小型农田浸润灌溉系统的研究与设计

黄裕扬　张智雄　郑涛

摘 要：我国农业灌溉水资源浪费严重，设计小型农田浸润灌溉系统可对干旱地区半干旱地区农业灌溉带来创新与改进，并节约水资源，该系統主要由浸润系统、电源、信号控制系统组成。

关键词：农田；灌溉系统；设计

1 研究背景及目的

1.1 研究背景

中国是农业大国，农业设施发展的很快，能为人们提供大量的蔬菜水果等等，但绝大多数采用的农业灌溉方式为喷灌、滴灌，漫灌。如畦灌，水的利用率仅为40%。中国农业灌溉年用水量约4000亿m3，占全国总用水量的80%左右，只能占到世界农业总用水量的17%。其中占 农业用水量的 90%～95%是农田灌溉用水，农业灌溉每年平均缺水300多亿m3。然而，由于中国水资源不足，且浪费现象十分严重，致使农田灌溉利用率仅为43%，1.0kg·m-3左右，远低于发达国家2.0 kg·m-3以上的水平。[1]就中国微灌面积仅占灌溉面积而言仅有0.5%左右。据估计，美国地下滴灌面积已达15.607万hm2，分别占微灌面积和灌溉总面积的 5%和 0.6%。[2]但是随着这些技术的应用，也增加了不少问题。比如地下滴灌过程中范围控制，过程控制等，这都是值得探究的问题。

1.2 研究目的

本项目主要针对现今西南山区土壤贫瘠化农业灌溉技术中存在的弊端，如水资源浪费，作物不均匀灌溉等提出新型渗透灌溉系统的设计。地下渗透灌溉技术是新型高效用水灌溉技术，它比普通土渠减少60%～90%的输水损失，更大程度上节约了水资源，重要的是该制作利用了加压反渗透作用，将富水土壤中的水分吸收，待到土壤缺水时析出水分。本项目有效结合这些方式，研发一种在西南地区干旱条件下利用非饱和带地下水运移的原理在地下进行渗透灌溉的节水灌溉系统运用于农业生产，可对干旱地区半干旱地区农业灌溉带来创新与改进，以提高农业灌溉效率和节约水资源。

2 设计方案

本项目研发的小型农田浸润灌溉系统，主要由浸润系统（浸润集水系统、灌溉系统）、电源、信号控制系统；两大系统组成。

2.1 控制系统

控制系统由一个土壤温湿度探测器（DHT11）、和控制芯片、和濡流水泵（kamoer）组成：首先通过土壤湿度探测器（dht11传感器）测出土壤湿度数据，将数据反馈到控制器，控制器进行判断，若湿度小于当地种植于该土壤中的植物所需湿度（当地的土壤含水率），则发出一个信号，到变频恒压供水控制器，使其固定一个水压使水泵放水，从而浸润棒缓慢向土壤渗水。反之，若湿度大于当地种植于该土壤中的植物所需湿度，则反馈到控制器，控制器发信号到另外一条线路上的水泵，控制其开关，使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此装置适用于干旱半干旱地区，有效的为植物提供水分也同时为土壤固定了部分水分，实现了水资源的有效利用。

2.2 浸润灌溉系统

浸润灌溉系统主要由浸润棒、高分子半透膜、濡流水泵及一些管材组成，通过控制系统的信号输入，控制水分的浸润灌溉或者是反向吸水至水分的固定。

3 理论设计计算

由法国水力学家 H.-P.-G.达西提出了关于水渗透的达西公式，即Q=KFh/L。式中Q为单位时间渗流量，F为过水断面，h为总水头损失，L为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗透系数。关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积，即Q=Fv。或，据此，达西定律也可以用另一种形式表达v=KI。[3]同时，根据土壤湿度探测器可知：该系统浸润灌溉范围为11%-72%。

4 工作原理及性能分析

首先通过土壤湿度探测仪测出土壤湿度数据，将数据反馈到控制器，控制器进行判断，若湿度小于当地种植于该土壤中的植物所需湿度，则发出一个信号，到濡流水泵，使水泵放水，从而浸润棒缓慢向土壤渗水。反之，若湿度大于当地种植于该土壤中的植物所需湿度，则反馈到控制器，控制器发出信号到濡流水泵，控制其开关，使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此装置适用于干旱半干旱地区，有效的为植物提供水分也同时为土壤固定了部分水分，实现了水资源的有效利用。完成制作后，作品实物外形照片如图3。

5 创新点和应用

现今农业灌溉技术如喷灌、滴灌等，灌溉效率低，用水量大。本项目研发的渗透灌溉系统创新之处在于即可以缓慢向土壤供水，也可在土壤富水时向装置补水，同时与土壤湿度保持联系，通过调控水泵，调节对土壤供水量。可运用于农作物灌溉，围绕渗透棒最佳渗透范围种植作物，节约大量的水资源，使农作物种植更加合理化。

参考文献

[1]高学梅.中国农业节水灌溉现状、发展趋势及存在问题[J].天津农业科学，2012，18（1）：54-56.

[2]石培泽，马金珠.干旱区节水灌溉理论与实践：武威市农业灌溉综合节水科学试验[M].兰州：兰州大学出版社，2004.

[3]郑健，等.局部控制地下浸润灌溉土壤入渗特性研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2007（3）：228-232.

作者简介：黄裕扬（1993，6-）， 男，四川自贡人，环境与土木工程学院，地下水科学与工程专业，本科在读。指导教师：杨艳娜。