一種溫室兼做作物爬蔓繩的有芯微管微灌系統設計

2017-03-21 08:38:26劉英超陳夢醒侯書林蔣三生

節水灌溉 2017年4期

關鍵詞：系統

劉英超，陳夢醒，諸剛，侯書林，郭輝，蔣三生

(1北京農業職業學院，北京 102208；2.中國農業大學，北京 100083；3.密歇根大學)

0 引言

灌、滴灌和滲灌為目前溫室主要采用的灌溉方式。溝灌是在作物行間開挖灌水溝，水從輸水溝進入灌水溝后，在流動的過程中，主要借毛細管作用濕潤土壤。噴灌是使用專用設備噴頭通過壓力將水噴射到空中，形成的水滴落到作物表面和噴灌面的灌溉方法。兩種灌溉方式消耗用水量大，導致溫室濕度加大，土壤地表容易結殼，破壞土壤結構，同時濕度大容易滋生病蟲害，影響作物生長、品質及產量。滴灌是利用滴灌管將水通過毛管上的滴頭或孔口送到作物根部，進行局部灌溉的灌溉方式。滴灌的不足是容易堵塞和結垢，需對水源進行嚴格的過濾處理。滲灌管埋設在作物根系層，天長日久，易產生堵塞，滴灌管、滲灌管的鋪設與收集費時、費工，維護困難，限制了該技術的大面積推廣[1]。

1 結構設計

1.1 系統組成系統構成如圖1所示。

1-總閥門；2-過濾器；3-主管；4-軟管；5-控制閥；6-支管；7-支持架；8-有芯微管圖1 系統圖

圖2 系統支管移動圖

1.2 工作過程

灌溉水經總水源閥門1，由過濾器2過濾大顆粒雜質進入主管，主管上按一定距離開設出水口連接支管，支管的間距根據具體植株行距而定。主管與支管之間連接軟管4，軟管可保證支管在一定范圍內左右移動。如圖2所示，改變軟管的長度，可以調整移動距離的大小以適應不同作物行距設置不同的灌溉作業。

如圖3所示，系統主管、支管結構圖，主管、支管結構相同，均為在管路同側等距開設出水口。主管出水口連接軟管4，軟管可調節支管在一定范圍內移動，適應不同的作物行距。支管的出水口連接有芯微管。支管與有芯微管之間同樣連接軟管，以使有芯微管在一定范圍內移動，適應不同的作物株距。如圖4所示為有芯微管結構圖，本文研究的有芯微管為一種復合材料組成，分內外兩層，外層為疏水性材料，避免水分揮發，同時要具有較大摩擦系數的材料，外層同時兼做作物爬蔓繩如圖5所示，有利于作物攀附并要具有一定的抗拉強度，能承受較大拉力，抗破壞性和重復利用性強。芯層為親水性材料，且要耐腐蝕。芯層可起到過濾器的作用，可過濾細小顆粒雜質等，節省成本。水流通過有芯微管在芯層虹吸力、毛細管力和重力勢能的共同作用下，直接作用于作物根部，僅需低壓供水，節省能耗。芯層同時具有消能作用，可避免輸水過程中壓力不均導致水流分配不均，解決了灌溉均勻性問題。

圖3 系統主、支管結構示意圖

圖4 有芯微管結構示意圖

圖5 有芯微管代替作物爬蔓繩示意圖

2 系統管道水力計算

田間供輸水管徑的計算是壓力管網設計的重要內容，主管、支管和有芯微管的管徑確定通過經濟流速來選擇。各級管道管徑的確定如下：

Q=Av

(1)

由

(2)

故：

(4)

式中：D為供水管道的內徑，m;Q為總供水流量，m3/s;v為管道內額定經濟流速，m/s；A為管道斷面的橫截面積，m2。

根據經濟流速的選擇合理確定管道直徑，規范給出：硬質塑管的低壓供水流速范圍為1.0～1.5 m/s；塑料軟管的低壓供水流速范圍為0.5～1.2 m/s。

由式(4)及允許的額定流速范圍，可得到選擇不同流量范圍下的適宜管徑，計算結果見表1。

表1 不同流量范圍對應的硬質塑料管管徑[2]

管道水力計算結果，塑料管徑規格、灌區末級供水流量的大小、灌溉系統投資情況等因素是塑料管道管徑選擇要考慮的綜合因素，最終以管件生產規格和綜合技術經濟來確定管徑。

3 試驗設計

選擇在北京農業職業學院現代農業裝備溫室大棚，劃分3個試驗區：灌溉面積為每種16 m2，試驗設計分別為常規溝灌區、滴灌區、有芯微管微灌試驗區。地段具有良好的試驗條件、土地平整，肥力均勻，田間地面坡度在10%以內。

試驗對象為爬蔓類作物黃瓜。系統有一個主管道，主管上設計支管4行， 5個有芯微管均勻布置在支管上，行距為130 cm,株距為80 cm。如圖6為系統布置圖。各管路之間垂直布置，順直鋪設于支架上，支管與有芯微管垂直布置，有芯微管與地面垂直，末端直接接觸作物地上部分，水流在自身重力作用下自然下流，對作物進行單株灌溉。支架高度考慮爬蔓作物爬蔓所需高度定為2 m。

4 試驗結果

試驗研究結果[2,3]見表2～3所示。

5 結語

本文設計的有芯微管微灌系統具有安裝方便、結構簡單的特點。適用于不同行距、株距種植方式的不同作物的節水灌溉。操作簡單，調節靈活，自動化程度高，安裝方便；投資少，可重復使用，節水效果好等諸多優點。有芯微管的芯材部分可過濾水中雜物，不用單裝過濾器，節約系統成本。系統利用虹吸效應，微管的毛細管力和水流自身重力勢能并采用低壓供水灌溉，水流自然流入作物根部。同時，有芯微管芯材具有消能作用，達到系統均勻灌溉。爬蔓繩可用微管代替，不需要單獨搭設爬蔓繩，省工、省時、省材料。