王翠芹

（水发建设有限责任公司，山东 济南 250100）

水是生命之源，是农业生产的必要条件，而肥料又作为农产品增产提质的有效手段，其在中国农业中具有重要的地位。我国地面灌溉多采用畦灌和沟灌，在灌溉过程中，畦首或沟首常引发深层渗漏、浪费水肥资源，进而导致畦尾和沟尾灌溉水分不充足、灌溉水利用率低等；同时，我国群众常依据自己的经验施肥，存在着盲目施肥、过量施肥等现象，既形成大量的肥料浪费、作物产量降低，又造成环境污染等问题。

近年来，相关学者通过研制水肥一体化装置来实现水肥的高效利用。李加念等[1]研制了一种以干电池供电的水肥一体化滴灌定时控制装置，1 节9 V 电池预计可供电1 年以上，适用于中小型灌区；王雅芳[2]设计出一种全自动水肥一体化系统，通过结合黄沙基质栽培技术，将其成功应用在番茄、辣椒等果蔬作物中，起到节约水肥的目的；郝梦超[3]设计了一种基于PLC 控制的全自动水肥一体化装置，实现了水肥定时定量供给和实时监测土壤EC 值，提高了土壤数据采集效率，达到精准灌溉施肥的目的；王杰等[4]设计了一种适用于温室大棚的智能水肥一体化装置，采用STM32 单片机和手机APP 智能控制进水口和进肥口的阀门开度，实现精准控制水肥比。

现阶段，大多数水肥一体化装置在大田中适应性较差。为此，本文设计了一种以管道内灌溉水为动力的大田水肥一体化自动管渠灌溉系统，可以很好地用于大田中。本装置设计原理独特，解决了地面灌溉不均匀，水肥浪费等问题，在理论、技术和使用性能等方面，均有质的飞跃，很大程度上提高了我国灌溉水和肥药利用率、地面灌溉和施肥的均匀度，进而节约水资源和肥药用量，提高作物产量和品质。

1 装置设计

1.1 装置组成

如图1 所示，这种以管道内灌溉水为动力的大田水肥一体化自动管渠灌溉系统，由田间管渠系统、水动力系统和药肥系统三部分组成。

图1 大田水肥一体化自动管渠灌溉系统设计图

1）田间管渠系统主要由供水管、管渠、牵引绳、滑轮、塞阀和闸阀等部件组成。滑轮可通过滑轮轴固定在滑轮座上，滑轮座安装在相邻的两条管渠首部和尾部两端的地面上；牵引绳为环套在四个滑轮上的细绳并与动力输出轴相连，动力输出轴可带动牵引绳绕滑轮移动；塞阀呈圆形或椭圆形，安装在管渠内与牵引绳相连，即在牵引绳作用下，塞阀可在管渠内移动，且塞阀与管渠臂接触较好可阻止管渠内的水通过塞阀与管臂的间隙流至塞阀下游；管渠的横断面为圆弧槽状，与塞阀断面形状大小相同，以保证塞阀在管渠内移动，管渠可作为农田的“田埂”，利用相邻的两条管渠形成“畦田”，可在作物播种后，需要灌溉时将管渠放置在田间，后可一直留在田间，也可以移动到其它地块作为田埂重复使用。

2）水动力系统由涡轮装置、变速箱和动力输出轴等部件构成。变速箱可采用齿轮变速箱的形式，齿轮变速箱的传动比根据灌溉制度与畦田规格、灌水定额与流量、输水管压力等参数计算得到。变速箱一端与涡轮机的传动轴相连接，另一端与动力输出轴相连接，动力输出轴的转速通过变速箱调节，进而使塞阀的移动速度与灌水量相匹配。

3）药肥系统包括药肥罐、药肥管道和药肥管道闸阀。药肥罐是用于放置药液或肥液的罐子，其中的药液或肥液是按一定比例由人工方式配而成的；药肥罐底部连接一条药肥管道，药肥管道上设有闸阀，用以调控药液、肥液的流量；药肥管道直接与供水管相连，可使药肥系统更加简化，能将药液或肥液直接注入供水管中，药液或肥液随灌溉水一起流入管渠，伴随灌溉的同时完成了施肥、放药的任务，节省了劳动力，提高了施肥、施药的均匀性。

1.2 装置原理

当系统运作时，首先按照图1 的方式将装置布置好，其中管渠数量视实际灌溉面积而定。为提高土地利用率，扩大种植面积，方便耕作，用管渠代替田埂，可在播种完成后提前将管渠铺盖在农田中；水流经给水栓进入供水管时，使水流冲击涡轮装置产生转动；后经过齿轮变速装置时，携带产生动力输出轴的转动。因塞阀与牵引绳相连，使得闸阀可在管渠内运移，同时牵引绳又与动力输出装置相连，其在动力输出装置的作用下绕固定在地面上的滑轮运移；因为农田沿种植方向均有坡度，即管渠也设计成相应坡度；供水管安置在农田较高的一端，灌溉水经供水管流入管渠，之后在重力作用下沿种植方向流向管渠末端，当水流遇上塞阀时，水流经塞阀的阻挡溢出管渠流向农田。为了缩减牵引塞阀产生的阻力，提高灌水效率，可安装两条管渠同时进行灌溉工作，即一个塞阀从管渠首部开始工作，另一个塞阀从管渠末端开始工作，两个塞阀同时受反向水压力，从而抵消了水流对塞阀的水压力，塞阀移动时，只要克服塞阀与管臂之间的摩擦力就可以工作，这样，就可以减轻对动力输出装置输出能量的要求。管渠能均匀、准确地控制各点的灌溉水量，实现自动、准确灌溉。同时，在供水管上设置药肥系统，肥液、药液跟随灌溉用水一起从供水管流入至管渠，此时塞阀从管渠一端移动，逐渐移至另一端，农田各处便能得到相同的水量与药液，从而实现水肥一体均匀化灌溉。

在灌溉过程中，为了实现灌溉工作连续进行，可以提前在下一灌溉组中布设好牵引绳和滑轮，当上一灌溉组灌溉工作完成后，将动力输出装置移到下一灌溉组，并与牵引绳连接，形成一个新一轮的大田水肥一体化自动管渠灌溉系统，继而自动完成本灌溉组的灌溉工作。

2 系统特点

1） 本灌溉装置以管道中的灌溉用水作为动力源。水动力系统不需采用电动机、内燃机等作为外加动力，从而节省能源，可以更方便地进行野外大田灌溉。

2）灌溉时不需要人为参与，可进行大田自动化灌溉，实现了大田作物的准确定量灌溉，降低了劳动强度，减免了人工灌溉造成的影响。

3）以管渠代替了大田中设有的田硬，可省去部分田埂占地，且利用管渠输送灌溉用水，增大了灌溉面积，解决了目前大田灌溉主要依靠地面灌溉的关键问题，从而提高了灌水质量，并节省了灌溉水量。

4）利用药肥系统，实现了灌溉、施肥的一体化运作，提高了施肥（药）的均匀度及准确性。由于动力装置输出转速稳定，塞阀在渠槽各处的移动速度相等，使得供入田间各处的水量、药肥（药）量不变，进而实现了各处灌水、施肥、施药的均匀性和准确性，更有利于作物生长，提高作物的产量和品质。

3 结论

本文针对传统地面灌溉方式的不足，提出了一种以灌溉水为动力的大田水肥一体化自动管渠灌溉系统。该系统能满足我国广大灌区的需要，可以准确地控制各种水肥参数，提高水肥质量，使灌水和施肥更加均匀。同时，又能充分利用灌溉水源，以灌溉水为动力，实现水肥一体化自动灌溉，大大降低了人的劳动强度。其次，该系统能够缓解我国水资源紧缺的现状，减少了肥料浪费等严重现象的发生，是一种非常适合我国节水灌溉技术的自动灌溉系统，