基于均勻度的水稻旱育秧微噴系統設計及應用

金永奎，黃玉祥，費士敏

(1.農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014； 2.江蘇省常州市金種子農業服務專業合作社，江蘇常州 213104；3.江蘇省常州市武進區農業局，江蘇常州 213159)

近年來，隨著農業種植結構調整、種植規模的發展以及農業務工人員的短缺，水稻插秧逐步從人工轉變成機械化作業，同時傳統的水田分散式育秧也轉變成適合機插的集中育秧模式。如江蘇省2014年機插秧面積達126.7萬hm2，占全省水稻總面積的55.8%，成為應用面積最大的一種插秧方式[1]。水稻集中育秧通過統一供種、統一育秧、統一秧田管理，不僅提高了育秧效率和秧苗質量，還能大大降低育秧成本，有利于推進機插秧等輕型高產栽培技術的推廣，對實現水稻生產機械化、專業化、規模化、標準化、產業化有重要的推動作用[2-3]。

目前，生產上機插秧育苗一般多采用水育或濕潤(半旱式)育秧，主要是大水漫灌，浪費水資源、費工、易使土壤板結，水分利用系數僅為0.46[4]。由于機插育秧播種落谷密度大，采用水育或濕潤管理時，秧苗株間空間小，通氣透光不足，濕度大，容易發生病蟲害，造成秧苗下層葉片腐爛，甚至局部有死苗現象[5-7]。旱育秧是水稻栽培節水育苗的關鍵措施，特別是對于春季干旱缺水的地區，具有省水、省種、省工、省肥、增產、早熟等特點[8]，因此，利用微噴灌適時適量補水的旱育秧技術得到了較快的發展。微噴灌可以根據秧苗情況，每次選擇在早晨或傍晚噴灑補水，保持秧盤濕潤，能夠滿足秧苗對水分的需求。現有微噴系統設計一般憑經驗或為了節省投資減少噴頭的使用量，使得微噴灌水量分布不均勻，造成局部水分過少或過多，由于秧苗對水分特別敏感，從而造成秧苗長短不一、發育不良，甚至死苗，影響了機插秧的效果。因此，設計一套灌水均勻度較高且經濟可行的微噴灌系統，對推廣機插秧育苗具有重要意義。

1 灌水均勻度測試和計算

微噴灌技術具有省水、省工、灌水均勻等特點，而且可以在灌水的同時施肥、施藥，可以有效防止土壤沖刷和板結。應用微噴系統育秧，可以確保秧苗的整個生長期均處在良好的生長狀態，培育出符合要求的秧苗。旱育秧與傳統育秧的不同點主要在于苗期的水分管理，旱育秧要求秧苗在整個秧苗期均處在旱田的狀態下生長，因而灌水均勻度是須要控制的重要指標。但微噴灌系統須要經過設計和計算才能達到理想的效果，因此首先必須對關鍵部件和系統配置進行造型、測試、分析和計算。

微噴頭是微噴系統的核心部件，針對水稻育秧的要求，選用霧化性能較好的折射式微噴頭，霧滴直徑為200～400 μm。由表1可知，在200 kPa的工作壓力下，微噴頭噴灑半徑為 1.5 m，布置時微噴頭間距一般為半徑的0.8～1.3倍，即 1.2～2.0 m。本試驗測試當微噴頭間距為1.2、1.6、2.0 m時，微噴頭噴灑的水量分布和灌溉均勻度，微噴頭布置形式分別為正方形和三角形。灌溉均勻度測試裝置如圖1所示。

表1 折射式微噴頭性能

測試時每種工作壓力下重復3次，取平均值。記錄不同情況下各點雨量筒的水量，并用軟件進行處理，得到水量分布結果。由圖2至圖7可知，不同布置情況下，水量及分布均不一致，差異較明顯。通過計算，可得出各布置情況下的均勻度。

不同布置情況下的均勻度按下式計算：

式中：h代表噴灑水深的平均值，mm；n代表雨量筒總數，個；Δh代表噴灑水深的平均離差，mm；Cu代表灌水均勻系數。

2 微噴頭布置方案選擇

根據測試結果和圖8可以看出，每種間距下，三角形布置的均勻度要高于方形。在3種不同間距布置中，當微噴頭間距為1.6 m時，均勻度均較高，其中三角形布置最好。由于水分可以在土壤或基質中滲透、流動，一般均勻度達到0.8時，就可以滿足秧苗的生長一致，因此還須要考慮另一個重要的影響因素——微噴系統的投資。在1.2、1.6 m這2種間距下，三角形的均勻度均高于0.8，但當間距為1.2 m時所需微噴頭和毛管數量均較多，投資明顯偏大。因此，綜合考慮均勻度和投資成本，選擇間距為1.6 m。

3 系統設計及田間應用

3.1 應用區情況

應用區設在江蘇省金壇市黃金村，黃金村位于金壇市朱林鎮，水稻種植面積約260 hm2。黃金村利用本區域地勢平坦、土質肥沃的自然資源開發有機水稻，生產的有機大米米質優良，是村莊的重要收入來源。目前，水稻種植已基本實現了全程機械化，特別是全部采用了機械化插秧，因此對育秧的要求較高，須采用基質旱育秧的形式。育秧地塊長100 m，寬 40 m，共4塊，每塊面積約0.4 hm2，總面積約1.6 hm2，可供160～200 hm2稻田進行機插秧種植。

3.2 微噴系統設計

3.2.1 規劃布置 灌溉水源為地塊旁的小河，水源充足。在泵站處建引水渠道，并設攔污柵。灌溉方式采用輪灌方式。灌溉系統首部包括水泵、變頻控制柜、調壓閥門、過濾器、施肥池、壓力表、排氣閥、安全閥等設備。

水泵采用變頻恒壓技術控制，變頻器通過采集壓力傳感器的參數值，實現恒壓供水，保證灌水均勻，同時方便操作。水源為河水，水質一般，泥沙含量不大，但有機物和其他雜質較多，因此確定采用兩級過濾器，即砂石過濾器和疊片式過濾器的組合，過濾精度為120目，確保微噴頭不堵塞。施肥利用水泵吸入的方式，施肥時先把肥料放入肥料池充分溶解，再打開吸肥閥即可。

田間包括干管、分干管和支管道，管道系統經首部樞紐進入管網。經水力計算采用不同規格的管道，主管埋于地下。主管沿路邊布置，每塊地在寬度中間位置布置1條支管，每條支管用閥門和壓力表控制。詳細布置情況如圖9所示。

微噴頭經連接管與主支管連接。根據測試試驗數據，噴頭和支管間距均為1.6 m，噴頭采用三角形布置。

3.2.2 系統技術參數選擇 根據有關規范、標準[9]以及國內外節水灌溉技術發展積累多年的經驗，確定各技術參數如下：土壤濕潤比P=100%；水利用系數η=0.85；設計灌水均勻度Eu≥80%；設計濕潤深度Z=0.05 m；設計日耗水強度Ea=5 mm/d；土壤容重γ=0.7 g/cm3。

3.2.3 確定灌溉制度

(1)灌水定額為m=0.1×γZP(θmax～θmin)/η。

式中：m為設計灌水定額，mm；θmax、θmin分別為適宜土壤含水率上限、下限，θmax=30%，θmin=18%。代入以上各參數，得到設計灌水定額m=0.1×0.7×0.05×100×(30-18)/0.85=4.9 mm，因此灌水定額取為5 mm。

(2)灌溉周期為T=mη/Ea；

系統設計日耗水強度Ea=5 mm/d，則T=mη/Ea=5×0.85/5=0.85 d，因此灌溉周期取1 d，即每天至少灌水1次。

(3)一次灌水延續時間t=mSpSe/q。

式中：Sp為出水孔間距，取1.6 m；Se為毛管間距，取 1.6 m；q為平均流量，取65 L/h。則t=5×1.6×1.6/65=0.2 h，因此1次灌水延續時間取為15 min。

3.2.4 系統水力計算 系統水力計算過程：先確定毛管、支管的水力學損失及局部損失，進而由灌水器的正常工作壓力要求設定進口壓力；根據地形的高程參數，選取最不利輪灌組內的最不利地塊，從而確定此段主管的沿程損失；向水源方向逐段推導主管道沿程損失至水源；局部損失按管道沿程損失10%計算；首部管道及過濾系統總壓力損失按8 m計；核實最不利地塊和水源(地面)之間的海拔高程。

干管和支管管徑首先用經濟管徑計算公式初選，最后經水力計算校核確定。采用的經濟管徑公式如下：

水頭損失計算公式：

式中：K為考慮局部水頭損失的系數，取1.05；f為摩阻系數，硬塑管f=0.464；F為多口系數；Q為設計流量，L/h；m為流量指數，硬塑管m=1.77；d為管道內徑，mm；b為管徑指數，硬塑管b=4.77；L為支管長度。

最終根據計算結果確定水泵流量和揚程，本系統主管規格為160 mm，支管規格為110 mm，微噴頭毛管為20 mm，水泵流量為100 m3/h，揚程為50 m。

3.3 應用情況

設計完成后，設備通過安裝調試，于2016年5月10日正式投入使用，到6月初秧苗全部機插完結束。使用時整套系統只需1人操作、維護，主要完成開關田間閥門、開啟停止水泵、清洗過濾器等工作，十分省工、方便。為了保證灌水的均勻性和及時性，設4個輪灌組，每組噴水面積約為0.4 hm2，每次灌水時間為20～30 min，每次噴水量為30～50 m3/hm2，所有田塊在2 h內灌完。秧苗出苗后基本上每天噴水1次，大風高溫天氣每天噴水2次。泵房及田間設備布置分別如圖10、圖11所示。

在使用過程中對微噴系統的均勻度進行測試，水量分布圖如圖12所示，由圖可以看出各點水量分布情況，經計算均勻度達到0.83，與試驗測試時的均勻度(0.88)相比有所減小，可能是由于田間風速較大的原因。

與原有育秧灌溉形式相比，噴灌系統的灌水均勻度大大提高，減少了水分過多過少的情況，秧苗長勢差別很小、一致性好、成活率高，取得了良好的效果。

4 結論

目前，水稻育秧灌溉方式主要是大水漫灌或人工補水，浪費水資源、費時費工，而且易使土壤板結，秧苗品質差。隨著新技術的不斷應用，微噴技術在水稻育秧中得到了很好的應用。微噴技術具有省水、省工、灌水均勻等特點，而且可以在灌水的同時施肥、施藥，有效防止了土壤沖刷和板結。本試驗通過微噴頭和毛管各種間距、布置形式的測試，得出在微噴頭和毛管間距均為1.6 m、三角形布置時，均勻度最高，達到0.88。在此基礎上，對田間應用進行了優化設計和布置，達到了良好的效果。應用均勻微噴系統育秧，可以確保秧苗的整個生長期處在良好的生長狀態，培育出符合機插要求的秧苗，為水稻育秧提供了技術支撐，具有良好的應用前景。