劉英超，陳夢(mèng)醒，諸 剛，侯書林，郭 輝，蔣三生

(1北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102208；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083；3.密歇根大學(xué))

0 引 言

灌、滴灌和滲灌為目前溫室主要采用的灌溉方式。溝灌是在作物行間開挖灌水溝，水從輸水溝進(jìn)入灌水溝后，在流動(dòng)的過程中，主要借毛細(xì)管作用濕潤(rùn)土壤。噴灌是使用專用設(shè)備噴頭通過壓力將水噴射到空中，形成的水滴落到作物表面和噴灌面的灌溉方法。兩種灌溉方式消耗用水量大，導(dǎo)致溫室濕度加大，土壤地表容易結(jié)殼，破壞土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)濕度大容易滋生病蟲害，影響作物生長(zhǎng)、品質(zhì)及產(chǎn)量。滴灌是利用滴灌管將水通過毛管上的滴頭或孔口送到作物根部，進(jìn)行局部灌溉的灌溉方式。滴灌的不足是容易堵塞和結(jié)垢，需對(duì)水源進(jìn)行嚴(yán)格的過濾處理。滲灌管埋設(shè)在作物根系層，天長(zhǎng)日久，易產(chǎn)生堵塞，滴灌管、滲灌管的鋪設(shè)與收集費(fèi)時(shí)、費(fèi)工，維護(hù)困難，限制了該技術(shù)的大面積推廣[1]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1-總閥門；2-過濾器；3-主管；4-軟管；5-控制閥；6-支管；7-支持架；8-有芯微管圖1 系統(tǒng)圖

圖2 系統(tǒng)支管移動(dòng)圖

1.2 工作過程

灌溉水經(jīng)總水源閥門1，由過濾器2過濾大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入主管，主管上按一定距離開設(shè)出水口連接支管，支管的間距根據(jù)具體植株行距而定。主管與支管之間連接軟管4，軟管可保證支管在一定范圍內(nèi)左右移動(dòng)。如圖2所示，改變軟管的長(zhǎng)度，可以調(diào)整移動(dòng)距離的大小以適應(yīng)不同作物行距設(shè)置不同的灌溉作業(yè)。

如圖3所示，系統(tǒng)主管、支管結(jié)構(gòu)圖，主管、支管結(jié)構(gòu)相同，均為在管路同側(cè)等距開設(shè)出水口。主管出水口連接軟管4，軟管可調(diào)節(jié)支管在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，適應(yīng)不同的作物行距。支管的出水口連接有芯微管。支管與有芯微管之間同樣連接軟管，以使有芯微管在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，適應(yīng)不同的作物株距。如圖4所示為有芯微管結(jié)構(gòu)圖，本文研究的有芯微管為一種復(fù)合材料組成，分內(nèi)外兩層，外層為疏水性材料，避免水分揮發(fā)，同時(shí)要具有較大摩擦系數(shù)的材料，外層同時(shí)兼做作物爬蔓繩如圖5所示，有利于作物攀附并要具有一定的抗拉強(qiáng)度，能承受較大拉力，抗破壞性和重復(fù)利用性強(qiáng)。芯層為親水性材料，且要耐腐蝕。芯層可起到過濾器的作用，可過濾細(xì)小顆粒雜質(zhì)等，節(jié)省成本。水流通過有芯微管在芯層虹吸力、毛細(xì)管力和重力勢(shì)能的共同作用下，直接作用于作物根部，僅需低壓供水，節(jié)省能耗。芯層同時(shí)具有消能作用，可避免輸水過程中壓力不均導(dǎo)致水流分配不均，解決了灌溉均勻性問題。

圖3 系統(tǒng)主、支管結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 有芯微管結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 有芯微管代替作物爬蔓繩示意圖

2 系統(tǒng)管道水力計(jì)算

田間供輸水管徑的計(jì)算是壓力管網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，主管、支管和有芯微管的管徑確定通過經(jīng)濟(jì)流速來選擇。各級(jí)管道管徑的確定如下：

Q=Av

(1)

由

(2)

故：

(4)

式中：D為供水管道的內(nèi)徑，m;Q為總供水流量，m3/s;v為管道內(nèi)額定經(jīng)濟(jì)流速，m/s；A為管道斷面的橫截面積，m2。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速的選擇合理確定管道直徑，規(guī)范給出：硬質(zhì)塑管的低壓供水流速范圍為1.0～1.5 m/s；塑料軟管的低壓供水流速范圍為0.5～1.2 m/s。

由式(4)及允許的額定流速范圍，可得到選擇不同流量范圍下的適宜管徑，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同流量范圍對(duì)應(yīng)的硬質(zhì)塑料管管徑[2]

管道水力計(jì)算結(jié)果，塑料管徑規(guī)格、灌區(qū)末級(jí)供水流量的大小、灌溉系統(tǒng)投資情況等因素是塑料管道管徑選擇要考慮的綜合因素，最終以管件生產(chǎn)規(guī)格和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)來確定管徑。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇在北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備溫室大棚，劃分3個(gè)試驗(yàn)區(qū)：灌溉面積為每種16 m2，試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別為常規(guī)溝灌區(qū)、滴灌區(qū)、有芯微管微灌試驗(yàn)區(qū)。地段具有良好的試驗(yàn)條件、土地平整，肥力均勻，田間地面坡度在10%以內(nèi)。

試驗(yàn)對(duì)象為爬蔓類作物黃瓜。系統(tǒng)有一個(gè)主管道，主管上設(shè)計(jì)支管4行， 5個(gè)有芯微管均勻布置在支管上，行距為130 cm,株距為80 cm。如圖6為系統(tǒng)布置圖。各管路之間垂直布置，順直鋪設(shè)于支架上，支管與有芯微管垂直布置，有芯微管與地面垂直，末端直接接觸作物地上部分，水流在自身重力作用下自然下流，對(duì)作物進(jìn)行單株灌溉。支架高度考慮爬蔓作物爬蔓所需高度定為2 m。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)研究結(jié)果[2,3]見表2～3所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的有芯微管微灌系統(tǒng)具有安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。適用于不同行距、株距種植方式的不同作物的節(jié)水灌溉。操作簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)靈活，自動(dòng)化程度高，安裝方便；投資少，可重復(fù)使用，節(jié)水效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)。有芯微管的芯材部分可過濾水中雜物，不用單裝過濾器，節(jié)約系統(tǒng)成本。系統(tǒng)利用虹吸效應(yīng)，微管的毛細(xì)管力和水流自身重力勢(shì)能并采用低壓供水灌溉，水流自然流入作物根部。同時(shí)，有芯微管芯材具有消能作用，達(dá)到系統(tǒng)均勻灌溉。爬蔓繩可用微管代替，不需要單獨(dú)搭設(shè)爬蔓繩，省工、省時(shí)、省材料。

圖6 系統(tǒng)布置

表2土壤含水量測(cè)定表Ⅰ

作物： 黃瓜 2016 年 4月 23日

表3土壤含水量測(cè)定表Ⅱ

作物： 黃瓜 2016 年 4月 28 日

表4土壤含水量測(cè)定表Ⅲ

作物： 黃瓜 2016年 6月1日

表5土壤含水量、田間持水量測(cè)定表Ⅳ

作物： 黃瓜 2016年7月14日

注：記錄觀測(cè)說明：土壤含水量只測(cè)定一次：選擇同一試驗(yàn)區(qū)的土壤類型內(nèi)的代表性測(cè)點(diǎn)10個(gè)，取平均值，測(cè)量時(shí)間是：農(nóng)田灌水3 h后(包含含水量)測(cè)量該值。

表6 系統(tǒng)供水與灌溉動(dòng)態(tài)觀測(cè)表

注：①觀測(cè)規(guī)律：每次灌水時(shí)需進(jìn)行觀測(cè)；②分別選擇小區(qū)內(nèi)的首部出流，中部出流，末端出流進(jìn)行觀測(cè)；③秒表計(jì)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)充滿水后從第一滴開始觀測(cè)，每隔10 min記一次出水量，直至達(dá)到灌水定額。

[1] 侯書林，馬世榜，劉英超，等.溫室爬蔓作物有芯微管灌溉系統(tǒng).中國(guó)專利，201110433613.0，2011-12-21.

[2] 周和平,徐小波.蓄流灌溉技術(shù)試驗(yàn)分析[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2006,(5).

[3] 彭立新，周和平，徐小波，等.水權(quán)概論與節(jié)水技術(shù)研究[M].烏魯木齊：新疆科學(xué)技術(shù)出版社，2006.