设施大棚沙培蔬菜水肥一体化系统设计

冷启兴　王建良　沈跃良　陈位政　余魁

摘  要：水肥一体化系统是设施大棚蔬菜栽培系统的重要建设内容。文章介绍了设施大棚沙培蔬菜水肥一体化系统的设计方案，包括系统结构、工作流程、灌溉制度、灌溉系统、施肥系统、自动化控制系统的设计和确定，可为相关设计提供借鉴和参考。

关键词：设施大棚;沙培;蔬菜;水肥一体化;灌溉

中图分类号：S24         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0091-03

Abstract： The integrated system of water and fertilizer is an important part of the greenhouse vegetable cultivation system. This paper introduces the design scheme of the integrated system of water and fertilizer for vegetables in the greenhouse， including the design and determination of the system structure， work flow， irrigation system， irrigation system， fertilization system and automatic control system， which can provide reference for the relevant design.

Keywords： greenhouse; sand culture; vegetable; integrated management of water and fertilizer; irrigation

引言

蔬菜是城乡居民生活必不可少的重要农产品，保障蔬菜供给是重大的民生问题。近年来，设施蔬菜产业取得了快速发展，对解决蔬菜周年均衡供应、促进农民增收、提升农业资源高效利用等方面具有重要意义。随着设施蔬菜连作年限增加，特别是水肥管理不科学，导致设施蔬菜土壤连作障碍越来越重。水肥管理是设施蔬菜种植技术中的关键环节，但很多农户在设施蔬菜种植过程中管理粗放，导致设施内病虫害加重、作物徒长、成本增加、效益下降。

无土栽培是近几十年来发展起来的一种作物栽培的新技术。无土栽培技术可人工创造良好的根际环境以取代土壤环境，有效防止土壤连作病害及土壤盐分积累造成的生理障碍，充分满足作物对矿质营养、水分、气体等环境条件的需要。沙培是以沙子为基质的一种无土栽培方式。沙培具有通透性强、易采收、清洁、少病害等特征。而且由于沙子的比热容较小，升温快，降温也快，保证地温的同时，能产生较大温差，因此，以沙子为基质栽培的果蔬具有口感好、少病害、产量高等优势，深受消费者的青睐。但是沙子的保水能力较差、肥效低，与传统的土壤栽培有较大差异，因此，为了保证设施大棚沙培蔬菜得到合理、可靠、稳定的灌水和施肥，需要对设施大棚沙培蔬菜水肥一体化灌溉系统进行专门的设计。本文以位于浙江省平湖农业经济开发区农创园沙培蔬菜设施大棚项目区进行设计。

1 总体设计

1.1 系统结构

沙培蔬菜水肥一体化灌溉系统主要采用水肥一体化技术与物联网控制技术相接合，由灌溉系统、施肥系统和自动化控制系统三部分组成。灌溉系统主要由水源工程、首部枢纽、田间灌溉管网及灌水器构成;施肥系统主要由控制器、肥料灌、施肥器、传感器以及混合罐、混合泵等组成;自动化控制系统主要有两线解码控制技术、解码器、电磁阀等组成。

1.2 工作流程及原理

上位机管控系统→水源→量测装置（水表、压力表）→过滤器装置（进排气装置）→施肥机→干管（地埋PVC管）→支管→灌水电磁阀→地面PE管→滴灌灌水器。

2 设计滴灌系统参数的确定

2.1 灌溉设计保证率

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288-2018）：经济效益较高的作物，灌溉设计保证率应取85%～95%中较大值，蔬菜沙培水肥一体化灌溉设计保证率取值为95%。

2.2 种植模式

沙培蔬菜种植采用固定式栽培槽种植，种植槽宽度为1.2m，耕作道路0.6m，蔬菜种植株行距为0.25×0.25m，灌溉方式采用一膜四管五行，种植模式如图1。

2.3 灌溉水利用系数

规范《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）规定：对于滴灌水利用系数不应低于0.9、微喷灌、涌泉灌不应低于0.85。

2.4 设计作物耗水强度Ea

规范《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）规定：设计作物耗水强度应由当地试验资料确定，无资料时可通过计算下表1选取。

项目区为蔬菜保护地且位于湿润地区，设计作物耗水强度取中间值3mm。

2.5 设计灌水均匀系数Cu

规范《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）规定：微灌系统灌水小区灌水器设计允许流量偏差率应满足[qv]≤20%。

2.6 设计湿润层深度

蔬菜沙培水肥一体化由于沙子铺设厚度为0.15m，设计湿润层深度取0.15m。

2.7 沙培土壤特性指标

沙子的容重按照为1.6g/cm3，田间持水量为8%（重量比），适宜土壤含水率上限？兹max取田间持水量的95%，下限？兹min取65%。

3 灌溉制度確定

3.1 最大净灌水定额

式中：mmax，最大净灌水定额，mm;γ，土壤容重，1.6g/cm3;h，计划湿润土层深度，0.15m;？籽，设计土壤湿润比，0.9;？兹max，？兹min-适宜土壤含水率上下限，占干土重量的百分比。上下限一般取田间持水量（重量比）的65～90%，田间持水量为25%。经计算mmax=5.2mm。

4 系统设计

4.1 灌溉系统

（1）水源工程：项目水源为地表水与收集雨水作为灌溉水源，通过离心泵将水输送至田间，水泵采用变频控制。

（2）过滤系统：滴灌对系统水质要求较高，设计水源为地表水及雨水，考虑水质稳定性不强，在系统首部安装一套砂石过滤器及一套碟片式过滤器对水源进行过滤，过滤器均具备自动反冲洗功能，可根据过滤器前后压力差实现过滤器自动冲洗功能。

（3）田间输配水管网：输配水管道包括干、支、毛，项目干管采用硬聚氯乙烯管（PVC-U），埋设于地下;支管采用聚乙烯管（PE管），直接铺设地面上。

（4）灌水器：设计灌水器采用贴片式滴灌带，滴灌带壁厚为0.4mm，内径为15.2mm，滴头间距为0.2m，额定工作压力hd=10m，额定流量qv=2.0L/h，流态指数x=0.5。滴灌带采用多行直线布置，布置方式为一膜四管六行。

4.2 施肥系统

施肥系统采用水肥一体机进行施肥。施肥机由显示屏、主控制系统、水泵控制单元、灌溉电磁阀控制单元、报警装置、3路电动阀控制带流量显示的文丘里吸肥通道（可扩展）、EC/PH检测单元等构成。系统在一个标准支撑平台的基础下，主控制系统利用安装在吸肥通道上的流量计监测肥料用量，利用主管道上的流量计监测水用量，控制3路吸肥电动阀的开度，直至主管道的水量和肥料通道上的肥料用量达到设定比例值，当主管道水量发生变化时，自动调节肥料吸入量，始终将吸肥量维持在一个稳定水平，然后打开田间电磁阀进行灌溉，设备配肥精准，灵敏度高。

4.3 自动化控制系统

本系统运行农业物联网自动化控制技术对系统进行自动控制，主要包括两线解码控制器、解码器和田间电磁阀三部分：

（1）两线解码技术：基于两线解码技术的自动灌溉系统是由灌溉系统软件及上位机、主控制器、解码器、电磁阀、传感器等组成。灌溉系统主控制器通过两芯电缆线与解码器连接，各解码器与电磁阀和各类传感器相连，采用低功耗电力线载波通信技术。每个解码器都有一个或多个地址，灌溉系统根据编制好的程序通过两芯信号线向不同地址传送命令，地址激活后，解码器允许电流流向电磁阀或传感器，控制电磁阀开启或读取传感器相关数据，实现灌溉系统功能。

与多线分控灌溉控制系统相比，基于两线解码技术的自动灌溉系统控制线的敷设距离明显缩短，线缆总数量比多线分控箱系统减少约70%～80%，遭受雷击的几率也相应减少;在一条两芯电缆线上实现多个地址控制，线路出现各种故障的几率也大为降低，可靠性显著提高，便于后期维护管理。

（2）田间解码器：解码器是两线解码技术的核心设备，是控制电磁阀开关的中间设备，通过编写地址码，识别灌溉阀区，完成开闭动作，从而实现系统的轮灌灌水，解码器是将具有开关量、模拟量输入输出功能的微处理器、防雷接地保护装置，用压缩树脂方法固化在塑料壳体中制作而成，它可以很好地保护内部电子元器件， 做到防水防蚀，可直接埋于地下。

（3）电磁阀：电磁阀是起到开关水量的作用，通过控制电磁线圈的通断来实现，设计采用AC24v交流电磁阀进行，电磁阀需要稳定性好，使用寿命长。

（4）控制软件：本系统采用两套控制方式：现地控制和远程控制，现地以智能施肥机为控制核心，通过人工在施肥机操作平台上进行设置，到达预设值后系统自动启动，同时开发一套手机APP程序进行远程控制，通过内置的物联网卡实现远程通讯，无距离限制。

5 结束语

沙培蔬菜水肥一体化系统不仅实现了灌溉施肥远程控制，可节省劳动力;而且实现了水肥的精准化种植、高效化管理，有利于设施大棚沙培蔬菜生产的标准化发展;同时进一步提高了沙培蔬菜生产效率，提升了农产品品质，有效改善了设施大棚生产环境。在推进农业供给侧结构性改革和农业高质量发展的大背景下，设施大棚沙培蔬菜水肥一体化系统具有很好的推廣应用前景。

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