田 莉，李家春*，朱来贺，吴景来，李继学

(1.贵州大学 机械工程学院，贵州贵阳550025；2.荣成市农业机械发展中心，山东 威海264300)

我国南方丘陵山地幅员辽阔，但多数地块规模小、土地很不平整，农业生产主要依靠人力和畜力完成，难以实施大规模的机械化生产[1-2]。以贵州为例，贵州地区高原山地居多，全省地貌可概括分为高原山地、丘陵和盆地三种基本类型，其中山地占61.7%，丘陵占30.8%，山间平坝占7.5%，素有“八山一水一分田”之说，是我国内陆地区唯一没有平原地貌的省份。全省耕地总体呈现出坡耕地多、坝区耕地少、中低产耕地多、优质耕地少这样一个“两多两少”的特点。大部分耕地是喀斯特山间溶斗式麻窝地、斜坡上的石旮旯地，十分贫瘠，是名副其实的跑水、跑土、跑肥的“三跑地”[3]。

在丘陵地区的农业生产中，面临生产操作困难、水肥管理不到位、生产成本不断攀升、生态环境恶化等诸多问题。生产实践表明，水肥一体化技术的应用是目前解决丘陵山地区缺水、灌溉及施肥难的最有效途径和形式之一，各地可根据实际情况选择应用相应的技术模式，不仅可以取得显著的经济效益，而且在促进农业农村科技进步、充分利用边缘土地、减少环境污染、建设资源节约型和环境友好型社会等社会效益方面也将发挥重要作用[4-6]。

本研究主要从丘陵地区农业生产的作物施肥灌溉方面，设计了一种基于水肥一体化施肥机“后进前出”安装方式的丘陵地区水肥耦合灌溉模式，为实现节水省肥、作物增产和农民增收提供参考。

1 丘陵地区农业灌溉面临问题

1.1 农业灌溉设施落后，蓄水灌溉能力弱

灌溉是农作物正常生长的基础，部分丘陵地区灌溉水渠年代已久，蓄水和灌溉能力减弱，使水资源无法得到有效地作物灌溉利用。尤其是在干旱条件下，作物无法得到及时的灌溉，对其生长发育造成不良影响。

1.2 地形条件复杂，土壤生产效率低下

丘陵地区地形条件复杂，较平原地区难以开展农业生产活动。就丘陵地区土壤而言，因地形坡度大，在雨水冲刷作用下缺乏肥力，不利于农作物生长。丘陵地区受地形条件的影响，开展农业生产的难度加大、生产成本较高，加之生产管理落后，生产效益得不到保障。

1.3 农村劳动力不足和专业技术缺乏

农业生产中很多农户受经济和文化条件的限制，未接受过专业的种植知识培训，凭经验进行农业生产实践工作。通常将灌溉与施肥分开进行，出现了肥料未得到充分利用、灌溉水过足水土流失的现象，没有达到物尽其用的效果，而且增加了成本[7]。

2 水肥一体化技术及应用现状

水肥一体化技术是将农作物所需的多种单元素液肥进行水肥混合后，通过灌溉管网输送到农作物灌区的一种新型灌溉施肥技术。生产实践表明，以水肥耦合为基础的水肥一体化技术越来越成为现代农业发展的一项综合管理技术措施，具有显著的节水、节肥、节药、省工、高产、高效以及减少环境的污染等特点[8-9]。

在水肥一体化灌溉技术中，其核心装置是水肥一体化施肥机[10]。水肥一体化施肥机可实现对多种单元素液肥的水肥混合，根据作物生长需求进行水及单元素液肥的定量定比混合，进而根据用户设定的灌溉施肥程序，通过灌溉系统适时适量地供给作物生长，尤其适用于对养分浓度有较高要求的花卉、优质蔬菜及一些高经济附加值作物[11]。

经团队走访调查发现，目前传统的水肥一体化灌溉多采用将施肥机串联到灌溉系统中进行工作，运行简图如图1。该模式正常运行情况下，系统可以有效发挥对灌区作物的水肥一体化灌溉作用，如若只需进行水源灌溉需启动施肥机的抽吸泵，增加了成本，且在施肥机停止工作期间，该系统就会被闲置，造成资源的浪费。

图1 运行简图Fig.1 running diagram

3 水肥一体化灌溉模式设计

3.1 灌溉模式设计及原理

丘陵地区水肥一体化灌溉系统整体设计采用施肥机“前进后出”的安装方式，如图2所示，在丘陵地区应充分利用地势高差，所述灌溉系统取水源是通过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，使雨水就地控制转换、高效集贮、精量补灌以缓解农田水情困扰，同时缓解暴雨对坡面径流冲刷，水土流失严重，极易石漠化的状况。在高位蓄水池的进出水口用不锈钢过滤网进行拦污处理一级过滤，取高位水池水源利用时还应加反冲洗砂石过滤器进行过滤，确保水肥一体化施肥机的正常工作；减压阀可将给前端水管中超过安全设定值的压力释放，并维持管道中压力于一安全设定值以下，以防止管道中高压或突压毁损设备；持压阀可维持主管道压力趋于某一设定值以上，以保障水肥混合液输出的压力；水肥混合液在持压阀的压力设定下，通过预先铺设的灌溉管网进行作物灌溉，对农作物进行有效地水肥灌溉。

图2 水肥一体化灌溉系统总成图Fig.2 Water and fertilizer integrated irrigation system assembly diagram

此灌溉系统中，将水肥一体化施肥机采用“后进前出”的安装方式。作物水肥一体化灌溉时，将施肥机进出口手动开关阀打开；作物只需进行水源灌溉时，将施肥机进出口手动开关阀关闭，此时水源直接通过主管道进行作物的水源灌溉，水肥一体化施肥机无需启动，进而节省了成本。

3.2 施肥机安装模型建立

以施肥机“后进前出”安装管道为研究对象，采用SolidWorks建立施肥机安装三维模型，如图3所示。模型中主管道外径，壁厚2.4 mm，模拟管道材质是PVC管，其管道内壁粗糙率较低。系统在水肥一体化灌溉时手动开关阀调至全开状态，因此模型中省略了手动阀的三维建模，提高了仿真分析的效率。

根据所选泵的参数可计算出抽吸泵的出口压力为

式中:P2为出口压力，MPa；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为水泵扬程，m。

图3 施肥机装配三维模型Fig.3 Fertilizer machine assembly 3D model

对于短距离的管道，在一定压力下流体的流量计算如下:

式中:Q为流量，m2/s；P为管道两端压差；ρ为流体密度，kg/m3；L为管道长度，m；s为管道摩擦阻力，s=；n为管道内壁粗糙率；d为管道内径，m。

3.3 网格划分与边界条件设定

网格的数量与质量对流体仿真分析结果有重要影响，本文采用FloEFD软件对导入的三维模型进行网格划分，采用全局尺寸为0.5的六面体网格，并进行局部加密[12]。划分结果如图4所示，流体网格数量373473，接触固体的流体网格数量152638。检查网格质量后对模型的边界条件进行设定，设定模型水源注口压力为静压0.4 MPa，抽吸泵抽吸体积流量8 m2/h=0.002 m2/s，泵出口压力P2=0.4 MPa，模型出口边界条件设定为持压阀压力0.3 MPa。

图4 施肥机安装网格划分图Fig.4 Fertilizer application grid map

3.4 仿真分析

运用FloEFD完成上述网格划分及边界条件设定后，进行仿真分析。考虑到管道长度远大于管道直径，在局部阻力系数计算过程中考虑了沿程水头损失。

根据伯努利方程，管道前后断面间能量守恒方程式为

式中:zi和zj分别为管道i、j处的流体势能，m；pi和pj分别为管道i、j处的流体压力，Pa；γ 为流体比重；vi和vj分别为管道i、j处的流体速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；hw为水流能量损失。

式中:hf是沿程水头损失，hj是局部水头损失，λ为沿程水头修正系数，ζ为局部水头修正系数，d为管道内直径。

流体分析求解器中目标收敛、迭代次数312，流体分析中该安装方式能够正常工作，能够达到进出口连续稳定输入及输出的效果，满足设计要求。在分析结果中添加流动迹线进行流场展示，流动迹线压强云图如图5所示、速度云图如图6所示。

由图5、6的流动迹线可以看出，该施肥机“后进前出”安装管道能够实现水源及水肥混合液的连续稳定输入输出效果。

图5 施肥机安装管道压强流动迹线图Fig.5 Fertilizer installation pipeline pressure flow trace diagram

图6 施肥机安装管道速度流动迹线图Fig.6 Fertilizer installation pipeline speed flow diagram

4 性能试验

根据施肥机管道安装的仿真分析，依据水肥一体化灌溉系统的结构设计，进行施肥机组装部分的设备选型试验搭建。选取主管道外径50 mm，壁厚2.4 mm，最大承压1.0 MPa的pvc管道；水肥一体化施肥机抽吸泵电机功率2.2 kW，扬程45 m，抽吸流量。将施肥机采用“后进前出”的方式安装到所设计的水肥一体化灌溉系统中，对灌溉系统运行情况进行性能试验。于2018年4月16日在贵州大学机械工程学院试验基地进行工作性能试验，如图7、8所示。

图7 施肥机安装管道试验图Fig.7 Fertilizer installation pipeline test diagram

试验中，此“后进前出”安装方式下施肥机可以完成吸肥混肥及稳定输出工作，在持压阀的作用下可以通过铺设的灌溉管网实现对作物的水肥一体化灌溉。且在施肥机停止工作状态下，该安装管道系统亦可通过主管道对作物进行水源灌溉。相对传统的将施肥机串联到灌溉系统的安装方式，该安装方式在不启动施肥机的情况下也能进行作物单纯水源灌溉，实现对设备资源的有效利用。

图8 田间作物灌溉管网Fig.8 Field crop irrigation pipe network

5 总结

针对我国丘陵地区农业灌溉现状，基于传统的水肥一体化灌溉模式，设计了一种基于施肥机“后进前出”安装方案的丘陵地区水肥一体化灌溉模式。运用FloEFD软件对该设计模式中施肥机安装管道进行仿真分析，得到此施肥机安装管道能够连续稳定地实现水源的及水肥混合液的输入输出效果，为实际应用提供了参考。并对此安装方式进行了试验验证，试验中此安装方式下该施肥机可正常工作，且在施肥机停止工作状态下，该系统亦可通过主管道对作物进行水源灌溉。验证了此设计的可行性，在山地丘陵高效节水现代农业灌溉方面具有一定推广应用意义。