傅秋艳 刘何俊 杨金广

摘 要：针对生活需水量日益增加和水资源减少的矛盾，进行山东省费县新庄镇官流庄村试验田分区试验，设置三种田地灌溉模式：常规漫灌喷灌滴灌智能化微润灌溉，根据节点流量和时间计算用水量，研究不同灌溉方式维持土壤适宜湿度的需水量，以探寻维持土壤适宜湿度的最佳节水模式。漫灌湿润充分，耗水量最大。喷灌水分不易渗入土壤，耗水量较大。滴灌速度慢，应用范围有限，耗水量少。智能化微润灌溉以均匀网格布设采样点监测土壤含水率，根据地表植被经验需水量调节单片机控制系统，通过控制蓄水池自动阀门实现田间自动灌溉，当湿度探针检测到土壤含水率达到田间持水率时，关闭微润阀门，能在维持土壤最适湿度的同时减少耗水量。因此，将多种灌溉方式结合起来可以减少耗水量，维持土壤适宜湿度的需水量以智能化微润灌溉模式最优，可根据不同作物的适宜生长湿度，在17 %-44 %之间调节。

关键词：节水;太阳能;智能自动化;微润喷灌;湿度控制装置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.069

0 引言

我国水资源短缺，农业灌溉用水利用率低，与发达国家有较大差距，此外，传统的灌溉模式加重温室效应。[1]因此，改善灌溉模式对于解决水资源短缺，改善温室效应有着积极的意义。

近年来，国外灌溉技术已经趋于成熟化、系列化，但价格昂贵，国内虽引进一些，但多用于农业示范区、科研单位等。[2]国外生产的灌溉装置虽性能优越，但没有考虑到我国的自然气候、地势地形等自然条件，再加上农民经济承受能力，因而引进的装置并不能很好地在国内普及，节水灌溉自动化技术在我国有巨大的市场，且应朝着低成本、性能高、操作简便的方向发展。

1 试验材料与方法

1.1 试验概况

试验于2018年6-9月在山东费县新庄镇试验田进行，新庄镇位于沂蒙老区腹地山东省费县南部，地处蒙山南麓。原称南新庄乡，地处费县、兰山、兰陵、山亭等四县（区）结合处，沂蒙、岚济公路在境内交叉贯通。地理坐标为117°58′E 35°33′N[3]。

属于温带季风性气候，年均温度19度，年内降雨分布极不平衡，多集中于6至8月，常年干燥。据1959年至1983年的观测资料统计，多年平均降雨量为850.0毫米。一般情况，年降雨量变差系数为0.25左右，多年平均蒸发量500 mm[4]。

1.2 试验设计

将试验田分为四个试验小区，面积均为6 m*6 m。以1 m*1 m的网格布置36个测定点，利用均匀网格法，在灌溉渠道内设置若干传感器，土壤湿度是影响农作物产量的重要因素，对土壤进行实时监测，可得知土壤含水量，了解作物生长状况，及时补充所需水分。

分别进行漫灌、喷灌、滴灌、智能化微润灌溉四种灌溉方式，前人试验结果表明，植物适宜RH %在17 %-44 %之间。定RH %=50 %时，记下经过的时间，计算并比较用水量。

喷灌根据L=B=1.42R设置喷头间距，对比三角形，矩形，不规则图形，可发现布置成三角形，不仅抗风能力较强，喷洒均匀度增强，同时所用喷头数量较少。喷头选择I-60系列喷头，独有低压大射程，在压力0.28 MP时，射程可达18.9米。一般比漫灌节省水量30 %-50 %。比漫灌节省水量30 %-50 %。根据N≤cT/t可计算轮灌组数目[5]。

式中：N-系统允许划分轮灌组的最大数目，取整数。

C-一天运行的小时数，一般不超过20小时。

T-灌水周期，即两次灌水之间的间隔时间

滴灌重点是微润管的布设。微润管孔的数量为每平方厘米10万个以上，微孔的孔径为100-900 nm，孔径分布在半透膜尺度范围内，具有半透膜特性。膜壁上孔的大小允许水分子通过，而不允许较大的分子团和固体颗粒通过。微润管的铺设如图2所示，将微润灌溉管按行或列铺埋在农作物的土壤中。

新型太阳能集水蓄水智能化微润灌溉系统总体设计应满足四点要求：

（1）合理利用自然降水，提高自然资源利用率。

（2）整个系统使用清洁能源发电，减少二氧化碳排放。过滤装置由涡轮利用水的落差发电提供动力，压力传感器感受到垃圾的重力，通过电控盒，利用控制阀控制机械手，清理垃圾，提高新能源利用率。控制装置由太阳能及其蓄电装置提供动力，低能耗，无污染。

（3）根据作物需水量的不同可手动设置湿度传感器的区间。当土壤湿度达到湿度测试仪湿度下限值时自动抽水灌溉，达到湿度上限时，自动停止灌溉，避免过量灌溉。

（4）控制装置能够根据实时数据按需求自动选择灌溉方式，实现了喷灌和微润的相互转换。

基于上述要求，装置的系统结构由雨水收集系统、过滤系统、蓄水系统和太阳能蓄电系统、单片机控制系统和地下微润管组成。采用多探针湿度传感器法以均匀网格布设采样点监测土壤含水率，根据地表植被经验需水量调节单片机控制系统，通过控制蓄水池自动阀门实现田间自动灌溉，当湿度探针检测到土壤含水率达到田间持水率时，关闭微润阀门，从而实现自然蓄水与智能灌溉的功能。

2 理论设计计算

（1）土壤含水量（water content fsoil）是土壤中所含水分的数量。一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率。测量方法有称重法、张力计法、电阻法、中子法、γ-射线法和驻波比法[6]。

称重法，也称烘干法，这是唯一可以直接测量土壤水分方法，也是目前国际上的标准方法。用土钻采取土样，用0.1 g精度的天平称取土样的重量，记作土样的湿重M，在105 ℃的烘箱内将土样烘6～8小时至恒重，然后测定烘干土样，记作土样的干重Ms土壤含水量=（烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量）/（烘干后鋁盒及土样质量-烘干空铝盒质量）*100 %。

（2）水利用系数[7]：

3 结果分析

新型太阳能集水蓄水智能化微润灌溉系统由房顶集水装置、导流管、蓄水池三部分构成，合理的利用了自然降水，在一定程度上提高了人类对自然资源的利用率。喷灌系统依靠太阳能及其蓄电装置提供动力，不会产生废气污染，解决了传统电力系统造成的环境污染问题[9];同时，研究太阳能这类新型能源也是近年来炙手可热的课题，利用太阳能作为喷灌动力也体现了“借自然之力，造绿水青山”的绿色发展之态。[10]再者，该装置采用了湿度控制器，可根据不同作物的不同需水量设定湿度区间，可针对多种作物进行合理性灌溉。在节水方面，微润喷灌一体化成为了最好的节水灌溉技术的代表，土壤湿度达到设定区间时360°旋转喷灌作物，湿度适中则自动采用微润方式渗透灌溉，这不仅使灌溉保证率达到85 %以上，也有效地提高了作物产率。

4 讨论

根据有效数据显示，农户的灌溉耗水分主要为两部分，一部分供作物生长所需，另一部分由于渗透、蒸发而浪费掉了。其中浪费掉的水比重非常大，甚至一些土质较差的地区渗漏损失达到70 %以上。

因此發展节水农业是农业现代化的必然趋势，是解决农业水资源短缺、保证农业可持续发展的根本出路。

一种新型太阳能集水蓄水智能化微润灌溉系统遵循不同地区的不同农作物的生长规律，有效地实现了对水资源的回收及利用。同时与专门的农业合作社进行合作，取得了预期的良好效果，解决了长期以来困扰农户水资源短缺与水资源不能合理利用的问题。

参考文献：

[1]贾维兵，杨启良，李加念等.土柱入渗性能检测装置研制与实验[J].农业工程学报，2017，33（07）：91-99.

[2]彭世彰，高晓丽.提高灌溉水利用系数的探讨[J].中国水利，2012（01）：33-35.

[3]程云伟.节水灌溉技术在农田水利工程中的应用[J].中国水运（下半月），2014，14（02）：285-286.

[4]袁寿其，李红，王新坤.中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J].排灌机械工程学报，2015，33（01）：78-92.

[5]张前兵，杨玲，王进等.干旱区不同灌溉方式及施肥措施对棉田土壤呼吸及各组分贡献的影响[J].中国农业科学，2012， 45（12）：2420-2430.

[6]韦彦，孙丽萍，王树忠等.灌溉方式对温室黄瓜灌溉水分配及硝态氮运移的影响[J].农业工程学报，2010，26（08）.

[7]肖克辉，肖德琴，罗锡文.基于无线传感器网络的精细农业智能节水灌溉系统（英文）[J].农业工程学报，2010，26（11）：170-175.

[8]耿献辉，张晓恒，宋玉兰.农业灌溉用水效率及其影响因素实证分析——基于随机前沿生产函数和新疆棉农调研数据[J].自然资源学报，2014，29（06）：934-943.

[9]陈卫平，张炜铃，潘能等.再生水灌溉利用的生态风险研究进展[J].环境科学，2012，1（12）：4070-4080.

[10]郑天翔，唐湘如，罗锡文等.不同灌溉方式对精量穴直播超级稻生产的影响[J].农业工程学报，2010，26（08）：52-55.