一种易于推广的水肥一体化设备的设计与实现

方立志　张君之　殷昕羽

摘 要 本文通过设计一种水肥一体化设备，以期为水肥一体化技术的推广提供了一种廉价高效、操作简便的灌溉设备。

关键词 水肥一体化 ；推广 ；滴灌 ；问题 ；对策

中图分类号 S365

Design and Implementation of Easy Application Integrated Water and Fertilizer Equipment

FANG Lizhi ZHANG Junzhi YIN Xinyu LIU Jin KANG Shuo

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Agricultural University， Tai'an， shandong 271000）

Abstract This paper designed a kind of integrated water and fertilizer equipment in order to provide a cheap，efficient and easy to operate equipment for the promotion of Integration of water and fertilizer technology.

Key words Integration of water and fertilizer ； promotion ； drip irrigation ； problem ； countermeasures

水肥一体化技术是指借助压力灌溉系统，将可溶性固体或液体肥料配兑成低浓度肥液，通过管道和滴头，依据作物需肥特点，均匀、定时、定量供给的一种技术，是灌溉与施肥一体的农业新技术。水肥一体化技术不仅有效节约人工成本，而且能提高水肥利用率，增产优质效果明显[1]。

随着农業科技进步，水肥一体化设备发展迅速、功能日益完善。但大多应用在农业示范区、科研单位，农村并没有得到大范围推广，其根本原因之一在于设备价格高，操作复杂。党的十六届五中全会指出，没有农村的小康，就没有全社会的小康；没有农业的现代化，就没有国家的现代化。我国自实行家庭联产承包责任制以来，农民各自经营，家庭耕种面积大多不大。因此，实现农村的水肥一体化，关键在于向中小型农户推广水肥一体化设备[2]。

国家的“一控两减”目标，就是要求控制农业用水的总量，把化肥、农药的施用量减下来。水肥一体化设备因具节水、节肥、增产、优质特点，是实现该目标的不二选择。农业农村部办公厅发布的《推进水肥一体化实施方案（2016-2020年）》中提出，到 2020年，水肥一体化技术推广面积拟达到0.1亿hm2。为此，笔者设计了一种适用于中小型农户廉价高效、操作简单的水肥一体化设备，以期为促进乡村振兴战略的实施，有利于人与自然和谐共生，走乡村绿色发展之路；打好精准脱贫攻坚战，走中国特色减贫之路；深化农业供给侧结构性改革，走质量兴农之路；扎实推进社会主义新农村建设，精准助力农业发展提供支持。

1 水肥一体化设备硬件构成

本文设计的水肥一体化主要由动力设备、过滤设备、混肥设备、电路控制设备、检测设备组成。其中动力设备包括吸水泵、吸肥泵；过滤设备包括叠片式过滤器、网式过滤器；混肥设备包括文丘里管、管道静态混合器、肥液桶；控制设备包括微电脑定时开关、断电保护器、中间继电器、交流接触器、电源适配器、接线排子；检测设备包括土壤湿度传感器、玻璃转子流量计、浮子流量计。

所有部件在满足基本性能要求上，选用价格低廉的产品，以减少农民的购机成本，刺激中小型农户购买积极性。

1.1 吸水泵

选用台州乐淘泵业有限公司生产的ZGD型螺杆自吸泵，价格229元/个，功率1.5 kW，流量20 m3/h，扬程70 m，吸程20 m，转速3 000 r/min，可满足小型农户的灌溉要求。吸水泵进水口与设有叠片式过滤器的进水管相连，出水口与浮子液体流量计下端相连。

1.2 吸肥泵

选用雷士泰15 W自吸泵，价格69元/个、流量2.0 L/min，最大压力0.35 Mpa，转速2 200 r/min、吸程1 m，最大扬程35 m。因使用特别设计的特配方陶瓷作轴承，具有抗腐蚀性，是理想的肥液输送泵。泵内设有压力开关，当水肥一体化设备停止工作，泵内水压达到保护电压，会自动停机；当水肥一体化设备处于工作中，泵内水压减小，会自动运转抽肥。该泵自带的过滤头，放置在吸肥泵与肥液桶相连的注肥管道中，可以防止水中杂质或脏物堵塞泵体。4个脚垫可用螺丝将其固定于控制柜左侧，大大减少了设备体积。吸肥泵进口与注肥管道相连，吸肥泵出口与玻璃转子流量计入口相连。

1.3 过滤器

农田使用的水肥一体化设备经常会出现管道堵塞现象，主要原因为水中杂质以及肥液中未充分溶解的肥料颗粒，吸入管道后发生堵塞，该现象易对设备造成损坏[3]。因此，在设备入口处需安装过滤器可选用首沃Y型一寸小款叠片式过滤器。该过滤器具有良好的拦污能力，稳定的过滤效能，操作简单、维修方便，适用于水肥一体化设备。

考虑灌溉管道过滤器和进肥口过滤器仅用于过滤水和肥料混合液，在满足基本功能的前期下，为进一步降低设备成本，可选用绿茵喷灌一寸网式过滤器。网式过滤器的过滤效果虽不及叠片式过滤器，但过滤水和肥料混合液足矣。

1.4 控制设备

控制设备包括：断电保护器，选用正泰小型断路器；继电器，选用德力西小型继电器；交流接触器，选用正泰交流接触器；定时器，选用德力西KG316T定时开关控制器；接线排子；电源适配器等，这些元器件均集中放置于控制柜中[4]。

1.5 玻璃转子流量计

流量计可选用双环牌玻璃转子流量计LZB-3WB。因流量与浮子上升高度之间存在一定函数关系，浮子高度可以直接换算为流量度量值，该器件适合测量单相非脉动流体的流量。将其设置于控制柜的左侧，示值直观，操作简便、安装维修方便。流量计入水口与吸肥泵出水口通过软管相连，流量计出水口与文丘里管的入肥口相连。

1.6 文丘里管

文丘里管可选用温州利歌的UPVC承插式射流器。UPVC通常称为硬PVC，耐腐蚀性强、流体阻力小、质地轻、水密性好，胶粘剂粘接15 min，粘接强度即可达到12.5/C以上，经多年使用亦不会明显下降，弹性密封件套接处的密封圈，绝无老化漏水之虑。文丘里管的入肥口与玻璃转子流量计的出水口相连，文丘里管的进口与浮子液体流量计上端相连，文丘里管的出口与管道静态混合器上端相连。

1.7 管道静态混合器

管道静态混合器是水与各种药剂实现瞬间混合的理想设备，对水肥融合有良好的效果，可选用温州利歌管道混肥器。该混合器具有高效混合，结构简单，节约能耗，体积小巧等特点，在没有外力的作用下，通过6-8个混合单元，漩涡反向旋转及不断交叉流动，瞬间能达到较好的混合效果，混合效率达90 %-95 %。将其设置于水肥一体化设备的右侧，混合器的上端与文丘里管出口相连，下端与装有网式过滤器的注肥管道相连。

1.8 浮子流量计

浮子液体流量计是一种上端粗，下端细的透明塑料锥管，锥管内可上下移动的浮子为测量元件。可选用祥锦流量仪表厂生产的LZS系列流量计。将其设置于水肥一体化设备的左侧，流量计的上端与文丘里管入口相连，流量计的下端与吸水泵出水口相连。

1.9 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器可选用华电耐腐蚀土壤湿度传感器。该器件具有使用寿命长，灵敏度高的特点。

综上所述，整套水肥一体化设备（图1）总估价为905元（不包括田间管道以及滴头滴箭）。值得注意的是，以上各部件仅作为一种示范，实际应用中，可根据不同情况选择合适的部件型号。

2 水肥一体化设备操作方法

本文设计的水肥一体化设备既考虑了实现灌溉施肥的自动化，又考虑了农民实际生产经验，在操作模式上支持自动、手动2种操作模式[5]。

自动操作模式具体使用方法如下：

在锁定状态下，连按4次“取消/恢复”键，即可解锁。按定时键，分别按“校时”“校分”设定需要开启的时间，再按星期键选择开启状态对应的工作天数；按定时键，再分别按“校时”“校分”设定需要关闭的时间，再按“星期”键选择关闭状态对应的工作天数。重复以上步骤，设定所有灌溉的开、关时间。如不需要，按“取消/恢复”键，即可取消。按“时钟”键，结束定时设定，回到时钟运行状态。按“手动/自动”键设定，使液晶屏下方显示“自动”位置即可完成定时设定操作。

手动操作模式具体使用方法如下：

在锁定状态下，连按4次“取消/恢复”键，即可解锁。按定时键，分别按“校时”“校分”设定需要开启的时间，再按星期键选择开启状态对应的工作天数；按定时键，再分别按“校时”“校分”设定需要关闭的时间，再按“星期”键选择关闭状态对应的工作天数。按“取消/恢复”键，即可恢复。按“时钟”键，结束定时设定，回到时钟运行状态。

3 总结

总之，本文所设计的水肥一体化设备，轻小便捷、结构简单、造价低廉、操作简便。基于土壤湿度传感器实现自动灌溉，使得水肥灌溉均匀、及时，可更好地提高农作物的产量与质量，降低管理成本。手动操作模式很好地结合了农民实际生产经验，使设备增产效果明显。设备采用三级过滤设计，能够有效减少各部件堵塞现象发生，管道静态混合器和文丘里管使用，大大提升了水肥混合效果，进一步地提升了水肥利用率。因此，该设备适中小型农户，有利于精准助力农业发展。

参考文献

[1] 杨林林，张海文，韩敏琦，等. 水肥一体化技术要点及应用前景分析[J]. 安徽农业科学，2015，43（16）：23-25，28.

[2] 赵吉红. 水肥一体化技术应用中存在的问题及解决对策[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2015.

[3] 李加念，洪添胜，冯瑞钰，等. 柑橘园水肥一体化滴灌自动控制装置的研制[J]. 农业工程学报，2012，28（10）：91-97.

[4] 王春龙. 灌溉施肥自动控制系统和多能源采集节点电源的研究与实现[D]. 杭州：浙江大学，2014.

[5] 李卫军，张 宏，奚 辉，等.日光温室滴灌水肥一体化系统选择与应用技术[J]. 中國农业信息，2016（3）：55-57.