基于水肥耦合的温室大棚滴灌设计及应用

张 妞，王金魁，崔师胜，塔依尔江·阿西木

(1.新疆白杨河流域管理局,新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区水文局,新疆 乌鲁木齐 830000;3.新疆白杨河流域管理局水利管理中心,新疆 乌鲁木齐 830039)

0 引言

托克逊县处于全国典型的极端干旱区，生态环境十分脆弱，面对日益快速的经济发展和日益丰富的农产品需要，如何最大程度地借助外在手段将有限的水资源转化为最大效率的产出是关键，然而，虽然当地也建了较多温室大棚，但是建后使用的都较少，更难做到真正发挥作用，也出现了有些种植户种植不科学、灌溉方式粗放导致资源浪费等现象，水肥一体化技术因实现了向生长中的作物同步供给水分和养分的技术而被逐渐发展、应用[1]。水肥一体化技术要点及应用前景分析，也为我们在托克逊当地选择温室大棚通过开展水肥耦合的滴灌设计以及应用提供了途径。

1 滴灌设计

大棚滴灌系统具有节水、增产、省工、提高灌溉质量及减少深层渗漏等许多优点[2]，结合当地大棚调查分析情况，针对大棚分散的单元属性，而又集中在压力源管网线内的特点，也在借鉴现在应用较为广泛的水肥一体化技术，探索实践中重力滴灌系统用于“一家一户”单棚灌溉。

1.1 总体布局

设计的灌溉系统服务的日光温室有两种：一是总体面积为186 m×8.5 m(2.37亩)，室内生产长度180 m，宽度(种植垄长)6.5 m，种植面积1170 m2(1.75亩)；二是总体建筑面积为96 m×8 m，室内生产长度90 m，宽度(种植垄长)6.5 m。总体布局为温室内建设蓄水池，通过水泵加压对分列在大棚中的储水罐供水，在重力作用下，水及养分由干管进入到支管，毛管与支管相连，每一垄用一条滴灌带，通过管网及灌头将水源及养分输送到作物根系附近。

1.2 滴管系统的水力设计

1.2.1 设计标准

由于水在流动中产生了摩擦损失，水头压力及滴头流量也沿程降低，根据规范要求，在符合作物需水要求的基础上，在毛管滴头流量允许变化值为20%，支管上毛管流量允许变化值为10%即可视为满足了滴头流量的均匀性[3]。具体滴头、流量和压力的关系变化公示为：

qvar=1-(1-Hyar)x

(1)

式中：qvar为流量变化值；Hyar为压力变化值；x为滴头参数(0.5)。

根据式1，当流量差为20%时，压力差为36%；当流量差为10%时压力差为11.6%。

根据需要设定毛管首端水头压力A定为0.55 kg f/cm2，则可得毛管末端水头压力为0.35 kg f/cm2，支管首端水头压力为0.63 kg f/cm2。

1.2.2 毛管设计

在满足滴头流量变化范围的前提下，选择最大长度的毛管，采用勃拉斯公式：

(2)

式中：D为毛管内径；L为毛管长度；ΔH为毛管水头损失；Q为毛管进口流量。

其中：

L=n1·S

(3)

Q=n1·q1

(4)

根据式(3)和式(4)可得：

(5)

式中：q1为内孔流量，L/h；n1为毛管上内孔数目；S为内孔间距。

其中：

ΔH=0.36H

(6)

式中：H为正常水头压力；ΔH为毛管水头损失。

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，单位灌水量q1=3 L/(m·h)，代入得L1=6.5 m为毛管最大允许长度。

1.2.3 支管设计

每个独立“自压滴灌水肥一体化系统”控制3条支管，每根支管长度30 m，控制25垄50条毛管，由于是多孔出流，适用于勃拉斯公式。

ΔH2D24.75S21.75=0.469q21.75L22.75

(8)

Q=q2L2=q1L1n2

(9)

L2=S2·n2

(10)

式中：D2为支管内径；ΔH为支管水头损失；L2为支管上首末端毛管间距；Q2为支管流量；S2为毛管间距；n2为毛管数量。

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。出于长期使用角度考虑，支管选用Φ40PE管。

1.2.4 总管设计

水经水泵加压后再经过过滤器，水头压力是1 kg f/cm2,总管末端要求的水头压力是0.55 kg f/cm2，水头损失=0.45 kg f/cm2，总管长度120 m，总管流量为5.85 t/h。适用直径选择32 mmPVC。

2 水肥耦合

2.1 实施背景

水分和养分对植株营养生长、产量和品质形成具有重要影响，适宜的水肥用量有助于提高蔬菜产量，而水肥关系失调则会导致蔬菜生长缓慢，影响产量[4]。大水大肥不仅不能使蔬菜增产提质，反而会造成浪费的同时影响品质，总之，科学施肥对作物的高产至关重要。在农业生产中，种植作物生长期间的需肥规律和需肥特性、耕地肥力水平、肥料性能和肥料效应、施肥方式和施肥时间都是重要参数，对其了解和掌握的情况直接影响到科学决策。因为受限于管理技术、生产力水平及人工因素，生产上存在分散、杂乱、守旧，几乎没有大棚农作物高效节水灌溉、施肥配套调控设施，种植户深受大棚作物人工灌溉施肥困难困扰，更难以实现科学种植，致使种植户积极性不高，部分大棚存在无人管的现象，造成工程建设资源浪费,因此探索实践水肥耦合模式。

2.2 工作原理

通过配备灌水器、施肥罐及过滤器，实现灌溉与施肥在压力作用下将可溶性固体肥料或液体肥料配兑而成的肥液通过灌溉系统注入灌溉输水管道，与灌溉水一起，均匀、准确地输送到作物根部土壤，作物在吸收水分的同时吸收养分[5]，这也是一般施肥方法所不具备的，同时，结合作物生长需求，进行全生育期需求设计，实现计划供给水分和养分。通过定时、定量、定时、按比例供给，满足植物对水分、养分的需求，切实提高水和肥料利用率，保证作物高产高效，降低人工成本，增强可操作性。

3 实践应用及取得成效

3.1 系统建设

根据日光温室建设规格，采用自压滴灌系统需要建设两套独立“自压滴灌水肥一体化系统”，每套系统控制90 m×6.5 m(0.88亩)种植区域，二次供水，每个温室内建设1座15 m3蓄水池(5 m×2 m×1.5 m)，1台两相潜水泵对两个滴灌系统储水罐提供二次供水；毛管选购用Φ10×330×1.0自压滴管管，长度6.5 m，“一垄两管两行”，毛管流量Qm=19.5 L/h；支管选用Φ40PE管，支管长度30 m，控制25垄50条毛管，支管流量Qz=975 L/h；每个独立“自压滴灌水肥一体化系统”控制3条支管，干管选用Φ40PVC管，长度30 m；系统压力1.2 m～1.5 m，储水罐800 L～1000 L，支架高度大于1.2 m，输水潜水泵扬程10 m，流量2 m3/h～3 m3/h。根据作物需水规律,定时定量将溶有肥料的灌溉水，通过灌水器将肥液滴入根区。通过微灌灌溉系统进行灌溉施肥，作物在吸收水分的同时吸收养分，是在压力作用下，将肥料溶液注入灌溉输水系统而实现的。

3.2 绩效情况

通过项目的实施，特别是现场点对点、手把手培训指导种植户进行微灌水肥一体化设备安装，帮助种植户掌握微灌水肥一体化技术，转变传统种植观念，改善种植条件，提高种植作物水平，促进增产增收，切实达到推广辐射带动托克逊县大棚作物种植的效果。

3.2.1 社会效益

通过将微灌水肥一体化在托克逊县夏乡铁提尔村日光标准棚连片区进行推广，组织观摩和培训农户，真正送种植新技术和高科技设备下乡，真正将农业科技成果转化，提高农户科技素质和农业生产科技含量，提高劳动效率5倍以上，大大减轻农民劳作强度，切实“扶智”，调动种植户种植积极性，引导、支持、带动当地种植户劳动增收致富。

3.2.2 生态效益

与常规灌溉、施肥技术相比，微灌水肥一体化使土壤水分、养分含量相对稳定，提高水肥利用率，提高肥料利用率90%。

3.2.3 节水效益

受干旱气候多风区、蒸发量大等自然条件及传统灌溉方式限制，当地灌溉水及施肥利用系数低，种植产量低。通过水肥一体化技术实施应用，与常规灌溉技术相比，特别是提高田间节水效率，减少输水过程损失，提高水资源利用率，节水30%以上。

3.2.4 经济效益

与常规灌溉、施肥技术相比，可以使土壤水分、养分含量相对稳定，提高水肥利用率，可以较大地提高农林作物产品质量，增产15%以上，增收20%以上，降低病虫害发生，改善产品品质。

3.2.5 可持续影响

通过引进微灌水肥一体化技术，重点对节水技术、平衡施肥、水肥一体化技术和病虫害防控进行技术培训，发放基于温室大棚设计、微灌水肥一体化技术的大棚种植模式的灌溉技术手册种植户全程参与并积极发挥作用，能熟练掌握技术，作物产量翻倍、肥料用量减低，成本大大降低，再加上组织观摩形成了带动辐射。

4 结语

基于新疆农业节水灌溉以及水肥一体化技术的大规模普及及推广，项目基于水肥耦合进行了滴灌设计并以托克逊县夏乡铁提尔村日光标准棚连片区基地作为示范点进行应用，一方面送种植新技术和高科技设备下乡，提高农户科技素质和农业生产科技含量，真正影响辐射带动种植模式向智能化、科技化转变，为促进当地设施农业健康发展提供参考，另一方面也为我们探索在地处极端干旱区且拥有白杨河流域?灌区分布的托克逊进行节水实践提供了路径。