[01213539]设施农业水气耦合灌溉系统水力特征与关键设备

1. 课题来源与背景： 本研究得到了烟台市科技计划（2011065）的资助 2. 研究目的与意义： 为了实现水气耦合灌溉的目的,研究人员利用地下滴灌系统把掺气水输送到作物根区来灌溉作物。如何把空气以微小气泡的形式掺入到滴灌管道系统的水当中,是事关该方法成败的关键问题。目前国外多采用Mazzei Injector公司生产的Mazzei文丘里注射器来完成空气的掺入。Mazzei文丘里注射器是一种专利产品,通过特别的结构设计使进入水中的空气能形成微气泡均匀分布在管道中,保持管道内流体运动及压力的平稳。Mazzei文丘里注射器的价格高昂,其掺气的比率范围有限,一般维持在12%左右。本项目申请者设计了一种新型的曝气地下滴灌系统（已获得国家发明专利授权,专利号：ZL200910019537.1）,该系统借鉴了污水处理中的曝气技术,在曝气室内水与微气泡充分混合,通过水气供应和阀门的控制可以实现普通地下滴灌、掺（曝）气地下滴灌和单纯的地下通气三项功能。该系统结构简单,成本低,能量损耗小,掺气比率可控且范围宽泛,滴灌管道中的气液比率可由目前的12%提高到40%左右。本项目的目标在于对该专利进行中试生产和示范应用,生产设施农业水气耦合灌溉专用设备,促进该新型灌溉技术在设施农业中的推广应用,对于保障农产品有效供给,促进农业发展、农民增收,增强农业综合生产能力具有十分重要的意义。 3. 主要论点与论据： 1)水气耦合灌溉系统循环曝气装置及其控制系统 研究曝气室内的工作压力、水位和进水压力等因素对循环曝气效率的影响,利用曝气室内水位、气压作为控制指标,设计循环曝气电子自动控制系统,通过水位传感器和压力传感器实现对进水、出水、曝气等工作程序的全自动控制,实现对曝气室内水气比率的动态调控。 2)水气耦合灌溉系统水力特性与水力要素研究 通过开展系统的水气耦合灌溉单滴头水力特性实验,分析土壤介质和工作压力对其出流的影响,建立水气耦合灌溉单滴头流量计算模型;比较不同类型滴头和不同土壤条件下,土壤介质和工作压力影响要素对水气耦合灌溉滴头流量影响的差异;研究压力补偿式和非补偿式类型毛管的压力和滴头出流量沿程的分布特征,综合考虑土壤物理特性、单滴头水力特性、毛管水头损失等影响因素,建立描述水气耦合灌溉毛管水力要素的数学模型。 3)设施农业水气耦合灌溉技术参数 通过系统的田间试验,得到水气耦合灌溉条件下作物的蒸发蒸腾规律和作物系数的动态分布;综合考虑灌水定额、土壤水力特性以及计划湿润范围等因素,采取野外试验确定设施农业水气耦合灌溉不同处理的技术参数合理配置方案;综合考虑各处理经济产量、水分利用效率以及灌溉定额确定作物水气耦合灌溉土壤水分灌溉阈值及其适宜的水气比率,提出设施农业水气耦合灌溉优化灌溉制度。 4. 创见与创新： 1)水气混合比率可控,范围宽泛 空气的掺入通过曝气部件在曝气室内完成,保证空气以微小气泡的形式均匀地掺入到滴灌管道系统的水当中,随着水流均匀地输送到植物根区土壤内;通过储气瓶压力的调整或者调节曝气室的进水流量来调节空气掺入量,空气掺入比例范围可达40%且调节灵活方便,可根据作物根系在不同生长季节对氧气的需求情况来确定,以满足作物的氧气需求。 2)系统功能多样,可防灌水器负压堵塞 本系统功能多样,通过对阀门的控制可以实现水气耦合灌溉、单纯对作物根系补气和普通的地下滴灌等三大功能,同时能够有效防止地下毛管真空的出现,有效地预防了负压吸泥堵塞的问题。 3)水、气、肥高效耦合 把掺气水肥混合液体输送到植物根区,既解决了土壤干旱缺水的问题,又能维持根系层土壤良好的通气性,能有效改善植物根围的水、肥、气、热环境,为挖掘植物生产潜力提供了新的选择。