水肥一体化技术应用与系统研究.docx

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1、水肥一体化技术应用与系统研究摘要:随着现代农业的快速发展，水肥一体化技术逐步普及，已经成为现代农场作物管理的重要技术之一。该文介绍了水肥一体化技术的应用现状与优势，阐述了水肥一体化系统的规划与设计方法，明确了水肥一体化系统的组成，以期实现水肥一体化技术的科学高效应用。关键词:水肥一体化；应用；规划；设计；系统组成随着全国农村土地流转速度加快，以专业大户、家庭农场、农民合作社、农业企业为代表的新型农业经营主体正逐步成为推动现代农业发展、促进农业经济增长的核心力量1。但新兴农业主体中有很大部分仍采用传统种植模式，机械化、自动化生产严重不足，导致新兴农业主体种植管理成本过高，生产效益低下，市场竞争力

2、显著不足23。实现降本增效是每个新型农业经营主体人员的迫切需求，机械化、臼动化是提高现代农业生产力的基本技术支持4,尤其体现在水肥管理中。水肥一体化的应用是解决上述问题的重要方法之一。但是，目前由于作物经济效益、科技和经济发展水平的差异，不同地区、不同农业经营主体对水肥一体化技术的了解和应用不均衡。水肥一体化设备前期投入较高，对管理人员的专业性限制较大，真正应用好水肥一体化技术实现降本增效的农场相对较少。让相关人员了解水肥一体化系统的应用、设计及组成，合理应用水肥一体化技术IF常重要。一.水肥一体化技术应用现状与优势1、水肥一体化应用现状国家十分重视水肥一体化技术的发展和应用，2013年2月，

3、农业农村部办公厅印发水肥一体化技术指导意见。2015年，水肥一体化技术推广总面积达到8000万亩以上，新增推广面积5000万亩以上5。2016年4月,农业农村部印发到2020年化肥使用量零增长行动方案。2020年，水肥一体化推广面积1.5亿亩6。5年期间，水肥一体化技术推广总面积增长7000万亩，与2015年相比，2020年水肥一体化推广总面积增长87.5%2022年2月，中共中央、国务院印发关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见中提出：推动水肥一体化、饲喂臼动化、环境控制智能化等设施装备技术研发应用，水肥一体设备的研发应用加快向自动化、智能化方向发展。2、水肥一体化技术优势诸多研究

4、表明，水肥一体化技术能节水60%70%,提高肥料利用率20%30M79,可显著降低肥料、农业用水和人工成本10,从而提高农业生产经济效率11。同时，由于水肥精细化管理，可有效预防不合理灌溉、施肥引起的病虫害、土壤板结、盐渍化等问题12。水肥一体化技术是现代农业水肥管理精准化、F1.动化的重要技术手段之一，为未来农场管理高效化、信息化、集约化奠定基础U3。二.水肥一体化系统的规划、设计1、水肥一体化系统规划水肥一体化规划、设计是系统性工作，需先对地块开展土壤类型、土壤质地、土壤容重、水源水质、气候条件、地形因素、年降雨量、作物种植信息等基本信息调查工作，综合地块基本信息和种植管理方对灌溉、施肥的

5、要求，对水肥一体化系统进行初步规划，根据规划结果进行系统设计。2、水肥一体化系统设计内容设计工作包括选择适宜作物灌溉和土壤环境的灌水器、田间管网的分布设计及材质选择、管网压力设定、水力计算和泵房首部系统设计14。根据水肥一体化系统设计要求，应绘制包括系统平面布置图、工程布置图、系统运行方案图、管网连接图、节点压力分布图、建筑物结构设计图等的系统设计图纸15。3、水肥一体化系统设计原则灌水器直接影响到灌水效率、灌水质量和系统造价，一般需根据水质条件、作物种类、种植模式、土壤理化性质、系统造价及灌水器功能属性(工作压力、流量、使用寿命和抗堵能力)确定灌水器应用类型。根据微灌工程技术规范(GB/T5

6、0485-2009)标准，微灌工程设计保证率应不低于85%,滴灌灌溉水利用系数应不低于0.9,微喷灌、小管出流应不低于0.85。田间管网设计原则为满足作物各生长发育时期对灌溉用水的需求，田间管网水力计算一般包括灌溉小区流量及水力设计、水头损失计算、节点压力平衡及产生的水锤压力验算和防护等16。出间管网造价一般情况下占系统总造价的132,因此，在保证系统灌溉水利用系数的前提下，通过水力计算合理分配田间管网允许的压力差及水头损失17,选择合适规格的干管、支管与毛管，以降低田间管网投资。泵房首部系统是水肥一体化系统的核心，负责供水、加压、过滤、施肥、监测和调控，设计内容主要为确定系统动力流量和扬程参

7、数、过滤设备类型和精度、制定水肥量测与安全防护措施18。过滤系统应满足灌水器、田间管网对处理后水质的要求；施肥设备应满足系统施肥精准度、施肥效率的需求；各种功能阀门应满足调节系统压力、确保系统流量正常及保护系统使用安全的需求。三.水肥一体化系统组成水肥一体化系统一般由水源、泵房首部系统、田间输水管网、田间首部、灌水器系统5部分组成，详见图1,可结合作物生长时期的养分需求规律进行精准灌溉和施肥，实现农场种植高效管理。1、水源根据微灌工程技术规范(GB/T50485-2009)标准，水源一般分为地表水源和地下水源2大类。地表水源主要是湖水、河水、水库、池塘及水库等；地下水源一般是地下水。从河道、渠

8、道、湖泊等含泥沙较少的地表水中取水时，取水口需设置拦污栅，方便对水源进行粗过滤；从泥沙含量较高的水源取水时，应结合灌溉面积和作物经济效益修建合适面积的沉淀池。2、泵房首部系统泵房首部系统通过供水管道连接水泵、变频控制柜、过滤设备、施肥设备及不同功能控制阀门组成，是控制水肥一体化系统的“大脑”,确保系统正常、高效运行。(1)水泵水泵是将机械能转变为水的动能和压力能的设备，是水肥一体化系统的动力来源。应结合作物需水规律、灌溉面积、系统设计压力和输水损耗等，选择合适扬程、流量的水泵。在水肥一体化系统中，根据水源、取水位置、地形等因素，一般选用离心泵或深井泵19。(2)变频控制柜在水肥一体化系统中，变

9、频控制柜主要用于调节水泵的工作频率,减少能源损耗，确保设备平稳启动，减少因直接启动产生大电流对水泵电机产生的损害，延长水泵使用寿命20,保障水肥一体化系统平稳运行。为方便用电，一般泵房首部系统中灌溉、施肥设备及照明电源等设备的控制都集成在配电箱或变频控制柜中。(3)过滤设备在水肥一体化系统中，过滤设备一般由叠片/网式过滤器与介质过滤器或离心过滤器组合而成。根据水源中所含杂质不同，选择不同过滤系统。介质过滤器一般以均质、等粒径石英砂形成的砂床为过滤载体进行立体深层过滤，是去除水中有机质的常见过滤设备。水中有机物含量超过10mg/1.时，一般选用介质过滤器去除水中杂质21。离心过滤器一般为锥状，通

10、过水在过滤器中运动产生的离心力和旋流作用，将沙子、石块等杂质沉淀至底部，通过排污口排出过滤器，般用于井水或泥沙量大的河水。置片过滤器的滤芯由数量众多带有沟槽的理料圆盘组成，过滤精度一般为0.1060.125mm,过滤精度高、拦污效果好，耐腐蚀，使用寿命长，使用较广泛。网式过游器的滤芯一般是由尼龙或金属材料组成的细密网体，能有效将水中的泥砂、悬浮物或胶体等杂质有效截留,过滤精度01250.150mm,适用于沙粒或粉粒杂质较多的水源22。(4)施肥设备施肥设备是水肥一体化系统的核心设备之一，主要功能是控制精准施肥，既有箍易的文丘里施肥器、施肥罐、比例施肥泵，也有集成自动灌溉施肥、水泵控制、物联网功

11、能于一体的智能施肥机23。根据作物种类、面积和经济效益，选择合理的施肥设备，是用好水肥一体化系统、提高肥料利用率、实现增产提质的关键。文丘里施肥器、比例施肥泵、施肥罐都是根据文丘里原理制成,运行原理是利用流速不同产生压力差的真空吸力，将水肥混合溶液由肥料桶均匀吸入管道系统进行施肥24。此类设备价格低廉，操作简单，缺点是压力损耗较多，一般适用于灌溉面积较小的果园和蔬菜大棚。智能施肥机一般含多个施肥通道，可同时进行不同肥料种类、含量的精准施用，能极大减少施肥时间，提高施肥效率；可接入物联网控制设备，实现水肥一体化远程控制25,适用于面积较大、地形第杂、作物种类较多的园区。(5)水表水表是测量水流量

12、的仪表，大多是水的累计流量测量26。水肥一体化系统水表一般采用机械水表，随着技术发展，也有部分采用智能水表27。智能水表精确度更高，方便系统显示总用水量和实时流量，以动态监测田间用水情况。当实时流量显示突然升高，大于设计灌溉用水量，可能是田间管道发生破损：当实时流量显示突然变低,小于设计灌溉用水量，可能是管道堵塞，系统可发出警报，确保及时处理。(6)控制阀门水肥一体化系统中，泵房首部系统的控制阀门由空气阀、逆止阀、持压阀、快速泄压阀、蝶阀等组成。空气阀是水肥一体化系统的重要阀门之一，主要功能是排出管道内的空气，防止管道内空气过多影响流量：也可在地形熨杂的系统中防止出现水锤28；还能防止管道停止

13、供水时，灌水解由于惯性作用排空管道内的水而形成真空环境进而引起爆管29。一般在水肥一体化系统中空气阀门主要分为综合空气阀和真空破坏阀两种。逆止阀主要作用是防止水在管道中倒流，尤其是在落差较大的山地水肥一体化系统中，能防止发生水锤问题，有效保护输水管道、设备30。蝶阀乂叫脑板阀，是一种结构箍单的调节阀，是水肥一体化系统中不可或缺的组成，一般在系统管道检修、抢修或紧急状况时使用。持压阀功能为保持阀门前端压力，一般在安装在水肥一体化系统中H动过滤系统后端，保持过滤器反冲洗压力，从而保证过滤器自清洁功能良好。快速泄压阀在水肥一体化系统中作为是安全阀，当管道压力高于预先设置最大值时，阀门迅速开启，通过排

14、水，迅速排泄过量压力，以达到保护管道的目的。3、田间输水管网田间输水管网主要由输水干管、输水支管、输水毛管及连接管件及阀门等组成。输水干管是系统主管道，控制水肥一体化主要供水,是水肥一体化系统的“主动脉”，一般为金属、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等材质31。输水支管一般根据系统设计，控制某1块或几块灌溉小区，是划分轮灌小区的关键，一般为聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）材质。输水毛管在系统中为末级输水管道，一般作为滴灌带或滴灌管与支管道连接。输水毛管支管、毛管末端一般均设置排污阀门，可定期冲洗管道，保持管道清洁，延长使用寿命，一般为聚乙烯（PE）材质。可根据地形条件、水肥一体化系统设计压

15、力、流量设置、造价成本等因素，选择不同材质、管径、承压系数的输水干管、支管和毛管，是经济合理设计水肥一体化系统的关键。4、田间首部在水肥一体化系统中，田间首部一般由空气阀、蝶阀、减压阀、叠片过滤器通过管道连接组合而成，是连接输水干管和输水支管的重要结构，能实现水肥一体化特定地块的控制，具有灌水压力二次调节、水肥混合液的二次过滤、预防虹吸和水锤等功能32。田间首部中减压阀作用主要是实现田间灌溉的二次调压，确保灌溉压力保持恒定。需根据支管道设计供水量选择合适管径、流量的减压阀，以达到灌溉供需平衡。桎片过滤器主要作用是对肥料进行二次过滤，防止肥料在输送中与水中可溶性杂质反应产生不溶性沉淀物，造成灌水

16、器堵塞。5、灌水器在水肥一体化系统中，灌水器能按照作物需肥、需水规律，将水和养分精准输送到作物根部，使作物根部土壤经常保持在较佳水肥状态33。水肥一体化系统灌水器主要分为滴灌系统灌水器和喷灌系统灌水器。滴灌系统中，灌水器一般宜接安装在毛管上，贴片式滴灌带/管、边缝式滴灌带、迷宫式滴头等较常用，每个灌水器间距O.1.2.0m,流量为181.h34o可根据作物种植间距、需水规律、灌水时间和使用寿命等综合因素，选择合适的灌水器。蔬菜、大田作物一般选择贴片式滴灌带、边缝式滴灌带，果树一般选择迷宫式滴头或贴片式滴灌管，以保证使用年限。微喷头、摇臂式喷头、喷枪是常用喷灌系统灌水器。微喷头一般为地插式或悬挂式