地表下水肥一體化系統優化設計

于珍珍，汪 春,2，李嘉熙，劉少東，王宏軒

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163000;2.中國熱帶農業科學院 南亞熱帶作物研究所，廣州 湛江 524000)

0 引言

我國是一個水資源嚴重短缺的國家，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業灌溉用水，但由于我國水資源總量不足，使得農業用水面臨困境[3]。我國近幾年旱災頻繁，再加上時空降水分布不均、對水資源進行粗放式管理、灌溉方式比較落后及節水灌溉技術沒有進行大面積推廣應用，用水形勢堪憂。我國是世界上最大的化肥生產國和消費國，2008年化肥消費量已達4 000萬t多[4]。據推測，目前我國化肥的利用率只有25%～30% ,化肥農藥的不合理使用會導致作物吸收的少，剩余的化肥由于沒有被作物充分吸收會隨水流或其它方式流失，進而會造成海洋與河流湖泊中氮、磷等含量超標，甚至會出現水體富營養化現象。過度施用肥料不僅會增加生產成本，還會造成農業資源的浪費，同時使土壤理化性變差，導致次土壤次鹽漬化和酸化、設施內出現連作障礙、土傳病害等問題，造成植株生長不良，產量和品質下降[5]，嚴重威脅農業的可持續發展。

國外農業發達國家，如有美國、荷蘭、以色列和加拿大等，以以色列與荷蘭為首最早開始進行研究節水灌溉技術。以色列和荷蘭在發展農業過程中都受到共同的制約因素：人均耕地面積少，農業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，以最少的水量投入獲得最大的經濟效益，近幾年來重點研究精準灌溉施肥一體化技術，并將農業網工程與信息技術、人工智能決策聯系在一起，在農業生產中逐步實現水肥一體化自動調控技術，以達到科學合理精確的施用肥料。相比于國外發達國家，我國灌溉施肥技術起步較晚。從20世紀90年代開始，我國開始逐步重視灌溉施肥一體化技術的研究與應用，并通過引進國外先進技術，開始逐步自主創新出一些適合于我國農業形勢的一些灌溉施肥設備。

水肥一體化技術將灌溉與施肥融為一體，同步進行[6]，在灌溉的同時將肥料與灌溉水融和，借助系統的滴灌網，將肥料隨毛管水流送達作物根部。其可以根據作物生長過程中對水分和養分的需求，提供作物適量的水分和養分，保證作物在吸收水分的同時吸收養分，目前被公認為是世界上水、肥利用效率最佳的技術[7]。

地表下灌溉改變了傳統地表設管的灌溉方式，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，同時方便田間作業。其在灌溉過程中，全部由管道輸水很少有沿程滲漏和蒸發，為了保證可以適時適量地為作物根區供水供肥，自動調節灌水速度，達到增產增收的目的[9]。為此，設計出一種壓力管道輸水，不用要求地面的平整度，在灌水器前加入過濾裝置，對水質中的泥沙、有機物或是微生物進行沉淀和化學處理[10]，避免管道堵塞引起系統無法正常工作，且加入自動檢測系統，采用定時器進行灌溉控制到自動檢測土壤水分信息和肥料信息，提高了灌溉施肥自動化水平[11]。

1 總體設計與工作原理

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作物根部周圍土壤的灌溉方式。傳統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由水源、首部樞紐、控制系統、輸配水管網及流量、壓力控制部件和水量檢測儀等組成，如圖1所示。

圖1 主要設備連接示意圖Fig.1 Main equipment connection diagram

2 主要工作部件的優化設計

2.1 過濾裝置的設計

根據生產需要，多采用井水作為作物提供灌溉用水，但由于出現渾濁，無法直接使用。過濾分為三級過濾，即初級過濾、物理過濾和化學過濾[12]。初級過濾一般采用砂石過濾，主要是針對一些大體積雜物、枯枝殘葉、雜草和其他較大的漂浮物等，以防止雜物進入管道。初級過濾采用傳統的過濾方法即可，一般多使用篩網，構造簡單，可以根據水源實際情況自行設計制作。本研究針對二級過濾，即物理過濾進行創新設計。

經過調研，擬采用一種高效微沙疊片式過濾器(見圖2)，采用大量很薄的圓形疊片重疊起來，成為一個類似于圓柱形的過濾中心；疊片緊密壓實疊加在一起，上下兩層疊片之間的溝槽起到過濾攔截的作用，如圖3所示。該裝置在很大程度上可以代替砂濾器和傳統的機械過濾裝置，其性能優越、水電耗遠低于其他產品[13]。試驗研究表明，該過濾器的過濾能力可以達到40～400目之間，出水渾濁度低于10度，大大提高了農業生產用水的安全度，完全滿足農業灌水的質量要求。

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

2.2 施肥機的結構設計及性能優化

施肥機主要作用是將肥料隨同灌溉水進入田間[14]，是水肥一體化技術的關鍵部分。在水肥一體化技術中常用到的施肥機主要設備選型包括旁通施肥罐、文丘里施肥機、重力自壓施肥機、泵吸肥機及泵注肥機等。其中，文丘里施肥機以結構簡單、水頭損失較小得以廣泛使用[15]。

圖3 疊片式過濾芯Fig.3 Stacked filter

文丘里施肥機主要由閥門、文丘里管、三通及彎頭等幾個部分連接而成，原理是由于水流運動時流速不同從而產生壓力差，利用壓力差將液體肥料壓入輸水管網中的一種施肥裝置。水流通過一個由大漸小的管道時(文丘里管喉部)，水流經狹窄部分時流速加大、壓力下降，使前后形成壓力差；當管徑變小時，形成負壓，將肥料溶液從一敞口肥料罐通過小管徑吸取上來。文丘里施肥機就是根據這一原理制作而成，如圖4所示。

2.2.1 采用水溶肥代替傳統固體肥料

傳統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法徹底溶解， 容易引發滴頭堵塞等問題； 液體肥料品種少， 價格高， 且運輸不便，所以在生產中很少使用到。受無土栽培的啟示，提出使用水溶性專用固體肥料，簡單說就是一種可以完全溶于水的多元復合肥料，更容易被作物吸收。大量試驗研究表明：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，在進行施肥時要先滴清水，等管道中的水分充滿以后再進行施肥，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 文丘里管施肥機示意圖Fig.4 Venturi tube applicator schematic

在實際農業操作中，多數會采用幾種肥料同時混合使用，但在混合使用過程中搭配不當會引起沉淀，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。在運輸儲存過程中要進行分別儲存，通過試驗總結，制出肥料混合表，如圖5所示。在農業生產中可以按照此表進行混合施肥，提高生產效率。

圖5 肥料混合表Fig.5 Fertilizer mixTable

2.2.2 文丘里管結構優化設計

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

文丘里管施肥機采用抗腐蝕材料制作(現在絕大部分是采用塑料制作)，在工作時必須依靠過量的壓力來保證必要的壓力損耗。為了保證養分濃度的均勻性，必須保證文丘里管入口處壓力穩定，擬采用安裝控制閥門和調節器來調整[16]。傳統的文丘里管與主管道串聯安裝，改進后的管路將文丘里管作為主管的旁通件進行并聯安裝，且采用兩段式文丘里管道結構，可以保證吸肥時的水管損耗降低12%～15%[17]，結構簡單，通用性強，可以進行廣泛推廣應用。改進后的兩段式文丘里管相應的存在流量降低的缺點，結構如圖6所示。

1.節制閥 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Fig.6 Potato planter structure

2.3 自動控制系統設計的實現

改善灌溉施肥效果、提高灌溉施肥效率是本研究的重要內容之一。本研究的精準定量灌溉施肥自動監控系統，主要包括大氣環境信息監測系統與智能灌溉施肥系統兩個子系統。兩個子系統之間通過無線傳感器進行連接， 可進行遠程監控且可以進行數據同步，進而對整個系統、作物生長及環境信息進行實時監測。地表下水肥一體化自動檢測系統如圖7所示。

3 水肥一體化技術研究在應用中存在的問題

太陽輻射水肥一體化技術是現代農業技術符合當今世界對水資源和資源環保的戰略取向，也是我國農業可持續發展的重要支撐技術之一。水肥一體化技術是資源節約型技術，應是我國未來農業灌溉和施肥技術的重要發展方向。近年來，我國在水肥一體化技術的研究與推廣示范上取得了顯著的效果，但是還存在很多問題，主要有以下兩個方面：

1)在水肥一體化設施中設備的配套性差，容易導致在農業生產過程中不穩定，且缺乏配套的水溶肥[18]。我國對于液態肥料的研究還處于起步階段，灌溉肥料仍以固體肥料為主，無法與灌溉水完全溶合；

2)由于農民收入普遍偏低，且認識不到位，人們只追求眼前利益，沒有考慮到水資源匱乏將對生態環境及社會發展造成的嚴重影響。此外，水肥一體化設備設施投入成本較高，在灌溉用水中電費所占比例較大，水資源本身價格偏低，如果沒有政府在政策及資金上進行扶持，很難進行大面積的推廣應用。

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

4 結論

1)滴灌技術是現代化農業建設的主要支撐技術之一，是一種廣泛普及的節水技術，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省農業用水、顯著提高作物的產量，而且還可以提高耕地的利用效率和勞動生產率，減少農藥化肥使用量，降低農田和食品的污染源，達到改善生態環境、減少環境污染的目的。

2)本研究針對滴灌過程中存在的問題進行了試驗研究，提出了地表下水肥一體化滴灌技術，并且針對水肥一體化設備中存在的問題進行調研，進而進行改進創新，在結構設計及性能方面都進行了優化設計，且通過互聯網+農業信息技術對滴灌系統進行自動調節控制[20]。通過控制灌水量，根據作物需要適時、適量地進行精量灌溉，一方面可以達到提高用水效率提高農作物產量和品質的目的，另一方面還可以節省勞動力，免去田間監測的重復勞動。