家庭農(nóng)場蔬菜園滴灌裝置的設(shè)計與測試

李延國 李建軍 孫雪嬌 黃雷 王立新 歐志鵬 何禹 任慧 楊眉

摘要：在大多數(shù)家庭蔬菜園生產(chǎn)過程中，人們越來越需要一個造價比較低的能夠負(fù)擔(dān)得起的小型滴灌裝置來進(jìn)行澆水和施肥，以達(dá)到省時、省力和增加產(chǎn)量的目的。因此，設(shè)計一種小型蔬菜種植園的滴灌裝置，具有廣闊的發(fā)展前景。滴灌裝置是在主要管道上由1條主管道、3條橫向管道和沿橫向間隔的滴灌帶組成。滴灌帶的輸送流量設(shè)計為2.12L/h，同時完成1次區(qū)域（10m×5m）的灌溉面積，該區(qū)域設(shè)計為4h的灌溉時間，采用3個橫向的2個輪班進(jìn)行灌溉設(shè)計和測試。

關(guān)鍵詞：滴灌裝置;滴灌帶;主管道;橫向管道

中圖分類號：S23? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229022

引言

滴灌為家庭蔬菜園提供了一種灌溉效率高和能夠提高園藝產(chǎn)量的實用技術(shù)。通過吸取在大田作物方面的灌溉經(jīng)驗，并根據(jù)蔬菜水分吸收率而采用施用少量水及液體肥料，使土壤持續(xù)保持在對蔬菜生長處于最佳狀態(tài)的有利條件。由于滴灌裝置施水通常是在靠近植物根區(qū)進(jìn)行的，所以滴灌施水采用的是通過濕潤行間和壟脊的辦法使灌溉水損失最小化。因此滴灌與其他灌溉方式相比，無論是在蔬菜產(chǎn)量還是節(jié)水方面都具有很大的優(yōu)勢。

滴灌水肥一體化技術(shù)可做到配方施肥，滿足作物不同生長時期對不同養(yǎng)分的需求，可實現(xiàn)平衡施肥和集中施肥，有效減少肥料揮發(fā)和流失，抑制面源污染及過量施肥造成土壤酸化、板結(jié)問題，使土地更環(huán)保。種植者可通過科學(xué)灌溉，合理用肥，不僅能夠使作物生長健壯，還有利于提高果蔬產(chǎn)量和品質(zhì)。同時勞動強度、灌溉、施肥用工量大幅度減少。在節(jié)約用水的同時可減少庭院內(nèi)空氣濕度，降低了果蔬的病蟲危害。同時可大幅降低用水用肥和用藥成本，減少費用支出。

雖然現(xiàn)有的滴灌系統(tǒng)在用水方面效率很高，但其系統(tǒng)組成比較復(fù)雜，包含有許多次級組件，成本比較高，其主要原因是缺乏系統(tǒng)實踐。而且購買安裝滴灌裝置的費用比較高。如果大量發(fā)展家庭農(nóng)場蔬菜園經(jīng)濟(jì)，使人們享受到滴灌帶來的好處，就需要在蔬菜園中使用價格合理且適用性能優(yōu)良的滴灌裝置。因此，本文的主要目的是為家庭農(nóng)場蔬菜園設(shè)計經(jīng)濟(jì)適用的滴灌裝置，綜合考慮水分和養(yǎng)分管理，使兩者相互配合、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)。以水促肥、以肥調(diào)水、因水施肥、水肥耦合，全面提升庭院農(nóng)場果蔬產(chǎn)量水平和水肥利用效率。

1滴灌裝置的組成及材料選擇

滴灌裝置的組成部分基本上由主管道、橫向管道和滴灌帶等組成。主管道將水輸送至肥料罐，肥料罐將水輸送至副管道和橫向管道，安裝在橫向管道上的滴灌帶分配灌溉用水。主管道、副管道和橫向管道通常由聚氯乙烯（PVC）管制成，滴灌帶通常采用黑色的聚乙烯（PE）材料制成。滴灌裝置首選聚氯乙烯和聚乙烯材料，因為其能夠承受含鹽水灌溉過程對管件的侵蝕，也不受有機(jī)肥和化肥的影響。

滴灌裝置還包括肥料罐、壓力表、流量計、壓力調(diào)節(jié)器、過濾器、沖洗閥和輸送泵等配件。

2設(shè)計采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

壟脊長度（橫向）：10m;

壟脊寬度：50cm=0.5m;

壟脊面積：10m×0.5m=5m2;

壟脊深度：0.5m;

壟脊中心距離：1m;

工作壓力H：10m（水柱）;

橫向坡度：1%;

滴灌帶數(shù)量：10m×17根，沿水平間距60cm等距分布。

3水分消耗量的測定

3.1灌溉要求

將有效根區(qū)土壤含水量提高到田間持水量所需的灌溉水量。凈灌溉深度可根據(jù)凈灌溉需求量（RAW）來確定，以種植西紅柿為例，公式為：

RAW=MAD×AW

式中，RAW為凈灌溉需水量（mm）;MAD為允許最大缺水量（%）;AW為土壤有效水分（mm）。

其中，AW=Drz×（Fc–PWP）×（P0）/100

式中，Drz為有效生根深度（m）;Fc為田間含水量體積百分比（%）;PW為永久性萎蔫點體積百分比（%）;P0為濕潤面積與總面積的百分比（%）。

由于西紅柿為深根性作物，自身根系較為發(fā)達(dá)，在土層中分布廣而深，吸收水肥能力較強，具有一定的耐旱、耐肥能力[5]。所以?。篗AD為50%，Drz為0.90m，P0為40%;Fc 為11.7%，PWP為3.7%，則：

RAW=（50%×0.9×11.7-3.7）×40%=14.4mm

3.2總灌溉需水量（Qx）（整個灌溉過程中總用水量）總灌溉需水量Qx=凈灌溉需水量（RAW）/滴灌裝置利用效率=14.4mm/80%=18 mm（滴灌裝置利用效率為80%）

3.3灌溉間隔（It）

設(shè)計灌溉間隔=總灌溉需水量/平均蒸騰流量，即：

T=Et×Ps/85%

式中，T為平均蒸騰量（mm/d）;Ps為作物遮蔽的面積占總面積的百分比（%）;Et為作物消耗水分利用率（mm/d）。

傳統(tǒng)上公認(rèn)的西紅柿種植參數(shù)，取Ps為40%，Et為7.5mm/d。則：

T=7.5×40%/85%=3.53（mm/d）

因此，灌溉間隔為It=Qx/T=14.4mm/3.53mm/d=4d，這是對種植西紅柿正常用水所需要的最大灌溉間隔。

3.4灌溉周期（Ip）

灌溉周期是指在灌溉作物的最大消耗使用期內(nèi)，允許對特定設(shè)計區(qū)域進(jìn)行1次灌溉的天數(shù)。即：

Ip=（Mb-Ml）×bd×drz /（100×Cu）[3]

式中，Ip為灌溉周期（d）;Cu為種植使用量（mm/d）;Mb為開始灌溉時土壤水分含量（%）;Ml為水分含量在根區(qū)灌溉減少的最低限度百分比（%）;bd為種植區(qū)域土壤比重（g/cm3）;Drz為有效生根深度（m）。

其中，Mb-Ml=0.75FC-0.625FC=0.125FC [3]

式中，F(xiàn)c=11.7%，Drz=900mm，Cu=7.5mm/d，bd=1.70g/cm3，則Ip=（0.125×11.7×900×1.70）/（100×7.5）=2.96d

單根壟脊面積=長度×寬度=10m×0.5m=5m2

試驗采用24h、12h和6h的3種實際灌溉時間，在給出了每條橫向管道的最大流量之后，選擇6h灌溉時間進(jìn)行設(shè)計。

Q24=體積 / 時間=0.216m3/24h=0.009m3/h=9L/h

Q12=0.216m3/12h=0.018m3/h=18L/h

Q6=0.216m3/6h=0.036m3/h=36L/h

對于單個壟脊的滴灌帶設(shè)計流量為 Qd=0.01L/s，按照6h進(jìn)行設(shè)計，對于17個滴灌帶總流量為Q0=36L/h，因此，對于滴灌帶單根設(shè)計輸送流量為 36/17=2.12L/h，主管道總流量=Qz×3=36L/h×3=108L/h。

3.5滴灌容量設(shè)計

在設(shè)計中，灌溉蔬菜園的面積為50 m3（10m×5m）。因此，每次灌溉所需的用水量=菜園區(qū)域×灌溉深度=10m×5m×1.8cm=100dm×50dm×0.18dm=900L。

3.6過濾器的設(shè)計

在保證滴灌頭不發(fā)生堵塞的前提下，過濾器的過濾精度選擇為100～200目的不銹鋼或者尼龍等耐腐蝕材料制成的濾網(wǎng)，過濾器殼體內(nèi)部裝入5～10目石英砂，過濾器被安裝在肥料供給主管道上。

3.7輸送均勻性設(shè)計

輸送均勻性由以下公式計算：

EU=100×（n-1.27×Cv）×qm /qa[1]

式中，EU為設(shè)計輸送均勻性，以百分比計;n為相同單位長度的橫向植株間距，取n=1[1];Cv為制造商的管道輸送變異系數(shù)，取Cv=0.09[1];qm為裝置中的最小壓力下的最小輸送流量，取qm=2.19L/h（根據(jù)表1）;qa為平均值或設(shè)計滴灌帶輸送流量L/h，取qa=2.12L/h;則EU=100×（1.0-1.27 × 0.09）×2.18 /2.12=91.23%，取整數(shù)為91%。

4滴灌裝置平面布置圖

6壓力變化

6.1橫向管道總壓頭損失（H）

液體在輸送過程中與輸送管道內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，而導(dǎo)致壓力損失，橫向管道總壓頭損失可表示為：

H=5.35×（Q1.852/D4.871）×L [1]

式中，H為橫向摩擦總壓頭損失 （m） ;Q為橫向進(jìn)口輸送流量（L/s）;D為橫向輸送管內(nèi)徑（cm）;L為橫向管道長度（m）。

其中，Q=0.036L/s，D=1.5cm，L=10m，則H=5.35×（0.0361.852/1.54.871）×10=0.01573m，取H=0.016 （m）。

6.2滴灌帶工作壓力（He）

根據(jù)流量計算方程計算：

Q=1.41×He0.5 [4]

式中，Q為滴灌帶單根設(shè)計輸送流量（L/h），He為滴灌帶工作壓力（m）。

其中，Q=2.12L/h，則：He0.5=2.12 /1.41 → He=（1.5）2 =2.25（m）

6.3主管道產(chǎn)生的壓頭損失（Hm）

根據(jù)威廉斯和哈森方程，管道沿程摩擦系數(shù)取c=150

Hm=12.57×（Q1.852/D4.871）×L [2]

式中，Hm為主管道產(chǎn)生的壓頭損失（m）;Qz為主管道的總流量（L/s）;L為管道長度（m）;D為主管道內(nèi)徑（cm）。

其中，Qz=0.03L/s，D=2.0cm，L=6m，則Hm=12.57×0.031.852/2.04.871）×6=0.0039m

6.4橫向管道壓頭損失HL

根據(jù)方程計算：

HL =5.35×（Q1.852/D4.871）×L [1]

式中，HL為 橫向管道壓頭損失（m）;Q為 單個滴灌帶設(shè)計流量（L/s）;D為 橫向管道內(nèi)徑（cm）。

其中，Q=0.01×17=0.17 L/s，D=1.5cm ，L=10m，則HL =5.35×（0.171.852/1.54.871）×10=0.0052m

ΔZL =hl

hl=FHL + Mi

Mi=配件產(chǎn)生的輕微損失=0

F=0.33 [4] 可知

hl=0.33×0.0052（m）=0.001716（m）=0.002（m）

ΔZm=0.33×0.002 （m）=0.00066 m

6.5過濾器的壓力損失（P）

Q=1.41×P0.5

式中，Q=1.4L/s。

則：1.4=1.41P05 → 1.4/1.41=P0.5 → P=1 （m）

6.6橫向管道平均壓力（Ha）

Ha=He+1/4hf +ΔZL/2

=2.25+（1/4）×0.016+0.002/2

=2.255 （m）

6.7橫向管道入口壓力（HR）

HR=Ha+3/4hf +ΔZL/2

=2.255+（3/4）×0.016+0.002/2

=2.268 （m）

6.8工作壓力Ho

HO =Hm+p+HF+HL+He

HO=2.27+1+2.96+2.268+2.25=10.77 （m）

6.9壓力變化（Hvar）和流量變化（qvar）

Hvar=（Hmax-Hmin）/ Hmax

qvar=（qmax-qmin）/ Qmin，

表1顯示測試結(jié)果為： qmax=2.43L/h，qmin=2.18L/h

則 qvar=（2.43-2.18）/2.43=0.10288=10.3%

由qvar，Hvar可以計算為：

qvar=1-（1-Hvar） → 0.10288=1-（1-Hvar） →

0.10288=1-1+Hvar→ 0.10288=0+Hvar →

0.10288=Hvar→ Hvar=（Hmax-Hmin）/ Hmax

0.10288=（10-Hmin）/10→ 0.10288 × 10=10-Hmin → 1.0288=10-Hmin

Hmin=10-1.0288=8.9712 （m）

6.10滴灌帶輸送流量（v）

qa=av，Qa=π（d/2）2/v

式中，qa為每次灌溉所需的用水量cm;v為滴灌帶的流速m/s;a為滴灌帶的面積m2;d為滴灌帶直徑，d=3mm。

其中，qa=9.0×102 /3600 s m3=π（0.003/2）2/v，則v=9.0×102 /[3600×π（0.0015）2]=0.028m/s

7結(jié)果與討論

對已建成的滴灌裝置進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表1。

橫向管道1的輸送流量為2.43L/h，這是滴灌裝置的最大輸送流量;橫向管道2的輸送流量為2.20L/h;橫向管道3的輸送流量最小，為2.18L/h;輸送值接近設(shè)計輸送流量2.12L/h。橫向管道3的輸送流量變化最小，為8.4%，橫向管道1的輸送流量變化最大為10%，壓力變化為10%，最小壓力為9m水柱。

6個壟脊設(shè)計需水量是0.36m3（360L），按每側(cè)橫向輸水量36L計算，灌溉所需時間為360/108=3.3h，取整數(shù) 3h，完成設(shè)計區(qū)域的1次灌溉。因此，輪班次數(shù)為3h。

脊數(shù)/輪班次數(shù)=6/3=2，允許使用期為3d。

由于需要360L的水才能完成設(shè)計區(qū)域的1次灌溉，1個1.5m3的儲水箱至少可以完成4次灌溉，這4次灌溉將在高峰消耗期持續(xù)12d。

8結(jié)論

與傳統(tǒng)的灌溉和施肥措施相比，滴灌水肥一體化技術(shù)及裝置具有顯著的優(yōu)點：省水、省肥、省時，降低果蔬生產(chǎn)成本;降低病蟲害發(fā)生幾率，保證農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量;減少環(huán)境污染;改善土壤微環(huán)境、提高微量元素使用效率、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的建設(shè)等。使用當(dāng)?shù)啬陀貌牧蟻斫ㄔ旒彝マr(nóng)場蔬菜園的滴灌裝置，并根據(jù)測試結(jié)果選擇合適的規(guī)格尺寸，可以最大限度地減少初始投資成本高的問題。雖然滴灌技術(shù)有許多優(yōu)點，但是如果建造成本過高，也會阻礙普通人們采用滴灌技術(shù)。本研究設(shè)計及建構(gòu)的滴灌裝置可應(yīng)用于大小農(nóng)場和庭院蔬菜園，其是在種植者能夠掌握該項技術(shù)和經(jīng)濟(jì)承受能力范圍內(nèi)，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Agricultural engineers， Year Book[G].Publishers： American Society of Agricultural Engineers. 1981-1982.

[2] Howell， T. A.， D. S. Stevenson， F. K. Aljibury， H. M. Gitlin， I. P. Wu， A. W. Warrick， P. A. C. Roots，Design and operation of trickle （drip） systems. In： Design and operation of farm irrigation systems， M.E Jensen （Ed.）， ASAE Monograph 3， St. Joseph， MI [M]. 1980， 663-717.

[3]Isrealson， O. W.， E. Vaughn， V. E. Hanson， Irrigation principles and practice [M].Edition， John Willey and Sons Inc.， New York. 1962， 3rd.

[4] James， L. G.， Principles of farm irrigation system design， Krieger publishing company， Krieger Drive， Malabar， Florida [M]. 1988.

[5]孫旭霞，薛玉花，尹麗紅.番茄的營養(yǎng)特性與科學(xué)施肥技術(shù) [J].河北農(nóng)業(yè)科技，2007（7）：9.