微潤灌溉技術(shù)在清原縣的應(yīng)用

張興華，王育男，李 強

(1.撫順市水利技術(shù)推廣中心，遼寧撫順 113000;2.清原滿族自治縣水利勘測設(shè)計室，遼寧撫順 113300;3.沈陽東方世紀(jì)科技有限公司，沈陽 110014)

1 前言

國際性水危機已成為繼能源危機后的第二大資源危機。占耗水總量70%的農(nóng)業(yè)灌溉用水存在巨大的節(jié)水潛力，已成為節(jié)水行業(yè)的主攻焦點和主戰(zhàn)略。多年來由于資金和體制限制，對于國外的高效節(jié)水技術(shù)和設(shè)備沒有進(jìn)行深入了解和引進(jìn)，直到20世紀(jì)70年代才開始引進(jìn)滴灌、噴灌等節(jié)水技術(shù)，但是由于當(dāng)時人們認(rèn)為這是一種價格昂貴的節(jié)水技術(shù)，所以沒有廣泛推廣和深入研究，基本也只是引進(jìn)和仿造。與美國和以色列等節(jié)水技術(shù)發(fā)達(dá)國家相比，當(dāng)前我國存在相當(dāng)大的差距。

“十五”以來，由于國家對農(nóng)田節(jié)水技術(shù)的重視和投入，已經(jīng)自主研發(fā)了能夠適應(yīng)當(dāng)前國情的新型灌溉應(yīng)用技術(shù)——微潤灌。微潤灌溉技術(shù)將科技前沿水平的膜技術(shù)方法引入到傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，引起灌溉領(lǐng)域技術(shù)層面的革命性變化，它突破了該領(lǐng)域近百年來一直未能解決的兩大難題，創(chuàng)造了一種全新的灌溉方法。微潤灌溉的關(guān)鍵技術(shù)是微潤管。微潤管以高分子半透膜為核心材料，是具有雙層結(jié)構(gòu)的軟管。管內(nèi)充滿水后，水分將以一定速度，緩慢、定量地向管外遷移。將微潤管埋到作物根部，管內(nèi)釋放的水分直接供給根部吸收，使作物24h不間斷灌溉。

2 微灌器特性

2.1 灌水器結(jié)構(gòu)

本次推廣項目所使用的微灌器與國外有所不同，是吸力式灌水器(見圖1)。針對遼寧地區(qū)耕地零散、種植結(jié)構(gòu)分散、土壤保水能力差等特點，利用特殊材質(zhì)導(dǎo)水芯的毛細(xì)浸潤作用，在超低水壓的條件下，向作物根部土體導(dǎo)水，以實現(xiàn)作物生長需求;其設(shè)計的主導(dǎo)思想是通過延長灌水時間，降低灌水強度，更加有效地防止土體深層重力滲漏和田間蒸發(fā)，增加作物對灌溉水分的吸收利用率。該灌水器主要由導(dǎo)水芯、緩沖腔、接口管組成。導(dǎo)水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導(dǎo)水性能直接決定灌水器性能的好壞，同時還起到防止由于管路負(fù)壓造成堵塞的作用，導(dǎo)水芯的材料為氨綸低彈絲，這是一種特殊的化工纖維材料，該材料一端浸水12h后，水平方向可以浸潤到205cm，垂直可上升至25cm。導(dǎo)水芯的直徑約為3.0mm，長度為4～6cm，導(dǎo)水孔的直徑為2.0mm。緩沖腔有兩個作用:一是緩沖水流流速、擴大導(dǎo)水芯與水的接觸面積，充分發(fā)揮導(dǎo)水芯的吸力作用;二是防止灌溉水的雜質(zhì)造成灌水器堵塞。

圖1 灌水器結(jié)構(gòu)

2.2 灌水器壓力流量關(guān)系

灌水器平均流量q平均可用下列公式表示:

式中 k——流量系數(shù);

x——流態(tài)指數(shù)。

一般來說，當(dāng)流態(tài)指數(shù)x=1時，灌水器內(nèi)水的流態(tài)為層流;當(dāng)流態(tài)指數(shù)0.5＜x＜1時，灌水器內(nèi)水的流態(tài)為光滑流或者半紊流;當(dāng)流態(tài)指數(shù)x=0.5時，流量與壓力水頭的平方根成正比，灌水器內(nèi)水的流態(tài)為全紊流;當(dāng)流態(tài)指數(shù)0＜x＜0.5時，灌水器為部分壓力補償式出流;當(dāng)流態(tài)指數(shù)x=0時，灌水器內(nèi)為完全壓力補償式出流，流量不隨壓力的變化而變化。式中表明:微潤灌水器流量系數(shù)為130.4，流態(tài)指數(shù)為0.84，即灌水器內(nèi)水的流態(tài)為光滑流或者半紊流，且流量受壓力變化的影響較大。

3 項目實施概況

3.1 項目區(qū)概況

清原滿族自治縣地處遼寧省東北部，是典型的山區(qū)縣，土地資源貧乏，素有“八山一水半分田半分道路和莊園”之稱。全縣東西長 96.40km，南北寬75.30km，總面積3921km2。全縣轄屬14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，188個村委會，1080個村民小組，總?cè)丝?5.0萬，其中農(nóng)業(yè)人口26萬。項目設(shè)在清原鎮(zhèn)鎮(zhèn)西村二道嶺屯，設(shè)置日光溫室10畝，為草莓種植小區(qū)，采取棚內(nèi)膜下微潤灌技術(shù)。工程建設(shè)內(nèi)容包括新建深井2眼，鋪設(shè)輸水干管1000m，鋪設(shè)灌水毛管6000m，安裝灌水器20000個。

3.2 項目區(qū)布置

灌溉系統(tǒng)包括干支輸水管道和毛管二級布置。輸水管和灌水毛管互相垂直，灌水器串聯(lián)在毛管上直接灌溉作物根系。干管采用φ32PE管，毛管采用φ10PE管;干管總長100m;毛管間距1m，長6m，灌水器間距0.3m，布設(shè)于膜下。具體布置見下頁圖2。

圖2 灌溉系統(tǒng)布置

3.3 灌溉系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)草莓生長特性和當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗，從草莓緩苗進(jìn)入生長旺期到草莓果實成熟罷園，總共灌水31次，水量約為115.7m3/畝。草莓區(qū)分A、B、C為三組，灌水壓力分別為0.018MPa，0.023MPa和0.025MPa。三組草莓灌水情況見表1。

表1 不同壓力下灌水器浸潤及流量

從上表中可以看出，灌水器采用導(dǎo)水灌溉方式，相對于傳統(tǒng)滴灌重力灌溉方式，具有工作水頭低、流量小的特點，在灌水開始前2h左右為流量最大時間段，在此之后由于周圍土壤濕度增加，出水量會大幅減少，所以在表中的變幅是對于單位時間流量的修正參數(shù)。灌水器埋于土層以下8cm位置，草莓的根系在土層以下15cm以內(nèi)分布，所以三種壓力下草莓根系需水量均能得到滿足。在水平浸潤方面，三種壓力分布下浸潤距離均達(dá)到了50cm以上，壟間距為100cm，所以也都滿足要求。經(jīng)過現(xiàn)場測試，草莓土壤表層6～8cm土層較為干燥，這是由于表層騰發(fā)比較嚴(yán)重，超過了灌水器補給量。為了應(yīng)對這一情況，鋪設(shè)地膜和保證較長的灌水時間是兩個較好的措施，灌水器平均30h以上的灌水時間無疑比其他灌水方式1～2h的灌水時間要優(yōu)越許多。

4 結(jié)果分析

2011～2012年間在項目實施區(qū)對三組草莓和普通灌溉的各項指標(biāo)測試如表2～5所示。

表2 項目區(qū)草莓相對濕度 單位:%

表3 項目區(qū)草莓病蟲害調(diào)查 單位:%

表4 項目區(qū)草莓平均地溫 單位:℃

表5 項目區(qū)草莓產(chǎn)量 單位:kg/畝

從以上數(shù)據(jù)可以看出，微潤灌能適時適量地向作物根區(qū)供水供肥，為作物根系活動層土壤創(chuàng)造良好的水、熱、氣、養(yǎng)分環(huán)境，因而可實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在溫室大棚內(nèi)可以明顯提高地溫和氣溫，可提高3℃以上，更利于作物生長;同時，還能降低空氣濕度10%～15%，減少病蟲害的發(fā)生。通過延長灌水時間、減低灌溉強度，可有效防止土壤的板結(jié)。另外，由于利用了毛細(xì)浸潤作用，微潤灌水器在2m的工作壓力下便可正常進(jìn)行灌溉，這比噴灌低得多，又因微潤灌比地面灌省水，對提水灌溉來說意味著減少了能耗。而微潤灌溉除提水外，不需要其他的壓力輸水，實現(xiàn)了低碳環(huán)保。

在A、B、C三組微潤灌草莓的對比試驗中，壓力的不同決定了灌水時間和灌水強度的差別，隨之受到影響的是土壤濕度和平均地溫，但是由于灌水總量一定，所以差異并不是很大。在壓力為0.023MPa時，項目區(qū)草莓產(chǎn)量最高畸形率最低，年增收效益為1520.2元/畝。

5 結(jié)論

微潤灌溉技術(shù)在清原縣鎮(zhèn)西村二道嶺屯草莓大棚的應(yīng)用，表明其在節(jié)水、節(jié)能、增產(chǎn)和環(huán)保方面的優(yōu)越性。普通灌溉用水量在200m3/畝以上，比其他三組的115.7m3/畝高出很多。微潤灌水器導(dǎo)水孔直徑為2mm，有效避開了灌水器孔徑0.7～1.5 mm的敏感堵塞尺寸，可有效防治由于灌溉水存在微小顆粒等引起的物理化學(xué)堵塞問題。對運行兩年的地下灌溉系統(tǒng)中2000個灌水器進(jìn)行抽檢，未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。目前，大棚和膜下滴灌多使用簡易噴、滴灌帶，其使用壽命僅為1年;而微潤灌溉管路在材質(zhì)和防老化方面進(jìn)行了特殊處理，其使用壽命可延長至3～5年。材料總造價為1920元/畝。其中:主管道和支管道的材料費為850元/畝，毛管部分的材料費為650元/畝，首部工程(包括:水箱、過濾器、施肥罐等)的材料費為420元/畝。那么，年折合畝造價為384～640元/年。微潤灌是管網(wǎng)供水，操作方便，勞動效率高，而且便于自動控制，因而可明顯節(jié)省勞力;同時微潤灌是局部灌溉，大部分地表保持干燥，減少了雜草的生長，也就減少了用于除草的勞力和除草劑費用;肥料和藥劑可通過微潤灌系統(tǒng)與灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中，不需人工作業(yè)。

微潤灌無論從經(jīng)濟效益、社會效益還是環(huán)境效益都優(yōu)于其他灌溉模式，該項目通過對清原縣項目區(qū)的應(yīng)用進(jìn)一步證實了其可靠性和實用性，并且找到了該地區(qū)的最適宜水頭壓力為0.023MPa，為該技術(shù)在遼寧東部山區(qū)的推廣應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。

1 李道西，羅金耀．地下滴灌技術(shù)的研究及其進(jìn)展［J］．中國農(nóng)村水利水電，2003(7):15-18．

2 于國豐，王保澤，李春龍，佟威．微潤灌水器的研制及沙地灌溉試驗［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007(11)．

3 竇超銀，李春龍，李光永，張立坤，于國豐．吸力式微潤灌水器水力特性試驗研究［J］．灌溉排水學(xué)報，2012(8)．

4 GB/T 17187—2009農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗方法［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010．