自补给灌溉系统设计

王 平，黑正军

（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750000）

宁夏地处我国内陆中偏北，距海遥远，水资源严重短缺。在30.73 亿m3的地下水资源中苦咸水占到了35.21%，达10.82 亿m3，占全区面积的57%。宁夏平原地区在农业上采取大水漫灌，大引大排的粗放灌溉方式，排引比高达0.58 左右，引起土地的盐渍化，使得粮食产量降低。且施肥不当造成土壤污染日益加剧，其中包括化学污染、生物污染和物理污染。除此之外，还会引起生活环境的污染，如大气污染、水体污染等，都对人类的健康产生威胁。

传统的农业灌溉将水和肥分离，费时费力，且在苦咸水处理方面大多采用电渗析法，但其设备运行能耗较大，造价比较高。因此，改变传统的灌溉施肥方式和苦咸水淡化技术是未来的研究方向，针对于本地区的资源现状，提出基于苦咸水处理的短根植物的智能自补给系统[3]。

1 系统设计

1.1 系统组成

系统由本底信息自决策模块、水分自检自补决策模块、正渗透营养稀释模块、水分和营养耦合决策模块、水分和养分供给模块5 个部分构成。

水分自补自检模块根据土壤墒情（测土壤含水率仪器）检测到的具体数据通过无线或蓝牙传输给智能决策模块，该模块通过植物本地信息的数据判断分析并向各控制阀门作出相应的指令；本底信息自决策模块主要依赖于各种传感器检测情况，智能控制器将接收到的监测数据以命令的形式向其他模块发送传输指令；接受到上级模块的指令，正渗透营养稀释模块就开始运行，正渗透技术的工作原理是通过水箱收集来自本地区的苦咸水[4]，在具有选择透过性膜的两侧分别放置2 种不同的渗透压原液，即苦咸水和汲取液（无机肥料溶液），以膜两侧的渗透压差作为驱动力，将苦咸水中的水分提取出来，作为养分补给系统中的溶剂，将处理苦咸水装置中的汲取液回收，接收到上级模块的指令，根据本底信息的决策与反馈，正渗透营养稀释模块就开始运行，将汲取液稀释到一定浓度达到短根植物灌溉标准；水分和养分耦合决策模块依靠接收其他模块的数据和指令与其内设的数据库进行比对，确定出适宜短根植物需求最佳的一种水分和养分供给模式，使水分和养分耦合决策及时为短根植物根据接收到的植物的营养需求添加营养并与供水同时进行；在系统比对出最佳实施方案后，相应对各控制阀门发号施令，为短根植物进行系统的灌溉与供给养分。正渗透营养稀释模块始终处于运行状态，不断为水分养分自补给系统提供营养来源，整个系统由物联网自动控制[5]，为短根植物提供最佳的用水量和营养需求。

图1 正渗透系统

1.2 系统原理

将苦咸水收集起来，其作为正渗透装置的一部分，在配置好适宜的汲取液之后，利用正渗透技术处理苦咸水，将其作为此系统中的养分来源，此装置一直处于运行状态，为后续的短根植物水分与营养供给系统提供固定的营养来源[6]。

本底信息监测系统首先采集短根植物生长环境的数据，利用信息反馈系统（无线或互联网）将土壤含水率、pH 值、短根植物的生理状况发送到水分和养分智能自给控制终端，本底信息自决策模块、水分自检自补决策模块及水分和营养耦合模块便开始分工开展工作，通过各部分确定的最终结果汇总于自主执行装备系统中，根据上级指令控制水分源与营养源的阀门开关，通过水分和养分营养供给系统根据植物生长需求配兑成的肥液与灌溉水一起[7]通过可控管道系统输送，使作物“吃饱喝足”。

图2 短根植物水分和养分智能自补给系统

1.3 系统流程

2 实验与数据分析

（1）本底信息自决策模块。系统内置本底信息模块，实时监测短根植物所需水分与营养的需求，将信息反馈给终端智能决策系统。

（2）营养（肥料）与水分的耦合自补模块。根据作物营养需求，自动进行水分和养分的流量配比，以达到精准、科学、合理用水用肥的目的。

（3）正渗透系统与智能监测系统相结合，在处理当地苦咸水的同时，用稀释的肥料汲取液精准地为作物提供所需的养分。

（4）水分自检自补模块。根据土壤水分自主决策灌水量，使植物的含水量始终处于田间持水量与毛管持水量之间，保持短根植物正常生长所需用水。

（5）集成水肥一体化和智能决策技术成果。依据智能决策实现水肥一体化中水分自检自补、水分和养分耦合自补，最终通过自决策将整个体统有机、密切地联合起来。

3 实验与数据分析

根据植物生长、发育的实际需要,以西红柿为例。

在常温环境下,以复合肥和磷酸二氢钾做了模拟实验,实验得出：复合肥能够回收1.8L 的淡水资源，磷酸二氢钾能够回收3.1L 的淡水资源，通过进一步计算，3.1/5/0.0567≈11L，得出每小时每平方米的正渗透膜能够处理11L 的苦咸水。

通过数据搜集[8]，得出正渗透膜的最佳膜通量的浓度是2mol/L，2×136×7.5=2kg，2mol/7.5L=0.27mol/kg，按照7.5L 的水配置2kg 的磷酸二氢钾肥料的汲取液进行模拟实验。通过实际西红柿种植需要肥料的配比，得出西红柿在幼苗、开花时，需要3～5kg/667m2的施肥量，6～10m3/667m2的用水量。

表1 西红柿所需养分

通过表1 可知，实际情况是每3kg 的肥料兑上6m3。即用复合肥汲取液进行实验后，最终的汲取液浓度比实际需要灌溉的浓度高，还需稀释50～60 倍后便可用于短根植物的灌溉。

4 结论

宁夏干旱地区苦咸水资源量大，传统灌溉导致肥料污染和土壤盐碱化加剧，智能正渗透水肥自补给系统通过正渗透技术对当地苦咸水进行处理的同时，该系统的肥料汲取液可与水肥一体化系统相结合，通过智能控制系统精准监测作物水分和养分，从而实现对作物精准灌溉。与以往的技术相比，本系统技术减少了水资源的浪费，水的利用率提高了40%～60%，肥料利用率可提高30%～50%，保护了我国的生态环境，适宜在西北干旱地区大力推广。作为一项适合于农业可持续发展的新型农业技术，具有很大的发展潜力和较高的生态效益。