一種新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統

傅秋艷 劉何俊 楊金廣

摘 要：針對生活需水量日益增加和水資源減少的矛盾，進行山東省費縣新莊鎮官流莊村試驗田分區試驗，設置三種田地灌溉模式：常規漫灌噴灌滴灌智能化微潤灌溉，根據節點流量和時間計算用水量，研究不同灌溉方式維持土壤適宜濕度的需水量，以探尋維持土壤適宜濕度的最佳節水模式。漫灌濕潤充分，耗水量最大。噴灌水分不易滲入土壤，耗水量較大。滴灌速度慢，應用范圍有限，耗水量少。智能化微潤灌溉以均勻網格布設采樣點監測土壤含水率，根據地表植被經驗需水量調節單片機控制系統，通過控制蓄水池自動閥門實現田間自動灌溉，當濕度探針檢測到土壤含水率達到田間持水率時，關閉微潤閥門，能在維持土壤最適濕度的同時減少耗水量。因此，將多種灌溉方式結合起來可以減少耗水量，維持土壤適宜濕度的需水量以智能化微潤灌溉模式最優，可根據不同作物的適宜生長濕度，在17 %-44 %之間調節。

關鍵詞：節水;太陽能;智能自動化;微潤噴灌;濕度控制裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.069

0 引言

我國水資源短缺，農業灌溉用水利用率低，與發達國家有較大差距，此外，傳統的灌溉模式加重溫室效應。[1]因此，改善灌溉模式對于解決水資源短缺，改善溫室效應有著積極的意義。

近年來，國外灌溉技術已經趨于成熟化、系列化，但價格昂貴，國內雖引進一些，但多用于農業示范區、科研單位等。[2]國外生產的灌溉裝置雖性能優越，但沒有考慮到我國的自然氣候、地勢地形等自然條件，再加上農民經濟承受能力，因而引進的裝置并不能很好地在國內普及，節水灌溉自動化技術在我國有巨大的市場，且應朝著低成本、性能高、操作簡便的方向發展。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2018年6-9月在山東費縣新莊鎮試驗田進行，新莊鎮位于沂蒙老區腹地山東省費縣南部，地處蒙山南麓。原稱南新莊鄉，地處費縣、蘭山、蘭陵、山亭等四縣（區）結合處，沂蒙、嵐濟公路在境內交叉貫通。地理坐標為117°58′E 35°33′N[3]。

屬于溫帶季風性氣候，年均溫度19度，年內降雨分布極不平衡，多集中于6至8月，常年干燥。據1959年至1983年的觀測資料統計，多年平均降雨量為850.0毫米。一般情況，年降雨量變差系數為0.25左右，多年平均蒸發量500 mm[4]。

1.2 試驗設計

將試驗田分為四個試驗小區，面積均為6 m*6 m。以1 m*1 m的網格布置36個測定點，利用均勻網格法，在灌溉渠道內設置若干傳感器，土壤濕度是影響農作物產量的重要因素，對土壤進行實時監測，可得知土壤含水量，了解作物生長狀況，及時補充所需水分。

分別進行漫灌、噴灌、滴灌、智能化微潤灌溉四種灌溉方式，前人試驗結果表明，植物適宜RH %在17 %-44 %之間。定RH %=50 %時，記下經過的時間，計算并比較用水量。

噴灌根據L=B=1.42R設置噴頭間距，對比三角形，矩形，不規則圖形，可發現布置成三角形，不僅抗風能力較強，噴灑均勻度增強，同時所用噴頭數量較少。噴頭選擇I-60系列噴頭，獨有低壓大射程，在壓力0.28 MP時，射程可達18.9米。一般比漫灌節省水量30 %-50 %。比漫灌節省水量30 %-50 %。根據N≤cT/t可計算輪灌組數目[5]。

式中：N-系統允許劃分輪灌組的最大數目，取整數。

C-一天運行的小時數，一般不超過20小時。

T-灌水周期，即兩次灌水之間的間隔時間

滴灌重點是微潤管的布設。微潤管孔的數量為每平方厘米10萬個以上，微孔的孔徑為100-900 nm，孔徑分布在半透膜尺度范圍內，具有半透膜特性。膜壁上孔的大小允許水分子通過，而不允許較大的分子團和固體顆粒通過。微潤管的鋪設如圖2所示，將微潤灌溉管按行或列鋪埋在農作物的土壤中。

新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統總體設計應滿足四點要求：

（1）合理利用自然降水，提高自然資源利用率。

（2）整個系統使用清潔能源發電，減少二氧化碳排放。過濾裝置由渦輪利用水的落差發電提供動力，壓力傳感器感受到垃圾的重力，通過電控盒，利用控制閥控制機械手，清理垃圾，提高新能源利用率。控制裝置由太陽能及其蓄電裝置提供動力，低能耗，無污染。

（3）根據作物需水量的不同可手動設置濕度傳感器的區間。當土壤濕度達到濕度測試儀濕度下限值時自動抽水灌溉，達到濕度上限時，自動停止灌溉，避免過量灌溉。

（4）控制裝置能夠根據實時數據按需求自動選擇灌溉方式，實現了噴灌和微潤的相互轉換。

基于上述要求，裝置的系統結構由雨水收集系統、過濾系統、蓄水系統和太陽能蓄電系統、單片機控制系統和地下微潤管組成。采用多探針濕度傳感器法以均勻網格布設采樣點監測土壤含水率，根據地表植被經驗需水量調節單片機控制系統，通過控制蓄水池自動閥門實現田間自動灌溉，當濕度探針檢測到土壤含水率達到田間持水率時，關閉微潤閥門，從而實現自然蓄水與智能灌溉的功能。

2 理論設計計算

（1）土壤含水量（water content fsoil）是土壤中所含水分的數量。一般是指土壤絕對含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也稱土壤含水率。測量方法有稱重法、張力計法、電阻法、中子法、γ-射線法和駐波比法[6]。

稱重法，也稱烘干法，這是唯一可以直接測量土壤水分方法，也是目前國際上的標準方法。用土鉆采取土樣，用0.1 g精度的天平稱取土樣的重量，記作土樣的濕重M，在105 ℃的烘箱內將土樣烘6～8小時至恒重，然后測定烘干土樣，記作土樣的干重Ms土壤含水量=（烘干前鋁盒及土樣質量-烘干后鋁盒及土樣質量）/（烘干后鋁盒及土樣質量-烘干空鋁盒質量）*100 %。

（2）水利用系數[7]：

3 結果分析

新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統由房頂集水裝置、導流管、蓄水池三部分構成，合理的利用了自然降水，在一定程度上提高了人類對自然資源的利用率。噴灌系統依靠太陽能及其蓄電裝置提供動力，不會產生廢氣污染，解決了傳統電力系統造成的環境污染問題[9];同時，研究太陽能這類新型能源也是近年來炙手可熱的課題，利用太陽能作為噴灌動力也體現了“借自然之力，造綠水青山”的綠色發展之態。[10]再者，該裝置采用了濕度控制器，可根據不同作物的不同需水量設定濕度區間，可針對多種作物進行合理性灌溉。在節水方面，微潤噴灌一體化成為了最好的節水灌溉技術的代表，土壤濕度達到設定區間時360°旋轉噴灌作物，濕度適中則自動采用微潤方式滲透灌溉，這不僅使灌溉保證率達到85 %以上，也有效地提高了作物產率。

4 討論

根據有效數據顯示，農戶的灌溉耗水分主要為兩部分，一部分供作物生長所需，另一部分由于滲透、蒸發而浪費掉了。其中浪費掉的水比重非常大，甚至一些土質較差的地區滲漏損失達到70 %以上。

因此發展節水農業是農業現代化的必然趨勢，是解決農業水資源短缺、保證農業可持續發展的根本出路。

一種新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統遵循不同地區的不同農作物的生長規律，有效地實現了對水資源的回收及利用。同時與專門的農業合作社進行合作，取得了預期的良好效果，解決了長期以來困擾農戶水資源短缺與水資源不能合理利用的問題。

參考文獻：

[1]賈維兵，楊啟良，李加念等.土柱入滲性能檢測裝置研制與實驗[J].農業工程學報，2017，33（07）：91-99.

[2]彭世彰，高曉麗.提高灌溉水利用系數的探討[J].中國水利，2012（01）：33-35.

[3]程云偉.節水灌溉技術在農田水利工程中的應用[J].中國水運（下半月），2014，14（02）：285-286.

[4]袁壽其，李紅，王新坤.中國節水灌溉裝備發展現狀、問題、趨勢與建議[J].排灌機械工程學報，2015，33（01）：78-92.

[5]張前兵，楊玲，王進等.干旱區不同灌溉方式及施肥措施對棉田土壤呼吸及各組分貢獻的影響[J].中國農業科學，2012， 45（12）：2420-2430.

[6]韋彥，孫麗萍，王樹忠等.灌溉方式對溫室黃瓜灌溉水分配及硝態氮運移的影響[J].農業工程學報，2010，26（08）.

[7]肖克輝，肖德琴，羅錫文.基于無線傳感器網絡的精細農業智能節水灌溉系統（英文）[J].農業工程學報，2010，26（11）：170-175.

[8]耿獻輝，張曉恒，宋玉蘭.農業灌溉用水效率及其影響因素實證分析——基于隨機前沿生產函數和新疆棉農調研數據[J].自然資源學報，2014，29（06）：934-943.

[9]陳衛平，張煒鈴，潘能等.再生水灌溉利用的生態風險研究進展[J].環境科學，2012，1（12）：4070-4080.

[10]鄭天翔，唐湘如，羅錫文等.不同灌溉方式對精量穴直播超級稻生產的影響[J].農業工程學報，2010，26（08）：52-55.