一种智能反冲洗过滤滴灌水肥一体化装置

唐凡 叶颂 甘雨康

1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都

2.四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都

3.自贡市自流井区水务局，四川自贡

1 研究背景及意义

水肥一体化技术将灌溉水与肥料有效融合，采用滴灌等节水灌溉方式，准确高效地将水肥输送到田间或作物根系部，能显著节水节肥，提升产量和品质，降低劳动力使用成本[1]。但由于肥料的结晶或者结块，加上水中的泥沙沉积在管道中，容易造成滴头堵塞，影响灌溉，因而过滤器对于滴灌工程来说至关重要[2]。叠片过滤器是滴灌工程中常用的一种过滤器，其过滤效果好，运行成本低，性能可靠，安装便捷，不足之处在于清洗困难，且需要频繁地人为清洗，清洗时往往还需要停止灌溉[3]。

为此，我国研发设计出了一些自动反冲洗过滤器[4]。相较于已有的自动反冲洗过滤器，本装置具有以下优点：一是合理利用空间，减少土地资源利用，降低成本；二是形式简单，安装方便，可根据实际情况增添或减少叠片过滤器数量；三是对过滤器的清洗更加彻底，清洗过滤器时，加入一定溶解剂或者消毒剂，能更彻底地清除水中的有毒物质或化学沉淀，更利于作物生长；四是结合了过滤器清洗和施肥施药功能，且清洗过滤器的过程与灌溉互不影响。

2 系统组成

该反冲洗装置由管道、叠片过滤器、电磁阀、压力表、控制器、电源、料液池等组成。其中，管道包括来水管、出水管和弃水管；叠片过滤器的个数不限；电源为蓄电池，如条件允许也可采用太阳能为蓄电池充电；控制器包括控制系统和传感器等，根据传感器感受叠片过滤器处的压差，进而为电磁阀传递信号，以控制阀门开闭实现反冲洗；料液池可采用封闭或开敞形式，根据具体的水肥一体化形式而定。其具体工作流程如下。

1）正常工作状态。正常工作状态如图1所示，灌溉时，从水源处通过自流或水泵提供压力，由来水管经电磁阀进入叠片过滤器过滤再由出水管输入田间进行灌溉，此时电磁阀关闭通往弃水管的管道；施肥前，可打开料液池前方的阀门，为料液池加入适量水，再加入水溶肥或药进行溶解，施肥时打开阀门c，进而实现水肥一体化。

图1 正常过滤施肥状态

2）反冲洗状态。反冲洗状态如图2所示，反冲洗状态下，料液池中可加入少许对作物无害的洗涤剂或消毒剂。以A叠片过滤器为例，当A过滤器中叠片保留了一定量的泥沙等悬浮颗粒后，便会导致压差增加，因此，压力表读数增大，一旦压差达到预设水平，控制器将信号传给电磁阀a，以关闭通往来水管之间的管道，打开通往弃水管的管道，同时，通过控制器控制打开阀门c，水流从阀门b经过滤器B和预先配置好的洗涤剂，从出水管一同倒灌入叠片过滤器A，由图2可知反冲洗的水从A叠片过滤器的底部冲上来进入叠片中心，形成一种与灌溉水流相反的由内而外的水流冲击，这会大大提高对叠片的清洗程度和效率，洗涤后的废液从弃水管流出，以达到反冲洗过滤的目的。同理，可实现其余位置叠片过滤器的清洗。

图2 反冲洗状态

3 关键技术

与传统滴灌过滤器或传统反冲洗过滤器相比，该装置设计的关键在于智能控制系统。智能控制系统由线路、电磁阀、控制器等组成，控制系统可根据自定义的压差阈值来调控阀门的开闭，以实现反冲洗的智能化，其布置方便，具有使用简单、维护简便等优点。智能控制系统可考虑两种实现方式，一是控制器直接发信号给反冲洗阀，调节阀门开闭，或者由控制器通过控制电流（电路）来控制电磁阀调节阀门开闭。

料液池可考虑两种形式。一是开敞式，这种形式的优点在于可以使水肥彻底溶解，且施肥量大；缺点在于施肥时需要提供动力如水泵，或者采用特定设备如文丘里施肥器或施肥泵。二是封闭式，这种形式优点在于无需任何外部设备，靠管道自身引流施肥，缺点在于料液器体积有限，溶解不充分，施肥量较小，且多为金属材质，存在腐蚀生锈问题，具体形式可根据实际情况，如灌溉面积、作物等具体情况而定。

可以考虑将反冲洗装置与其他常见的过滤装置相结合，组成组合式过滤器，如将本文的叠片过滤器与砂石过滤器组合，同样可以设置反冲洗装置，并且这种组合式过滤器的适用性和过滤性将大幅提高，可以满足水源条件和占地条件更加复杂的情况。

4 结语

本文从智能反冲洗过滤式滴灌水肥一体化装置的研究背景、系统组成、关键技术等方面进行了分析和阐述。该研究成果具有灌溉水利用效率高、操作及维护简单、适用范围广等优点，适宜在多种工况下使用，尤其是在灌溉水源为地下水或含沙量较高的地区使用。