小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計

黃裕揚　張智雄　鄭濤

摘 要：我國農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費嚴重，設(shè)計小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)可對干旱地區(qū)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉帶來創(chuàng)新與改進，并節(jié)約水資源，該系統(tǒng)主要由浸潤系統(tǒng)、電源、信號控制系統(tǒng)組成。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；灌溉系統(tǒng)；設(shè)計

1 研究背景及目的

1.1 研究背景

中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展的很快，能為人們提供大量的蔬菜水果等等，但絕大多數(shù)采用的農(nóng)業(yè)灌溉方式為噴灌、滴灌，漫灌。如畦灌，水的利用率僅為40%。中國農(nóng)業(yè)灌溉年用水量約4000億m3，占全國總用水量的80%左右，只能占到世界農(nóng)業(yè)總用水量的17%。其中占 農(nóng)業(yè)用水量的 90%～95%是農(nóng)田灌溉用水，農(nóng)業(yè)灌溉每年平均缺水300多億m3。然而，由于中國水資源不足，且浪費現(xiàn)象十分嚴重，致使農(nóng)田灌溉利用率僅為43%，1.0kg·m-3左右，遠低于發(fā)達國家2.0 kg·m-3以上的水平。[1]就中國微灌面積僅占灌溉面積而言僅有0.5%左右。據(jù)估計，美國地下滴灌面積已達15.607萬hm2，分別占微灌面積和灌溉總面積的 5%和 0.6%。[2]但是隨著這些技術(shù)的應(yīng)用，也增加了不少問題。比如地下滴灌過程中范圍控制，過程控制等，這都是值得探究的問題。

1.2 研究目的

本項目主要針對現(xiàn)今西南山區(qū)土壤貧瘠化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)中存在的弊端，如水資源浪費，作物不均勻灌溉等提出新型滲透灌溉系統(tǒng)的設(shè)計。地下滲透灌溉技術(shù)是新型高效用水灌溉技術(shù)，它比普通土渠減少60%～90%的輸水損失，更大程度上節(jié)約了水資源，重要的是該制作利用了加壓反滲透作用，將富水土壤中的水分吸收，待到土壤缺水時析出水分。本項目有效結(jié)合這些方式，研發(fā)一種在西南地區(qū)干旱條件下利用非飽和帶地下水運移的原理在地下進行滲透灌溉的節(jié)水灌溉系統(tǒng)運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可對干旱地區(qū)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉帶來創(chuàng)新與改進，以提高農(nóng)業(yè)灌溉效率和節(jié)約水資源。

2 設(shè)計方案

本項目研發(fā)的小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)，主要由浸潤系統(tǒng)（浸潤集水系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)）、電源、信號控制系統(tǒng)；兩大系統(tǒng)組成。

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由一個土壤溫濕度探測器（DHT11）、和控制芯片、和濡流水泵（kamoer）組成：首先通過土壤濕度探測器（dht11傳感器）測出土壤濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到控制器，控制器進行判斷，若濕度小于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度（當(dāng)?shù)氐耐寥篮剩瑒t發(fā)出一個信號，到變頻恒壓供水控制器，使其固定一個水壓使水泵放水，從而浸潤棒緩慢向土壤滲水。反之，若濕度大于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度，則反饋到控制器，控制器發(fā)信號到另外一條線路上的水泵，控制其開關(guān)，使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此裝置適用于干旱半干旱地區(qū)，有效的為植物提供水分也同時為土壤固定了部分水分，實現(xiàn)了水資源的有效利用。

2.2 浸潤灌溉系統(tǒng)

浸潤灌溉系統(tǒng)主要由浸潤棒、高分子半透膜、濡流水泵及一些管材組成，通過控制系統(tǒng)的信號輸入，控制水分的浸潤灌溉或者是反向吸水至水分的固定。

3 理論設(shè)計計算

由法國水力學(xué)家 H.-P.-G.達西提出了關(guān)于水滲透的達西公式，即Q=KFh/L。式中Q為單位時間滲流量，F(xiàn)為過水?dāng)嗝?，h為總水頭損失，L為滲流路徑長度，I=h/L為水力坡度，K為滲透系數(shù)。關(guān)系式表明，水在單位時間內(nèi)通過多孔介質(zhì)的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水?dāng)嗝婷娣e和總水頭損失成正比。從水力學(xué)已知，通過某一斷面的流量Q等于流速v與過水?dāng)嗝鍲的乘積，即Q=Fv。或，據(jù)此，達西定律也可以用另一種形式表達v=KI。[3]同時，根據(jù)土壤濕度探測器可知：該系統(tǒng)浸潤灌溉范圍為11%-72%。

4 工作原理及性能分析

首先通過土壤濕度探測儀測出土壤濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋到控制器，控制器進行判斷，若濕度小于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度，則發(fā)出一個信號，到濡流水泵，使水泵放水，從而浸潤棒緩慢向土壤滲水。反之，若濕度大于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度，則反饋到控制器，控制器發(fā)出信號到濡流水泵，控制其開關(guān)，使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此裝置適用于干旱半干旱地區(qū)，有效的為植物提供水分也同時為土壤固定了部分水分，實現(xiàn)了水資源的有效利用。完成制作后，作品實物外形照片如圖3。

5 創(chuàng)新點和應(yīng)用

現(xiàn)今農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)如噴灌、滴灌等，灌溉效率低，用水量大。本項目研發(fā)的滲透灌溉系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于即可以緩慢向土壤供水，也可在土壤富水時向裝置補水，同時與土壤濕度保持聯(lián)系，通過調(diào)控水泵，調(diào)節(jié)對土壤供水量?？蛇\用于農(nóng)作物灌溉，圍繞滲透棒最佳滲透范圍種植作物，節(jié)約大量的水資源，使農(nóng)作物種植更加合理化。

參考文獻

[1]高學(xué)梅.中國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在問題[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，18（1）：54-56.

[2]石培澤，馬金珠.干旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與實踐：武威市農(nóng)業(yè)灌溉綜合節(jié)水科學(xué)試驗[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2004.

[3]鄭健，等.局部控制地下浸潤灌溉土壤入滲特性研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（3）：228-232.

作者簡介：黃裕揚（1993，6-）， 男，四川自貢人，環(huán)境與土木工程學(xué)院，地下水科學(xué)與工程專業(yè)，本科在讀。指導(dǎo)教師：楊艷娜。