滴灌技術(shù)的應(yīng)用研究

李勁彬

摘 要：滴灌作為一種高效節(jié)水的灌溉技術(shù)，對(duì)于干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。本文從滴灌技術(shù)的選址、滴灌區(qū)水源分析及水源工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定、管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程投資、施工安裝以及后期管理等方面，對(duì)滴灌技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。并以渭南某農(nóng)場(chǎng)為例，闡明了在該地區(qū)開展滴灌技術(shù)的可行性及必要性，對(duì)今后該地區(qū)滴灌技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)場(chǎng)；滴灌技術(shù)；設(shè)計(jì)參數(shù)；規(guī)劃設(shè)計(jì)；工程投資

中圖分類號(hào)：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132027

引言

滴灌[1，2]是目前世界上1種用于發(fā)展干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的高效的灌溉方式，其基本的工作原理是依據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)作物生長(zhǎng)的需水量，通過(guò)低壓管道系統(tǒng)[3]與安裝在毛管上的滴頭，將水分和植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分定期、均勻、精確地輸送到作物根部的土壤中，改變了傳統(tǒng)的大水漫灌以及大面積施肥方式，這種水肥一體[4，5]的灌溉模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)作物的精準(zhǔn)施肥和灌溉，很大程度上節(jié)約了用水、保護(hù)了土壤結(jié)構(gòu)、減少了營(yíng)養(yǎng)成分的流失，提高了作物產(chǎn)量，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

滴灌技術(shù)[6，7]的發(fā)展有很長(zhǎng)的歷史，早在1860年德國(guó)就開始利用排水瓦管進(jìn)行地下灌溉的試驗(yàn)[8]。美國(guó)加利福尼亞州的Charles Lee 1920年申請(qǐng)的多孔灌溉瓦管專利，由于其只潤(rùn)濕瓦管周圍的部分土壤，被認(rèn)為是滴灌的原始模型，被稱為世界最早的滴灌技術(shù)[9]。伴隨著塑料工業(yè)在第二次世界大戰(zhàn)之后的快速發(fā)展，滴灌技術(shù)在以色列、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也得到了快速發(fā)展。1974年滴灌技術(shù)[10，11]由墨西哥引入我國(guó)，經(jīng)過(guò)40a的發(fā)展，滴灌技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用及其相關(guān)設(shè)備的研發(fā)已日漸成熟。1984年我國(guó)已有近1.5萬(wàn)hm2滴灌面積，滴灌作物種類達(dá)30余種，其中果樹占95%以上。20世紀(jì)80年代初，北京燕山滴灌技術(shù)研究所成功研究了具有中國(guó)特色的燕山滴灌技術(shù)，并解決了國(guó)外滴灌技術(shù)無(wú)法用于糧食大田作物的難題，成功地推廣應(yīng)用于大田作物。

1 項(xiàng)目區(qū)概況及技術(shù)路線

1.1 項(xiàng)目區(qū)概況

渭南地處渭河平原東部，陜西渭北黃土高原南緣，東臨黃河，北靠鐵鐮山，南臨洛河，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。冬冷夏熱，溫差較大，冬夏兩季長(zhǎng)，春秋兩季不明顯；氣候干燥，光照充足，熱量豐富，蒸發(fā)量較大。項(xiàng)目區(qū)日照充足，年日照總時(shí)數(shù)2385.2h，年無(wú)霜期為212d；該區(qū)多年平均氣溫13.4℃，最低氣溫-16.5℃，最高氣溫42.8℃。凍土層深度為28cm。具有長(zhǎng)日照，高輻射，大晝夜溫差等特點(diǎn)。夏秋季降雨量多，冬春季少，年平均降雨量為514mm，年平均蒸發(fā)量968.3mm。為了合理有效利用水資源以及建成提高項(xiàng)目區(qū)耕地質(zhì)量及產(chǎn)量、為農(nóng)民增產(chǎn)增收的高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田，場(chǎng)內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)以及相關(guān)技術(shù)人員一致決定在大荔農(nóng)場(chǎng)開展67hm2棉花膜下滴灌種植。

1.2 技術(shù)路線

本文將從項(xiàng)目區(qū)選擇滴管技術(shù)的原因、滴灌區(qū)水源分析以及水源工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程投資與施工安裝計(jì)劃、后期運(yùn)行管理計(jì)劃等6個(gè)方面進(jìn)行介紹。本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是水源分析及工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定以及管網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)這3個(gè)大的方面。實(shí)地考察項(xiàng)目區(qū)周邊水源情況、并對(duì)其進(jìn)行可利用性分析；根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件、氣候條件、土壤條件以及棉花作物的種植條件等，并結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐，綜合分析確定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)；根據(jù)作物的種植模式及其需水量、項(xiàng)目區(qū)的地形以及田塊布局，綜合分析計(jì)算確定了管網(wǎng)的總體布設(shè)。

2 膜下滴灌系統(tǒng)簡(jiǎn)介

膜下滴灌[12-15]技術(shù)的關(guān)鍵是將滴灌帶（毛管）鋪設(shè)于地膜之下，利用塑料管道和安裝在直徑約10mm毛管上孔口非常小的灌水器（滴頭或滴灌帶等），衰減水中能量，使水一滴滴緩慢均勻地滴在作物根區(qū)土壤中，從而達(dá)到高效局部灌溉的目的。由于滴頭流量很小，僅能濕潤(rùn)滴頭所在位置較小范圍內(nèi)的土壤，水主要借助土壤毛管張力入滲和擴(kuò)散。膜下滴灌是目前干旱和半干旱缺水地區(qū)最為有效的一種節(jié)水灌溉方式，水資源的利用率可高達(dá)95%，因此較噴灌具有更高的節(jié)水增產(chǎn)效果，結(jié)合灌溉施肥，肥效可以提高一倍以上。其適用于果樹、蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物及溫室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。不足之處是滴頭出流孔口小，流程長(zhǎng)，流速緩慢，易結(jié)垢和堵塞，因此必須對(duì)水源進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)濾處理。滴灌系統(tǒng)一般由水源工程、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、滴頭及控制、量測(cè)和保護(hù)裝置等組成。

膜下滴灌相比常規(guī)灌溉方式具有省水省人省物、提高肥料利用率和土地利用率，節(jié)能、增產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。膜下滴灌還可以改良耕作層土壤，降低鹽漬化危害，而且對(duì)地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，不產(chǎn)生地面徑流和深層滲漏，對(duì)地面平整度要求也不高。

3 工程應(yīng)用

3.1 水源工程

項(xiàng)目區(qū)臨近黃河，因此項(xiàng)目區(qū)主要以黃河作為供水水源，采用渠水滴灌。由于黃河水中泥沙含量較多，因此滴灌工程所需要處理的重點(diǎn)是泥沙過(guò)濾問題。不同滴管的滴頭通過(guò)含懸浮泥沙水流（濃度及顆粒級(jí)配）的能力十分懸殊。滴頭輸沙的固有特性決定著過(guò)濾器的過(guò)濾精度、泥砂去除等，是一個(gè)相互聯(lián)系的、密不可分的系統(tǒng)。經(jīng)沉淀池沉淀后，通過(guò)“砂石+網(wǎng)式”過(guò)濾器（120目）處理后，達(dá)到滴灌所需水質(zhì)要求。在水量上，完全能夠滿足滴灌用水要求。

該滴灌項(xiàng)目區(qū)種植作物為棉花，種植模式采用行距45cm+80cm+45cm。株距45cm，采取膜下滴灌灌溉方式，一膜一管二行，采用膜上點(diǎn)播，膜下鋪設(shè)單翼迷宮式滴灌帶，間距125cm。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

3.2.1 設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度Ea（彭曼）

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》Sl103-95規(guī)定，設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度應(yīng)采用設(shè)計(jì)年灌溉季節(jié)月平均耗水強(qiáng)度峰值，并應(yīng)由當(dāng)?shù)卦囼?yàn)資料確定，在無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可通過(guò)計(jì)算或查表選取。對(duì)于滴灌糧棉油作物，根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度可取4～6mm/d。endprint

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合該區(qū)氣侯條件，設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度可取3.5 mm/d。也可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，由彭曼公式得到。滴灌帶選用Ф16X450-2.8L/h的單翼迷宮式滴灌帶，即：滴頭流量為2.8L/h。

3.2.2 膜下滴灌土壤濕潤(rùn)比

土壤濕潤(rùn)比是指在土壤計(jì)劃濕潤(rùn)土層內(nèi)濕潤(rùn)土體與總土體的比值。通常以地面以下20cm～30cm處濕潤(rùn)面積占總灌溉面積的百分比來(lái)表示。土壤濕潤(rùn)比取決于作物、灌水器流量、灌水量、灌水器間距和所灌溉土壤的特性等。

根據(jù)大田膜下滴灌棉花根系發(fā)育特點(diǎn)，對(duì)于一膜一管二行，濕潤(rùn)深度為0.3～0.35m，濕潤(rùn)半徑為0.30～0.40m，其濕潤(rùn)比可按下式計(jì)算：

式中，P表示地表以下30cm處濕潤(rùn)面積占作物種植面積的比值，%；表示土壤水分水平擴(kuò)散直徑或濕潤(rùn)帶寬度，m；表示毛管間距，m；表示灌水器或出水點(diǎn)間距（m）。

根據(jù)計(jì)算得一膜一管兩行濕潤(rùn)比P=0.5。通過(guò)上述分析計(jì)算，結(jié)合目前大田實(shí)踐，對(duì)于一膜一管兩行濕潤(rùn)比可取50%～55%。

3.2.3 基本參數(shù)的取值

查閱相關(guān)規(guī)范并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況本次設(shè)計(jì)保證率取值不低于85%，灌溉水利用率取0.90，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的日工作小時(shí)數(shù)為20h，滴灌設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比（P）取50%，設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度（Ea）取3.5mm/d，f、θ田取37%。

3.3 灌溉制度

設(shè)計(jì)灌水定額m可按式m=0.1γzP （θmax-θmin）/η計(jì)算確定，式中m表示設(shè)計(jì)灌水定額mm；γ表示土壤容重g/cm3；z表示計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度m；P表示土壤濕潤(rùn)比%；θmax、θmin表示適宜土壤含水率上、下限（占干土重的%，一般θmax為田間最大持水率的90%、θmin為田間最大持水率的70%，即θmax-θmin=0.2θ田）；η表示灌溉水利用系數(shù)。

設(shè)計(jì)灌水周期T可按式T=（m/Ea）×η進(jìn)行計(jì)算，式中T表示設(shè)計(jì)灌水周期d；Ea表示設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度mm/d。此值為作物需水高峰期的灌水周期。

1次灌水延續(xù)時(shí)間t按式t=mSeSl/qd進(jìn)行計(jì)算，其中t表示1次灌水延續(xù)時(shí)間h；Se表示滴頭間距m；Sl表示毛管間距m；qd表示設(shè)計(jì)滴頭流量L/h。

該項(xiàng)目區(qū)采用的是將支管分成若干組，由干管輪流向各組支管供水，而各組支管內(nèi)部同時(shí)向毛管供水的輪灌工作制度。這種工作制度減少了系統(tǒng)的流量，從而可減少投資，提高設(shè)備的利用率。

3.4 管網(wǎng)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.4.1 水量平衡計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該首先進(jìn)行水量平衡計(jì)算，以確定合理的控制面積。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)控制的面積來(lái)確定水源供水量。當(dāng)系統(tǒng)控制面積為63.3hm2時(shí)，按日供水20h計(jì)算，系統(tǒng)所需水流量可按下式進(jìn)行計(jì)算。

其中Ia= Ea- P0，A表示可灌面積，hm2；Q表示可供流量，m3/h；Ia表示設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度，mm/d；Ea表示設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，mm/d；P0表示有效降雨量，mm/d；t表示水源每日供水時(shí)數(shù)，h/d；η表示灌溉水利用系數(shù)。

3.4.2 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為：

潛水泵——離心過(guò)濾器——（施肥罐）網(wǎng)式過(guò)濾器——主干管——分干管——出地豎管——支管——毛管（滴灌帶）。其中干管與分干管、分干管與支管、支管與毛管均采用魚骨形布置，以減少沿程水頭損失，降低能耗。干管、分干管為地埋管，分干管垂直主干管布置。支管垂直分干管，采用豎管及三通連接。毛管垂直支管方向布置，毛管按一膜一管兩行布置；毛管的間距為1.25m。

3.4.3 管網(wǎng)設(shè)計(jì)

按初定運(yùn)行方案中最不利組合計(jì)算，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，選泵后根據(jù)水泵性能曲線圖在保證水泵高效運(yùn)行的情況下，經(jīng)反復(fù)試算，最后確定出最佳設(shè)計(jì)方案。

滴灌系統(tǒng)毛管是指安裝有灌水器的管道，毛管從支管取水，并通過(guò)其上的灌水器將水均勻分配到作物根部。一般采用抗老化低密度或中密度聚乙烯制造，由于滴灌工程毛管數(shù)量較大，因此一般選用較小直徑的毛管，毛管一般選用同一直徑，中間不變徑。毛管設(shè)計(jì)是在確定灌水器類型、流量和布置間距的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其主要任務(wù)是確定毛管直徑及最大鋪設(shè)長(zhǎng)度。根據(jù)設(shè)計(jì)資料和相關(guān)分析，毛管選用單翼迷宮式滴灌帶。

輔管連接支管和毛管，從支管取水分配到毛管中。輔管與毛管同是多孔管道，其流量比毛管要大的多。輔管設(shè)計(jì)包括確定輔管管徑、輔管入口壓力、輔管長(zhǎng)度等。1條輔管作為1個(gè)灌水小區(qū)，其設(shè)計(jì)長(zhǎng)度必須滿足小區(qū)的灌水均勻度要求，鋪設(shè)方向平行于支管。根據(jù)水力、經(jīng)濟(jì)條件，選用Ф63PE薄壁支管配Ф32PE厚壁輔管系統(tǒng)。

支管是用于連接干管和輔管的管道，它從干管取水分配到輔管和毛管中。支管也是多孔管道，與毛管不同的是輔管上帶有球閥，以輔管為灌水小區(qū)依次輪灌，一般一條支管上打開一條輔管，因此支管屬于單孔出流管，其流量與輔管流量相同。支管設(shè)計(jì)包括確定管徑及管入口壓力。當(dāng)沿支管地形坡度小于3%時(shí)，通常最經(jīng)濟(jì)的方式是支管垂直于分干管雙向布置；當(dāng)沿支管地形坡度大于3%時(shí)，順坡方向的支管應(yīng)增長(zhǎng)，而逆坡方向的支管應(yīng)減短。

因干管埋入地下，因而要求其耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、重量輕、施工安裝方便、水力性能好等特點(diǎn)，所以選用硬聚氯乙烯硬塑料管，工作壓力為0.4Mpa，出地管采用0.4Mpa的PVC管。干管經(jīng)濟(jì)管徑的選擇，以運(yùn)行費(fèi)和一次性費(fèi)用投資最小來(lái)確定，同時(shí)便于操作即水錘不易破壞管道安全。經(jīng)試算比較，確定各干管、分干管的管徑。因此干管的設(shè)計(jì)任務(wù)就是確定干管的最經(jīng)濟(jì)管徑。

3.5 工程投資

整個(gè)節(jié)水灌溉工程投資包括土建工程和材料費(fèi)用兩大部分。土建工程包括土方工程和輔助建筑材料。土方工程包括管槽土方開挖、回填、以及檢查井、排水井的土方開挖、回填等。輔助建筑材料費(fèi)用和土建費(fèi)用按當(dāng)?shù)貎r(jià)格計(jì)算。節(jié)水工程材料費(fèi)用和安裝費(fèi)用。工程材料按工程設(shè)計(jì)圖進(jìn)行預(yù)算，材料價(jià)格按西安當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)格計(jì)算。安裝費(fèi)用為工程料費(fèi)用的10%。endprint

3.6 施工安裝與后期管理

滴灌工程施工必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)進(jìn)行，并遵守有關(guān)規(guī)定和相關(guān)程序，做好施工記錄。根據(jù)滴灌系統(tǒng)所有權(quán)的性質(zhì)，應(yīng)建立相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)管理機(jī)構(gòu)，固定工作人員，實(shí)行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，分級(jí)管理或集中管理，具體實(shí)行工程、機(jī)泵、用水、用電等項(xiàng)目管理。為提高滴灌工程管理水平，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，明確工作職責(zé)和任務(wù)，建立和健全各項(xiàng)規(guī)章制度，實(shí)行滴灌產(chǎn)業(yè)化管理。

4 結(jié)論及建議

和傳統(tǒng)的地面灌溉相比，膜下滴灌不僅可以節(jié)水70%～80%，還可以節(jié)省投資約60%左右，灌溉運(yùn)行的成本也僅有傳統(tǒng)灌溉方式的30%左右，如噴灌等。膜下滴灌工程由于其不用修渠，管道基本埋在地下，因而提高了3%～5%的土地利用率。由于膜下滴灌具有顯著的節(jié)水增產(chǎn)效果，因而在我國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)，在地形復(fù)雜的山區(qū)，丘陵地區(qū)，在戈壁、沙漠和透水性強(qiáng)的砂質(zhì)土壤及鹽堿土地區(qū)極有發(fā)展前途。

盡管膜下滴灌系統(tǒng)節(jié)水增產(chǎn)效果顯著，但使用過(guò)程中也有幾點(diǎn)問題值得注意。覆蓋的塑料薄膜難降解，因此我們?cè)谶x擇時(shí)應(yīng)盡量選擇可降解薄膜，政府在此可以進(jìn)行一定補(bǔ)貼，大力推廣可降解薄膜；地表裸露部分管道抗老化以及抗凍能力太弱，極易破壞，因而一定程度上增加了用戶的投入成本，建議今后應(yīng)用前與生產(chǎn)廠家主動(dòng)聯(lián)系，有針對(duì)性的選擇生產(chǎn)管道，提高利用率；推廣力度不夠，全國(guó)缺水地區(qū)應(yīng)用不夠廣泛，一次性投資大，因此如何進(jìn)一步推廣滴灌技術(shù)仍是我國(guó)面臨的一個(gè)難題。

參考文獻(xiàn)

[1]高傳昌，吳平，等.灌溉工程節(jié)水理論與技術(shù)[M].河南：黃河水利出版社，2005.

[2]郭樹龍，溫季，賈樹寶，等.農(nóng)業(yè)灌溉工程[M].河南：黃河水利出版社，2012.

[3]黃儒欽等.水力學(xué)教程[M].四川：西南交通大學(xué)出版社，2006.

[4]張承林，鄧蘭生.水肥一體化技術(shù)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2012

[5]高玉山，孫云云，劉方明，等.玉米膜下滴灌水肥一體化技術(shù)研究進(jìn)展[J].玉米科學(xué)，2016，24（26）：155-159.

[6]周衛(wèi)平.微灌工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社， 1999.

[7]GB/T 50485-2009，微灌工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[8]張亞哲，申建梅，王建中.地面滴灌技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2007，1（01）：20-26.

[9]黃興法，李光永.地下滴灌技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（02）：176-181.

[10]李軍平.地下滴灌技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].地下水，2012，34（03）：115-116.

[11]仵峰，宰松梅，叢佩娟.國(guó)內(nèi)外地下滴灌研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].節(jié)水灌溉，2004，1（01）：25-28.

[12]戴婷婷，張展羽，邵光成.膜下滴灌技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)分析[J].節(jié)水灌溉，2007，1（02）：43-44，47.

[13]王立新.膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用分析與研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2013，19（02）：77-78.

[14]徐力強(qiáng).新疆棉花膜下滴灌技術(shù)分析及存在問題[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2014，34（05）：130.

[15]范文波，吳普特，馬楓梅.膜下滴灌技術(shù)生態(tài)-經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)性分析——以新疆瑪納斯河流域棉花為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（23）：7559-7567.endprint