一種新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統(tǒng)

傅秋艷 劉何俊 楊金廣

摘 要：針對生活需水量日益增加和水資源減少的矛盾，進行山東省費縣新莊鎮(zhèn)官流莊村試驗田分區(qū)試驗，設置三種田地灌溉模式：常規(guī)漫灌噴灌滴灌智能化微潤灌溉，根據(jù)節(jié)點流量和時間計算用水量，研究不同灌溉方式維持土壤適宜濕度的需水量，以探尋維持土壤適宜濕度的最佳節(jié)水模式。漫灌濕潤充分，耗水量最大。噴灌水分不易滲入土壤，耗水量較大。滴灌速度慢，應用范圍有限，耗水量少。智能化微潤灌溉以均勻網(wǎng)格布設采樣點監(jiān)測土壤含水率，根據(jù)地表植被經(jīng)驗需水量調(diào)節(jié)單片機控制系統(tǒng)，通過控制蓄水池自動閥門實現(xiàn)田間自動灌溉，當濕度探針檢測到土壤含水率達到田間持水率時，關閉微潤閥門，能在維持土壤最適濕度的同時減少耗水量。因此，將多種灌溉方式結(jié)合起來可以減少耗水量，維持土壤適宜濕度的需水量以智能化微潤灌溉模式最優(yōu)，可根據(jù)不同作物的適宜生長濕度，在17 %-44 %之間調(diào)節(jié)。

關鍵詞：節(jié)水;太陽能;智能自動化;微潤噴灌;濕度控制裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.069

0 引言

我國水資源短缺，農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率低，與發(fā)達國家有較大差距，此外，傳統(tǒng)的灌溉模式加重溫室效應。[1]因此，改善灌溉模式對于解決水資源短缺，改善溫室效應有著積極的意義。

近年來，國外灌溉技術已經(jīng)趨于成熟化、系列化，但價格昂貴，國內(nèi)雖引進一些，但多用于農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位等。[2]國外生產(chǎn)的灌溉裝置雖性能優(yōu)越，但沒有考慮到我國的自然氣候、地勢地形等自然條件，再加上農(nóng)民經(jīng)濟承受能力，因而引進的裝置并不能很好地在國內(nèi)普及，節(jié)水灌溉自動化技術在我國有巨大的市場，且應朝著低成本、性能高、操作簡便的方向發(fā)展。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2018年6-9月在山東費縣新莊鎮(zhèn)試驗田進行，新莊鎮(zhèn)位于沂蒙老區(qū)腹地山東省費縣南部，地處蒙山南麓。原稱南新莊鄉(xiāng)，地處費縣、蘭山、蘭陵、山亭等四縣（區(qū)）結(jié)合處，沂蒙、嵐?jié)吩诰硟?nèi)交叉貫通。地理坐標為117°58′E 35°33′N[3]。

屬于溫帶季風性氣候，年均溫度19度，年內(nèi)降雨分布極不平衡，多集中于6至8月，常年干燥。據(jù)1959年至1983年的觀測資料統(tǒng)計，多年平均降雨量為850.0毫米。一般情況，年降雨量變差系數(shù)為0.25左右，多年平均蒸發(fā)量500 mm[4]。

1.2 試驗設計

將試驗田分為四個試驗小區(qū)，面積均為6 m*6 m。以1 m*1 m的網(wǎng)格布置36個測定點，利用均勻網(wǎng)格法，在灌溉渠道內(nèi)設置若干傳感器，土壤濕度是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，對土壤進行實時監(jiān)測，可得知土壤含水量，了解作物生長狀況，及時補充所需水分。

分別進行漫灌、噴灌、滴灌、智能化微潤灌溉四種灌溉方式，前人試驗結(jié)果表明，植物適宜RH %在17 %-44 %之間。定RH %=50 %時，記下經(jīng)過的時間，計算并比較用水量。

噴灌根據(jù)L=B=1.42R設置噴頭間距，對比三角形，矩形，不規(guī)則圖形，可發(fā)現(xiàn)布置成三角形，不僅抗風能力較強，噴灑均勻度增強，同時所用噴頭數(shù)量較少。噴頭選擇I-60系列噴頭，獨有低壓大射程，在壓力0.28 MP時，射程可達18.9米。一般比漫灌節(jié)省水量30 %-50 %。比漫灌節(jié)省水量30 %-50 %。根據(jù)N≤cT/t可計算輪灌組數(shù)目[5]。

式中：N-系統(tǒng)允許劃分輪灌組的最大數(shù)目，取整數(shù)。

C-一天運行的小時數(shù)，一般不超過20小時。

T-灌水周期，即兩次灌水之間的間隔時間

滴灌重點是微潤管的布設。微潤管孔的數(shù)量為每平方厘米10萬個以上，微孔的孔徑為100-900 nm，孔徑分布在半透膜尺度范圍內(nèi)，具有半透膜特性。膜壁上孔的大小允許水分子通過，而不允許較大的分子團和固體顆粒通過。微潤管的鋪設如圖2所示，將微潤灌溉管按行或列鋪埋在農(nóng)作物的土壤中。

新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統(tǒng)總體設計應滿足四點要求：

（1）合理利用自然降水，提高自然資源利用率。

（2）整個系統(tǒng)使用清潔能源發(fā)電，減少二氧化碳排放。過濾裝置由渦輪利用水的落差發(fā)電提供動力，壓力傳感器感受到垃圾的重力，通過電控盒，利用控制閥控制機械手，清理垃圾，提高新能源利用率?？刂蒲b置由太陽能及其蓄電裝置提供動力，低能耗，無污染。

（3）根據(jù)作物需水量的不同可手動設置濕度傳感器的區(qū)間。當土壤濕度達到濕度測試儀濕度下限值時自動抽水灌溉，達到濕度上限時，自動停止灌溉，避免過量灌溉。

（4）控制裝置能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)按需求自動選擇灌溉方式，實現(xiàn)了噴灌和微潤的相互轉(zhuǎn)換。

基于上述要求，裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由雨水收集系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、蓄水系統(tǒng)和太陽能蓄電系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)和地下微潤管組成。采用多探針濕度傳感器法以均勻網(wǎng)格布設采樣點監(jiān)測土壤含水率，根據(jù)地表植被經(jīng)驗需水量調(diào)節(jié)單片機控制系統(tǒng)，通過控制蓄水池自動閥門實現(xiàn)田間自動灌溉，當濕度探針檢測到土壤含水率達到田間持水率時，關閉微潤閥門，從而實現(xiàn)自然蓄水與智能灌溉的功能。

2 理論設計計算

（1）土壤含水量（water content fsoil）是土壤中所含水分的數(shù)量。一般是指土壤絕對含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也稱土壤含水率。測量方法有稱重法、張力計法、電阻法、中子法、γ-射線法和駐波比法[6]。

稱重法，也稱烘干法，這是唯一可以直接測量土壤水分方法，也是目前國際上的標準方法。用土鉆采取土樣，用0.1 g精度的天平稱取土樣的重量，記作土樣的濕重M，在105 ℃的烘箱內(nèi)將土樣烘6～8小時至恒重，然后測定烘干土樣，記作土樣的干重Ms土壤含水量=（烘干前鋁盒及土樣質(zhì)量-烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量）/（烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量-烘干空鋁盒質(zhì)量）*100 %。

（2）水利用系數(shù)[7]：

3 結(jié)果分析

新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統(tǒng)由房頂集水裝置、導流管、蓄水池三部分構(gòu)成，合理的利用了自然降水，在一定程度上提高了人類對自然資源的利用率。噴灌系統(tǒng)依靠太陽能及其蓄電裝置提供動力，不會產(chǎn)生廢氣污染，解決了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)造成的環(huán)境污染問題[9];同時，研究太陽能這類新型能源也是近年來炙手可熱的課題，利用太陽能作為噴灌動力也體現(xiàn)了“借自然之力，造綠水青山”的綠色發(fā)展之態(tài)。[10]再者，該裝置采用了濕度控制器，可根據(jù)不同作物的不同需水量設定濕度區(qū)間，可針對多種作物進行合理性灌溉。在節(jié)水方面，微潤噴灌一體化成為了最好的節(jié)水灌溉技術的代表，土壤濕度達到設定區(qū)間時360°旋轉(zhuǎn)噴灌作物，濕度適中則自動采用微潤方式滲透灌溉，這不僅使灌溉保證率達到85 %以上，也有效地提高了作物產(chǎn)率。

4 討論

根據(jù)有效數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)戶的灌溉耗水分主要為兩部分，一部分供作物生長所需，另一部分由于滲透、蒸發(fā)而浪費掉了。其中浪費掉的水比重非常大，甚至一些土質(zhì)較差的地區(qū)滲漏損失達到70 %以上。

因此發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢，是解決農(nóng)業(yè)水資源短缺、保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本出路。

一種新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統(tǒng)遵循不同地區(qū)的不同農(nóng)作物的生長規(guī)律，有效地實現(xiàn)了對水資源的回收及利用。同時與專門的農(nóng)業(yè)合作社進行合作，取得了預期的良好效果，解決了長期以來困擾農(nóng)戶水資源短缺與水資源不能合理利用的問題。

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