智慧灌溉系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用
——以鹽邊縣桐子林鎮(zhèn)智慧灌溉試點項目為例

□沈燕 蔣輝霞 陳爽 何清燕 鄭宇

/1.鹽邊縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院

1 項目概況

項目位于鹽邊縣金河村、納爾河村——金河（納爾河）“萬畝芒果基地”，該基地大規(guī)模種植芒果，集中連片產(chǎn)業(yè)化程度高，具備良好的水源條件和便利的交通、電力等設(shè)施條件。該基地具有以下特點。

1）通過政府主導(dǎo)，全力支持動員農(nóng)民發(fā)展芒果產(chǎn)業(yè)，基地現(xiàn)有芒果種植戶77戶，涉及農(nóng)民3000余人?；噩F(xiàn)有省級農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)1家，市級農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)4家，農(nóng)民專業(yè)合作社3個。

2）基地通過與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、省市農(nóng)林科學(xué)院合作，選育推廣了凱特、吉祿、金煌等主產(chǎn)品種。

3）成功創(chuàng)建國家級出口芒果質(zhì)量安全示范區(qū)，突出龍頭企業(yè)帶動，“攀枝花”芒果獲綠色食品認(rèn)證，基地生產(chǎn)的芒果獲歐洲良好農(nóng)業(yè)規(guī)范（GAP）認(rèn)證。

4）2016年，基地芒果產(chǎn)量突破2萬t，產(chǎn)值實現(xiàn)15億元，芒果產(chǎn)業(yè)促農(nóng)民人均增收近3萬元。項目區(qū)占地面積為72hm2，為大田種植模式，種植行距為5m，株距為4m，其小型水源工程采用山頂原有高位水池，以管道自流的形式將水肥（藥）灌入田間，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計

針對項目區(qū)芒果的生長規(guī)律、種植密度以及土壤情況制定了灌水制度和工作制度。經(jīng)計算，系統(tǒng)設(shè)計灌水周期為7d，項目區(qū)分為7個輪灌區(qū)，每日工作時間為17.7h，根據(jù)擬定的灌溉制度自動為每個輪灌片區(qū)供水，每行芒果樹設(shè)一根直徑25mm、壁厚2mm的滴灌毛管，毛管上按果樹株距4m設(shè)置穩(wěn)流器，穩(wěn)流器工作壓力為0.2MPa，單個穩(wěn)流器流量為20L/h，接環(huán)形分流管環(huán)繞樹根，單根分流管長度6m，每米均布3個分流孔，滴灌管道采用PE管材，現(xiàn)場熱熔焊接。系統(tǒng)采用一臺管道循環(huán)泵機(jī)組，項目區(qū)高位水池的灌溉水源到各個地塊的高差較大，最大高差約200m，因此采用管道自流的形式，水泵只需突破過濾器工作壓力，設(shè)計參數(shù)為流量100m3/h，揚(yáng)程15m，功率7.5kW。首部過濾系統(tǒng)采用砂石加網(wǎng)式二級過濾系統(tǒng)，過濾精度為120目，設(shè)計流量100m3/h，壓力等級為1.0MPa，灌溉施肥采用水肥一體化系統(tǒng)，使用水溶性肥料，通過EC/PH比例施肥機(jī)自動輸入灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)。

智慧灌溉系統(tǒng)包含6部分：水源工程與水工建筑物、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、灌水器、智能控制系統(tǒng)、智能管理與物聯(lián)網(wǎng)平臺。系統(tǒng)從水源取水，經(jīng)過首部樞紐的加壓系統(tǒng)、施肥（藥）系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，利用輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)，通過灌水器將水肥（藥）輸送到需要灌溉的小地塊，由智能控制系統(tǒng)、智能管理與物聯(lián)網(wǎng)平臺對整個智慧灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行管理和控制。

智能管理與物聯(lián)網(wǎng)平臺包含中央管理平臺、田間氣象監(jiān)測站、物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等，其中，中央管理平臺可對田間氣象監(jiān)測站、物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的信息進(jìn)行分析處理并發(fā)出指令；田間氣象監(jiān)測站可對空氣溫度、空氣濕度、照度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、光合總輻射、大氣壓等氣象環(huán)境要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場精確測量。每個輪灌區(qū)設(shè)置1套物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)，進(jìn)行分區(qū)土壤墑情長時間連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)采用三合一傳感器進(jìn)行信息監(jiān)測，可實施測量土壤溫度、土壤濕度及土壤電導(dǎo)率信息，采用433M無線傳輸，GPRS/無線局域網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒牍芾砥脚_；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可進(jìn)行全天候連續(xù)監(jiān)控，實時動態(tài)觀察作物生長狀況及設(shè)備的運(yùn)行狀況，既對大田、設(shè)備起到防盜的作用，又可以通過攝像頭獲取作物葉片上的病蟲害發(fā)生情況。

圖 1 系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行

整個灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制，智能控制系統(tǒng)包括軟件載體控制器及中控柜，能夠?qū)崿F(xiàn)對田間閥門控制系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)的監(jiān)測及控制，并通過智能管理與物聯(lián)網(wǎng)平臺中的中央管理平臺顯示并存儲，具備遠(yuǎn)程與云服務(wù)的數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)交換功能。整個系統(tǒng)具有無線通信功能，利用GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制指令、系統(tǒng)運(yùn)行情況等信息的傳輸，并在發(fā)生事故時進(jìn)行報警。智能控制系統(tǒng)控制多個閥門，根據(jù)需要把電磁閥門編進(jìn)相應(yīng)的輪灌組，編訂7個輪灌組，調(diào)控每個電磁閥的啟閉時間，編制施肥程序，預(yù)計時間和水量進(jìn)行自動灌溉控制等，每個地塊具有中文可視化界面，無線RTU單元與電磁閥配套，接收上位機(jī)主站或田間站的指令，對電磁閥的啟閉進(jìn)行控制。灌溉控制器系統(tǒng)可通過簡單操作實現(xiàn)對每個地塊電磁閥的控制、控制灌溉泵、根據(jù)壓差控制過濾器、利用計算機(jī)或手機(jī)通過云平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、通過本地控制器或云平臺實時查詢水肥實施情況，并以波形圖方式體現(xiàn)。系統(tǒng)示意圖見圖1。

4 效益分析

智慧灌溉系統(tǒng)具有增產(chǎn)、節(jié)水、省工等綜合效益。通過智慧灌溉技術(shù)可減少水分的滲漏和蒸發(fā)，提高水資源利用率，使灌區(qū)內(nèi)灌溉水利用系數(shù)由原來的0.40提高到0.95以上，大大改善了項目區(qū)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施，提高了抗旱能力；此外，通過智慧灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)按需、適量精準(zhǔn)施肥（藥），可提高芒果的品質(zhì)和產(chǎn)量，并且有效解地決了農(nóng)業(yè)面源污染問題；項目實施后對于種植面積成規(guī)模的園區(qū)大大節(jié)約了勞動力成本；同時，還可促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)及農(nóng)民增收，推進(jìn)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

5 結(jié)語

攀枝花市鹽邊縣桐子林鎮(zhèn)金河（納爾河）“萬畝芒果基地”以2018年農(nóng)業(yè)智慧灌溉試點項目的實施為契機(jī)，依靠物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地智能感知、智能分析、智能預(yù)警和智能決策，切實降低了勞動力成本，提高了生產(chǎn)效率，增加了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，獲得了更大的經(jīng)濟(jì)效益。業(yè)主通過物聯(lián)網(wǎng)平臺或手機(jī)遠(yuǎn)程控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，實時精準(zhǔn)地采集種植區(qū)域的環(huán)境參數(shù)等，再結(jié)合種植經(jīng)驗，能有效、適時地對作物進(jìn)行精準(zhǔn)水肥一體化灌溉，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。因此，智慧灌溉系統(tǒng)的研究和應(yīng)用示范具有重要意義。