大田水肥一體化自動管渠灌溉系統設計

王翠芹

（水發建設有限責任公司，山東 濟南 250100）

水是生命之源，是農業生產的必要條件，而肥料又作為農產品增產提質的有效手段，其在中國農業中具有重要的地位。我國地面灌溉多采用畦灌和溝灌，在灌溉過程中，畦首或溝首常引發深層滲漏、浪費水肥資源，進而導致畦尾和溝尾灌溉水分不充足、灌溉水利用率低等；同時，我國群眾常依據自己的經驗施肥，存在著盲目施肥、過量施肥等現象，既形成大量的肥料浪費、作物產量降低，又造成環境污染等問題。

近年來，相關學者通過研制水肥一體化裝置來實現水肥的高效利用。李加念等[1]研制了一種以干電池供電的水肥一體化滴灌定時控制裝置，1 節9 V 電池預計可供電1 年以上，適用于中小型灌區；王雅芳[2]設計出一種全自動水肥一體化系統，通過結合黃沙基質栽培技術，將其成功應用在番茄、辣椒等果蔬作物中，起到節約水肥的目的；郝夢超[3]設計了一種基于PLC 控制的全自動水肥一體化裝置，實現了水肥定時定量供給和實時監測土壤EC 值，提高了土壤數據采集效率，達到精準灌溉施肥的目的；王杰等[4]設計了一種適用于溫室大棚的智能水肥一體化裝置，采用STM32 單片機和手機APP 智能控制進水口和進肥口的閥門開度，實現精準控制水肥比。

現階段，大多數水肥一體化裝置在大田中適應性較差。為此，本文設計了一種以管道內灌溉水為動力的大田水肥一體化自動管渠灌溉系統，可以很好地用于大田中。本裝置設計原理獨特，解決了地面灌溉不均勻，水肥浪費等問題，在理論、技術和使用性能等方面，均有質的飛躍，很大程度上提高了我國灌溉水和肥藥利用率、地面灌溉和施肥的均勻度，進而節約水資源和肥藥用量，提高作物產量和品質。

1 裝置設計

1.1 裝置組成

如圖1 所示，這種以管道內灌溉水為動力的大田水肥一體化自動管渠灌溉系統，由田間管渠系統、水動力系統和藥肥系統三部分組成。

圖1 大田水肥一體化自動管渠灌溉系統設計圖

1）田間管渠系統主要由供水管、管渠、牽引繩、滑輪、塞閥和閘閥等部件組成。滑輪可通過滑輪軸固定在滑輪座上，滑輪座安裝在相鄰的兩條管渠首部和尾部兩端的地面上；牽引繩為環套在四個滑輪上的細繩并與動力輸出軸相連，動力輸出軸可帶動牽引繩繞滑輪移動；塞閥呈圓形或橢圓形，安裝在管渠內與牽引繩相連，即在牽引繩作用下，塞閥可在管渠內移動，且塞閥與管渠臂接觸較好可阻止管渠內的水通過塞閥與管臂的間隙流至塞閥下游；管渠的橫斷面為圓弧槽狀，與塞閥斷面形狀大小相同，以保證塞閥在管渠內移動，管渠可作為農田的“田埂”，利用相鄰的兩條管渠形成“畦田”，可在作物播種后，需要灌溉時將管渠放置在田間，后可一直留在田間，也可以移動到其它地塊作為田埂重復使用。

2）水動力系統由渦輪裝置、變速箱和動力輸出軸等部件構成。變速箱可采用齒輪變速箱的形式，齒輪變速箱的傳動比根據灌溉制度與畦田規格、灌水定額與流量、輸水管壓力等參數計算得到。變速箱一端與渦輪機的傳動軸相連接，另一端與動力輸出軸相連接，動力輸出軸的轉速通過變速箱調節，進而使塞閥的移動速度與灌水量相匹配。

3）藥肥系統包括藥肥罐、藥肥管道和藥肥管道閘閥。藥肥罐是用于放置藥液或肥液的罐子，其中的藥液或肥液是按一定比例由人工方式配而成的；藥肥罐底部連接一條藥肥管道，藥肥管道上設有閘閥，用以調控藥液、肥液的流量；藥肥管道直接與供水管相連，可使藥肥系統更加簡化，能將藥液或肥液直接注入供水管中，藥液或肥液隨灌溉水一起流入管渠，伴隨灌溉的同時完成了施肥、放藥的任務，節省了勞動力，提高了施肥、施藥的均勻性。

1.2 裝置原理

當系統運作時，首先按照圖1 的方式將裝置布置好，其中管渠數量視實際灌溉面積而定。為提高土地利用率，擴大種植面積，方便耕作，用管渠代替田埂，可在播種完成后提前將管渠鋪蓋在農田中；水流經給水栓進入供水管時，使水流沖擊渦輪裝置產生轉動；后經過齒輪變速裝置時，攜帶產生動力輸出軸的轉動。因塞閥與牽引繩相連，使得閘閥可在管渠內運移，同時牽引繩又與動力輸出裝置相連，其在動力輸出裝置的作用下繞固定在地面上的滑輪運移；因為農田沿種植方向均有坡度，即管渠也設計成相應坡度；供水管安置在農田較高的一端，灌溉水經供水管流入管渠，之后在重力作用下沿種植方向流向管渠末端，當水流遇上塞閥時，水流經塞閥的阻擋溢出管渠流向農田。為了縮減牽引塞閥產生的阻力，提高灌水效率，可安裝兩條管渠同時進行灌溉工作，即一個塞閥從管渠首部開始工作，另一個塞閥從管渠末端開始工作，兩個塞閥同時受反向水壓力，從而抵消了水流對塞閥的水壓力，塞閥移動時，只要克服塞閥與管臂之間的摩擦力就可以工作，這樣，就可以減輕對動力輸出裝置輸出能量的要求。管渠能均勻、準確地控制各點的灌溉水量，實現自動、準確灌溉。同時，在供水管上設置藥肥系統，肥液、藥液跟隨灌溉用水一起從供水管流入至管渠，此時塞閥從管渠一端移動，逐漸移至另一端，農田各處便能得到相同的水量與藥液，從而實現水肥一體均勻化灌溉。

在灌溉過程中，為了實現灌溉工作連續進行，可以提前在下一灌溉組中布設好牽引繩和滑輪，當上一灌溉組灌溉工作完成后，將動力輸出裝置移到下一灌溉組，并與牽引繩連接，形成一個新一輪的大田水肥一體化自動管渠灌溉系統，繼而自動完成本灌溉組的灌溉工作。

2 系統特點

1） 本灌溉裝置以管道中的灌溉用水作為動力源。水動力系統不需采用電動機、內燃機等作為外加動力，從而節省能源，可以更方便地進行野外大田灌溉。

2）灌溉時不需要人為參與，可進行大田自動化灌溉，實現了大田作物的準確定量灌溉，降低了勞動強度，減免了人工灌溉造成的影響。

3）以管渠代替了大田中設有的田硬，可省去部分田埂占地，且利用管渠輸送灌溉用水，增大了灌溉面積，解決了目前大田灌溉主要依靠地面灌溉的關鍵問題，從而提高了灌水質量，并節省了灌溉水量。

4）利用藥肥系統，實現了灌溉、施肥的一體化運作，提高了施肥（藥）的均勻度及準確性。由于動力裝置輸出轉速穩定，塞閥在渠槽各處的移動速度相等，使得供入田間各處的水量、藥肥（藥）量不變，進而實現了各處灌水、施肥、施藥的均勻性和準確性，更有利于作物生長，提高作物的產量和品質。

3 結論

本文針對傳統地面灌溉方式的不足，提出了一種以灌溉水為動力的大田水肥一體化自動管渠灌溉系統。該系統能滿足我國廣大灌區的需要，可以準確地控制各種水肥參數，提高水肥質量，使灌水和施肥更加均勻。同時，又能充分利用灌溉水源，以灌溉水為動力，實現水肥一體化自動灌溉，大大降低了人的勞動強度。其次，該系統能夠緩解我國水資源緊缺的現狀，減少了肥料浪費等嚴重現象的發生，是一種非常適合我國節水灌溉技術的自動灌溉系統，