张树芳
(无棣县农业农村局,山东 滨州 251900)
农业高效设施栽培过程中,灌溉环节不仅劳动强度大,同时浪费时间,因此为降低农作物单位种植面积内的灌溉水量,提升农业灌溉效率,微灌技术在滴灌、渗灌等技术基础上取得创新发展并得到广泛应用。
一套完整的微灌技术设备组成中,按照水流方向依次包含水泵、主系统截流闸阀、施肥器、过滤器、主管、控制器、电磁阀、压力调节器、支管和喷头等。下面对水泵、过滤器、管道及控制器系统结构进行功能论述。
水泵是微灌技术系统中的“心脏”,主要实现对水源取水并加压,为满足灌溉水的流量,加大压力,保证取水顺畅[1]。而在实际应用过程中,由于水泵作业过程中所控制的水流量容易发生动态变化,不仅影响水泵的作业效率,同时浪费电量,因此一般情况下,选择变频式水泵系统,实现恒压供水、节约用电的目的。
过滤器主要用以阻止悬浮固体颗粒物等通过系统管道,过滤也是水质达标的基本保障,是防止微灌系统喷头堵塞的关键环节,如果喷头堵塞会加速齿轮的转动,提升喷头内腔压力,缩减系统使用寿命。过滤设备的选择应依据过滤要求、水质情况、水流量等综合考虑,选择适宜过滤设备型号。
管道是微灌系统中的输水网络,起到水流传输纽带的作用,其中PVC、PE和PP材质的管道应用较多。
控制器是微灌技术应用的“大脑”,作为电气仪表装置,可按时间顺序控制阀门的关闭与启动。更为先进的中央控制器装置可通过大数据系统、云端功能,收集气象资料、灌溉及土壤信息等,并通过自动分析,计算出需水量等参数,通过程序的自动控制,实现智能化灌溉,避免人为误差的出现[2]。
需水量主要由两部分组成,一是地表和土壤累计的蒸发水量,二是农作物自身蒸腾作用消耗的水量。导致需水量不稳定的因素也较多,如当地的气候条件、土壤地质环境、农作物种类等。因此,实地观测是确定农作物需水量的最直接方法,但是往往缺乏实测资料,需要结合影响需水量的相关因素进行估算,获取有效的经验数据,气象条件与农作物日需水量的关系见下表1。
表1 农作物日需水量与气候关系经验估算表Tab1.Estimation table of the relationship between crop daily water demand and climate
按照气候温度进行划分[3],表1 中的湿冷和干冷主要指最高气温低于21℃;湿暖和干暖主要指温度在21℃~32℃;湿热和干热主要指高于32℃;其中“湿”以平均湿度为评价指标,一般控制大于50%;“干”主要指平均湿度小于50%。
轮罐组数目的划分,主要取决于每日运行时长、灌水设定周期及灌水一次需要用到时间等参数。轮罐组的合理划分有助于及时灌水,作业周期短,便于管理等,因此对于大部分的设施栽培模式单一、面积较小的农业工程来说,一般选择轮灌方式。
2.3.1 设计力量及水头计算
(1)微灌系统某级设计流量计算。
式中:Q——微灌系统中某级管道的设计流量,L/h;qi——第i段灌水器的设计流量,L/h;n——为同时作业的灌水设备的数量,个。
(2)按最不利状态下的水头设计。
式中:H——微灌系统或者某级管道结构中的设计水头,m;Zp——毛管结构进口的高程,m;Zb——水源设计水量,m;h0——毛管进口的设计水头,m;Σhr——沿程水头损失,m;Σhw——局部水头损失,m。
2.3.2 水头损失计算
主要列举管道沿程水头损失计算:
式中:hf——管道沿程水头损失,m;f——摩擦阻力系数;Q——流量,L/h;d——管道的管径,mm;L——管道长度,m;m——流量指数;b——管径指数;其中参数m,b 和f 可依据表2 中的经验数据进行选取。
表2 微灌系统管道沿程水头损失计算系数及指标数据经验统计表Tab2.Empirical statistic table of index data and calculation coefficient of headl oss along pipeline in micro-irrigation system
水泵型号的选择,应依据水泵生产厂家所生产的水泵名录,水泵流量和扬程的选取要稍大于计算值,保证设计值满足实际生产需求。
而以城市供水管网作为水源,则不需设计水泵,需要重新校核供水管网水压,以满足灌溉所需的扬程值,如果调研和计算后得出不能够满足相应水压值,则需要增大管网中各管道的管径,减少水头损失。
首先,要针对施工前的管沟弃土进行合理处理,埋管的顺序应按照与开挖相反的顺序进行分层次回填施工,保障原有土壤结构层次一致[4]。
其次,在安装防水装置的过程中,在干管、支管等结构上需要安置放水装置,以满足冬季防冻管的要求;在非灌溉季节,也要合理放置空管管道,以避免因为微生物的长期聚集影响喷灌施工的效果。放水系统中,除了常见的球阀、闸阀结构外,还应包含自动泄水阀,满足管道中水自动排出。必要式可按照喷灌的要求,安装压力调节设备。还可按照需求安装快速取水阀,便于使用钥匙控制合理控制阀门的启停。
最后,合理进行地埋式设施栽培喷头的安装施工。安装之前要对喷头结构进行预置,调整喷头喷洒的角度,一般控制为180°,同时应按照所需喷洒的地形对喷洒的角度进行设计和控制。喷头的顶部位置应与地面结构相持平,喷头与支管的连接应保持顺畅,最好选择使用铰接接头。
以北方春大棚茄子为例,茄子在北方是重要的蔬菜品种,由于皮薄、肉嫩,因此对于水肥使用量要求高。相关研究学者针对微灌技术在高效设施栽培中应用经济效益进行分析,在相同时间内对春大棚茄子进行灌水,灌水量保持在108 m3,与沟畦漫灌相比,春大棚茄子产量可增加10%~30%。微灌可按照种植作物需水量适时、适量供水,并可减少蒸发和渗漏现象发生,节水效率高,最高节水70%左右。同时,微灌技术应用可最大程度地提升肥效,节约肥量,节省比例在10%~15%。作为一种新型灌溉形式,借助塑料管道即可实现输水作业,并可用微喷头开展局部灌溉,国产微喷灌溉设备投入使用后,投资一般在500~800 元 /0.067 hm2,在果树、花卉、温室大棚等灌溉常用。综上所述,微灌技术在春大棚茄子类型蔬菜中的经济效益、产量等较好。
综上所述,通过对微喷技术系统组成、水力计算、设备安装施工及应用案例进行研究,得出微灌技术不仅能够提升农作物产量,同时能够控制室内温度,在施肥过程中应用喷灌技术,可避免土壤出现板结现象,具有节能环保、提升农作物种植经济效益等,值得大力推广应用。