節(jié)水灌溉水肥一體化微噴灌系統(tǒng)設(shè)計及模擬分析

王義慈

傳統(tǒng)漫灌手段用水量較大，且很多水資源在輸送過程中滲漏，造成較大水資源浪費，因此滴灌、噴灌、微噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)在我國廣大農(nóng)村被積極推廣。水肥一體化微噴灌系統(tǒng)的可通過控制管道系統(tǒng)將化肥和灌溉水充分融合后同時輸送至農(nóng)作物，達(dá)到節(jié)水、灌溉施肥均勻等效果[1]，其中微噴灌因價格便宜、水壓低、一次性灌溉面積大、安裝方便等特點被最為廣泛使用。但再使用過程中，水肥一體化微噴灌系統(tǒng)沒有充分結(jié)合農(nóng)田的輸配水管網(wǎng)，會造成應(yīng)用效果不佳，因此有必要進(jìn)行模擬分析。

1 工程概況

江西南昌自改革開放以來其轄區(qū)內(nèi)的灌溉事業(yè)得到了長足發(fā)展，但受制于當(dāng)時建設(shè)技術(shù)限制，灌溉工程普遍設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量不高，且管理混亂，農(nóng)民灌溉用水支出較多，使灌溉效益銳減。對此，當(dāng)?shù)卣阅喜h轄區(qū)內(nèi)的27.58萬畝農(nóng)田作為改革試點，大力建設(shè)水肥一體化微噴灌溉系統(tǒng)，灌溉水有效利用系數(shù)由0.5提高到0.55，節(jié)約用水約10%。

2 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)設(shè)計

2.1 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

水肥一體化微噴灌溉系統(tǒng)包括：首部和噴灌兩大部分，其中首部系統(tǒng)包括動力源、主管、觀測及調(diào)控設(shè)備；噴灌系統(tǒng)包括干管、支管，共同構(gòu)成“水、肥溶液→水泵→主管→干管→支管”系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1[2]。

圖1 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在農(nóng)田灌溉時首先將水源抽至主管和母液罐，在母液罐中配置好肥料溶液后再由水泵抽至主管與水混合后輸送至噴灌裝置，可根據(jù)地塊面積控制肥料用量[3]。

2.2 系統(tǒng)主要組成部件設(shè)計

南昌縣計劃所應(yīng)用的肥水一體化微噴灌系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1，該系統(tǒng)體積和重量均較小，可放置于農(nóng)用三輪車上進(jìn)行實時移動[4]。

表1 肥水一體化微噴灌系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2.1 微噴帶布置

微噴帶布置見圖2，將若干微噴帶設(shè)置為一組，每組干管處設(shè)置一控制開關(guān)；或者是每條微噴帶頭部布置一個開關(guān)，這樣便能單獨控制。將裝置布置于地勢較高側(cè)，可有效降低系統(tǒng)能耗[5]。

圖2 微噴帶布置示意圖

2.2.2 水泵設(shè)計

水泵流量和壓力是設(shè)計重點，依據(jù)灌水定額m確定，采用下式計算[6]：

式中：γ土、γ水為土壤和水的容重，分別取值 1.45、1.0 g/cm3；h 為計劃濕潤土層深度，稻谷取值40 cm；p為設(shè)計土壤濕潤比，取100%；β1、β2為最佳田間持水率上、下限，取值 90%、60%；η 為灌溉水利用系數(shù)，0.9。

經(jīng)計算得m=58 mm，換算為灌水定額為36 m3/畝。根據(jù)每組平均灌溉面積1000 m2計算，每組灌水量為58 m3，設(shè)計灌溉時間為1 h，因此水泵流量需要約為60 m3/h，壓力不低于0.68 MPa。

2.2.3 過濾方案

由于水源中可能含有泥沙、雜草、生活垃圾等雜質(zhì)，必須對其進(jìn)行過濾后才能進(jìn)入灌溉系統(tǒng)，否則會堵塞管道。根據(jù)過濾器規(guī)格不同可分為兩種過濾方案。

方案一：粗過濾

粗過濾設(shè)計在進(jìn)水管處，將進(jìn)水管首段約1.0 m段上均勻鉆孔，孔距設(shè)計為3～5 cm，孔徑為進(jìn)水管管徑的一半，之后利用規(guī)格為50目過濾網(wǎng)將該段進(jìn)水管緊緊包裹（見圖3）。

圖3 粗過濾進(jìn)水管設(shè)計

方案二：精過濾

結(jié)合價格、安裝難度、清洗等因素，精過濾方案主要依靠篩網(wǎng)式過濾器完成，表2給出了目前市場上主要的濾網(wǎng)規(guī)格及適應(yīng)的土壤類別。結(jié)合本項目區(qū)土質(zhì)條件，應(yīng)選擇濾網(wǎng)規(guī)格為120目。

表2 濾網(wǎng)規(guī)格及適應(yīng)條件

3 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)噴水性能仿真模擬

在水肥一體化微噴灌系統(tǒng)中，微噴帶的噴水性能直接決定了灌溉質(zhì)量，其中最重要的為噴水均勻性，而影響均勻性的參數(shù)包括管徑、孔徑、組合、布放坡度等。在此利用AMESim軟件對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，給優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

3.1 模擬模型建立

根據(jù)實地調(diào)查，南昌縣農(nóng)田實際鋪設(shè)微噴帶均不大于80 m，結(jié)合管道長度及壓力損失，適合作為微灌帶規(guī)格型號見表3。

表3 適用微噴帶規(guī)格

微噴帶沿程壓力變化是影響其噴水均勻程度的最重要指標(biāo)，利用AMESim軟件模擬單條微噴帶的壓力分布及變化，其中N45噴孔分布見圖4。建立模型長80 m，共分布2000個噴孔。

圖4 N45微噴帶噴孔分布示意圖

3.2 不同參數(shù)對噴水性能影響分析

3.2.1 不同管徑對噴水性能影響

選擇等孔徑（1.2 mm）和等長度（80 m）的 N45、N50、N63型號微噴帶，對其噴孔處壓力變化進(jìn)行模擬，結(jié)果曲線見圖5。

由圖中可知：1）隨著輸水距離增加，噴孔壓力會逐步降低，且管徑越小，孔口壓力下降速度越快；2）N45型微噴帶噴孔最低壓力值為1.0bar，N63型為1.18bar，從噴灌均勻度分析N63更好，但N45也基本滿足使用要求；3）管徑越大，所需總壓力越大，運行成本越高，因此N45經(jīng)濟(jì)性最好。結(jié)合實用性和經(jīng)濟(jì)性兩方面，最終確定N45型微噴帶最適合南昌縣地區(qū)農(nóng)田使用。

圖5 不同管徑微噴帶噴孔壓力變化曲線

3.2.2 不同孔徑對噴水性能影響

以N45型微噴帶為模擬對象，對不同孔徑（分別為0.5 mm、0.9 mm、1.2 mm）噴孔進(jìn)行分析，其噴孔變化規(guī)律模擬曲線圖6。

由圖中可知：1）隨著輸水距離增加，噴孔壓力會逐步降低，且孔徑越大，孔口壓力下降速度越快；2）0.5 mm孔徑微噴帶噴孔最低壓力值為1.1 bar，1.2 mm為1.0 bar，從噴灌均勻度分析0.5 mm更好；3）0.5 mm孔徑微噴帶對總壓力需求比其他兩種低，因此運行費用也最低。綜合考慮，N45型0.5 mm孔徑微噴帶最適合南昌縣地區(qū)農(nóng)田使用。

圖6 不同孔徑微噴帶噴孔壓力變化曲線

3.2.3 不同布放坡度對噴水性能影響

農(nóng)田不可避免存在坡度，這會影響微噴帶壓力，一般認(rèn)為當(dāng)坡度超過30°時，已不適合作農(nóng)田使用。為研究坡度對噴灌帶孔口壓力變化影響，在此模擬將出水口逐步抬升，模擬結(jié)果見圖7。

由圖7可知：1）隨著首末兩端高度差增加，首端孔口壓力逐漸降低，末端壓力逐漸升高；2）當(dāng)高度差小于18 m時（換算為坡度約 12°），首末兩端壓力接近相等，約1.5 bar，此時噴水均勻度最好。由此可知布置微噴帶時，盡量使其角度靠近12°，若噴孔不均問題嚴(yán)重，可人工適當(dāng)挖溝槽調(diào)節(jié)。

圖7 首末兩端高差造成的噴孔壓力差

4 結(jié)語

水肥一體化微噴灌技術(shù)即達(dá)到了節(jié)水灌溉目的，又能很好地解決地澆水和施肥問題，大大減輕了農(nóng)業(yè)種植勞動強(qiáng)度。經(jīng)過試驗，該技術(shù)完全適合南昌縣轄區(qū)的農(nóng)田灌溉，可以在整個南昌市地區(qū)推廣。經(jīng)估算，其用水量僅為傳統(tǒng)漫灌的50%左右，綜合成本降低20%，灌溉質(zhì)量明顯提高，綜合效益較好。

[1]臧小平,王作龍,王甲水,葛宇,周兆禧,馬伏寧,林興娥,馬蔚紅.蓮霧水肥一體化微噴灌技術(shù)與應(yīng)用[J].中國南方果樹,2017,46(04):156-159.

[2]王凱.大田水肥一體化微噴灌系統(tǒng)優(yōu)化與試驗研究[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2017.

[3]李揚,郝明,王凱,苑進(jìn).基于AMESim的大田水肥一體化微噴灌系統(tǒng)建模與試驗研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報,2017,38(06):53-60.

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