基于水肥耦合的溫室大棚滴灌設計及應用

張 妞，王金魁，崔師勝，塔依爾江·阿西木

(1.新疆白楊河流域管理局,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區水文局,新疆 烏魯木齊 830000;3.新疆白楊河流域管理局水利管理中心,新疆 烏魯木齊 830039)

0 引言

托克遜縣處于全國典型的極端干旱區，生態環境十分脆弱，面對日益快速的經濟發展和日益豐富的農產品需要，如何最大程度地借助外在手段將有限的水資源轉化為最大效率的產出是關鍵，然而，雖然當地也建了較多溫室大棚，但是建后使用的都較少，更難做到真正發揮作用，也出現了有些種植戶種植不科學、灌溉方式粗放導致資源浪費等現象，水肥一體化技術因實現了向生長中的作物同步供給水分和養分的技術而被逐漸發展、應用[1]。水肥一體化技術要點及應用前景分析，也為我們在托克遜當地選擇溫室大棚通過開展水肥耦合的滴灌設計以及應用提供了途徑。

1 滴灌設計

大棚滴灌系統具有節水、增產、省工、提高灌溉質量及減少深層滲漏等許多優點[2]，結合當地大棚調查分析情況，針對大棚分散的單元屬性，而又集中在壓力源管網線內的特點，也在借鑒現在應用較為廣泛的水肥一體化技術，探索實踐中重力滴灌系統用于“一家一戶”單棚灌溉。

1.1 總體布局

設計的灌溉系統服務的日光溫室有兩種：一是總體面積為186 m×8.5 m(2.37畝)，室內生產長度180 m，寬度(種植壟長)6.5 m，種植面積1170 m2(1.75畝)；二是總體建筑面積為96 m×8 m，室內生產長度90 m，寬度(種植壟長)6.5 m。總體布局為溫室內建設蓄水池，通過水泵加壓對分列在大棚中的儲水罐供水，在重力作用下，水及養分由干管進入到支管，毛管與支管相連，每一壟用一條滴灌帶，通過管網及灌頭將水源及養分輸送到作物根系附近。

1.2 滴管系統的水力設計

1.2.1 設計標準

由于水在流動中產生了摩擦損失，水頭壓力及滴頭流量也沿程降低，根據規范要求，在符合作物需水要求的基礎上，在毛管滴頭流量允許變化值為20%，支管上毛管流量允許變化值為10%即可視為滿足了滴頭流量的均勻性[3]。具體滴頭、流量和壓力的關系變化公示為：

qvar=1-(1-Hyar)x

(1)

式中：qvar為流量變化值；Hyar為壓力變化值；x為滴頭參數(0.5)。

根據式1，當流量差為20%時，壓力差為36%；當流量差為10%時壓力差為11.6%。

根據需要設定毛管首端水頭壓力A定為0.55 kg f/cm2，則可得毛管末端水頭壓力為0.35 kg f/cm2，支管首端水頭壓力為0.63 kg f/cm2。

1.2.2 毛管設計

在滿足滴頭流量變化范圍的前提下，選擇最大長度的毛管，采用勃拉斯公式：

(2)

式中：D為毛管內徑；L為毛管長度；ΔH為毛管水頭損失；Q為毛管進口流量。

其中：

L=n1·S

(3)

Q=n1·q1

(4)

根據式(3)和式(4)可得：

(5)

式中：q1為內孔流量，L/h；n1為毛管上內孔數目；S為內孔間距。

其中：

ΔH=0.36H

(6)

式中：H為正常水頭壓力；ΔH為毛管水頭損失。

整理可得：

HD4.75·S1.75=0.469q11.75L2.75

(7)

H=0.55 kg f/cm2，D1=10 mm，S1=333 mm，單位灌水量q1=3 L/(m·h)，代入得L1=6.5 m為毛管最大允許長度。

1.2.3 支管設計

每個獨立“自壓滴灌水肥一體化系統”控制3條支管，每根支管長度30 m，控制25壟50條毛管，由于是多孔出流，適用于勃拉斯公式。

ΔH2D24.75S21.75=0.469q21.75L22.75

(8)

Q=q2L2=q1L1n2

(9)

L2=S2·n2

(10)

式中：D2為支管內徑；ΔH為支管水頭損失；L2為支管上首末端毛管間距；Q2為支管流量；S2為毛管間距；n2為毛管數量。

其中，H=0.55 kg f/cm2，ΔH=16.6%H，n2=50，L2=30 m，可求得q2=32.5 L/(m·h)；S2=0.6 m。

代入得：D2=22 mm。出于長期使用角度考慮，支管選用Φ40PE管。

1.2.4 總管設計

水經水泵加壓后再經過過濾器，水頭壓力是1 kg f/cm2,總管末端要求的水頭壓力是0.55 kg f/cm2，水頭損失=0.45 kg f/cm2，總管長度120 m，總管流量為5.85 t/h。適用直徑選擇32 mmPVC。

2 水肥耦合

2.1 實施背景

水分和養分對植株營養生長、產量和品質形成具有重要影響，適宜的水肥用量有助于提高蔬菜產量，而水肥關系失調則會導致蔬菜生長緩慢，影響產量[4]。大水大肥不僅不能使蔬菜增產提質，反而會造成浪費的同時影響品質，總之，科學施肥對作物的高產至關重要。在農業生產中，種植作物生長期間的需肥規律和需肥特性、耕地肥力水平、肥料性能和肥料效應、施肥方式和施肥時間都是重要參數，對其了解和掌握的情況直接影響到科學決策。因為受限于管理技術、生產力水平及人工因素，生產上存在分散、雜亂、守舊，幾乎沒有大棚農作物高效節水灌溉、施肥配套調控設施，種植戶深受大棚作物人工灌溉施肥困難困擾，更難以實現科學種植，致使種植戶積極性不高，部分大棚存在無人管的現象，造成工程建設資源浪費,因此探索實踐水肥耦合模式。

2.2 工作原理

通過配備灌水器、施肥罐及過濾器，實現灌溉與施肥在壓力作用下將可溶性固體肥料或液體肥料配兌而成的肥液通過灌溉系統注入灌溉輸水管道，與灌溉水一起，均勻、準確地輸送到作物根部土壤，作物在吸收水分的同時吸收養分[5]，這也是一般施肥方法所不具備的，同時，結合作物生長需求，進行全生育期需求設計，實現計劃供給水分和養分。通過定時、定量、定時、按比例供給，滿足植物對水分、養分的需求，切實提高水和肥料利用率，保證作物高產高效，降低人工成本，增強可操作性。

3 實踐應用及取得成效

3.1 系統建設

根據日光溫室建設規格，采用自壓滴灌系統需要建設兩套獨立“自壓滴灌水肥一體化系統”，每套系統控制90 m×6.5 m(0.88畝)種植區域，二次供水，每個溫室內建設1座15 m3蓄水池(5 m×2 m×1.5 m)，1臺兩相潛水泵對兩個滴灌系統儲水罐提供二次供水；毛管選購用Φ10×330×1.0自壓滴管管，長度6.5 m，“一壟兩管兩行”，毛管流量Qm=19.5 L/h；支管選用Φ40PE管，支管長度30 m，控制25壟50條毛管，支管流量Qz=975 L/h；每個獨立“自壓滴灌水肥一體化系統”控制3條支管，干管選用Φ40PVC管，長度30 m；系統壓力1.2 m～1.5 m，儲水罐800 L～1000 L，支架高度大于1.2 m，輸水潛水泵揚程10 m，流量2 m3/h～3 m3/h。根據作物需水規律,定時定量將溶有肥料的灌溉水，通過灌水器將肥液滴入根區。通過微灌灌溉系統進行灌溉施肥，作物在吸收水分的同時吸收養分，是在壓力作用下，將肥料溶液注入灌溉輸水系統而實現的。

3.2 績效情況

通過項目的實施，特別是現場點對點、手把手培訓指導種植戶進行微灌水肥一體化設備安裝，幫助種植戶掌握微灌水肥一體化技術，轉變傳統種植觀念，改善種植條件，提高種植作物水平，促進增產增收，切實達到推廣輻射帶動托克遜縣大棚作物種植的效果。

3.2.1 社會效益

通過將微灌水肥一體化在托克遜縣夏鄉鐵提爾村日光標準棚連片區進行推廣，組織觀摩和培訓農戶，真正送種植新技術和高科技設備下鄉，真正將農業科技成果轉化，提高農戶科技素質和農業生產科技含量，提高勞動效率5倍以上，大大減輕農民勞作強度，切實“扶智”，調動種植戶種植積極性，引導、支持、帶動當地種植戶勞動增收致富。

3.2.2 生態效益

與常規灌溉、施肥技術相比，微灌水肥一體化使土壤水分、養分含量相對穩定，提高水肥利用率，提高肥料利用率90%。

3.2.3 節水效益

受干旱氣候多風區、蒸發量大等自然條件及傳統灌溉方式限制，當地灌溉水及施肥利用系數低，種植產量低。通過水肥一體化技術實施應用，與常規灌溉技術相比，特別是提高田間節水效率，減少輸水過程損失，提高水資源利用率，節水30%以上。

3.2.4 經濟效益

與常規灌溉、施肥技術相比，可以使土壤水分、養分含量相對穩定，提高水肥利用率，可以較大地提高農林作物產品質量，增產15%以上，增收20%以上，降低病蟲害發生，改善產品品質。

3.2.5 可持續影響

通過引進微灌水肥一體化技術，重點對節水技術、平衡施肥、水肥一體化技術和病蟲害防控進行技術培訓，發放基于溫室大棚設計、微灌水肥一體化技術的大棚種植模式的灌溉技術手冊種植戶全程參與并積極發揮作用，能熟練掌握技術，作物產量翻倍、肥料用量減低，成本大大降低，再加上組織觀摩形成了帶動輻射。

4 結語

基于新疆農業節水灌溉以及水肥一體化技術的大規模普及及推廣，項目基于水肥耦合進行了滴灌設計并以托克遜縣夏鄉鐵提爾村日光標準棚連片區基地作為示范點進行應用，一方面送種植新技術和高科技設備下鄉，提高農戶科技素質和農業生產科技含量，真正影響輻射帶動種植模式向智能化、科技化轉變，為促進當地設施農業健康發展提供參考，另一方面也為我們探索在地處極端干旱區且擁有白楊河流域?灌區分布的托克遜進行節水實踐提供了路徑。