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棉花膜下滴灌監測及自動化控制實施與應用
自動化滴灌技術，是一項全新的技術和前沿科技，自動化技術應用于大農業特別是在大田的運用也是一個嶄新的領域。zui早引進此項技術均是全套的采用以色列的技術和設備，由于建設成本較高，只試點性的在南方應用于果園和生態園林建設等一些附加值較高的產業。
近幾年，隨著該項技術不斷成熟，建設成本的不斷降低，自動化控制滴灌開始在兵團部分團場得到較大范圍的應用并取得了成功，棉花膜下滴灌監測與自動化控制是滴灌自動化控制與棉花膜下栽培模式及測土施肥的結合，他是通過探測器，把探測到的土壤墑情和肥力狀況經自動化處理后，通過自動化控制滴灌這個平臺去實現滴水、施肥的一項技術。2007年，我團在三監區的3013畝(一套系統控制)上實施該項技術，并取得了初步成功，現就該項目建設的情況談談該項技術實施與應用。
1、項目區概況
49團灌區農業技術裝備良好，我團現有耕地面積 15.5 萬畝,農田作業率100%，農業機械化程度較高。目前，全團各類節水灌溉新技術如膜下滴灌、移動式滴灌等已開始大面積推廣，自2005－2007年，我團先后投入5000余萬元資金進行了新技術的應用，一是在16個農業連隊，4個監區安裝了設施節水灌溉設備，2007年，又新增節水灌溉面積2萬畝，使全團節水灌溉面積達8.8萬畝，占目前棉花播種面積的83.8％。經過近幾年節水灌溉項目建設，團場在建設和運行管理方面，積累了豐富的經驗，培養了一支技術干*伍，建設與管理的體制不斷健全，水平逐步提高，為“棉花膜下滴灌微機智能決策及自動化控制系統”項目的示范建設奠定了基礎。
2、項目引進的過程
2.1常規滴灌方式存在問題
由于現有的滴灌系統均采用人工控制球閥進行灌溉，受長期溝灌傳統思維影響，種植戶不能嚴格按照設計灌溉時間、周期、秩序，而是經常人為延長灌溉時間、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運行不正常，棉田因灌水不均勻而整體減產，很難達到預期的節水增產目的。
根據近幾年設計的方案來看，設計者從水力學*化設計角度將水量分到各支管以達到壓力均衡及水量平衡的目的，以提高管道利用率、節省管材投資。這也是滴灌推廣初期為降低成本達到大面積推廣使用的必由之路。但此種設計理念的提出也導致后期滴灌管理操作的不便性，主要表現為以下幾點：
2.1.1我團現有常規滴灌面積達9萬畝，且全部采用的是兵團農八師的支附管設計模式，地面球閥較多（平均每畝地達1.4個）。同時開啟的閥門很分散，增大了職工的勞動強度切且不便操作。特別是夜間棉田內不便行走，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，種植戶在水肥分攤上不能達到一致，導致不能按設計輪灌制度開啟球閥，但也同時打破了水力運行規律無法保證系統壓力的建立，系統壓力無法建立也同時導致灌水質量無法保證，這就是平常我們說的低壓運行的主要原因。
2.1.3不按灌溉制度操作就會造成灌溉均勻性遭到破壞，這是造成滴灌系統不節水，或節水就減產的主要原因。 這些問題得不到解決，導致部分種植戶對滴灌效果產生質疑，拒絕使用滴灌帶及滴灌設施。
2.2膜下滴灌采用自動化控制的必要性
現有滴灌系統想達到節水、增產的目的只有通過以下途徑：
2.2.1嚴格執行灌溉制度，達到水利設計要求。
2.2.2提高設備運轉效率，保證灌溉均勻度。
2.2.3根據棉花不同生育期的需水規律合理分配灌水量。
2.2.4根各地土壤肥力狀況和棉花各生長期對各種肥力的需求分配肥料。
2.2.5根據不同時期氣候情況靈活調整灌溉計劃。
2.2.6減輕勞動強度，提高勞動生產率。
而這些問題只有通過自動化控制灌溉，降低人為因素影響，才能有效解決。
3、項目基本建設情況
3.1前期情況
此項目由石河子大學與農三師設計院共完成設計任務，農三師設計院負責滴灌水利工程設計部分，石河子大學負責自動化與監測部分。并通過招投標，自動化控制與監測部分由石河子大學石達賽*限責任公司中標并完成。
3.2 建設面積
自動化系統2007年在我團三監區建設成功，示范面積3013畝，示范區土壤質地為砂壤土，土壤貧瘠，開墾種植不到兩年。示范區種植棉花品種為中棉35號，播期為4月8日--4月15日。
3.3 系統配置
示范區為新建滴灌系統，系統zui大供水流量為915.13m3/h，揚程41.6m，選擇200-400(I)型臥式離心泵4臺，并聯運行，單泵額定流量260m3/h，揚程42m，電機功率45kw，配45kw一托四變頻一臺，1000 m3/h的自動反沖洗式過濾器1臺，2臺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，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調壓電磁閥，即在支管入口調壓，讓流量偏差在支管和毛管兩級分配，電磁閥水頭損失3m，毛管通過按扣三通與支管連接。該技術方案特點是支管相對鋪設長度短(鋪設長度zui可達68m)，干管間距小，干管用量大，支管和電磁閥的單位造價較低。電磁閥采用進口以色列NETAFIM電磁閥，過水流量為60-90方/h，單位造價為1300元/個。
該系統共用213個電磁閥（控制面積14畝/個），單閥控制面積14畝/個。采用單支管輪灌方式，劃分為15個輪灌組，灌水周期4.5d，一次灌水延續時間6h。系統配備有18套水分傳感器，還配備了棉花動態生長視頻設備以及小型氣象站等。
3.4 自動化系統結構組成及功能
自動化系統采用石河子大學自主研發的基于GPRS棉田自動化控制系統，系統采用有線方式進行自動化水肥監測與控制，由灌溉自動控制子系統、農田墑情監測子系統、作物生長圖像采集分析子系統、水肥智能決策子系統等多個子系統。系統可根據氣象信息、土壤墑情、作物生長視頻監測結果（看天、看地、看苗）自動評估水肥狀況及作物長勢，并將結果自動發送到用戶手機，用戶根據智能決策結果進行自動化灌溉。該系統可提高田間水肥利用效率，減輕干部職工的工作強度，從而實現農田信息監測的實時性、預報的動態性、灌溉的自控性和農業生產化目標，zui終達到節水、增產、節本、擴植、增效的目的。
3.5 項目投入情況
3013畝示范項目總投入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，由于需要配合自動化控制，不能*按水利學*化配置，畝造價同比普通滴灌高出20-50元/畝；3013畝示范項目總投入80.4936萬元，其中，自動化系統總投入52.4936萬元，畝均投入174元；水肥監測與智能決策系統投入20萬元，畝均66元；設備安裝、運行維護、技術培訓及前期費等科技保障投入8萬元，畝均投入26元。；系統投入要根據電磁閥控制面積大小以及系統控制面積大小而定，本系統電磁閥控制面積僅14畝/個。由于電磁閥為進口，造價很高，如果電磁閥控制面積加大，畝成本會降低。
3.6 示范區產量情況
示范區棉花全期共灌水11次，每次灌水15-25方/畝，灌水總量260方/畝，比未進行水分智能監控的滴灌系統節水30方/畝。由于示范區土壤鹽堿較大，部分地塊是新收復的棄耕地，原有耕地也進行二次復平（無埂條田建設），耕作層受到一定的破壞，2007年由于出苗率不高，平均籽棉測產375公斤，但比2006年增產52公斤。
4、 示范項目建設的幾點認識
經過試驗，實施滴灌自動化控制效果良好，主要體現為以下幾方面：
4.1輪灌制度的操作方式決定了自動化控制的必要性
滴灌系統是根據作物生長情況和地理條件設計總需水量，再從水利學角度將總水量經過多級輸水管和滴灌帶均勻分配到田間，自動化控制技術實施，由中央監控站對田間工作站和田間電磁閥按水利學優化設計輪灌制度進行灌溉，杜絕人工開啟閥門的隨意性，管理方便。
4.2 滴灌自動化控制是現代農業發展的必由之路
自動化控制是信息技術在農業生產的具體應用，是現代農業發展的必然方向。職工土地承包管理從40畝向300畝甚至更高邁進，必須依靠自動化管理手段，滴灌更需要智能化決策的技術支撐。
4.3 為不同土質棉花滴灌模式各生育期需水量提供了科學依據。
從推行自動化控制灌溉滴灌，科研人員對不同灌溉不同土質下的滴灌模式棉花各生育期需水量進行了大量的研究，自動化控制的實施確保了滴灌時間、滴量及灌水周期，為滴灌模式下不同土質棉花各生育期需水量提供了科學依據。達到節水效果。由于采用自動化控制灌溉，灌溉時間得以保證，從而使灌溉水量得到有效控制，達到了預期的節水效果。本項目區實測節水50方/畝，水費價格0.10元/方，畝節約水費5元，3100畝棉田共節約水費24485元。
4.4 提高了棉花生產管理水平和生產效率
實施自動化控制，棉花管理定額由原來的30-50畝提高到250畝地。項目的實施，提高了管理定額提高，為團場進一步推廣農業信息技術提供了實踐應用經驗。自動化控制軟件是國內自主研發的，操作比較簡單。由于滴灌系統運行是采用程序化管理，所有電磁閥的開啟均由中央監控室統一管理，節省了大量的勞動力。
5、存在的問題及建議
滴灌自動化技術畢竟是一項*，需要考慮的影響因素很多。除了設備質量過關外，還要考慮軟件設計、網絡布設、通訊協議接口、防水防盜等。在系統運行中我們認為還存在以下不足：
5.1 有線控制方式的線纜保護問題
本系統運行過程中，我們采用有線方式進行數據通訊，但由于本示范區土壤鹽堿很大，線纜埋設又是跟隨地下管道一起進行的，深度在80cm左右，長期浸泡在潮濕的鹽堿水中，對電纜腐蝕很大。加上新上系統灌水過程中多處出現爆管等現象，挖掘管道時線路多處損傷，致使通訊信號時斷時續，影響了數據傳輸。
5.2 系統造價過高
系統需然采用的是國產系統，但系統總造價超過1000元/畝，這也是制約項目大面積推廣的一個主要因素。
5.3水肥監測精度與控制精度的統一性不夠
由于水監測主要采用的是探測器，養分監測主要采用數碼相機攝象等來收集，這就存在一個監測精度問題，一個監測器控制的范圍是一個以監測器為圓心的圓，而控制滴灌一個輪灌組是上個方陣，況且監測范圍與控制范圍也不能重合；加之團場對土壤性質原始數據、基礎資料不足也是影響監測精度的一個因素。
5.4人員素質與自動化系統相互適應的問題
由于系統采用的是當前我國的自動化系統，對建設后的管理要求比較高，系統了現問題時往往束手無策，影響系統正常運行，問題排除速度慢。同時，自動化控制系統要盡量適應使用者的知識層次和技術水平，使用者也要不斷提高自身素質適應新技術帶來的挑戰，這是一個相互作用的過程。作為和使用者應該進行充分的溝通才能達到一種平衡，也才能使*的技術迅速得到推廣。
近幾年，隨著該項技術不斷成熟，建設成本的不斷降低，自動化控制滴灌開始在兵團部分團場得到較大范圍的應用并取得了成功，棉花膜下滴灌監測與自動化控制是滴灌自動化控制與棉花膜下栽培模式及測土施肥的結合，他是通過探測器，把探測到的土壤墑情和肥力狀況經自動化處理后，通過自動化控制滴灌這個平臺去實現滴水、施肥的一項技術。2007年，我團在三監區的3013畝(一套系統控制)上實施該項技術，并取得了初步成功，現就該項目建設的情況談談該項技術實施與應用。
1、項目區概況
49團灌區農業技術裝備良好，我團現有耕地面積 15.5 萬畝,農田作業率100%，農業機械化程度較高。目前，全團各類節水灌溉新技術如膜下滴灌、移動式滴灌等已開始大面積推廣，自2005－2007年，我團先后投入5000余萬元資金進行了新技術的應用，一是在16個農業連隊，4個監區安裝了設施節水灌溉設備，2007年，又新增節水灌溉面積2萬畝，使全團節水灌溉面積達8.8萬畝，占目前棉花播種面積的83.8％。經過近幾年節水灌溉項目建設，團場在建設和運行管理方面，積累了豐富的經驗，培養了一支技術干*伍，建設與管理的體制不斷健全，水平逐步提高，為“棉花膜下滴灌微機智能決策及自動化控制系統”項目的示范建設奠定了基礎。
2、項目引進的過程
2.1常規滴灌方式存在問題
由于現有的滴灌系統均采用人工控制球閥進行灌溉，受長期溝灌傳統思維影響，種植戶不能嚴格按照設計灌溉時間、周期、秩序，而是經常人為延長灌溉時間、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運行不正常，棉田因灌水不均勻而整體減產，很難達到預期的節水增產目的。
根據近幾年設計的方案來看，設計者從水力學*化設計角度將水量分到各支管以達到壓力均衡及水量平衡的目的，以提高管道利用率、節省管材投資。這也是滴灌推廣初期為降低成本達到大面積推廣使用的必由之路。但此種設計理念的提出也導致后期滴灌管理操作的不便性，主要表現為以下幾點：
2.1.1我團現有常規滴灌面積達9萬畝，且全部采用的是兵團農八師的支附管設計模式，地面球閥較多（平均每畝地達1.4個）。同時開啟的閥門很分散，增大了職工的勞動強度切且不便操作。特別是夜間棉田內不便行走，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，種植戶在水肥分攤上不能達到一致，導致不能按設計輪灌制度開啟球閥，但也同時打破了水力運行規律無法保證系統壓力的建立，系統壓力無法建立也同時導致灌水質量無法保證，這就是平常我們說的低壓運行的主要原因。
2.1.3不按灌溉制度操作就會造成灌溉均勻性遭到破壞，這是造成滴灌系統不節水，或節水就減產的主要原因。 這些問題得不到解決，導致部分種植戶對滴灌效果產生質疑，拒絕使用滴灌帶及滴灌設施。
2.2膜下滴灌采用自動化控制的必要性
現有滴灌系統想達到節水、增產的目的只有通過以下途徑：
2.2.1嚴格執行灌溉制度，達到水利設計要求。
2.2.2提高設備運轉效率，保證灌溉均勻度。
2.2.3根據棉花不同生育期的需水規律合理分配灌水量。
2.2.4根各地土壤肥力狀況和棉花各生長期對各種肥力的需求分配肥料。
2.2.5根據不同時期氣候情況靈活調整灌溉計劃。
2.2.6減輕勞動強度，提高勞動生產率。
而這些問題只有通過自動化控制灌溉，降低人為因素影響，才能有效解決。
3、項目基本建設情況
3.1前期情況
此項目由石河子大學與農三師設計院共完成設計任務，農三師設計院負責滴灌水利工程設計部分，石河子大學負責自動化與監測部分。并通過招投標，自動化控制與監測部分由石河子大學石達賽*限責任公司中標并完成。
3.2 建設面積
自動化系統2007年在我團三監區建設成功，示范面積3013畝，示范區土壤質地為砂壤土，土壤貧瘠，開墾種植不到兩年。示范區種植棉花品種為中棉35號，播期為4月8日--4月15日。
3.3 系統配置
示范區為新建滴灌系統，系統zui大供水流量為915.13m3/h，揚程41.6m，選擇200-400(I)型臥式離心泵4臺，并聯運行，單泵額定流量260m3/h，揚程42m，電機功率45kw，配45kw一托四變頻一臺，1000 m3/h的自動反沖洗式過濾器1臺，2臺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，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調壓電磁閥，即在支管入口調壓，讓流量偏差在支管和毛管兩級分配，電磁閥水頭損失3m，毛管通過按扣三通與支管連接。該技術方案特點是支管相對鋪設長度短(鋪設長度zui可達68m)，干管間距小，干管用量大，支管和電磁閥的單位造價較低。電磁閥采用進口以色列NETAFIM電磁閥，過水流量為60-90方/h，單位造價為1300元/個。
該系統共用213個電磁閥（控制面積14畝/個），單閥控制面積14畝/個。采用單支管輪灌方式，劃分為15個輪灌組，灌水周期4.5d，一次灌水延續時間6h。系統配備有18套水分傳感器，還配備了棉花動態生長視頻設備以及小型氣象站等。
3.4 自動化系統結構組成及功能
自動化系統采用石河子大學自主研發的基于GPRS棉田自動化控制系統，系統采用有線方式進行自動化水肥監測與控制，由灌溉自動控制子系統、農田墑情監測子系統、作物生長圖像采集分析子系統、水肥智能決策子系統等多個子系統。系統可根據氣象信息、土壤墑情、作物生長視頻監測結果（看天、看地、看苗）自動評估水肥狀況及作物長勢，并將結果自動發送到用戶手機，用戶根據智能決策結果進行自動化灌溉。該系統可提高田間水肥利用效率，減輕干部職工的工作強度，從而實現農田信息監測的實時性、預報的動態性、灌溉的自控性和農業生產化目標，zui終達到節水、增產、節本、擴植、增效的目的。
3.5 項目投入情況
3013畝示范項目總投入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，由于需要配合自動化控制，不能*按水利學*化配置，畝造價同比普通滴灌高出20-50元/畝；3013畝示范項目總投入80.4936萬元，其中，自動化系統總投入52.4936萬元，畝均投入174元；水肥監測與智能決策系統投入20萬元，畝均66元；設備安裝、運行維護、技術培訓及前期費等科技保障投入8萬元，畝均投入26元。；系統投入要根據電磁閥控制面積大小以及系統控制面積大小而定，本系統電磁閥控制面積僅14畝/個。由于電磁閥為進口，造價很高，如果電磁閥控制面積加大，畝成本會降低。
3.6 示范區產量情況
示范區棉花全期共灌水11次，每次灌水15-25方/畝，灌水總量260方/畝，比未進行水分智能監控的滴灌系統節水30方/畝。由于示范區土壤鹽堿較大，部分地塊是新收復的棄耕地，原有耕地也進行二次復平（無埂條田建設），耕作層受到一定的破壞，2007年由于出苗率不高，平均籽棉測產375公斤，但比2006年增產52公斤。
4、 示范項目建設的幾點認識
經過試驗，實施滴灌自動化控制效果良好，主要體現為以下幾方面：
4.1輪灌制度的操作方式決定了自動化控制的必要性
滴灌系統是根據作物生長情況和地理條件設計總需水量，再從水利學角度將總水量經過多級輸水管和滴灌帶均勻分配到田間，自動化控制技術實施，由中央監控站對田間工作站和田間電磁閥按水利學優化設計輪灌制度進行灌溉，杜絕人工開啟閥門的隨意性，管理方便。
4.2 滴灌自動化控制是現代農業發展的必由之路
自動化控制是信息技術在農業生產的具體應用，是現代農業發展的必然方向。職工土地承包管理從40畝向300畝甚至更高邁進，必須依靠自動化管理手段，滴灌更需要智能化決策的技術支撐。
4.3 為不同土質棉花滴灌模式各生育期需水量提供了科學依據。
從推行自動化控制灌溉滴灌，科研人員對不同灌溉不同土質下的滴灌模式棉花各生育期需水量進行了大量的研究，自動化控制的實施確保了滴灌時間、滴量及灌水周期，為滴灌模式下不同土質棉花各生育期需水量提供了科學依據。達到節水效果。由于采用自動化控制灌溉，灌溉時間得以保證，從而使灌溉水量得到有效控制，達到了預期的節水效果。本項目區實測節水50方/畝，水費價格0.10元/方，畝節約水費5元，3100畝棉田共節約水費24485元。
4.4 提高了棉花生產管理水平和生產效率
實施自動化控制，棉花管理定額由原來的30-50畝提高到250畝地。項目的實施，提高了管理定額提高，為團場進一步推廣農業信息技術提供了實踐應用經驗。自動化控制軟件是國內自主研發的，操作比較簡單。由于滴灌系統運行是采用程序化管理，所有電磁閥的開啟均由中央監控室統一管理，節省了大量的勞動力。
5、存在的問題及建議
滴灌自動化技術畢竟是一項*，需要考慮的影響因素很多。除了設備質量過關外，還要考慮軟件設計、網絡布設、通訊協議接口、防水防盜等。在系統運行中我們認為還存在以下不足：
5.1 有線控制方式的線纜保護問題
本系統運行過程中，我們采用有線方式進行數據通訊，但由于本示范區土壤鹽堿很大，線纜埋設又是跟隨地下管道一起進行的，深度在80cm左右，長期浸泡在潮濕的鹽堿水中，對電纜腐蝕很大。加上新上系統灌水過程中多處出現爆管等現象，挖掘管道時線路多處損傷，致使通訊信號時斷時續，影響了數據傳輸。
5.2 系統造價過高
系統需然采用的是國產系統，但系統總造價超過1000元/畝，這也是制約項目大面積推廣的一個主要因素。
5.3水肥監測精度與控制精度的統一性不夠
由于水監測主要采用的是探測器，養分監測主要采用數碼相機攝象等來收集，這就存在一個監測精度問題，一個監測器控制的范圍是一個以監測器為圓心的圓，而控制滴灌一個輪灌組是上個方陣，況且監測范圍與控制范圍也不能重合；加之團場對土壤性質原始數據、基礎資料不足也是影響監測精度的一個因素。
5.4人員素質與自動化系統相互適應的問題
由于系統采用的是當前我國的自動化系統，對建設后的管理要求比較高，系統了現問題時往往束手無策，影響系統正常運行，問題排除速度慢。同時，自動化控制系統要盡量適應使用者的知識層次和技術水平，使用者也要不斷提高自身素質適應新技術帶來的挑戰，這是一個相互作用的過程。作為和使用者應該進行充分的溝通才能達到一種平衡，也才能使*的技術迅速得到推廣。
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