基于均匀度的水稻旱育秧微喷系统设计及应用

金永奎，黄玉祥，费士敏

(1.农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014； 2.江苏省常州市金种子农业服务专业合作社，江苏常州 213104；3.江苏省常州市武进区农业局，江苏常州 213159)

近年来，随着农业种植结构调整、种植规模的发展以及农业务工人员的短缺，水稻插秧逐步从人工转变成机械化作业，同时传统的水田分散式育秧也转变成适合机插的集中育秧模式。如江苏省2014年机插秧面积达126.7万hm2，占全省水稻总面积的55.8%，成为应用面积最大的一种插秧方式[1]。水稻集中育秧通过统一供种、统一育秧、统一秧田管理，不仅提高了育秧效率和秧苗质量，还能大大降低育秧成本，有利于推进机插秧等轻型高产栽培技术的推广，对实现水稻生产机械化、专业化、规模化、标准化、产业化有重要的推动作用[2-3]。

目前，生产上机插秧育苗一般多采用水育或湿润(半旱式)育秧，主要是大水漫灌，浪费水资源、费工、易使土壤板结，水分利用系数仅为0.46[4]。由于机插育秧播种落谷密度大，采用水育或湿润管理时，秧苗株间空间小，通气透光不足，湿度大，容易发生病虫害，造成秧苗下层叶片腐烂，甚至局部有死苗现象[5-7]。旱育秧是水稻栽培节水育苗的关键措施，特别是对于春季干旱缺水的地区，具有省水、省种、省工、省肥、增产、早熟等特点[8]，因此，利用微喷灌适时适量补水的旱育秧技术得到了较快的发展。微喷灌可以根据秧苗情况，每次选择在早晨或傍晚喷洒补水，保持秧盘湿润，能够满足秧苗对水分的需求。现有微喷系统设计一般凭经验或为了节省投资减少喷头的使用量，使得微喷灌水量分布不均匀，造成局部水分过少或过多，由于秧苗对水分特别敏感，从而造成秧苗长短不一、发育不良，甚至死苗，影响了机插秧的效果。因此，设计一套灌水均匀度较高且经济可行的微喷灌系统，对推广机插秧育苗具有重要意义。

1 灌水均匀度测试和计算

微喷灌技术具有省水、省工、灌水均匀等特点，而且可以在灌水的同时施肥、施药，可以有效防止土壤冲刷和板结。应用微喷系统育秧，可以确保秧苗的整个生长期均处在良好的生长状态，培育出符合要求的秧苗。旱育秧与传统育秧的不同点主要在于苗期的水分管理，旱育秧要求秧苗在整个秧苗期均处在旱田的状态下生长，因而灌水均匀度是须要控制的重要指标。但微喷灌系统须要经过设计和计算才能达到理想的效果，因此首先必须对关键部件和系统配置进行造型、测试、分析和计算。

微喷头是微喷系统的核心部件，针对水稻育秧的要求，选用雾化性能较好的折射式微喷头，雾滴直径为200～400 μm。由表1可知，在200 kPa的工作压力下，微喷头喷洒半径为 1.5 m，布置时微喷头间距一般为半径的0.8～1.3倍，即 1.2～2.0 m。本试验测试当微喷头间距为1.2、1.6、2.0 m时，微喷头喷洒的水量分布和灌溉均匀度，微喷头布置形式分别为正方形和三角形。灌溉均匀度测试装置如图1所示。

表1 折射式微喷头性能

测试时每种工作压力下重复3次，取平均值。记录不同情况下各点雨量筒的水量，并用软件进行处理，得到水量分布结果。由图2至图7可知，不同布置情况下，水量及分布均不一致，差异较明显。通过计算，可得出各布置情况下的均匀度。

不同布置情况下的均匀度按下式计算：

式中：h代表喷洒水深的平均值，mm；n代表雨量筒总数，个；Δh代表喷洒水深的平均离差，mm；Cu代表灌水均匀系数。

2 微喷头布置方案选择

根据测试结果和图8可以看出，每种间距下，三角形布置的均匀度要高于方形。在3种不同间距布置中，当微喷头间距为1.6 m时，均匀度均较高，其中三角形布置最好。由于水分可以在土壤或基质中渗透、流动，一般均匀度达到0.8时，就可以满足秧苗的生长一致，因此还须要考虑另一个重要的影响因素——微喷系统的投资。在1.2、1.6 m这2种间距下，三角形的均匀度均高于0.8，但当间距为1.2 m时所需微喷头和毛管数量均较多，投资明显偏大。因此，综合考虑均匀度和投资成本，选择间距为1.6 m。

3 系统设计及田间应用

3.1 应用区情况

应用区设在江苏省金坛市黄金村，黄金村位于金坛市朱林镇，水稻种植面积约260 hm2。黄金村利用本区域地势平坦、土质肥沃的自然资源开发有机水稻，生产的有机大米米质优良，是村庄的重要收入来源。目前，水稻种植已基本实现了全程机械化，特别是全部采用了机械化插秧，因此对育秧的要求较高，须采用基质旱育秧的形式。育秧地块长100 m，宽 40 m，共4块，每块面积约0.4 hm2，总面积约1.6 hm2，可供160～200 hm2稻田进行机插秧种植。

3.2 微喷系统设计

3.2.1 规划布置 灌溉水源为地块旁的小河，水源充足。在泵站处建引水渠道，并设拦污栅。灌溉方式采用轮灌方式。灌溉系统首部包括水泵、变频控制柜、调压阀门、过滤器、施肥池、压力表、排气阀、安全阀等设备。

水泵采用变频恒压技术控制，变频器通过采集压力传感器的参数值，实现恒压供水，保证灌水均匀，同时方便操作。水源为河水，水质一般，泥沙含量不大，但有机物和其他杂质较多，因此确定采用两级过滤器，即砂石过滤器和叠片式过滤器的组合，过滤精度为120目，确保微喷头不堵塞。施肥利用水泵吸入的方式，施肥时先把肥料放入肥料池充分溶解，再打开吸肥阀即可。

田间包括干管、分干管和支管道，管道系统经首部枢纽进入管网。经水力计算采用不同规格的管道，主管埋于地下。主管沿路边布置，每块地在宽度中间位置布置1条支管，每条支管用阀门和压力表控制。详细布置情况如图9所示。

微喷头经连接管与主支管连接。根据测试试验数据，喷头和支管间距均为1.6 m，喷头采用三角形布置。

3.2.2 系统技术参数选择 根据有关规范、标准[9]以及国内外节水灌溉技术发展积累多年的经验，确定各技术参数如下：土壤湿润比P=100%；水利用系数η=0.85；设计灌水均匀度Eu≥80%；设计湿润深度Z=0.05 m；设计日耗水强度Ea=5 mm/d；土壤容重γ=0.7 g/cm3。

3.2.3 确定灌溉制度

(1)灌水定额为m=0.1×γZP(θmax～θmin)/η。

式中：m为设计灌水定额，mm；θmax、θmin分别为适宜土壤含水率上限、下限，θmax=30%，θmin=18%。代入以上各参数，得到设计灌水定额m=0.1×0.7×0.05×100×(30-18)/0.85=4.9 mm，因此灌水定额取为5 mm。

(2)灌溉周期为T=mη/Ea；

系统设计日耗水强度Ea=5 mm/d，则T=mη/Ea=5×0.85/5=0.85 d，因此灌溉周期取1 d，即每天至少灌水1次。

(3)一次灌水延续时间t=mSpSe/q。

式中：Sp为出水孔间距，取1.6 m；Se为毛管间距，取 1.6 m；q为平均流量，取65 L/h。则t=5×1.6×1.6/65=0.2 h，因此1次灌水延续时间取为15 min。

3.2.4 系统水力计算 系统水力计算过程：先确定毛管、支管的水力学损失及局部损失，进而由灌水器的正常工作压力要求设定进口压力；根据地形的高程参数，选取最不利轮灌组内的最不利地块，从而确定此段主管的沿程损失；向水源方向逐段推导主管道沿程损失至水源；局部损失按管道沿程损失10%计算；首部管道及过滤系统总压力损失按8 m计；核实最不利地块和水源(地面)之间的海拔高程。

干管和支管管径首先用经济管径计算公式初选，最后经水力计算校核确定。采用的经济管径公式如下：

水头损失计算公式：

式中：K为考虑局部水头损失的系数，取1.05；f为摩阻系数，硬塑管f=0.464；F为多口系数；Q为设计流量，L/h；m为流量指数，硬塑管m=1.77；d为管道内径，mm；b为管径指数，硬塑管b=4.77；L为支管长度。

最终根据计算结果确定水泵流量和扬程，本系统主管规格为160 mm，支管规格为110 mm，微喷头毛管为20 mm，水泵流量为100 m3/h，扬程为50 m。

3.3 应用情况

设计完成后，设备通过安装调试，于2016年5月10日正式投入使用，到6月初秧苗全部机插完结束。使用时整套系统只需1人操作、维护，主要完成开关田间阀门、开启停止水泵、清洗过滤器等工作，十分省工、方便。为了保证灌水的均匀性和及时性，设4个轮灌组，每组喷水面积约为0.4 hm2，每次灌水时间为20～30 min，每次喷水量为30～50 m3/hm2，所有田块在2 h内灌完。秧苗出苗后基本上每天喷水1次，大风高温天气每天喷水2次。泵房及田间设备布置分别如图10、图11所示。

在使用过程中对微喷系统的均匀度进行测试，水量分布图如图12所示，由图可以看出各点水量分布情况，经计算均匀度达到0.83，与试验测试时的均匀度(0.88)相比有所减小，可能是由于田间风速较大的原因。

与原有育秧灌溉形式相比，喷灌系统的灌水均匀度大大提高，减少了水分过多过少的情况，秧苗长势差别很小、一致性好、成活率高，取得了良好的效果。

4 结论

目前，水稻育秧灌溉方式主要是大水漫灌或人工补水，浪费水资源、费时费工，而且易使土壤板结，秧苗品质差。随着新技术的不断应用，微喷技术在水稻育秧中得到了很好的应用。微喷技术具有省水、省工、灌水均匀等特点，而且可以在灌水的同时施肥、施药，有效防止了土壤冲刷和板结。本试验通过微喷头和毛管各种间距、布置形式的测试，得出在微喷头和毛管间距均为1.6 m、三角形布置时，均匀度最高，达到0.88。在此基础上，对田间应用进行了优化设计和布置，达到了良好的效果。应用均匀微喷系统育秧，可以确保秧苗的整个生长期处在良好的生长状态，培育出符合机插要求的秧苗，为水稻育秧提供了技术支撑，具有良好的应用前景。