jī)上手動(dòng)啟、閉任何一站,任何一個(gè)電磁閥�？煽刂乒喔认到y(tǒng)以外的其它設(shè)備,如:道路或公共場(chǎng)所燈光,大門(mén)、噴泉、水泵等
自動(dòng)化中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī),集群控制器(CCU),田間控制器(衛(wèi)星站),電磁閥構(gòu)成。中央計(jì)算機(jī)可裝置在任何一個(gè)地方。比如:一套中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制50個(gè)公園的灌溉系統(tǒng)。中央計(jì)算機(jī)可安裝在市園林局認(rèn)為合適的位置。CCU安裝在各個(gè)公園內(nèi)。中央計(jì)算機(jī)與CCU之間的通訊,可采用有線(xiàn)連接(近距離),無(wú)線(xiàn)連接,電話(huà)線(xiàn)連接或移動(dòng)通訊方法連接。一臺(tái)CCU最多可連接28個(gè)田間控制器。CCU與田間控制器之間同樣可選上述數(shù)種通訊方式。 由中央計(jì)算機(jī)到終端電磁閥的工作過(guò)程為:中央計(jì)算機(jī)編程,并將程序下達(dá)到CCU。CCU將各輪灌區(qū)灌溉控制程序再發(fā)到相關(guān)田間控制器。田間控制器依中央計(jì)算機(jī)制作的程序啟閉各輪灌區(qū)電磁閥。如下圖所示:
中央計(jì)算機(jī)上的初始程序由控制人員編制,之后,計(jì)算機(jī)每日自動(dòng)收集由氣象站采集的氣象數(shù)據(jù),計(jì)算ET值,并不斷對(duì)原有程序自動(dòng)修改。如遇傳感器傳來(lái)異常信息(如降雨,過(guò)分干燥,系統(tǒng)漏水...),自動(dòng)中斷或暫停程序,待異常情況排除后,繼續(xù)恢復(fù)程序運(yùn)行。
如果將智能泵站連接到中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上,則效果會(huì)更好。這樣從水泵到電磁閥之間復(fù)雜的系統(tǒng)將由一個(gè)高度智能化的系統(tǒng)管理起來(lái),可做到最大限度地節(jié)水、節(jié)能,最大限度地保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行,避免灌溉系統(tǒng)常發(fā)生的下列幾種問(wèn)題:
① 過(guò)量灌溉或灌水不足,浪費(fèi)水資源或不能滿(mǎn)足植物需水;
② 管網(wǎng)破裂,漏失水;
③ 系統(tǒng)運(yùn)行壓力不合理;
④ 水泵運(yùn)行效率低下;
⑤ 地形起伏不平時(shí)或土壤入滲率低產(chǎn)生地面徑流,浪費(fèi)寶貴的水資源;
⑥ 降雨時(shí),灌溉系統(tǒng)照常灌溉;
⑦ 管理、維護(hù)成本高。
3.7 百果園灌溉的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)
百果園一期工程灌水基本實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化控制,可以使用電腦控制各電磁閥的開(kāi)啟。我們可在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)與提高,使其實(shí)現(xiàn)灌水的全自動(dòng)化,具體見(jiàn)下:
3.7.1 控制原理
自動(dòng)化控制采用電子技術(shù)對(duì)田間土壤溫濕度、空氣溫濕度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行采集,輸入計(jì)算機(jī),按最優(yōu)方案,控制各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)啟及水泵的運(yùn)行狀態(tài),科學(xué)有效地控制灌水時(shí)間、灌水量、灌水均勻度,為項(xiàng)目區(qū)作物提供一個(gè)良好的地、水、肥、氣、熱條件,促使其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。同時(shí)進(jìn)行控制軟件及優(yōu)化灌溉制度的研究,最終形成灌溉專(zhuān)家決策系統(tǒng)。另外,通過(guò)變頻器控制改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)管道壓力,為管道、滴灌等其他灌溉工程的自動(dòng)化提供依據(jù)。具體包括以下幾個(gè)方面:
① 田間土壤含水量、鹽分、地溫、空氣溫度、濕度、降水、風(fēng)速、管道壓力等參數(shù)的自動(dòng)化采集
② 自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)安裝
③ 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
④ 變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)改變水壓力,為微噴、滴灌等工程的自動(dòng)化提供依據(jù)
⑤ 系統(tǒng)運(yùn)行管理模式評(píng)價(jià),包括系統(tǒng)評(píng)價(jià)、灌水指標(biāo)、灌溉制度等
3.7.2 控制系統(tǒng)的組成
欲實(shí)現(xiàn)真正意義上的全自動(dòng)控制,需要控制田間參數(shù)及對(duì)象很多,例如土壤濕度、鹽分、空氣溫度、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速、管道壓力、閥門(mén)開(kāi)啟、水泵電機(jī)旋轉(zhuǎn)等,都要送入控制器�？紤]到要控制的對(duì)象較多,又要滿(mǎn)足良好的人機(jī)界面要求,可以采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,來(lái)協(xié)調(diào)各部分的工作。
系統(tǒng)的組成如下圖所示,整個(gè)系統(tǒng)的工作主要工控機(jī)和變頻器兩部分來(lái)控制,其中變頻器主要用于控制水泵電機(jī)的旋轉(zhuǎn),工控機(jī)主要用來(lái)采集田間土壤及氣象指標(biāo),按照設(shè)定的程序,控制各地塊中電磁閥的開(kāi)啟,并通過(guò)變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。
3.7.3 監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件是工控機(jī)能夠完成控制功能的重要基礎(chǔ),監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。根據(jù)項(xiàng)目要求及滴灌的特點(diǎn),筆者建議百果園采用雨鳥(niǎo)公司的“Maxicom”中央控制系統(tǒng),該軟件只需用戶(hù)輸入各地塊種植作物種類(lèi)及種植日期,系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前作物所處生育期,確定出各自要求的土壤狀況及氣象信號(hào),控制水泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及閥門(mén)的開(kāi)啟,自動(dòng)完成整個(gè)灌水過(guò)程,完全不需要人工干預(yù),實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。
該控制軟件在此所完成的主要功能及特點(diǎn)如下:
① 自動(dòng)采集田間數(shù)據(jù):系統(tǒng)根據(jù)軟件中所預(yù)先設(shè)定的時(shí)間,自動(dòng)地采集土壤濕度、溫度風(fēng)速、雨量等參數(shù),進(jìn)行相應(yīng)的處理后,實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。
② 作物生育期的判斷:當(dāng)管理人員輸入各地塊所種植的作物及種植日期后,系統(tǒng)便根據(jù)計(jì)算機(jī)時(shí)鐘自動(dòng)計(jì)算出各種作物已種植的天數(shù),判斷出作物所處的生育期,自動(dòng)查找資料庫(kù)中所存的原始資料,確定出當(dāng)前作物最適宜的土壤含水量及灌水定額。
③ 滴灌的全自動(dòng)控制:系統(tǒng)采集田間及氣象數(shù)據(jù)后,將當(dāng)前各地塊土壤含水量與作物適宜含水量相比較,若土壤實(shí)際含水量小于作物要求下限值,便自動(dòng)開(kāi)啟該地塊的第一個(gè)電磁閥。進(jìn)行灌溉。達(dá)到所需灌水定額后,自動(dòng)關(guān)閉第一個(gè)電磁閥,同時(shí)開(kāi)啟下一個(gè)電磁閥,直到完成整個(gè)地塊的灌溉任務(wù)。灌溉過(guò)程中,若出現(xiàn)溫度過(guò)低、風(fēng)速過(guò)大以及降雨過(guò)程等天氣時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)暫停當(dāng)前的灌溉任務(wù),并保存當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)氣象條件滿(mǎn)足時(shí),繼續(xù)進(jìn)行未完成的任務(wù)。
④ 形式多樣的控制方式:全自動(dòng)控制外,系統(tǒng)還允許管理人員采用半自動(dòng)、手動(dòng)等控制方式。全自動(dòng)方式只需運(yùn)行人員輸入各地塊的作物信息,系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)作物、土壤、氣象等條件自動(dòng)完成灌溉的全過(guò)程,無(wú)需人工干預(yù)。所謂半自動(dòng)方式,是指系統(tǒng)允許用戶(hù)根據(jù)實(shí)際情況控制開(kāi)停機(jī)。用戶(hù)可人為啟動(dòng)某個(gè)閥門(mén),或某個(gè)地塊,甚至是所有地塊均輪灌一次。當(dāng)然這些操作全部都是通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)來(lái)完成的,而且在工控機(jī)屏幕上均有明顯的提示。所謂手動(dòng)方式是指人工去開(kāi)啟各個(gè)電磁閥,筆者建議百果園選用美國(guó)雨鳥(niǎo)公司生產(chǎn)的電磁閥:手動(dòng)、電動(dòng)兩用閥門(mén),既可手動(dòng),又可電動(dòng),使用非常方便。當(dāng)手動(dòng)打開(kāi)某個(gè)電磁閥時(shí),噴頭出水,主干管道壓力開(kāi)始下降,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)變頻器升高水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,維持管道壓力的恒定,直到完成灌溉任務(wù)。
⑤ 豐富的辦公自動(dòng)化功能:系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,可自動(dòng)生成各種定時(shí)、日、月、年報(bào)表,并通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。其內(nèi)容包括各種氣象及土壤參數(shù),可從各報(bào)表中得到土壤濕度變化曲線(xiàn)、日最高風(fēng)速、月平均氣溫、全年總降水量等原始資料,為用戶(hù)研究當(dāng)?shù)氐臍庀蠹巴寥雷兓闆r提供翔實(shí)的依據(jù)。
⑥ 良好的可維持性:可維護(hù)性是衡量軟件質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一,在編寫(xiě)本系統(tǒng)時(shí)我們也充分考慮了這一點(diǎn),例如用戶(hù)在種植一類(lèi)新作物時(shí),可能系統(tǒng)的資料庫(kù)中并沒(méi)有該作物,便無(wú)法確定其適宜土 滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的研究壤含水量和灌水定額。此時(shí),用戶(hù)可按自定義按鈕,通過(guò)鼠標(biāo)各鍵盤(pán)輸出這些參數(shù),系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)用戶(hù)所定義的數(shù)值運(yùn)行。另外,用戶(hù)還可很方便地修改灌水定額、管道壓力等參數(shù),滿(mǎn)足實(shí)際情況的需要。
⑥ 友好的人機(jī)界面:系統(tǒng)中大部分界面均為示意圖形,實(shí)時(shí)顯示各傳感器送來(lái)的數(shù)值及系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài),一目了然。需要用戶(hù)操作的部分全部為中文界面,工作人員無(wú)需學(xué)習(xí)便可完成所有操作。另外,在任一界面下,用戶(hù)都可以通過(guò)按幫助按鈕得到相應(yīng)的提示,指導(dǎo)用戶(hù)完成相應(yīng)的功能。
3.7.4 效果
百果園通過(guò)增加自動(dòng)化控制系統(tǒng)后,灌水時(shí)間、灌水量和灌溉周期等完全根據(jù)果樹(shù)某些需水參數(shù)自動(dòng)啟閉水泵和自動(dòng)灌溉,人的作用僅僅是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。既提高了水的有效利用率,又節(jié)省了人力,同時(shí)也提高了果樹(shù)的產(chǎn)量,可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效果。
3.8 第二期工程的設(shè)想
正在建設(shè)第二期工程計(jì)劃今年完工,第二期工程的滴灌系統(tǒng)我建議基本上參照第一期工程建設(shè),也采用滴噴灌相結(jié)合的方式,其水源計(jì)劃應(yīng)采用水塔蓄水,用以緩解枯水期水庫(kù)少水的矛盾,該可以區(qū)采用先進(jìn)的電腦全自動(dòng)控制方式,實(shí)行精確灌水,管道布置采用固定式(干管、支管)和移動(dòng)式(毛管)的有機(jī)結(jié)合。二期工程應(yīng)該吸收一期工程中的好的經(jīng)驗(yàn),改進(jìn)一期工程中毛管布置形式的不足,還特別是應(yīng)該增加灌水的全自動(dòng)控制部分,實(shí)現(xiàn)灌水的全自動(dòng)化,精確控制作物的有效灌水。
4 存在的問(wèn)題及建議
通過(guò)對(duì)滴灌系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí),筆者系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了滴灌這種先進(jìn)的果園節(jié)水灌溉方法,在實(shí)踐的基礎(chǔ)上深化了理論,并對(duì)滴灌和滴灌系統(tǒng)有一些不成熟的認(rèn)識(shí)與建議。
4.1 滴灌的優(yōu)缺點(diǎn)
4.1.1 百果園滴灌的優(yōu)點(diǎn)
4.1.1.1 水的有效利用率高,在滴灌條件下,灌溉水濕潤(rùn)部分土壤表面,可有效減少土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)。同時(shí),由于滴灌僅濕潤(rùn)作物根部附近土壤,其他區(qū)域土壤水分含量較低,因此,可防止雜草的生長(zhǎng)。滴灌系統(tǒng)不產(chǎn)生地面徑流,且易掌握精確的施水深度,節(jié)水效果達(dá)50%-90%。
4.1.1.2 環(huán)境濕度低,滴灌灌水后,土壤根系通透條件良好,通過(guò)注入水中的肥料,可以提供足夠的水分和養(yǎng)分,使土壤水分處于能滿(mǎn)足作物要求的穩(wěn)定和較低吸力狀態(tài),灌水區(qū)域地面蒸發(fā)量也小,這樣可以有效控制保護(hù)地內(nèi)的濕度,使果園中作物的病蟲(chóng)害的發(fā)生頻率大大降低,也降低了農(nóng)藥的施用量。
4.1.1.3 提高作物產(chǎn)品品質(zhì),由于滴灌能夠及時(shí)適量供水、供肥,它可以在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí),提高和改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì),使果園的農(nóng)產(chǎn)品商品率大大提高,經(jīng)濟(jì)效益高。
4.1.1.4 滴灌對(duì)地形和土壤的適應(yīng)能力較強(qiáng),由于滴頭能夠在較大的工作壓力范圍內(nèi)工作,且滴頭的出流均勻,所以滴灌適宜于地形有起伏的地塊和不同種類(lèi)的土壤。同時(shí),滴灌還可減少中耕除草,也不會(huì)造成地面土壤板結(jié)。
4.1.2 百果園滴灌的缺點(diǎn)
4.1.2.1滴灌的滴頭很容易堵塞和磨損,產(chǎn)生灌水的不均,嚴(yán)重影響節(jié)水效果。
4.1.2.2滴灌的各管道的壓力有所差異,會(huì)產(chǎn)生局部壓力過(guò)高而使管道容易損壞,滴頭的壓力不均甚至?xí)a(chǎn)生霧化,損壞滴頭,浪費(fèi)水資源。
4.1.2.3 滴灌一般僅潤(rùn)濕作物根系區(qū)土體的一部分,所以作物根系的發(fā)展可能限制在圍繞每一滴頭的濕潤(rùn)區(qū),這樣容易產(chǎn)生作物根系的腐爛,進(jìn)而引起作物倒伏。
4.1.2.4 滴灌的管道布置要充分利用當(dāng)?shù)氐貏?shì)與地形,在原則的基礎(chǔ)上加以靈活運(yùn)用,如干管的布置、毛管的布置,取水方式等。
4.2 滴灌的建議
4.2.1 百果園應(yīng)加強(qiáng)灌水的自動(dòng)化控制,保證各種果樹(shù)的精準(zhǔn)灌水,實(shí)現(xiàn)精確的節(jié)水灌溉
4.2.2 滴灌的水量應(yīng)該有保證,應(yīng)該建一水塔蓄水,確保枯水期各種果樹(shù)的需水要求
4.2.3 滴灌的毛管布置應(yīng)采用單行帶環(huán)形狀態(tài)管布置和雙行平行布置相結(jié)合,確保果樹(shù)灌水均勻度。
4.2.4 滴灌技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該和其他節(jié)水灌溉技術(shù)相結(jié)合,互相補(bǔ)給,更好的發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
4.2.5 國(guó)家應(yīng)鼓勵(lì)進(jìn)行滴灌技術(shù)的研究,加大科研推廣投入的力度,研制開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的滴灌管材,解決滴頭易堵塞的難題等,滴水灌溉技術(shù)應(yīng)該在政府的規(guī)劃安排下,由政府投資和農(nóng)民出資相結(jié)的優(yōu)惠政策下在全國(guó)范圍鼓勵(lì)推廣發(fā)展。
5 結(jié)束語(yǔ)
滴灌是一種高效節(jié)能省水增產(chǎn)的微灌灌溉技術(shù),它具有很多優(yōu)點(diǎn),適合我國(guó)的國(guó)情,具有很強(qiáng)的推廣優(yōu)勢(shì),而且很方便實(shí)現(xiàn)灌溉的全自動(dòng)控制,滴灌將成為二十一世紀(jì)發(fā)展我國(guó)節(jié)水灌溉的重點(diǎn),是加速我國(guó)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的有效途徑,將更好的促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化!的滴灌自動(dòng)化系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是合理的,技術(shù)上是可行的,將成為我國(guó)南方生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的典范!
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