微灌自动控制

微灌自动控制（精选九篇）

微灌自动控制 篇1

温室设施生产是科学技术含量较高的一种设施农业生产形式。其中,温室灌溉是影响温室生产效益的重要因素。温室微灌不仅可以调控土壤湿度保证作物对水分的需求,提高水分的利用率和利用效率,而且可以调控作物生长环境小气候,取得节水、增产增收和生态环境三重效益。为此,介绍了一种应用于小型温室微灌的双湿度(土壤湿度和空气湿度)自动测控系统。系统通过传感器以单片机为核心来实现作物生长环境因子信息数据的实时采集、处理及输出控制,以达到节水节能、省工省时、增产增收的效果。

1 温室微灌双湿度自动测控系统

1.1 系统技术功能

1)系统具有8通道湿度输入,可控制7路输出,并易根据需要进行输入、输出的扩展。

2)具有预编程序定时灌溉功能。

3)实现由多通道检测湿度信息决策的双湿度协调控制,遵循空气湿度优先原则。

4)具有标准参数设定和系统信息的实时显示、打印和湿度越限报警等功能。

5)高可靠性,抗干扰能力强;故障报警与显示;易于操作和维护。

1.2 工作原理

工作原理:利用土壤湿度和空气湿度传感器测定土壤和空气的含水情况,并且把信号送到单片机,然后单片机根据其内置的控制规则,对输入的信号进行处理判决,依据判决结果进行双湿度的调控。

2 系统硬件结构组成

该系统由以AT89C51为核心的单片机系统、湿度信息数据的采集电路、输出控制接口电路和人机接口电路等部件组成,具体如图1所示。

2.1 控制核心

单片机系统由AT89C51CPU、4KB Flash EPROM 、128B(8位)RAM 组成,系统I/O口的扩展采用Intel公司的通用型可编程I/O接口扩展芯片8255(3×8位),计时采用AT89C51的计数器1作为定时时钟。考虑该系统为连续工作型,硬件电路采用高抗干扰技术设计,并具有“看门狗”(watchdog)电路,以进一步提高可靠性。

2.2 双湿度采集电路

湿度传感器是测控系统的关键部件。快速、准确地测定温室环境双湿度信息,对于探明作物生长环境是否为最佳状态,以便适时做出灌溉、排水和空气湿度调节等措施具有重要意义。湿度传感器种类繁多,国内外均有不同检测方法、不同精度档次,适应于各种环境场合的产品。该系统为满足所需精度及产品一致性的要求,选用中国农业大学电子电力工程学院研制的SWR型土壤水分传感器和HUMIREL公司生产的相对湿度模块—HM1500电容型湿度变送器。

SWR采用最新技术设计,精度高、线性度好、响应速度快,适用于温室、大棚节水灌溉系统来检测土壤湿度。

HM1500具有高可靠性和长期稳定性、重复性好、反应快速,其电容量变化与湿度变化呈线性关系。经A/D转换后,传感器输出的直流电压与被测环境的相对湿度呈线性关系,适于温室的空气湿度检测。

湿度信息采集电路原理框图,如图2所示。该电路由湿度传感器来获得土壤和空气中的水分信息,经ADC0809模数转换器将模拟信号转换为数字信号,并经74LS245功率驱动后,通过长线传输线与单片机系统相连。

2.3 人机接口电路

系统主要是对运行状态和过程信息数据进行实时显示,选用简单常用的LED7段式数码显示器。 人工干预和系统数据输入采用4位独立式多义键盘来实现,其接口电路为I/O扩展接口8255。打印功能通过8255及并行口DB25使单片机与PC机通信方式予以解决。系统故障与参数越限报警采用单频音报警器与CPU接口,其发音元件为压电蜂鸣器。

2.4 输出控制电路

输出控制接口电路逻辑框图,如图3所示。由单片机输出的控制信号经8255并行接口芯片,经光电耦合隔离电路、驱动电路、输出继电器,最后控制水泵和天窗电机及电磁阀,以实现双湿度的调控。

3 系统软件实现

系统功能的实现要通过软件来完成,整个软件系统采用模块化编程方式。系统软件的设计,按功能主要划分为两部分:一是系统监控软件,用以协调各执行模块与操作者间的关系,从而完成各种参数设置任务;二是执行软件,完成各种实质性的功能,如检测、计算、显示、输出控制、通讯等。

3.1 系统监控程序

系统监控程序是系统的主程序,它能及时响应来自系统内部的各种服务请求,有效地管理系统自身软硬件及人机对话设备与系统中其它设备交换信息,并在系统一旦出现故障时,及时做出相应处理。

该系统监控程序的结构为键码分析作业调度型,有较灵活的操作环境。主要工作流程为:系统上电后完成自检进入初始化状态,然后进入键盘检测和扫描,如有键按下则转入键盘解析程序。其程序流程如图4所示。键盘信号的获得采用查询方式。CPU空闲时调用键盘扫描子程序进行键盘输入检测识别,而后确定程序分支。

3.2 控制功能模块

自动闭环控制功能模块是通过对传感器输入的8路模拟信号进行分时转换、处理分析并与预设参数限值进行比较,予以判断,满足一定条件则执行相应控制功能。

双湿度的协调控制,遵循空气湿度优先的原则。在温室环境中土壤湿度和空气湿度是两个相关联的受控因子,两者相互影响,相互耦合。当温室内空气湿度适合作物生长要求时,是不能进行灌溉再增加室内空气湿度的,即使土壤湿度传感器传出信号要求灌溉,此时电磁阀也不会自动打开。若土壤含水量过低已不能满足作物最低需求时,就自动报警要求强制灌溉。双湿度协调模块如图5所示。

定时灌溉控制功能模块则可以自行设定不同时长的定时灌溉模式进行自动定时灌溉。模块运行分别对各定时小时的灌溉起止时间和灌溉运行时间进行合法性判定,当读出的灌溉时间大于设定的起始时间,将其视为非法,不予启动灌溉,相反则启动灌溉至设定灌溉终止时间。

3.3 参数设定功能

参数设定功能模块属于系统主功能辅助模块。主要有时钟与定时设定模块和湿度参数设定模块,通过键盘可以进行数值设定。

时钟模块采用相对时钟模式,与当地时间(绝对时钟)并无直接关系。初始化后时钟的设定值为12点,可通过按键来更改时间。定时设定模式则可根据用户的具体灌溉要求来预设不同的灌溉间隔实现定时灌溉。

湿度参数设定模块可进行设定湿度预设值。自动闭环控制是根据传感器自动采集的湿度信息数据与湿度预设值比较,以决定输出控制的。

4 系统可靠性

该系统为连续工作型,要求有较高的可靠性,抗干扰能力强,因此在硬软件方面都采取了有效的具体措施。

4.1 硬件抗干扰技术

硬件是微机系统抗干扰的第一道防线,合理的结构设计可以防止绝大多数干扰,为系统提供了一个良好的工作环境。硬件抗干扰技术主要是过程通道、电源电路和电路板抗干扰技术。

该系统现场被测和被控对象与单片机系统间的通道路径较长,为保证长线传输的可靠性,主要采用了光电耦合隔离、双绞线传输、长线驱动措施。

单片机应用系统的供电线路是干扰的主要入侵途径。采用电源滤波和退耦可有效抑制干扰入侵。电源变压器采用双层屏蔽的措施,可防止干扰通过初次级间的电容效应窜入。整流滤波电路中采用电解电容和无感高频电容的并联组合可进一步减小高频噪声进入电源系统。

在硬件电路板制作上,器件布局合理,遵循抗干扰设计原则,在重要元器件电源处均配置了旁路去耦电容以有效地去除高频成分的干扰,提高系统的抗干扰性能。

4.2 软件抗干扰技术—数字滤波算法

系统测量通道抗干扰还可以采用软件技术即数字滤波技术。该技术不增加任何硬件设备,多个输入通道可以共用1个软件滤波器,可抑制有效信号中的干扰成分,消除随机误差,同时对信号进行必要的平滑处理,保证系统的正常运行。

系统采用了中位值滤波与递推平均滤波相结合的复合滤波即防脉冲扰动平均值滤波算法。这种方法既可滤去尖脉冲干扰又可滤除小的随机干扰,实现数据平滑。

4.3 watchdog 技术

为了解决单片机受到干扰而引起程序乱飞,系统采用了软硬件结合的看门狗(watchdog)技术,可帮助系统自动恢复正常运行。硬件看门狗选用美国MAXIM公司微处理器监控芯片MAX706;软件看门狗技术主要是用程序监控PC的运行。这种软硬结合的看门狗技术使系统运行的可靠性大大提高。

5 结论

1)系统能够自动计时、自动检测湿度参数,可按预置开环和闭环控制模式进行工作,实现温室环境双湿度的协调控制,达到节水节能效果。

2)系统具有先进的湿度参数检测方法及信息传递手段。

3)系统不仅应用于温室大棚环境湿度调控,而且改变采集和执行器件可用于温室多因子调控及灌溉供水系统等。

4)系统工作稳定,抗干扰能力较强,具有较高的可靠性。

参考文献

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[7]王幸之.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

微灌技术初探 篇2

关键词：节水灌溉；微灌；滴灌；微喷灌；涌流灌；应用

中图分类号：S275 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0069-02

微灌作为农田水利工程的重要技术，以其节水效果明显成为我国节水灌溉推广的未来技术方向。微灌技术在国外已发展成熟并得到推广，但在我国尚处于起步阶段。随着节水增粮工程等政策扶持力度的加大，微灌技术将在国内获得巨大的发展空间。

1 微灌技术概述

1.1 微灌技术的概念

微灌是微润灌溉技术的简称，是膜技术（高分子半透膜材料）在节水灌溉上的应用。其技术内容是以地下给水方式，在微润管内外水势梯度差驱动下，实现对植物全生育期的持续灌溉。这种微润管是以微量、缓慢释放的方式对作物实施续灌，因此基本不存在深层渗漏和地表无效蒸发的现象，从而使整个灌溉周期实现高效节水。

1.2 微灌技术的分类

目前，我国市场上应用较多的节水灌溉技术主要包括渠道防渗、管灌、喷灌和微灌四大类，前两类的节水效果一般不足50%，喷灌技术通常节水60%以上，而微灌技术节水效果可达80%～85%。因此，以滴灌为代表的微灌是当前和今后农业节水效果最好、市场上发展最快的灌溉技术。

2 微灌技术的应用

微灌技术已在世界范围内广泛应用。近20 a来，全球微灌面积以年均33.0%的速度增长，总面积已近400万hm2，其中以色列、德国、奥地利三国的微灌面积最大。我国农田灌溉面积比重不足10.0%，传统的渠道防渗方式仍为灌溉技术的主流。而我国滴灌面积更小，只占有效灌溉面积的6.7%，相比节水农业发达国家的80.0%的比例存在很大差距。如果把我国滴灌面积占有效灌溉面积的比重从6.7%提高至20.0%，则对应的灌溉面积将增加0.08亿hm2。

我国水资源分布不均，干旱现象始终威胁农业生产发展，威胁国家的安全基础。在我国颁布的《全国农业节水纲要（2012—2020）》中，提出到2020年，全国新增节水灌溉工程面积0.2亿hm2（3.0亿亩），其中新增高效节水灌溉工程面积0.1亿hm2（1.5亿亩）以上，主要应用喷灌和微（滴）灌技术。同时，微灌工程的实施需要大量的U-PVC管材、U-PE管材、滴头、滴灌带、管件等，这些材料的成本占全部滴灌工程造价的80%以上。随着微灌技术的大面积推广，将拉動相关产业数百亿元的巨大需求。

3 微灌技术的对比分析

随着科技的发展，微灌的方式也从最初单一的滴灌发展成为包括滴灌、微喷灌、涌流灌、渗灌等多种方式的灌水技术，主要应用于温室大棚、果园和经济作物及草坪的灌溉上。部分干旱缺水地区利用窑窖蓄水，在大田粮食作物灌溉上也使用滴灌技术。

3.1 滴灌

滴灌是将具有一定的压力水过滤后，经滴灌系统及滴水器，均匀而缓慢地滴入植物根部附近土壤的局部灌溉技术。滴灌主要适于果树、蔬菜、花卉、温室大棚等经济作物和水源极缺的地区、高扬程抽水灌区、地形起伏较大地区，以及透水性强、保水性差的砂质土壤和咸水地区的灌溉。

滴灌具有以下优点：1） 节约用水。可根据作物的需要精确地进行局部灌溉，一般比地面灌省水30%～50%，有些作物可达80%左右，比喷灌省水10%～20%。2） 灌水均匀。可有效控制每个滴头的出水量，灌水均匀度达80%～90%。3） 节省能耗。滴灌的工作压力低，比喷灌减少很多抽水量，相应地降低了抽水的能量消耗，这在高扬程灌区效果明显。4） 适应性强。滴灌对土壤和地形的适应性强，几乎适应任何复杂的地形。同时，较低的灌水强度可适应入渗率低的粘性土壤，而对透水性很大的沙性土壤也不会产生严重的深层渗漏。5） 增加产量。滴灌有利于保持稳定的土壤湿度，适时适量向作物根部供水施肥，不易土壤板结，为作物增产提供了水分和养分保障，并可提高产品品质。6） 便于管理。采取自动控制方式施水、施肥，可节水节肥，节省劳动力，便于科学管理。滴灌的缺点主要是投资较高，容易堵塞，对水质要求高。

3.2 微喷灌

微喷灌是介于喷灌与滴灌之间的一种灌水方法。其优点为：1） 节约用水。微喷灌是采用灌溉管道进行输水，靠近地面喷洒，局部灌溉，可大大减少水分蒸发损失、输水损失和部分土壤无效耗水。2） 灌水质量好。相对整个田块而言，微喷灌水并不均匀，但可把水直接喷洒到作物的根部，能够满足作物的全部需水，灌水质量较好。3） 适应性强。微喷灌对土壤、地形和作物有着广泛的适应性，几乎适应各种复杂地形。采用管道输水，管道中的水一直送达作物附近，可实现局部灌溉。与滴灌相比，微喷灌的湿润面积比滴头大得多，避免了大流量滴头在粘土土壤中发生地表径流和形成水洼的问题，以及透水性很大的沙土的深层渗漏问题。4） 防堵塞性能好。微喷头的孔径比滴头大得多，不易堵塞，防堵塞性能好，对水质的过滤要求比滴灌低，相应地降低了一些成本。5） 增加产量。微喷灌可结合作物叶面施肥、喷药等使用，喷水时雾化程度高，有利于增加作物湿度，调节土壤温度，且对作物打击强度小，对花卉、木耳等温湿度有特别要求的作物具有明显的增产作用。6） 装点环境。微喷灌可用于各种地形、土质下的果树、花卉及苗圃、城市园林绿化等的灌溉，同时还可以作为独特的景观。

3.3 涌流灌

涌流灌又名小管出流灌溉，是针对微灌系统使用中灌水器易堵塞的难题而采取的一种新的灌溉方式。它采用超大流道，扩大了微灌灌水器流道的截面积（一般直径为0.5～1.2 mm），以PE塑料小管替代滴头，并辅以田间渗水沟，形成一套以小管出流为特色的微灌系统。

涌流灌具有以下优点：1） 节约用水。涌流灌只湿润渗水沟及其两侧作物根系活动层的部分土壤，是一种局部灌溉技术，可起到节水的效果。2） 抗堵塞。涌流灌的灌水器流道直径比滴头、微喷头的流道或孔口的直径大很多，这种大口径、大流量的灌水器可以解决滴灌系统灌水器用久后易堵塞的难题。3） 降低能耗。涌流灌的流道相对较大，过滤器及灌水器的局部水头损失小，因此运行过程中所需的工作压力较低，节省能量消耗。4） 适应性强。涌流灌系统包括干管、支管、毛管、灌水器（流量调节器）及渗水沟。其中，流量调节器是关键部件，安装在涌泉灌的出水口处，使各出水点配水均匀。流量调节器过流断面大，抗堵塞性能好，工作压力为60～500 kPa，水压的变化对其出流量几乎没有影响。涌泉灌的灌水器因其流道较大、流量适中，既适于地表水和高含沙水以减少堵塞，减少微灌系统对水质的特殊过滤要求，提高工程安全性和保证率，又适于各地形、土壤的果树和宽行蔬菜及大田作物使用。

4 结语

在我国耕地面积减少和水资源日益短缺的情况下，节约用水是保证农业生产和国家粮食安全的当务之急。从改变传统农业灌溉方式入手，大力推广微喷等高效节水灌溉方式，具有长远的意义。在我国农业节水灌溉方式中，每种灌溉方式各有所长、也各有不足，应结合本地区实际，选择适用的灌溉技术，服务于农业生产，提高农业综合生产能力。

微灌自动控制 篇3

关于灌溉控制系统的研究,国外起步相对较早,控制体系研究及设备研发相对完善[3,4,5],其灌溉控制系统目前普遍采用计算机实现远程控制,技术先进,自动化程度高。而现在国内多采用工控机、单片机、无线网络传输技术以及模糊控制等设备与方法以实现节水灌溉的自动化控制[6,7,8,9,10]。但是,这些控制方法和技术忽略了友好的人机交互界面,对灌溉方案的选择缺乏灵活性。并且,微灌管道系统压力变化是影响出流均匀度的重要因素[11]。考虑以上 因素的控 制系统尚 不多见。因此,本研究设计了以PLC为控制核心,触摸屏实时 显示监控 的微灌变频控制系统,人机界面友好,能实现微灌系统灌溉方案的灵活与恒压控制。

1系统设计

1.1系统硬件设计

本系统设计的总体要求主要有以下几个方面:控制系统功能较广,自动化程度较高,便于实现灌溉方案的灵活选取和切换,达到恒压灌溉与节水节能目的;控制系统便于安装,控制面板界面友好,便于田间操作;因此,系统采用上、下位机的分布式结构,由触摸屏、PLC、变频器、压力变送 器和电磁 流量计等 组成。触摸屏为上位监控机,内置实时监控系统,主要负责实时显示和监控微灌管网压力、水泵运行参数、电机频率等系统运行工况,同时具备系统参数设定,数据处理输出、系统故障报警等功能模块。触摸屏选用信捷公司生产的TouchWin,具有良好的人机交互环境,便于操作。PLC下位机为控制单元的核心,选用西门子公司生产的S7-200PLC,CPU224。通过RS485总线与上位机连接通信,主要负责执行和处理来自上位机的控制命令,控制变频器的输出频率,对系统工况及运行参数进行调节,并实时采集系统压力、流量等现场数据同时传输给上位机。变频器选用ABB公司生产 的ACS510变频器;压力测量 选用上海望源测控仪表设备有限公司生产的WP401A压力变送器,测量精度0.2级;流量测量采用天津华水自动化仪表研究中心生产的LWGB-80涡轮流量变送器,测量精度1.0级。 压力传感器和流量计均通过S7-200PLC的EM235模块与其通信。系统结构如图1所示。

1.2系统软件设计

系统软件分为上位机软件、下位机软件以及中间的通信协议。其中,上位机软件为系统核心功能部分,其旨在为用户提供友好的人机交互界面,并接收下位机采集的系统运行工况, 做到实时显示,以实现系统的实时监测,同时对下位机发出指令,完成对系统运行参数的调节,实现系统的控制。另外,为便于对系统运行数据的查询与分析,上位机可自动绘制监测数据和历史数据及其相应曲线,通过触摸屏显示并以csv文档格式输出。当变频器故障或者管网破裂时,系统及时发出警报。其功能如图2所示。

为便于田间试验时灌溉方案的灵活选择与设置,上位机软件专门设置了灌溉方案选择功能模块。该模块根据本试验田常用的灌溉压力要 求,将不同的 灌溉方案 对应不同 的系统压 力。因此,设置了7个常用试验压力下的灌溉方案和1个自定义灌溉方案,这些灌溉方案都以动态磁贴的形式在触摸屏上展示出来,通过触摸点击启动,操作界面简单易懂,如图3所示。 试验时,点击选取系统需要的压力即可。如果灌溉方案中压力均不适合试验的压力要求,则选择自定义灌溉方案并进行水泵性能参数内的自定义设置。

下位机软件由西门子S7-200PLC程序软件Step7编写,并存储于PLC的变量存 储器,由主程序、子程序和 中断程序 组成。其中,主程序负责完成和控制子程序的调用,进行潜水泵的开启与停止以及变频器的变频控制;子程序负责完成上下位机的通信;中断程序负 责完成上 位机的指 令和来自 压力传感 器、流量计以及变频 器的频率、电流监测 数据的接 收和发送。 另外,针对不同灌溉模式和不同灌溉小区对系统运行压力的要求,设计相应的灌溉方案选择模块,中断程序通过连续采集系统实时压力与流量参数,并与设定压力比较,采用PID控制算法,完成水泵的变频调速,实现系统恒压运行。

1.3系统工作过程

系统运行过程中,上位机与下位机PLC进行通信,并发送数据采集指令;下位机PLC对指令进行分析后通过EM235模块向压力变送器和流量计发送数据采集指令;压力变送器和流量计接受指令采集数据,然后将数据传输给PLC,PLC接收数据后返回给上位机,由上位机 经过处理 后实时的 显示在面 板上。同时PLC调用自身PID模块,将监测到的实际压 力与系统工作预设压力相比较,当二者不符时,则根据二者差值大小, 调节变频器输出频率,从而调节水泵转速,实现系统在所需工况下稳定运行,完成对变频器的PID闭环控制。当系统出现故障时,如管道破裂,管网压力骤减,上位机监测到压力信号低于系统设定安全值,将会触发自动报警功能,并发出警报。当系统在运行时变频器发生故障,则系统自动转换为工频运行方式继续为管网供水。系统运行过程如图4所示。

2水泵的变频恒压控制

2.1试验田供水方案选用

本系统应用于节水灌溉示范试验田中,考虑到水泵扬程较高,不适合直接为微灌系 统供水。而试验各 小区灌溉 面积不大,采用传统方法(通过阀门控制或旁路分流泄压,或者是采用稳压罐,建造水塔、高位水箱等)降压并灌溉的模式则会以能量损失为代价,既造成了水资源和能源白白浪费,又增加了占地面积,并且在试验田中安装、施工等较为困难。而交流电机的变频调速技术可以实现水泵的无级变速。因此,选用变频调速的方法可以在满足系统供水需求的情况下,实现水泵最大扬程范围内任意调节出口压力,并在此压力下稳定运行,从而为微灌系统的压力需求提供安全有效的保障。同时,有效节约了水泵电能的消耗与常规方法下其他能量的损失。而PID控制算法依靠其原理简单、适应性强和鲁棒特性好等特点被广泛应用于工业控制中。

针对以上问题与现状,为保证系统达到恒压灌溉、节水节能目的的同时,满足系统的自动化程度高、操作简单,可灵活选取或切换灌溉方案,与现有的灌溉设备配套性强,安装方便等要求,本研究通过PLC内置PID控制模块,将其与变 频器、压力变送器相结合,设计了可 实现微灌 系统恒压 灌溉的自 动化控制。

2.2水泵的变频调速

水泵的变频调速事实上就是交流电机的变频调速。其原理是通过连续改变异步电动机定子的供电频率即改变电源频率,使其同步转速随之连续平滑改变,从而实现无级调速。交流电机选用变频启 动与工频 启动相比,能显著改 善其启动 性能,大幅降低电机的启动电流,增加启动转矩,实现软启动、软停车,更重要的是,能够实现与供电频率立方成正比的轴功率大幅降低,极大地降低了电动机消耗的电能,故变频调速是交流电机的理想调速方法。

本系统由PLC控制变频器,根据上位 机设置的 灌溉方案 调节相应的电动机供电频率,完成水泵的调速,保证了系统恒压运行,从而不仅能够有效避免管网的水锤效应,还避免了管网内的流量突变,减少了爆管、滴漏的发生概率。

2.3系统的PID控制

PID控制算法广 泛应用于 系统的闭 环控制,其控制规 律为:

式中:u(t)为第t个采样时刻控制器的输出量(控制量);e(t)为t时刻的输入 量 (偏差信号,即系统给 定值与实 测值的差); e(t-1)为偏差前项;KP为比例增益;KI为积分作用系数;KD为微分作用系数。

本系统中,PID控制由PLC调用PID控制模块完成,其输出量u(t)对应变频器的频率增量。根据水泵系统的工作特性, 按照参数由小到大,先比例后积分再微分等参数整定原则来试验逐步调整确定,KP=1,KI=0.8,KD=0。系统运行时,PLC通过实际压力与设定压力相比较,调用PID指令,当系统压力增大时,调节变频器使得电机电源频率减小,从而降低水泵转速,减小系统压力;当系统压力减小时,调节变频器使得电机电源频率增大,从而增大水泵转速,增大系统压力;从而达到系统压力于设定值处稳 定运行的 目的。PID恒压控制 系统如图5所示。

3试验分析

本系统安装应用于中国农业科学院新乡综合试验基地,利用潜水电泵井水灌溉,灌溉区总面积为4hm2,划分3个小区, 包括夏玉米的地下滴灌试验小区、果树的环形滴灌试验小区和夏玉米波涌灌试验小区。本系统控制柜安装于机井旁边泵房内,压力变送器安装于试验小区管网的进口处。根据水泵扬程以及各试验小区灌溉方式的工作要求,为方便操作,系统预设置7个不同灌溉方案和1个自定义方案可供选择,各灌溉方案在系统运行时可相互切换。每一方案均预设一管道压力,自定义方案可根据试验 要求,在水泵扬 程范围内 任意设定 管网压力。其中,夏玉米波涌灌试验小区灌溉时选择工频运行,其他试验小区试验时根据试验要求选择相对应的灌溉方案。灌溉时,首先选择变频运行或工频运行,选择工频运行时,系统将直接工频启动并运行;选择变频运行时,在触摸屏上选择灌溉方案,然后点击系统启动,则系统将在选择灌溉方案下恒压运行。 受作物生长周期限制,系统调试运行后,应用于夏玉米地下滴灌与波涌灌的试验中。应用过程中,运行良好,实现了灌溉方案的灵活控制以及微灌系统的恒压灌溉。图6为夏玉米地下滴灌试验系统的时间压力曲线。为验证灌溉方案选择的灵活性以及测试系统响应时间与运行情况,该次试验分别选用压力为0.15和0.2 MPa的灌溉方案。试验开始,进入系统后,选择变频运行,在预设的7个试验方 案中选择 系统压力 为0.15 MPa的灌溉方案,第14min时,选择触摸屏上灌溉方案选择功能上的0.2 MPa模块,则系统切换为压力0.2 MPa的灌溉方案下运行。试验监测数据如图6所示,当选择灌溉方案后,系统经过大约10s后达到该灌溉方案下压力要求,并于此压力下稳定运行。自系统安装运行以来,该系统人机界面友好,便于操作,并且响应时间较快,实现了微灌系统的恒压灌溉,达到了自动控制目的。

4结语

(1)研制了以触摸屏显示和输出,PLC为核心控制单元的变频控制系统,用于微灌系统恒压供水控制,人机界面友好,操作简单,响应速度快,能够可靠准确的实现灌溉方案的灵活选择和设置。

(2)装置克服了传统供水方式的不足,以电机变频调速方式实现了微灌系统恒定压力下的供水需求,自动化程度高,达到节水节能的目的。

微灌系统堵塞原因和抗堵方法探讨 篇4

关键词：微灌；堵塞原因；抗堵方法

中图分类号： S274.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0440-04

微灌是一种高效节水灌溉技术，它是将管道中的水和养料以小流量均匀、精确地通过滴头和孔口等灌水器滴入或渗入到作物根部附近的土壤或土层的一种灌溉技术[1]。微灌主要包括滴灌和渗灌，与漫灌和喷灌相比，微灌具有节水效率高、水肥耦合性好等优点[1-3]，不足之处在于微灌系统常堵塞，已严重影响到整个系统的正常运行。许多专家和学者对微灌系统的堵塞原因、抗堵方法进行了深入研究。

1 微灌系统堵塞原因

微灌系统堵塞主要包括物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞。物理堵塞由水中有机或无机悬浮物引起，有机悬浮物包括藻类物质、浮游植物、浮游动物残体、塑料颗粒、蜗牛等，无机悬浮物包括泥沙、黏粒等。化学堵塞由水中溶解的化学物质引起，此类物质可在一定条件下经化学反应变得不溶，并沉积在灌水器出水孔、管道内部而造成堵塞。生物堵塞是指水中生物进入灌水管道、灌水器内部并大量繁殖和生长，使管道空间减小，最终引起堵塞[4-6]。Taylor等则认为系统堵塞由灌水器结构引起[7]。Nakayama等指出系统堵塞是很多因素共同作用的结果[8]。Bucks等对微灌系统的堵塞类型、物质、程度进行了研究，提出了灌溉系统堵塞程度的区分标准（表1）[4]。

根据联合国粮农组织土地及水利开发处的灌溉专家、顾问的统计，各种堵塞的概率分别为：物理堵塞31%、化学堵塞22%、生物堵塞37%、其他10%[2，9]。可见，物理堵塞、生物堵塞发生的概率较高，灌溉系统堵塞常由这2种堵塞共同引起。

1.1 灌溉水源

目前，农业灌溉用水主要来自雨水、江河、池塘、地下水、城市废水再生水等。针对不同的农业灌溉水源，微灌系统堵塞的原因也有所不同。

1.1.1 池塘和水窖 农村、偏远地区、干旱少雨地区的农业灌溉用水大部分来源于池塘和水窖，天然雨水、地下水流入池塘和水窖中，使水体富含氮、磷、钾、有机质、微生物，绝大多数处于富营养化状态[10]。池塘和水窖中的水经过滤处理后仍存有部分杂质、藻类、微生物[10-11]，它们附着于灌水器出水孔转角处，并依靠水中有机质大量繁殖形成微生物群[12]。这类微生物群常覆盖黏性外鞘，一些微粒和藻类极易粘连并沉积于黏性外鞘，当微生物、微粒、藻类生长到一定程度，或细菌数量达到50 000个/mL时，灌水系统将严重堵塞[4]。

1.1.2 矿物质灌溉水 含有高浓度矿物质的水称为硬水，主要来源于井水和泉水，含有高浓度的钙离子、镁离子、碳酸氢根离子等。长期使用井水和泉水灌溉，会使灌溉系统发生化学堵塞[13]。堵塞原理为泉水和井水中的钙离子、镁离子、碳酸氢根离子会在灌水器出水孔处发生化学反应。当周围环境温度升高、压强变小时，水中的碳酸氢钙将发生化学反应，生成碳酸钙、水、二氧化碳；水中的碳酸氢镁将发生化学反应，生成碳酸镁、水、二氧化碳。因此，使用含有碳酸氢钙、碳酸氢镁的泉水和井水灌溉，会使灌水器内部、出水孔附近生成难溶于水的碳酸钙、碳酸镁，从而造成灌溉系统的化学堵塞。

1.1.3 含沙灌溉水 含沙灌溉水主要来源于江河。黄河是我国第2大河流，也是世界含沙量最大的河流，是流经省（市、自治区）农业灌溉水的主要来源。使用含沙量大的水灌溉一段时间后，灌溉系统中泥沙不断增多，并沉积于灌水管、灌水器内部、出水孔处。当水中悬浮颗粒超过100 mg/L时[4]，整个灌水系统将严重堵塞，致使灌溉系统无法正常运行[12]。

1.1.4 城市废水再生水 根据国家统计局统计，2011年、2012年全国城市废水排放总量分别达6 591 922万、6 847 612万t[14]，合理利用城市废水对于缓解我国水资源危机具有重要意义。在农业灌溉用水方面，以色列对城市污水再生水进行氯化处理并通过滴灌、地下滴灌系统对瓜类植物进行灌溉[15]，Mollie等对饮用水和城市废水作了化学成分分析[15]（表2）。在国内，吴显斌、闫大壮等对城市废水再生水滴灌系统滴头抗堵性能方面作了研究，发现城市废水再生水中含有大量污染物质、病原体、微生物细菌、有机质，使用城市废水再生水作为灌溉用水需对其进行消毒氯化处理，以免影响农作物和人体健康，另外，城市废水再生水中的微生物细菌、悬浮颗粒会对灌溉系统造成生物堵塞[16-17]。由表2可知，城市废水中高浓度的磷元素、钾元素、有机质为大量大肠杆菌、粪大肠杆菌等微生物细菌提供了良好的生长繁殖环境，使其在灌水器内部、出水孔处附着并大量繁殖，当水中微粒、微生物细菌达到一定数量时灌水器将被堵塞。

1.2 灌溉方式

根据管道和灌水器是否被埋入地下，将微灌分为地表微灌、地下微灌。2种灌溉方式均具有水分利用率高、节水增产等优点[1-3]，不足之处在于灌水器极易堵塞。

1.2.1 地表微灌 地表微灌是指灌溉管道铺设在地上或地面，灌溉水和养料通过安装在灌溉管道上的灌水器或在管道周围开的小孔以小流量缓慢、均匀地滴入或渗入到土壤中并浸润作物根部[1]。根据地表微灌的特点，灌溉水会以水珠状逐滴连续不断从出水孔处流出，在水、空气、养料的共同作用下，水和空气中的微生物细菌极易在出水孔转角处附着并繁殖形成微生物群[12]，水中的杂质、微粒遇到黏性微生物菌群会黏附在其表面，最终不断变大并堵塞灌水器出水孔（图1）。

1.2.2 地下微灌 地下微灌是指灌溉管道和灌水器埋于地下，灌溉水和養料通过安装在灌溉管道上的灌水器以小流量缓慢、均匀地渗入到作物根部附近[18-19]。与地表微灌堵塞相比，地下微灌还存在另外4个堵塞诱因（图2）：（1）地下微灌存在负压堵塞[20]，即灌溉系统停止供水时，灌溉管道中产生负压将土壤中的泥沙吸入灌水器的微孔中造成堵塞。（2）由于作物根系的向水性[21]，作物的根系会侵入灌水器的微孔并造成堵塞。（3）埋于地下的沙石化学成分主要是碳酸钙，它遇到水、二氧化碳时变为可溶性的碳酸氢钙，当埋于地下的灌水器受热或压强突然变小时，水中的碳酸氢钙又分解为碳酸钙并沉积于灌水器孔口处[13，22]。Abdallah等总结出灌溉水、灌水器附近水的化学成分[22]（表3）。灌水器出水孔附近的钙、镁离子含量明显增多，极易造成灌水器出水孔堵塞。（4）土壤中含有蛹、蜗牛等微小生物[13]时，它们可进入灌水器孔口中并造成堵塞。

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1.3 灌水器构造

灌水器是微灌系统最核心的部件之一，灌水器堵塞将降低整个微灌系统的灌水效率，严重时会造成灌水系统全面瘫痪。

目前许多灌水器的流道设计均为迷宫式，迷宫式灌水器可分为圆弧迷宫式、矩形迷宫式、锯齿形迷宫式等。迷宫式灌水器的水利特性较好，可以控制灌溉水的压力使其均匀、缓慢地流出，但其抗堵性能较差。为使迷宫式灌水器同时具备较好的水利特性和较强的抗堵性能，国内外专家对迷宫式灌水器流道作了深入研究[23]。Adin等发现灌水器的流道结构对灌水器的抗堵性能有一定影响[24]。郑耀泉认为灌溉水的流量、灌水器流道均可影响灌水器的抗堵性能[2]。吴显斌等、闫大壮等研究发现，使用再生水灌溉时，流道长度、锯齿间距、锯齿高度均会影响滴头抗堵性能[16-17]。魏正英等提出迷宫式灌水器的流道宽度对抗堵性能影响最大，其次是流道深度和长度[25-26]。圆弧形迷宫式灌水器中，存在于圆弧转弯处的流动滞止区会引起灌水器堵塞；矩形、锯齿形迷宫式灌水器中，存在于流道内的涡旋区、低速区也会引起灌水器堵塞。李光永等提出片式灌水器的齿间距、齿高、齿角度均会影响灌水器抗堵性能[27]。刘璐等发现灌水器堵塞主要发生于流道转角处、流道进水口处[12]。

国内外专家不仅对灌水器流道进行了深入研究，杨宝中等指出渗灌管的孔径大小、孔口的制造精度也是影响堵塞的因素之一[28]。程先军等、何静等同样指出灌水器的制造偏差、出水孔的制造精度、灌水器的材料均会影响水的均匀性、灌水器的抗堵性[3，29]。

2 微灌系统抗堵方法探讨

2.1 灌水器构造

国内外专家针对不同堵塞研制出各类抗堵塞灌水器，并对灌水器流道进行改造。现对各类抗堵塞灌水器和改进后的流道进行总结分析。

2.1.1 灌水器内部结构 郑耀泉认为灌溉系统流量大时，水中的杂质、微粒不易引起灌水器堵塞，当灌水器的流道变大时也不易堵塞[2]。李光永等发现片式灌水器的齿间距、齿高、齿角度均会影响灌水器的抗堵性能，灌水器的的抗堵性能随流道宽度的增大而逐步提高，却不能完全随灌溉水流量的增大而提高[27]。闫大壮等研究发现较大的流道长度、锯齿间距、锯齿高度（h<1.2 mm）均无法减轻灌水器的堵塞程度[17]。魏正英等对圆弧形迷宫式灌水器的流道进行了优化设计，首先降低流道的2个圆弧高度，同时对上、下连接圆弧进行偏移，并将小直线段加长以减小极低速度区，考虑到灌水器的制造难度，将上、下2个圆弧的半径设为相同值。魏正英等还对矩形、锯齿形迷宫式灌水器的流道进行了优化设计，将矩形、锯齿形流道转角处的尖角改为圆弧连接，优化后的流道不存在涡旋区和低速区，此改进解决了部分堵塞问题[25-26]。杨宝中等指出孔眼不易堵塞的尺寸在0.7～1.2 mm[28]。孔径小于0.7 mm时，灌溉水中的泥沙极易堵塞孔眼；孔径大于1.2 mm时，土壤中的泥沙会堵塞渗灌管的孔眼和渗灌管。因此渗灌孔眼直径一般取为1.0 mm。程先军等指出，采用人工扎孔方式制成的出水孔制造精度差，极易堵塞[3]。由以上分析可知，灌水器内部、出水孔的制造精度要求很高，在灌溉水流量保持不变的情况下，可将灌水器流道长度保持不变，流道宽度适当增大，流道转角处设计为光滑过渡圆弧，灌水器孔径取为1.0 mm。

2.1.2 抗负压堵塞

王荣莲等指出，以色列Plastro公司针对负压堵塞发明了一种内镶式压力补偿滴头，该滴头可有效防止负压堵塞[20]。根据此原理，我国成功研制出类似的地下滴灌灌水器（图3）。当灌水器进水口处的水压达到一定值时，压力补偿片会自动打开，使水流顺利通过管道；当灌水器进水口处的水压小于0而产生负压时，压力补偿片会紧压于流道进水口的凸缘，将流道完全关闭以防止负压吸泥。此灌水器既可调节水压，又可防止负压堵塞。王荣莲等发现，窄缝出口形式的抗负压堵塞效果优于圆孔出口形式、带舌片的出口形式；小流量滴灌带的抗负压堵塞效果优于大流量滴灌带[30]。另有专家指出，在灌水器外包无纺布，以及在微灌系统中安装真空破坏装置，均可起到抗负压效果[3]。

2.1.3 压力补偿型灌水器 压力补偿型灌水器是指在一定压力范围内实现恒流出水的灌水末端装置。压力补偿型灌水器主要分为管上式压力补偿灌水器、迷宫式流道补偿式灌水器[31]。管上式压力补偿灌水器不仅具有压力调节功能，还具有自清洗功能，可将杂质、微粒冲出灌水器以达到抗堵效果。在管上式压力补偿灌水器的调节腔内有1个弹性薄片，其下有出水孔的底座。灌水器通水时，当水压大于某恒定值时，弹性片压向出水孔底座，使出水流道变小，且出水流道随水压的增大而逐渐变小；水压变小时，出水流道将变大，当压力低至一定值时，弹性片将完全脱离出水孔底座，此时出水流道变到最大，流量也相应增大，转换为冲洗状态[32]（图4）。

2.2 水化处理

灌溉水的化学处理是指在灌溉水中通入或加入化学物质，使其进行化学、生物反应以达到疏通灌水器出水孔的效果[33]。氯气作为一种低成本杀菌灭藻劑，具有良好的经济性，在保证加氯设备安全的前提下，氯气可以很好地疏通灌水器。氯气极易溶于水并发生化学反应。氯气与水反应生成次氯酸、盐酸；次氯酸电离为次氯酸根、氢离子。

在酸性环境中，次氯酸分子易于扩散到带负电荷的细菌表面，并通过细胞壁进入细菌内部破坏其内部系统，从而杀死细菌和藻类。对于中度或重度堵塞可采用100～150 mg/L浓度的氯水冲洗10～30 min，再用清水冲洗，即可达到杀菌除藻的效果。氯水中的盐酸可与灌水器中的沉淀物发生化学反应。碳酸钙与盐酸反应生成氯化钙、水、二氧化碳；碳酸镁与盐酸反应生成氯化镁、水、二氧化碳。反应生成的氯化物易溶于水，用水冲洗便可疏通出水孔。对于根系堵塞，可向灌溉水中加入一定浓度的除草剂，灌溉时间不超过15 min，灌溉后用清水冲洗，便可解决根系堵塞问题[21]。

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2.3 灌溉系统管理

灌溉系统的设计和管理对抗堵至关重要[3，5]，需严格过滤灌溉水，并定期冲洗系统以去除管中积累的泥沙等沉积物。若水中杂质主要为泥沙，首部过滤可选择网式过滤器、离心式过滤器组合；若水中杂质主要为藻类，可选择网式过滤器、砂石过滤器组合；若水中杂质既有泥沙又有藻类，则需要砂石过滤器、网式过滤器、离心式过滤器组合。过滤精度要求不高时，可选用120目过滤器；过滤精度要求较高时，可选用150目过滤器。

3 结语

从灌溉水源、灌溉方式、灌水器构造3方面对微灌系统的堵塞原因、抗堵方法进行探讨。目前，国内外尚未找到可解决全部堵塞问题的方法，一般仍通过改进灌水器流道、优化灌水器内部结构来实现抗堵。合理的灌溉系统设计和管理可起到良好的防堵效果，化学抗堵方法会对环境、土壤造成污染，要严格控制使用量，一般不提倡使用。

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水肥一体化微灌技术 篇5

水肥一体化微灌系统就是利用专门的灌水设备 (滴头、微喷头、渗灌管和微管等) , 将带有可溶性肥料的有压水流变成细小的水流或水滴, 均匀、定时、定量的湿润作物根部的灌水方法。其特点是灌水流量小, 1次灌水时间长, 需要工作压力较低, 能够根据土壤养分含量和作物种类不同生长期的需肥规律, 精确控制灌水量, 具有节省施肥劳动力, 节省水肥用量, 提高肥料利用率, 改善土壤环境, 提高作物抵御风险的能力等显著优点。

1 微灌系统组成

微灌系统主要由首部系统, 输配水管网系统, 微灌器等组成 (图1) 。

1-水源2-水泵3-压力表4-主控阀门5-止回阀6-调压阀7-施肥罐8-过滤器9-干管10-分控阀门11-微喷支管12-滴灌支管13-滴灌毛管14-滴头15-微喷毛管16-微喷头

1.1 首部系统

首部系统是微灌工程中非常重要的组成部分, 主要由水源、水泵、施肥设备、过滤设备以及各种控制、测量、安全阀门等组成。施肥设备是将肥料直接注入压力管道系统之中, 肥料需为可溶水性, 施肥设备应设在过滤器之前, 以防止肥料中固体颗粒进入管道, 堵塞微灌设备。过滤设备是微灌系统中必不可少的。过滤设备种类有沉砂池、砂石过滤器、离心过滤器、网式 (叠片) 过滤器等。微灌系统过滤器类型和尺寸应根据水源水质和系统流量所定, 由于微灌系统要求水质精度比较高, 一般多选择多级组合过滤, 过滤精度为80~150目。微灌系统中, 若水源为池塘 (河) 水, 主要含有微生物和絮状物, 一般选择砂石和网式组合过滤器, 若水源为井水, 主要含有沙粒, 一般选择离心和网式组合过滤器。

1.2 输配水管网系统

输配水管网主要包含干管、支管和毛管等。毛管多需要打孔安装微喷头或滴灌设备, 故毛管一般选择低密度聚乙烯 (LDPE) 管, 干管或支管多选用聚氯乙烯 (U-PVC) 给水管。输水管道有一定压力负荷范围, 超过一定的压力容易引起管道破裂, 所以要重视管道水流压力表、压力调节器作用, 将水压控制在一定工作范围内。

1.3 微灌器

微灌器是微灌系统中关键部件, 主要有微喷头、微喷带、滴头、滴灌带、渗灌管等, 其出水孔径一般都很小。有些根据情况设置了特殊功能, 例如压力补偿、抗堵塞等。

2 微灌系统中施肥设备

微灌施肥有肥液浓度不恒定施肥和肥液浓度恒定施肥2种方式, 主要设备有施肥罐、文丘里施肥器和柱塞施肥泵等。

2.1 施肥罐

施肥罐又称压差式施肥罐, 分别由进、出水管连接到带有调压阀的主管道上, 由调压阀产生较小水压, 使一部分水流流入施肥罐罐底, 肥料溶液进入灌溉管网, 将肥料带到作物根部 (如图1) 。开始施肥时流出肥料浓度高, 随着施肥的进行, 罐中肥料浓度越来越小, 故此为肥液浓度不恒定施肥方式, 多用在小块面积, 不需要轮流灌溉区域场所。

2.2 文丘里施肥器

通过文丘里喉管 (由大渐小再由小渐大的管道) 形成一定负压, 在喉管侧壁有一小口, 可通过小管将肥料液从敞口肥液桶吸出进入水管中混合。文丘里 (ALLTOP800) 施肥器工作原理如图2。

文丘里施肥器操作需要有一定压力来保证必要的压力损耗, 施肥器入口稳定压力是养分浓度均匀保证。表1列出了压差和吸肥量关系。

文丘里施肥器不需要外部能源, 从敞开的肥料桶中吸取肥料花费少, 操作简单, 使用方便, 是微灌系统中最常用施肥器。

2.3 柱塞施肥泵

柱塞施肥泵是一种精确的施肥设备, 可以控制肥料用量或施肥时间, 但使用装置复杂, 价格较昂贵, 分成水力驱动和电力驱动形式。电力驱动存在特别风险, 当系统供水受阻中断后, 往往注肥仍在进行。一般只在要求很高情况下使用。各种施肥装置具有不同特点, 需根据不同应用条件加以选择。如图3。

3 肥料在微灌系统中应用

作物生长主要营养元素为氮、磷、钾以及其他微量元素。作物在各个生长期对养分需求量不同, 在实践中要根据作物生长需要及时满足各种养分供应, 特别是对缺乏养分补充。否则, 补充其他养分再多, 也不能提高产量。通过水肥一体化微灌技术, 由于湿润土壤体积大大缩小, 作物生长更为敏感, 灌溉和施肥良好协调, 保持土壤一定适度对养分吸收有重要意义。

根据作物养分需要计算出各种具体肥料数量, 通过土壤分析了解土壤养分状况, 需扣除土壤能够提供的这部分养料, 可从理论上推出施肥量大致范围, 对生产指导有实际意义。作物在不同生长阶段养分需求量也有所不同, 图4、5、6给出不同作物在不同阶段的养分需求规律。

4 结语

利用水肥一体化技术, 通过土壤、植株和水质分析, 了解养分的吸收规律, 考虑到当地土壤条件下作物养分的利用效率, 制定出科学的灌溉施肥计划, 达到增产、增收的目的。

摘要：介绍水肥一体化微灌技术的微灌系统的组成、施肥设备以及肥料在微灌系统中的应用。通过土壤、植株和水质分析, 了解养分的吸收规律, 制定出科学的灌溉施肥计划, 达到增产、增收的目的。

关键词：水肥一体化,微灌技术,施肥设备,应用

参考文献

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浅析温室大棚微灌技术 篇6

1 温室大棚微灌系统

和大田栽培相比, 温室大棚具有很多明显不同的栽培条件, 作物生长环境决定着温室大棚能否增产增值, 因此应该人为地将一个有利于作物生长的环境创造出来。在对室内环境进行调控的过程中, 微灌属于1种极为有用的工具, 在世界各地得到了极为广泛的应用, 我国尚处于起步阶段, 滴管和微喷灌是通常采用的2种微灌系统。

1.1 滴灌

滴灌属于1种灌水技术, 指将在末级管道上安装的滴头或和末级管道制成一体的滴灌管充分利用起来, 将压力水以水滴状对土壤进行湿润。

1.2 微喷灌

微喷灌也属于1种灌水技术, 指将在末级管道上直接安装的微喷头或通过1条长4~6mm的塑料管和末级管道连接的微喷头充分利用起来, 将压力水以喷洒状对土壤进行湿润。微喷头分为2种, 即旋转式和折射式, 通常情况下流量在20~250L/h之间[1]。

2 温室大棚微灌系统组成

2.1 水源

通常情况下, 井水是保护地灌溉水源的主要来源, 可以将一浅井打在温室大棚附近, 利用微型离心泵或潜水泵将有压水供给给大棚。如果水源供水量需要调蓄, 或具有极大的含砂量, 则通常需要将蓄水池修建起来。

2.2 首部枢纽

水泵、动力机、肥料、控制阀、压力流量量测仪表等均属于首部枢纽的重要组成部分, 其作用为从水源处取水增压, 对其进行有效处理, 使其符合微灌要求, 向系统中将其送入。潜水泵、离心泵等是微灌常用的水泵;电动机、柴油机等是微灌常用的动力机;过滤设备的作用主要是滤去灌溉水中的固体颗粒, 有效预防和避免污物堵塞系统的现象, 应该在输配水管道之前安装过滤设备。向设备中注入肥料及化学药品, 向微灌系统直接施入肥料、杀虫剂等, 应该在过滤设备之间设置注入设备。流量压力量测仪表的作用主要是对管线中的压力或流量进行测量。阀门的主要作用为对微灌系统压力流量的操纵部件进行直接的控制和调节, 在需要控制的部位上布置, 逆止阀、水洞阀等是其主要型式。

2.3 输配水管网

其作用为依据相关要求向每个灌水单元及灌水器输送分配首部枢纽处理过的水, 干、支及末级管道3级管道是输配水管的主要组成部分。在微灌系统中, 末级管道属于最末1级管道, 灌水器安装在其上或其和灌水器连接起来。

2.4 灌水器

在微灌设备中, 灌水器是最为关键的部件, 向作物直接施水, 其作用为促进压力的有效消减, 变水流为水滴或细流等向土壤灌入[2]。

3 温室大棚微灌系统设计参数

和大田微灌系统相比, 温室大棚具有明显不同的微灌系统设计参数。

3.1 设计日耗水强度

现阶段, 国内还没有系统的试验资料详细说明不同季节、作物在温室大棚内的日耗水量情况, 通常情况下如果作物生长在较大的田中, 那么其应该依据实际情况具有相对较少的日耗水强度, 将有效的依据提供给灌溉系统的设计。

3.2 土壤湿润比

通常情况下, 花卉、蔬菜的设计湿润比在60%~90%之间, 而温室大棚滴灌应该取其上限值, 也就是说, 应该将滴灌设计的湿润比设定为90%及以上[3]。

3.3 日工作小时数

通常情况下, 应该将温室大棚微灌系统的日工作小时数控制在20h/d以内。

3.4 设计灌水周期

小水勤灌是温室大棚微灌系统采用的主要方法, 通常情况下应该将灌水周期设定为1d[4]。

温室大棚栽培具有较高的环境温度, 能够为作物的快速生长提供良好的前提条件。而作物具有较快的生长速度, 需要适时对养分及水分进行充分的补充。将微灌技术充分利用起来对棚内温度进行有效的调控具有极为重要的作用和意义, 因此应该对温室大棚微灌技术进行深入细致的研究, 将其优势充分利用起来, 为有效保护水资源、促进我国农业的飞速发展做出积极的贡献。

摘要：本文从滴灌和微喷灌2个方面介绍了温室大棚微灌系统, 从水源、首部枢纽、输配水管网、灌水器4个方面分析了温室大棚微灌系统的组成部分, 从设计日耗水强度、土壤湿润比、日工作小时数、设计灌水周期4个方面对温室大棚微灌系统设计参数进行了简要探讨。

关键词：温室大棚,微灌技术,浅析

参考文献

[1]李光永.温室大棚微灌系统介绍[J].农民科技培训, 2008 (03) :21-22.

[2]乔光建, 马静, 刘斌.北方干旱地区日光温室大棚节水技术及效益分析[J].水利经济, 2010 (01) :59-62+78.

[3]冯秀萍, 李明辉, 田立强.太阳能光伏技术在温室大棚控制系统中的应用[J].科技致富向导, 2013 (05) :42-43.

书讯:《经济型喷微灌》出版 篇7

《经济型喷微灌》一书2009年11月由中国水利水电出版社出版, 该书由经济型喷滴灌技术的研究者和实践者奕永庆教授级高工编著, 由中国工程院茆智院士和浙江省副省长茅临生作序。本书系统总结了经济型喷滴灌技术的设计特点, 材料设备, 喷滴灌在作物和畜禽场应用的工程实例和经济效益;介绍了竹笋、杨梅、葡萄、梨、桃等经济作物的需水特性;土壤、水和植物的关系等内容, 旨在促进水利与农艺的结合, 实现科学灌溉;还介绍了微灌的另一项重要功能--施肥技术, 以适应高效生态农业的需要。

本书理论联系实际, 通俗易懂, 可作为基层水利、林业工程师、农艺师及种植、养殖大户的培训教材, 也可供高等院校水利、农业、林业、畜牧、园林专业的师生参考。

本书售价32元, 可在各地新华书店或中国水利水电出版社发行部购买, 其中杭州发行部地址为:杭州市凤起东路52号, 邮编310020, 联系人:王贞伟老师, 电话:0571-86992418。

论农业微灌技术的配套革新 篇8

一、农业微灌技术的主要优势

1. 灌水均匀

微灌系统能够做到有效地控制每个灌水器的出水流量, 因而灌水均匀度高, 一般可达80%～90%。

2. 节省劳力

微灌是管网供水, 操作方便, 而且便于自动控制, 因而可明显节省劳力。同时微灌是局部灌溉, 大部分地表保持干燥, 减少了杂草的生长, 也就减少了用于除草的劳力。

3. 地温降幅很小

微灌的运行方式是采用浅灌勤灌的方式, 每次灌水量很小, 因而几乎不会引起地温波动。

4. 微灌可以结合施肥进行

适时适量地将水和营养成分直接送到作物根部, 提高了水和肥料利用率。

5. 可减少病虫害的发生

微灌可以降低大棚室内的空气湿度, 使与湿度有关的病虫害得以大幅度下降, 同时降低了防止病虫害的农药使用量, 减少蔬菜农药残留量, 提高了蔬菜品质。

6. 便于农作管理

微灌只湿润作物根区, 其行间空地保持干燥, 因而即使是灌溉的同时, 也可以进行其它农事活动, 减少了灌溉与其它农作的相互影响。

7. 提高农作物产量

微灌可以给作物提供更佳的生存和生长环境, 使作物产量大幅度提高。一般增产幅度30%～80%。并可提早供应市场。使用微灌系统, 一般可早应市15～30天。

8. 延长市场供应期

微灌可使作物更长时间内保持生长旺盛, 从而可延长市场供应期, 获得最佳的收入。

9. 节约用水

微灌技术是对农作物根部有针对性、有控制性的定点灌溉, 因此, 大大减轻了地表蒸发、地下流失和作物间隙用水。

10. 降低了能耗

微灌比地面畦灌可减少灌水量50%～70%, 因而可降低抽水的能耗;同时微灌地温下降小, 可减少或免去提高地温所需的能耗, 一般能耗可下降30%左右。

二、农业微灌技术革新的必要性

传统的微灌技术是利用压力管道输水并需要有过滤设备, 其系统投资一般要远高于地面灌;灌水器出口很小, 易被水中的矿物质或有机物质堵塞, 减小系统水量分布均匀度, 严重时会使整个系统无法正常工作, 甚至报废。具体说来有3个方面的不足:

1. 设备技术要求高

其中包括动力设备、密封设备、过滤设备、出水设备。同时对材料的要求也较高。

2. 安装技术要求高

微灌系统一般都需要专业技术人员安装调试, 而传统农业耕作方式以“广种薄收”为其特点, 集约化程度极低, 因此也严重制约了其实用性。

3. 成本仍然较高

这主要是针对两个方面而言:一是相对于简单低值的传统农业耕作方式, 缺少实用性;二是因传统微灌技术均存在物质堵塞的缺陷, 大大降低了使用寿命, 提高了更换频率。这几乎是传统微灌技术的致命弱点。

但是, 在目前的农业发展水平下, 农业产业化程度还很低, 仍然是以传统农业耕作方式为主, 这是中短期内无法改变的现实, 传统微灌技术的发展会受到极大的限制, 这就不得不促使我们对微灌技术的发展提出新的思路。

三、农业微灌技术革新的可行性

微灌技术中有一种渗灌技术, 是根据深层土壤水分渗透原理而形成的一种新型技术。其基本方式是通过在整个密封管道中, 填充吸水纤维等吸水材料, 将水分渗透到植物的根部。渗灌技术的水分, 是借助材料吸附的方式移动到土壤中的, 其形态就像是水分的一种“传导”。在没有外部压力的情况下, 管道吸水材料中的含水量与植物根区局部土壤的含水量, 将会形成某种动态平衡。可以看出, 渗灌技术实际上是一种超微量灌溉技术, 如果结合地膜覆盖等其它配套技术, 它的单位用水量可以达到极低的毫升级水平。

现代科学技术为渗灌技术提供了可以实施的条件: (1) 各种材料的管道技术。渗灌系统需要耐用、耐腐蚀、易熔接和一定硬度的密封管道。其作用是克服水分途中蒸发流失, 将水分定向“传导”到植物根区; (2) 耐用性吸水材料。多种吸水材料的产生, 为选用合适耐用的吸水材料提供了可能, 同时也是渗灌技术成败的关键; (3) 净化过滤技术。由于渗灌技术属于超微量“传导”性用水, 使得在单管道进水口处, 加用净化过滤器成为可行。同时现代材料技术的运用, 使净化过滤设备简易而低成本, 为有效地克服管道矿化堵塞, 提供了先决条件, 进而延长了渗灌系统的使用寿命。增强了渗灌技术的适用性。

四、农业渗灌技术的优势

1. 系统可以持续工作

由于渗灌系统采用了自然渗透方式, 因此, 无需人员值守, 渗灌的水量主要取决于土壤的含水量, 动态“传导”。只需人员定期观察进水口容器的水位变化, 就可以判断渗灌系统的工作状态。

2. 无需复杂的出水设备

只需在进入根区的管道上打出一定密度的水孔直径约在2mm左右出水孔, 然后在该段有孔管道外部包裹一定厚度 (一般在10～15mm左右) 的非耐用性吸水材料, 如餐巾纸等, 再将其平埋在植物根区, 使其在管道周围形成质地松软的渗透层。

3. 系统无需任何动力

渗灌系统不再需要外部压力, 因此, 在吸水材料允许范围内, 渗灌系统的进水水位可以略高或略低于植物根区。

4. 安装操作简单易行

除管道熔接需要专业人员外, 其它安装均可以自行操作, 不会造成大的失误。只需考虑单位面积的用管量、管径和树状布局。

5. 结构简单, 成本低廉

渗灌系统由渗灌管道和管头净化过滤设备两大部件组成, 投入成本极低, 一是生产这类填充吸水材料的管道, 工艺简单, 成本不会太高;二是正因为管道成本低廉, 安装拆除简单容易。所以, 即使因长期使用造成吸水材料矿化堵塞, 更换管道也不会造成较大的经济损失。

五、农业渗灌技术的配套措施

农业渗灌技术虽然具有上述诸多优势, 但这项技术绝对不是孤立的。为了更有效地发挥其优势, 根据渗灌技术系统的特点, 必须采用配方堆沤施肥、地膜覆盖等配套技术措施。

1. 为了增强和稳定植物根区的渗透效果, 必须改善土壤结构, 避免直接施用无机化肥, 造成土壤板结其方法是将配方好的化肥, 用一定量的人畜粪尿充分搅拌, 再与机械扎碎的作物稿秆碎屑混合后, 进行密封堆沤30～90天。在作物种植时, 先开沟施入沤肥, 再顺沟埋置渗灌管道, 然后用沤肥覆盖, 用细土盖平, 最后栽植或播种。

2. 地膜覆盖技术不仅可以降低根区水分蒸发量, 更重要的是可以改善和稳定土壤结构地膜覆盖有效地避免了因雨水冲刷造成的养分流失, 进一步稳定根区土壤松软结构, 保障渗透效果, 保障肥力。由于地膜覆盖操作繁复, 对土面平整度、土壤细度要求较高, 人工投入较大, 往往实施起来比较困难。因此现阶段的渗灌技术, 仍然更适宜于大棚集约化程度较高的种植模式。

蔬菜微灌施肥技术应用研究 篇9

1 材料与方法

1.1 基本情况

峄城区为丘陵与小盆地交错地貌, 暖温带季风气候, 区内水源充沛, 植被良好。历年平均温度14.5℃, 全区降水较为充沛, 年平均降水量872.9 mm。其中, 夏季降水量占年降水量的64%, 秋季占16.7%, 冬季占4.1%, 春季占14.5%。适合农业各类作物生长, 为国家命名的“生态经济县”、“中国芸豆之乡”、“中国石榴之乡”。试验地选择在峄城区坛山办事处大棚生产较集中的雷园村, 供试土壤为淋溶褐土, 土层厚度为1.5～2.0 m, 田间持水率为23%～29%。试验品种为芸豆。大棚周围备有水井, 抽水试验结果表明, 出水量及水质均满足灌溉要求。

1.2 试验设计

由于试验地底肥已施完, 以了解微灌施肥的增产效果为主, 未涉及肥料经济合理施用问题, 只设微灌施肥和畦灌冲肥处理 (CK) , 大棚栽培面积为0.05 hm2, 不设重复, 种植作物为峄城半架芸豆。

1.3 微灌技术及设备

微灌施肥系统为灌溉技术和施肥技术的耦合提供硬件, 2项技术合理运筹是系统发挥作用的软件。微灌系统由水源工程、首部控制枢纽、输配水管道、灌水器四部分组成。水源工程:水井、河流、水库等, 水质符合灌溉要求;首部控制枢纽:由电机水泵、过滤器、施肥器、控制和量测设备 (压力调节阀、分流阀等组成) ;输配水管道:干管、支管、毛管;灌水器:灌水器即滴头, 常用滴头由收缩式滴头、长流道管式滴头、蜗流式滴头等;应用的施肥设备主要有压差式施肥罐、文丘里施肥器等[1,2]。目前应用最普遍的是单棚单井微灌施肥系统, 该系统控制面积0.03～0.13 hm2, 在棚内或附近有较浅的水源。设备投资少, 安装简单, 操作方便。一般情况下, 支管铺设于地表, 毛管铺设于地膜下, 每行作物1条毛管。使用离心泵或潜水泵, 配套电机0.75～2.20 kW, 费用2.4万元/hm2, 使用年限7～12年。

1.4 系统操作程序

小型施肥罐的操作十分简单。先将一定量的肥料放入罐中, 再加入水溶解肥料。关闭罐的进水阀, 待棚内全部滴头正常灌水10～20 min后, 打开罐的进、出水阀, 调节调压阀, 使施肥速度正常、平稳。要防止由于施肥速度过快或过慢造成的施肥不均或施肥不足。

这种方法简单易行, 但是肥料应选择滴灌专用肥或速溶性肥料品种。不能完全溶解的肥料, 要先将化肥溶解于水, 滤除未溶解颗粒后再倒入施肥罐;当系统正常运行后, 再开始向施肥罐内注肥。肥料注入量应视作物需肥情况而定, 肥料浓度范围以4～100 mg/kg为宜。施肥量过大不仅浪费肥料, 而且会引起系统堵塞;系统间隔运行一段时间, 就应打开过滤器下部的排污阀放污, 施肥罐底的残渣要经常清理;每次运行, 须在施肥完成后再停止灌溉。施肥是否完成, 可通过滴灌专用肥的颜色变化来确定, 也可通过滴头流水样的电导来确定, 当电导恢复灌溉水原值, 说明施肥已完成[3];灌溉施肥过程中, 若发现供水中断, 为防止含肥料溶液倒流, 应尽快关闭施肥罐进水管上的阀门。

1.5 调控微灌施肥方法

在微灌施肥大棚, 峄城半架芸豆共安排7次滴灌, 即播种、上架、见果、第1次采收、采收前中后期各1次。每次滴灌加尿素1.5 kg、磷酸二氢钾1.3 kg, 滴灌时间根据土壤墒情来定, 一般在12～20 h。对照棚畦灌冲肥大棚浇水按常规进行, 追肥2次, 即开始第1次采收后、采收中期各1次, 每次追肥用尿素11.3 kg、磷酸二氢钾4.7 kg。

2 结果与分析

2.1 不同施肥技术蔬菜农艺与经济性状比较

整个试验过程观察记录, 2010年11月1日播种, 11月16日上架, 出苗日期均在11月7日, 11月16日试验棚苗高42 cm, 节间短, 叶片发黑而厚, 对照棚苗高56 cm, 抗间长, 叶片微黄, 试验棚2011年1月4日开始采收, 而对照棚2011年元月11日开始采收, 比试验棚晚7 d。抗病性:试验棚未发现根腐病, 而对照棚病株率7%。产量产值:对照棚产量1 932 kg, 试验棚2 317 kg, 增产19.9%, 增收33 858元/hm2, 并且节省农药675元/hm2。微灌施肥与畦灌冲肥相比, 冬暖大棚一季节水1 200～1 920 m3/hm2, 节水率为30%～40%。微灌施肥由于节水, 也节省了电, 平均节水、电投资1 275～1 950元/hm2。微灌施肥与畦灌冲肥相比, 节省化肥25%～40%, 微灌施肥氮肥利用率在58.9%, 冲肥氮肥利用率在27.6% (表1) 。

2.2 不同施肥技术蔬菜效益评价

微灌施肥设备投资在2.4万元/hm2, 使用寿命为8～10年, 产生的经济效益巨大。

2.2.1 调控微灌可以提高水利用率。

微灌水利用率达95%, 比地面灌溉省水1/3～1/2, 灌溉施肥与地面冲肥相比, 保护地蔬菜栽培, 每季节水1 200～1 920 m3/hm2, 节水率30%～40%。

2.2.2 微灌施肥可提高肥效。

微灌施肥可节约用肥25%～40%。

2.2.3 微灌施肥节省劳力。

灌溉施肥减少灌溉、施肥的劳力投入[4,5]。同时, 由于作物病害轻, 也减少了农药的投入和防治病害的劳力投入, 平均每季节省劳力225～300个/hm2。

2.2.4 增加作物产量。

微灌施肥与传统方法相比, 蔬菜增产9.4%～30.1%, 并且由于微灌施肥条件下作物病害轻, 产品质量得到明显改善。

2.2.5 利于改善棚内微环境。

微灌后棚内空气湿度显著降低。试验证明, 微灌施肥后1周内, 空气湿度降低8.5～15.0个百分点。棚内气温提高2～4℃, 作物初次采收提前7～11 d。

2.2.6 有利于改善土壤理化性质。

微灌灌水克服畦灌造成的土壤板结。同时, 微灌注入土壤的水分少, 土壤蒸发量小, 地温较畦灌高2.7℃, 有利于增强土壤微生物活性, 促进土壤养分转化和作物对养分的吸收。

3 结语

微灌施肥形成了水肥耦合技术, 减少了化肥用量, 提高了水肥利用率, 减轻了作物病害发生程度, 减少土壤及地下水污染问题, 进一步提高蔬菜产量, 改善蔬菜品质, 增强食品安全质量, 具有重要的意义, 推广前景广阔。

摘要：针对蔬菜生产中的盲目灌溉、施肥现象, 引进和改造设施蔬菜微灌施肥装置, 以降低化肥、农药投入, 减少污染, 节约用水, 达到高效的目的。该项目采取试验、示范、推广同步的方法, 重点对当地主栽蔬菜芸豆进行试验及配套技术推广, 结果表明:调控微灌可节水30%40%, 平均增产19.9%, 增加产值33 858元/hm2。

关键词：蔬菜,微灌施肥,应用

参考文献

[1]张正哲.保护地蔬菜微灌施肥技术应用[J].现代农业科技, 2006 (11X) :71-72.

[2]吴政文, 王欣, 刘新泉.微灌施肥技术及其在香蕉种植中的应用[J].中国热带农业, 2006 (2) :38-39.

[3]微灌施肥注意事项[J].农资科技, 2001 (4) :39-40.

[4]杨文玲, 张正哲.设施蔬菜微灌施肥效果研究[J].中国园艺文摘, 2010 (1) :29-31.