田莉 李家春 朱來賀 吳景來 李繼學

摘 要：針對中國丘陵地區(qū)的農業(yè)灌溉難度大，模式單一的現(xiàn)狀，在傳統(tǒng)的水肥一體化灌溉模式下，設計一種基于施肥機“后進前出”安裝方案的丘陵地區(qū)水肥一體化灌溉模式。利用SolidWorks進行施肥機安裝方案的三維結構設計建模，采用FLoEFD軟件對其工作情況進行仿真模擬，分析該方案下水肥一體化施肥機對水源吸入及水肥混合液穩(wěn)定輸出的效果。在田間性能試驗中，該灌溉模式下能夠有效實現(xiàn)水肥一體化灌溉，且施肥機在停止運作狀態(tài)時，亦可進行作物水源灌溉，相比傳統(tǒng)采用的灌溉模式，能夠實現(xiàn)對灌溉設施的有效利用。

關鍵詞：

灌溉模式;施肥機安裝方案;設計建模;仿真模擬;試驗

中圖分類號：S275.3

文獻標識碼： B

我國南方丘陵山地幅員遼闊，但多數(shù)地塊規(guī)模小、土地很不平整，農業(yè)生產主要依靠人力和畜力完成，難以實施大規(guī)模的機械化生產[1-2]。以貴州為例，貴州地區(qū)高原山地居多，全省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地三種基本類型，其中山地占61.7%，丘陵占30.8%，山間平壩占7.5%，素有“八山一水一分田”之說，是我國內陸地區(qū)唯一沒有平原地貌的省份。全省耕地總體呈現(xiàn)出坡耕地多、壩區(qū)耕地少、中低產耕地多、優(yōu)質耕地少這樣一個“兩多兩少”的特點。大部分耕地是喀斯特山間溶斗式麻窩地、斜坡上的石旮旯地，十分貧瘠，是名副其實的跑水、跑土、跑肥的“三跑地”[3]。

在丘陵地區(qū)的農業(yè)生產中，面臨生產操作困難、水肥管理不到位、生產成本不斷攀升、生態(tài)環(huán)境惡化等諸多問題。生產實踐表明，水肥一體化技術的應用是目前解決丘陵山地區(qū)缺水、灌溉及施肥難的最有效途徑和形式之一，各地可根據(jù)實際情況選擇應用相應的技術模式，不僅可以取得顯著的經濟效益，而且在促進農業(yè)農村科技進步、充分利用邊緣土地、減少環(huán)境污染、建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會等社會效益方面也將發(fā)揮重要作用[4-6]。

本研究主要從丘陵地區(qū)農業(yè)生產的作物施肥灌溉方面，設計了一種基于水肥一體化施肥機“后進前出”安裝方式的丘陵地區(qū)水肥耦合灌溉模式，為實現(xiàn)節(jié)水省肥、作物增產和農民增收提供參考。

1 丘陵地區(qū)農業(yè)灌溉面臨問題

1.1 農業(yè)灌溉設施落后，蓄水灌溉能力弱

灌溉是農作物正常生長的基礎，部分丘陵地區(qū)灌溉水渠年代已久，蓄水和灌溉能力減弱，使水資源無法得到有效地作物灌溉利用。尤其是在干旱條件下，作物無法得到及時的灌溉，對其生長發(fā)育造成不良影響。

1.2 地形條件復雜，土壤生產效率低下

丘陵地區(qū)地形條件復雜，較平原地區(qū)難以開展農業(yè)生產活動。就丘陵地區(qū)土壤而言，因地形坡度大，在雨水沖刷作用下缺乏肥力，不利于農作物生長。丘陵地區(qū)受地形條件的影響，開展農業(yè)生產的難度加大、生產成本較高，加之生產管理落后，生產效益得不到保障。

1.3 農村勞動力不足和專業(yè)技術缺乏

農業(yè)生產中很多農戶受經濟和文化條件的限制，未接受過專業(yè)的種植知識培訓，憑經驗進行農業(yè)生產實踐工作。通常將灌溉與施肥分開進行，出現(xiàn)了肥料未得到充分利用、灌溉水過足水土流失的現(xiàn)象，沒有達到物盡其用的效果，而且增加了成本[7]。

2 水肥一體化技術及應用現(xiàn)狀

水肥一體化技術是將農作物所需的多種單元素液肥進行水肥混合后，通過灌溉管網輸送到農作物灌區(qū)的一種新型灌溉施肥技術。生產實踐表明，以水肥耦合為基礎的水肥一體化技術越來越成為現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的一項綜合管理技術措施，具有顯著的節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥、省工、高產、高效以及減少環(huán)境的污染等特點[8-9]。

在水肥一體化灌溉技術中，其核心裝置是水肥一體化施肥機[10]。水肥一體化施肥機可實現(xiàn)對多種單元素液肥的水肥混合，根據(jù)作物生長需求進行水及單元素液肥的定量定比混合，進而根據(jù)用戶設定的灌溉施肥程序，通過灌溉系統(tǒng)適時適量地供給作物生長，尤其適用于對養(yǎng)分濃度有較高要求的花卉、優(yōu)質蔬菜及一些高經濟附加值作物[11]。

經團隊走訪調查發(fā)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)的水肥一體化灌溉多采用將施肥機串聯(lián)到灌溉系統(tǒng)中進行工作，運行簡圖如圖1。該模式正常運行情況下，系統(tǒng)可以有效發(fā)揮對灌區(qū)作物的水肥一體化灌溉作用，如若只需進行水源灌溉需啟動施肥機的抽吸泵，增加了成本，且在施肥機停止工作期間，該系統(tǒng)就會被閑置，造成資源的浪費。

3 水肥一體化灌溉模式設計

3.1 灌溉模式設計及原理

丘陵地區(qū)水肥一體化灌溉系統(tǒng)整體設計采用施肥機“前進后出”的安裝方式，如圖2所示，在丘陵地區(qū)應充分利用地勢高差，所述灌溉系統(tǒng)取水源是通過直接引用就近地的山泉水、小水塘或利用定制的高位蓄水池，使雨水就地控制轉換、高效集貯、精量補灌以緩解農田水情困擾，同時緩解暴雨對坡面徑流沖刷，水土流失嚴重，極易石漠化的狀況。在高位蓄水池的進出水口用不銹鋼過濾網進行攔污處理一級過濾，取高位水池水源利用時還應加反沖洗砂石過濾器進行過濾，確保水肥一體化施肥機的正常工作;減壓閥可將給前端水管中超過安全設定值的壓力釋放，并維持管道中壓力于一安全設定值以下，以防止管道中高壓或突壓毀損設備;持壓閥可維持主管道壓力趨于某一設定值以上，以保障水肥混合液輸出的壓力;水肥混合液在持壓閥的壓力設定下，通過預先鋪設的灌溉管網進行作物灌溉，對農作物進行有效地水肥灌溉。

1-水泵;2-反沖洗砂石過濾器;3-減壓閥;4-水表;5-施肥機進口手動開關閥;6-施肥機出口手動開關閥;7-持壓閥;8-灌區(qū)手動開關閥。

此灌溉系統(tǒng)中，將水肥一體化施肥機采用“后進前出”的安裝方式。作物水肥一體化灌溉時，將施肥機進出口手動開關閥打開;作物只需進行水源灌溉時，將施肥機進出口手動開關閥關閉，此時水源直接通過主管道進行作物的水源灌溉，水肥一體化施肥機無需啟動，進而節(jié)省了成本。

3.2 施肥機安裝模型建立

以施肥機“后進前出”安裝管道為研究對象，采用SolidWorks建立施肥機安裝三維模型，如圖3所示。模型中主管道外徑，壁厚2.4 mm，模擬管道材質是PVC管，其管道內壁粗糙率較低。系統(tǒng)在水肥一體化灌溉時手動開關閥調至全開狀態(tài)，因此模型中省略了手動閥的三維建模，提高了仿真分析的效率。

3.3 網格劃分與邊界條件設定

網格的數(shù)量與質量對流體仿真分析結果有重要影響，本文采用FloEFD軟件對導入的三維模型進行網格劃分，采用全局尺寸為0.5的六面體網格，并進行局部加密[12]。劃分結果如圖4所示，流體網格數(shù)量373473，接觸固體的流體網格數(shù)量152638。檢查網格質量后對模型的邊界條件進行設定，設定模型水源注口壓力為靜壓0.4 MPa，抽吸泵抽吸體積流量8 m2/h=0.002 m2/s，泵出口壓力P2=0.4 MPa，模型出口邊界條件設定為持壓閥壓力0.3 MPa。

3.4 仿真分析

運用FloEFD完成上述網格劃分及邊界條件設定后，進行仿真分析?？紤]到管道長度遠大于管道直徑，在局部阻力系數(shù)計算過程中考慮了沿程水頭損失。

根據(jù)伯努利方程，管道前后斷面間能量守恒方程式為

4 性能試驗

根據(jù)施肥機管道安裝的仿真分析，依據(jù)水肥一體化灌溉系統(tǒng)的結構設計，進行施肥機組裝部分的設備選型試驗搭建。選取主管道外徑50 mm，壁厚2.4 mm，最大承壓1.0 MPa的pvc管道;水肥一體化施肥機抽吸泵電機功率2.2 kW，揚程45 m，抽吸流量。將施肥機采用“后進前出”的方式安裝到所設計的水肥一體化灌溉系統(tǒng)中，對灌溉系統(tǒng)運行情況進行性能試驗。于2018年4月16日在貴州大學機械工程學院試驗基地進行工作性能試驗，如圖7、8所示。

試驗中，此“后進前出”安裝方式下施肥機可以完成吸肥混肥及穩(wěn)定輸出工作，在持壓閥的作用下可以通過鋪設的灌溉管網實現(xiàn)對作物的水肥一體化灌溉。且在施肥機停止工作狀態(tài)下，該安裝管道系統(tǒng)亦可通過主管道對作物進行水源灌溉。相對傳統(tǒng)的將施肥機串聯(lián)到灌溉系統(tǒng)的安裝方式，該安裝方式在不啟動施肥機的情況下也能進行作物單純水源灌溉，實現(xiàn)對設備資源的有效利用。

5 總結

針對我國丘陵地區(qū)農業(yè)灌溉現(xiàn)狀，基于傳統(tǒng)的水肥一體化灌溉模式，設計了一種基于施肥機“后進前出”安裝方案的丘陵地區(qū)水肥一體化灌溉模式。運用FloEFD軟件對該設計模式中施肥機安裝管道進行仿真分析，得到此施肥機安裝管道能夠連續(xù)穩(wěn)定地實現(xiàn)水源的及水肥混合液的輸入輸出效果，為實際應用提供了參考。并對此安裝方式進行了試驗驗證，試驗中此安裝方式下該施肥機可正常工作，且在施肥機停止工作狀態(tài)下，該系統(tǒng)亦可通過主管道對作物進行水源灌溉。驗證了此設計的可行性，在山地丘陵高效節(jié)水現(xiàn)代農業(yè)灌溉方面具有一定推廣應用意義。

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（責任編輯：周曉南）