連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊曉桐

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 研究背景

實(shí)現(xiàn)水資源高效利用與保護(hù)，是國(guó)家推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)低碳技術(shù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，應(yīng)對(duì)全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的共性關(guān)鍵基礎(chǔ)[1]。傳統(tǒng)的大水漫灌方式使中國(guó)成為農(nóng)業(yè)用水大戶，其用水量占比高達(dá)全國(guó)總用水量的70%，而水的有效利用率卻僅為30%～40%。此外，在整個(gè)農(nóng)業(yè)用水中，90% 的水資源用于農(nóng)田灌溉[2]，因此，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)是提高農(nóng)業(yè)灌溉效率的重要途徑?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》明確提出，要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水，大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉。目前主要存在如何開(kāi)展節(jié)水灌溉和節(jié)水灌溉技術(shù)能否提高灌溉效率問(wèn)題。解決上述問(wèn)題，對(duì)于提高中國(guó)糧食產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

節(jié)水灌溉技術(shù)是以節(jié)約水資源為特征的資本和技術(shù)密集型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素[3]，通過(guò)改善生態(tài)環(huán)境和優(yōu)化人力資源配置實(shí)現(xiàn)減貧效果[4]。從生態(tài)效應(yīng)來(lái)看，節(jié)水灌溉技術(shù)不僅可以改善社會(huì)和生態(tài)環(huán)境[5]，而且具有顯著的生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)，并具有一定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效應(yīng)，例如：可使玉米增產(chǎn)10 kg/0.067 hm2[6]，胡蘿卜增產(chǎn)21%[7]，促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量和收入的增加等。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)水灌溉技術(shù)具有多種特點(diǎn)，包括步行灌溉、噴灌和微灌，但不同灌溉技術(shù)的應(yīng)用范圍也不同。根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，選擇合適的灌溉技術(shù)，既能節(jié)約水資源，又能提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。噴灌技術(shù)系統(tǒng)是指噴灑灌溉，它采用動(dòng)力機(jī)和水泵管道等專用噴水設(shè)備，將水加壓后，利用自然水滴將水輸送到需要灌溉的部位，再通過(guò)噴水器將水噴入空中形成密集的小水滴，均勻分布在地面上。根據(jù)灌溉系統(tǒng)方式的不同，主要分為固定式噴灌系統(tǒng)、半固定式噴灌系統(tǒng)和移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)。系統(tǒng)采用固定式噴灌，即所有部件均固定，或除噴頭外其他部件均固定。

連接器是指上端開(kāi)口或底部開(kāi)口的容器。如果連接器內(nèi)裝有相同的液體，連接器與外界相連，兩邊沒(méi)有壓差，根據(jù)液體的壓力公式P=ρgh可以看出，液體連接器兩側(cè)的水平面應(yīng)保持平整。連接器節(jié)水灌溉系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)際情況選擇噴灌技術(shù)和連接器的組合，將幫助人們滿足戶外種植花卉或小型植物的需要，從而達(dá)到節(jié)約水資源和改善農(nóng)業(yè)的目的。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

本系統(tǒng)采用固定式噴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，具有節(jié)約灌溉用水、避免破壞土壤結(jié)構(gòu)、改善地面氣候和不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 節(jié)水

噴灌可以控制水量及均勻性，避免地表徑流和深層滲漏損失，提升水的利用率，比傳統(tǒng)的漫灌節(jié)水30%～50%，同時(shí)，噴灌可以在一定程度上節(jié)約電力，降低灌溉成本。

2.2.2 省力

噴灌更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，從而節(jié)省了勞動(dòng)力。由于田間沒(méi)有水溝，不僅有利于機(jī)械作業(yè)，而且減少了田間勞動(dòng)力。此外，肥料和殺蟲(chóng)劑可以并入噴灌系統(tǒng)，以減少勞動(dòng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，噴灌的勞動(dòng)力消耗不到地面灌溉的20%。

2.2.3 提高土地利用率

使用噴灌時(shí)，不再需要田間灌溉溝渠和壟溝。與傳統(tǒng)的地面灌溉相比，可以充分利用耕地面積，提高土地利用率。通常，它可以增加7%～10%的耕地面積。

2.2.4 增產(chǎn)

噴灌有利于準(zhǔn)確控制土壤水分，使土壤水分保持在最適合植物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。此外，在噴灌過(guò)程中，水滴可以沖走作物莖葉上的灰塵，有利于植物的呼吸和光合作用。此外，噴灌不會(huì)對(duì)土壤造成侵蝕等破壞，從而保持土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使土壤疏松多孔，且具有良好的通氣性，從而提高產(chǎn)量，尤其是蔬菜產(chǎn)量。

2.2.5 適應(yīng)性強(qiáng)

噴灌對(duì)不同地形適應(yīng)性強(qiáng)。它不需要像地面灌溉那樣平坦的土地，可以灑在斜坡和不平的地面上，特別適合噴灌在土層薄和透水性強(qiáng)的砂土上。此外，噴灌不僅適用于所有的大田作物，而且對(duì)不同的經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜和草地也有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)有效地將連通器系統(tǒng)和噴灌技術(shù)結(jié)合在一起，能夠在晴天時(shí)增加灌溉系統(tǒng)內(nèi)噴灑的水量，在陰雨天時(shí)減少系統(tǒng)內(nèi)噴灑的水量。

2.3.1 晴天時(shí)

由于溫度升高，紫外線增強(qiáng)，環(huán)境內(nèi)水分減少，植物對(duì)水分的需求量增加用以保證正常的光合作用。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)因溫度升高，連通器內(nèi)水分蒸發(fā)量增大，水位線下降，橡膠塞帶動(dòng)硬質(zhì)桿隨之下降，噴管系統(tǒng)的閥門逐漸擰松，灌溉量增加，保證了植物正常的水分需求。

2.3.2 陰雨天時(shí)

由于降雨量增加，溫度降低，環(huán)境內(nèi)水分充足、濕度高，植物無(wú)需額外的水分來(lái)進(jìn)行正常的光合作用。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)因?yàn)榄h(huán)境降雨和溫度下降，連通器內(nèi)水分蒸發(fā)量降低，水位線上升，橡膠塞帶動(dòng)硬質(zhì)桿隨之上升，噴灌系統(tǒng)的閥門逐漸擰緊，灌溉量下降直至停止，以免過(guò)量的水分導(dǎo)致植物不能正常生長(zhǎng)，也達(dá)到了節(jié)水的目的。

2.4 影響植物光合作用的因素

2.4.1 水量

水不僅是植物光合作用的原料之一，又是影響葉片氣孔開(kāi)閉的因素之一，間接影響其對(duì)CO2的吸收，所以植物在缺水時(shí)，光合速率會(huì)明顯下降。當(dāng)水量過(guò)少時(shí)，植物為了防止失水過(guò)多就會(huì)關(guān)閉氣孔（水分的蒸騰是通過(guò)氣孔出去的），這樣就會(huì)導(dǎo)致CO2進(jìn)氣量不足，影響了光和作用的暗反應(yīng)階段，從而使光和作用強(qiáng)度減弱。如果水量過(guò)多，會(huì)使得植物的根系得不到足夠的氧氣，只能進(jìn)行無(wú)氧呼吸。而植物的無(wú)氧呼吸產(chǎn)物是酒精，這對(duì)植物細(xì)胞有毒害作用，酒精多了就會(huì)造成“爛根”現(xiàn)象，導(dǎo)致植物根系受損，降低了光合作用。

然而該系統(tǒng)能夠根據(jù)外界環(huán)境的改變來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的灌溉水量。晴天時(shí)，環(huán)境內(nèi)水量少，灌溉量增加，以免出現(xiàn)植物缺水的情況；陰雨天時(shí)，環(huán)境內(nèi)水量多，灌溉量減少，以免出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)水量過(guò)量的情況。該系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到節(jié)約水資源的目的，也能夠提高植物的成活率。

2.4.2 溫度

作物的生長(zhǎng)過(guò)程都會(huì)受到溫度的影響,因?yàn)樵谝欢ǖ臏囟确秶?適當(dāng)?shù)臏囟壬仙梢蕴岣呙傅幕钚?加快光反應(yīng)速度，從而增加光合作用的強(qiáng)度。溫度影響酶的活性，植物在最適溫度時(shí)，光合作用最強(qiáng)，生長(zhǎng)速度最快，生長(zhǎng)情況最好。超過(guò)最適溫度，酶的活性減弱。溫度過(guò)高時(shí)，為了防止水分蒸發(fā)，氣孔關(guān)閉，CO2來(lái)源不足，光合作用減弱，進(jìn)而影響植物的正常生長(zhǎng)。

當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，植物的光合速率顯著降低。這是因?yàn)楦邷貢?huì)破壞催化暗反應(yīng)的相關(guān)酶，還會(huì)破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)；氧溶解度的降低超過(guò)了氧溶解度的降低，有利于光呼吸，但不利于總光合作用；在高溫下，葉片的蒸騰速率加快，葉片失水嚴(yán)重，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，CO2供應(yīng)不足，在這些不同因素的共同作用下，必然會(huì)導(dǎo)致光合速率急劇下降。如果情況嚴(yán)重，葉片會(huì)因過(guò)度失水而枯萎，甚至干枯死亡。

然而該系統(tǒng)能夠根據(jù)外界環(huán)境的改變來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的溫度。晴天時(shí)，灌溉量增加，可以有效地降低系統(tǒng)內(nèi)的溫度；陰天時(shí)，灌溉量降低，盡可能地保證溫度不再下降，能夠達(dá)到提高植物成活率的目的。

2.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)（以胡蘿卜幼苗為例）

此試驗(yàn)分為試驗(yàn)組和對(duì)照組各9 組，分別在3 種晴天、3 種陰天和3 種雨天情況下培養(yǎng)20 棵胡蘿卜幼苗14 d，14 d后觀察其幼苗的成活率以及生長(zhǎng)情況。試驗(yàn)組使用連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)正常水位線為25 cm，并且每日記錄每組的連通器水位線位置，計(jì)算14 d 內(nèi)的平均水位線位置；對(duì)照組使用普通灌溉系統(tǒng)，灌溉水量保持在10 mL/min 不變。試驗(yàn)組與對(duì)照組晚上均停止灌溉系統(tǒng)，白天開(kāi)啟灌溉系統(tǒng)。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果

2.6.1 試驗(yàn)組（使用連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)）

表1為使用連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 使用連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The experimental results of water-saving irrigation system with connector

2.6.2 對(duì)照組（使用普通灌溉系統(tǒng)）

表2為使用普通灌溉系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 使用普通灌溉系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2. The experimental results of common irrigation system

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，2組所用總的灌溉水量非常接近，但試驗(yàn)組胡蘿卜幼苗的成活率以及生長(zhǎng)情況遠(yuǎn)好于對(duì)照組，說(shuō)明連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)能夠明顯提高灌溉效率，并且可以根據(jù)天氣變化為植物創(chuàng)造適宜的水量環(huán)境。

2.7 系統(tǒng)示意圖

連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖Fig.1. The system schematic diagram of water-saving irrigation system with con-nector

3 創(chuàng)新特色

連通器節(jié)水灌溉系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新特色有以下3 個(gè)方面：第一，系統(tǒng)內(nèi)的連通器可以一定程度將天氣變化以水位線的方式體現(xiàn)出來(lái)，為系統(tǒng)內(nèi)傳達(dá)更為直接和方便的信息；第二，系統(tǒng)的橡膠塊、硬質(zhì)桿和閥門，可以將水位線信息進(jìn)行處理，進(jìn)而控制系統(tǒng)灌溉的水量，防止灌溉水量過(guò)多或過(guò)少，無(wú)需人力干涉；第三，系統(tǒng)能夠?qū)⑦B通器和噴灌技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，并能夠保留其優(yōu)點(diǎn)，互相彌補(bǔ)不足，從而達(dá)到“1+1＞2”的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)作為中國(guó)的重要產(chǎn)業(yè)之一，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)水資源的依賴程度較高，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展中需水量和供水量之間存在的矛盾日益明顯。在這種情況下，必須實(shí)行節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水資源的利用率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。文章對(duì)當(dāng)前節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)田水利方面建設(shè)的重要性進(jìn)行分析，并且提出了相關(guān)的解決辦法，希望能對(duì)當(dāng)前的農(nóng)田水利建設(shè)有幫助，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整和優(yōu)化。