內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)高效節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究

程滿金，郭富強(qiáng)，高文慧，楊宏志，李 博

（內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020）

1 內(nèi)蒙古節(jié)水灌溉概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)展的節(jié)水灌溉措施主要有噴灌、滴灌、低壓管灌和渠道襯砌等，截止到2014年底，總灌溉面積為359．7萬hm2，有效灌溉面積為301．2萬hm2，節(jié)水灌溉面積為227．9萬hm2，已發(fā)展噴灌面積45．4萬hm2，滴灌面積45．9萬hm2，低壓管灌面積53．9萬hm2，渠道襯砌面積82．5萬hm2。內(nèi)蒙古自治區(qū)將逐步發(fā)展大型噴灌、膜下滴灌和渠灌區(qū)節(jié)水改造等技術(shù)，加強(qiáng)農(nóng)田水利節(jié)水灌溉工程建設(shè)，推進(jìn)水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用，使農(nóng)牧業(yè)水資源得到高效利用和健康發(fā)展［1－2］。

2 “內(nèi)蒙古新增四個(gè)千萬畝節(jié)水灌溉工程科技支撐”項(xiàng)目概況

“內(nèi)蒙古新增四個(gè)千萬畝節(jié)水灌溉工程科技支撐”項(xiàng)目，是自治區(qū)水利“十二五”重大科技示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目由水利、農(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)和相應(yīng)管理部門聯(lián)合攻關(guān)，圍繞玉米、大豆、馬鈴薯、番茄和牧草，開展膜下滴灌、大型噴灌和渠灌條件下，灌溉制度、水肥一體化和地埋式滴灌試驗(yàn)，并開展農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)配套技術(shù)、農(nóng)田殘膜回收技術(shù)、技術(shù)集成模式、效益分析、配套政策研究、技術(shù)培訓(xùn)與宣傳等11個(gè)方面的工作，為自治區(qū)高效節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)、示范樣板和技術(shù)支撐。

3 內(nèi)蒙古膜下滴灌工程技術(shù)研究

在赤峰市、呼倫貝爾市和烏蘭察布市開展了灌溉制度試驗(yàn)，通過三年的試驗(yàn)研究得出了不同水文年型下的灌溉制度，如表1所示。

進(jìn)行了馬鈴薯和大豆覆膜與不覆膜對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)需水量、耗水強(qiáng)度、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率進(jìn)行分析，如表2所示。

通過表2可以看出，大豆覆膜后需水量減少了340．80m3／hm2，產(chǎn)量增加了894．75kg／hm2，水分生產(chǎn)率提高了0．34kg／m3，馬鈴薯覆膜后需水量減少了114．00m3／hm2，產(chǎn)量增加了725．25kg／hm2，水分生產(chǎn)率提高了0．36kg／m3。

膜下滴灌水肥一體化實(shí)現(xiàn)了水、肥資源同步高效利用，水分生產(chǎn)率大幅度提高，突破水肥資源約束，促進(jìn)農(nóng)業(yè)由資源消耗型向資源高效型轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)集約化管理和新種植技術(shù)的引進(jìn)，更好的實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉工程的效益。

表1 玉米、大豆、馬鈴薯膜下滴灌推薦灌溉制度

表2 大豆、馬鈴薯覆膜與不覆膜對(duì)比分析

4 水肥一體化技術(shù)研究與應(yīng)用

2013—2014年分別在赤峰市松山區(qū)、呼倫貝爾市阿榮旗、烏蘭察布市商都縣和巴彥淖爾市臨河區(qū)分別開展了玉米、大豆和馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化技術(shù)試驗(yàn)研究。通過兩年的試驗(yàn)研究，提出了適宜膜下滴灌玉米、大豆和馬鈴薯的水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)，明確了在節(jié)水灌溉條件下的優(yōu)化施肥制度，包括適宜肥料品種、施肥用量和施肥方式等。2014年玉米、大豆和馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化技術(shù)試驗(yàn)成果如表3—表5所示。

表3 玉米膜下滴灌三區(qū)對(duì)比試驗(yàn)成果

表4 馬鈴薯膜下滴灌三區(qū)對(duì)比試驗(yàn)成果

表5 大豆膜下滴灌三區(qū)對(duì)比試驗(yàn)成果

由表3—表5可知，大豆膜下滴灌水肥一體化產(chǎn)量比傳統(tǒng)施肥提高12．3%，比測(cè)土配方施肥提高7．8%，馬鈴薯膜下滴灌水肥一體化產(chǎn)量比傳統(tǒng)施肥提高23%，比測(cè)土配方施肥提高10%，玉米膜下滴灌水肥一體化產(chǎn)量比傳統(tǒng)施肥提高22．4%，比測(cè)土配方施肥提高6．8%，可見，大豆、玉米和馬鈴薯膜下滴灌采用水肥一體化技術(shù)，產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)施肥和測(cè)土配方施肥。采用水肥一體化技術(shù)，氮磷鉀肥的利用率分別達(dá)到30%、20%、50%以上，在現(xiàn)狀產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，可減少氮磷肥施用量15%。

5 大型噴灌工程技術(shù)研究與應(yīng)用

內(nèi)蒙古大型噴灌工程技術(shù)發(fā)展較為迅速的地區(qū)主要有赤峰市和鄂爾多斯市。截止到2014年底，鄂爾多斯市發(fā)展大田作物與飼草料地噴灌面積7．9萬hm2，平均單機(jī)控制面積16．3hm2，赤峰市阿魯科爾沁旗草牧場(chǎng)面積為96．5萬hm2，耕地面積13．3萬hm2，其中有效灌溉面積6．2萬hm2。自治區(qū)新增“四個(gè)千萬畝”節(jié)水工程發(fā)展規(guī)劃綱要中計(jì)劃發(fā)展噴灌面積97．5萬hm2，占發(fā)展節(jié)水灌溉總面積的38%。內(nèi)蒙古“節(jié)水增糧行動(dòng)”安排大型噴灌面積16萬hm2，占30%，大型噴灌已成為我區(qū)發(fā)展高效節(jié)水灌溉的主要措施。

2012—2014年，內(nèi)蒙古新增“四個(gè)千萬畝”節(jié)水灌溉工程科技支撐項(xiàng)目針對(duì)玉米、紫花苜蓿和青貯玉米大型噴灌開展了灌溉制度試驗(yàn)研究，得出了不同水文年型下的優(yōu)化灌溉制度如表6所示。

對(duì)玉米大型噴灌覆膜與不覆膜條件下需水量、耗水強(qiáng)度、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率等內(nèi)容開展了試驗(yàn)研究，具體結(jié)果如表7所示。

表6 玉米、紫花苜蓿、青貯玉米大型噴灌推薦灌溉制度

表7 玉米大型噴灌覆膜與不覆膜對(duì)比分析

由表7可以看出，玉米覆膜條件下平均需水量為5050．7m3／hm2，比不覆膜需水量減少了204．0m3／hm2，產(chǎn)量提高了389．0kg／hm2，水分生率提高了2．56%，說明覆膜可以有效減少土壤水分蒸發(fā)，從而降低作物水分消耗，并且可以提高作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率，起到節(jié)水增產(chǎn)的效果。

6 大型灌區(qū)節(jié)水改造工程技術(shù)研究與應(yīng)用

內(nèi)蒙古在河套灌區(qū)渠道襯砌與防滲工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，圍繞渠道襯砌結(jié)構(gòu)型式、新材料、新技術(shù)、新工藝、凍害防治技術(shù)、田間節(jié)水改造技術(shù)、地面灌溉新技術(shù)、灌溉制度、信息化與量水技術(shù)和技術(shù)集成模式等方面開展了試驗(yàn)研究與示范工作，提出了多項(xiàng)技術(shù)成果，為北方渠灌區(qū)節(jié)水改造提供了科技支撐。

6．1 聚苯乙烯保溫板防凍脹技術(shù)

聚苯乙烯保溫板渠道襯砌可提高基土地溫，適宜板厚與渠道走向、坡面、上下部位有關(guān)。設(shè)保溫板可明顯減小基土凍深，每厘米厚保溫板對(duì)凍深減少值與渠道走向和部位有關(guān)，不同厚度保溫板凍深削減率和渠道走向及部位有關(guān)。聚苯乙烯保溫板對(duì)基土凍脹有明顯的抑制作用，能減小凍脹量。

襯砌渠道采用聚苯乙烯保溫措施，就是利用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低的性能改變和控制渠道襯砌基土周圍熱量的輸入、輸出及轉(zhuǎn)化過程，人為地影響凍土結(jié)構(gòu)，使凍土內(nèi)部的水熱耦合作用在時(shí)間和空間上向不利于凍脹的方向發(fā)展變化［3］。具有提高凍結(jié)區(qū)的地溫、推延凍結(jié)的進(jìn)程，減緩凍結(jié)速率以削減凍深、減少水分遷移量，降低凍土中的冰含量、削減凍脹量等優(yōu)點(diǎn)。聚苯乙烯（EPS）是由聚苯乙烯聚合物為原料加入發(fā)泡添加劑聚合而成，屬超輕型土工合成材料。聚苯板保溫措施已在內(nèi)蒙古自治區(qū)8個(gè)大型灌區(qū)610km骨干渠道推廣應(yīng)用，保溫板用量50多萬m3，提高了渠道的使用壽命，達(dá)到了“防滲、抗凍、經(jīng)濟(jì)、可行”的目的。

6．2 聚氨酯保溫板防凍脹技術(shù)

聚氨酯保溫板材料具有保溫效果好、粘結(jié)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐撞擊性高、耐久性強(qiáng)、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)。采用聚氨酯保溫板渠道襯砌可以降低凍土中的冰含量，提高凍結(jié)區(qū)的基土地溫，推延凍結(jié)的進(jìn)程，減少凍結(jié)深度及削減凍深作用明顯。聚氨酯是由有機(jī)異氰酸酯、多元醇化合物為原料加入發(fā)泡添加劑聚合而成，屬超輕型土工合成材料。

6．3 風(fēng)積砂換填防凍脹技術(shù)

風(fēng)積砂屬弱凍脹性土壤，是一種較好的防凍脹材料。實(shí)測(cè)換填層內(nèi)凍脹率在3%以下，防凍脹效果在90%以上。風(fēng)積砂的防凍效果隨換填厚度的增加而增加，換填率為70%左右時(shí)，效果好，造價(jià)低。換填風(fēng)積砂應(yīng)嚴(yán)格控制細(xì)土的含量，從工程實(shí)踐來看，粉粘粒的含量小于5%可保證工程的長(zhǎng)期使用。渠道兩坡宜采取不等厚換填，地下水位埋深在渠底以下40～60cm，陽坡上、下部位換填率可采用45%～70%，陰坡可采用50%～80%，渠底采用80%。工程設(shè)計(jì)時(shí)需檢測(cè)風(fēng)積砂含泥量，規(guī)范要求不應(yīng)大于6%，并注意施工中二次污染問題，確保換填防凍效果。

6．4 模袋混凝土渠道襯砌技術(shù)

模袋混凝土具有整體穩(wěn)定性好、適應(yīng)凍脹變形強(qiáng)、抗沖刷能力強(qiáng)、減少施工工序、施工簡(jiǎn)單、縮短施工時(shí)間、防滲效果好，及工程投資較合理等優(yōu)點(diǎn)。模袋混凝土中模袋由添加了抗老化劑的丙綸絲機(jī)織而成，為雙層織袋。模袋其技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)符合《土工合成材料長(zhǎng)絲機(jī)織土工布》（GB／T 17640－98）標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)北方灌區(qū)輸水渠道防滲襯砌率低，田間工程不配套，灌水損失大，是發(fā)展節(jié)水灌溉的重點(diǎn)區(qū)域，目前將渠道防滲作為節(jié)水改造工程的主要措施［4］。北方灌區(qū)渠系級(jí)別多，渠線長(zhǎng)，實(shí)施渠道襯砌工程量大，且襯砌渠道受季節(jié)性凍融坡壞嚴(yán)重。近年來該項(xiàng)技術(shù)已在河套灌區(qū)總干渠、干渠和分干渠推廣80km，運(yùn)行效果良好，為不同骨干渠道節(jié)水改造工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)和示范樣板。

6．5 土壤固化劑渠道襯砌技術(shù)

土壤固化劑具有就地取材、抗壓、防滲、防凍脹效果，工程造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單，及無污染等優(yōu)點(diǎn)，已取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，作為一種渠道襯砌新材料，可以在田間渠道上推廣應(yīng)用［5］。土壤固化劑是在常溫下能直接膠接土體中土壤顆粒表面或能夠與粘土礦物反映生成膠凝物質(zhì)的硬化劑。固化劑屬于水化類固化劑，主要由石灰石、粘土、石膏等礦物再加入不同化學(xué)元素，經(jīng)過一定工藝加工而成為固體粉狀物質(zhì)。固化劑通過對(duì)不同地區(qū)、渠道級(jí)別、渠道性質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，結(jié)構(gòu)型式、防凍脹措施的應(yīng)用，達(dá)到“防滲、抗凍、經(jīng)濟(jì)、可行”的目的。十多年來分別在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)、包頭市民族團(tuán)結(jié)灌區(qū)、萬家溝灌區(qū)，及莫力廟灌區(qū)等多個(gè)灌區(qū)建立了試驗(yàn)示范渠段。

6．6 膨潤(rùn)土防水毯渠道襯砌技術(shù)

膨潤(rùn)土防水毯（GCL）是一種新型的土工合成材料。它是將級(jí)配后的膨潤(rùn)土顆粒均勻混合后，經(jīng)特殊的針刺工藝及設(shè)備，把高膨脹性的膨潤(rùn)土顆粒均勻牢固地固定在兩層土工布之間，而制成柔性膨潤(rùn)土防水毯材料，既具有土工材料的全部特性，又具有優(yōu)異的防水防滲性能，它能保持極低的透水性，同時(shí)還具有施工簡(jiǎn)易、成本低、節(jié)省工期等優(yōu)點(diǎn)。

采用膨潤(rùn)土防水毯襯砌渠道與未襯砌渠道相比較，可減少滲漏損失47．3%。防凍脹抗變形能力強(qiáng)，適應(yīng)由于凍脹引起的復(fù)位能力強(qiáng)。與預(yù)制混凝土板襯砌渠道相比較，膨潤(rùn)土防水毯渠道襯砌可降低工程投資28．9%，施工較簡(jiǎn)單，工期縮短30%～50%。我國(guó)北方渠灌區(qū)輸水渠道防滲襯砌率低，襯砌渠道受季節(jié)性凍融破壞嚴(yán)重，采用膨潤(rùn)土防水毯襯砌渠道可減少凍脹量造成的不均勻性破壞，增強(qiáng)渠道的邊坡穩(wěn)定性。

［1］程滿金，王向東，馬蘭忠，等．內(nèi)蒙古自治區(qū)高效節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究與應(yīng)用綜述［C］／／中國(guó)水利學(xué)會(huì)．中國(guó)水利學(xué)會(huì)2014學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上、下冊(cè)），2014：560－563．

［2］程滿金，郭富強(qiáng)，王向東，等．內(nèi)蒙古膜下滴灌與大型噴灌高效節(jié)水灌溉技術(shù)研究與應(yīng)用［C］／／第九屆全國(guó)微灌大會(huì)論文匯編，2015：16－20．

［3］程滿金，申利剛，步豐湖，等．聚苯乙烯保溫板在襯砌渠道防凍脹中的應(yīng)用研究［J］．灌溉排水學(xué)報(bào)，2011（5）：22－27．

［4］程滿金，步豐湖，王俊英，等．膨潤(rùn)土防水毯新材料在襯砌渠道中的應(yīng)用研究［J］．節(jié)水灌溉，2010（5）：46－49．

［5］程滿金，步豐湖，王俊英，等．土壤固化劑新材料在襯砌渠道中的應(yīng)用研究［J］．節(jié)水灌溉，2010（4）：33－36．