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        小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

        2015-05-30 07:52:46黃裕揚(yáng)張智雄鄭濤
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年3期
        關(guān)鍵詞:灌溉系統(tǒng)農(nóng)田設(shè)計(jì)

        黃裕揚(yáng) 張智雄 鄭濤

        摘 要:我國農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費(fèi)嚴(yán)重,設(shè)計(jì)小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng)可對(duì)干旱地區(qū)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉帶來創(chuàng)新與改進(jìn),并節(jié)約水資源,該系統(tǒng)主要由浸潤系統(tǒng)、電源、信號(hào)控制系統(tǒng)組成。

        關(guān)鍵詞:農(nóng)田;灌溉系統(tǒng);設(shè)計(jì)

        1 研究背景及目的

        1.1 研究背景

        中國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展的很快,能為人們提供大量的蔬菜水果等等,但絕大多數(shù)采用的農(nóng)業(yè)灌溉方式為噴灌、滴灌,漫灌。如畦灌,水的利用率僅為40%。中國農(nóng)業(yè)灌溉年用水量約4000億m3,占全國總用水量的80%左右,只能占到世界農(nóng)業(yè)總用水量的17%。其中占 農(nóng)業(yè)用水量的 90%~95%是農(nóng)田灌溉用水,農(nóng)業(yè)灌溉每年平均缺水300多億m3。然而,由于中國水資源不足,且浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重,致使農(nóng)田灌溉利用率僅為43%,1.0kg·m-3左右,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家2.0 kg·m-3以上的水平。[1]就中國微灌面積僅占灌溉面積而言僅有0.5%左右。據(jù)估計(jì),美國地下滴灌面積已達(dá)15.607萬hm2,分別占微灌面積和灌溉總面積的 5%和 0.6%。[2]但是隨著這些技術(shù)的應(yīng)用,也增加了不少問題。比如地下滴灌過程中范圍控制,過程控制等,這都是值得探究的問題。

        1.2 研究目的

        本項(xiàng)目主要針對(duì)現(xiàn)今西南山區(qū)土壤貧瘠化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)中存在的弊端,如水資源浪費(fèi),作物不均勻灌溉等提出新型滲透灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。地下滲透灌溉技術(shù)是新型高效用水灌溉技術(shù),它比普通土渠減少60%~90%的輸水損失,更大程度上節(jié)約了水資源,重要的是該制作利用了加壓反滲透作用,將富水土壤中的水分吸收,待到土壤缺水時(shí)析出水分。本項(xiàng)目有效結(jié)合這些方式,研發(fā)一種在西南地區(qū)干旱條件下利用非飽和帶地下水運(yùn)移的原理在地下進(jìn)行滲透灌溉的節(jié)水灌溉系統(tǒng)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),可對(duì)干旱地區(qū)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉帶來創(chuàng)新與改進(jìn),以提高農(nóng)業(yè)灌溉效率和節(jié)約水資源。

        2 設(shè)計(jì)方案

        本項(xiàng)目研發(fā)的小型農(nóng)田浸潤灌溉系統(tǒng),主要由浸潤系統(tǒng)(浸潤集水系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng))、電源、信號(hào)控制系統(tǒng);兩大系統(tǒng)組成。

        2.1 控制系統(tǒng)

        控制系統(tǒng)由一個(gè)土壤溫濕度探測(cè)器(DHT11)、和控制芯片、和濡流水泵(kamoer)組成:首先通過土壤濕度探測(cè)器(dht11傳感器)測(cè)出土壤濕度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)反饋到控制器,控制器進(jìn)行判斷,若濕度小于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度(當(dāng)?shù)氐耐寥篮剩?,則發(fā)出一個(gè)信號(hào),到變頻恒壓供水控制器,使其固定一個(gè)水壓使水泵放水,從而浸潤棒緩慢向土壤滲水。反之,若濕度大于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度,則反饋到控制器,控制器發(fā)信號(hào)到另外一條線路上的水泵,控制其開關(guān),使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此裝置適用于干旱半干旱地區(qū),有效的為植物提供水分也同時(shí)為土壤固定了部分水分,實(shí)現(xiàn)了水資源的有效利用。

        2.2 浸潤灌溉系統(tǒng)

        浸潤灌溉系統(tǒng)主要由浸潤棒、高分子半透膜、濡流水泵及一些管材組成,通過控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入,控制水分的浸潤灌溉或者是反向吸水至水分的固定。

        3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

        由法國水力學(xué)家 H.-P.-G.達(dá)西提出了關(guān)于水滲透的達(dá)西公式,即Q=KFh/L。式中Q為單位時(shí)間滲流量,F(xiàn)為過水?dāng)嗝?,h為總水頭損失,L為滲流路徑長(zhǎng)度,I=h/L為水力坡度,K為滲透系數(shù)。關(guān)系式表明,水在單位時(shí)間內(nèi)通過多孔介質(zhì)的滲流量與滲流路徑長(zhǎng)度成反比,與過水?dāng)嗝婷娣e和總水頭損失成正比。從水力學(xué)已知,通過某一斷面的流量Q等于流速v與過水?dāng)嗝鍲的乘積,即Q=Fv。或,據(jù)此,達(dá)西定律也可以用另一種形式表達(dá)v=KI。[3]同時(shí),根據(jù)土壤濕度探測(cè)器可知:該系統(tǒng)浸潤灌溉范圍為11%-72%。

        4 工作原理及性能分析

        首先通過土壤濕度探測(cè)儀測(cè)出土壤濕度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)反饋到控制器,控制器進(jìn)行判斷,若濕度小于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度,則發(fā)出一個(gè)信號(hào),到濡流水泵,使水泵放水,從而浸潤棒緩慢向土壤滲水。反之,若濕度大于當(dāng)?shù)胤N植于該土壤中的植物所需濕度,則反饋到控制器,控制器發(fā)出信號(hào)到濡流水泵,控制其開關(guān),使水泵吸水。土壤中部分水分被吸收回水箱。此裝置適用于干旱半干旱地區(qū),有效的為植物提供水分也同時(shí)為土壤固定了部分水分,實(shí)現(xiàn)了水資源的有效利用。完成制作后,作品實(shí)物外形照片如圖3。

        5 創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用

        現(xiàn)今農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)如噴灌、滴灌等,灌溉效率低,用水量大。本項(xiàng)目研發(fā)的滲透灌溉系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于即可以緩慢向土壤供水,也可在土壤富水時(shí)向裝置補(bǔ)水,同時(shí)與土壤濕度保持聯(lián)系,通過調(diào)控水泵,調(diào)節(jié)對(duì)土壤供水量。可運(yùn)用于農(nóng)作物灌溉,圍繞滲透棒最佳滲透范圍種植作物,節(jié)約大量的水資源,使農(nóng)作物種植更加合理化。

        參考文獻(xiàn)

        [1]高學(xué)梅.中國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及存在問題[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,18(1):54-56.

        [2]石培澤,馬金珠.干旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與實(shí)踐:武威市農(nóng)業(yè)灌溉綜合節(jié)水科學(xué)試驗(yàn)[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2004.

        [3]鄭健,等.局部控制地下浸潤灌溉土壤入滲特性研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(3):228-232.

        作者簡(jiǎn)介:黃裕揚(yáng)(1993,6-), 男,四川自貢人,環(huán)境與土木工程學(xué)院,地下水科學(xué)與工程專業(yè),本科在讀。指導(dǎo)教師:楊艷娜。

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