伴礦景天育苗棚水肥藥一體化微噴灌系統的設計

劉書洪，譚 竹，胡志鑫，楊 攀

（1.湖南艾布魯環保科技股份有限公司，長沙 410000；2.長沙市重金屬污染土壤植物修復技術創新中心，長沙 410000）

伴礦景天（Sedum plumbizincicola）是景天科植物，屬多年生肉質草本，是一種對Cd、Zn具有超富集作用的植物［1］，主要用于鎘污染農田修復［2］。低鎘含量伴礦景天種苗一般采用專用基質扦插或撒播擴繁［3］，需要較精細的水肥、光照和溫濕度管理，且需施用多種藥劑調節生長、控制病蟲害，管護復雜、勞動強度高。農藝管理措施決定了伴礦景天育苗質量，因此種植棚內配備能提供溫濕度調節和水肥藥一體化灌溉功能的設備尤為重要。

目前，中國已有大量水肥或水肥藥一體化灌溉系統的研究和實踐。如，黃語燕等［4］設計了一套水肥一體化循環灌溉系統，通過PLC控制系統執行較精確的施肥過程；宋新財［5］研發了一套輕簡水肥一體化控制系統，通過算法、程序等實時調控水肥比例，精確施肥；王彥等［6］總結了設施農業水肥藥一體化滴灌技術的優勢；董微等［7］對葉根菜水肥藥一體化裝置開展設計與試驗，較傳統方式節水省肥，降低了勞動強度；張抓虎［8］研究了水肥藥一體化系統誤差形成原因和修正方法。上述研究主要圍繞系統精度、效能、自動化和智能化開展，而針對供電供水條件較差地區和操作水平不高的使用者的設計較少。因此，本研究以湖南省湘潭市某伴礦景天育苗棚為例，設計了一套水肥藥一體化微噴灌系統，具有設備簡潔、操作簡單、穩定可靠的優點，實現了取水凈水一體化，對操作者要求低，特別適用于需求相對簡單、基礎條件較差的地區。

1 系統設計

1.1 灌溉需求分析

該育苗棚為38 m×8 m溫室大棚。伴礦景天采用專用基質和72孔標準穴盤育苗，在棚內縱向布置4組，每組幅寬1.60 m。伴礦景天喜涼爽、濕潤，忌漬澇、高溫和強光，棚外溫度超過20℃時，一般需揭膜通風。該系統設計耗水強度取8 mm/d［9］，日灌溉用水量為2.30 m3/d，早晚2次灌溉，高溫時節需噴水降溫處理或增加灌溉次數和水量。育苗過程需多次追肥和施藥，一般為噴施。追肥量為45～75 kg/（hm2·次），稀釋倍數500～1 000倍。棚內最大施肥用水量2.16 m3/d，與日灌溉用水量接近，早、晚各噴施1次，其他藥劑施用量一般為30 L/次。

1.2 系統總體結構

微噴系統是利用折射、旋轉或輻射式等微型噴頭或微噴帶等灌水器，將水或肥液均勻噴灑到作物表面或根區的灌水系統，具有工作壓力低、流量小等優點，可用于灌溉和調節小氣候，易于實現蔬菜的水、肥和部分藥劑的一體化灌溉［10，11］。因此，本設計采用微噴灌溉系統（以下簡稱系統），主要由水源工程、首部樞紐、輸配水管網和微灌灌水器等部分組成［9］，系統結構如圖1所示。

圖1 水肥藥一體化微噴灌系統結構

取水水源為育苗棚附近的溪溝。為實現肥水和藥水調配施用，泵前吸水管路分別設置肥水罐和藥劑罐。系統設3路進水管，分別從塑料盲溝、肥水罐和藥劑罐取水；系統設2路出水管，分別向用水設施和肥水罐供水。為方便控制和管理，首部系統水泵選用自吸泵、棚內干式安裝，泵軸至溪溝水面高差2.5 m，泵軸至噴灌支管高差2.0 m。

伴礦景天的育苗類似于大棚葉菜栽培，適宜采用倒掛式微噴系統［10］，因此灌水器選用市售G型倒掛微噴噴頭，由倒刺接頭、毛管、防滴器、重錘和噴頭組成。灌水器標準工作壓力0.20 MPa，噴水半徑1.5 m，出流量90 L/h。為保證噴灌均勻、噴水覆蓋無死角，棚內設置4排2組噴頭，每排18個，行間距均為2 m。輸配水管網由主管、干管和支管組成。管網除供應灌水器外，還向棚內、外2處取水龍頭供水，滿足噴槍灌溉和其他零星用水。

1.3 水源工程設計

育苗棚灌溉水源為溪溝地表水，懸浮物較高，必須有效措施預處理以防堵塞系統，采用塑料盲溝作為取水裝置。塑料盲溝由塑料芯體和外包濾膜構成，芯體支撐濾膜、抵抗外力并形成通水空間，濾膜一般采用90～250 g/m2的短纖針刺土工布或長絲熱黏土工布［12］。塑料盲溝土工布的等效孔徑為0.05～0.20 mm［13］，符合規范對微噴過濾器精度的要求［14］。選用φ120中空耐壓型塑料盲溝，濾膜為200 g/m2非織造土工布。塑料盲溝的水力計算尚無通用方法，水頭損失主要由水垂直通過外層土工布的水頭損失Ib和水流縱向通過芯材水的水頭損失It組成。一般認為土工織物的滲透性服從達西定律［15］，其滲透水頭損失：

式中，k為滲透系數，m/s；A為過流面積，m2；Q∑為滲透總流量，m3/s；δ為土工布厚度，m。

200 g/m2土工布的垂直滲透系數為K×10-1～10-3cm/s（K=1.0～9.9），厚度2 mm［13］。楊和春等［16］研究發現使用后土工布的垂直滲透系數為0.018～0.081 cm/s。因此，土工布的垂直滲透系數K取0.01 cm/s。考慮河床影響，有效進水面積取盲溝表面積的1/2。則當集水總流量為Q∑時，長度為L的φ120塑料盲溝的單位長度滲入流量［m3/（s·m）］：

吳福生等［17］研究表明塑料盲溝內的水流處于符合伯努利定律的管流及符合達西定律的滲流之間的狀態，通水量Q（m3/s）和水頭損失H（m）之間的關系可由以下公式表達：

該型盲溝指數m為0.533 3，系數K為0.008 7，試件長度為500 mm，芯筒通水的水力坡降：

芯筒單側出水，通水量沿軸向線性增加，積分得φ120芯筒通水水頭損失：該系統最大吸水流量3.3 m3/h，盲溝有效長度L取1 m，Ib=0.10 m，It=0.01m，水頭損失較小。

1.4 首部系統設計

1.4.1 水泵選型 育苗棚只有220 V電源。市售220 V水泵一般為單相異步電動機驅動，其電功率一般不超過1.8 kW。為方便控制，水泵宜采用棚內地上安裝的自吸泵。經綜合比選，設計采用JET1800A噴射自吸泵，額定揚程35 m，額定流量3.5 m3/h，電功率1.8 kW，電壓220 V，滿足2排噴頭的同時出流。

1.4.2 水泵控制 水泵啟停采用壓力控制模式，配氣壓罐和壓力開關。與氣壓給水設備［19］不同，該系統氣壓罐調節容積無需考慮調節用水量，否則將影響肥料和藥劑的施用精度，因此僅需滿足控制要求，并按管網滲漏水量校核水泵啟動頻率。系統選用2 L隔膜式不銹鋼氣壓罐和數顯壓力開關安裝于泵后主管。用水點開啟后系統壓力降低，水泵啟動供水；用水點關閥后系統壓力上升，水泵停止運轉。最小用水流量時水泵宜持續運轉，因此停泵壓力P2應高于水泵最有利情況下用水流量最小時的主管壓力。最小用水流量為一個單閥取水龍頭出流的額定流量（0.4 L/s）［19］。氣壓罐計算參照《給水排水設計手冊》［18］，停泵壓力P2=0.72 MPa（絕對壓力），工作壓力比αb取0.8，啟泵壓力P1=0.58 MPa（絕對壓力），容積 系數β取1.05，預充 壓力P0=0.55 MPa（絕對 壓力）；待用狀態下噴灌支管閥門關閉，系統充水管總長約40 m，管道允許最大滲漏量[qs]=0.017 L/min［9］，經核算水泵小時啟動次數n=4.5次，滿足要求。

1.4.3 配肥配藥系統 棚內最大施肥用水量為2.16 m3/d，早、晚各噴施1次，2組噴頭輪施，單次用水量1.08 m3。肥水水罐選用1.2 m3立式不銹鋼水罐，置于泵前吸水管路，手動配制肥水、手動控制。為保證施藥精度，選用有效容積為45 L的立式塑料罐，罐出水口位置設旋流防止器和控制閥。藥劑配制好后倒入藥劑罐，經吸水管吸入水泵。

1.4.4 功能切換 系統補水、施肥、給藥和灌溉等功能通過管路閥門組合控制切換，用水點即開即用。清水灌溉模式：水泵從盲溝取水、向用水設施供水，閥門6、閥門9、閥門24關閉，閥門4、閥門10開啟；肥水罐補水模式：水泵從盲溝取水、向肥水罐供水，閥門9、閥門10、閥門24關閉，閥門4、6開啟；施肥模式：水泵從肥水罐取水、向用水設施供水，閥門4、閥門6、閥門24關閉，閥門9、閥門10開啟；施藥模式：水泵從藥劑罐取水、向用水設施供水，閥門4、閥門6、閥門9關閉，閥門10、閥門24開啟。

1.5 管網設計

取水工程、首部系統、主干管采用給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管、黏膠連接，控制閥門采用PVC-U球閥。噴灌支管采用灌溉用聚乙烯（PE）軟管和專用閥門管件連接，支管起端設獨立閥門控制。倒掛噴頭毛管管徑4 mm，采用倒刺接頭與支管連接。單次輪灌流量為3.3 m3/h，水泵揚程36 m。管網水力計算按《微灌工程技術標準》［9］執行。經優化計算，吸水管、主管和干管管徑32 mm，支管管徑20 mm。盲溝吸水管止回閥局部水頭損失系數取為7.5，Y型過濾器水頭損失為1.00 m。水泵從盲溝吸水時，系統總高差4.50 m，吸、壓水管路總水頭損失為9.13 m，最不利支管入口壓力為0.25 MPa、末端工作壓力為0.20 MPa，系統總水頭為33.63 m，小于水泵揚程，符合設計要求。泵吸水口負壓計算值為-0.051 MPa，噴頭流量偏差率為5.2%，在允許范圍內。

2 結果與分析

該設計安裝后調試運行效果良好，有效長度為1 m的φ120中空耐壓型塑料盲溝的取水流量、水頭損失、過濾效果均滿足使用要求，省去了沉淀池、砂濾罐等復雜設施。最不利情況時，系統運行初期泵吸水口實測負壓值為-0.046 MPa，與設計值基本吻合；系統運行6個月后，塑料盲溝土工布濾膜表面有明顯的藻類和生物膜附著，泵吸水口實測負壓值為-0.048 MPa，水頭損失略有增大，但未對取水造成顯著影響；塑料盲溝暴露于自然水體取水時，濾膜表面生物附著對塑料盲溝取水凈水性能的長期影響有待進一步研究。

JET1800A型噴射自吸泵工作正常，壓力開關控制壓力點基本符合設計預期。系統待用時，實測小時啟動次數為3次，用水點開啟后2 s內水泵通電啟動。取水龍頭正常噴灑時水泵連續工作，但當取水龍頭出流量調節至0.2 L/s以下時，泵后壓力過高，水泵循環啟停，出水流量不穩定，因此系統不宜長時間小流量運行。系統完成2組噴頭清水輪灌共用時20 min。肥水罐補水時間約15 min，完成1組噴頭輪施耗時10 min，完成1次配肥和2組噴施共用時35 min。施用藥劑時，系統宜1次開啟1排噴頭，時長15 s。噴水降溫作業視棚內環境靈活操作，一般開啟中間2排噴頭短時噴灑即可完成溫濕度調節。

該系統較好地完成了用量較大、精度低的伴礦景天生長調節和病害防治藥劑的噴施，但對于用量小、精度高的蟲害防治藥劑施用效果不理想。主要是因為倒掛微噴噴頭霧化效果不及專用噴霧器、輸配水管網的存水降低了藥劑與葉面接觸時的實際濃度和附著力，但考慮到蟲害防治藥劑施用次數少，該系統依然可以滿足育苗期間大部分施藥需求。

3 小結

塑料盲溝一體化取水凈水方案簡單實用、水頭損失小，本研究中的水力計算方法具有設計指導意義；2 L隔膜式氣壓罐滿足控制要求，按管網滲漏量校核水泵小時啟動次數的設計方法可行。基于220 V電源和溪溝地表水源設計的水肥藥一體化微噴灌系統滿足伴礦景天育苗棚需求，實現了清水噴灌、肥水配制與噴施、藥劑噴灑和零星用水的功能集成，最大噴施流量為3.3 m3/h，服務面積為304 m2。該系統具有設備簡潔、操作簡單、穩定可靠的優點，可在需求相對簡單、基礎條件較差地區加以推廣。但該系統不能完全替代霧化器噴施農藥，濾膜表面生物附著對塑料盲溝取水凈水性能的長期影響有待進一步觀察和研究。