地表下水肥一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

于珍珍，汪 春,2，李嘉熙，劉少東，王宏軒

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000;2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南亞熱帶作物研究所，廣州 湛江 524000)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，用水量巨大，人均水資源占有量排在世界第109位，約為世界平均的1/3[1-2]。其中，重要的用水途徑就是農(nóng)業(yè)灌溉用水，但由于我國(guó)水資源總量不足，使得農(nóng)業(yè)用水面臨困境[3]。我國(guó)近幾年旱災(zāi)頻繁，再加上時(shí)空降水分布不均、對(duì)水資源進(jìn)行粗放式管理、灌溉方式比較落后及節(jié)水灌溉技術(shù)沒(méi)有進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用，用水形勢(shì)堪憂。我國(guó)是世界上最大的化肥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2008年化肥消費(fèi)量已達(dá)4 000萬(wàn)t多[4]。據(jù)推測(cè)，目前我國(guó)化肥的利用率只有25%～30% ,化肥農(nóng)藥的不合理使用會(huì)導(dǎo)致作物吸收的少，剩余的化肥由于沒(méi)有被作物充分吸收會(huì)隨水流或其它方式流失，進(jìn)而會(huì)造成海洋與河流湖泊中氮、磷等含量超標(biāo)，甚至?xí)霈F(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。過(guò)度施用肥料不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，還會(huì)造成農(nóng)業(yè)資源的浪費(fèi)，同時(shí)使土壤理化性變差，導(dǎo)致次土壤次鹽漬化和酸化、設(shè)施內(nèi)出現(xiàn)連作障礙、土傳病害等問(wèn)題，造成植株生長(zhǎng)不良，產(chǎn)量和品質(zhì)下降[5]，嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

國(guó)外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如有美國(guó)、荷蘭、以色列和加拿大等，以以色列與荷蘭為首最早開(kāi)始進(jìn)行研究節(jié)水灌溉技術(shù)。以色列和荷蘭在發(fā)展農(nóng)業(yè)過(guò)程中都受到共同的制約因素：人均耕地面積少，農(nóng)業(yè)資源匱乏且年平均降水量小于200mm。以色列在淡水資源及其匱乏的條件下，采用新技術(shù)，以最少的水量投入獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，近幾年來(lái)重點(diǎn)研究精準(zhǔn)灌溉施肥一體化技術(shù)，并將農(nóng)業(yè)網(wǎng)工程與信息技術(shù)、人工智能決策聯(lián)系在一起，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐步實(shí)現(xiàn)水肥一體化自動(dòng)調(diào)控技術(shù)，以達(dá)到科學(xué)合理精確的施用肥料。相比于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)灌溉施肥技術(shù)起步較晚。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始逐步重視灌溉施肥一體化技術(shù)的研究與應(yīng)用，并通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)始逐步自主創(chuàng)新出一些適合于我國(guó)農(nóng)業(yè)形勢(shì)的一些灌溉施肥設(shè)備。

水肥一體化技術(shù)將灌溉與施肥融為一體，同步進(jìn)行[6]，在灌溉的同時(shí)將肥料與灌溉水融和，借助系統(tǒng)的滴灌網(wǎng)，將肥料隨毛管水流送達(dá)作物根部。其可以根據(jù)作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水分和養(yǎng)分的需求，提供作物適量的水分和養(yǎng)分，保證作物在吸收水分的同時(shí)吸收養(yǎng)分，目前被公認(rèn)為是世界上水、肥利用效率最佳的技術(shù)[7]。

地表下灌溉改變了傳統(tǒng)地表設(shè)管的灌溉方式，是將全部滴灌管道和灌水器埋入地表下面的一種灌水方式，能克服地面毛管易老化的缺陷[8]，防止毛管損壞或者丟失，同時(shí)方便田間作業(yè)。其在灌溉過(guò)程中，全部由管道輸水很少有沿程滲漏和蒸發(fā)，為了保證可以適時(shí)適量地為作物根區(qū)供水供肥，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌水速度，達(dá)到增產(chǎn)增收的目的[9]。為此，設(shè)計(jì)出一種壓力管道輸水，不用要求地面的平整度，在灌水器前加入過(guò)濾裝置，對(duì)水質(zhì)中的泥沙、有機(jī)物或是微生物進(jìn)行沉淀和化學(xué)處理[10]，避免管道堵塞引起系統(tǒng)無(wú)法正常工作，且加入自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，采用定時(shí)器進(jìn)行灌溉控制到自動(dòng)檢測(cè)土壤水分信息和肥料信息，提高了灌溉施肥自動(dòng)化水平[11]。

1 總體設(shè)計(jì)與工作原理

滴灌是利用安裝在管道末端的毛管作為滴灌帶，將壓力水以水滴的形式濕潤(rùn)作物根部周圍土壤的灌溉方式。傳統(tǒng)灌溉方式是將毛管放在地表上，稱為地表滴灌；本研究將毛管埋入地面以下，稱為地表下滴灌。

地表下水肥一體化系統(tǒng)由水源、首部樞紐、控制系統(tǒng)、輸配水管網(wǎng)及流量、壓力控制部件和水量檢測(cè)儀等組成，如圖1所示。

圖1 主要設(shè)備連接示意圖Fig.1 Main equipment connection diagram

2 主要工作部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)需要，多采用井水作為作物提供灌溉用水，但由于出現(xiàn)渾濁，無(wú)法直接使用。過(guò)濾分為三級(jí)過(guò)濾，即初級(jí)過(guò)濾、物理過(guò)濾和化學(xué)過(guò)濾[12]。初級(jí)過(guò)濾一般采用砂石過(guò)濾，主要是針對(duì)一些大體積雜物、枯枝殘葉、雜草和其他較大的漂浮物等，以防止雜物進(jìn)入管道。初級(jí)過(guò)濾采用傳統(tǒng)的過(guò)濾方法即可，一般多使用篩網(wǎng)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，可以根據(jù)水源實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)制作。本研究針對(duì)二級(jí)過(guò)濾，即物理過(guò)濾進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，擬采用一種高效微沙疊片式過(guò)濾器(見(jiàn)圖2)，采用大量很薄的圓形疊片重疊起來(lái)，成為一個(gè)類似于圓柱形的過(guò)濾中心；疊片緊密壓實(shí)疊加在一起，上下兩層疊片之間的溝槽起到過(guò)濾攔截的作用，如圖3所示。該裝置在很大程度上可以代替砂濾器和傳統(tǒng)的機(jī)械過(guò)濾裝置，其性能優(yōu)越、水電耗遠(yuǎn)低于其他產(chǎn)品[13]。試驗(yàn)研究表明，該過(guò)濾器的過(guò)濾能力可以達(dá)到40～400目之間，出水渾濁度低于10度，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的安全度，完全滿足農(nóng)業(yè)灌水的質(zhì)量要求。

1.進(jìn)水口 2. 排氣口 3.閥蓋 4.集砂器圖2 高效微沙疊片式過(guò)濾器Fig.2 High-efficient micro-sand laminated filter

2.2 施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化

施肥機(jī)主要作用是將肥料隨同灌溉水進(jìn)入田間[14]，是水肥一體化技術(shù)的關(guān)鍵部分。在水肥一體化技術(shù)中常用到的施肥機(jī)主要設(shè)備選型包括旁通施肥罐、文丘里施肥機(jī)、重力自壓施肥機(jī)、泵吸肥機(jī)及泵注肥機(jī)等。其中，文丘里施肥機(jī)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水頭損失較小得以廣泛使用[15]。

圖3 疊片式過(guò)濾芯Fig.3 Stacked filter

文丘里施肥機(jī)主要由閥門、文丘里管、三通及彎頭等幾個(gè)部分連接而成，原理是由于水流運(yùn)動(dòng)時(shí)流速不同從而產(chǎn)生壓力差，利用壓力差將液體肥料壓入輸水管網(wǎng)中的一種施肥裝置。水流通過(guò)一個(gè)由大漸小的管道時(shí)(文丘里管喉部)，水流經(jīng)狹窄部分時(shí)流速加大、壓力下降，使前后形成壓力差；當(dāng)管徑變小時(shí)，形成負(fù)壓，將肥料溶液從一敞口肥料罐通過(guò)小管徑吸取上來(lái)。文丘里施肥機(jī)就是根據(jù)這一原理制作而成，如圖4所示。

2.2.1 采用水溶肥代替?zhèn)鹘y(tǒng)固體肥料

傳統(tǒng)灌溉施肥條件下使用的是固體肥料或液體肥料， 固體肥料與灌溉用水無(wú)法徹底溶解， 容易引發(fā)滴頭堵塞等問(wèn)題； 液體肥料品種少， 價(jià)格高， 且運(yùn)輸不便，所以在生產(chǎn)中很少使用到。受無(wú)土栽培的啟示，提出使用水溶性專用固體肥料，簡(jiǎn)單說(shuō)就是一種可以完全溶于水的多元復(fù)合肥料，更容易被作物吸收。大量試驗(yàn)研究表明：使用水溶性肥料遵循少量多次與薄肥勤施的原則，可以避免水肥浪費(fèi)，在進(jìn)行施肥時(shí)要先滴清水，等管道中的水分充滿以后再進(jìn)行施肥，且施肥后立刻用清水沖0.5h左右，有助于排出管道中殘留的肥液。

圖4 文丘里管施肥機(jī)示意圖Fig.4 Venturi tube applicator schematic

在實(shí)際農(nóng)業(yè)操作中，多數(shù)會(huì)采用幾種肥料同時(shí)混合使用，但在混合使用過(guò)程中搭配不當(dāng)會(huì)引起沉淀，在使用混合肥料前不僅要考慮肥料的酸堿度，還要考慮肥料間的相互作用。在運(yùn)輸儲(chǔ)存過(guò)程中要進(jìn)行分別儲(chǔ)存，通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)，制出肥料混合表，如圖5所示。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以按照此表進(jìn)行混合施肥，提高生產(chǎn)效率。

圖5 肥料混合表Fig.5 Fertilizer mixTable

2.2.2 文丘里管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文丘里施肥機(jī)的主要參數(shù)：①進(jìn)口處工作壓力p進(jìn)。②壓差。p進(jìn)-p出=壓差，常被表達(dá)成進(jìn)口壓力的百分比，只有當(dāng)壓差降到一定值時(shí)，才開(kāi)始抽吸。③抽吸量。指單位時(shí)間里抽吸液體肥料的體積，單位為L(zhǎng)/h。④流量。指流過(guò)施肥機(jī)本身的水流量，進(jìn)口壓力和喉部尺寸影響著施肥機(jī)的流量。

文丘里管施肥機(jī)采用抗腐蝕材料制作(現(xiàn)在絕大部分是采用塑料制作)，在工作時(shí)必須依靠過(guò)量的壓力來(lái)保證必要的壓力損耗。為了保證養(yǎng)分濃度的均勻性，必須保證文丘里管入口處壓力穩(wěn)定，擬采用安裝控制閥門和調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)整[16]。傳統(tǒng)的文丘里管與主管道串聯(lián)安裝，改進(jìn)后的管路將文丘里管作為主管的旁通件進(jìn)行并聯(lián)安裝，且采用兩段式文丘里管道結(jié)構(gòu)，可以保證吸肥時(shí)的水管損耗降低12%～15%[17]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，可以進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用。改進(jìn)后的兩段式文丘里管相應(yīng)的存在流量降低的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.節(jié)制閥 2.壓力表 3.大文丘里 4.小文丘里圖6 兩段式文丘里管施肥機(jī)Fig.6 Potato planter structure

2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

改善灌溉施肥效果、提高灌溉施肥效率是本研究的重要內(nèi)容之一。本研究的精準(zhǔn)定量灌溉施肥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括大氣環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與智能灌溉施肥系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)無(wú)線傳感器進(jìn)行連接， 可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，進(jìn)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)、作物生長(zhǎng)及環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。地表下水肥一體化自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)如圖7所示。

3 水肥一體化技術(shù)研究在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

太陽(yáng)輻射水肥一體化技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)符合當(dāng)今世界對(duì)水資源和資源環(huán)保的戰(zhàn)略取向，也是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。水肥一體化技術(shù)是資源節(jié)約型技術(shù)，應(yīng)是我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)灌溉和施肥技術(shù)的重要發(fā)展方向。近年來(lái)，我國(guó)在水肥一體化技術(shù)的研究與推廣示范上取得了顯著的效果，但是還存在很多問(wèn)題，主要有以下兩個(gè)方面：

1)在水肥一體化設(shè)施中設(shè)備的配套性差，容易導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不穩(wěn)定，且缺乏配套的水溶肥[18]。我國(guó)對(duì)于液態(tài)肥料的研究還處于起步階段，灌溉肥料仍以固體肥料為主，無(wú)法與灌溉水完全溶合；

2)由于農(nóng)民收入普遍偏低，且認(rèn)識(shí)不到位，人們只追求眼前利益，沒(méi)有考慮到水資源匱乏將對(duì)生態(tài)環(huán)境及社會(huì)發(fā)展造成的嚴(yán)重影響。此外，水肥一體化設(shè)備設(shè)施投入成本較高，在灌溉用水中電費(fèi)所占比例較大，水資源本身價(jià)格偏低，如果沒(méi)有政府在政策及資金上進(jìn)行扶持，很難進(jìn)行大面積的推廣應(yīng)用。

1.電磁閥 2.土壤濕度傳感器圖7 水肥一體化自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.7 Water and fertilizer integration automatic detection system

4 結(jié)論

1)滴灌技術(shù)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)的主要支撐技術(shù)之一，是一種廣泛普及的節(jié)水技術(shù)，適宜使用滴灌的作物種類也很廣泛[19]，其不僅可以大幅度節(jié)省農(nóng)業(yè)用水、顯著提高作物的產(chǎn)量，而且還可以提高耕地的利用效率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少農(nóng)藥化肥使用量，降低農(nóng)田和食品的污染源，達(dá)到改善生態(tài)環(huán)境、減少環(huán)境污染的目的。

2)本研究針對(duì)滴灌過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了地表下水肥一體化滴灌技術(shù)，并且針對(duì)水肥一體化設(shè)備中存在的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研，進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能方面都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，且通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)信息技術(shù)對(duì)滴灌系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制[20]。通過(guò)控制灌水量，根據(jù)作物需要適時(shí)、適量地進(jìn)行精量灌溉，一方面可以達(dá)到提高用水效率提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的，另一方面還可以節(jié)省勞動(dòng)力，免去田間監(jiān)測(cè)的重復(fù)勞動(dòng)。