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家庭蔬菜园生产过程中滴灌装置的设计与测试

花匠小妙招
2024-12-12 11:48

李延国等

引言

滴灌为家庭蔬菜园提供了一种灌溉效率高和能够提高园艺产量的实用技术。通过吸取在大田作物方面的灌溉经验[吉山花瑶自媒体网络首发]，并根据蔬菜水分吸收率而采用施用少量水及液体肥料，使土壤持续保持在对蔬菜生长处于最佳状态的有利条件。由于滴灌装置施水通常是在靠近植物根区进行的，所以滴灌施水采用的是通过湿润行间和垄脊的办法使灌溉水损失最小化。因此滴灌与其他灌溉方式相比，无论是在蔬菜产量还是节水方面都具有很大的优势。

滴灌水肥一体化技术可做到配方施肥，满足作物不同生长时期对不同养分的需求，可实现平衡施肥和集中施肥，有效减少肥料挥发和流失，抑制面源污染及过量施肥造成土壤酸化、板结问题，使土地更环保。种植者可通过科学灌溉，合理用肥，不仅能够使作物生长健壮，还有利于提高果蔬产量和品质。同时劳动强度、灌溉、施肥用工量大幅度减少。在节约用水的同时可减少庭院内空气湿度，降低了果蔬的病虫危害。同时可大幅降低用水用肥和用药成本，减少费用支出。

虽然现有的滴灌系统在用水方面效率很高，但其系统组成比较复杂，包含有许多次级组件，成本比较高，其主要原因是缺乏系统实践。而且购买安装滴灌装置的费用比较高。如果大量发展家庭农场蔬菜园经济，使人们享受到滴灌带来的好处，就需要在蔬菜园中使用价格合理且适用性能优良的滴灌装置。因此，本文的主要目的是为家庭农场蔬菜园设计经济适用的滴灌装置，综合考虑水分和养分管理，使两者相互配合、相互协调、相互促进。以水促肥、以肥调水、因水施肥、水肥耦合，全面提升庭院农场果蔬产量水平和水肥利用效率。

1 滴灌装置的组成及材料选择

滴灌装置的组成部分基本上由主管道、横向管道和滴灌带等组成。主管道将水输送至肥料罐，肥料罐将水输送至副管道和横向管道，安装在横向管道上的滴灌带分配灌溉用水。主管道、副管道和横向管道通常由聚氯乙烯 (PVC) 管制成，滴灌带通常采用黑色的聚乙烯 (PE) 材料制成。滴灌装置首选聚氯乙烯和聚乙烯材料，因为其能够承受含盐水灌溉过程对管件的侵蚀，也不受有机肥和化肥的影响。

滴灌装置还包括肥料罐、压力表、流量计、压力调节器、过滤器、冲洗阀和输送泵等配件。

家庭蔬菜园生产过程中滴灌装置的设计与测试

2 设计采用的基础数据

垄脊长度 (横向): 10m;

垄脊宽度: 50cm=0. 5m;

垄脊面积: 10m×0. 5m=5m 2 ;

垄脊深度: 0. 5m;

垄脊中心距离: 1m;

工作压力 H: 10m (水柱);

横向坡度: 1%;

滴灌带数量: 10m×17 根，沿水平间距 60cm 等距分布。

3 水分消耗量的测定

3. 1 灌溉要求

将有效根区土壤含水量提高到田间持水量所需的灌溉水量。净灌溉深度可根据净灌溉需求量 (ＲAW)来确定，以种植西红柿为例，公式为:

ＲAW=MAD×AW

式中，ＲAW 为净灌溉需水量 (mm); MAD 为允许最大缺水量 (%); AW 为土壤有效水分 (mm)。

其中，AW=Drz× (Fc – PWP) × (P0) /100

式中，Drz 为有效生根深度 (m); Fc 为田间含水量体积百分比 (%); PW 为永久性萎蔫点体积百分比 (%); P0 为湿润面积与总面积的百分比 (%)。

由于西红柿为深根性作物，自身根系较为发达，在土层中分布广而深，吸收水肥能力较强，具有一定的耐旱、耐肥能力。所以取: MAD 为 50%，Drz 为0. 90m，P0 为 40%; Fc 为 11. 7%，PWP 为 3. 7%，则:

ＲAW= (50%×0. 9×11. 7－3. 7) ×40%=14. 4mm

3. 2 总灌溉需水量 (Qx) (整个灌溉过程中总用水量)

总灌溉需水量 Qx= 净灌溉需水量 (ＲAW) /滴灌装置利用效率 =14. 4mm/80%=18 mm (滴灌装置利用效率为 80%)

3. 3 灌溉间隔 (It)

设计灌溉间隔 = 总灌溉需水量/平均蒸腾流量，

即:

T=Et×Ps/85%

式中，T 为平均蒸腾量 (mm/d); Ps 为作物遮蔽的面积占总面积的百分比 (%); Et 为作物消耗水分利用率 (mm/d)。

传统上公认的西红柿种植参数，取 Ps 为 40%，Et 为 7. 5mm/d。则:

T=7. 5×40%/85%=3. 53 (mm/d)

因此，灌溉间隔为 It=Qx/T=14. 4mm/3. 53mm/d=4d，这是对种植西红柿正常用水所需要的最大灌溉间隔。

3. 4 灌溉周期 (Ip)

灌溉周期是指在灌溉作物的最大消耗使用期内，允许对特定设计区域进行 1 次灌溉的天数。即:

Ip= (Mb－Ml) ×bd×drz / (100×Cu)

式中，Ip 为灌溉周期 (d); Cu 为种植使用量(mm/d); Mb 为开始灌溉时土壤水分含量 (%); Ml

为水分含量在根区灌溉减少的最低限度百分比 (%);bd 为种植区域土壤比重 (g/cm 3 ); Drz 为有效生根深度 (m)。

其中，Mb－Ml=0. 75FC－0. 625FC=0. 125FC

式中，Fc=11. 7%，Drz= 900mm，Cu= 7. 5mm/d，bd= 1. 70g/cm 3 ，则 Ip = (0. 125×11. 7×900×1. 70) /(100×7. 5) = 2. 96d单根垄脊面积 = 长度 × 宽度 =10m×0. 5m=5m2试验采用 24h、12h 和 6h 的 3 种实际灌溉时间，在给出了每条横向管道的最大流量之后，选择 6h 灌溉时间进行设计。

Q24= 体积 / 时间

= 0. 216m 3 /24h = 0. 009m3/h =9L/hQ12=0. 216m 3 /12h=0. 018m 3 /h=18L/h

Q6=0. 216m 3 /6h=0. 036m 3 /h=36L/h对于单个垄脊的滴灌带设计流量为 Qd=0. 01L/s，按照 6h 进行设计，对于 17 个滴灌带总流量为 Q0 =36L/h，因此，对于滴灌带单根设计输送流量为36/17=2. 12L/h，主管道总流量 = Qz×3 = 36L/h×3 =108L/h。

3. 5 滴灌容量设计

在设计中，灌溉蔬菜园的面积为 50 m 3 (10m×5m)。因此，每次灌溉所需的用水量 = 菜园区域 × 灌溉深度 =10m×5m×1. 8cm=100dm×50dm×0. 18dm=900L。

3. 6 过滤器的设计

在保证滴灌头不发生堵塞的前提下，过滤器的过滤精度选择为 100～200 目的不锈钢或者尼龙等耐腐蚀材料制成的滤网，过滤器壳体内部装入 5～10 目石英砂，过滤器被安装在肥料供给主管道上。

3. 7 输送均匀性设计

输送均匀性由以下公式计算:

EU=100× (n－1. 27×Cv) ×qm /qa

式中，EU 为设计输送均匀性，以百分比计; n 为相同单位长度的横向植株间距，取 n = 1 ; Cv 为制造商的管道输送变异系数，取 Cv= 0. 09 ; qm 为装置中的最小压力下的最小输送流量，取 qm= 2. 19L/h(根据表 1); qa 为平均值或设计滴灌带输送流量L/h，取 qa=2. 12L/h; 则 EU= 100× (1. 0－1. 27 × 0. 09) ×2. 18 /2. 12=91. 23%，取整数为 91%。

4 滴灌装置平面布置图

家庭蔬菜园生产过程中滴灌装置的设计与测试

图 1 滴灌装置安装布置图

1．储水箱; 2．总控阀; 3．输水泵; 4．中间控制阀; 5．肥料罐;6．过滤器; 7．流量计; 8．主管道; 9．横向控制阀; 10．横向管道1; 11．横向管道 2; 12．横向管道 3

5 滴灌装置的流量测试结果

表 1 滴灌装置的流量测试结果

家庭蔬菜园生产过程中滴灌装置的设计与测试

续表

6 压力变化

6. 1 横向管道总压头损失 (H)

液体在输送过程中与输送管道内壁产生摩擦，而导致压力损失，横向管道总压头损失可表示为:

H=5. 35× (Q 1. 852 /D 4. 871 ) ×L

式中，H 为横向摩擦总压头损失 (m) ; Q 为横向进口输送流量 ( L/s); D 为横向输送管内径(cm); L 为横向管道长度 (m)。

其中，Q=0. 036L/s，D=1. 5cm，L= 10m，则H=5. 35× (0. 036 1. 852 /1. 5 4. 871 ) ×10 = 0. 01573m，取 H =0. 016 (m)。

6. 2 滴灌带工作压力 (He)

根据流量计算方程计算:

Q=1. 41×He 0. 5

式中，Q 为滴灌带单根设计输送流量 (L/h)，He 为滴灌带工作压力 (m)。

其中，Q = 2. 12L/h，则: He 0. 5 = 2. 12 /1. 41 →He= (1. 5)2 =2. 25 (m)

6. 3 主管道产生的压头损失 (Hm)

根据威廉斯和哈森方程，管道沿程摩擦系数取

c=150

Hm=12. 57× (Q 1. 852 /D 4. 871 ) ×L

式中，Hm 为主管道产生的压头损失 (m); Qz为主管道的总流量 (L/s); L 为管道长度 (m); D 为主管道内径 (cm)。

其中，Qz=0. 03L/s，D=2. 0cm，L=6m，则Hm=12. 57×0. 03 1. 852 /2. 0 4. 871 ) ×6=0. 0039m

6. 4 横向管道压头损失 H L

根据方程计算:

H L =5. 35× (Q 1. 852 /D 4. 871 ) ×L

式中，H L 为横向管道压头损失 (m); Q 为单个滴灌带设计流量 (L/s); D 为横向管道内径 (cm)。

其中，Q = 0. 01×17 = 0. 17 L/s，D = 1. 5cm ，L =10m，则 H L = 5. 35 × ( 0. 17 1. 852 /1. 5 4. 871 ) × 10 =0. 0052m

ΔZL=hl

hl=FH L + Mi

Mi=配件产生的轻微损失=0

F=0. 33 可知

hl=0.33×0.0052 (m) =0.001716 (m) = 0.002 (m)

ΔZm=0. 33×0. 002 (m) = 0. 00066 m

6. 5 过滤器的压力损失 (P)

Q=1. 41×P 0. 5

式中，Q=1. 4L/s。

则: 1. 4=1. 41P 05 → 1. 4/1. 41=P 0. 5 → P=1 (m)

6. 6 横向管道平均压力 (Ha)

Ha=He+1/4hf +ΔZL /2

=2. 25+ (1/4) ×0. 016+0. 002/2

=2. 255 (m)

6. 7 横向管道入口压力 (HＲ)

HＲ=Ha+3/4hf +ΔZL /2

=2. 255+ (3/4) ×0. 016+0. 002/2

=2. 268 (m)

6. 8 工作压力 Ho

H O =Hm+p+HF+HL+He

H O =2. 27+1+2. 96+2. 268+2. 25=10. 77 (m)

6. 9 压力变化 (Hvar) 和流量变化 (qvar)

Hvar= (Hmax－Hmin) / Hmax

qvar= (qmax－qmin) / Qmin，

表 1 显示测试结果为: qmax = 2. 43L/h，qmin =2. 18L/h

则 qvar= (2. 43－2. 18) /2. 43=0. 10288=10. 3%

由 qvar，Hvar 可以计算为:

qvar=1－ (1－Hvar) → 0. 10288=1－ (1－Hvar) →

0. 10288=1－1+Hvar → 0. 10288=0+Hvar →

0. 10288=Hvar → Hvar= (Hmax－Hmin) / Hmax

0. 10288= (10－Hmin) /10 → 0. 10288 × 10= 10－Hmin → 1. 0288=10－HminHmin=10－1. 0288=8. 9712 (m)

6. 10 滴灌带输送流量 (v)

qa=av，Qa= π (d/2) 2 /v

式中，qa 为每次灌溉所需的用水量 cm; v 为滴灌带的流速 m/s; a 为滴灌带的面积 m 2 ; d 为滴灌带直径，d=3mm。

其中，qa=9. 0×10 2 /3600 s m 3 = π (0. 003/2) 2 /v，

则 v=9. 0×10 2 / ［3600× π (0. 0015) 2 ］ =0. 028m/s

7 结果与讨论

对已建成的滴灌装置进行了测试，测试结果见表1。

横向管道 1 的输送流量为 2. 43L/h，这是滴灌装置的最大输送流量; 横向管道 2 的输送流量为2. 20L/h;横向管道 3 的输送流量最小，为 2. 18L/h; 输送值接近设计输送流量 2. 12L/h。横向管道 3 的输送流量变化最小，为8. 4%，横向管道1 的输送流量变化最大为10%，压力变化为 10%，最小压力为 9m 水柱。

6 个垄脊设计需水量是 0. 36m 3 (360L)，按每侧横向输水量 36L 计算，灌溉所需时间为 360/108 =3. 3h，取整数 3h，完成设计区域的 1 次灌溉。因此，轮班次数为 3h。

脊数/轮班次数 =6/3=2，允许使用期为 3d。

由于需要 360L 的水才能完成设计区域的 1 次灌溉，1 个 1. 5m 3 的储水箱至少可以完成 4 次灌溉，这 4次灌溉将在高峰消耗期持续 12d。

8 结论

与传统的灌溉和施肥措施相比，滴灌水肥一体化技术及装置具有显著的优点: 省水、省肥、省时，降低果蔬生产成本; 降低病虫害发生几率，保证农作物品质和产量; 减少环境污染; 改善土壤微环境、提高微量元素使用效率、促进生态环境保护的建设等。使用当地耐用材料来建造家庭农场蔬菜园的滴灌装置，并根据测试结果选择合适的规格尺寸，可以最大限度地减少初始投资成本高的问题。虽然滴灌技术有许多优点，但是如果建造成本过高，也会阻碍普通人们采用滴灌技术。本研究设计及建构的滴灌装置可应用于大小农场和庭院蔬菜园，其是在种植者能够掌握该项技术和经济承受能力范围内，具有十分广阔的发展前景。