劉書洪，譚 竹，胡志鑫，楊 攀

（1.湖南艾布魯環(huán)保科技股份有限公司，長沙 410000；2.長沙市重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新中心，長沙 410000）

伴礦景天（Sedum plumbizincicola）是景天科植物，屬多年生肉質(zhì)草本，是一種對Cd、Zn具有超富集作用的植物［1］，主要用于鎘污染農(nóng)田修復(fù)［2］。低鎘含量伴礦景天種苗一般采用專用基質(zhì)扦插或撒播擴(kuò)繁［3］，需要較精細(xì)的水肥、光照和溫濕度管理，且需施用多種藥劑調(diào)節(jié)生長、控制病蟲害，管護(hù)復(fù)雜、勞動強(qiáng)度高。農(nóng)藝管理措施決定了伴礦景天育苗質(zhì)量，因此種植棚內(nèi)配備能提供溫濕度調(diào)節(jié)和水肥藥一體化灌溉功能的設(shè)備尤為重要。

目前，中國已有大量水肥或水肥藥一體化灌溉系統(tǒng)的研究和實(shí)踐。如，黃語燕等［4］設(shè)計(jì)了一套水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)，通過PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行較精確的施肥過程；宋新財(cái)［5］研發(fā)了一套輕簡水肥一體化控制系統(tǒng)，通過算法、程序等實(shí)時(shí)調(diào)控水肥比例，精確施肥；王彥等［6］總結(jié)了設(shè)施農(nóng)業(yè)水肥藥一體化滴灌技術(shù)的優(yōu)勢；董微等［7］對葉根菜水肥藥一體化裝置開展設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，較傳統(tǒng)方式節(jié)水省肥，降低了勞動強(qiáng)度；張抓虎［8］研究了水肥藥一體化系統(tǒng)誤差形成原因和修正方法。上述研究主要圍繞系統(tǒng)精度、效能、自動化和智能化開展，而針對供電供水條件較差地區(qū)和操作水平不高的使用者的設(shè)計(jì)較少。因此，本研究以湖南省湘潭市某伴礦景天育苗棚為例，設(shè)計(jì)了一套水肥藥一體化微噴灌系統(tǒng)，具有設(shè)備簡潔、操作簡單、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了取水凈水一體化，對操作者要求低，特別適用于需求相對簡單、基礎(chǔ)條件較差的地區(qū)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 灌溉需求分析

該育苗棚為38 m×8 m溫室大棚。伴礦景天采用專用基質(zhì)和72孔標(biāo)準(zhǔn)穴盤育苗，在棚內(nèi)縱向布置4組，每組幅寬1.60 m。伴礦景天喜涼爽、濕潤，忌漬澇、高溫和強(qiáng)光，棚外溫度超過20℃時(shí)，一般需揭膜通風(fēng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度取8 mm/d［9］，日灌溉用水量為2.30 m3/d，早晚2次灌溉，高溫時(shí)節(jié)需噴水降溫處理或增加灌溉次數(shù)和水量。育苗過程需多次追肥和施藥，一般為噴施。追肥量為45～75 kg/（hm2·次），稀釋倍數(shù)500～1 000倍。棚內(nèi)最大施肥用水量2.16 m3/d，與日灌溉用水量接近，早、晚各噴施1次，其他藥劑施用量一般為30 L/次。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微噴系統(tǒng)是利用折射、旋轉(zhuǎn)或輻射式等微型噴頭或微噴帶等灌水器，將水或肥液均勻噴灑到作物表面或根區(qū)的灌水系統(tǒng)，具有工作壓力低、流量小等優(yōu)點(diǎn)，可用于灌溉和調(diào)節(jié)小氣候，易于實(shí)現(xiàn)蔬菜的水、肥和部分藥劑的一體化灌溉［10，11］。因此，本設(shè)計(jì)采用微噴灌溉系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)），主要由水源工程、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和微灌灌水器等部分組成［9］，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水肥藥一體化微噴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

取水水源為育苗棚附近的溪溝。為實(shí)現(xiàn)肥水和藥水調(diào)配施用，泵前吸水管路分別設(shè)置肥水罐和藥劑罐。系統(tǒng)設(shè)3路進(jìn)水管，分別從塑料盲溝、肥水罐和藥劑罐取水；系統(tǒng)設(shè)2路出水管，分別向用水設(shè)施和肥水罐供水。為方便控制和管理，首部系統(tǒng)水泵選用自吸泵、棚內(nèi)干式安裝，泵軸至溪溝水面高差2.5 m，泵軸至噴灌支管高差2.0 m。

伴礦景天的育苗類似于大棚葉菜栽培，適宜采用倒掛式微噴系統(tǒng)［10］，因此灌水器選用市售G型倒掛微噴噴頭，由倒刺接頭、毛管、防滴器、重錘和噴頭組成。灌水器標(biāo)準(zhǔn)工作壓力0.20 MPa，噴水半徑1.5 m，出流量90 L/h。為保證噴灌均勻、噴水覆蓋無死角，棚內(nèi)設(shè)置4排2組噴頭，每排18個(gè)，行間距均為2 m。輸配水管網(wǎng)由主管、干管和支管組成。管網(wǎng)除供應(yīng)灌水器外，還向棚內(nèi)、外2處取水龍頭供水，滿足噴槍灌溉和其他零星用水。

1.3 水源工程設(shè)計(jì)

育苗棚灌溉水源為溪溝地表水，懸浮物較高，必須有效措施預(yù)處理以防堵塞系統(tǒng)，采用塑料盲溝作為取水裝置。塑料盲溝由塑料芯體和外包濾膜構(gòu)成，芯體支撐濾膜、抵抗外力并形成通水空間，濾膜一般采用90～250 g/m2的短纖針刺土工布或長絲熱黏土工布［12］。塑料盲溝土工布的等效孔徑為0.05～0.20 mm［13］，符合規(guī)范對微噴過濾器精度的要求［14］。選用φ120中空耐壓型塑料盲溝，濾膜為200 g/m2非織造土工布。塑料盲溝的水力計(jì)算尚無通用方法，水頭損失主要由水垂直通過外層土工布的水頭損失Ib和水流縱向通過芯材水的水頭損失It組成。一般認(rèn)為土工織物的滲透性服從達(dá)西定律［15］，其滲透水頭損失：

式中，k為滲透系數(shù)，m/s；A為過流面積，m2；Q∑為滲透總流量，m3/s；δ為土工布厚度，m。

200 g/m2土工布的垂直滲透系數(shù)為K×10-1～10-3cm/s（K=1.0～9.9），厚度2 mm［13］。楊和春等［16］研究發(fā)現(xiàn)使用后土工布的垂直滲透系數(shù)為0.018～0.081 cm/s。因此，土工布的垂直滲透系數(shù)K取0.01 cm/s。考慮河床影響，有效進(jìn)水面積取盲溝表面積的1/2。則當(dāng)集水總流量為Q∑時(shí)，長度為L的φ120塑料盲溝的單位長度滲入流量［m3/（s·m）］：

吳福生等［17］研究表明塑料盲溝內(nèi)的水流處于符合伯努利定律的管流及符合達(dá)西定律的滲流之間的狀態(tài)，通水量Q（m3/s）和水頭損失H（m）之間的關(guān)系可由以下公式表達(dá)：

該型盲溝指數(shù)m為0.533 3，系數(shù)K為0.008 7，試件長度為500 mm，芯筒通水的水力坡降：

芯筒單側(cè)出水，通水量沿軸向線性增加，積分得φ120芯筒通水水頭損失：該系統(tǒng)最大吸水流量3.3 m3/h，盲溝有效長度L取1 m，Ib=0.10 m，It=0.01m，水頭損失較小。

1.4 首部系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1 水泵選型 育苗棚只有220 V電源。市售220 V水泵一般為單相異步電動機(jī)驅(qū)動，其電功率一般不超過1.8 kW。為方便控制，水泵宜采用棚內(nèi)地上安裝的自吸泵。經(jīng)綜合比選，設(shè)計(jì)采用JET1800A噴射自吸泵，額定揚(yáng)程35 m，額定流量3.5 m3/h，電功率1.8 kW，電壓220 V，滿足2排噴頭的同時(shí)出流。

1.4.2 水泵控制 水泵啟停采用壓力控制模式，配氣壓罐和壓力開關(guān)。與氣壓給水設(shè)備［19］不同，該系統(tǒng)氣壓罐調(diào)節(jié)容積無需考慮調(diào)節(jié)用水量，否則將影響肥料和藥劑的施用精度，因此僅需滿足控制要求，并按管網(wǎng)滲漏水量校核水泵啟動頻率。系統(tǒng)選用2 L隔膜式不銹鋼氣壓罐和數(shù)顯壓力開關(guān)安裝于泵后主管。用水點(diǎn)開啟后系統(tǒng)壓力降低，水泵啟動供水；用水點(diǎn)關(guān)閥后系統(tǒng)壓力上升，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。最小用水流量時(shí)水泵宜持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此停泵壓力P2應(yīng)高于水泵最有利情況下用水流量最小時(shí)的主管壓力。最小用水流量為一個(gè)單閥取水龍頭出流的額定流量（0.4 L/s）［19］。氣壓罐計(jì)算參照《給水排水設(shè)計(jì)手冊》［18］，停泵壓力P2=0.72 MPa（絕對壓力），工作壓力比αb取0.8，啟泵壓力P1=0.58 MPa（絕對壓力），容積 系數(shù)β取1.05，預(yù)充 壓力P0=0.55 MPa（絕對 壓力）；待用狀態(tài)下噴灌支管閥門關(guān)閉，系統(tǒng)充水管總長約40 m，管道允許最大滲漏量[qs]=0.017 L/min［9］，經(jīng)核算水泵小時(shí)啟動次數(shù)n=4.5次，滿足要求。

1.4.3 配肥配藥系統(tǒng) 棚內(nèi)最大施肥用水量為2.16 m3/d，早、晚各噴施1次，2組噴頭輪施，單次用水量1.08 m3。肥水水罐選用1.2 m3立式不銹鋼水罐，置于泵前吸水管路，手動配制肥水、手動控制。為保證施藥精度，選用有效容積為45 L的立式塑料罐，罐出水口位置設(shè)旋流防止器和控制閥。藥劑配制好后倒入藥劑罐，經(jīng)吸水管吸入水泵。

1.4.4 功能切換 系統(tǒng)補(bǔ)水、施肥、給藥和灌溉等功能通過管路閥門組合控制切換，用水點(diǎn)即開即用。清水灌溉模式：水泵從盲溝取水、向用水設(shè)施供水，閥門6、閥門9、閥門24關(guān)閉，閥門4、閥門10開啟；肥水罐補(bǔ)水模式：水泵從盲溝取水、向肥水罐供水，閥門9、閥門10、閥門24關(guān)閉，閥門4、6開啟；施肥模式：水泵從肥水罐取水、向用水設(shè)施供水，閥門4、閥門6、閥門24關(guān)閉，閥門9、閥門10開啟；施藥模式：水泵從藥劑罐取水、向用水設(shè)施供水，閥門4、閥門6、閥門9關(guān)閉，閥門10、閥門24開啟。

1.5 管網(wǎng)設(shè)計(jì)

取水工程、首部系統(tǒng)、主干管采用給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管、黏膠連接，控制閥門采用PVC-U球閥。噴灌支管采用灌溉用聚乙烯（PE）軟管和專用閥門管件連接，支管起端設(shè)獨(dú)立閥門控制。倒掛噴頭毛管管徑4 mm，采用倒刺接頭與支管連接。單次輪灌流量為3.3 m3/h，水泵揚(yáng)程36 m。管網(wǎng)水力計(jì)算按《微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［9］執(zhí)行。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，吸水管、主管和干管管徑32 mm，支管管徑20 mm。盲溝吸水管止回閥局部水頭損失系數(shù)取為7.5，Y型過濾器水頭損失為1.00 m。水泵從盲溝吸水時(shí)，系統(tǒng)總高差4.50 m，吸、壓水管路總水頭損失為9.13 m，最不利支管入口壓力為0.25 MPa、末端工作壓力為0.20 MPa，系統(tǒng)總水頭為33.63 m，小于水泵揚(yáng)程，符合設(shè)計(jì)要求。泵吸水口負(fù)壓計(jì)算值為-0.051 MPa，噴頭流量偏差率為5.2%，在允許范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

該設(shè)計(jì)安裝后調(diào)試運(yùn)行效果良好，有效長度為1 m的φ120中空耐壓型塑料盲溝的取水流量、水頭損失、過濾效果均滿足使用要求，省去了沉淀池、砂濾罐等復(fù)雜設(shè)施。最不利情況時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行初期泵吸水口實(shí)測負(fù)壓值為-0.046 MPa，與設(shè)計(jì)值基本吻合；系統(tǒng)運(yùn)行6個(gè)月后，塑料盲溝土工布濾膜表面有明顯的藻類和生物膜附著，泵吸水口實(shí)測負(fù)壓值為-0.048 MPa，水頭損失略有增大，但未對取水造成顯著影響；塑料盲溝暴露于自然水體取水時(shí)，濾膜表面生物附著對塑料盲溝取水凈水性能的長期影響有待進(jìn)一步研究。

JET1800A型噴射自吸泵工作正常，壓力開關(guān)控制壓力點(diǎn)基本符合設(shè)計(jì)預(yù)期。系統(tǒng)待用時(shí)，實(shí)測小時(shí)啟動次數(shù)為3次，用水點(diǎn)開啟后2 s內(nèi)水泵通電啟動。取水龍頭正常噴灑時(shí)水泵連續(xù)工作，但當(dāng)取水龍頭出流量調(diào)節(jié)至0.2 L/s以下時(shí)，泵后壓力過高，水泵循環(huán)啟停，出水流量不穩(wěn)定，因此系統(tǒng)不宜長時(shí)間小流量運(yùn)行。系統(tǒng)完成2組噴頭清水輪灌共用時(shí)20 min。肥水罐補(bǔ)水時(shí)間約15 min，完成1組噴頭輪施耗時(shí)10 min，完成1次配肥和2組噴施共用時(shí)35 min。施用藥劑時(shí)，系統(tǒng)宜1次開啟1排噴頭，時(shí)長15 s。噴水降溫作業(yè)視棚內(nèi)環(huán)境靈活操作，一般開啟中間2排噴頭短時(shí)噴灑即可完成溫濕度調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)較好地完成了用量較大、精度低的伴礦景天生長調(diào)節(jié)和病害防治藥劑的噴施，但對于用量小、精度高的蟲害防治藥劑施用效果不理想。主要是因?yàn)榈箳煳妵婎^霧化效果不及專用噴霧器、輸配水管網(wǎng)的存水降低了藥劑與葉面接觸時(shí)的實(shí)際濃度和附著力，但考慮到蟲害防治藥劑施用次數(shù)少，該系統(tǒng)依然可以滿足育苗期間大部分施藥需求。

3 小結(jié)

塑料盲溝一體化取水凈水方案簡單實(shí)用、水頭損失小，本研究中的水力計(jì)算方法具有設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義；2 L隔膜式氣壓罐滿足控制要求，按管網(wǎng)滲漏量校核水泵小時(shí)啟動次數(shù)的設(shè)計(jì)方法可行?；?20 V電源和溪溝地表水源設(shè)計(jì)的水肥藥一體化微噴灌系統(tǒng)滿足伴礦景天育苗棚需求，實(shí)現(xiàn)了清水噴灌、肥水配制與噴施、藥劑噴灑和零星用水的功能集成，最大噴施流量為3.3 m3/h，服務(wù)面積為304 m2。該系統(tǒng)具有設(shè)備簡潔、操作簡單、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，可在需求相對簡單、基礎(chǔ)條件較差地區(qū)加以推廣。但該系統(tǒng)不能完全替代霧化器噴施農(nóng)藥，濾膜表面生物附著對塑料盲溝取水凈水性能的長期影響有待進(jìn)一步觀察和研究。