α 值法自動灌溉系統(tǒng)研究

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 我國農(nóng)業(yè)灌溉用水現(xiàn)狀 我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，人均水資源占有量僅為世界平均水平的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，而農(nóng)業(yè)是用水大戶，近年來農(nóng)業(yè)用水約占全國用水總量的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)域缺水問題已經(jīng)顯現(xiàn)出來。

目前，傳統(tǒng)的灌溉模式已不再適合我國國情的發(fā)展，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉普及較好，我國有效灌溉面積為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，灌溉不及時等問題。發(fā)展適時灌溉，自動化節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)已是國家可持續(xù)戰(zhàn)略的重大舉措之一。

1.2 研究的國內(nèi)外發(fā)展趨勢 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，國外灌溉自動控制系統(tǒng)已逐步趨于成熟、系列化。在國內(nèi)，近30 年間，農(nóng)業(yè)還是依靠傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，自動化灌溉未能應(yīng)用到灌溉工程中。國內(nèi)在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面處于研制、試用階段。能實際投入應(yīng)用，且應(yīng)用較廣的系統(tǒng)還不多見，我國研制自動灌溉系統(tǒng)技術(shù)還處在初級階段，任然停留在理論的探討以及小規(guī)模的試驗；另外市場上的自動灌溉系統(tǒng)造價高，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，通過自動灌溉系統(tǒng)可以適時、適量進(jìn)行灌水，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，同時，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，確定灌溉時間，適時灌溉，提高灌水的及時性。②通過時間控制器，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通過利用太陽能對灌溉水加熱，提高土壤溫度，促進(jìn)作物生長發(fā)育。

2 研究內(nèi)容

該自動灌溉系統(tǒng)是利用在充分灌溉條件下按照某時段內(nèi)作物需水量ET 和與ET 同時段的水面蒸發(fā)量E0 之間的關(guān)系式，即：ET=αE0，按照該時段作物土壤適宜含水率為上、下限，通過蒸發(fā)皿的水位變化監(jiān)控土壤含水率變化，調(diào)控電動蝶閥適時開關(guān)給灌溉區(qū)供水，適時灌溉，提高灌水的及時性。如：某地區(qū)棉花幼苗期需水模系數(shù)α=0.65，棉花幼苗期土壤計劃濕潤層為35cm，土壤適宜含水率為55%～70%（以田間持水率的百分率計），土壤田間持水率為30%（以占土壤體積百分率計），則田間適宜最大含水量為7.35mm，適宜最小含水量為5.8mm，在無降雨的情況下采用適時灌溉，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，此時該地達(dá)到適宜最小含水率，水源水箱開始給灌區(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，確定灌水時間，灌溉制度制定后，遇到降雨和氣象條件與設(shè)計典型年有變化時，灌水的及時性無法保證。本論文的研究的基礎(chǔ)條件是充分灌溉制度下的灌溉，因為現(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 值法的自控適時灌溉系統(tǒng)是按照作物土壤適宜含水率為上、下限，通過蒸發(fā)皿的水位變化監(jiān)控土壤含水率變化，調(diào)控電動蝶閥適時開關(guān)給灌溉區(qū)供水，適時灌溉，提高灌水的及時性。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 值法計算作物需水量，該方法的理論研究、試驗和生產(chǎn)運(yùn)用都比較成熟，各地區(qū)灌溉試驗站有大量的試驗數(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，實現(xiàn)自控適時灌溉，該技術(shù)在模型設(shè)計中得到體現(xiàn)，并后期應(yīng)用于試驗田，通過試驗統(tǒng)計說明，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)具有田間工程簡單，需要的設(shè)備少，投資省，技術(shù)簡單，操作方便，群眾容易掌握，能耗少，節(jié)約水資源，節(jié)約灌溉時間，提高灌水利用率，能夠推廣使用是可行的。

3.3 設(shè)計思路 大量灌溉試驗資料表明，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，其計算公式為：ET=αE0；

其中：ET——某時段的作物需水量，以水層深度計，mm；E0——與ET 同時段的水面蒸發(fā)量，以水層深度計，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)，即同時期需水量與水面蒸發(fā)量之比值，一般由實驗確定。測定土壤含水率，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，適時監(jiān)控土壤水分變化，在充分灌溉條件下，通過電磁閥等自動裝置，控制灌水時間和灌水量，實現(xiàn)以水面蒸發(fā)為參數(shù)的自控適時灌溉，使作物在最適宜的生長土壤環(huán)境下，達(dá)到豐產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。

4 系統(tǒng)實施

①系統(tǒng)參數(shù)確定。利用灌溉試驗資料，確定作物不同生育期的需水模系數(shù)、土壤計劃濕潤層、土壤適宜含水率、土壤田間持水率，計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)水實訓(xùn)基地試驗田的棉花種植為例。

表1 棉花各生育階段參數(shù)表

②灌溉系統(tǒng)制作。通過浮標(biāo)、自動控制閘閥、時間控制器等設(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，組裝成一個完整的灌溉系統(tǒng)。

③田間試驗階段。在完成灌溉水量和灌水系統(tǒng)制作后，在部分實驗田里使用，完成灌溉系統(tǒng)性能測試。

④產(chǎn)品開發(fā)利用。通過田間試驗后，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)簡單、價格低廉、精度較高，具有良好的商品化開發(fā)及廣闊的市場應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

α 值法自動灌溉系統(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，還能節(jié)省人力、物力，操作簡單，造價低，實際應(yīng)用普及程度高。

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