风力扬水自压微灌自动化技术在某生态茶园的应用.doc

风力扬水自压微喷灌自动化技术在某生态茶园的应用摘要：利用风力资源直接扬水蓄水，发展丘陵山区自压微喷灌工程技术，解决了山区电力资源匮乏，山地相对落差的灌溉问题，可实现农业节能高效生产。本文以某生态茶园风力扬水自压微喷灌自动化技术应用为实例，对风力扬水自压微喷灌自动化技术布置，应用效果等方面进行了分析和探讨，可大力推广应用于沿海丘陵山区节能节水灌溉，加快农村水利现代化建设。关键词：风力扬水、微喷灌、自动化、推广应用1、前言某市属福建东南沿海丘陵区，地势从西北向东南倾斜，整个地势似土箕形。 “六山两水两分田”是本市土地利用的基本概括，据统计全市土地总面积567.15万亩，耕地仅占土地总面积的16.0%。土地资源特别是耕地面积较少，对国民经济发展有一定的制约作用。全市丘陵山地达24万公顷，占土地总面积的63.5%，山地、丘陵开发利用潜力很大。近年来，随着社会经济的发展，丘陵山区农业生产状况逐步得到改善和提高，但由于受自然地理等条件的影响和制约，一是山区电力资源匮乏，二是山地相对落差大，三是降雨量年内分布不均（主要集中在59月，约占全年的66%，秋旱尤为明显，大部分地区秋季的降雨量仅占全年的5%左右），四是水利基础设施不配套，工程性缺水问题依然是制约丘陵山区农业可持续发展的主要因素。针对某市风力资源丰富（为全省之最，常年有四五级风速，风速大、风向稳定），山地相对落差大等特点，采用风力扬水技术，并结合自压微喷灌和自动化技术，在某生态茶园实施节能高效农业示范，取得了良好的效果，为丘陵山区推广节水节能技术，加快农村水利现代化建设找到了一条很好的途径。2、项目概况某生态茶园位于位于某市梧塘镇松东林场，占地2000余亩，海拨高度350490米，距离某市区15公里，涵江市区4公里。目前基地有500亩山地得到了有效的开发利用，现有茶园200多亩，主要种植品种有“铁观音”、“金观音”、“黄观音”、“黄旦”、“丹桂”、“瑞香”、“春兰”等。茶园内090cm土层为砂壤土，90cm以下土层为黏土，土壤石砾较多，肥力较高，表层土壤容重1.45g/cm，田间持水量30%。茶叶的全年采摘季节大致分为3次：春茶、暑茶和秋茶。4月采摘春茶,8月底到9月初采摘暑茶，10月中旬到11月初采摘秋茶。原先茶园灌溉主要依靠天然降水，暑茶和秋茶的生长季节正处于福建高温少雨时期，夏秋季又常出现间断性高温干旱，直接影响茶树生长和高优品质的形成1。因此及时采取旱季茶园补充性灌溉措施，有利于实现稳定茶叶产量和品质。 旱季茶园灌溉其产量的高低、虽与灌水次数和灌水总额有关，但更重要的还要看是否适时适量。某生态茶园微喷灌系统全部采用自动化控制，采用全系统随机灌水的工作制度。通过控制区内的生态因子采集子系统采集土壤墑情、湿度和温度等参数，分析确定各灌溉小区透宜的开灌时间与灌水量，使茶树生长处于较佳的生长环境中。3、风力扬水自压微喷灌自动化技术根据某生态茶园的地形地势，气候特点、土壤环境以及种植茶树品种的吸水特性，采用“风力扬水蓄水-高位蓄水池-自动化控制-自压微喷灌”节能低碳高效的灌溉技术。这种灌溉技术是利用风力资源直接扬水蓄水，通过智能灌溉软件的集-散控制系统，最后将灌溉水以低压小流量出流方式均匀喷洒至茶树叶面上，最终到达茶树根系土壤的一种先进灌溉模式。图1 风力扬水灌溉示意图1-风力扬水机；2-水源；3-蓄水池；4-灌溉管网3.1系统的组成系统由风力扬水工程、微喷灌系统和自动化控制系统等3部分组成。风力扬水工程由风力扬水机和蓄水池组成，风力扬水机采用FS4.4-QZY-L型风力气压自控扬水机。微喷灌系统包括首部枢纽和管道系统。首部枢纽工程由过滤器、控制阀、施肥装置和计量装置等部件组成。管道系统由干管、支管、毛管三级管网组成，管径有中DN110、DN50和DN20三种。管材有UPVC和PE两种，干管沿田间路布置单向配水，支管垂直于等高线布置，毛管按地块走向沿茶树行间（沿等高线）布置。微喷灌水器采用亚通旋转式SW0101Z型微喷头，喷嘴直径1.0mm，间距2.0m，喷射半径2.1m。自动化控制系统采用集中式检测和控制方式，包括数据采集子系统、监测显示子系统和控制子系统三部分组成。3.2设计参数的选择3.2.1设计灌水定额m式中：m设计灌水定额；r土壤容重，取1.45g/cm3；Z计划湿润层深度，取0.90m；p土壤湿润比，取70%；max土壤含水率上限，取田间持水率的90%；min土壤含水率下限，取田间持水率的70%，即以根系层土壤相对含水量达到70%时，作为开灌指标；灌溉水利用系数，微喷灌取=0.90。经计算，m=20mm。3.2.2灌水周期TT=（mEd）式中：Ed设计日耗水强度，取7mmd。经计算，T=3d3.2.3一次灌水延续时间式中：t一次灌水延续时间，h；Se微喷头间距，2m；SL毛管间距，2m；qd喷头流量，42.2L/h。经计算t取2.1h。3.3风力扬水工程的布置风力扬水工程有三个组成部分：一是山顶部分：风力机（空气压缩机），二是山下部分：扬水机（气压自控扬水机），三是附属部分：取水建筑物、输水管线、蓄水池等。风力扬水机，全称是“风力气压自控扬水机”，工作原理是充分利用取之不尽、用之不竭的风力资源，将山下的池塘里的水抽到山顶的蓄水池2。风力机组垂直主方向一字排开，风力机组与蓄水工程的布置需要满足两个基本条件，一是蓄水工程与水源的垂直高度差应与风力扬水机组的设计扬程相匹配，不应大于提水机组的设计扬程，二是蓄水工程的高度位置应能满足最不利用户用水终端的水头要求，并应有一定的富余水头。某生态茶园山顶缺乏水资源，在半山腰拥有山涧水和雨水集蓄池，常年有四级风速，根据地理位置特点，确定利用风力资源直接扬水蓄水，发展丘陵山区自压微灌工程技术及水资源综合利用技术。充分利用风力资源将山腰蓄水通过6台风力扬水机，多级扬水至106米扬程的山顶蓄水池实现“零存”，利用山地自然落差实现“整取”，解决茶园自压微喷灌、施肥、喷药等问题，实现低碳、绿色农业示范。3.4自压微喷灌随机灌水设计自压微喷灌溉技术是一个以自然地块为灌溉小区，利用蓄水池与地面水位差形成的水头，通过干、支、毛三级管网构成的自压灌溉系统，在没有外部动力加压下，实现自流灌溉。微喷灌系统传统上往往采用轮灌的运行方式，这种方式并不考虑灌区内作物分布和作物品种差异对需水的不同要求。针对这种灌溉工作制度的缺点，某生态茶园微喷灌自动化技术，采用全系统随机灌水的工作制度。根据茶园内地形地势和不同作物品种的特点，将园区内自然地块划分成各灌溉小区，面积10亩20亩不等。这种灌溉小区划分方式，不仅满足了不同作物对需水的不同要求，而且能够优化管径，有效地降低管网投资。根据环境因子采集系统采集的土壤环境参数，通过自动化设备分析，达到预先设置的参数指标，作为灌溉小区微喷灌开灌指标。随机灌水在克服了轮灌中划片限灌的缺陷，实现了在选定的管网流量设计灌溉保证率范围内适时适量地满足作物的需水要求，从而使微喷灌系统的运行管理更加方便、高效、经济，进一步提高了作物用水的灌溉效率。3.5自动化控制系统方案本系统采用集中式检测和控制方式，包括数据采集子系统、监测显示子系统和控制子系统三部分组成。系统通过微机控制机构自动接收并检查各种传感器输入的信号（温度、湿度等生态因子），然后根据由预先设计的灌溉决策系统软件（制定的灌溉策略）对所采集的数据进行比较分析后，向单片机控制系统发出是否灌水的指令。系统根据指令来启动各种电磁阀、启动驱动设备，实现节水灌溉的自动运行。系统能实时显示各传感器的测试值和各控件的运行状态。并可将这些参数存储备用，对灌溉用水、用肥实行实时预报和决策，实现实时调度。根据作物生长的需水、需肥规律预报做出灌溉用水、用肥的决策，随时可以根据实际执行的结果，水情气象和田间灌溉影响因素的变化及用户的要求进行修正和调整，实行动态管理。同时，做到对产生的故障进行实时报警和处理，对灌溉过程中的各特征量进行实时、动态显示和打印。4、效果评价项目建成后改善了水土条件，使茶园光、热、水资源进一步完善。茶园得到了适时适量的有效灌溉，茶叶产量质量明显提高说明了风力扬水自压微喷灌自动化技术优势明显主要表现在以下几个方面：1）节能省工，管理方便。充分利用沿海风力资源扬水蓄水，不消耗电力资源，实现低碳高效节能。采用自动化控制系统，可明显节省劳力，改善劳动条件，减轻劳动强度，提高劳动生产率。2）节水效果明显。根据数据采集子系统反馈的生态因子，通过自动化系统控制开灌时间和灌水量，可以很好的控制灌水量，做到不产生深层渗漏，从而很好的避免产生土壤板结、局部积水及水土流失等问题，真正做到了适时适量灌水和最大程度节水。在土壤渗透性强，保水性差的茶园里，节水效果更显著。3）茶叶产量提高和品质提升。自动化微喷灌技术可模拟茶叶生产适宜环境调节小环境，还可经常有效的除去茶叶表面的灰尘及农药残留，茶叶品质、产量得到较大提高，其中秋茶增产30%左右，暑茶增产22%左右。5、结语1）风力扬水自压微喷灌自动化技术在某生态茶园的成功实践，提供了一套“风力扬水蓄水-高位蓄水池-自动化控制-自压微喷灌”的茶园节能节水高效农业发展模式，该技术系统实用可靠、理念较新，节能低碳、绿色农业。实行合理及时灌水，调节植物生长的环境因子，改善生态环境和土壤结构，使茶园光、热、水资源得到进一步完善，生态环境转向良性循环。进行风力扬水节水灌溉后，能源消耗及灌溉用水量大大减少，是传统水利向现代化水利、可持续发展水利方向转化的重要途径。2）福建省山地丘陵地貌及一年四季风力资源丰富的特点，大部分水果、茶叶生长在水源欠缺的山丘地上，而山脚下水源较丰富或半山腰拥有小溪、山涧、山潭、泉水等。在没有电力条件