陳培玉，金榮生

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院基地管理與服務(wù)中心，河南新鄉(xiāng) 453500）

我國(guó)水資源短缺，存在分布不均、人均占有量少等問題，農(nóng)業(yè)用水量在總用水量中所占比例為71%左右。節(jié)水灌溉工程是將水資源從水源地輸送至作物根系，盡可能減少水量損失，滿足作物全生育期對(duì)水資源的需求，提高水的利用率和水分生產(chǎn)率，水利用系數(shù)普遍在0.8 以上，節(jié)水效果十分明顯，對(duì)優(yōu)化各行業(yè)水資源配置具有十分重要的意義［1］。農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)基地是支撐農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)的平臺(tái)和展示綜合創(chuàng)新能力的窗口，是農(nóng)業(yè)科研第二實(shí)驗(yàn)室［2］。農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)基地涉及不同作物的研究方向，對(duì)灌溉的需求也不盡相同，因此農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地灌溉系統(tǒng)的選擇既要滿足其個(gè)性化、多元化的灌溉需求，又要具有農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉模式的示范性。河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地（以下簡(jiǎn)稱“基地”）一體化集成灌溉系統(tǒng)，可以較好地滿足這一要求。

1 基地基本情況

1.1 基地概況

基地隸屬于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，是融農(nóng)業(yè)高新技術(shù)研究、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)展示、科普教育、產(chǎn)業(yè)研發(fā)及農(nóng)業(yè)觀光于一體的新型綜合性試驗(yàn)示范園區(qū)，占地383 hm2，分為農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)、高新技術(shù)中試與孵化、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)展示3個(gè)功能區(qū)，其中農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)區(qū)占地156.67 hm2，內(nèi)有排渠縱橫，外有環(huán)渠圍繞，臨近中央湖區(qū)，道路通暢，地塊根據(jù)14 個(gè)專業(yè)研究所（中心）不同的農(nóng)業(yè)科學(xué)研究和科技產(chǎn)業(yè)研發(fā)需求，統(tǒng)一劃分，形狀規(guī)整，主要開展農(nóng)作物育種、高產(chǎn)高效栽培、植物營(yíng)養(yǎng)與保護(hù)、種子加工、工廠化育苗、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)等學(xué)科的試驗(yàn)研究，涉及的農(nóng)作物包括小麥、大豆、芝麻、玉米、油菜、花生、水稻和棉花等。

1.2 基地自然條件

基地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，春短風(fēng)多雨水少，夏季炎熱雨水多，秋高氣爽日照長(zhǎng)，冬長(zhǎng)寒冷少雨雪。年平均氣溫14.4 ℃，年平均降雨量約為550 mm，年蒸發(fā)量為2 034 mm，年平均日照在2 324.5 h左右，平均日照率53.8%，無霜期224 d，最長(zhǎng)年份258 d，風(fēng)向以東北風(fēng)和西南風(fēng)較多。地下水資源豐富，南靠黃河，西北接天然文巖渠，東北接王村排渠。10 年平均地下水位為3 m，主要接受大氣降水及黃河側(cè)向徑流補(bǔ)給，其動(dòng)態(tài)特征隨季節(jié)變化，水位變幅1.0 m 左右。

2 基地一體化集成灌溉系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)整體布局

一體化集成灌溉系統(tǒng)是以一體化集成泵站為基礎(chǔ)，融合管網(wǎng)工程、渠道工程、自動(dòng)化控制工程，兼容多種灌溉設(shè)施及水肥一體化系統(tǒng)的總稱。其中，泵站和管網(wǎng)、自動(dòng)化控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。該系統(tǒng)以基地23.33 hm2的中心湖水作為主要灌溉水源，設(shè)計(jì)湖底高程81.694 m，蓄水量50～70 萬立方米，將中心湖水提升加壓、過濾后，送至管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)水口，經(jīng)過主干管、分干管、支管三級(jí)耐壓管道輸送，將水送至田間地頭。各末端用戶可以根據(jù)各自需要，聯(lián)合微噴、滴灌、噴灌等灌溉形式。

2.2 一體化集成泵站

一體化集成泵站的基礎(chǔ)設(shè)施包括水泵、電機(jī)、過濾器設(shè)備、進(jìn)出水管道、變頻控制柜和高低壓配電柜等；安全設(shè)備包括逆止閥、排氣閥、控制閥、安全閥等；計(jì)量設(shè)備包括流量計(jì)、真空表、壓力表和溫度計(jì)等，集成泵站平面示意圖見圖1。

2.2.1 泵的選擇

該系統(tǒng)采用5 臺(tái)水泵供水。其中，4 臺(tái)長(zhǎng)軸深井泵為主泵，型號(hào)為300LJC160-11.5，流量均為160 m3，揚(yáng)程65 m，單臺(tái)電機(jī)功率37 kW；持壓泵1 臺(tái)，型號(hào)175QJ10-60/4，功率為4 kW，用于小流量時(shí)的管道保壓和用水。采用階梯流量控制，根據(jù)用水量的多少，自動(dòng)控制開啟水泵的臺(tái)數(shù)，節(jié)能省電，還能減少管道運(yùn)行壓力，提高水泵利用率，降低故障率。

圖1 集成泵站平面示意圖

2.2.2 過濾系統(tǒng)

泵站過濾系統(tǒng)采用兩級(jí)過濾，采用8 個(gè)Φ1 000 mm的砂石過濾器并聯(lián)安裝，作為初級(jí)過濾，攔截水中大的顆粒雜質(zhì)、浮游微生物及藻類。采用過濾精度為120 目的網(wǎng)式自動(dòng)反沖洗過濾器作為灌溉系統(tǒng)的精過濾，保障灌溉噴頭不被堵塞。

2.2.3 泵站控制柜

采用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，由PID（比例-積分-微分控制器）閉環(huán)控制，能自動(dòng)按照系統(tǒng)用水量和設(shè)定的壓力調(diào)節(jié)其供水量，通過PLC（可編程控制器）程序自動(dòng)控制補(bǔ)泵、退泵等操作，不僅使系統(tǒng)供水壓力恒定，還能達(dá)到最理想的節(jié)能效果。設(shè)定不同的壓力可以滿足不同灌溉方式的需要。泵房控制系統(tǒng)有多項(xiàng)報(bào)警保護(hù)功能，如水位過低、流量過大、異常超壓、電源錯(cuò)相、電機(jī)過載、壓力傳感器中斷以及過濾器故障等。

2.3 系統(tǒng)管網(wǎng)

該系統(tǒng)保留了基地舊式井灌管網(wǎng)系統(tǒng)，增加高壓管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)，供水管采用具有更好的伸縮性和抗沖擊性能的PE 管，主管外徑355～400 mm，支管外徑110～200 mm，分管外徑為50 mm，承壓能力1.6 MPa，整個(gè)系統(tǒng)管網(wǎng)長(zhǎng)度約40 000 m。灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌溉保證率達(dá)到90%，灌溉水利用系數(shù)：滴灌不低于0.9，噴灌不低于0.8，小管出流不低于0.9，管灌不低于0.85。

2.4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括中央計(jì)算機(jī)、管道電磁閥、田間控制器、解碼器、水肥一體化設(shè)備及數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)設(shè)備。中央計(jì)算機(jī)和ACC（解碼器控制器）田間分控箱采用GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）手機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)需連接互聯(lián)網(wǎng)，分控箱集成了帶有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的移動(dòng)SIM 卡，控制距離不受地域限制，計(jì)算機(jī)安裝位置靈活方便，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。ACC 田間分控箱之間采用GCBL 通信電纜進(jìn)行通信，ROAM 遠(yuǎn)程遙控器與ACC 田間分控箱的通信采用27 MHz 低頻無線通信，可實(shí)現(xiàn)3 km的遙控操作。同時(shí)，計(jì)算機(jī)可以載入項(xiàng)目區(qū)當(dāng)?shù)仄矫鎴D，進(jìn)行圖形操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，動(dòng)態(tài)模擬顯示泵站、電磁閥、流量計(jì)量等的工作狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)取各末端工作情況和歷史數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

3.1 “2+1”水源模式，科研灌溉用水雙保險(xiǎn)

“2+1”指湖水、井水兩個(gè)水源保障，共用一套管網(wǎng)系統(tǒng)。以湖水等地表水為主，井水為輔，雙水源保障，不誤農(nóng)時(shí)。同時(shí)，地表水灌溉是國(guó)家提倡的節(jié)水灌溉方式，充分利用地表水能夠保證地下水資源可持續(xù)利用。與地下水灌溉相比，地表水灌溉不僅能夠節(jié)約水資源，富含有機(jī)質(zhì)，還能增強(qiáng)作物抗病蟲害、抗倒伏能力，提高作物品質(zhì)。

3.2 提高水資源利用率和灌溉效率

該系統(tǒng)采用1.6 MPa PE 管道輸水灌溉可減少滲漏損失和蒸發(fā)損失，提高水資源的利用率。同時(shí)，較高的管道耐壓能力為灌溉效率的提高提供保障。以滴灌為例，用水量比三面光溝渠減少水損20%～30%，肥水利用率提高20%～40%，可節(jié)省工時(shí)60 個(gè)/hm2［3］。就微噴而言，傳統(tǒng)井灌管網(wǎng)最多能滿足3～5 根微噴管（80 m）同時(shí)工作的壓力，而一體化灌溉系統(tǒng)能同時(shí)滿足20～30根微噴管正常工作，效率提升近7 倍。

3.3 減少占地，方便管理

該系統(tǒng)管道埋深80 cm，不影響正常耕作，突出地面的噴灌設(shè)施緊鄰試驗(yàn)地邊，減少占用耕地面積，有效提高了作物種植率。每個(gè)灌溉終端都設(shè)有閥門控制開關(guān)，便于對(duì)灌溉過程中水量的控制，滿足不同作物用水需求，為農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)灌溉用水科學(xué)化管理創(chuàng)造有利條件。

3.4 兼容能力強(qiáng)

該系統(tǒng)兼容能力強(qiáng)，可以滿足農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)灌溉需求的多樣化，出水量最高為650 m3·h-1，能同時(shí)滿足微噴、大噴灌、滴灌、漫灌、移動(dòng)式噴灌等多種灌溉模式需求。如小麥在耕作前，需要壓堿壓鹽灌溉時(shí)宜用漫灌方式，分檗期宜用微噴方式，灌漿期宜用移動(dòng)式噴灌方式等。

3.5 拓展性和實(shí)用性強(qiáng)

該系統(tǒng)拓展性和實(shí)用性強(qiáng)，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地的展示性、示范性。系統(tǒng)能通過電腦端或手機(jī)APP 端遠(yuǎn)程控制泵站控制柜、試驗(yàn)地電動(dòng)閥、電磁閥，配合試驗(yàn)地監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉可視自動(dòng)化管理，建立基地高效灌溉工程與節(jié)水技術(shù)集成示范區(qū)，促進(jìn)高效灌溉農(nóng)業(yè)的規(guī)范化、規(guī)?；l(fā)展。

4 問題及建議

4.1 系統(tǒng)設(shè)施保護(hù)問題

田間電動(dòng)閥長(zhǎng)期在閥門井內(nèi)，線路及控制板容易受潮，造成電機(jī)損壞。建議電動(dòng)閥門控制面板通過加高連接桿高于地面，用控制箱加以保護(hù)，利用太陽能提供電動(dòng)閥電源，減少電線的使用和破損概率。

4.2 湖水過濾問題

湖水中泥沙較多，容易堵塞過濾系統(tǒng)。建議水源前端增加二級(jí)過濾沉淀池，減少湖水泥沙含量及雜物，同時(shí)加強(qiáng)管理，定期清理沉淀池、過濾器，避免堵塞，影響灌溉。

4.3 壓力設(shè)置問題

該系統(tǒng)兼容多種灌溉模式，但不同的灌溉模式所需供水壓力不同，滴灌1～2 Pa、微噴3～4 Pa、噴灌5～7 Pa，需要制定科學(xué)灌溉制度，結(jié)合總體灌溉系統(tǒng)運(yùn)行情況，采取輪灌，由基地中心辦公室進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控調(diào)度，保證灌溉季節(jié)需水量大時(shí)能夠有序完成灌水。