伴矿景天育苗棚水肥药一体化微喷灌系统的设计

刘书洪，谭 竹，胡志鑫，杨 攀

（1.湖南艾布鲁环保科技股份有限公司，长沙 410000；2.长沙市重金属污染土壤植物修复技术创新中心，长沙 410000）

伴矿景天（Sedum plumbizincicola）是景天科植物，属多年生肉质草本，是一种对Cd、Zn具有超富集作用的植物［1］，主要用于镉污染农田修复［2］。低镉含量伴矿景天种苗一般采用专用基质扦插或撒播扩繁［3］，需要较精细的水肥、光照和温湿度管理，且需施用多种药剂调节生长、控制病虫害，管护复杂、劳动强度高。农艺管理措施决定了伴矿景天育苗质量，因此种植棚内配备能提供温湿度调节和水肥药一体化灌溉功能的设备尤为重要。

目前，中国已有大量水肥或水肥药一体化灌溉系统的研究和实践。如，黄语燕等［4］设计了一套水肥一体化循环灌溉系统，通过PLC控制系统执行较精确的施肥过程；宋新财［5］研发了一套轻简水肥一体化控制系统，通过算法、程序等实时调控水肥比例，精确施肥；王彦等［6］总结了设施农业水肥药一体化滴灌技术的优势；董微等［7］对叶根菜水肥药一体化装置开展设计与试验，较传统方式节水省肥，降低了劳动强度；张抓虎［8］研究了水肥药一体化系统误差形成原因和修正方法。上述研究主要围绕系统精度、效能、自动化和智能化开展，而针对供电供水条件较差地区和操作水平不高的使用者的设计较少。因此，本研究以湖南省湘潭市某伴矿景天育苗棚为例，设计了一套水肥药一体化微喷灌系统，具有设备简洁、操作简单、稳定可靠的优点，实现了取水净水一体化，对操作者要求低，特别适用于需求相对简单、基础条件较差的地区。

1 系统设计

1.1 灌溉需求分析

该育苗棚为38 m×8 m温室大棚。伴矿景天采用专用基质和72孔标准穴盘育苗，在棚内纵向布置4组，每组幅宽1.60 m。伴矿景天喜凉爽、湿润，忌渍涝、高温和强光，棚外温度超过20℃时，一般需揭膜通风。该系统设计耗水强度取8 mm/d［9］，日灌溉用水量为2.30 m3/d，早晚2次灌溉，高温时节需喷水降温处理或增加灌溉次数和水量。育苗过程需多次追肥和施药，一般为喷施。追肥量为45～75 kg/（hm2·次），稀释倍数500～1 000倍。棚内最大施肥用水量2.16 m3/d，与日灌溉用水量接近，早、晚各喷施1次，其他药剂施用量一般为30 L/次。

1.2 系统总体结构

微喷系统是利用折射、旋转或辐射式等微型喷头或微喷带等灌水器，将水或肥液均匀喷洒到作物表面或根区的灌水系统，具有工作压力低、流量小等优点，可用于灌溉和调节小气候，易于实现蔬菜的水、肥和部分药剂的一体化灌溉［10，11］。因此，本设计采用微喷灌溉系统（以下简称系统），主要由水源工程、首部枢纽、输配水管网和微灌灌水器等部分组成［9］，系统结构如图1所示。

图1 水肥药一体化微喷灌系统结构

取水水源为育苗棚附近的溪沟。为实现肥水和药水调配施用，泵前吸水管路分别设置肥水罐和药剂罐。系统设3路进水管，分别从塑料盲沟、肥水罐和药剂罐取水；系统设2路出水管，分别向用水设施和肥水罐供水。为方便控制和管理，首部系统水泵选用自吸泵、棚内干式安装，泵轴至溪沟水面高差2.5 m，泵轴至喷灌支管高差2.0 m。

伴矿景天的育苗类似于大棚叶菜栽培，适宜采用倒挂式微喷系统［10］，因此灌水器选用市售G型倒挂微喷喷头，由倒刺接头、毛管、防滴器、重锤和喷头组成。灌水器标准工作压力0.20 MPa，喷水半径1.5 m，出流量90 L/h。为保证喷灌均匀、喷水覆盖无死角，棚内设置4排2组喷头，每排18个，行间距均为2 m。输配水管网由主管、干管和支管组成。管网除供应灌水器外，还向棚内、外2处取水龙头供水，满足喷枪灌溉和其他零星用水。

1.3 水源工程设计

育苗棚灌溉水源为溪沟地表水，悬浮物较高，必须有效措施预处理以防堵塞系统，采用塑料盲沟作为取水装置。塑料盲沟由塑料芯体和外包滤膜构成，芯体支撑滤膜、抵抗外力并形成通水空间，滤膜一般采用90～250 g/m2的短纤针刺土工布或长丝热黏土工布［12］。塑料盲沟土工布的等效孔径为0.05～0.20 mm［13］，符合规范对微喷过滤器精度的要求［14］。选用φ120中空耐压型塑料盲沟，滤膜为200 g/m2非织造土工布。塑料盲沟的水力计算尚无通用方法，水头损失主要由水垂直通过外层土工布的水头损失Ib和水流纵向通过芯材水的水头损失It组成。一般认为土工织物的渗透性服从达西定律［15］，其渗透水头损失：

式中，k为渗透系数，m/s；A为过流面积，m2；Q∑为渗透总流量，m3/s；δ为土工布厚度，m。

200 g/m2土工布的垂直渗透系数为K×10-1～10-3cm/s（K=1.0～9.9），厚度2 mm［13］。杨和春等［16］研究发现使用后土工布的垂直渗透系数为0.018～0.081 cm/s。因此，土工布的垂直渗透系数K取0.01 cm/s。考虑河床影响，有效进水面积取盲沟表面积的1/2。则当集水总流量为Q∑时，长度为L的φ120塑料盲沟的单位长度渗入流量［m3/（s·m）］：

吴福生等［17］研究表明塑料盲沟内的水流处于符合伯努利定律的管流及符合达西定律的渗流之间的状态，通水量Q（m3/s）和水头损失H（m）之间的关系可由以下公式表达：

该型盲沟指数m为0.533 3，系数K为0.008 7，试件长度为500 mm，芯筒通水的水力坡降：

芯筒单侧出水，通水量沿轴向线性增加，积分得φ120芯筒通水水头损失：该系统最大吸水流量3.3 m3/h，盲沟有效长度L取1 m，Ib=0.10 m，It=0.01m，水头损失较小。

1.4 首部系统设计

1.4.1 水泵选型 育苗棚只有220 V电源。市售220 V水泵一般为单相异步电动机驱动，其电功率一般不超过1.8 kW。为方便控制，水泵宜采用棚内地上安装的自吸泵。经综合比选，设计采用JET1800A喷射自吸泵，额定扬程35 m，额定流量3.5 m3/h，电功率1.8 kW，电压220 V，满足2排喷头的同时出流。

1.4.2 水泵控制 水泵启停采用压力控制模式，配气压罐和压力开关。与气压给水设备［19］不同，该系统气压罐调节容积无需考虑调节用水量，否则将影响肥料和药剂的施用精度，因此仅需满足控制要求，并按管网渗漏水量校核水泵启动频率。系统选用2 L隔膜式不锈钢气压罐和数显压力开关安装于泵后主管。用水点开启后系统压力降低，水泵启动供水；用水点关阀后系统压力上升，水泵停止运转。最小用水流量时水泵宜持续运转，因此停泵压力P2应高于水泵最有利情况下用水流量最小时的主管压力。最小用水流量为一个单阀取水龙头出流的额定流量（0.4 L/s）［19］。气压罐计算参照《给水排水设计手册》［18］，停泵压力P2=0.72 MPa（绝对压力），工作压力比αb取0.8，启泵压力P1=0.58 MPa（绝对压力），容积 系数β取1.05，预充 压力P0=0.55 MPa（绝对 压力）；待用状态下喷灌支管阀门关闭，系统充水管总长约40 m，管道允许最大渗漏量[qs]=0.017 L/min［9］，经核算水泵小时启动次数n=4.5次，满足要求。

1.4.3 配肥配药系统 棚内最大施肥用水量为2.16 m3/d，早、晚各喷施1次，2组喷头轮施，单次用水量1.08 m3。肥水水罐选用1.2 m3立式不锈钢水罐，置于泵前吸水管路，手动配制肥水、手动控制。为保证施药精度，选用有效容积为45 L的立式塑料罐，罐出水口位置设旋流防止器和控制阀。药剂配制好后倒入药剂罐，经吸水管吸入水泵。

1.4.4 功能切换 系统补水、施肥、给药和灌溉等功能通过管路阀门组合控制切换，用水点即开即用。清水灌溉模式：水泵从盲沟取水、向用水设施供水，阀门6、阀门9、阀门24关闭，阀门4、阀门10开启；肥水罐补水模式：水泵从盲沟取水、向肥水罐供水，阀门9、阀门10、阀门24关闭，阀门4、6开启；施肥模式：水泵从肥水罐取水、向用水设施供水，阀门4、阀门6、阀门24关闭，阀门9、阀门10开启；施药模式：水泵从药剂罐取水、向用水设施供水，阀门4、阀门6、阀门9关闭，阀门10、阀门24开启。

1.5 管网设计

取水工程、首部系统、主干管采用给水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管、黏胶连接，控制阀门采用PVC-U球阀。喷灌支管采用灌溉用聚乙烯（PE）软管和专用阀门管件连接，支管起端设独立阀门控制。倒挂喷头毛管管径4 mm，采用倒刺接头与支管连接。单次轮灌流量为3.3 m3/h，水泵扬程36 m。管网水力计算按《微灌工程技术标准》［9］执行。经优化计算，吸水管、主管和干管管径32 mm，支管管径20 mm。盲沟吸水管止回阀局部水头损失系数取为7.5，Y型过滤器水头损失为1.00 m。水泵从盲沟吸水时，系统总高差4.50 m，吸、压水管路总水头损失为9.13 m，最不利支管入口压力为0.25 MPa、末端工作压力为0.20 MPa，系统总水头为33.63 m，小于水泵扬程，符合设计要求。泵吸水口负压计算值为-0.051 MPa，喷头流量偏差率为5.2%，在允许范围内。

2 结果与分析

该设计安装后调试运行效果良好，有效长度为1 m的φ120中空耐压型塑料盲沟的取水流量、水头损失、过滤效果均满足使用要求，省去了沉淀池、砂滤罐等复杂设施。最不利情况时，系统运行初期泵吸水口实测负压值为-0.046 MPa，与设计值基本吻合；系统运行6个月后，塑料盲沟土工布滤膜表面有明显的藻类和生物膜附着，泵吸水口实测负压值为-0.048 MPa，水头损失略有增大，但未对取水造成显著影响；塑料盲沟暴露于自然水体取水时，滤膜表面生物附着对塑料盲沟取水净水性能的长期影响有待进一步研究。

JET1800A型喷射自吸泵工作正常，压力开关控制压力点基本符合设计预期。系统待用时，实测小时启动次数为3次，用水点开启后2 s内水泵通电启动。取水龙头正常喷洒时水泵连续工作，但当取水龙头出流量调节至0.2 L/s以下时，泵后压力过高，水泵循环启停，出水流量不稳定，因此系统不宜长时间小流量运行。系统完成2组喷头清水轮灌共用时20 min。肥水罐补水时间约15 min，完成1组喷头轮施耗时10 min，完成1次配肥和2组喷施共用时35 min。施用药剂时，系统宜1次开启1排喷头，时长15 s。喷水降温作业视棚内环境灵活操作，一般开启中间2排喷头短时喷洒即可完成温湿度调节。

该系统较好地完成了用量较大、精度低的伴矿景天生长调节和病害防治药剂的喷施，但对于用量小、精度高的虫害防治药剂施用效果不理想。主要是因为倒挂微喷喷头雾化效果不及专用喷雾器、输配水管网的存水降低了药剂与叶面接触时的实际浓度和附着力，但考虑到虫害防治药剂施用次数少，该系统依然可以满足育苗期间大部分施药需求。

3 小结

塑料盲沟一体化取水净水方案简单实用、水头损失小，本研究中的水力计算方法具有设计指导意义；2 L隔膜式气压罐满足控制要求，按管网渗漏量校核水泵小时启动次数的设计方法可行。基于220 V电源和溪沟地表水源设计的水肥药一体化微喷灌系统满足伴矿景天育苗棚需求，实现了清水喷灌、肥水配制与喷施、药剂喷洒和零星用水的功能集成，最大喷施流量为3.3 m3/h，服务面积为304 m2。该系统具有设备简洁、操作简单、稳定可靠的优点，可在需求相对简单、基础条件较差地区加以推广。但该系统不能完全替代雾化器喷施农药，滤膜表面生物附着对塑料盲沟取水净水性能的长期影响有待进一步观察和研究。