家庭农场蔬菜园滴灌装置的设计与测试

李延国 李建军 孙雪娇 黄雷 王立新 欧志鹏 何禹 任慧 杨眉

摘要：在大多数家庭蔬菜园生产过程中，人们越来越需要一个造价比较低的能够负担得起的小型滴灌装置来进行浇水和施肥，以达到省时、省力和增加产量的目的。因此，设计一种小型蔬菜种植园的滴灌装置，具有广阔的发展前景。滴灌装置是在主要管道上由1条主管道、3条横向管道和沿横向间隔的滴灌带组成。滴灌带的输送流量设计为2.12L/h，同时完成1次区域（10m×5m）的灌溉面积，该区域设计为4h的灌溉时间，采用3个横向的2个轮班进行灌溉设计和测试。

关键词：滴灌装置;滴灌带;主管道;横向管道

中图分类号：S23  文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229022

引言

滴灌为家庭蔬菜园提供了一种灌溉效率高和能够提高园艺产量的实用技术。通过吸取在大田作物方面的灌溉经验，并根据蔬菜水分吸收率而采用施用少量水及液体肥料，使土壤持续保持在对蔬菜生长处于最佳状态的有利条件。由于滴灌装置施水通常是在靠近植物根区进行的，所以滴灌施水采用的是通过湿润行间和垄脊的办法使灌溉水损失最小化。因此滴灌与其他灌溉方式相比，无论是在蔬菜产量还是节水方面都具有很大的优势。

滴灌水肥一体化技术可做到配方施肥，满足作物不同生长时期对不同养分的需求，可实现平衡施肥和集中施肥，有效减少肥料挥发和流失，抑制面源污染及过量施肥造成土壤酸化、板结问题，使土地更环保。种植者可通过科学灌溉，合理用肥，不仅能够使作物生长健壮，还有利于提高果蔬产量和品质。同时劳动强度、灌溉、施肥用工量大幅度减少。在节约用水的同时可减少庭院内空气湿度，降低了果蔬的病虫危害。同时可大幅降低用水用肥和用药成本，减少费用支出。

虽然现有的滴灌系统在用水方面效率很高，但其系统组成比较复杂，包含有许多次级组件，成本比较高，其主要原因是缺乏系统实践。而且购买安装滴灌装置的费用比较高。如果大量发展家庭农场蔬菜园经济，使人们享受到滴灌带来的好处，就需要在蔬菜园中使用价格合理且适用性能优良的滴灌装置。因此，本文的主要目的是为家庭农场蔬菜园设计经济适用的滴灌装置，综合考虑水分和养分管理，使两者相互配合、相互协调、相互促进。以水促肥、以肥调水、因水施肥、水肥耦合，全面提升庭院农场果蔬产量水平和水肥利用效率。

1滴灌装置的组成及材料选择

滴灌装置的组成部分基本上由主管道、横向管道和滴灌带等组成。主管道将水输送至肥料罐，肥料罐将水输送至副管道和横向管道，安装在横向管道上的滴灌带分配灌溉用水。主管道、副管道和横向管道通常由聚氯乙烯（PVC）管制成，滴灌带通常采用黑色的聚乙烯（PE）材料制成。滴灌装置首选聚氯乙烯和聚乙烯材料，因为其能够承受含盐水灌溉过程对管件的侵蚀，也不受有机肥和化肥的影响。

滴灌装置还包括肥料罐、压力表、流量计、压力调节器、过滤器、冲洗阀和输送泵等配件。

2设计采用的基础数据

垄脊长度（横向）：10m;

垄脊宽度：50cm=0.5m;

垄脊面积：10m×0.5m=5m2;

垄脊深度：0.5m;

壟脊中心距离：1m;

工作压力H：10m（水柱）;

横向坡度：1%;

滴灌带数量：10m×17根，沿水平间距60cm等距分布。

3水分消耗量的测定

3.1灌溉要求

将有效根区土壤含水量提高到田间持水量所需的灌溉水量。净灌溉深度可根据净灌溉需求量（RAW）来确定，以种植西红柿为例，公式为：

RAW=MAD×AW

式中，RAW为净灌溉需水量（mm）;MAD为允许最大缺水量（%）;AW为土壤有效水分（mm）。

其中，AW=Drz×（Fc–PWP）×（P0）/100

式中，Drz为有效生根深度（m）;Fc为田间含水量体积百分比（%）;PW为永久性萎蔫点体积百分比（%）;P0为湿润面积与总面积的百分比（%）。

由于西红柿为深根性作物，自身根系较为发达，在土层中分布广而深，吸收水肥能力较强，具有一定的耐旱、耐肥能力[5]。所以取：MAD为50%，Drz为0.90m，P0为40%;Fc 为11.7%，PWP为3.7%，则：

RAW=（50%×0.9×11.7-3.7）×40%=14.4mm

3.2总灌溉需水量（Qx）（整个灌溉过程中总用水量）总灌溉需水量Qx=净灌溉需水量（RAW）/滴灌装置利用效率=14.4mm/80%=18 mm（滴灌装置利用效率为80%）

3.3灌溉间隔（It）

设计灌溉间隔=总灌溉需水量/平均蒸腾流量，即：

T=Et×Ps/85%

式中，T为平均蒸腾量（mm/d）;Ps为作物遮蔽的面积占总面积的百分比（%）;Et为作物消耗水分利用率（mm/d）。

传统上公认的西红柿种植参数，取Ps为40%，Et为7.5mm/d。则：

T=7.5×40%/85%=3.53（mm/d）

因此，灌溉间隔为It=Qx/T=14.4mm/3.53mm/d=4d，这是对种植西红柿正常用水所需要的最大灌溉间隔。

3.4灌溉周期（Ip）

灌溉周期是指在灌溉作物的最大消耗使用期内，允许对特定设计区域进行1次灌溉的天数。即：

Ip=（Mb-Ml）×bd×drz /（100×Cu）[3]

式中，Ip为灌溉周期（d）;Cu为种植使用量（mm/d）;Mb为开始灌溉时土壤水分含量（%）;Ml为水分含量在根区灌溉减少的最低限度百分比（%）;bd为种植区域土壤比重（g/cm3）;Drz为有效生根深度（m）。

其中，Mb-Ml=0.75FC-0.625FC=0.125FC [3]

式中，Fc=11.7%，Drz=900mm，Cu=7.5mm/d，bd=1.70g/cm3，则Ip=（0.125×11.7×900×1.70）/（100×7.5）=2.96d

单根垄脊面积=长度×宽度=10m×0.5m=5m2

试验采用24h、12h和6h的3种实际灌溉时间，在给出了每条横向管道的最大流量之后，选择6h灌溉时间进行设计。

Q24=体积 / 时间=0.216m3/24h=0.009m3/h=9L/h

Q12=0.216m3/12h=0.018m3/h=18L/h

Q6=0.216m3/6h=0.036m3/h=36L/h

对于单个垄脊的滴灌带设计流量为 Qd=0.01L/s，按照6h进行设计，对于17个滴灌带总流量为Q0=36L/h，因此，对于滴灌带单根设计输送流量为 36/17=2.12L/h，主管道总流量=Qz×3=36L/h×3=108L/h。

3.5滴灌容量设计

在设计中，灌溉蔬菜园的面积为50 m3（10m×5m）。因此，每次灌溉所需的用水量=菜园区域×灌溉深度=10m×5m×1.8cm=100dm×50dm×0.18dm=900L。

3.6过滤器的设计

在保证滴灌头不发生堵塞的前提下，过滤器的过滤精度选择为100～200目的不锈钢或者尼龙等耐腐蚀材料制成的滤网，过滤器壳体内部装入5～10目石英砂，过滤器被安装在肥料供给主管道上。

3.7输送均匀性设计

输送均匀性由以下公式计算：

EU=100×（n-1.27×Cv）×qm /qa[1]

式中，EU为设计输送均匀性，以百分比计;n为相同单位长度的横向植株间距，取n=1[1];Cv为制造商的管道输送变异系数，取Cv=0.09[1];qm为装置中的最小压力下的最小输送流量，取qm=2.19L/h（根据表1）;qa为平均值或设计滴灌带输送流量L/h，取qa=2.12L/h;则EU=100×（1.0-1.27 × 0.09）×2.18 /2.12=91.23%，取整数为91%。

4滴灌装置平面布置图

6压力变化

6.1横向管道总压头损失（H）

液体在输送过程中与输送管道内壁产生摩擦，而导致压力损失，横向管道总压头损失可表示为：

H=5.35×（Q1.852/D4.871）×L [1]

式中，H为横向摩擦总压头损失 （m） ;Q为横向进口输送流量（L/s）;D为横向输送管内径（cm）;L为横向管道长度（m）。

其中，Q=0.036L/s，D=1.5cm，L=10m，则H=5.35×（0.0361.852/1.54.871）×10=0.01573m，取H=0.016 （m）。

6.2滴灌带工作压力（He）

根据流量计算方程计算：

Q=1.41×He0.5 [4]

式中，Q为滴灌带单根设计输送流量（L/h），He为滴灌带工作压力（m）。

其中，Q=2.12L/h，则：He0.5=2.12 /1.41 → He=（1.5）2 =2.25（m）

6.3主管道产生的压头损失（Hm）

根据威廉斯和哈森方程，管道沿程摩擦系数取c=150

Hm=12.57×（Q1.852/D4.871）×L [2]

式中，Hm为主管道产生的压头损失（m）;Qz为主管道的总流量（L/s）;L为管道长度（m）;D为主管道内径（cm）。

其中，Qz=0.03L/s，D=2.0cm，L=6m，则Hm=12.57×0.031.852/2.04.871）×6=0.0039m

6.4横向管道压头损失HL

根据方程计算：

HL =5.35×（Q1.852/D4.871）×L [1]

式中，HL为 横向管道压头损失（m）;Q为 单个滴灌带设计流量（L/s）;D为 横向管道内径（cm）。

其中，Q=0.01×17=0.17 L/s，D=1.5cm ，L=10m，则HL =5.35×（0.171.852/1.54.871）×10=0.0052m

ΔZL =hl

hl=FHL + Mi

Mi=配件产生的轻微损失=0

F=0.33 [4] 可知

hl=0.33×0.0052（m）=0.001716（m）=0.002（m）

ΔZm=0.33×0.002 （m）=0.00066 m

6.5过滤器的压力损失（P）

Q=1.41×P0.5

式中，Q=1.4L/s。

则：1.4=1.41P05 → 1.4/1.41=P0.5 → P=1 （m）

6.6横向管道平均压力（Ha）

Ha=He+1/4hf +ΔZL/2

=2.25+（1/4）×0.016+0.002/2

=2.255 （m）

6.7橫向管道入口压力（HR）

HR=Ha+3/4hf +ΔZL/2

=2.255+（3/4）×0.016+0.002/2

=2.268 （m）

6.8工作压力Ho

HO =Hm+p+HF+HL+He

HO=2.27+1+2.96+2.268+2.25=10.77 （m）

6.9压力变化（Hvar）和流量变化（qvar）

Hvar=（Hmax-Hmin）/ Hmax

qvar=（qmax-qmin）/ Qmin，

表1显示测试结果为： qmax=2.43L/h，qmin=2.18L/h

则 qvar=（2.43-2.18）/2.43=0.10288=10.3%

由qvar，Hvar可以计算为：

qvar=1-（1-Hvar） → 0.10288=1-（1-Hvar） →

0.10288=1-1+Hvar→ 0.10288=0+Hvar →

0.10288=Hvar→ Hvar=（Hmax-Hmin）/ Hmax

0.10288=（10-Hmin）/10→ 0.10288 × 10=10-Hmin → 1.0288=10-Hmin

Hmin=10-1.0288=8.9712 （m）

6.10滴灌带输送流量（v）

qa=av，Qa=π（d/2）2/v

式中，qa为每次灌溉所需的用水量cm;v为滴灌带的流速m/s;a为滴灌带的面积m2;d为滴灌带直径，d=3mm。

其中，qa=9.0×102 /3600 s m3=π（0.003/2）2/v，则v=9.0×102 /[3600×π（0.0015）2]=0.028m/s

7结果与讨论

对已建成的滴灌装置进行了测试，测试结果见表1。

横向管道1的输送流量为2.43L/h，这是滴灌装置的最大输送流量;横向管道2的输送流量为2.20L/h;横向管道3的输送流量最小，为2.18L/h;输送值接近设计输送流量2.12L/h。横向管道3的输送流量变化最小，为8.4%，横向管道1的输送流量变化最大为10%，压力变化为10%，最小压力为9m水柱。

6个垄脊设计需水量是0.36m3（360L），按每侧横向输水量36L计算，灌溉所需时间为360/108=3.3h，取整数 3h，完成设计区域的1次灌溉。因此，轮班次数为3h。

脊数/轮班次数=6/3=2，允许使用期为3d。

由于需要360L的水才能完成设计区域的1次灌溉，1个1.5m3的储水箱至少可以完成4次灌溉，这4次灌溉将在高峰消耗期持续12d。

8结论

与传统的灌溉和施肥措施相比，滴灌水肥一体化技术及装置具有显著的优点：省水、省肥、省时，降低果蔬生产成本;降低病虫害发生几率，保证农作物品质和产量;减少环境污染;改善土壤微环境、提高微量元素使用效率、促进生态环境保护的建设等。使用当地耐用材料来建造家庭农场蔬菜园的滴灌装置，并根据测试结果选择合适的规格尺寸，可以最大限度地减少初始投资成本高的问题。虽然滴灌技术有许多优点，但是如果建造成本过高，也会阻碍普通人们采用滴灌技术。本研究设计及建构的滴灌装置可应用于大小农场和庭院蔬菜园，其是在种植者能够掌握该项技术和经济承受能力范围内，具有十分广阔的发展前景。

参考文献

[1] Agricultural engineers， Year Book[G].Publishers： American Society of Agricultural Engineers. 1981-1982.

[2] Howell， T. A.， D. S. Stevenson， F. K. Aljibury， H. M. Gitlin， I. P. Wu， A. W. Warrick， P. A. C. Roots，Design and operation of trickle （drip） systems. In： Design and operation of farm irrigation systems， M.E Jensen （Ed.）， ASAE Monograph 3， St. Joseph， MI [M]. 1980， 663-717.

[3]Isrealson， O. W.， E. Vaughn， V. E. Hanson， Irrigation principles and practice [M].Edition， John Willey and Sons Inc.， New York. 1962， 3rd.

[4] James， L. G.， Principles of farm irrigation system design， Krieger publishing company， Krieger Drive， Malabar， Florida [M]. 1988.

[5]孫旭霞，薛玉花，尹丽红.番茄的营养特性与科学施肥技术 [J].河北农业科技，2007（7）：9.