滴灌-微喷水肥药一体化系统在设施农业灌溉中的应用
来源:用户上传
作者:
摘要 目前，设施农业主要灌溉方式为滴灌，滴灌有明显的节水效果，配合施肥机使用可以实现水肥一体化管理，但是单独使用有很多局限。微喷灌作为一种优良的节水灌溉方式，正好可以弥补滴灌的不足。本文介绍了滴灌-微喷水肥药一体化系统的组成部分及系统设计要点，以期为提高设施农业灌溉效率提供参考。
关键词 设施农业;滴灌-微喷水肥药一体化;系统设计;综合管理
中图分类号 S275.5;S275.6 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2019）01-0153-01
随着农业科技的发展，设施农业成为农业领域新的增长极，设施农业有效改善了农业生产环境，延长了农业生产季，提高了农业生产效率和经济效益。在设施农业中一般有完善的灌溉系统，我国目前采用的灌溉系统主要为膜下滴灌，单独使用滴灌会造成幼苗定植时缓苗时间长，幼苗成活率低，且夏季高温时降温困难。微喷灌可以与滴灌互补，但单独使用喷灌，大棚中湿度过高，会导致病虫害的发生。滴灌结合微喷主要适用于设施农业中，以滴灌为主要的灌溉系统和施肥系统，以微喷灌系统作为补充灌溉、喷施肥料和农药以及调节温室田间气候使用。
滴灌-微喷水肥药一体化系统是指滴灌技术与微喷灌技术相互结合的系统。滴灌技术是按照作物需水量，通过输配水管网与安装在毛管上的滴水器，在既定的灌水方案下将定额水、肥、药，均匀而又缓慢地滴入作物根区土壤中的灌水方法。而微喷灌技术是利用输配水管网与安装在毛管上的喷水器，将水、肥、药喷至离作物生长区域土壤较低的空中，使其在空中结成小水滴均匀地喷洒至作物表面并调节作物周围温度的灌水方法。将这2种灌水技术融为一体即为滴灌-微喷水肥药一体化系统。
1 滴灌-微喷水肥药一体化系统组成部分
1.1 水源工程
地表水、地下水等均可作为滴灌-微喷水肥药一体化系统的灌溉水源，但水质需要符合其要求。
1.2 首部枢纽
首部枢纽包括水泵、过滤器、施肥机、肥料桶、系统保护阀、量测控制仪表、变频控制柜等，是整个系统的控制操作中心。
1.3 输水配水管网系统
输水配水管网系统是指将首部枢纽过滤的水、肥、药通过各路干支管道按照需水施肥要求输送、分配到每个灌水小区和灌水器的管网系统[1]。
1.4 灌水器
灌水器是滴灌-微喷水肥药一体化系统的核心部件，水由毛管流入滴头或喷头，滴头或喷头再将灌溉水流在一定的工作压力下滴入土壤或喷洒在作物叶面上。
2 滴灌-微喷水肥药一体化系统设计要点
滴灌-微喷水肥药一体化系统的设计不能按照单一的滴灌或者微喷灌灌溉系统要求设计，要将两者兼顾起来，统筹设计。
2.1 管道布置原则
管道布置是滴灌-微喷水肥药一体化系统中的重要环节，直接影响着系统成本的变化。根据以下原则来布置管网：首先根据作物种植行距确定滴灌毛管走向，毛管走向与作物行距平行，常见设施大棚作物行距都是垂直于棚长方向;其次根据设施大棚的棚宽来确定微喷灌毛管走向，棚宽相对窄的，毛管走向与棚长方向平行，而棚宽相对宽的，毛管走向与棚宽方向平行，常见设施大棚微喷灌毛管走向都沿着棚长方向布置，滴灌-微喷灌支管都与毛管垂直。对于分干管、主干管的布置，应从项目地实际考虑，采用“梳”形布置[2]，以避免管道横穿设施大棚和破坏棚内作物的正常生长。
2.2 管道管径确定
计算管径时，各级管道的管径通常采用经济流速计算[1]。对于毛管和支管的管径计算，依据《微灌工程技术规范》[2]。对于多孔出流管的管径计算，计算公式为D=1 000，其中，D为管道内径（m），Q为管道的设计流量（m3/h），V为管道内的经济流速（m/s）。对于干管的管径计算，计算公式为D′=10（tnxn）0.15Q干0.43，由于管材价格的变化，需用式D=（3 900/Y′）0.15D′将管径修正，其中，tn为年运行时间（h，取值受作物种类和灌溉制度的影响），xn为电费[元/（kw·h）]，Y′为PVC-U管现行价格（元/t）。滴灌-微喷水肥药一体化系统采用2 套毛、支管网系统，一套主、分干管管网系统，在计算管径时，Q取值应考虑棚内2套毛、支管网系统同时运行。
2.3 管道压力计算及施肥系统选配
2.3.1 首部压力水头损失。首部压力水头损失的计算要考虑最不利管路的水头损失[3]，随后将管路水头损失逐级往上相加推算求得，计算公式为H首=Δ+Σhf+Σhw+h0。H首为管道首部需要提供的供水水头（m），Δ为首部供水点与典型支管进口高差（m），h0为典型支管进口设计水头（m），Σhf为首部供水点至典型支管进口的管道沿程水头损失（m），Σhw为首部供水点至典型支管进口的管道局部水头损失（m）。地势较为平坦的，首部供水点与典型支管进口高程相等，即Δ=0 m。
2.3.2 沿程水头损失。沿程水头损失是指水流在一定长度的顺直管道内流动时的压力水头损失。滴灌-微喷灌系统总沿程水头损失是毛管、支管和干管沿程水头损失之和。毛管和支管沿程水头损失采用多孔出流水力计算，计算式为hf=[-Nm（1-S0/Se）]，其中，hf为毛管或支管沿程水头损失（m），S0为毛管或支管进口至首孔的间距（m），Se为毛管或支管上出水口的间距（m），N为管道上出水口数目，qd为毛管或支管灌水器设计流量（L/h），f为摩阻系数，d为管内径（mm），m为流量指数，b为管径指数。干管都属于单出水口管道，一般情况下，当出水口数N<3时，其管径由经济流速求出，作为初选管径。干管沿程水头损失计算式为h干=L。h干为干管水头损失（m），f为沿程水头损失摩阻系数，m为流量指数，d为管道内径（mm），b为管径指数，Q为管道设计流量（L/h），L为管道长度（m）。
局部水头损失是指水流在管道中流过不同管道（三通、彎管、阀门、变径管）所产生的压力水头损失。局部水头损失计算公式为hj=Σξi，其中，hj为局部水头损失（m），ξi为管网某处局部阻力系数，v为管道内水流流速（m/s），g为重力加速度（m/s2）。由于滴灌-微喷灌系统大小管件、阀门种类繁多复杂，逐一计算难度比较大，为方便起见，管道局部水头损失一般可根据系统大小及地形复杂情况，取沿程损失的5%～10%[4]。
2.3.3 施肥系统。滴灌-微喷水肥药一体化系统的施肥系统采用旁路式四通道施肥机，施肥通道运用文丘里吸附原理，可以实现定量或比例精确施肥，提供多种施肥方案，还可实现EC/PH调节控制，最终能快速、高效地调整施肥方案。滴灌-微喷水肥药一体化系统主要运用在设施农业中，滴灌系统为主要的施肥系统，同时也可针对地下病虫害进行施药防治。微喷系统用于作物花果期喷施叶面肥，及时补充作物所需营养，提高果实品质，并且可作为主要病虫害防治的施药系统[3-4]。
3 结语
滴灌-微喷水肥药一体化系统克服了滴灌和微喷在设施农业中单独使用的不足，充分发挥了2种灌溉方式的优点，达到了灌水、施肥、施药一体化，实现了水、肥、药、土壤在同个系统中的综合管理。一方面可以提高水、肥、药的利用效率;另一方面可以通过水、肥、药的调控提高农产品品质，提高农作物抗性，减少病虫害发生，改善土壤结构，从而实现农业的良性循环。
4 参考文献
[1] 冯淑萍，姚青云.宁夏农村饮水安全工程UPVC管经济流速确定[J].宁夏工程技术，2015，14（2）：138-140.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.微灌工程技术规范：GB/T 50485-2009[S].北京：中国标准出版社，2009.
[3] 叶连桥.农田水利灌溉系统滴灌工程设计[J].城市建设理论研究：电子版，2013（7）：578.
[4] 夏明华，吕忠良，王江涛.大田作物滴灌喷灌共用系统设计[J].安徽农业科学，2010，38（31）：17840-17841.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14912550.htm
