本書根據作者在節水灌溉和控制技術研究工作中積累的知識和實踐經驗,針對節水灌溉實際工作中經常需要用到的知識內容,從我國水資源概況、土壤質地、作物需水規律、微灌技術、微灌工程規劃設計、微灌技術施工組織、以及基于PLC、單片機和電力線載波通信技術的控制技術等涉及到節水灌溉和控制的幾個方面,進行了系統、詳細的闡述。全書共分7章,內容精煉、實用、通俗易懂,實用性和操作性較強。本書適合節水灌溉控制技術研究人員、農林高等院校的師生、節水灌溉工程設計和施工技術人員閱讀和參考。
王運圣,男,出生于1971年,安徽肥東人。副研究員,博士,畢業于中國農業科學院?,F在上海市農業科學院工作,主要從事農業智能系統的研究。主持和參與并完成農業成果轉化項目、科技支撐項目、上海市農委重點攻關項目和上海市科委項目等多項,研制開發軟硬件一體的農業智能系統和多個農業應用軟件,獲得軟件著作權10余項,主筆發表文章20余篇,指導培養碩士研究生5名。
及時章我國水資源概況和節水灌溉
一、我國水資源概況
二、節水灌溉
三、節水灌溉控制技術
第二章土壤和植物需水規律
一、土壤
二、作物需水規律
第三章微灌技術
一、概述
二、微灌主要設備
三、微灌工程的規劃設計
第四章微灌工程施工組織設計
一、組織施工原則
二、施工總體布置
三、工程質量技術保障措施
四、工期保障措施
第五章PLC節水灌溉控制技術
一、PLC
二、組態軟件
三、基于PLC的組態軟件節水灌溉控制實例
第六章單片機節水灌溉控制技術
一、單片機
二、基于AT89C51節水灌溉控制實例
第七章電力線載波節水灌溉控制技術
一、電力線載波通信
二、基于電力線載波通信節水灌溉控制實例
參考文獻
及時章我國水資源概況和節水灌溉
一、我國水資源概況
(一)水資源量
2015年全國水資源總量279626億m3。全國水資源總量占降水總量的447%,平均單位面積產水量295萬m3/km2。
2015年全國地表水資源量269008億m3,折合年徑流深2841mm。從水資源分區看,北方6區地表水資源量為38362億m3,折合年徑流深633mm,比常年值偏少124%;南方4區為230646億m3,折合年徑流深6758mm,比常年值偏多33%。
2015年,從國境外流入我國境內的水量2136億m3,從我國流出國境的水量51397億m3,流入界河的水量10612億m3;全國入海水量176009億m3。
全國礦化度小于等于2g/L地區的地下水資源量77970億m3,比常年值偏少33%。其中,平原區地下水資源量17114億m3;山丘區地下水資源量63835億m3;平原區與山丘區之間的地下水資源重復計算量2979億m3。
(二)水資源開發利用
2015年全國總供水量61032億m3,占當年水資源總量的218%。其中,地表水源供水量49695億m3,占總供水量的814%;地下水源供水量10692億m3,占總供水量的175%;其他水源供水量645億m3,占總供水量的11%。在地表水源供水量中,蓄水工程供水量占339%,引水工程供水量占321%,提水工程供水量占305%,水資源一級區間調水量占35%。在地下水供水量中,淺層地下水占911%,深層承壓水占85%,微咸水占04%。在其他水源供水量中,主要為污水處理再生利用量和集雨工程利用量,分別占815%和174%。
2015年全國總用水量61032億m3。其中,生活用水占總用水量的130%;工業用水占219%;農業用水占631%;人工生態環境補水(僅包括人為措施供給的城鎮環境用水和部分河湖、濕地補水)占20%。
按省級行政區統計,用水量大于400億m3的有新疆維吾爾自治區(以下簡稱新疆)、江蘇和廣東3個省(自治區),用水量少于50億m3的有天津、青海、西藏自治區(以下簡稱西藏)、北京和海南5個省(自治區、直轄市)。農業用水占總用水量75%以上的有新疆、西藏、寧夏回族自治區(以下簡稱寧夏)、黑龍江、甘肅、青海和內蒙古自治區(以下簡稱內蒙古)7個省(自治區),工業用水占總用水量35%以上的有上海、江蘇、重慶和福建4個省(直轄市),生活用水占總用水量20%以上的有北京、重慶、浙江、上海和廣東5個省(直轄市)。
2015年全國用水消耗總量32170億m3,耗水率(消耗總量占用水總量的百分比)527%。各類用戶耗水率差別較大,農業為643%,工業為232%,生活為419%,人工生態環境補水為808%。
廢污水排放量指工業、第三產業和城鎮居民生活等用水戶排放的水量,但不包括火電直流冷卻水排放量和礦坑排水量。2015年全國廢污水排放總量770億t。
2015年用水指標,全國人均綜合用水量445m3,萬元國內生產總值(當年價)用水量90m3。耕地實際灌溉畝均用水量394m3,農田灌溉水有效利用系數0536。
(三)水資源質量
2015年,對全國235萬km的河流水質狀況進行了評價。全年Ⅰ類水河長占評價河長的81%,Ⅱ類水河長占443%,Ⅲ類水河長占218%,Ⅳ類水河長占99%,Ⅴ類水河長占42%,劣Ⅴ類水河長占117%。
2015年,對116個主要湖泊共28萬km2水面進行了水質評價。全年總體水質為Ⅰ~Ⅲ類的湖泊有29個,Ⅳ~Ⅴ類湖泊60個,劣Ⅴ類湖泊27個,分別占評價湖泊總數的250%、517%和233%。
2015年,對全國289座大型水庫、424座中型水庫及23座小型水庫共736座主要水庫進行了水質評價。全年總體水質為Ⅰ~Ⅲ類的水庫有596座,Ⅳ~Ⅴ類水庫104座,劣Ⅴ類水庫36座,分別占評價水庫總數的810%、141%和49%。
二、節水灌溉
(一)節水灌溉的必要性
世界淡水資源日益緊缺,而人類對糧食的需求也不斷上升,淡水資源已經成為農業發展和世界糧食供應的安全威脅。據預測,到2050年,世界總人口將由目前的70億人增加到90億人,人類對糧食的需求將在當前的水平上再增長70%~。要破解耕地面積有限、淡水資源緊缺和世界糧食需求上漲之間的難題,發展節水灌溉成為關鍵。
節水灌溉是以低限度的用水量獲得較大的產量或收益,也是較大限度地提高單位灌溉水量的農作物產量和產值的灌溉措施。當前世界各國節水灌溉的主要措施包括渠道防滲、低壓管灌、噴灌和微灌等。
實行節水灌溉工程后,可以減少灌溉過程中勞動力配置,滴灌通過局部濕潤灌溉,田間土壤疏松,通透氣性良好,易溶性肥料、植物生長調節劑、內吸殺蟲劑等可隨水滴入,可減少中耕、施肥、噴藥、鋤草等的作業次數和勞動力投入,節省了大量的人力物力。通過節水灌溉,農作物得到及時的灌溉,提高了灌溉保障率,能有效促進糧食增產增收,這也是節水灌溉工程的主要效益。此外,節水灌溉還能實現節水、節地、節電等效益。
目前,歐美等農業發達國家在節水灌溉方面已經取得重大進展,節水灌溉的普及程度較高。在發達國家,噴灌、微灌、渠道防滲、管道輸水等節水灌溉技術已經較為成熟。其中,噴灌、滴灌又是的節水灌溉技術,歐美發達國家60%~80%的灌溉面積采用噴灌、滴灌的灌溉方法,農業灌溉率約為70%以上。數據顯示,目前全世界的總耕地面積僅為15億hm2,有灌排設施的耕地面積僅占27%,卻生產出全世界55%的糧食,預計今后新增的糧食產量中80%~90%將來自有灌排設施的耕地。
(二)節水灌溉主要技術
1渠道防滲
渠道輸水是目前我國農田灌溉的主要輸水方式。傳統的土渠輸水渠系水利用系數一般為04~05,差的僅03左右,也就是說,大部分水都滲漏和蒸發損失掉了。渠道滲漏是農田灌溉用水損失的主要方面。采用渠道防滲技術后,一般可使渠系水利用系數提高到06~085,比原來的土渠提高50%~70%。渠道防滲還具有輸水快、有利于農業生產搶季節、節省土地等優點,是當前中國節水灌溉的主要措施之一。
根據所使用的材料,渠道防滲可分為三合土護面防滲、砌石(卵石、塊石、片石)防滲、混凝土防滲和塑料薄膜防滲(內襯薄膜后再用土料、混凝土或石料護面)等。
2管道輸水
管道輸水是利用管道將水直接送到田間灌溉,以減少水在明渠輸送過程中的滲漏和蒸發損失。發達國家的灌溉輸水已大量采用管道。目前中國北方井灌區的管道輸水推廣應用也較快。常用的管材有混凝土管、塑料硬(軟)管和金屬管等。管道輸水與渠道輸水相比,具有輸水迅速、節水、省地、增產等優點,其效益為:水的利用系數可提高到095;節電20%~30%;省地2%~3%;增產幅度10%。目前,如采用低壓塑料管道輸水,不計水源工程建設投資(以下同),畝投資為100~150元。
在有條件的地方應結合實際積極發展管道輸水。但是,管道輸水僅僅減少了輸水過程中的水量損失,而要真正做到高效用水,還應配套噴、滴灌等田間節水措施。目前尚無力配套噴、滴灌設備的地方,對管道布設及管材承壓能力等應考慮今后發展噴、滴灌的要求,以避免造成浪費。
3噴灌
噴灌是利用管道將有壓水送到灌溉地段,并通過噴頭分散成細小水滴,均勻地噴灑到田間,對作物進行灌溉。它作為一種先進的機械化、半機械化灌水方式,在很多發達國家已廣泛采用。
噴灌的主要優點是節水效果顯著,水的利用率可達90%。一般情況下,噴灌與地面灌溉相比,1m3水可以當2m3水用。作物增產幅度大,一般可達20%~40%。其原因是取消了農渠、毛渠、田間灌水溝及畦埂,增加了15%~20%的播種面積;灌水均勻,土壤不板結,有利于搶季節、保全苗;改善了田間小氣候和農業生態環境;大大減少了田間渠系建設及管理維護和平整土地等的工作量;減少了農民用于灌水的費用和投勞,增加了農民收入;有利于加快實現農業機械化、產業化、現代化;避免由于過量灌溉造成的土壤次生鹽堿化。常用的噴灌有管道式、平移式、中心支軸式、卷盤式和輕小型機組式。
移動管道式噴灌通常將輸水干管固定埋設在地下,田間支管和噴頭可拆裝搬移、周轉使用,因而降低了投資。北京市順義區數萬畝糧田均采用這種灌溉形式。十多年來的實踐證明,移動式管道噴灌除了具有一般噴灌省水、增產、省工、減輕農民負擔和有利于農業機械化、產業化、現代化等優點以外,還具有設備簡單、操作簡便、投資低、對田塊大小和形狀適應性強、一戶或聯戶均可使用等優點,是目前較適合中國國情、可以大力推廣的一種微型噴灌形式,可適用于大田作物、蔬菜等,畝(1畝≈667m2。全書同)投資為200~250元。
固定管道式噴灌是將管道、噴頭安裝在田間固定不動,其灌溉效率高,管理簡便,適用于蔬菜、果樹以及經濟作物灌溉。但是投資較高(畝投資一般在1000元左右),不利于機械化耕作。
中心支軸式與平移式大型噴灌機,只能在預定范圍內行走,行走區域內不能有高大障礙物,土地要求較平整。其機械化和自動化程度高,適用于大型農場或規模經營程度較高的農田。使用國產設備,每畝投資為300~400元。
絞盤式噴灌機是靠管內動水壓力驅動行走作業,與中心支軸式及平移式的大型噴灌機相比,具有機動靈活、適應大小田塊、畝設備投資低等優點。目前進口設備每畝投資為50元左右,設備國產化后可進一步降低投資,這是一種適合中國國情、有發展前景的噴灌形式,可適用于大田作物、蔬菜等。絞盤式噴灌機有噴槍式和折架式兩種,后者具有霧化好、耗能低的優點。
輕小型機組式噴灌,可以手抬或裝在手推車或拖拉機上,具有機動靈活、適應性強、價格較低等優點,通常用于較小地塊的抗旱噴灌。每畝投資為100~200元。
4微灌
微灌包括微噴和滴灌兩種方式。微噴是新發展起來的一種噴灌形式,微噴又分為吊掛微噴和地插微噴,特別適合農業溫室大棚內投入使用,它比一般噴灌更省水,更均勻地噴灑于作物上,它是通過PE塑料管道輸水,通過微噴頭噴灑進行局部灌溉的。更可以擴充成自動控制系統,同時結合施用化肥,提高肥效。一個標準大棚微噴系統設備投資一般在800元左右。
滴灌是利用塑料管道將水通過直徑約16mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進行局部灌溉。它是目前干旱缺水地區最有效的一種節水灌溉方式,其水的利用率可達95%。滴灌較噴灌具有更高的節水增產效果,同時可以結合施肥,提高肥效一倍以上。可適用于果樹、蔬菜、經濟作物以及溫室大棚灌溉,在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。其不足之處是滴頭易結垢和堵塞,因此應對水源進行嚴格的過濾處理。目前,國產設備已基本過關,有條件的地區應積極發展滴灌。
按管道的固定程度,滴灌可分固定式、半固定式和移動式3種類型。固定式滴灌,其各級管道和滴頭的位置在灌溉季節是固定的。其優點是操作簡便、省工、省時,灌水效果好,國產設備畝投資為700(果樹)~1400元(大棚蔬菜)。半固定式滴灌,其干、支管固定,毛管由人工移動,畝投資為500~700元。移動式滴灌,其干、支、毛管均由人工移動,設備簡單,較半固定式滴灌節省投資,但用工較多,畝投資為200~500元。
結合中國勞動力多、資金缺乏的具體情況而研究開發的半固定式、移動式滴灌系統大大降低了工程造價,為滴灌在大田作物和經濟欠發達地區推廣應用創造了條件。
儲水滴灌,是通過雨水集流或引用其他地表徑流到水窖(或其他微型蓄水工程)內,或利用儲水罐蓄水作為小型移動水源,再配上滴灌以解決干旱缺水地區的農田灌溉問題。它具有結構簡單、造價低、家家戶戶都能采用的特點。對于干旱貧困山區實現每人有半畝到一畝旱澇保收農田,解決溫飽問題和發展庭院經濟有重要作用,應在干旱和缺水山區大力推廣。
地下滴灌,是把滴灌管埋入地下作物根系活動層內,灌溉水通過微孔滲入土壤供作物吸收。有的地方在塑料管上隔一定距離鉆一個小孔,埋入地下植物根部附近進行灌溉,群眾俗稱“滲灌”。地下滴灌具有蒸發損失少、省水、省電、省肥、省工和增產效益顯著等優點,果樹、棉花、糧食作物等均可采用。其缺點是:當管道間距較大時灌水不夠均勻,在土壤滲透性很大或地面坡度較陡的地方不宜使用。畝投資為400~1000元。其效益為:節水50%~60%,省電40%~50%,增產30%左右。
5膜上灌溉和膜下滴灌
用地膜覆蓋田間的壟溝底部,引入的灌溉水從地膜上面流過,并通過膜上小孔滲入作物根部附近的土壤中進行灌溉,這種方法稱為膜上灌溉,在新疆等地已大面積推廣。采用膜上灌溉,深層滲漏和蒸發損失少,節水顯著,在地膜栽培的基礎上不需再增加材料費用,并能起到對土壤增溫和保墑作用。
在我國水資源較匱乏地區可將滴灌管放在膜下,或利用毛管通過膜上小孔進行灌溉,這稱為膜下滴灌。這種灌溉方式既具有滴灌的優點(提高水的利用率),又具有地膜覆蓋的優點(提高積溫),尤其在北方節水增產效果更好。
6控制灌溉
根據水稻不同生育期對水分的不同需求,進行“薄、淺、濕、曬”的控制灌溉,既節約用水,又有利于農作物生長,改變了以往水稻大水漫灌、串灌的舊習慣。它不需增加工程投資,只要按照節水灌溉制度灌水即可。“薄、淺、濕、曬”(薄水插秧、淺水育秧、分蘗前期濕潤、分蘗后期曬田)、“旱育稀植”(旱育旱栽,稀植,適當補水)等技術均屬這一范疇,近年已在廣西、吉林等10多個省、自治區大面積推廣。一般每畝可節水100m3,增產稻谷25kg,效益顯著。水稻節水灌溉技術已獲國家科技進步一等獎,應在水稻區大力推廣。
江蘇、上海、浙江等經濟條件好的地區采用鋪設暗管系統進行控制灌溉和田間排水,有利于節水、節肥和作物生長,為實現高產、高效、品質農業創造了有利的條件。
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