風(fēng)光互補(bǔ)微動(dòng)力滴灌系統(tǒng)

張國華 謝崇寶

傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)一般使用電力或石油燃料驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)，為水泵提供動(dòng)力，從而滿足滴灌系統(tǒng)所需要的工作壓力。為滿足低水頭（微動(dòng)力）滴灌和作物持續(xù)用水需求，中國灌溉排水發(fā)展中心研發(fā)了一套風(fēng)光互補(bǔ)微動(dòng)力滴灌系統(tǒng)，用太陽能和風(fēng)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，可克服單獨(dú)采用太陽能或單獨(dú)采用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，明顯提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，且具有投資較低、效果較好等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)組成

風(fēng)光互補(bǔ)微動(dòng)力滴灌系統(tǒng)主要包括太陽能裝置、風(fēng)能裝置及滴灌裝置，太陽能裝置和風(fēng)能裝置與滴灌裝置串聯(lián)，太陽能裝置和風(fēng)能裝置分別與水源相連。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)微動(dòng)力滴灌系統(tǒng)

太陽能裝置包括太陽能電池板、太陽能水泵控制器、太陽能直流水泵及太陽能直流水泵出水管，通過太陽能電池板吸收太陽光為太陽能直流水泵提供動(dòng)力，太陽能水泵控制器控制太陽能直流水泵工作，太陽能直流水泵浸沒在水源中。

風(fēng)能裝置包括風(fēng)輪、風(fēng)力提水控制器、揚(yáng)水機(jī)及揚(yáng)水機(jī)出水管，通過風(fēng)能使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)為揚(yáng)水機(jī)提供動(dòng)力，風(fēng)力提水控制器控制揚(yáng)水機(jī)工作，揚(yáng)水機(jī)浸沒在水源中。

滴灌裝置包括第一管路、第二管路、第一球閥至第四球閥、儲(chǔ)水罐、施肥罐、過濾器、干管、支管、滴灌帶、水位傳感器、水位控制器及第一電磁閥，太陽能直流水泵出水管及揚(yáng)水機(jī)出水管均與第一管路串聯(lián)，第一管路經(jīng)第一球閥及第一電磁閥連接至儲(chǔ)水罐入口，第一管路經(jīng)第一球閥與第二管路串聯(lián)，第二管路上順次設(shè)置第二球閥、第四球閥及過濾器，第四球閥與施肥罐相連，儲(chǔ)水罐出口經(jīng)第三球閥與第二管路串聯(lián)，且第三球閥設(shè)置在第一球閥與第四球閥之間，第二管路與干管相連，干管與支管相連，支管連接滴灌帶，通過滴灌帶為作物灌溉，水位傳感器設(shè)置在儲(chǔ)水罐中，水位控制器與水位傳感器及第一電磁閥相連。

自動(dòng)反沖洗過濾器包括太陽能電池板、過濾器、自動(dòng)反沖洗控制器、差壓變送器、第二電磁閥和第三電磁閥，太陽能電池板與自動(dòng)反沖洗控制器相連，自動(dòng)反沖洗控制器與差壓變送器、第二電磁閥及第三電磁閥相連，過濾器設(shè)置在第二管路中，過濾器包括進(jìn)口、出口和排污口，差壓變送器連接在進(jìn)口和出口處，第二電磁閥連接在排污口處，第三電磁閥連接在出口處。當(dāng)差壓變送器的讀數(shù)大于設(shè)定數(shù)值時(shí)，過濾器堵塞，自動(dòng)反沖洗控制器控制第二電磁閥打開，控制第三電磁閥關(guān)閉；當(dāng)差壓變送器的讀數(shù)小于設(shè)定數(shù)值時(shí)，自動(dòng)反沖洗控制器控制第二電磁閥關(guān)閉，控制第三電磁閥打開，完成反沖洗工作。自動(dòng)反沖洗過濾器是在現(xiàn)有普通過濾器基礎(chǔ)中，根據(jù)壓差允許值設(shè)計(jì)而成。當(dāng)然，在系統(tǒng)控制面積較小時(shí)，反沖洗過濾器可選用一般的微型全塑過濾器。

施肥罐一般采用壓差式施肥裝置，當(dāng)系統(tǒng)控制面積較小時(shí)，選擇文丘里注入器施肥裝置。

風(fēng)光互補(bǔ)微動(dòng)力滴灌系統(tǒng)，采用的太陽能和風(fēng)能都是清潔能源。該系統(tǒng)通過太陽能裝置和風(fēng)能裝置實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，可克服單獨(dú)采用太陽能或單獨(dú)采用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，明顯提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；與單獨(dú)采用太陽能驅(qū)動(dòng)相比，能明顯降低工程投資。

工作原理

1.風(fēng)光互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)原理

風(fēng)光互補(bǔ)微動(dòng)力滴灌系統(tǒng)，可在多種條件下工作。在晴朗、有風(fēng)天氣情況下，可同時(shí)由太陽能驅(qū)動(dòng)太陽能直流水泵3、由風(fēng)能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)水機(jī)6為系統(tǒng)提供有壓水流；在晴朗、無風(fēng)天氣情況下，由太陽能驅(qū)動(dòng)太陽能直流水泵3為系統(tǒng)提供有壓水流；在陰天或夜間有風(fēng)條件下，可利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)水機(jī)6為系統(tǒng)提供有壓水流。

2.儲(chǔ)水罐水位自動(dòng)控制原理

設(shè)計(jì)水力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)，在非灌溉期間，充分利用太陽能或風(fēng)能調(diào)蓄水量。當(dāng)水位低于設(shè)計(jì)調(diào)蓄低水位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開機(jī)，為調(diào)蓄水池補(bǔ)充水量；當(dāng)水位達(dá)到調(diào)蓄高水位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

3.自動(dòng)反沖洗過濾器原理

過濾器兩端壓差達(dá)到某一高值時(shí)，說明過濾器發(fā)生堵塞，需要反沖洗。因此，可根據(jù)反沖洗要求及反沖洗時(shí)間，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制裝置。包括1個(gè)壓差傳感器、2個(gè)電磁閥、1個(gè)單片機(jī)自動(dòng)控制器。當(dāng)過濾器壓差達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)過濾器自動(dòng)反沖洗；利用反沖洗水流，完成規(guī)定時(shí)間的反沖洗后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常灌溉。

系統(tǒng)運(yùn)行

如圖1所示，本系統(tǒng)主要依靠太陽能和風(fēng)能為滴灌裝置提供能源。在非灌溉時(shí)，利用太陽能裝置和風(fēng)能裝置為儲(chǔ)水罐7供水，變儲(chǔ)電為儲(chǔ)水，再通過儲(chǔ)水罐7將水輸送到田間，當(dāng)然也可以將儲(chǔ)水罐7中的水輸送到田間的小儲(chǔ)水容器（圖中未畫出，類似于儲(chǔ)水罐7）中，以備灌溉時(shí)使用；灌溉時(shí)，既可利用儲(chǔ)水罐7或田間小儲(chǔ)水容器中已有的水，當(dāng)水量不足時(shí)也可以直接通過對太陽能裝置或風(fēng)能裝置驅(qū)動(dòng)滴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉；當(dāng)遇上陰天太陽光能不足時(shí)，可以風(fēng)能作為補(bǔ)充，反之當(dāng)風(fēng)能不足時(shí)可以利用太陽能作為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)太陽能和風(fēng)能的互補(bǔ)，提高滴灌系統(tǒng)的能源保證率。

非灌溉時(shí)，第一球閥16打開，第二球閥17和第三球閥18關(guān)閉，通過太陽能或風(fēng)能裝置給儲(chǔ)水罐7補(bǔ)水，當(dāng)通過水位傳感器8感應(yīng)到水位低于儲(chǔ)水罐7頂端時(shí)，通過水位控制器9打開第一電磁閥13，為儲(chǔ)水罐7補(bǔ)充水量；當(dāng)水位傳感器8感應(yīng)到水位達(dá)到儲(chǔ)水罐7頂端時(shí)，通過水位控制器9關(guān)閉第一電磁閥13，停止給儲(chǔ)水罐7補(bǔ)充水量。通過上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)水罐7水位自動(dòng)控制。

當(dāng)難以利用太陽能或風(fēng)能時(shí)，可利用儲(chǔ)水罐7中的水進(jìn)行灌溉。灌溉時(shí)，第一球閥16、第二球閥17及第一電磁閥13關(guān)閉，第三球閥18及第四球閥19打開，通過儲(chǔ)水罐7中的水進(jìn)行灌溉。

利用太陽能或風(fēng)能進(jìn)行供水灌溉。灌溉時(shí)，第一球閥16、第二球閥17及第四球閥19打開，第一電磁閥13及第三球閥17關(guān)閉，通過太陽能裝置或風(fēng)能裝置不經(jīng)儲(chǔ)水罐7直接進(jìn)行供水灌溉。上述結(jié)構(gòu)，利用太陽能直流水泵3或揚(yáng)水機(jī)6提供的壓力進(jìn)行灌溉。

應(yīng)用實(shí)例

1.總體布局

如某規(guī)劃區(qū)總面積2 0畝（1.33hm2），地塊為長方形，南北長260m，東西寬51m，水源為渠道水，規(guī)劃在水源引水口處建1個(gè)蓄水池，蓄水池容積50m3，長寬各5m，深2m。滴灌系統(tǒng)由風(fēng)光互補(bǔ)提水系統(tǒng)、蓄水池、施肥罐和過濾器、輸水管道和田間滴管帶等部分組成。上述提水系統(tǒng)和其他首部結(jié)構(gòu)及小地塊E的毛管布置見圖2。

為便于管理，劃分的小地塊E尺寸為80m×5m，南北向布置，總共3排小地塊E，每排間距10m（為交通道），分干管C沿交通道布設(shè)。每排10個(gè)小地塊E，總共30個(gè)小地塊E，入棚的支管在小地塊E的南端垂直小地塊E布置4m支管，支管上連接5條滴灌帶，布置間距為1m。地塊上種植土豆，行距為0.4m，株距為0.25m，每隔一行布置一條寬為0.6m的田間管理道，每兩行中間布置一條滴灌帶。

圖2 田塊滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)布置

2.典型工程設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）灌溉設(shè)計(jì)保證率

依據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50363—2006）、《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009），確定設(shè)計(jì)灌溉保證率為90%。

（2）基本資料

項(xiàng)目區(qū)土壤主要為砂壤土，土壤干容重為1.55g/cm3，田間持水率為20%，地形坡度平均為0.3%，灌溉水利用系數(shù)為0.9，項(xiàng)目區(qū)主要種植作物為馬鈴薯。

（3）有關(guān)技術(shù)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

主要依據(jù)為：《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50363—2006），《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（G B/T 50485—2009），《噴灌與微灌技術(shù)管理規(guī)程》（SL 236—1999），《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）。

3.管網(wǎng)布置

（1）干支管布置

干管分為總干管B和分干管C兩級(jí)，管網(wǎng)布置如圖2所示，從水源和首部樞紐A起往北布置一條直徑為75mm總干管B，沿總干管B向東布置3條直徑為63mm分干管C，每條分干管C北側(cè)布置直徑為50mm支管D，支管D東西方向布置，垂直作物種植行向。支管D北側(cè)布置直徑為16mm滴灌帶，毛管布置在間距0.4m的兩行作物中間。每條支管D計(jì)劃鋪設(shè)長度為5m，毛管間距為1m，經(jīng)計(jì)算每條支管D上的滴灌帶條數(shù)為5條。

（2）滴灌帶布置

滴灌帶采用雙行直線布置的方式，即兩行作物間布置一條滴灌帶。滴灌帶長度為79m，滴頭間距為0.25m，滴灌帶進(jìn)口至首孔距離為0.375m，經(jīng)計(jì)算1條滴灌帶上的滴頭數(shù)為314個(gè)。

4.灌溉制度設(shè)計(jì)

灌水定額采用適宜水量法確定，采用淺澆勤灌，灌水定額取8mm。

30個(gè)小地塊E分2組輪灌，每組工作的小地塊E數(shù)為15個(gè)，每天工作時(shí)間為6小時(shí)。

考慮到本設(shè)計(jì)首部提水系統(tǒng)對每個(gè)地塊上的儲(chǔ)水罐進(jìn)行供水，而不是直接給田間供水。因此，每個(gè)地塊每次的灌水量為3.2m3，系統(tǒng)按每天6小時(shí)工作時(shí)間計(jì)算，首部供水能力為48m3/d，則每天能夠完成灌溉的地塊數(shù)為15個(gè)。即30個(gè)地塊分2組輪灌，每組工作的地塊數(shù)為15個(gè)。

在每個(gè)地塊上設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)水罐，通過儲(chǔ)水罐對地塊進(jìn)行供水，因此儲(chǔ)水罐的高度關(guān)系到滴灌帶的實(shí)際工作壓力和流量。根據(jù)上述計(jì)算，滴灌帶在設(shè)計(jì)工作壓力下，一個(gè)工作位置的持續(xù)工作時(shí)間為0.8小時(shí)；而當(dāng)設(shè)計(jì)工作壓力受限時(shí)，如何保證在2天的灌水周期內(nèi)滿足作物的耗水需求，取決于儲(chǔ)水罐的設(shè)置高度。

5.滴灌工程設(shè)計(jì)

首部樞紐A設(shè)計(jì)：根據(jù)項(xiàng)目區(qū)水中固體砂顆粒含量很少的情況，過濾設(shè)備采用1"離心+過濾器，過流量3m3/h。本系統(tǒng)選用容積為13L的施肥罐。

滴灌帶選擇：典型地塊灌水器選擇壁厚0.2mm的內(nèi)鑲式滴灌帶，滴頭工作壓力為100kPa，滴頭間距為0.25m，毛管布置間距為1m，滴水流量為2.5L/h。

管網(wǎng)設(shè)計(jì)：根據(jù)當(dāng)?shù)仡愃乒こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總干管B和分干管C選擇UPVC管材，支管D和毛管采用PE管材，管網(wǎng)的干、分干、支、毛各級(jí)管道管徑按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，計(jì)算管徑和選取管徑見表1。

水泵的選型：經(jīng)計(jì)算，毛管水頭損失為3.214m，干管水頭損失為0.582m，總干管B水頭損失為0.283m。整個(gè)系統(tǒng)的局部水頭損失按沿程損失的0.15倍計(jì)，首部過濾按0.5m損失計(jì)，施肥罐按0.5m損失計(jì)，閘閥按0.5m損失計(jì)，滴頭設(shè)計(jì)工作壓力為10m，水面至地面高差為1m，經(jīng)計(jì)算總水頭為17.19m。故水泵選用型號(hào)為LKPS150C的太陽能直流水泵，流量為8m3/h,揚(yáng)程為20m；揚(yáng)水機(jī)選用型號(hào)為FS4.4—QZY—L，流量為8m3/h，揚(yáng)程為20m。

表1 各級(jí)管道設(shè)計(jì)管徑計(jì)算表

6.太陽能裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)水泵參數(shù)，選用太陽能電池板與型號(hào)為LKPS150C的太陽能水泵配套。

7.風(fēng)能裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)水泵參數(shù)，選用風(fēng)力機(jī)—?dú)獗锰崴畽C(jī)與型號(hào)為FS4.4—QZY—L的風(fēng)力水泵配套。

8.施肥罐選擇

施肥罐選常用的文丘里施肥罐，容積為13L。考慮到本系統(tǒng)的工作壓力較小，為了能使施肥罐正常工作，在管道上安裝1個(gè)調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥使管內(nèi)流速增大，產(chǎn)生局部負(fù)壓，將肥料從施肥罐吸入管道。過濾器選流量為3m3/h的疊片式過濾器。

9.過濾器設(shè)計(jì)

包括1個(gè)全塑網(wǎng)式過濾器、1個(gè)壓差傳感器、2個(gè)電磁閥、1個(gè)單片機(jī)自動(dòng)控制器。壓差傳感器接在過濾器進(jìn)出口兩端，2個(gè)電磁閥分別安裝在過濾器的出口和排污口。

創(chuàng)新點(diǎn)

該系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是以高效、節(jié)能、節(jié)水為目標(biāo)，基于作物耗水規(guī)律，以需定供，實(shí)現(xiàn)供水與耗水的和諧統(tǒng)一，有利于作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，降低了提水設(shè)施的建設(shè)成本，體現(xiàn)需水管理思想。二是以太陽能和風(fēng)能互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)作為滴灌系統(tǒng)動(dòng)力，有效克服了單一使用太陽能和風(fēng)能的不穩(wěn)定性，保證了滴灌系統(tǒng)的正常運(yùn)行。三是開發(fā)自動(dòng)反沖洗過濾器，可人為設(shè)定反沖指令，即壓差指令，自動(dòng)完成反沖洗，有利于保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

應(yīng)用前景分析

系統(tǒng)以太陽能和風(fēng)能為動(dòng)力，適合保護(hù)地、干旱缺水地區(qū)，特別是遠(yuǎn)離村莊和供電線路的偏僻田塊上發(fā)展滴灌。

單獨(dú)采用太陽能驅(qū)動(dòng)的滴灌系統(tǒng)投資較高，單獨(dú)采用太陽能或風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的滴灌系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，采用風(fēng)光互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)能有效降低工程投資，明顯提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因而具有更好的推廣應(yīng)用前景。

在水資源、能源和環(huán)境問題日益受到關(guān)注和重視的今天，作為清潔可再生能源的太陽能和風(fēng)能，以其獨(dú)特優(yōu)勢應(yīng)用于滴灌系統(tǒng)，為推進(jìn)高效節(jié)水灌溉規(guī)模化發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)力支持，具有廣泛的應(yīng)用前景。