小型農田浸潤灌溉系統的研究與設計

黃裕揚　張智雄　鄭濤

摘 要：我國農業灌溉水資源浪費嚴重，設計小型農田浸潤灌溉系統可對干旱地區半干旱地區農業灌溉帶來創新與改進，并節約水資源，該系統主要由浸潤系統、電源、信號控制系統組成。

關鍵詞：農田；灌溉系統；設計

1 研究背景及目的

1.1 研究背景

中國是農業大國，農業設施發展的很快，能為人們提供大量的蔬菜水果等等，但絕大多數采用的農業灌溉方式為噴灌、滴灌，漫灌。如畦灌，水的利用率僅為40%。中國農業灌溉年用水量約4000億m3，占全國總用水量的80%左右，只能占到世界農業總用水量的17%。其中占 農業用水量的 90%～95%是農田灌溉用水，農業灌溉每年平均缺水300多億m3。然而，由于中國水資源不足，且浪費現象十分嚴重，致使農田灌溉利用率僅為43%，1.0kg·m-3左右，遠低于發達國家2.0 kg·m-3以上的水平。[1]就中國微灌面積僅占灌溉面積而言僅有0.5%左右。據估計，美國地下滴灌面積已達15.607萬hm2，分別占微灌面積和灌溉總面積的 5%和 0.6%。[2]但是隨著這些技術的應用，也增加了不少問題。比如地下滴灌過程中范圍控制，過程控制等，這都是值得探究的問題。

1.2 研究目的

本項目主要針對現今西南山區土壤貧瘠化農業灌溉技術中存在的弊端，如水資源浪費，作物不均勻灌溉等提出新型滲透灌溉系統的設計。地下滲透灌溉技術是新型高效用水灌溉技術，它比普通土渠減少60%～90%的輸水損失，更大程度上節約了水資源，重要的是該制作利用了加壓反滲透作用，將富水土壤中的水分吸收，待到土壤缺水時析出水分。本項目有效結合這些方式，研發一種在西南地區干旱條件下利用非飽和帶地下水運移的原理在地下進行滲透灌溉的節水灌溉系統運用于農業生產，可對干旱地區半干旱地區農業灌溉帶來創新與改進，以提高農業灌溉效率和節約水資源。

2 設計方案

本項目研發的小型農田浸潤灌溉系統，主要由浸潤系統（浸潤集水系統、灌溉系統）、電源、信號控制系統；兩大系統組成。

2.1 控制系統

控制系統由一個土壤溫濕度探測器（DHT11）、和控制芯片、和濡流水泵（kamoer）組成：首先通過土壤濕度探測器（dht11傳感器）測出土壤濕度數據，將數據反饋到控制器，控制器進行判斷，若濕度小于當地種植于該土壤中的植物所需濕度（當地的土壤含水率），則發出一個信號，到變頻恒壓供水控制器，使其固定一個水壓使水泵放水，從而浸潤棒緩慢向土壤滲水。反之，若濕度大于當地種植于該土壤中的植物所需濕度，則反饋到控制器，控制器發信號到另外一條線路上的水泵，控制其開關，使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此裝置適用于干旱半干旱地區，有效的為植物提供水分也同時為土壤固定了部分水分，實現了水資源的有效利用。

2.2 浸潤灌溉系統

浸潤灌溉系統主要由浸潤棒、高分子半透膜、濡流水泵及一些管材組成，通過控制系統的信號輸入，控制水分的浸潤灌溉或者是反向吸水至水分的固定。

3 理論設計計算

由法國水力學家 H.-P.-G.達西提出了關于水滲透的達西公式，即Q=KFh/L。式中Q為單位時間滲流量，F為過水斷面，h為總水頭損失，L為滲流路徑長度，I=h/L為水力坡度，K為滲透系數。關系式表明，水在單位時間內通過多孔介質的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水斷面面積和總水頭損失成正比。從水力學已知，通過某一斷面的流量Q等于流速v與過水斷面F的乘積，即Q=Fv。或，據此，達西定律也可以用另一種形式表達v=KI。[3]同時，根據土壤濕度探測器可知：該系統浸潤灌溉范圍為11%-72%。

4 工作原理及性能分析

首先通過土壤濕度探測儀測出土壤濕度數據，將數據反饋到控制器，控制器進行判斷，若濕度小于當地種植于該土壤中的植物所需濕度，則發出一個信號，到濡流水泵，使水泵放水，從而浸潤棒緩慢向土壤滲水。反之，若濕度大于當地種植于該土壤中的植物所需濕度，則反饋到控制器，控制器發出信號到濡流水泵，控制其開關，使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此裝置適用于干旱半干旱地區，有效的為植物提供水分也同時為土壤固定了部分水分，實現了水資源的有效利用。完成制作后，作品實物外形照片如圖3。

5 創新點和應用

現今農業灌溉技術如噴灌、滴灌等，灌溉效率低，用水量大。本項目研發的滲透灌溉系統創新之處在于即可以緩慢向土壤供水，也可在土壤富水時向裝置補水，同時與土壤濕度保持聯系，通過調控水泵，調節對土壤供水量。可運用于農作物灌溉，圍繞滲透棒最佳滲透范圍種植作物，節約大量的水資源，使農作物種植更加合理化。

參考文獻

[1]高學梅.中國農業節水灌溉現狀、發展趨勢及存在問題[J].天津農業科學，2012，18（1）：54-56.

[2]石培澤，馬金珠.干旱區節水灌溉理論與實踐：武威市農業灌溉綜合節水科學試驗[M].蘭州：蘭州大學出版社，2004.

[3]鄭健，等.局部控制地下浸潤灌溉土壤入滲特性研究[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2007（3）：228-232.

作者簡介：黃裕揚（1993，6-）， 男，四川自貢人，環境與土木工程學院，地下水科學與工程專業，本科在讀。指導教師：楊艷娜。