設施大棚沙培蔬菜水肥一體化系統(tǒng)設計

冷啟興　王建良　沈躍良　陳位政　余魁

摘? 要：水肥一體化系統(tǒng)是設施大棚蔬菜栽培系統(tǒng)的重要建設內容。文章介紹了設施大棚沙培蔬菜水肥一體化系統(tǒng)的設計方案，包括系統(tǒng)結構、工作流程、灌溉制度、灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)的設計和確定，可為相關設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：設施大棚;沙培;蔬菜;水肥一體化;灌溉

中圖分類號：S24? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0091-03

Abstract： The integrated system of water and fertilizer is an important part of the greenhouse vegetable cultivation system. This paper introduces the design scheme of the integrated system of water and fertilizer for vegetables in the greenhouse， including the design and determination of the system structure， work flow， irrigation system， irrigation system， fertilization system and automatic control system， which can provide reference for the relevant design.

Keywords： greenhouse; sand culture; vegetable; integrated management of water and fertilizer; irrigation

引言

蔬菜是城鄉(xiāng)居民生活必不可少的重要農產品，保障蔬菜供給是重大的民生問題。近年來，設施蔬菜產業(yè)取得了快速發(fā)展，對解決蔬菜周年均衡供應、促進農民增收、提升農業(yè)資源高效利用等方面具有重要意義。隨著設施蔬菜連作年限增加，特別是水肥管理不科學，導致設施蔬菜土壤連作障礙越來越重。水肥管理是設施蔬菜種植技術中的關鍵環(huán)節(jié)，但很多農戶在設施蔬菜種植過程中管理粗放，導致設施內病蟲害加重、作物徒長、成本增加、效益下降。

無土栽培是近幾十年來發(fā)展起來的一種作物栽培的新技術。無土栽培技術可人工創(chuàng)造良好的根際環(huán)境以取代土壤環(huán)境，有效防止土壤連作病害及土壤鹽分積累造成的生理障礙，充分滿足作物對礦質營養(yǎng)、水分、氣體等環(huán)境條件的需要。沙培是以沙子為基質的一種無土栽培方式。沙培具有通透性強、易采收、清潔、少病害等特征。而且由于沙子的比熱容較小，升溫快，降溫也快，保證地溫的同時，能產生較大溫差，因此，以沙子為基質栽培的果蔬具有口感好、少病害、產量高等優(yōu)勢，深受消費者的青睞。但是沙子的保水能力較差、肥效低，與傳統(tǒng)的土壤栽培有較大差異，因此，為了保證設施大棚沙培蔬菜得到合理、可靠、穩(wěn)定的灌水和施肥，需要對設施大棚沙培蔬菜水肥一體化灌溉系統(tǒng)進行專門的設計。本文以位于浙江省平湖農業(yè)經濟開發(fā)區(qū)農創(chuàng)園沙培蔬菜設施大棚項目區(qū)進行設計。

1 總體設計

1.1 系統(tǒng)結構

沙培蔬菜水肥一體化灌溉系統(tǒng)主要采用水肥一體化技術與物聯網控制技術相接合，由灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)三部分組成。灌溉系統(tǒng)主要由水源工程、首部樞紐、田間灌溉管網及灌水器構成;施肥系統(tǒng)主要由控制器、肥料灌、施肥器、傳感器以及混合罐、混合泵等組成;自動化控制系統(tǒng)主要有兩線解碼控制技術、解碼器、電磁閥等組成。

1.2 工作流程及原理

上位機管控系統(tǒng)→水源→量測裝置（水表、壓力表）→過濾器裝置（進排氣裝置）→施肥機→干管（地埋PVC管）→支管→灌水電磁閥→地面PE管→滴灌灌水器。

2 設計滴灌系統(tǒng)參數的確定

2.1 灌溉設計保證率

根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）：經濟效益較高的作物，灌溉設計保證率應取85%～95%中較大值，蔬菜沙培水肥一體化灌溉設計保證率取值為95%。

2.2 種植模式

沙培蔬菜種植采用固定式栽培槽種植，種植槽寬度為1.2m，耕作道路0.6m，蔬菜種植株行距為0.25×0.25m，灌溉方式采用一膜四管五行，種植模式如圖1。

2.3 灌溉水利用系數

規(guī)范《微灌工程技術規(guī)范》（GB/T50485-2009）規(guī)定：對于滴灌水利用系數不應低于0.9、微噴灌、涌泉灌不應低于0.85。

2.4 設計作物耗水強度Ea

規(guī)范《微灌工程技術規(guī)范》（GB/T50485-2009）規(guī)定：設計作物耗水強度應由當地試驗資料確定，無資料時可通過計算下表1選取。

項目區(qū)為蔬菜保護地且位于濕潤地區(qū)，設計作物耗水強度取中間值3mm。

2.5 設計灌水均勻系數Cu

規(guī)范《微灌工程技術規(guī)范》（GB/T50485-2009）規(guī)定：微灌系統(tǒng)灌水小區(qū)灌水器設計允許流量偏差率應滿足[qv]≤20%。

2.6 設計濕潤層深度

蔬菜沙培水肥一體化由于沙子鋪設厚度為0.15m，設計濕潤層深度取0.15m。

2.7 沙培土壤特性指標

沙子的容重按照為1.6g/cm3，田間持水量為8%（重量比），適宜土壤含水率上限？茲max取田間持水量的95%，下限？茲min取65%。

3 灌溉制度確定

3.1 最大凈灌水定額

式中：mmax，最大凈灌水定額，mm;γ，土壤容重，1.6g/cm3;h，計劃濕潤土層深度，0.15m;？籽，設計土壤濕潤比，0.9;？茲max，？茲min-適宜土壤含水率上下限，占干土重量的百分比。上下限一般取田間持水量（重量比）的65～90%，田間持水量為25%。經計算mmax=5.2mm。

4 系統(tǒng)設計

4.1 灌溉系統(tǒng)

（1）水源工程：項目水源為地表水與收集雨水作為灌溉水源，通過離心泵將水輸送至田間，水泵采用變頻控制。

（2）過濾系統(tǒng)：滴灌對系統(tǒng)水質要求較高，設計水源為地表水及雨水，考慮水質穩(wěn)定性不強，在系統(tǒng)首部安裝一套砂石過濾器及一套碟片式過濾器對水源進行過濾，過濾器均具備自動反沖洗功能，可根據過濾器前后壓力差實現過濾器自動沖洗功能。

（3）田間輸配水管網：輸配水管道包括干、支、毛，項目干管采用硬聚氯乙烯管（PVC-U），埋設于地下;支管采用聚乙烯管（PE管），直接鋪設地面上。

（4）灌水器：設計灌水器采用貼片式滴灌帶，滴灌帶壁厚為0.4mm，內徑為15.2mm，滴頭間距為0.2m，額定工作壓力hd=10m，額定流量qv=2.0L/h，流態(tài)指數x=0.5。滴灌帶采用多行直線布置，布置方式為一膜四管六行。

4.2 施肥系統(tǒng)

施肥系統(tǒng)采用水肥一體機進行施肥。施肥機由顯示屏、主控制系統(tǒng)、水泵控制單元、灌溉電磁閥控制單元、報警裝置、3路電動閥控制帶流量顯示的文丘里吸肥通道（可擴展）、EC/PH檢測單元等構成。系統(tǒng)在一個標準支撐平臺的基礎下，主控制系統(tǒng)利用安裝在吸肥通道上的流量計監(jiān)測肥料用量，利用主管道上的流量計監(jiān)測水用量，控制3路吸肥電動閥的開度，直至主管道的水量和肥料通道上的肥料用量達到設定比例值，當主管道水量發(fā)生變化時，自動調節(jié)肥料吸入量，始終將吸肥量維持在一個穩(wěn)定水平，然后打開田間電磁閥進行灌溉，設備配肥精準，靈敏度高。

4.3 自動化控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)運行農業(yè)物聯網自動化控制技術對系統(tǒng)進行自動控制，主要包括兩線解碼控制器、解碼器和田間電磁閥三部分：

（1）兩線解碼技術：基于兩線解碼技術的自動灌溉系統(tǒng)是由灌溉系統(tǒng)軟件及上位機、主控制器、解碼器、電磁閥、傳感器等組成。灌溉系統(tǒng)主控制器通過兩芯電纜線與解碼器連接，各解碼器與電磁閥和各類傳感器相連，采用低功耗電力線載波通信技術。每個解碼器都有一個或多個地址，灌溉系統(tǒng)根據編制好的程序通過兩芯信號線向不同地址傳送命令，地址激活后，解碼器允許電流流向電磁閥或傳感器，控制電磁閥開啟或讀取傳感器相關數據，實現灌溉系統(tǒng)功能。

與多線分控灌溉控制系統(tǒng)相比，基于兩線解碼技術的自動灌溉系統(tǒng)控制線的敷設距離明顯縮短，線纜總數量比多線分控箱系統(tǒng)減少約70%～80%，遭受雷擊的幾率也相應減少;在一條兩芯電纜線上實現多個地址控制，線路出現各種故障的幾率也大為降低，可靠性顯著提高，便于后期維護管理。

（2）田間解碼器：解碼器是兩線解碼技術的核心設備，是控制電磁閥開關的中間設備，通過編寫地址碼，識別灌溉閥區(qū)，完成開閉動作，從而實現系統(tǒng)的輪灌灌水，解碼器是將具有開關量、模擬量輸入輸出功能的微處理器、防雷接地保護裝置，用壓縮樹脂方法固化在塑料殼體中制作而成，它可以很好地保護內部電子元器件， 做到防水防蝕，可直接埋于地下。

（3）電磁閥：電磁閥是起到開關水量的作用，通過控制電磁線圈的通斷來實現，設計采用AC24v交流電磁閥進行，電磁閥需要穩(wěn)定性好，使用壽命長。

（4）控制軟件：本系統(tǒng)采用兩套控制方式：現地控制和遠程控制，現地以智能施肥機為控制核心，通過人工在施肥機操作平臺上進行設置，到達預設值后系統(tǒng)自動啟動，同時開發(fā)一套手機APP程序進行遠程控制，通過內置的物聯網卡實現遠程通訊，無距離限制。

5 結束語

沙培蔬菜水肥一體化系統(tǒng)不僅實現了灌溉施肥遠程控制，可節(jié)省勞動力;而且實現了水肥的精準化種植、高效化管理，有利于設施大棚沙培蔬菜生產的標準化發(fā)展;同時進一步提高了沙培蔬菜生產效率，提升了農產品品質，有效改善了設施大棚生產環(huán)境。在推進農業(yè)供給側結構性改革和農業(yè)高質量發(fā)展的大背景下，設施大棚沙培蔬菜水肥一體化系統(tǒng)具有很好的推廣應用前景。

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