小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

黃裕揚(yáng)　張智雄　鄭濤

摘 要：我國農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，設(shè)計(jì)小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)可對(duì)干旱地區(qū)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉帶來創(chuàng)新與改進(jìn)，并節(jié)約水資源，該系統(tǒng)主要由浸潤系統(tǒng)、電源、信號(hào)控制系統(tǒng)組成。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；灌溉系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 研究背景及目的

1.1 研究背景

中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展的很快，能為人們提供大量的蔬菜水果等等，但絕大多數(shù)采用的農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)總用水量的17%。其中占 農(nóng)業(yè)用水量的 90%～95%是農(nóng)田灌溉用水，農(nóng)業(yè)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(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，致使農(nóng)田灌溉利用率僅為43%，1.0kg·m-3左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)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(jù)估計(jì)，美國地下滴灌面積已達(dá)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(shù)的應(yīng)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(xiàng)目主要針對(duì)現(xiàn)今西南山區(qū)土壤貧瘠化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)中存在的弊端，如水資源浪費(fèi)，作物不均勻灌溉等提出新型滲透灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。地下滲透灌溉技術(shù)是新型高效用水灌溉技術(shù)，它比普通土渠減少60%～90%的輸水損失，更大程度上節(jié)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(shí)析出水分。本項(xiàng)目有效結(jié)合這些方式，研發(fā)一種在西南地區(qū)干旱條件下利用非飽和帶地下水運(yùn)移的原理在地下進(jìn)行滲透灌溉的節(jié)水灌溉系統(tǒng)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可對(duì)干旱地區(qū)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉帶來創(chuàng)新與改進(jìn)，以提高農(nóng)業(yè)灌溉效率和節(jié)約水資源。

2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目研發(fā)的小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)，主要由浸潤系統(tǒng)（浸潤集水系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)）、電源、信號(hào)控制系統(tǒng)；兩大系統(tǒng)組成。

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由一個(gè)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(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到控制器，控制器進(jìn)行判斷，若濕度小于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度（當(dāng)?shù)氐耐寥篮剩瑒t發(fā)出一個(gè)信號(hào)，到變頻恒壓供水控制器，使其固定一個(gè)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(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度，則反饋到控制器，控制器發(fā)信號(hào)到另外一條線路上的水泵，控制其開關(guān)，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(qū)，有效的為植物提供水分也同時(shí)為土壤固定了部分水分，實(shí)現(xiàn)了水資源的有效利用。

2.2 浸潤灌溉系統(tǒng)

浸潤灌溉系統(tǒng)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(tǒng)的信號(hào)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(shè)計(jì)計(jì)算

由法國水力學(xué)家 H.-P.-G.達(dá)西提出了關(guān)于水滲透的達(dá)西公式，即Q=KFh/L。式中Q為單位時(shí)間滲流量，F(xiàn)為過水?dāng)嗝妫琱為總水頭損失，L為滲流路徑長度，I=h/L為水力坡度，K為滲透系數(shù)。關(guān)系式表明，水在單位時(shí)間內(nèi)通過多孔介質(zhì)的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水?dāng)嗝婷娣e和總水頭損失成正比。從水力學(xué)已知，通過某一斷面的流量Q等于流速v與過水?dāng)嗝鍲的乘積，即Q=Fv。或，據(jù)此，達(dá)西定律也可以用另一種形式表達(dá)v=KI。[3]同時(shí)，根據(jù)土壤濕度探測器可知：該系統(tǒng)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(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到控制器，控制器進(jìn)行判斷，若濕度小于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度，則發(fā)出一個(gè)信號(hào)，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(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度，則反饋到控制器，控制器發(fā)出信號(hào)到濡流水泵，控制其開關(guān)，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(qū)，有效的為植物提供水分也同時(shí)為土壤固定了部分水分，實(shí)現(xiàn)了水資源的有效利用。完成制作后，作品實(shí)物外形照片如圖3。

5 創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用

現(xiàn)今農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)如噴灌、滴灌等，灌溉效率低，用水量大。本項(xiàng)目研發(fā)的滲透灌溉系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于即可以緩慢向土壤供水，也可在土壤富水時(shí)向裝置補(bǔ)水，同時(shí)與土壤濕度保持聯(lián)系，通過調(diào)控水泵，調(diào)節(jié)對(duì)土壤供水量。可運(yùn)用于農(nóng)作物灌溉，圍繞滲透棒最佳滲透范圍種植作物，節(jié)約大量的水資源，使農(nóng)作物種植更加合理化。

參考文獻(xiàn)

[1]高學(xué)梅.中國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在問題[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，18（1）：54-56.

[2]石培澤，馬金珠.干旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與實(shí)踐：武威市農(nóng)業(yè)灌溉綜合節(jié)水科學(xué)試驗(yàn)[M].蘭州：蘭州大學(xué)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(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（3）：228-232.

作者簡介：黃裕揚(yáng)（1993，6-）， 男，四川自貢人，環(huán)境與土木工程學(xué)院，地下水科學(xué)與工程專業(yè)，本科在讀。指導(dǎo)教師：楊艷娜。