CN110249984A - 一种水肥一体化润灌系统 - Google Patents

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翟世彦
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Abstract

本发明公开了一种水肥一体化润灌系统，包括灌溉系统首部和润灌管路，所述灌溉系统首部通过所述润灌管路对田地地表进行润灌操作，所述润灌管路预埋在地下，所述润灌管路包括主管道、一级主输水管道、二级输配水管道和三级田间配水管道，所述润灌管路采用分布式润灌系统，所述三级田间配水管的出水毛管埋设深度为田面以下35—40cm，所述出水毛管上出水口间距为80cm，所述三级田间配水管道的出水口设置有膜调控装置。本发明通过在地下滴灌滴头上下覆膜，及克服了地下滴灌主要以重力配水、配肥的缺点，又为大面积推广地下高效灌水、施肥提出了技术途径。

Description

一种水肥一体化润灌系统
技术领域
本发明涉及一种农业灌溉系统，尤其涉及一种水肥一体化润灌系统。
背景技术
农业灌溉用水是一种消耗性用水，在不同行业用水量中其所占比例最大，过量农业灌溉用水造成河道干涸、地下水位大幅度下降等一系列的环境生态问题，在保障作物产量同时大幅度减少农业灌溉用水是本发明专利的一个重要方面；目前基本的大田灌溉，包括地面输水灌溉和设施输配水灌溉，都需要田面相应的输水垄沟、畦田或管道及喷滴头等灌溉工程设施，这些既占用了农田，又影响了田间耕作的进行，本发明专利可实现输配水系统均在地表之下，既节约了耕地，又与田间耕作不相互影响，为实现农业自动化提供了良好条件；作物对灌溉水肥的吸收是通过根系进行的，最有效的灌溉施肥方式是在作物主要根系区配水、施肥，而目前大田灌溉是通过田面入渗补给根区水分与养分，在这个过程中不仅存在大量的蒸发(大气污染的源头之一)、渗漏损失，难以实现精准灌水与施肥，而且地表棵间水分和养肥促使田间杂草丛生，除草剂的使用破坏了田间生态环境，本发明专利实现了根区直接配水、施肥，在节水、节肥的同时，维持田面的干燥，抑制杂草丛生，具有良好的生态效果；目前大田灌溉系统主要借助田间水、肥的入渗，间接补充作物根区的水分和养分，而作物主要的营养根系在地表下20-60cm，要达到均匀配水配肥一次灌溉需要较大的灌溉水量和施肥量，不仅污染了表层土壤，而且浪费了水肥，这也是传统田间灌溉难以提高水肥利用效率的直接原因，本发明专利设计的灌溉系统能保证灌溉的水肥主要分布于大田地表下20-60cm内，为高效水肥一体化实现创造的良好条件，可大大减少灌水定额，并根据作物的具体需要结合灌溉施肥，从而达到降低作物灌溉定额，节水节肥，不仅极大减少田间暴雨径流对水体的污染，也基本杜绝水肥深层渗漏造成的地下水污染，克服农田灌溉施肥引发的面源污染。通过田间实验，也证明了本发明专利内容的可靠性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的就在于提供一种水肥一体化润灌系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括灌溉系统首部和润灌管路，所述灌溉系统首部通过所述润灌管路对田地地表进行润灌操作，所述润灌管路预埋在地下，所述润灌管路包括主管道、一级主输水管道、二级输配水管道和三级田间配水管道，所述润灌管路采用分布式润灌系统，所述三级田间配水管的出水毛管埋设深度为田面以下35—40cm，所述出水毛管上出水口间距为80cm，所述三级田间配水管道的出水口设置有膜调控装置。
具体地，所述膜调控装置包括下层调控膜、透水基质和上层膜，三级田间配水管道上方设置所述上层膜和透水基质，上层膜与透水基质尺寸相同，所述三级田间配水管道的下方设置有所述下层调控膜。
进一步地，所述下层调控膜和所述上层膜的尺寸比例为4:3。
具体地，所述灌溉系统首部包括设置有灌溉水源水质过滤器和施肥时间控制器。
进一步地，所述一级主输水管道为PVC管材管道，所述二级输配水管道和三级田间配水管道均为PE管材管道。
具体地，所述润灌管路采用压力补偿式滴头且同一轮灌组的最大与最小压差率小于10％。
进一步地，所述润灌管路的配水管道埋设深度为田面下35-40cm。
本发明的有益效果在于：
本发明通过在地下滴灌滴头上下覆膜，及克服了地下滴灌主要以重力配水、配肥的缺点，又为大面积推广地下高效灌水、施肥提出了技术途径。
1)解决了传统地下滴灌系统由于负压和根系引发的堵塞问题；
2)实现了作物主要耕层全部湿润，使本灌溉系统适应于大田常见作物；
3)基本杜绝了灌溉水肥深层渗漏，不仅最大限度节约了灌溉用水，而且避免了施肥过量在耕层内的累积和对地下水造成的污染；
4)在灌水前后保持田面干燥，大大减少棵间蒸发，提高灌溉水利用效率；
5)由于田面保持干燥，极大减轻杂草滋生，也有效减少常见病虫害的威胁，较少除草剂和农药的使用量，特别是对冬小麦生产意义重大；
6)直接在作物根系施肥，减少了中间环节，没有了肥料的渗漏和蒸发，减少农业生产施肥对大气和地下水的污染，并大大提高肥料利用率，解决长期困扰我国化学肥料利用率过低的状况；
7)配水管道埋设在田间耕作影响深度(田面下25cm)以下，不与田间耕作相互影响。
8)该系统的实施不在需要田间地表配水渠道、管道和畦田，节约耕地2％以上，灌溉施肥与其他农田耕作不再相互影响，为农业现代化、自动化打下坚实基础；
9)可以通过田间水肥状态监测，实现实时补水灌溉，不仅可提高作物产量、品质，而且为实现在水肥一体化灌溉系统自动化打下基础，逐步实现智慧农业的目标；
附图说明
图1为本发明的润灌管路系统分布图；
图2为本发明的导渗装置结构示意图；
图3为本发明的导渗装置剖视图；
图4为传统技术的滴灌水渍分布示意图；
图5为本发明的滴灌水渍分布示意图；
图6为不同作物根系堵塞与根系分布实验；
图7为本发明的滴灌计算机数值模拟实验示意图；
图中：1-灌溉系统首部，2-膜调控装置，3-三级田间配水管道，21-下层调控膜、22-透水基质，23-上层膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明包括灌溉系统首部1和润灌管路，所述灌溉系统首部1通过所述润灌管路对田地地表进行润灌操作，所述润灌管路预埋在地下，所述润灌管路包括主管道、一级主输水管道、二级输配水管道和三级田间配水管道3，所述润灌管路采用分布式润灌系统，所述三级田间配水管3的出水毛管埋设深度为田面以下35—40cm，所述出水毛管上出水口间距为80cm，所述田间配水管道的出水口设置有膜调控装置2。
如图2和3所示，所述膜调控装置2包括下层调控膜21、透水基质22和上层膜23，三级田间配水管3上方设置所述上层膜23和透水基质22，上层膜23与透水基质22尺寸相同，所述三级田间配水管3的下方设置有所述下层调控膜21。
所述下层调控膜21和所述上层膜23的尺寸比例为4:3。
所述灌溉系统首部包括设置有灌溉水源水质过滤器和施肥时间控制器。
所述一级主输水管道为PVC管材管道，所述二级输配水管道和三级田间配水管道均为PE管材管道。
所述润灌管路采用压力补偿式滴头且同一轮灌组的最大与最小压差率小于10％。
所述润灌管路的配水管道如图1所示，埋设深度为田面下35-45cm。
传统技术的滴灌水渍分布示意如图4所示，地下滴灌湿润体形状，中间黑点为出水滴头，滴头下湿润体不仅较大，而且处于饱和状态，含水量大，滴头上部为土壤毛管吸水形成的湿润体，体积较小含水量较低。图中白点为出水点，右侧图出水点下方两白点之间为底膜图中封闭黑线为不同时段灌溉水肥湿润范围。
实验结果表明，传统地下滴灌出水点主要是在重力作用下向土壤中配水，水肥主要分布在出水点下方，且湿润体在土壤毛管吸力作用下上升高度和向出水点两侧的湿润范围小；这样就造成了对应灌溉系统埋深要靠近地表(一般在25cm以内)，只能沿输水管路形成一个湿润带，难以实现全面湿润。
在地埋出水点上下两侧设置水肥调控膜后，同等条件下的实验结果如图5所示，由于底膜的存在，较大程度抵消了水肥出流后的重力配水作用，使水肥在土壤毛管吸力作用下以湿润上层土壤为主，基本不会产生水肥的深层渗漏；另外，膜的调控作用不仅使水肥湿润体上升高度增加，有利于增加输水管道和出水点埋设深度，避免灌溉系统对田间耕作的影响，也使灌溉湿润体宽度大大增加，为实现作物主要根系层全面湿润提供了条件,防治出水口被作物根系堵塞并使作物根系主要分布于0—40cm耕层内，提高水肥利用效率。
图6为不同作物根系堵塞与根系分布实验,实验结果表明；4种作物根系90％以上分布在0-40cm土层,上膜四周边缘毛根分布密度较大,出水口附近未见根系分布，不会造成堵塞。
图7为本发明的滴灌计算机数值模拟实验示意图,数值模拟选用Van Genuchten(1980)模型，针对室内物理实验对应土壤(取自工程实施大田)确定计算所需的土壤物理参数，数值计算结果如图7所示：计算机数值模拟与室内物理实验结果相一致，从不同角度证明了新工程技术方案的合理性。通过以上的实验和数字模拟，我们明确了该新型灌溉系统水肥在土壤中运移过程，简述为以下四个阶段：
第一阶段：灌溉水流出灌水器至膜缝边缘
第二阶段：土壤开始湿润至湿润锋推进到底膜边缘
第三阶段：湿润锋流出底膜至上膜顶湿润锋交汇前
第四阶段：上膜顶湿润锋交汇至灌水结束
通过对新型灌溉系统展开的实验，基本解决了如下科学问题：
在室内物理实验、计算机数值模拟与田间实验基础上，总结出本发明系统的关键设计参数：
出水毛管埋设深度：田面以下35—40cm；出水口下层调控膜尺寸为40＊40cm；出水口上层膜和透水基质尺寸为30＊30cm；毛管上出水口间距为80cm；田间毛管间距为80cm；出水口出流量为1.5—2.5l/h(根据田间土壤类型选定，沙性强的壤土流量大些，较粘重的土壤采用较小流量)。
大量的田间实验说明了这些参数的合理性，由于篇幅，对采用以上设计参数的新型灌溉系统田间水分分布实验结果不再赘述。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水肥一体化润灌系统，包括灌溉系统首部和润灌管路，所述灌溉系统首部通过所述润灌管路对田地地表进行润灌操作，其特征在于：所述润灌管路预埋在地下，所述润灌管路包括主管道、一级主输水管道、二级输配水管道和三级田间配水管道，所述润灌管路采用分布式润灌系统，所述三级田间配水管的出水毛管埋设深度为田面以下35—40cm，所述出水毛管上出水口间距为80cm，所述三级田间配水管道的出水口设置有膜调控装置。
2.根据权利要求所述的一种水肥一体化润灌系统，其特征在于：所述膜调控装置包括下层调控膜、透水基质和上层膜，三级田间配水管道上方设置所述上层膜和透水基质，上层膜与透水基质尺寸相同，所述三级田间配水管道的下方设置有所述下层调控膜。
3.根据权利要求所述的一种水肥一体化润灌系统，其特征在于：所述下层调控膜和所述上层膜的尺寸比例为4:3。
4.根据权利要求所述的一种水肥一体化润灌系统，其特征在于：所述灌溉系统首部包括设置有灌溉水源水质过滤器和施肥时间控制器。
5.根据权利要求所述的一种水肥一体化润灌系统，其特征在于：所述一级主输水管道为PVC管材管道，所述二级输配水管道和三级田间配水管道均为PE管材管道。
6.根据权利要求所述的一种水肥一体化润灌系统，其特征在于：所述润灌管路采用压力补偿式滴头且同一轮灌组的最大与最小压差率小于10％。
7.根据权利要求所述的一种水肥一体化润灌系统，其特征在于：所述润灌管路的配水管道埋设深度为田面下35-40cm。
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