馮永斌FENG Yong-bin；張興旺ZHANG Xing-wang

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730021）

（Lanzhou Resources &Environment Voc-tech College，Lanzhou 730021，China）

1 研究背景與意義

1.1 我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水現(xiàn)狀 我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4，水資源人均占有量將繼續(xù)下降，加之水資源污染嚴(yán)重、水質(zhì)惡化的同時(shí)，而農(nóng)業(yè)是用水大戶，近年來(lái)農(nóng)業(yè)用水約占全國(guó)用水總量的62%，部分地區(qū)高達(dá)90%以上，但是農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重，灌溉水和自然降水利用率低，農(nóng)業(yè)用水效率不高，區(qū)域缺水問(wèn)題已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái)。

目前，傳統(tǒng)的灌溉模式已不再適合我國(guó)國(guó)情的發(fā)展，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉普及較好，我國(guó)有效灌溉面積為9.25 億畝，節(jié)水灌溉工程面積4.38 億畝，其中高效節(jié)水灌溉工程面積1.87 億畝，雖然節(jié)水灌溉發(fā)展成效明顯，但總體滯后于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要，缺乏自動(dòng)化灌溉，仍然存在灌溉水利用率低、田間滲漏量大，灌溉不及時(shí)等問(wèn)題。發(fā)展適時(shí)灌溉，自動(dòng)化節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)已是國(guó)家可持續(xù)戰(zhàn)略的重大舉措之一。

1.2 研究的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 隨著全球性水資源供需矛盾的日益加劇，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，國(guó)外灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)已逐步趨于成熟、系列化。在國(guó)內(nèi)，近30 年間，農(nóng)業(yè)還是依靠傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，自動(dòng)化灌溉未能應(yīng)用到灌溉工程中。國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面處于研制、試用階段。能實(shí)際投入應(yīng)用，且應(yīng)用較廣的系統(tǒng)還不多見(jiàn)，我國(guó)研制自動(dòng)灌溉系統(tǒng)技術(shù)還處在初級(jí)階段，任然停留在理論的探討以及小規(guī)模的試驗(yàn)；另外市場(chǎng)上的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)造價(jià)高，農(nóng)戶操作不方便，投資較大，這限制了一定灌區(qū)的普及。

1.3 研究的意義與目的 現(xiàn)代自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工灌溉控制系統(tǒng)相比，具有節(jié)水、節(jié)省人工量等優(yōu)點(diǎn)，而且可以避免灌溉中的人為因素，所造成的不利影響，能夠準(zhǔn)確性操作，利于灌區(qū)的科學(xué)管理。此外，通過(guò)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以適時(shí)、適量進(jìn)行灌水，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，同時(shí)，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。本論文研究的目的在于：

①α 值法自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的研究是按照作物土壤適宜含水率為上、下限變化參考值，確定灌溉時(shí)間，適時(shí)灌溉，提高灌水的及時(shí)性。②通過(guò)時(shí)間控制器，控制灌溉水量，定量灌溉，減少深層滲濾量，提高灌水的利用率，節(jié)約水資源，并有效的防止灌溉造成的土壤結(jié)構(gòu)的破壞。③通過(guò)利用太陽(yáng)能對(duì)灌溉水加熱，提高土壤溫度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育。

2 研究?jī)?nèi)容

該自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是利用在充分灌溉條件下按照某時(shí)段內(nèi)作物需水量ET 和與ET 同時(shí)段的水面蒸發(fā)量E0 之間的關(guān)系式，即：ET=αE0，按照該時(shí)段作物土壤適宜含水率為上、下限，通過(guò)蒸發(fā)皿的水位變化監(jiān)控土壤含水率變化，調(diào)控電動(dòng)蝶閥適時(shí)開(kāi)關(guān)給灌溉區(qū)供水，適時(shí)灌溉，提高灌水的及時(shí)性。如：某地區(qū)棉花幼苗期需水模系數(shù)α=0.65，棉花幼苗期土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層為35cm，土壤適宜含水率為55%～70%（以田間持水率的百分率計(jì)），土壤田間持水率為30%（以占土壤體積百分率計(jì)），則田間適宜最大含水量為7.35mm，適宜最小含水量為5.8mm，在無(wú)降雨的情況下采用適時(shí)灌溉，則棉花幼苗期的灌水定額為1.55mm，當(dāng)蒸發(fā)皿（80cm 口徑）水位差為2.38mm，則蒸騰量：ET=αE0=0.65×2.38=1.55mm，此時(shí)該地達(dá)到適宜最小含水率，水源水箱開(kāi)始給灌區(qū)灌水，灌水量為1.55mm，蒸發(fā)皿補(bǔ)給水箱為蒸發(fā)皿供水至上立柱點(diǎn)，到下一次再開(kāi)始灌溉。

3 研究基礎(chǔ)

3.1 理論科學(xué)性 傳統(tǒng)的地面灌溉方式是按照土壤田間持水率為上限，作物允許土壤的最小含水率為下限，制定灌溉制度，確定灌水時(shí)間，灌溉制度制定后，遇到降雨和氣象條件與設(shè)計(jì)典型年有變化時(shí)，灌水的及時(shí)性無(wú)法保證。本論文的研究的基礎(chǔ)條件是充分灌溉制度下的灌溉，因?yàn)楝F(xiàn)行的灌溉制度大多是充分灌溉條件下的灌溉制度，這方面的研究資料比較完備。α 值法的自控適時(shí)灌溉系統(tǒng)是按照作物土壤適宜含水率為上、下限，通過(guò)蒸發(fā)皿的水位變化監(jiān)控土壤含水率變化，調(diào)控電動(dòng)蝶閥適時(shí)開(kāi)關(guān)給灌溉區(qū)供水，適時(shí)灌溉，提高灌水的及時(shí)性。這為論文的研究運(yùn)用奠定了理論科學(xué)基礎(chǔ)。

3.2 技術(shù)可行性 本論文的理論基礎(chǔ)是用α 值法計(jì)算作物需水量，該方法的理論研究、試驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)用都比較成熟，各地區(qū)灌溉試驗(yàn)站有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為論文提供了充分的技術(shù)保障。在充分灌溉條件下，實(shí)現(xiàn)自控適時(shí)灌溉，該技術(shù)在模型設(shè)計(jì)中得到體現(xiàn)，并后期應(yīng)用于試驗(yàn)田，通過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)說(shuō)明，此技術(shù)能夠使作物在最適宜的土壤水分狀況下，達(dá)到豐產(chǎn)、高產(chǎn)的目的，而且該系統(tǒng)具有田間工程簡(jiǎn)單，需要的設(shè)備少，投資省，技術(shù)簡(jiǎn)單，操作方便，群眾容易掌握，能耗少，節(jié)約水資源，節(jié)約灌溉時(shí)間，提高灌水利用率，能夠推廣使用是可行的。

3.3 設(shè)計(jì)思路 大量灌溉試驗(yàn)資料表明，氣象因素（溫度、日照、濕度、風(fēng)速等）是影響作物需水量的主要因素，而當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)量又是各種氣象因素綜合影響的結(jié)果。

α 值法是作物需水量的直接計(jì)算方法，是利用水面蒸發(fā)這一參數(shù)估算作物需水量，其計(jì)算公式為：ET=αE0；

其中：ET——某時(shí)段的作物需水量，以水層深度計(jì)，mm；E0——與ET 同時(shí)段的水面蒸發(fā)量，以水層深度計(jì)，mm；E0 一般采用80cm 口徑蒸發(fā)皿的蒸發(fā)值；α——農(nóng)作物需水模系數(shù)，即同時(shí)期需水量與水面蒸發(fā)量之比值，一般由實(shí)驗(yàn)確定。測(cè)定土壤含水率，確定作物某生育期最優(yōu)含水率的上限值和下限值，計(jì)算出在該含水率范圍之間的土壤含水量，即確定了作物的需水量，利用α 值法的計(jì)算公式，推算出蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量。

利用蒸發(fā)皿的水位變化，適時(shí)監(jiān)控土壤水分變化，在充分灌溉條件下，通過(guò)電磁閥等自動(dòng)裝置，控制灌水時(shí)間和灌水量，實(shí)現(xiàn)以水面蒸發(fā)為參數(shù)的自控適時(shí)灌溉，使作物在最適宜的生長(zhǎng)土壤環(huán)境下，達(dá)到豐產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。

4 系統(tǒng)實(shí)施

①系統(tǒng)參數(shù)確定。利用灌溉試驗(yàn)資料，確定作物不同生育期的需水模系數(shù)、土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層、土壤適宜含水率、土壤田間持水率，計(jì)算出作物不同生育期的一次灌溉用水量和蒸發(fā)皿的水位變化量。以甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)某校農(nóng)水實(shí)訓(xùn)基地試驗(yàn)田的棉花種植為例。

表1 棉花各生育階段參數(shù)表

②灌溉系統(tǒng)制作。通過(guò)浮標(biāo)、自動(dòng)控制閘閥、時(shí)間控制器等設(shè)備把灌溉水源、蒸發(fā)皿、蒸發(fā)皿補(bǔ)充水箱、田間灌溉系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，組裝成一個(gè)完整的灌溉系統(tǒng)。

③田間試驗(yàn)階段。在完成灌溉水量和灌水系統(tǒng)制作后，在部分實(shí)驗(yàn)田里使用，完成灌溉系統(tǒng)性能測(cè)試。

④產(chǎn)品開(kāi)發(fā)利用。通過(guò)田間試驗(yàn)后，完善系統(tǒng)缺陷，逐步進(jìn)行田間推廣。如果該系統(tǒng)能夠進(jìn)行大面積的推廣，該系統(tǒng)使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、精度較高，具有良好的商品化開(kāi)發(fā)及廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

α 值法自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，農(nóng)戶可以利用此系統(tǒng)控制大面積的作物灌溉用水，而且在水量充足地區(qū)，同樣適用于充分灌溉條件下的畦灌、溝灌和噴灌，在提高水的有效利用率的同時(shí)，還能節(jié)省人力、物力，操作簡(jiǎn)單，造價(jià)低，實(shí)際應(yīng)用普及程度高。

[1]謝春燕，倪九派，魏朝富.節(jié)水灌溉方式下作物需水量和灌溉需水量研究綜述[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2004（4）.

[2]張兵，袁壽其，成立.節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)[J].排灌機(jī)械，2003（02）.

[3]樊引琴.作物蒸發(fā)蒸騰量的測(cè)定與作物需水量計(jì)算方法的研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2001 年.

[4]謝立群，鄭淑紅.作物需水量的計(jì)算方法[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2007 年1 月.

[5]張玉和.基于GSM 的棉田膜下滴灌自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].北京交通大學(xué)，2005.