基于均勻度的水稻旱育秧微噴系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

金永奎，黃玉祥，費(fèi)士敏

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014； 2.江蘇省常州市金種子農(nóng)業(yè)服務(wù)專業(yè)合作社，江蘇常州 213104；3.江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)農(nóng)業(yè)局，江蘇常州 213159)

近年來，隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、種植規(guī)模的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)務(wù)工人員的短缺，水稻插秧逐步從人工轉(zhuǎn)變成機(jī)械化作業(yè)，同時(shí)傳統(tǒng)的水田分散式育秧也轉(zhuǎn)變成適合機(jī)插的集中育秧模式。如江蘇省2014年機(jī)插秧面積達(dá)126.7萬hm2，占全省水稻總面積的55.8%，成為應(yīng)用面積最大的一種插秧方式[1]。水稻集中育秧通過統(tǒng)一供種、統(tǒng)一育秧、統(tǒng)一秧田管理，不僅提高了育秧效率和秧苗質(zhì)量，還能大大降低育秧成本，有利于推進(jìn)機(jī)插秧等輕型高產(chǎn)栽培技術(shù)的推廣，對(duì)實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)機(jī)械化、專業(yè)化、規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化有重要的推動(dòng)作用[2-3]。

目前，生產(chǎn)上機(jī)插秧育苗一般多采用水育或濕潤(半旱式)育秧，主要是大水漫灌，浪費(fèi)水資源、費(fèi)工、易使土壤板結(jié)，水分利用系數(shù)僅為0.46[4]。由于機(jī)插育秧播種落谷密度大，采用水育或濕潤管理時(shí)，秧苗株間空間小，通氣透光不足，濕度大，容易發(fā)生病蟲害，造成秧苗下層葉片腐爛，甚至局部有死苗現(xiàn)象[5-7]。旱育秧是水稻栽培節(jié)水育苗的關(guān)鍵措施，特別是對(duì)于春季干旱缺水的地區(qū)，具有省水、省種、省工、省肥、增產(chǎn)、早熟等特點(diǎn)[8]，因此，利用微噴灌適時(shí)適量補(bǔ)水的旱育秧技術(shù)得到了較快的發(fā)展。微噴灌可以根據(jù)秧苗情況，每次選擇在早晨或傍晚噴灑補(bǔ)水，保持秧盤濕潤，能夠滿足秧苗對(duì)水分的需求。現(xiàn)有微噴系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般憑經(jīng)驗(yàn)或?yàn)榱斯?jié)省投資減少噴頭的使用量，使得微噴灌水量分布不均勻，造成局部水分過少或過多，由于秧苗對(duì)水分特別敏感，從而造成秧苗長(zhǎng)短不一、發(fā)育不良，甚至死苗，影響了機(jī)插秧的效果。因此，設(shè)計(jì)一套灌水均勻度較高且經(jīng)濟(jì)可行的微噴灌系統(tǒng)，對(duì)推廣機(jī)插秧育苗具有重要意義。

1 灌水均勻度測(cè)試和計(jì)算

微噴灌技術(shù)具有省水、省工、灌水均勻等特點(diǎn)，而且可以在灌水的同時(shí)施肥、施藥，可以有效防止土壤沖刷和板結(jié)。應(yīng)用微噴系統(tǒng)育秧，可以確保秧苗的整個(gè)生長(zhǎng)期均處在良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，培育出符合要求的秧苗。旱育秧與傳統(tǒng)育秧的不同點(diǎn)主要在于苗期的水分管理，旱育秧要求秧苗在整個(gè)秧苗期均處在旱田的狀態(tài)下生長(zhǎng)，因而灌水均勻度是須要控制的重要指標(biāo)。但微噴灌系統(tǒng)須要經(jīng)過設(shè)計(jì)和計(jì)算才能達(dá)到理想的效果，因此首先必須對(duì)關(guān)鍵部件和系統(tǒng)配置進(jìn)行造型、測(cè)試、分析和計(jì)算。

微噴頭是微噴系統(tǒng)的核心部件，針對(duì)水稻育秧的要求，選用霧化性能較好的折射式微噴頭，霧滴直徑為200～400 μm。由表1可知，在200 kPa的工作壓力下，微噴頭噴灑半徑為 1.5 m，布置時(shí)微噴頭間距一般為半徑的0.8～1.3倍，即 1.2～2.0 m。本試驗(yàn)測(cè)試當(dāng)微噴頭間距為1.2、1.6、2.0 m時(shí)，微噴頭噴灑的水量分布和灌溉均勻度，微噴頭布置形式分別為正方形和三角形。灌溉均勻度測(cè)試裝置如圖1所示。

表1 折射式微噴頭性能

測(cè)試時(shí)每種工作壓力下重復(fù)3次，取平均值。記錄不同情況下各點(diǎn)雨量筒的水量，并用軟件進(jìn)行處理，得到水量分布結(jié)果。由圖2至圖7可知，不同布置情況下，水量及分布均不一致，差異較明顯。通過計(jì)算，可得出各布置情況下的均勻度。

不同布置情況下的均勻度按下式計(jì)算：

式中：h代表噴灑水深的平均值，mm；n代表雨量筒總數(shù)，個(gè)；Δh代表噴灑水深的平均離差，mm；Cu代表灌水均勻系數(shù)。

2 微噴頭布置方案選擇

根據(jù)測(cè)試結(jié)果和圖8可以看出，每種間距下，三角形布置的均勻度要高于方形。在3種不同間距布置中，當(dāng)微噴頭間距為1.6 m時(shí)，均勻度均較高，其中三角形布置最好。由于水分可以在土壤或基質(zhì)中滲透、流動(dòng)，一般均勻度達(dá)到0.8時(shí)，就可以滿足秧苗的生長(zhǎng)一致，因此還須要考慮另一個(gè)重要的影響因素——微噴系統(tǒng)的投資。在1.2、1.6 m這2種間距下，三角形的均勻度均高于0.8，但當(dāng)間距為1.2 m時(shí)所需微噴頭和毛管數(shù)量均較多，投資明顯偏大。因此，綜合考慮均勻度和投資成本，選擇間距為1.6 m。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及田間應(yīng)用

3.1 應(yīng)用區(qū)情況

應(yīng)用區(qū)設(shè)在江蘇省金壇市黃金村，黃金村位于金壇市朱林鎮(zhèn)，水稻種植面積約260 hm2。黃金村利用本區(qū)域地勢(shì)平坦、土質(zhì)肥沃的自然資源開發(fā)有機(jī)水稻，生產(chǎn)的有機(jī)大米米質(zhì)優(yōu)良，是村莊的重要收入來源。目前，水稻種植已基本實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化，特別是全部采用了機(jī)械化插秧，因此對(duì)育秧的要求較高，須采用基質(zhì)旱育秧的形式。育秧地塊長(zhǎng)100 m，寬 40 m，共4塊，每塊面積約0.4 hm2，總面積約1.6 hm2，可供160～200 hm2稻田進(jìn)行機(jī)插秧種植。

3.2 微噴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 規(guī)劃布置 灌溉水源為地塊旁的小河，水源充足。在泵站處建引水渠道，并設(shè)攔污柵。灌溉方式采用輪灌方式。灌溉系統(tǒng)首部包括水泵、變頻控制柜、調(diào)壓閥門、過濾器、施肥池、壓力表、排氣閥、安全閥等設(shè)備。

水泵采用變頻恒壓技術(shù)控制，變頻器通過采集壓力傳感器的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，保證灌水均勻，同時(shí)方便操作。水源為河水，水質(zhì)一般，泥沙含量不大，但有機(jī)物和其他雜質(zhì)較多，因此確定采用兩級(jí)過濾器，即砂石過濾器和疊片式過濾器的組合，過濾精度為120目，確保微噴頭不堵塞。施肥利用水泵吸入的方式，施肥時(shí)先把肥料放入肥料池充分溶解，再打開吸肥閥即可。

田間包括干管、分干管和支管道，管道系統(tǒng)經(jīng)首部樞紐進(jìn)入管網(wǎng)。經(jīng)水力計(jì)算采用不同規(guī)格的管道，主管埋于地下。主管沿路邊布置，每塊地在寬度中間位置布置1條支管，每條支管用閥門和壓力表控制。詳細(xì)布置情況如圖9所示。

微噴頭經(jīng)連接管與主支管連接。根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，噴頭和支管間距均為1.6 m，噴頭采用三角形布置。

3.2.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)選擇 根據(jù)有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)[9]以及國內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展積累多年的經(jīng)驗(yàn)，確定各技術(shù)參數(shù)如下：土壤濕潤比P=100%；水利用系數(shù)η=0.85；設(shè)計(jì)灌水均勻度Eu≥80%；設(shè)計(jì)濕潤深度Z=0.05 m；設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度Ea=5 mm/d；土壤容重γ=0.7 g/cm3。

3.2.3 確定灌溉制度

(1)灌水定額為m=0.1×γZP(θmax～θmin)/η。

式中：m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm；θmax、θmin分別為適宜土壤含水率上限、下限，θmax=30%，θmin=18%。代入以上各參數(shù)，得到設(shè)計(jì)灌水定額m=0.1×0.7×0.05×100×(30-18)/0.85=4.9 mm，因此灌水定額取為5 mm。

(2)灌溉周期為T=mη/Ea；

系統(tǒng)設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度Ea=5 mm/d，則T=mη/Ea=5×0.85/5=0.85 d，因此灌溉周期取1 d，即每天至少灌水1次。

(3)一次灌水延續(xù)時(shí)間t=mSpSe/q。

式中：Sp為出水孔間距，取1.6 m；Se為毛管間距，取 1.6 m；q為平均流量，取65 L/h。則t=5×1.6×1.6/65=0.2 h，因此1次灌水延續(xù)時(shí)間取為15 min。

3.2.4 系統(tǒng)水力計(jì)算 系統(tǒng)水力計(jì)算過程：先確定毛管、支管的水力學(xué)損失及局部損失，進(jìn)而由灌水器的正常工作壓力要求設(shè)定進(jìn)口壓力；根據(jù)地形的高程參數(shù)，選取最不利輪灌組內(nèi)的最不利地塊，從而確定此段主管的沿程損失；向水源方向逐段推導(dǎo)主管道沿程損失至水源；局部損失按管道沿程損失10%計(jì)算；首部管道及過濾系統(tǒng)總壓力損失按8 m計(jì)；核實(shí)最不利地塊和水源(地面)之間的海拔高程。

干管和支管管徑首先用經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算公式初選，最后經(jīng)水力計(jì)算校核確定。采用的經(jīng)濟(jì)管徑公式如下：

水頭損失計(jì)算公式：

式中：K為考慮局部水頭損失的系數(shù)，取1.05；f為摩阻系數(shù)，硬塑管f=0.464；F為多口系數(shù)；Q為設(shè)計(jì)流量，L/h；m為流量指數(shù)，硬塑管m=1.77；d為管道內(nèi)徑，mm；b為管徑指數(shù)，硬塑管b=4.77；L為支管長(zhǎng)度。

最終根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定水泵流量和揚(yáng)程，本系統(tǒng)主管規(guī)格為160 mm，支管規(guī)格為110 mm，微噴頭毛管為20 mm，水泵流量為100 m3/h，揚(yáng)程為50 m。

3.3 應(yīng)用情況

設(shè)計(jì)完成后，設(shè)備通過安裝調(diào)試，于2016年5月10日正式投入使用，到6月初秧苗全部機(jī)插完結(jié)束。使用時(shí)整套系統(tǒng)只需1人操作、維護(hù)，主要完成開關(guān)田間閥門、開啟停止水泵、清洗過濾器等工作，十分省工、方便。為了保證灌水的均勻性和及時(shí)性，設(shè)4個(gè)輪灌組，每組噴水面積約為0.4 hm2，每次灌水時(shí)間為20～30 min，每次噴水量為30～50 m3/hm2，所有田塊在2 h內(nèi)灌完。秧苗出苗后基本上每天噴水1次，大風(fēng)高溫天氣每天噴水2次。泵房及田間設(shè)備布置分別如圖10、圖11所示。

在使用過程中對(duì)微噴系統(tǒng)的均勻度進(jìn)行測(cè)試，水量分布圖如圖12所示，由圖可以看出各點(diǎn)水量分布情況，經(jīng)計(jì)算均勻度達(dá)到0.83，與試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的均勻度(0.88)相比有所減小，可能是由于田間風(fēng)速較大的原因。

與原有育秧灌溉形式相比，噴灌系統(tǒng)的灌水均勻度大大提高，減少了水分過多過少的情況，秧苗長(zhǎng)勢(shì)差別很小、一致性好、成活率高，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

目前，水稻育秧灌溉方式主要是大水漫灌或人工補(bǔ)水，浪費(fèi)水資源、費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而且易使土壤板結(jié)，秧苗品質(zhì)差。隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，微噴技術(shù)在水稻育秧中得到了很好的應(yīng)用。微噴技術(shù)具有省水、省工、灌水均勻等特點(diǎn)，而且可以在灌水的同時(shí)施肥、施藥，有效防止了土壤沖刷和板結(jié)。本試驗(yàn)通過微噴頭和毛管各種間距、布置形式的測(cè)試，得出在微噴頭和毛管間距均為1.6 m、三角形布置時(shí)，均勻度最高，達(dá)到0.88。在此基礎(chǔ)上，對(duì)田間應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置，達(dá)到了良好的效果。應(yīng)用均勻微噴系統(tǒng)育秧，可以確保秧苗的整個(gè)生長(zhǎng)期處在良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，培育出符合機(jī)插要求的秧苗，為水稻育秧提供了技術(shù)支撐，具有良好的應(yīng)用前景。