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棉花膜下滴灌監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化控制實(shí)施與應(yīng)用

2008年12月26日 11:43來源： >>進(jìn)入該公司展臺(tái)人氣：1426


   自動(dòng)化滴灌技術(shù)，是一項(xiàng)全新的技術(shù)和前沿科技，自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于大農(nóng)業(yè)特別是在大田的運(yùn)用也是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。zui早引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)均是全套的采用以色列的技術(shù)和設(shè)備，由于建設(shè)成本較高，只試點(diǎn)性的在南方應(yīng)用于果園和生態(tài)園林建設(shè)等一些附加值較高的產(chǎn)業(yè)。
    近幾年，隨著該項(xiàng)技術(shù)不斷成熟，建設(shè)成本的不斷降低，自動(dòng)化控制滴灌開始在兵團(tuán)部分團(tuán)場(chǎng)得到較大范圍的應(yīng)用并取得了成功，棉花膜下滴灌監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制是滴灌自動(dòng)化控制與棉花膜下栽培模式及測(cè)土施肥的結(jié)合，他是通過探測(cè)器，把探測(cè)到的土壤墑情和肥力狀況經(jīng)自動(dòng)化處理后，通過自動(dòng)化控制滴灌這個(gè)平臺(tái)去實(shí)現(xiàn)滴水、施肥的一項(xiàng)技術(shù)。2007年，我團(tuán)在三監(jiān)區(qū)的3013畝(一套系統(tǒng)控制)上實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)，并取得了初步成功，現(xiàn)就該項(xiàng)目建設(shè)的情況談?wù)勗擁?xiàng)技術(shù)實(shí)施與應(yīng)用。
    1、項(xiàng)目區(qū)概況
    49團(tuán)灌區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備良好，我團(tuán)現(xiàn)有耕地面積 15.5 萬畝,農(nóng)田作業(yè)率100%，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較高。目前，全團(tuán)各類節(jié)水灌溉新技術(shù)如膜下滴灌、移動(dòng)式滴灌等已開始大面積推廣，自2005－2007年，我團(tuán)先后投入5000余萬元資金進(jìn)行了新技術(shù)的應(yīng)用，一是在16個(gè)農(nóng)業(yè)連隊(duì)，4個(gè)監(jiān)區(qū)安裝了設(shè)施節(jié)水灌溉設(shè)備，2007年，又新增節(jié)水灌溉面積2萬畝，使全團(tuán)節(jié)水灌溉面積達(dá)8.8萬畝，占目前棉花播種面積的83.8％。經(jīng)過近幾年節(jié)水灌溉項(xiàng)目建設(shè)，團(tuán)場(chǎng)在建設(shè)和運(yùn)行管理方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了一支技術(shù)干*伍，建設(shè)與管理的體制不斷健全，水平逐步提高，為“棉花膜下滴灌微機(jī)智能決策及自動(dòng)化控制系統(tǒng)”項(xiàng)目的示范建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
    2、項(xiàng)目引進(jìn)的過程
    2.1常規(guī)滴灌方式存在問題
    由于現(xiàn)有的滴灌系統(tǒng)均采用人工控制球閥進(jìn)行灌溉，受長期溝灌傳統(tǒng)思維影響，種植戶不能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)灌溉時(shí)間、周期、秩序，而是經(jīng)常人為延長灌溉時(shí)間、打亂輪灌秩序，造成輪灌周期得不到有效控制，zui終造成棉花滴灌系統(tǒng)運(yùn)行不正常，棉田因灌水不均勻而整體減產(chǎn)，很難達(dá)到預(yù)期的節(jié)水增產(chǎn)目的。
    根據(jù)近幾年設(shè)計(jì)的方案來看，設(shè)計(jì)者從水力學(xué)*化設(shè)計(jì)角度將水量分到各支管以達(dá)到壓力均衡及水量平衡的目的，以提高管道利用率、節(jié)省管材投資。這也是滴灌推廣初期為降低成本達(dá)到大面積推廣使用的必由之路。但此種設(shè)計(jì)理念的提出也導(dǎo)致后期滴灌管理操作的不便性，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：
    2.1.1我團(tuán)現(xiàn)有常規(guī)滴灌面積達(dá)9萬畝，且全部采用的是兵團(tuán)農(nóng)八師的支附管設(shè)計(jì)模式，地面球閥較多（平均每畝地達(dá)1.4個(gè)）。同時(shí)開啟的閥門很分散，增大了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度切且不便操作。特別是夜間棉田內(nèi)不便行走，職工通常有“省事”心理，選取就近幾組閥或方便開啟的閥門滴灌，人為打破輪灌制度。
    2.1.2由于土地承包到戶，種植戶在水肥分?jǐn)偵喜荒苓_(dá)到一致，導(dǎo)致不能按設(shè)計(jì)輪灌制度開啟球閥，但也同時(shí)打破了水力運(yùn)行規(guī)律無法保證系統(tǒng)壓力的建立，系統(tǒng)壓力無法建立也同時(shí)導(dǎo)致灌水質(zhì)量無法保證，這就是平常我們說的低壓運(yùn)行的主要原因。
    2.1.3不按灌溉制度操作就會(huì)造成灌溉均勻性遭到破壞，這是造成滴灌系統(tǒng)不節(jié)水，或節(jié)水就減產(chǎn)的主要原因。 這些問題得不到解決，導(dǎo)致部分種植戶對(duì)滴灌效果產(chǎn)生質(zhì)疑，拒絕使用滴灌帶及滴灌設(shè)施。
    2.2膜下滴灌采用自動(dòng)化控制的必要性
    現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)想達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)的目的只有通過以下途徑：
    2.2.1嚴(yán)格執(zhí)行灌溉制度，達(dá)到水利設(shè)計(jì)要求。
    2.2.2提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率，保證灌溉均勻度。
    2.2.3根據(jù)棉花不同生育期的需水規(guī)律合理分配灌水量。
    2.2.4根各地土壤肥力狀況和棉花各生長期對(duì)各種肥力的需求分配肥料。
    2.2.5根據(jù)不同時(shí)期氣候情況靈活調(diào)整灌溉計(jì)劃。
    2.2.6減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
    而這些問題只有通過自動(dòng)化控制灌溉，降低人為因素影響，才能有效解決。
    3、項(xiàng)目基本建設(shè)情況
    3.1前期情況
    此項(xiàng)目由石河子大學(xué)與農(nóng)三師設(shè)計(jì)院共完成設(shè)計(jì)任務(wù)，農(nóng)三師設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)滴灌水利工程設(shè)計(jì)部分，石河子大學(xué)負(fù)責(zé)自動(dòng)化與監(jiān)測(cè)部分。并通過招投標(biāo)，自動(dòng)化控制與監(jiān)測(cè)部分由石河子大學(xué)石達(dá)賽*限責(zé)任公司中標(biāo)并完成。
    3.2 建設(shè)面積
    自動(dòng)化系統(tǒng)2007年在我團(tuán)三監(jiān)區(qū)建設(shè)成功，示范面積3013畝，示范區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤貧瘠，開墾種植不到兩年。示范區(qū)種植棉花品種為中棉35號(hào)，播期為4月8日--4月15日。
    3.3 系統(tǒng)配置
    示范區(qū)為新建滴灌系統(tǒng)，系統(tǒng)zui大供水流量為915.13m3/h，揚(yáng)程41.6m，選擇200-400(I)型臥式離心泵4臺(tái)，并聯(lián)運(yùn)行，單泵額定流量260m3/h，揚(yáng)程42m，電機(jī)功率45kw，配45kw一托四變頻一臺(tái)，1000 m3/h的自動(dòng)反沖洗式過濾器1臺(tái)，2臺(tái)SFG-400型施肥罐。
    棉花種植行距為10cm+66cm+10cm+66cm，滴灌帶按一管四布設(shè)，平均間距1.52m。滴灌帶滴頭流量2.8L/h，間距0.3m，工作壓力0.1MPa；支管采用D90薄壁PE管，工作壓力0.25MPa，滴管帶通過調(diào)壓按扣三通與支管連接；干管采用PVC管，工作壓力0.4MPa。
    選用D90調(diào)壓電磁閥，即在支管入口調(diào)壓，讓流量偏差在支管和毛管兩級(jí)分配，電磁閥水頭損失3m，毛管通過按扣三通與支管連接。該技術(shù)方案特點(diǎn)是支管相對(duì)鋪設(shè)長度短(鋪設(shè)長度zui可達(dá)68m)，干管間距小，干管用量大，支管和電磁閥的單位造價(jià)較低。電磁閥采用進(jìn)口以色列NETAFIM電磁閥，過水流量為60-90方/h，單位造價(jià)為1300元/個(gè)。
    該系統(tǒng)共用213個(gè)電磁閥（控制面積14畝/個(gè)），單閥控制面積14畝/個(gè)。采用單支管輪灌方式，劃分為15個(gè)輪灌組，灌水周期4.5d，一次灌水延續(xù)時(shí)間6h。系統(tǒng)配備有18套水分傳感器，還配備了棉花動(dòng)態(tài)生長視頻設(shè)備以及小型氣象站等。
    3.4 自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能
    自動(dòng)化系統(tǒng)采用石河子大學(xué)自主研發(fā)的基于GPRS棉田自動(dòng)化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用有線方式進(jìn)行自動(dòng)化水肥監(jiān)測(cè)與控制，由灌溉自動(dòng)控制子系統(tǒng)、農(nóng)田墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、作物生長圖像采集分析子系統(tǒng)、水肥智能決策子系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)可根據(jù)氣象信息、土壤墑情、作物生長視頻監(jiān)測(cè)結(jié)果（看天、看地、看苗）自動(dòng)評(píng)估水肥狀況及作物長勢(shì)，并將結(jié)果自動(dòng)發(fā)送到用戶手機(jī)，用戶根據(jù)智能決策結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)化灌溉。該系統(tǒng)可提高田間水肥利用效率，減輕干部職工的工作強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)性、灌溉的自控性和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化目標(biāo)，zui終達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)、節(jié)本、擴(kuò)植、增效的目的。                                  
    3.5 項(xiàng)目投入情況
    3013畝示范項(xiàng)目總投入320萬，畝投入1032元/畝。其中，滴灌工程部分投入220萬元，畝投入710元/畝，由于需要配合自動(dòng)化控制，不能*按水利學(xué)*化配置，畝造價(jià)同比普通滴灌高出20-50元/畝；3013畝示范項(xiàng)目總投入80.4936萬元，其中，自動(dòng)化系統(tǒng)總投入52.4936萬元，畝均投入174元；水肥監(jiān)測(cè)與智能決策系統(tǒng)投入20萬元，畝均66元；設(shè)備安裝、運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)培訓(xùn)及前期費(fèi)等科技保障投入8萬元，畝均投入26元。；系統(tǒng)投入要根據(jù)電磁閥控制面積大小以及系統(tǒng)控制面積大小而定，本系統(tǒng)電磁閥控制面積僅14畝/個(gè)。由于電磁閥為進(jìn)口，造價(jià)很高，如果電磁閥控制面積加大，畝成本會(huì)降低。
    3.6 示范區(qū)產(chǎn)量情況
    示范區(qū)棉花全期共灌水11次，每次灌水15-25方/畝，灌水總量260方/畝，比未進(jìn)行水分智能監(jiān)控的滴灌系統(tǒng)節(jié)水30方/畝。由于示范區(qū)土壤鹽堿較大，部分地塊是新收復(fù)的棄耕地，原有耕地也進(jìn)行二次復(fù)平（無埂條田建設(shè)），耕作層受到一定的破壞，2007年由于出苗率不高，平均籽棉測(cè)產(chǎn)375公斤，但比2006年增產(chǎn)52公斤。
    4、 示范項(xiàng)目建設(shè)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)
    經(jīng)過試驗(yàn)，實(shí)施滴灌自動(dòng)化控制效果良好，主要體現(xiàn)為以下幾方面：
    4.1輪灌制度的操作方式?jīng)Q定了自動(dòng)化控制的必要性
    滴灌系統(tǒng)是根據(jù)作物生長情況和地理?xiàng)l件設(shè)計(jì)總需水量，再從水利學(xué)角度將總水量經(jīng)過多級(jí)輸水管和滴灌帶均勻分配到田間，自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)施，由中央監(jiān)控站對(duì)田間工作站和田間電磁閥按水利學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)輪灌制度進(jìn)行灌溉，杜絕人工開啟閥門的隨意性，管理方便。
    4.2 滴灌自動(dòng)化控制是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路
    自動(dòng)化控制是信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體應(yīng)用，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然方向。職工土地承包管理從40畝向300畝甚至更高邁進(jìn)，必須依靠自動(dòng)化管理手段，滴灌更需要智能化決策的技術(shù)支撐。
    4.3 為不同土質(zhì)棉花滴灌模式各生育期需水量提供了科學(xué)依據(jù)。
    從推行自動(dòng)化控制灌溉滴灌，科研人員對(duì)不同灌溉不同土質(zhì)下的滴灌模式棉花各生育期需水量進(jìn)行了大量的研究，自動(dòng)化控制的實(shí)施確保了滴灌時(shí)間、滴量及灌水周期，為滴灌模式下不同土質(zhì)棉花各生育期需水量提供了科學(xué)依據(jù)。達(dá)到節(jié)水效果。由于采用自動(dòng)化控制灌溉，灌溉時(shí)間得以保證，從而使灌溉水量得到有效控制，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)水效果。本項(xiàng)目區(qū)實(shí)測(cè)節(jié)水50方/畝，水費(fèi)價(jià)格0.10元/方，畝節(jié)約水費(fèi)5元，3100畝棉田共節(jié)約水費(fèi)24485元。
    4.4 提高了棉花生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率
    實(shí)施自動(dòng)化控制，棉花管理定額由原來的30-50畝提高到250畝地。項(xiàng)目的實(shí)施，提高了管理定額提高，為團(tuán)場(chǎng)進(jìn)一步推廣農(nóng)業(yè)信息技術(shù)提供了實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。自動(dòng)化控制軟件是國內(nèi)自主研發(fā)的，操作比較簡單。由于滴灌系統(tǒng)運(yùn)行是采用程序化管理，所有電磁閥的開啟均由中央監(jiān)控室統(tǒng)一管理，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力。
    5、存在的問題及建議
    滴灌自動(dòng)化技術(shù)畢竟是一項(xiàng)*，需要考慮的影響因素很多。除了設(shè)備質(zhì)量過關(guān)外，還要考慮軟件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、通訊協(xié)議接口、防水防盜等。在系統(tǒng)運(yùn)行中我們認(rèn)為還存在以下不足：
    5.1 有線控制方式的線纜保護(hù)問題
    本系統(tǒng)運(yùn)行過程中，我們采用有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，但由于本示范區(qū)土壤鹽堿很大，線纜埋設(shè)又是跟隨地下管道一起進(jìn)行的，深度在80cm左右，長期浸泡在潮濕的鹽堿水中，對(duì)電纜腐蝕很大。加上新上系統(tǒng)灌水過程中多處出現(xiàn)爆管等現(xiàn)象，挖掘管道時(shí)線路多處損傷，致使通訊信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)，影響了數(shù)據(jù)傳輸。
    5.2 系統(tǒng)造價(jià)過高
    系統(tǒng)需然采用的是國產(chǎn)系統(tǒng)，但系統(tǒng)總造價(jià)超過1000元/畝，這也是制約項(xiàng)目大面積推廣的一個(gè)主要因素。
    5.3水肥監(jiān)測(cè)精度與控制精度的統(tǒng)一性不夠
    由于水監(jiān)測(cè)主要采用的是探測(cè)器，養(yǎng)分監(jiān)測(cè)主要采用數(shù)碼相機(jī)攝象等來收集，這就存在一個(gè)監(jiān)測(cè)精度問題，一個(gè)監(jiān)測(cè)器控制的范圍是一個(gè)以監(jiān)測(cè)器為圓心的圓，而控制滴灌一個(gè)輪灌組是上個(gè)方陣，況且監(jiān)測(cè)范圍與控制范圍也不能重合；加之團(tuán)場(chǎng)對(duì)土壤性質(zhì)原始數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)資料不足也是影響監(jiān)測(cè)精度的一個(gè)因素。
    5.4人員素質(zhì)與自動(dòng)化系統(tǒng)相互適應(yīng)的問題
    由于系統(tǒng)采用的是當(dāng)前我國的自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)建設(shè)后的管理要求比較高，系統(tǒng)了現(xiàn)問題時(shí)往往束手無策，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，問題排除速度慢。同時(shí)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)要盡量適應(yīng)使用者的知識(shí)層次和技術(shù)水平，使用者也要不斷提高自身素質(zhì)適應(yīng)新技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)，這是一個(gè)相互作用的過程。作為和使用者應(yīng)該進(jìn)行充分的溝通才能達(dá)到一種平衡，也才能使*的技術(shù)迅速得到推廣。
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