地表下水肥一体化系统优化设计

于珍珍，汪 春,2，李嘉熙，刘少东，王宏轩

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163000;2.中国热带农业科学院 南亚热带作物研究所，广州 湛江 524000)

0 引言

我国是一个水资源严重短缺的国家，用水量巨大，人均水资源占有量排在世界第109位，约为世界平均的1/3[1-2]。其中，重要的用水途径就是农业灌溉用水，但由于我国水资源总量不足，使得农业用水面临困境[3]。我国近几年旱灾频繁，再加上时空降水分布不均、对水资源进行粗放式管理、灌溉方式比较落后及节水灌溉技术没有进行大面积推广应用，用水形势堪忧。我国是世界上最大的化肥生产国和消费国，2008年化肥消费量已达4 000万t多[4]。据推测，目前我国化肥的利用率只有25%～30% ,化肥农药的不合理使用会导致作物吸收的少，剩余的化肥由于没有被作物充分吸收会随水流或其它方式流失，进而会造成海洋与河流湖泊中氮、磷等含量超标，甚至会出现水体富营养化现象。过度施用肥料不仅会增加生产成本，还会造成农业资源的浪费，同时使土壤理化性变差，导致次土壤次盐渍化和酸化、设施内出现连作障碍、土传病害等问题，造成植株生长不良，产量和品质下降[5]，严重威胁农业的可持续发展。

国外农业发达国家，如有美国、荷兰、以色列和加拿大等，以以色列与荷兰为首最早开始进行研究节水灌溉技术。以色列和荷兰在发展农业过程中都受到共同的制约因素：人均耕地面积少，农业资源匮乏且年平均降水量小于200mm。以色列在淡水资源及其匮乏的条件下，采用新技术，以最少的水量投入获得最大的经济效益，近几年来重点研究精准灌溉施肥一体化技术，并将农业网工程与信息技术、人工智能决策联系在一起，在农业生产中逐步实现水肥一体化自动调控技术，以达到科学合理精确的施用肥料。相比于国外发达国家，我国灌溉施肥技术起步较晚。从20世纪90年代开始，我国开始逐步重视灌溉施肥一体化技术的研究与应用，并通过引进国外先进技术，开始逐步自主创新出一些适合于我国农业形势的一些灌溉施肥设备。

水肥一体化技术将灌溉与施肥融为一体，同步进行[6]，在灌溉的同时将肥料与灌溉水融和，借助系统的滴灌网，将肥料随毛管水流送达作物根部。其可以根据作物生长过程中对水分和养分的需求，提供作物适量的水分和养分，保证作物在吸收水分的同时吸收养分，目前被公认为是世界上水、肥利用效率最佳的技术[7]。

地表下灌溉改变了传统地表设管的灌溉方式，是将全部滴灌管道和灌水器埋入地表下面的一种灌水方式，能克服地面毛管易老化的缺陷[8]，防止毛管损坏或者丢失，同时方便田间作业。其在灌溉过程中，全部由管道输水很少有沿程渗漏和蒸发，为了保证可以适时适量地为作物根区供水供肥，自动调节灌水速度，达到增产增收的目的[9]。为此，设计出一种压力管道输水，不用要求地面的平整度，在灌水器前加入过滤装置，对水质中的泥沙、有机物或是微生物进行沉淀和化学处理[10]，避免管道堵塞引起系统无法正常工作，且加入自动检测系统，采用定时器进行灌溉控制到自动检测土壤水分信息和肥料信息，提高了灌溉施肥自动化水平[11]。

1 总体设计与工作原理

滴灌是利用安装在管道末端的毛管作为滴灌带，将压力水以水滴的形式湿润作物根部周围土壤的灌溉方式。传统灌溉方式是将毛管放在地表上，称为地表滴灌；本研究将毛管埋入地面以下，称为地表下滴灌。

地表下水肥一体化系统由水源、首部枢纽、控制系统、输配水管网及流量、压力控制部件和水量检测仪等组成，如图1所示。

图1 主要设备连接示意图Fig.1 Main equipment connection diagram

2 主要工作部件的优化设计

2.1 过滤装置的设计

根据生产需要，多采用井水作为作物提供灌溉用水，但由于出现浑浊，无法直接使用。过滤分为三级过滤，即初级过滤、物理过滤和化学过滤[12]。初级过滤一般采用砂石过滤，主要是针对一些大体积杂物、枯枝残叶、杂草和其他较大的漂浮物等，以防止杂物进入管道。初级过滤采用传统的过滤方法即可，一般多使用筛网，构造简单，可以根据水源实际情况自行设计制作。本研究针对二级过滤，即物理过滤进行创新设计。

经过调研，拟采用一种高效微沙叠片式过滤器(见图2)，采用大量很薄的圆形叠片重叠起来，成为一个类似于圆柱形的过滤中心；叠片紧密压实叠加在一起，上下两层叠片之间的沟槽起到过滤拦截的作用，如图3所示。该装置在很大程度上可以代替砂滤器和传统的机械过滤装置，其性能优越、水电耗远低于其他产品[13]。试验研究表明，该过滤器的过滤能力可以达到40～400目之间，出水浑浊度低于10度，大大提高了农业生产用水的安全度，完全满足农业灌水的质量要求。

1.进水口 2. 排气口 3.阀盖 4.集砂器图2 高效微沙叠片式过滤器Fig.2 High-efficient micro-sand laminated filter

2.2 施肥机的结构设计及性能优化

施肥机主要作用是将肥料随同灌溉水进入田间[14]，是水肥一体化技术的关键部分。在水肥一体化技术中常用到的施肥机主要设备选型包括旁通施肥罐、文丘里施肥机、重力自压施肥机、泵吸肥机及泵注肥机等。其中，文丘里施肥机以结构简单、水头损失较小得以广泛使用[15]。

图3 叠片式过滤芯Fig.3 Stacked filter

文丘里施肥机主要由阀门、文丘里管、三通及弯头等几个部分连接而成，原理是由于水流运动时流速不同从而产生压力差，利用压力差将液体肥料压入输水管网中的一种施肥装置。水流通过一个由大渐小的管道时(文丘里管喉部)，水流经狭窄部分时流速加大、压力下降，使前后形成压力差；当管径变小时，形成负压，将肥料溶液从一敞口肥料罐通过小管径吸取上来。文丘里施肥机就是根据这一原理制作而成，如图4所示。

2.2.1 采用水溶肥代替传统固体肥料

传统灌溉施肥条件下使用的是固体肥料或液体肥料， 固体肥料与灌溉用水无法彻底溶解， 容易引发滴头堵塞等问题； 液体肥料品种少， 价格高， 且运输不便，所以在生产中很少使用到。受无土栽培的启示，提出使用水溶性专用固体肥料，简单说就是一种可以完全溶于水的多元复合肥料，更容易被作物吸收。大量试验研究表明：使用水溶性肥料遵循少量多次与薄肥勤施的原则，可以避免水肥浪费，在进行施肥时要先滴清水，等管道中的水分充满以后再进行施肥，且施肥后立刻用清水冲0.5h左右，有助于排出管道中残留的肥液。

图4 文丘里管施肥机示意图Fig.4 Venturi tube applicator schematic

在实际农业操作中，多数会采用几种肥料同时混合使用，但在混合使用过程中搭配不当会引起沉淀，在使用混合肥料前不仅要考虑肥料的酸碱度，还要考虑肥料间的相互作用。在运输储存过程中要进行分别储存，通过试验总结，制出肥料混合表，如图5所示。在农业生产中可以按照此表进行混合施肥，提高生产效率。

图5 肥料混合表Fig.5 Fertilizer mixTable

2.2.2 文丘里管结构优化设计

文丘里施肥机的主要参数：①进口处工作压力p进。②压差。p进-p出=压差，常被表达成进口压力的百分比，只有当压差降到一定值时，才开始抽吸。③抽吸量。指单位时间里抽吸液体肥料的体积，单位为L/h。④流量。指流过施肥机本身的水流量，进口压力和喉部尺寸影响着施肥机的流量。

文丘里管施肥机采用抗腐蚀材料制作(现在绝大部分是采用塑料制作)，在工作时必须依靠过量的压力来保证必要的压力损耗。为了保证养分浓度的均匀性，必须保证文丘里管入口处压力稳定，拟采用安装控制阀门和调节器来调整[16]。传统的文丘里管与主管道串联安装，改进后的管路将文丘里管作为主管的旁通件进行并联安装，且采用两段式文丘里管道结构，可以保证吸肥时的水管损耗降低12%～15%[17]，结构简单，通用性强，可以进行广泛推广应用。改进后的两段式文丘里管相应的存在流量降低的缺点，结构如图6所示。

1.节制阀 2.压力表 3.大文丘里 4.小文丘里图6 两段式文丘里管施肥机Fig.6 Potato planter structure

2.3 自动控制系统设计的实现

改善灌溉施肥效果、提高灌溉施肥效率是本研究的重要内容之一。本研究的精准定量灌溉施肥自动监控系统，主要包括大气环境信息监测系统与智能灌溉施肥系统两个子系统。两个子系统之间通过无线传感器进行连接， 可进行远程监控且可以进行数据同步，进而对整个系统、作物生长及环境信息进行实时监测。地表下水肥一体化自动检测系统如图7所示。

3 水肥一体化技术研究在应用中存在的问题

太阳辐射水肥一体化技术是现代农业技术符合当今世界对水资源和资源环保的战略取向，也是我国农业可持续发展的重要支撑技术之一。水肥一体化技术是资源节约型技术，应是我国未来农业灌溉和施肥技术的重要发展方向。近年来，我国在水肥一体化技术的研究与推广示范上取得了显著的效果，但是还存在很多问题，主要有以下两个方面：

1)在水肥一体化设施中设备的配套性差，容易导致在农业生产过程中不稳定，且缺乏配套的水溶肥[18]。我国对于液态肥料的研究还处于起步阶段，灌溉肥料仍以固体肥料为主，无法与灌溉水完全溶合；

2)由于农民收入普遍偏低，且认识不到位，人们只追求眼前利益，没有考虑到水资源匮乏将对生态环境及社会发展造成的严重影响。此外，水肥一体化设备设施投入成本较高，在灌溉用水中电费所占比例较大，水资源本身价格偏低，如果没有政府在政策及资金上进行扶持，很难进行大面积的推广应用。

1.电磁阀 2.土壤湿度传感器图7 水肥一体化自动检测系统Fig.7 Water and fertilizer integration automatic detection system

4 结论

1)滴灌技术是现代化农业建设的主要支撑技术之一，是一种广泛普及的节水技术，适宜使用滴灌的作物种类也很广泛[19]，其不仅可以大幅度节省农业用水、显著提高作物的产量，而且还可以提高耕地的利用效率和劳动生产率，减少农药化肥使用量，降低农田和食品的污染源，达到改善生态环境、减少环境污染的目的。

2)本研究针对滴灌过程中存在的问题进行了试验研究，提出了地表下水肥一体化滴灌技术，并且针对水肥一体化设备中存在的问题进行调研，进而进行改进创新，在结构设计及性能方面都进行了优化设计，且通过互联网+农业信息技术对滴灌系统进行自动调节控制[20]。通过控制灌水量，根据作物需要适时、适量地进行精量灌溉，一方面可以达到提高用水效率提高农作物产量和品质的目的，另一方面还可以节省劳动力，免去田间监测的重复劳动。