一種丘陵地區(qū)水肥一體化灌溉模式設(shè)計(jì)研究

田 莉，李家春*，朱來賀，吳景來，李繼學(xué)

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.榮成市農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山東 威海264300)

我國南方丘陵山地幅員遼闊，但多數(shù)地塊規(guī)模小、土地很不平整，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人力和畜力完成，難以實(shí)施大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)[1-2]。以貴州為例，貴州地區(qū)高原山地居多，全省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地三種基本類型，其中山地占61.7%，丘陵占30.8%，山間平壩占7.5%，素有“八山一水一分田”之說，是我國內(nèi)陸地區(qū)唯一沒有平原地貌的省份。全省耕地總體呈現(xiàn)出坡耕地多、壩區(qū)耕地少、中低產(chǎn)耕地多、優(yōu)質(zhì)耕地少這樣一個“兩多兩少”的特點(diǎn)。大部分耕地是喀斯特山間溶斗式麻窩地、斜坡上的石旮旯地，十分貧瘠，是名副其實(shí)的跑水、跑土、跑肥的“三跑地”[3]。

在丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，面臨生產(chǎn)操作困難、水肥管理不到位、生產(chǎn)成本不斷攀升、生態(tài)環(huán)境惡化等諸多問題。生產(chǎn)實(shí)踐表明，水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用是目前解決丘陵山地區(qū)缺水、灌溉及施肥難的最有效途徑和形式之一，各地可根據(jù)實(shí)際情況選擇應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)模式，不僅可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且在促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技進(jìn)步、充分利用邊緣土地、減少環(huán)境污染、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會等社會效益方面也將發(fā)揮重要作用[4-6]。

本研究主要從丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作物施肥灌溉方面，設(shè)計(jì)了一種基于水肥一體化施肥機(jī)“后進(jìn)前出”安裝方式的丘陵地區(qū)水肥耦合灌溉模式，為實(shí)現(xiàn)節(jié)水省肥、作物增產(chǎn)和農(nóng)民增收提供參考。

1 丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉面臨問題

1.1 農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施落后，蓄水灌溉能力弱

灌溉是農(nóng)作物正常生長的基礎(chǔ)，部分丘陵地區(qū)灌溉水渠年代已久，蓄水和灌溉能力減弱，使水資源無法得到有效地作物灌溉利用。尤其是在干旱條件下，作物無法得到及時的灌溉，對其生長發(fā)育造成不良影響。

1.2 地形條件復(fù)雜，土壤生產(chǎn)效率低下

丘陵地區(qū)地形條件復(fù)雜，較平原地區(qū)難以開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。就丘陵地區(qū)土壤而言，因地形坡度大，在雨水沖刷作用下缺乏肥力，不利于農(nóng)作物生長。丘陵地區(qū)受地形條件的影響，開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難度加大、生產(chǎn)成本較高，加之生產(chǎn)管理落后，生產(chǎn)效益得不到保障。

1.3 農(nóng)村勞動力不足和專業(yè)技術(shù)缺乏

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很多農(nóng)戶受經(jīng)濟(jì)和文化條件的限制，未接受過專業(yè)的種植知識培訓(xùn)，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐工作。通常將灌溉與施肥分開進(jìn)行，出現(xiàn)了肥料未得到充分利用、灌溉水過足水土流失的現(xiàn)象，沒有達(dá)到物盡其用的效果，而且增加了成本[7]。

2 水肥一體化技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

水肥一體化技術(shù)是將農(nóng)作物所需的多種單元素液肥進(jìn)行水肥混合后，通過灌溉管網(wǎng)輸送到農(nóng)作物灌區(qū)的一種新型灌溉施肥技術(shù)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，以水肥耦合為基礎(chǔ)的水肥一體化技術(shù)越來越成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)綜合管理技術(shù)措施，具有顯著的節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥、省工、高產(chǎn)、高效以及減少環(huán)境的污染等特點(diǎn)[8-9]。

在水肥一體化灌溉技術(shù)中，其核心裝置是水肥一體化施肥機(jī)[10]。水肥一體化施肥機(jī)可實(shí)現(xiàn)對多種單元素液肥的水肥混合，根據(jù)作物生長需求進(jìn)行水及單元素液肥的定量定比混合，進(jìn)而根據(jù)用戶設(shè)定的灌溉施肥程序，通過灌溉系統(tǒng)適時適量地供給作物生長，尤其適用于對養(yǎng)分濃度有較高要求的花卉、優(yōu)質(zhì)蔬菜及一些高經(jīng)濟(jì)附加值作物[11]。

經(jīng)團(tuán)隊(duì)走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)的水肥一體化灌溉多采用將施肥機(jī)串聯(lián)到灌溉系統(tǒng)中進(jìn)行工作，運(yùn)行簡圖如圖1。該模式正常運(yùn)行情況下，系統(tǒng)可以有效發(fā)揮對灌區(qū)作物的水肥一體化灌溉作用，如若只需進(jìn)行水源灌溉需啟動施肥機(jī)的抽吸泵，增加了成本，且在施肥機(jī)停止工作期間，該系統(tǒng)就會被閑置，造成資源的浪費(fèi)。

圖1 運(yùn)行簡圖Fig.1 running diagram

3 水肥一體化灌溉模式設(shè)計(jì)

3.1 灌溉模式設(shè)計(jì)及原理

丘陵地區(qū)水肥一體化灌溉系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)采用施肥機(jī)“前進(jìn)后出”的安裝方式，如圖2所示，在丘陵地區(qū)應(yīng)充分利用地勢高差，所述灌溉系統(tǒng)取水源是通過直接引用就近地的山泉水、小水塘或利用定制的高位蓄水池，使雨水就地控制轉(zhuǎn)換、高效集貯、精量補(bǔ)灌以緩解農(nóng)田水情困擾，同時緩解暴雨對坡面徑流沖刷，水土流失嚴(yán)重，極易石漠化的狀況。在高位蓄水池的進(jìn)出水口用不銹鋼過濾網(wǎng)進(jìn)行攔污處理一級過濾，取高位水池水源利用時還應(yīng)加反沖洗砂石過濾器進(jìn)行過濾，確保水肥一體化施肥機(jī)的正常工作；減壓閥可將給前端水管中超過安全設(shè)定值的壓力釋放，并維持管道中壓力于一安全設(shè)定值以下，以防止管道中高壓或突壓毀損設(shè)備；持壓閥可維持主管道壓力趨于某一設(shè)定值以上，以保障水肥混合液輸出的壓力；水肥混合液在持壓閥的壓力設(shè)定下，通過預(yù)先鋪設(shè)的灌溉管網(wǎng)進(jìn)行作物灌溉，對農(nóng)作物進(jìn)行有效地水肥灌溉。

圖2 水肥一體化灌溉系統(tǒng)總成圖Fig.2 Water and fertilizer integrated irrigation system assembly diagram

此灌溉系統(tǒng)中，將水肥一體化施肥機(jī)采用“后進(jìn)前出”的安裝方式。作物水肥一體化灌溉時，將施肥機(jī)進(jìn)出口手動開關(guān)閥打開；作物只需進(jìn)行水源灌溉時，將施肥機(jī)進(jìn)出口手動開關(guān)閥關(guān)閉，此時水源直接通過主管道進(jìn)行作物的水源灌溉，水肥一體化施肥機(jī)無需啟動，進(jìn)而節(jié)省了成本。

3.2 施肥機(jī)安裝模型建立

以施肥機(jī)“后進(jìn)前出”安裝管道為研究對象，采用SolidWorks建立施肥機(jī)安裝三維模型，如圖3所示。模型中主管道外徑，壁厚2.4 mm，模擬管道材質(zhì)是PVC管，其管道內(nèi)壁粗糙率較低。系統(tǒng)在水肥一體化灌溉時手動開關(guān)閥調(diào)至全開狀態(tài)，因此模型中省略了手動閥的三維建模，提高了仿真分析的效率。

根據(jù)所選泵的參數(shù)可計(jì)算出抽吸泵的出口壓力為

式中:P2為出口壓力，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為水泵揚(yáng)程，m。

圖3 施肥機(jī)裝配三維模型Fig.3 Fertilizer machine assembly 3D model

對于短距離的管道，在一定壓力下流體的流量計(jì)算如下:

式中:Q為流量，m2/s；P為管道兩端壓差；ρ為流體密度，kg/m3；L為管道長度，m；s為管道摩擦阻力，s=；n為管道內(nèi)壁粗糙率；d為管道內(nèi)徑，m。

3.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定

網(wǎng)格的數(shù)量與質(zhì)量對流體仿真分析結(jié)果有重要影響，本文采用FloEFD軟件對導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用全局尺寸為0.5的六面體網(wǎng)格，并進(jìn)行局部加密[12]。劃分結(jié)果如圖4所示，流體網(wǎng)格數(shù)量373473，接觸固體的流體網(wǎng)格數(shù)量152638。檢查網(wǎng)格質(zhì)量后對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定模型水源注口壓力為靜壓0.4 MPa，抽吸泵抽吸體積流量8 m2/h=0.002 m2/s，泵出口壓力P2=0.4 MPa，模型出口邊界條件設(shè)定為持壓閥壓力0.3 MPa。

圖4 施肥機(jī)安裝網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Fertilizer application grid map

3.4 仿真分析

運(yùn)用FloEFD完成上述網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定后，進(jìn)行仿真分析?？紤]到管道長度遠(yuǎn)大于管道直徑，在局部阻力系數(shù)計(jì)算過程中考慮了沿程水頭損失。

根據(jù)伯努利方程，管道前后斷面間能量守恒方程式為

式中:zi和zj分別為管道i、j處的流體勢能，m；pi和pj分別為管道i、j處的流體壓力，Pa；γ 為流體比重；vi和vj分別為管道i、j處的流體速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；hw為水流能量損失。

式中:hf是沿程水頭損失，hj是局部水頭損失，λ為沿程水頭修正系數(shù)，ζ為局部水頭修正系數(shù)，d為管道內(nèi)直徑。

流體分析求解器中目標(biāo)收斂、迭代次數(shù)312，流體分析中該安裝方式能夠正常工作，能夠達(dá)到進(jìn)出口連續(xù)穩(wěn)定輸入及輸出的效果，滿足設(shè)計(jì)要求。在分析結(jié)果中添加流動跡線進(jìn)行流場展示，流動跡線壓強(qiáng)云圖如圖5所示、速度云圖如圖6所示。

由圖5、6的流動跡線可以看出，該施肥機(jī)“后進(jìn)前出”安裝管道能夠?qū)崿F(xiàn)水源及水肥混合液的連續(xù)穩(wěn)定輸入輸出效果。

圖5 施肥機(jī)安裝管道壓強(qiáng)流動跡線圖Fig.5 Fertilizer installation pipeline pressure flow trace diagram

圖6 施肥機(jī)安裝管道速度流動跡線圖Fig.6 Fertilizer installation pipeline speed flow diagram

4 性能試驗(yàn)

根據(jù)施肥機(jī)管道安裝的仿真分析，依據(jù)水肥一體化灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行施肥機(jī)組裝部分的設(shè)備選型試驗(yàn)搭建。選取主管道外徑50 mm，壁厚2.4 mm，最大承壓1.0 MPa的pvc管道；水肥一體化施肥機(jī)抽吸泵電機(jī)功率2.2 kW，揚(yáng)程45 m，抽吸流量。將施肥機(jī)采用“后進(jìn)前出”的方式安裝到所設(shè)計(jì)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)中，對灌溉系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行性能試驗(yàn)。于2018年4月16日在貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行工作性能試驗(yàn)，如圖7、8所示。

圖7 施肥機(jī)安裝管道試驗(yàn)圖Fig.7 Fertilizer installation pipeline test diagram

試驗(yàn)中，此“后進(jìn)前出”安裝方式下施肥機(jī)可以完成吸肥混肥及穩(wěn)定輸出工作，在持壓閥的作用下可以通過鋪設(shè)的灌溉管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對作物的水肥一體化灌溉。且在施肥機(jī)停止工作狀態(tài)下，該安裝管道系統(tǒng)亦可通過主管道對作物進(jìn)行水源灌溉。相對傳統(tǒng)的將施肥機(jī)串聯(lián)到灌溉系統(tǒng)的安裝方式，該安裝方式在不啟動施肥機(jī)的情況下也能進(jìn)行作物單純水源灌溉，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備資源的有效利用。

圖8 田間作物灌溉管網(wǎng)Fig.8 Field crop irrigation pipe network

5 總結(jié)

針對我國丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)狀，基于傳統(tǒng)的水肥一體化灌溉模式，設(shè)計(jì)了一種基于施肥機(jī)“后進(jìn)前出”安裝方案的丘陵地區(qū)水肥一體化灌溉模式。運(yùn)用FloEFD軟件對該設(shè)計(jì)模式中施肥機(jī)安裝管道進(jìn)行仿真分析，得到此施肥機(jī)安裝管道能夠連續(xù)穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)水源的及水肥混合液的輸入輸出效果，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。并對此安裝方式進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)中此安裝方式下該施肥機(jī)可正常工作，且在施肥機(jī)停止工作狀態(tài)下，該系統(tǒng)亦可通過主管道對作物進(jìn)行水源灌溉。驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行性，在山地丘陵高效節(jié)水現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉方面具有一定推廣應(yīng)用意義。