节水灌溉水肥一体化微喷灌系统设计及模拟分析

王义慈

传统漫灌手段用水量较大，且很多水资源在输送过程中渗漏，造成较大水资源浪费，因此滴灌、喷灌、微喷灌等节水灌溉技术在我国广大农村被积极推广。水肥一体化微喷灌系统的可通过控制管道系统将化肥和灌溉水充分融合后同时输送至农作物，达到节水、灌溉施肥均匀等效果[1]，其中微喷灌因价格便宜、水压低、一次性灌溉面积大、安装方便等特点被最为广泛使用。但再使用过程中，水肥一体化微喷灌系统没有充分结合农田的输配水管网，会造成应用效果不佳，因此有必要进行模拟分析。

1 工程概况

江西南昌自改革开放以来其辖区内的灌溉事业得到了长足发展，但受制于当时建设技术限制，灌溉工程普遍设计标准低、工程质量不高，且管理混乱，农民灌溉用水支出较多，使灌溉效益锐减。对此，当地政府以南昌县辖区内的27.58万亩农田作为改革试点，大力建设水肥一体化微喷灌溉系统，灌溉水有效利用系数由0.5提高到0.55，节约用水约10%。

2 水肥一体化微喷灌系统设计

2.1 水肥一体化微喷灌系统基本结构

水肥一体化微喷灌溉系统包括：首部和喷灌两大部分，其中首部系统包括动力源、主管、观测及调控设备；喷灌系统包括干管、支管，共同构成“水、肥溶液→水泵→主管→干管→支管”系统，结构示意图见图1[2]。

图1 水肥一体化微喷灌系统结构图

在农田灌溉时首先将水源抽至主管和母液罐，在母液罐中配置好肥料溶液后再由水泵抽至主管与水混合后输送至喷灌装置，可根据地块面积控制肥料用量[3]。

2.2 系统主要组成部件设计

南昌县计划所应用的肥水一体化微喷灌系统主要技术参数见表1，该系统体积和重量均较小，可放置于农用三轮车上进行实时移动[4]。

表1 肥水一体化微喷灌系统主要技术参数

2.2.1 微喷带布置

微喷带布置见图2，将若干微喷带设置为一组，每组干管处设置一控制开关；或者是每条微喷带头部布置一个开关，这样便能单独控制。将装置布置于地势较高侧，可有效降低系统能耗[5]。

图2 微喷带布置示意图

2.2.2 水泵设计

水泵流量和压力是设计重点，依据灌水定额m确定，采用下式计算[6]：

式中：γ土、γ水为土壤和水的容重，分别取值 1.45、1.0 g/cm3；h 为计划湿润土层深度，稻谷取值40 cm；p为设计土壤湿润比，取100%；β1、β2为最佳田间持水率上、下限，取值 90%、60%；η 为灌溉水利用系数，0.9。

经计算得m=58 mm，换算为灌水定额为36 m3/亩。根据每组平均灌溉面积1000 m2计算，每组灌水量为58 m3，设计灌溉时间为1 h，因此水泵流量需要约为60 m3/h，压力不低于0.68 MPa。

2.2.3 过滤方案

由于水源中可能含有泥沙、杂草、生活垃圾等杂质，必须对其进行过滤后才能进入灌溉系统，否则会堵塞管道。根据过滤器规格不同可分为两种过滤方案。

方案一：粗过滤

粗过滤设计在进水管处，将进水管首段约1.0 m段上均匀钻孔，孔距设计为3～5 cm，孔径为进水管管径的一半，之后利用规格为50目过滤网将该段进水管紧紧包裹（见图3）。

图3 粗过滤进水管设计

方案二：精过滤

结合价格、安装难度、清洗等因素，精过滤方案主要依靠筛网式过滤器完成，表2给出了目前市场上主要的滤网规格及适应的土壤类别。结合本项目区土质条件，应选择滤网规格为120目。

表2 滤网规格及适应条件

3 水肥一体化微喷灌系统喷水性能仿真模拟

在水肥一体化微喷灌系统中，微喷带的喷水性能直接决定了灌溉质量，其中最重要的为喷水均匀性，而影响均匀性的参数包括管径、孔径、组合、布放坡度等。在此利用AMESim软件对系统进行模拟，给优化设计提供参考依据。

3.1 模拟模型建立

根据实地调查，南昌县农田实际铺设微喷带均不大于80 m，结合管道长度及压力损失，适合作为微灌带规格型号见表3。

表3 适用微喷带规格

微喷带沿程压力变化是影响其喷水均匀程度的最重要指标，利用AMESim软件模拟单条微喷带的压力分布及变化，其中N45喷孔分布见图4。建立模型长80 m，共分布2000个喷孔。

图4 N45微喷带喷孔分布示意图

3.2 不同参数对喷水性能影响分析

3.2.1 不同管径对喷水性能影响

选择等孔径（1.2 mm）和等长度（80 m）的 N45、N50、N63型号微喷带，对其喷孔处压力变化进行模拟，结果曲线见图5。

由图中可知：1）随着输水距离增加，喷孔压力会逐步降低，且管径越小，孔口压力下降速度越快；2）N45型微喷带喷孔最低压力值为1.0bar，N63型为1.18bar，从喷灌均匀度分析N63更好，但N45也基本满足使用要求；3）管径越大，所需总压力越大，运行成本越高，因此N45经济性最好。结合实用性和经济性两方面，最终确定N45型微喷带最适合南昌县地区农田使用。

图5 不同管径微喷带喷孔压力变化曲线

3.2.2 不同孔径对喷水性能影响

以N45型微喷带为模拟对象，对不同孔径（分别为0.5 mm、0.9 mm、1.2 mm）喷孔进行分析，其喷孔变化规律模拟曲线图6。

由图中可知：1）随着输水距离增加，喷孔压力会逐步降低，且孔径越大，孔口压力下降速度越快；2）0.5 mm孔径微喷带喷孔最低压力值为1.1 bar，1.2 mm为1.0 bar，从喷灌均匀度分析0.5 mm更好；3）0.5 mm孔径微喷带对总压力需求比其他两种低，因此运行费用也最低。综合考虑，N45型0.5 mm孔径微喷带最适合南昌县地区农田使用。

图6 不同孔径微喷带喷孔压力变化曲线

3.2.3 不同布放坡度对喷水性能影响

农田不可避免存在坡度，这会影响微喷带压力，一般认为当坡度超过30°时，已不适合作农田使用。为研究坡度对喷灌带孔口压力变化影响，在此模拟将出水口逐步抬升，模拟结果见图7。

由图7可知：1）随着首末两端高度差增加，首端孔口压力逐渐降低，末端压力逐渐升高；2）当高度差小于18 m时（换算为坡度约 12°），首末两端压力接近相等，约1.5 bar，此时喷水均匀度最好。由此可知布置微喷带时，尽量使其角度靠近12°，若喷孔不均问题严重，可人工适当挖沟槽调节。

图7 首末两端高差造成的喷孔压力差

4 结语

水肥一体化微喷灌技术即达到了节水灌溉目的，又能很好地解决地浇水和施肥问题，大大减轻了农业种植劳动强度。经过试验，该技术完全适合南昌县辖区的农田灌溉，可以在整个南昌市地区推广。经估算，其用水量仅为传统漫灌的50%左右，综合成本降低20%，灌溉质量明显提高，综合效益较好。

[1]臧小平,王作龙,王甲水,葛宇,周兆禧,马伏宁,林兴娥,马蔚红.莲雾水肥一体化微喷灌技术与应用[J].中国南方果树,2017,46(04):156-159.

[2]王凯.大田水肥一体化微喷灌系统优化与试验研究[D].山东农业大学,2017.

[3]李扬,郝明,王凯,苑进.基于AMESim的大田水肥一体化微喷灌系统建模与试验研究[J].中国农机化学报,2017,38(06):53-60.

[4]崔吉晓,檀海斌,吴佳迪,刘占卯,隋鹏,闫鹏,沈亚文,陈源泉.微喷灌水肥一体化对河北夏玉米生长及产量的影响[J].玉米科学,2017,25(03):105-110.

[5]高祥照,杜森,钟永红,吴勇,张赓.水肥一体化发展现状与展望[J].中国农业信息,2015(04):14-19+63.

[6]左英勇.果园采用的滴灌与微喷灌系统性能对比[J].节水灌溉,2001(04):40-41.