王翠芹

（水發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250100）

水是生命之源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要條件，而肥料又作為農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)提質(zhì)的有效手段，其在中國(guó)農(nóng)業(yè)中具有重要的地位。我國(guó)地面灌溉多采用畦灌和溝灌，在灌溉過程中，畦首或溝首常引發(fā)深層滲漏、浪費(fèi)水肥資源，進(jìn)而導(dǎo)致畦尾和溝尾灌溉水分不充足、灌溉水利用率低等；同時(shí)，我國(guó)群眾常依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)施肥，存在著盲目施肥、過量施肥等現(xiàn)象，既形成大量的肥料浪費(fèi)、作物產(chǎn)量降低，又造成環(huán)境污染等問題。

近年來，相關(guān)學(xué)者通過研制水肥一體化裝置來實(shí)現(xiàn)水肥的高效利用。李加念等[1]研制了一種以干電池供電的水肥一體化滴灌定時(shí)控制裝置，1 節(jié)9 V 電池預(yù)計(jì)可供電1 年以上，適用于中小型灌區(qū)；王雅芳[2]設(shè)計(jì)出一種全自動(dòng)水肥一體化系統(tǒng)，通過結(jié)合黃沙基質(zhì)栽培技術(shù)，將其成功應(yīng)用在番茄、辣椒等果蔬作物中，起到節(jié)約水肥的目的；郝夢(mèng)超[3]設(shè)計(jì)了一種基于PLC 控制的全自動(dòng)水肥一體化裝置，實(shí)現(xiàn)了水肥定時(shí)定量供給和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤EC 值，提高了土壤數(shù)據(jù)采集效率，達(dá)到精準(zhǔn)灌溉施肥的目的；王杰等[4]設(shè)計(jì)了一種適用于溫室大棚的智能水肥一體化裝置，采用STM32 單片機(jī)和手機(jī)APP 智能控制進(jìn)水口和進(jìn)肥口的閥門開度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制水肥比。

現(xiàn)階段，大多數(shù)水肥一體化裝置在大田中適應(yīng)性較差。為此，本文設(shè)計(jì)了一種以管道內(nèi)灌溉水為動(dòng)力的大田水肥一體化自動(dòng)管渠灌溉系統(tǒng)，可以很好地用于大田中。本裝置設(shè)計(jì)原理獨(dú)特，解決了地面灌溉不均勻，水肥浪費(fèi)等問題，在理論、技術(shù)和使用性能等方面，均有質(zhì)的飛躍，很大程度上提高了我國(guó)灌溉水和肥藥利用率、地面灌溉和施肥的均勻度，進(jìn)而節(jié)約水資源和肥藥用量，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置組成

如圖1 所示，這種以管道內(nèi)灌溉水為動(dòng)力的大田水肥一體化自動(dòng)管渠灌溉系統(tǒng)，由田間管渠系統(tǒng)、水動(dòng)力系統(tǒng)和藥肥系統(tǒng)三部分組成。

圖1 大田水肥一體化自動(dòng)管渠灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1）田間管渠系統(tǒng)主要由供水管、管渠、牽引繩、滑輪、塞閥和閘閥等部件組成?；喛赏ㄟ^滑輪軸固定在滑輪座上，滑輪座安裝在相鄰的兩條管渠首部和尾部?jī)啥说牡孛嫔?；牽引繩為環(huán)套在四個(gè)滑輪上的細(xì)繩并與動(dòng)力輸出軸相連，動(dòng)力輸出軸可帶動(dòng)牽引繩繞滑輪移動(dòng)；塞閥呈圓形或橢圓形，安裝在管渠內(nèi)與牽引繩相連，即在牽引繩作用下，塞閥可在管渠內(nèi)移動(dòng)，且塞閥與管渠臂接觸較好可阻止管渠內(nèi)的水通過塞閥與管臂的間隙流至塞閥下游；管渠的橫斷面為圓弧槽狀，與塞閥斷面形狀大小相同，以保證塞閥在管渠內(nèi)移動(dòng)，管渠可作為農(nóng)田的“田埂”，利用相鄰的兩條管渠形成“畦田”，可在作物播種后，需要灌溉時(shí)將管渠放置在田間，后可一直留在田間，也可以移動(dòng)到其它地塊作為田埂重復(fù)使用。

2）水動(dòng)力系統(tǒng)由渦輪裝置、變速箱和動(dòng)力輸出軸等部件構(gòu)成。變速箱可采用齒輪變速箱的形式，齒輪變速箱的傳動(dòng)比根據(jù)灌溉制度與畦田規(guī)格、灌水定額與流量、輸水管壓力等參數(shù)計(jì)算得到。變速箱一端與渦輪機(jī)的傳動(dòng)軸相連接，另一端與動(dòng)力輸出軸相連接，動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速通過變速箱調(diào)節(jié)，進(jìn)而使塞閥的移動(dòng)速度與灌水量相匹配。

3）藥肥系統(tǒng)包括藥肥罐、藥肥管道和藥肥管道閘閥。藥肥罐是用于放置藥液或肥液的罐子，其中的藥液或肥液是按一定比例由人工方式配而成的；藥肥罐底部連接一條藥肥管道，藥肥管道上設(shè)有閘閥，用以調(diào)控藥液、肥液的流量；藥肥管道直接與供水管相連，可使藥肥系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化，能將藥液或肥液直接注入供水管中，藥液或肥液隨灌溉水一起流入管渠，伴隨灌溉的同時(shí)完成了施肥、放藥的任務(wù)，節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了施肥、施藥的均勻性。

1.2 裝置原理

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，首先按照?qǐng)D1 的方式將裝置布置好，其中管渠數(shù)量視實(shí)際灌溉面積而定。為提高土地利用率，擴(kuò)大種植面積，方便耕作，用管渠代替田埂，可在播種完成后提前將管渠鋪蓋在農(nóng)田中；水流經(jīng)給水栓進(jìn)入供水管時(shí)，使水流沖擊渦輪裝置產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)；后經(jīng)過齒輪變速裝置時(shí)，攜帶產(chǎn)生動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。因塞閥與牽引繩相連，使得閘閥可在管渠內(nèi)運(yùn)移，同時(shí)牽引繩又與動(dòng)力輸出裝置相連，其在動(dòng)力輸出裝置的作用下繞固定在地面上的滑輪運(yùn)移；因?yàn)檗r(nóng)田沿種植方向均有坡度，即管渠也設(shè)計(jì)成相應(yīng)坡度；供水管安置在農(nóng)田較高的一端，灌溉水經(jīng)供水管流入管渠，之后在重力作用下沿種植方向流向管渠末端，當(dāng)水流遇上塞閥時(shí)，水流經(jīng)塞閥的阻擋溢出管渠流向農(nóng)田。為了縮減牽引塞閥產(chǎn)生的阻力，提高灌水效率，可安裝兩條管渠同時(shí)進(jìn)行灌溉工作，即一個(gè)塞閥從管渠首部開始工作，另一個(gè)塞閥從管渠末端開始工作，兩個(gè)塞閥同時(shí)受反向水壓力，從而抵消了水流對(duì)塞閥的水壓力，塞閥移動(dòng)時(shí)，只要克服塞閥與管臂之間的摩擦力就可以工作，這樣，就可以減輕對(duì)動(dòng)力輸出裝置輸出能量的要求。管渠能均勻、準(zhǔn)確地控制各點(diǎn)的灌溉水量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、準(zhǔn)確灌溉。同時(shí)，在供水管上設(shè)置藥肥系統(tǒng)，肥液、藥液跟隨灌溉用水一起從供水管流入至管渠，此時(shí)塞閥從管渠一端移動(dòng)，逐漸移至另一端，農(nóng)田各處便能得到相同的水量與藥液，從而實(shí)現(xiàn)水肥一體均勻化灌溉。

在灌溉過程中，為了實(shí)現(xiàn)灌溉工作連續(xù)進(jìn)行，可以提前在下一灌溉組中布設(shè)好牽引繩和滑輪，當(dāng)上一灌溉組灌溉工作完成后，將動(dòng)力輸出裝置移到下一灌溉組，并與牽引繩連接，形成一個(gè)新一輪的大田水肥一體化自動(dòng)管渠灌溉系統(tǒng)，繼而自動(dòng)完成本灌溉組的灌溉工作。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

1） 本灌溉裝置以管道中的灌溉用水作為動(dòng)力源。水動(dòng)力系統(tǒng)不需采用電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等作為外加動(dòng)力，從而節(jié)省能源，可以更方便地進(jìn)行野外大田灌溉。

2）灌溉時(shí)不需要人為參與，可進(jìn)行大田自動(dòng)化灌溉，實(shí)現(xiàn)了大田作物的準(zhǔn)確定量灌溉，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減免了人工灌溉造成的影響。

3）以管渠代替了大田中設(shè)有的田硬，可省去部分田埂占地，且利用管渠輸送灌溉用水，增大了灌溉面積，解決了目前大田灌溉主要依靠地面灌溉的關(guān)鍵問題，從而提高了灌水質(zhì)量，并節(jié)省了灌溉水量。

4）利用藥肥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了灌溉、施肥的一體化運(yùn)作，提高了施肥（藥）的均勻度及準(zhǔn)確性。由于動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，塞閥在渠槽各處的移動(dòng)速度相等，使得供入田間各處的水量、藥肥（藥）量不變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了各處灌水、施肥、施藥的均勻性和準(zhǔn)確性，更有利于作物生長(zhǎng)，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)地面灌溉方式的不足，提出了一種以灌溉水為動(dòng)力的大田水肥一體化自動(dòng)管渠灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)能滿足我國(guó)廣大灌區(qū)的需要，可以準(zhǔn)確地控制各種水肥參數(shù)，提高水肥質(zhì)量，使灌水和施肥更加均勻。同時(shí)，又能充分利用灌溉水源，以灌溉水為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)水肥一體化自動(dòng)灌溉，大大降低了人的勞動(dòng)強(qiáng)度。其次，該系統(tǒng)能夠緩解我國(guó)水資源緊缺的現(xiàn)狀，減少了肥料浪費(fèi)等嚴(yán)重現(xiàn)象的發(fā)生，是一種非常適合我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，