一種智能反沖洗過濾滴灌水肥一體化裝置

唐凡 葉頌 甘雨康

1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都

2.四川省水利水電勘測設計研究院，四川成都

3.自貢市自流井區水務局，四川自貢

1 研究背景及意義

水肥一體化技術將灌溉水與肥料有效融合，采用滴灌等節水灌溉方式，準確高效地將水肥輸送到田間或作物根系部，能顯著節水節肥，提升產量和品質，降低勞動力使用成本[1]。但由于肥料的結晶或者結塊，加上水中的泥沙沉積在管道中，容易造成滴頭堵塞，影響灌溉，因而過濾器對于滴灌工程來說至關重要[2]。疊片過濾器是滴灌工程中常用的一種過濾器，其過濾效果好，運行成本低，性能可靠，安裝便捷，不足之處在于清洗困難，且需要頻繁地人為清洗，清洗時往往還需要停止灌溉[3]。

為此，我國研發設計出了一些自動反沖洗過濾器[4]。相較于已有的自動反沖洗過濾器，本裝置具有以下優點：一是合理利用空間，減少土地資源利用，降低成本；二是形式簡單，安裝方便，可根據實際情況增添或減少疊片過濾器數量；三是對過濾器的清洗更加徹底，清洗過濾器時，加入一定溶解劑或者消毒劑，能更徹底地清除水中的有毒物質或化學沉淀，更利于作物生長；四是結合了過濾器清洗和施肥施藥功能，且清洗過濾器的過程與灌溉互不影響。

2 系統組成

該反沖洗裝置由管道、疊片過濾器、電磁閥、壓力表、控制器、電源、料液池等組成。其中，管道包括來水管、出水管和棄水管；疊片過濾器的個數不限；電源為蓄電池，如條件允許也可采用太陽能為蓄電池充電；控制器包括控制系統和傳感器等，根據傳感器感受疊片過濾器處的壓差，進而為電磁閥傳遞信號，以控制閥門開閉實現反沖洗；料液池可采用封閉或開敞形式，根據具體的水肥一體化形式而定。其具體工作流程如下。

1）正常工作狀態。正常工作狀態如圖1所示，灌溉時，從水源處通過自流或水泵提供壓力，由來水管經電磁閥進入疊片過濾器過濾再由出水管輸入田間進行灌溉，此時電磁閥關閉通往棄水管的管道；施肥前，可打開料液池前方的閥門，為料液池加入適量水，再加入水溶肥或藥進行溶解，施肥時打開閥門c，進而實現水肥一體化。

圖1 正常過濾施肥狀態

2）反沖洗狀態。反沖洗狀態如圖2所示，反沖洗狀態下，料液池中可加入少許對作物無害的洗滌劑或消毒劑。以A疊片過濾器為例，當A過濾器中疊片保留了一定量的泥沙等懸浮顆粒后，便會導致壓差增加，因此，壓力表讀數增大，一旦壓差達到預設水平，控制器將信號傳給電磁閥a，以關閉通往來水管之間的管道，打開通往棄水管的管道，同時，通過控制器控制打開閥門c，水流從閥門b經過濾器B和預先配置好的洗滌劑，從出水管一同倒灌入疊片過濾器A，由圖2可知反沖洗的水從A疊片過濾器的底部沖上來進入疊片中心，形成一種與灌溉水流相反的由內而外的水流沖擊，這會大大提高對疊片的清洗程度和效率，洗滌后的廢液從棄水管流出，以達到反沖洗過濾的目的。同理，可實現其余位置疊片過濾器的清洗。

圖2 反沖洗狀態

3 關鍵技術

與傳統滴灌過濾器或傳統反沖洗過濾器相比，該裝置設計的關鍵在于智能控制系統。智能控制系統由線路、電磁閥、控制器等組成，控制系統可根據自定義的壓差閾值來調控閥門的開閉，以實現反沖洗的智能化，其布置方便，具有使用簡單、維護簡便等優點。智能控制系統可考慮兩種實現方式，一是控制器直接發信號給反沖洗閥，調節閥門開閉，或者由控制器通過控制電流（電路）來控制電磁閥調節閥門開閉。

料液池可考慮兩種形式。一是開敞式，這種形式的優點在于可以使水肥徹底溶解，且施肥量大；缺點在于施肥時需要提供動力如水泵，或者采用特定設備如文丘里施肥器或施肥泵。二是封閉式，這種形式優點在于無需任何外部設備，靠管道自身引流施肥，缺點在于料液器體積有限，溶解不充分，施肥量較小，且多為金屬材質，存在腐蝕生銹問題，具體形式可根據實際情況，如灌溉面積、作物等具體情況而定。

可以考慮將反沖洗裝置與其他常見的過濾裝置相結合，組成組合式過濾器，如將本文的疊片過濾器與砂石過濾器組合，同樣可以設置反沖洗裝置，并且這種組合式過濾器的適用性和過濾性將大幅提高，可以滿足水源條件和占地條件更加復雜的情況。

4 結語

本文從智能反沖洗過濾式滴灌水肥一體化裝置的研究背景、系統組成、關鍵技術等方面進行了分析和闡述。該研究成果具有灌溉水利用效率高、操作及維護簡單、適用范圍廣等優點，適宜在多種工況下使用，尤其是在灌溉水源為地下水或含沙量較高的地區使用。