滴灌-微噴水肥藥一體化系統在設施農業灌溉中的應用
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摘要 目前，設施農業主要灌溉方式為滴灌，滴灌有明顯的節水效果，配合施肥機使用可以實現水肥一體化管理，但是單獨使用有很多局限。微噴灌作為一種優良的節水灌溉方式，正好可以彌補滴灌的不足。本文介紹了滴灌-微噴水肥藥一體化系統的組成部分及系統設計要點，以期為提高設施農業灌溉效率提供參考。
關鍵詞 設施農業;滴灌-微噴水肥藥一體化;系統設計;綜合管理
中圖分類號 S275.5;S275.6 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2019）01-0153-01
隨著農業科技的發展，設施農業成為農業領域新的增長極，設施農業有效改善了農業生產環境，延長了農業生產季，提高了農業生產效率和經濟效益。在設施農業中一般有完善的灌溉系統，我國目前采用的灌溉系統主要為膜下滴灌，單獨使用滴灌會造成幼苗定植時緩苗時間長，幼苗成活率低，且夏季高溫時降溫困難。微噴灌可以與滴灌互補，但單獨使用噴灌，大棚中濕度過高，會導致病蟲害的發生。滴灌結合微噴主要適用于設施農業中，以滴灌為主要的灌溉系統和施肥系統，以微噴灌系統作為補充灌溉、噴施肥料和農藥以及調節溫室田間氣候使用。
滴灌-微噴水肥藥一體化系統是指滴灌技術與微噴灌技術相互結合的系統。滴灌技術是按照作物需水量，通過輸配水管網與安裝在毛管上的滴水器，在既定的灌水方案下將定額水、肥、藥，均勻而又緩慢地滴入作物根區土壤中的灌水方法。而微噴灌技術是利用輸配水管網與安裝在毛管上的噴水器，將水、肥、藥噴至離作物生長區域土壤較低的空中，使其在空中結成小水滴均勻地噴灑至作物表面并調節作物周圍溫度的灌水方法。將這2種灌水技術融為一體即為滴灌-微噴水肥藥一體化系統。
1 滴灌-微噴水肥藥一體化系統組成部分
1.1 水源工程
地表水、地下水等均可作為滴灌-微噴水肥藥一體化系統的灌溉水源，但水質需要符合其要求。
1.2 首部樞紐
首部樞紐包括水泵、過濾器、施肥機、肥料桶、系統保護閥、量測控制儀表、變頻控制柜等，是整個系統的控制操作中心。
1.3 輸水配水管網系統
輸水配水管網系統是指將首部樞紐過濾的水、肥、藥通過各路干支管道按照需水施肥要求輸送、分配到每個灌水小區和灌水器的管網系統[1]。
1.4 灌水器
灌水器是滴灌-微噴水肥藥一體化系統的核心部件，水由毛管流入滴頭或噴頭，滴頭或噴頭再將灌溉水流在一定的工作壓力下滴入土壤或噴灑在作物葉面上。
2 滴灌-微噴水肥藥一體化系統設計要點
滴灌-微噴水肥藥一體化系統的設計不能按照單一的滴灌或者微噴灌灌溉系統要求設計，要將兩者兼顧起來，統籌設計。
2.1 管道布置原則
管道布置是滴灌-微噴水肥藥一體化系統中的重要環節，直接影響著系統成本的變化。根據以下原則來布置管網：首先根據作物種植行距確定滴灌毛管走向，毛管走向與作物行距平行，常見設施大棚作物行距都是垂直于棚長方向;其次根據設施大棚的棚寬來確定微噴灌毛管走向，棚寬相對窄的，毛管走向與棚長方向平行，而棚寬相對寬的，毛管走向與棚寬方向平行，常見設施大棚微噴灌毛管走向都沿著棚長方向布置，滴灌-微噴灌支管都與毛管垂直。對于分干管、主干管的布置，應從項目地實際考慮，采用“梳”形布置[2]，以避免管道橫穿設施大棚和破壞棚內作物的正常生長。
2.2 管道管徑確定
計算管徑時，各級管道的管徑通常采用經濟流速計算[1]。對于毛管和支管的管徑計算，依據《微灌工程技術規范》[2]。對于多孔出流管的管徑計算，計算公式為D=1 000，其中，D為管道內徑（m），Q為管道的設計流量（m3/h），V為管道內的經濟流速（m/s）。對于干管的管徑計算，計算公式為D′=10（tnxn）0.15Q干0.43，由于管材價格的變化，需用式D=（3 900/Y′）0.15D′將管徑修正，其中，tn為年運行時間（h，取值受作物種類和灌溉制度的影響），xn為電費[元/（kw·h）]，Y′為PVC-U管現行價格（元/t）。滴灌-微噴水肥藥一體化系統采用2 套毛、支管網系統，一套主、分干管管網系統，在計算管徑時，Q取值應考慮棚內2套毛、支管網系統同時運行。
2.3 管道壓力計算及施肥系統選配
2.3.1 首部壓力水頭損失。首部壓力水頭損失的計算要考慮最不利管路的水頭損失[3]，隨后將管路水頭損失逐級往上相加推算求得，計算公式為H首=Δ+Σhf+Σhw+h0。H首為管道首部需要提供的供水水頭（m），Δ為首部供水點與典型支管進口高差（m），h0為典型支管進口設計水頭（m），Σhf為首部供水點至典型支管進口的管道沿程水頭損失（m），Σhw為首部供水點至典型支管進口的管道局部水頭損失（m）。地勢較為平坦的，首部供水點與典型支管進口高程相等，即Δ=0 m。
2.3.2 沿程水頭損失。沿程水頭損失是指水流在一定長度的順直管道內流動時的壓力水頭損失。滴灌-微噴灌系統總沿程水頭損失是毛管、支管和干管沿程水頭損失之和。毛管和支管沿程水頭損失采用多孔出流水力計算，計算式為hf=[-Nm（1-S0/Se）]，其中，hf為毛管或支管沿程水頭損失（m），S0為毛管或支管進口至首孔的間距（m），Se為毛管或支管上出水口的間距（m），N為管道上出水口數目，qd為毛管或支管灌水器設計流量（L/h），f為摩阻系數，d為管內徑（mm），m為流量指數，b為管徑指數。干管都屬于單出水口管道，一般情況下，當出水口數N<3時，其管徑由經濟流速求出，作為初選管徑。干管沿程水頭損失計算式為h干=L。h干為干管水頭損失（m），f為沿程水頭損失摩阻系數，m為流量指數，d為管道內徑（mm），b為管徑指數，Q為管道設計流量（L/h），L為管道長度（m）。
局部水頭損失是指水流在管道中流過不同管道（三通、彎管、閥門、變徑管）所產生的壓力水頭損失。局部水頭損失計算公式為hj=Σξi，其中，hj為局部水頭損失（m），ξi為管網某處局部阻力系數，v為管道內水流流速（m/s），g為重力加速度（m/s2）。由于滴灌-微噴灌系統大小管件、閥門種類繁多復雜，逐一計算難度比較大，為方便起見，管道局部水頭損失一般可根據系統大小及地形復雜情況，取沿程損失的5%～10%[4]。
2.3.3 施肥系統。滴灌-微噴水肥藥一體化系統的施肥系統采用旁路式四通道施肥機，施肥通道運用文丘里吸附原理，可以實現定量或比例精確施肥，提供多種施肥方案，還可實現EC/PH調節控制，最終能快速、高效地調整施肥方案。滴灌-微噴水肥藥一體化系統主要運用在設施農業中，滴灌系統為主要的施肥系統，同時也可針對地下病蟲害進行施藥防治。微噴系統用于作物花果期噴施葉面肥，及時補充作物所需營養，提高果實品質，并且可作為主要病蟲害防治的施藥系統[3-4]。
3 結語
滴灌-微噴水肥藥一體化系統克服了滴灌和微噴在設施農業中單獨使用的不足，充分發揮了2種灌溉方式的優點，達到了灌水、施肥、施藥一體化，實現了水、肥、藥、土壤在同個系統中的綜合管理。一方面可以提高水、肥、藥的利用效率;另一方面可以通過水、肥、藥的調控提高農產品品質，提高農作物抗性，減少病蟲害發生，改善土壤結構，從而實現農業的良性循環。
4 參考文獻
[1] 馮淑萍，姚青云.寧夏農村飲水安全工程UPVC管經濟流速確定[J].寧夏工程技術，2015，14（2）：138-140.
[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.微灌工程技術規范：GB/T 50485-2009[S].北京：中國標準出版社，2009.
[3] 葉連橋.農田水利灌溉系統滴灌工程設計[J].城市建設理論研究：電子版，2013（7）：578.
[4] 夏明華，呂忠良，王江濤.大田作物滴灌噴灌共用系統設計[J].安徽農業科學，2010，38（31）：17840-17841.
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