淺析一種高效水肥一體化灌溉設(shè)備

喻 晨

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

水肥一體化灌溉技術(shù)，是有效融合施肥作業(yè)與灌溉作業(yè)一體化的農(nóng)業(yè)新型技術(shù)手段，水肥灌溉一體化基于壓力系統(tǒng)（或地形自然落差），根據(jù)土壤養(yǎng)分情況以及種植農(nóng)作物的種類，在掌握需肥特點(diǎn)和規(guī)律上，把液體肥料或者可溶性固體肥料合理配比形成肥液與灌溉水，并通過能夠合理控制的管道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化的供水供肥，將溶解后的水肥利用管道以及滴頭均勻滴灌，定時(shí)定量對植物根系生長區(qū)域進(jìn)行浸潤，使植物根系生長的土壤，始終保持良好的水分條件與肥效供應(yīng)，保持土壤疏松透氣。并依照各種植物不同的需肥特點(diǎn)、土壤環(huán)境和養(yǎng)分含量，以及作物不同生長期對水分和肥料的需求規(guī)律科學(xué)設(shè)計(jì)，定時(shí)定量的為植物提供水分與養(yǎng)分，保證作物健康生長。 水肥一體化灌溉技術(shù)，主要適宜于有蓄水池、水庫或者水井固定灌溉水源的區(qū)域，同時(shí)還要求水質(zhì)較好，符合微觀要求。 特別在一些設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培、棉花栽培、果樹栽培有條件進(jìn)行微灌設(shè)施建設(shè)的區(qū)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。 推廣水肥一體化灌溉技術(shù)，離不開水肥一體化灌溉設(shè)備，為此，下文結(jié)合實(shí)踐，對一種適合多工況條件下的高效水肥一體化灌溉設(shè)備進(jìn)行研究與探討，僅供參考[1]。

1 水肥一體化灌溉施肥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

水肥一體化灌溉施肥技術(shù)是把施肥和灌溉充分結(jié)合在一起的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)手段，這項(xiàng)技術(shù)利用壓力灌溉系統(tǒng)，并合理應(yīng)用液體與固體肥料，由此形成含有作物生長需求營養(yǎng)的灌溉水，通過噴灌或者滴灌方式進(jìn)行一體化灌溉施肥。 施肥過程當(dāng)中，水不在空氣中運(yùn)動(dòng)，不會(huì)打濕葉面，同時(shí)也不存在有效濕潤面積之外的土壤表面蒸發(fā)，所以水量蒸發(fā)的直接損耗非常小。 水量容易控制，不會(huì)有地面徑流產(chǎn)生，也不會(huì)有深層土壤滲漏，對水源不足比較缺水的山區(qū)種植生產(chǎn)非常有利，對山區(qū)水利化發(fā)展提供了非常好的途徑，因植株間水分沒有充足供應(yīng)，不易生長雜草，所以大大減輕了作物生長過程中雜草對其養(yǎng)分搶奪的干擾，還避免了除草用工量。 另外，作物根部生長區(qū)域，有著良好的供水、供肥，對增產(chǎn)十分有利[1]。

運(yùn)用水肥一體化灌溉施肥技術(shù)，不僅可以大幅減少水資源的浪費(fèi)，還能提高施肥效率，降低肥料應(yīng)用量，使農(nóng)作物施肥作業(yè)工序大幅簡化，控制施肥用工。 還能有效降低土壤板結(jié)與土壤污染，快速高效，能夠在較短的時(shí)間中達(dá)到灌溉施肥的效果，這對于自動(dòng)化大面積管理非常有利，還能實(shí)現(xiàn)均勻化的灌溉與施肥，促進(jìn)作物長勢一致。 實(shí)現(xiàn)單株植物獨(dú)立灌溉，并經(jīng)過人為措施對灌溉進(jìn)行調(diào)控與施肥，對作物產(chǎn)期以及上市時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，很多作物種植都比較適用。

構(gòu)建一套滴灌系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮地形地貌、田塊、單元以及土壤質(zhì)地和采用的種植方式，并對水源特點(diǎn)充分考慮，對管道系統(tǒng)埋深以及灌溉區(qū)域面積和管道長度等進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用水肥一體化灌溉，可以運(yùn)用管道進(jìn)行噴灌、灌溉，也可進(jìn)行加壓滴灌、滲灌等，但忌大水漫灌，這樣容易引發(fā)氮素散失，還會(huì)使水分利用率下降。

2 水肥一體化灌溉設(shè)備現(xiàn)狀

筆者通過相應(yīng)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在水肥一體化灌溉設(shè)備中，目前多應(yīng)用IS 型泵以及旋渦泵、自吸離心泵和潛水泵作為動(dòng)力設(shè)備，然而普遍存在的問題是灌溉設(shè)備效率較低，而且應(yīng)用的工況比較狹窄，存在較大體積的動(dòng)力基礎(chǔ)，吸肥用閥門無法穩(wěn)定調(diào)節(jié)。 IS 泵屬于分離式配套系統(tǒng)設(shè)備，體積相對較大而且較為笨重，還需要對底閥進(jìn)行安裝才能應(yīng)用，應(yīng)用效率大幅降低。 同時(shí)，由于自吸要求導(dǎo)致自吸離心泵存在較大結(jié)構(gòu)體積，而且效率較低。 另外因揚(yáng)程曲線陡降因素影響，旋渦泵配套系統(tǒng)設(shè)備，通常僅能應(yīng)用于流量窄小的范圍，潛水泵系統(tǒng)應(yīng)用過程當(dāng)中安全隱患較多。 通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水肥一體化灌溉施肥系統(tǒng)中應(yīng)用IS65-50-160 泵作為動(dòng)力，達(dá)到125kg 總質(zhì)量，而且應(yīng)用過程中，還需要對底閥進(jìn)行安裝，使得灌溉設(shè)備系統(tǒng)效率大幅降低，同時(shí)存在較高的揚(yáng)程[2]。

3 高效多工況水肥一體化灌溉設(shè)備

筆者結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械研究推廣站的一種新型水肥一體化灌溉系統(tǒng)設(shè)備前提下，進(jìn)行相應(yīng)的研究和探討，設(shè)計(jì)出一種適合多種工況條件下水肥一體化灌溉設(shè)備，該設(shè)備具有的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在效率非常高，可以應(yīng)用于多工況條件，并能穩(wěn)定的調(diào)節(jié)施肥，有著比較輕便的動(dòng)力設(shè)備。適宜于多工況條件下的高效水肥一體化灌溉設(shè)備，如圖1所示。

圖1 高效多工況水肥一體化灌溉設(shè)備示意圖

水流利用手壓排氣直聯(lián)式汽油機(jī)離心泵 （QG80-32型）以及旋流分離器，通過閥門與過濾器向滴管流入，或者向微噴灌支管流入，水肥裝入水肥容器中，并利用單向閥向文丘里管吸入，調(diào)節(jié)螺絲安裝在文丘里管之上，可以依照流量對應(yīng)用的肥料溶液量進(jìn)行調(diào)節(jié)，把肥液吸入量控制在相關(guān)要求水平。

適宜于多工況條件下的高效水肥一體化灌溉設(shè)備在組成方面主要有1 臺(tái)QG80-32 型泵、多個(gè)閥門、兩個(gè)壓力表、兩個(gè)過濾器、20mm 直徑的滴灌帶、若干個(gè)微噴管和相關(guān)管路，可以對1.33hm2蔬菜和果樹進(jìn)行微噴和滴灌。 如果果樹和蔬菜種植專業(yè)合作社在10hm2的種植面積，配置一套適合多工況條件下的水肥一體化灌溉設(shè)備，便能達(dá)到輪灌效果[3]。

動(dòng)力機(jī)選擇應(yīng)用手壓排氣直聯(lián)式汽油機(jī)離心泵（QG80-32 型），設(shè)計(jì)大流量的高效葉輪系，將手壓式排氣裝置設(shè)置在泵進(jìn)口直管部位上，這一灌溉設(shè)備具有非常大的流量，具有平坦的揚(yáng)程曲線和較高的效率，具有較大范圍的流量應(yīng)用，吸肥裝置運(yùn)用螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保吸肥量的穩(wěn)定性，使其更加適合水肥一體化微噴灌與滴灌。

手壓排氣直聯(lián)式汽油機(jī)離心泵（QG80-32 型），轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為3 600 r/min，結(jié)構(gòu)體積相對較小，而且具有相對較輕的重量，機(jī)組具有高效率的特點(diǎn)。在滴管過程中，過濾器的應(yīng)用是最為重要的設(shè)備，特別是水源當(dāng)中存在較多泥沙時(shí)，需要將砂石過濾器安裝在泵進(jìn)水前面，并將碟片式120目過濾器安裝在吸肥裝置后面，對肥料殘?jiān)M(jìn)行過濾。

4 動(dòng)力機(jī)組對比

性能參數(shù)對比如表1 所示。

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5 節(jié)能節(jié)資計(jì)算

5.1 節(jié)能計(jì)算

單級單吸離心泵（IS65-50-160 型）達(dá)到66%的效率水平以及3.31 kW 軸功率，手壓排氣直聯(lián)式汽油機(jī)離心泵（QG80-32 型） 達(dá)到 72%的效率水平以及 3.71 kW 軸功率，每小時(shí)中單個(gè)灌溉設(shè)備能夠達(dá)到0.40 kW 節(jié)能效果。以一年中持續(xù)性的灌溉80 天為例進(jìn)行計(jì)算，可以達(dá)到768kW·h 的節(jié)能作用，僅僅依照100 套進(jìn)行相應(yīng)估算，一年當(dāng)中，可以達(dá)到7.68 萬kW·h 的節(jié)電水平，具有十分明顯的節(jié)電效益，而且社會(huì)效益也十分突出。 在應(yīng)用IS65-50-160 型泵過程當(dāng)中需要對底閥進(jìn)行安裝，這會(huì)使灌溉設(shè)備系統(tǒng)效率得到大幅降低[4]。

5.2 節(jié)資計(jì)算

應(yīng)用IS65-50-160 型泵動(dòng)力機(jī)需要4 000 元左右，而選擇應(yīng)用QG80-32 型泵動(dòng)力機(jī)則需要2 800 元左右，二者之間有著1 200 元的差價(jià)，根據(jù)100 套進(jìn)行估算，能夠減少12 萬元左右的投資。

6 應(yīng)用前景和效益

設(shè)計(jì)的水肥一體化灌溉設(shè)備，不僅高效，而且適宜于多工況條件，效率非常高，能夠更加穩(wěn)定地調(diào)節(jié)施肥，動(dòng)力機(jī)相對輕便，在果樹種植以及蔬菜種植合作社推廣應(yīng)用這種水肥一體化灌溉設(shè)備具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 同時(shí)，在海拔600m 以上缺水少電區(qū)域果樹種植過程當(dāng)中推廣應(yīng)用這套水肥一體化灌溉設(shè)備，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。