绿地渗灌节水技术研究概述

王　丽　陈莉丽　苏德荣

摘要:从渗灌技术的系统设备、理论计算、应用实践、研究成果等几个方面概述了国内外的研究情况,并介绍了渗灌节水技术的特点,最后提出了一些关于今后发展渗灌技术的建议。

关键词:绿地;渗灌;节水

中图分类号:S275文献标识码:A文章编号:1006-6500(2009)02-0051-05

Study on Water-saving Technology of Subsurface Irrigation for Greenbelt

WANG Li1,CHEN Li-li1,SU De-rong2

(1.Garden Management Bureau of Hexi District,Tianjin 300061,China;2. College of Resources and Environment,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Abstract:From several aspects of the subsurface irrigation technology equipment, theory, the application of practice and research results and so on, the research status at home and abroad were summarized. And the characteristics of water-saving technology of subsurface irrigation were introduced.At last, the proposals on its future development were made.

Key words: greenbelt;subsurface irrigation;water-saving

目前,我国水资源供需矛盾日益突出。据对全国640个城市的调查表明,每年缺水城市达300多个,其中严重缺水的城市114个,日缺水1 600万t ,每年因缺水造成的直接经济损失达2 000亿元,全国每年因缺水少产粮食700亿～800亿kg。预测2010年,全国总供水量为6 200亿～6 500亿m³,相应的总需水量将达7 300亿m³,供需缺口近1 000亿m³。2030年全国总需水量将达10 000亿m³,全国将缺水4 000亿～4 500亿m³[1]。由此可见,我国水资源供需面临非常严峻的形势,如果在水资源开发利用上没有大的突破,在管理上不能适应这种残酷的现实,水资源很难支持国民经济迅速发展的需求,水资源危机将成为所有资源问题中最为严重的问题[2]。

天津是一个严重缺水的城市,全市人均水资源占有量为160 m³/人,不足中国人均水资源占有量的1/15,在总用水量中,农田灌溉用水占总用水量的57%。王红瑞、刘晓燕[3]的研究结果表明,水资源紧缺使北京市1981—1995年GDP损失量达128.14亿元,平均年损失率为1.72%,并且这种损失还在逐年递增。天津市面临着和北京同样的问题,水资源的短缺已成为天津市国民经济发展的重大瓶颈。彻底解决天津市水资源短缺状况的根本途径是开源节流并举,特别是节流应当放在首位。从目前情况看,天津在缺水的同时,水资源浪费现象依然比较严重,节水有着很大潜力。全国的分析计算得知,通过降低工艺耗水和提高工业用水的重复利用率,全市工业用水每年可再节约0.4亿m³。通过在居民生活区、宾馆、公寓、饭店发展中水回用,园林、公共绿地实施节水灌溉,每年可有0.3亿m³的节水潜力[4]。因此,在实施南水北调工程的同时,天津市大力开展再生水利用、海水利用、微咸水利用等非常规水源的利用研究,以补充常规水资源利用的不足,科学调度、高效利用、优化配置、有效保护和综合治理,缓解和改善水资源供需矛盾,满足经济社会发展的用水需求。

1国外渗灌技术的研究进展

地下滴灌以其无可比拟的优点,己成为近几年世界各国节水灌溉专家研究的热点,并取得了很大的进展。早在19世纪中叶,国外就出现了用有孔管道进行灌溉的设想和研究[5]。20世纪80年代以来,以美国的Tomas、Camp、Hene等为代表的一批灌溉专家对地下滴灌的土壤水分运动进行了深入细致的研究,促进了地下滴灌技术的发展。Tomas等[6]分析了模型中的水力传导度与毛细水势的关系,讨论了地下滴灌中毛管间距、毛管深度的设计问题。Tomas等[7]以毛细管水势为变量,模拟地下滴灌线水源分布,并进行了验证,以此选择毛管间距和深度。Philip[8]以地上、地下滴灌点水源为对象,建立了三维非饱和土壤水运行模型,模拟各种无限、半无限区域的水分运动过程。Philip[9]利用球型波函数得到了模型的精确解,但由于在自由界面上线性化,多维模型应用中存在一些不足,为了描述饱和区,Philip将线性化点水源的位置上移,得到较为精确的结果。

寻求解决地下滴灌的堵塞问题也是地下滴灌研究的一个重点,如前述的在毛管末端增加冲洗管,定时冲洗等。针对地下滴灌中可能存在的负压吸泥现象,以色列Plasta公司发明了一种内镶式压力补偿式滴头,其最显著的特点是当灌溉停止时,滴头出口自动被锁住,可防止负压吸泥。对于根系的向水性,有可能致使作物根系入侵灌水器而堵塞出口,Solomon等[10]对草坪灌溉的各种灌水器进行评估,发现只有2个灌水器没有根系进入。对此,Ruskt等[11]提出在灌溉水中加入一种化学药剂,从而阻止根系的入侵,并已成功使用近10年。

目前,国内外尚无针对地下滴灌管网水力性能的研究,而有关地表滴灌管网水力性能的研究比较多。1979年在美国亚利桑那州Coolidge附近安装了第一个棉花地下滴灌系统,面积0.2 hm²,至1985年已有约0.8万hm²棉田安装了地上与地下管道,当地称为“亚利桑那系统”,开始了真正意义上的地下滴灌系统应用和研究。Valiantzas[12]、Wu等[13]采用水力梯度等方法对管网水力性进行了分析,Amoozergar等[14]采用诺模图进行管网设计,Dandy等从设计和运行管理角度谈了多个灌水单元的微灌系统优化设计。以色列Naan公司的棉花和果树地下滴灌系统己正常运行3年多。美国Lamm等人[15]宣布,他们的地下滴灌系统已成功使用10年。美国堪萨斯州立大学从1989年开始,连续进行了10年的大田作物地下滴灌研究,已累计完成22个地下滴灌的研究项目,对地下滴灌的设计、维护和经济性及长期效应做了广泛的研究,编写了正确使用地下滴灌的多种技术指导材料。

地下滴灌可利用污水进行灌溉,美国堪萨斯州己将地下滴灌作为利用污水进行大田作物灌溉的一种主要灌水技术。据估计,美国地下滴灌面积已达15.607万hm²,分别占微灌面积和灌溉总面积的5%和0.6%[16],从这看出最早的渗灌和滴灌是从农业应用开始的,在园林树木和城市草坪中应用也是近几年才开始的,只用做示范,真正实施的还不多,一是因为它的工程造价较常规灌溉高,另外,一种新的技术在开始都是很难被人们所接受和认可的。

2国内绿地节水技术的研究进展

为了从根本上解决城市绿地的用水问题,还城市一个真正的绿色环境,节水技术得到了发展,首先得到大家认可和应用广泛的是喷灌,这是因为近年来我国草坪业发展迅速,绿地覆盖面积成倍增加,城市建设越来越向园林化方向发展。草坪业发展的同时带动了草坪基础设施建设。因此,作为草坪建设重要技术支撑的草坪灌溉技术,在草坪面积增加的同时也得到了迅速的发展。喷灌是目前最主要的草坪灌溉方法。喷灌特别适合于密植和低矮植物的灌溉,具有灌水比较均匀,增加空气湿度,改善小气候环境,能淋洗植物叶片,保持花草树木鲜嫩等优点。但是喷灌受风的影响比较大,在干旱气候条件下,水滴在空气中的漂移、蒸发损失比较大,影响灌溉水的利用率。

除喷灌之外,还有微喷灌即微灌技术,微灌技术就是灌水量微小的灌水技术,一般包括微喷灌、滴灌和渗灌。灌溉水通过低压管道直接送到每棵作物的根部附近,并通过灌水器(滴头、微喷头、渗水管、渗头等)将水散布在根区,湿润根部附近土壤。与地面灌溉相比其灌水量少,灌水间隔时间短,土壤湿度变幅小。由于蒸发、渗漏损失小,比喷灌、地面漫灌分别省水30%和75%,工作压力一般为50～200 kPa,仅为喷灌的1/3到1/2,作物根区土壤经常保持良好的水气状况。

2.1滴灌技术的研究与应用

我国在不断改进传统地面灌水技术的同时,也十分重视滴灌技术的理论和实践研究。自1974年引进滴灌技术以来,其发展经历三个阶段:第一阶段,20世纪80年代主要引进、消化和试制有关滴灌设备。在这期间引进了墨西哥的滴灌产品,自行发展滴灌带和小管出流产品;第二阶段,从80年代到90年代,属于缓慢发展阶段,主要对已有产品进行改进,开发了孔口式、补偿式滴头,丰富了滴灌设备品种,产品质量有所提高,对我国滴灌设备开发和应用起推动作用;90年代以后是滴灌技术发展的第三阶段,该阶段许多地区连续干旱,水资源短缺加剧,城市人口急剧增加,为解决这些问题,国家对农业节水十分重视,投入相对增加,极大地促进了滴灌系统的发展,改进研制了新的滴灌设备及其配套产品,引进国外部分先进技术和设备,使滴灌技术在我国北方果园、设施农业及蔬菜保护地有了较大发展,制定了滴灌设备技术标准和技术规范。

滴灌系统作为一种新型的灌水技术,在理论和实践方面都积累了大量的经验。我国学者张思聪等[17]、李恩羊等[18]就地下滴灌(渗灌)条件下非饱和土壤水的二维流动作了数学模拟。在国家自然科学基金重大项目“华北平原节水农业应用基础研究”(1993—1996年)中,吕谋超等[19]对地下滴灌土壤水运行进行了试验,在此基础上,杵峰对地下滴灌条件下土壤水分的运动进行了模拟。以上这些研究为弄清地下滴灌条件下土壤水分运动规律打下了基础。

我国“九五”攻关中也成功地研究出了类似以色列Plasta公司发明的内镶式压力补偿式滴头的地下滴灌灌水器。王金如[20]把等比降法和平均水头法在微灌设计中的应用作了深入研究。康跃虎[21]根据微灌设计中对平均灌水流量和灌水均匀度的要求,用水力学解析的设计方法提高了管网(干管、支管、毛管)的水力学设计精度。我国学者张国祥采用等流量设计法对微灌管网进行设计,该系统采用哈迪公司生产的双壁滴灌管作为毛管,毛管间距1 m,平均长182 m,埋深15～25 cm,设计流量为6 L/(h·m),系统的首部装有砂过滤器。在生产实践中人们认识到,在有过滤设备的前提下,影响系统寿命的决定因素是毛管定期冲洗与否,为此,应在毛管下游加设一条冲洗管道,采用免耕法,3年后原毛管废弃,重新铺埋毛管。应用表明,地下滴灌适用于田间轮作,节省了铺设和回收毛管的用工,有利于田间管理和降低作物垄床中的盐分。此后,地下滴灌系统在多种作物上得到应用,从大田的棉花、玉米、土豆、蔬菜到果园的柑橘、菠萝、梨树以及草地等,均取得了较好的节水、增产效果,系统运行良好。

滴灌毛管的水力学计算公式不断趋向完善。如陈阳生[22]通过实验模拟得出“改性聚乙烯(PE)软管沿程阻力系数经验公式λ= 0.33/Re0.25”与布莱修斯沿程阻力系数公式λ= 0.316 4/Re0.25相差仅为2%,不同雷诺数下的沿程阻力系数适用于聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)管组成的管网沿程水头损失,改性的聚乙烯软管用于低压滴灌,这为计算机模拟滴灌系统奠定了基础。滴灌支管的管网优化设计出现了许多计算方法,王留运[23]阐述了不同地形条件下毛管压力沿长度分布的情况。低压力水头滴灌系统研究也出现了一些新的内容,北京林业大学苏德荣等[24]采用滴灌带(特性系数x = 0.349 6,k = 0.515 5)和滴灌管滴头(特性系数x=0.471 9,k=0.491 7)在自流式滴灌系统中进行研究,其结论为:在其压力水头变化范围内,压力水头越低,毛管灌水均匀性越差。由于其采用的滴头类型单一,压力水头在有限范围内变化,因此,其结论具有一定的局限性。王伟等[25]从灌水量对土壤湿润体分布角度研究表明,在低压水头下滴灌,对沙性土壤入渗深度大而水平距离小,粘性土壤水平扩散距离大而入渗深度小。灌水总量、土壤质地和灌水间距相同时,灌水器流量小时,湿润体体积较大,并且土壤水分向下运动趋势增大时,总希望土壤湿溶体体积比较大,水分有效湿溶作物根部周围的土壤,提高水分生产效率。

2.2渗灌技术的研究与应用

渗灌是一种地下微灌形式,目前关于渗灌还没有一个统一的、获得共识的定义,一般认为“地下暗管灌溉”、“地下浸润灌溉系统”、“地下灌溉”等名词是渗灌的同义语。地下滴灌做渗灌讲,地下渗灌是将低压水通过埋在地下的透水管管壁微孔向外渗湿土壤,再借助土壤的毛细管作用,将水分扩散到作物根部周围供作物吸收利用的先进灌溉技术,简称渗灌。渗灌是一种新型的灌溉方式,是地下滴灌的一种,即地下滴灌的点源灌水形式。它的最大特点是将水直接送入作物根区,同时保持土壤的非饱和状态,使土中的水、气、热、肥相协调。

整个渗灌系统自上而下有水源、首部枢纽、输配水管网渗灌管等组成,其中以首部枢纽和渗灌管最为关键。

首部枢纽包括加压装置(水泵)、过滤装置(过滤器)、进排气阀、水表和控制阀门。

2.2.1渗灌管的埋深渗灌管的埋设深度决定于土壤性质、耕作情况、作物种类及冻深(北方)。适宜的埋设深度应能使灌溉水借毛细管作用充分湿润计划湿润层,特别是使表层也能达到一定的湿润程度,而深层渗漏最小。一般粘质土埋深大,砂质土埋深小。埋设深度一般30~40 cm。

2.2.2渗灌管的间距主要决定于土壤性质和供水管道的压力。土壤颗粒越细,土壤的吸水能力越强,渗灌时土壤的湿润范围也越大;土壤颗粒越粗,土壤的吸水能力越弱,渗灌时土壤的湿润范围越小。因此,砂质土中,渗灌管间距宜较小,粘质土中,渗灌管间距宜较大。另外,灌水压力较大时,渗灌管间距可稍大,低压或无压渗灌时,渗灌管间距应较小。在确定渗灌管间距时,应使相邻两条管道的浸润曲线重合一部分,渗灌管间距变化较大(为0.25～5 m)。一般来说,草坪较窄,而蔬菜、果树较宽。

2.2.3渗灌灌水压力在管壁的出水特性一定的条件下,灌水压力决定渗灌管的容许长度,也影响渗灌管的出水量。确定灌水压力的主要依据是渗灌管的最大铺设长度,一般以管道首端和末端流量偏差不超过20%为宜。我国采用的灌水压力多为5.88～29.4 kPa。

2.2.4渗灌管的长度与坡度渗灌管的长度与坡度、灌水压力、灌水流量及管道的渗水性能有关。渗灌管的种类不同,允许的最大长度也不同,发泡微孔塑料渗灌管的允许长度在百米以上。塑料打孔渗灌管为20～68 m,滴灌毛管为70 m,滴灌带为100～200 m。确定渗灌管适宜长度的依据是使管道首尾两端土壤湿润均匀,而渗漏损失较小。目前,我国渗灌采用的管道长度一般为20～50 m。坡度应根据管道长度与地面坡度而定,一般为0.001～0.005,无坡度情况也可(有压)。

2.2.5渗灌管的出流量渗灌管的出流量与土壤物理性质特别是土壤的渗水性能有关。重壤土每延长米渗灌管的出流量以0.009～0.010 m3/h为宜;中、轻壤土每延长米渗灌管的出流量以 0.012～0.016 m3/h为宜;砂壤土每延长米渗灌管的出流量0.016～0.020 m3/h为宜[26]。

3渗灌节水技术的特点

与其他灌水方法相比,地下渗灌主要有8方面的优势:(1)节水 渗灌是一种地下灌溉方式,直接转化为根层土壤水,无蒸发、漂移和深层渗漏损失。灌水后土壤表层保持干燥,株间蒸发减少;同时通过控制灌水量,也可以有效减少深层渗漏。所以水的有效利用率最高,渗灌较其它灌水方式节水,它比喷灌节水50%～70%,比沟灌节水50%～70%,比滴灌节水10%;(2)节能 渗灌属于低压灌溉,灌水压力一般为5.88～29.42 kPa,所以渗灌较喷灌、微喷等灌水方式节省能源;(3)降湿 当用于棚室灌溉时,由于渗灌只湿润作物根部,表土干燥,从而减少了地表土壤的蒸发,降低了棚室内空气的相对湿度;(4)增产土壤处于非饱和状态,有利于水、气、热相协调,地表不板结,不破坏土壤肥力和结构,故增产增效,比喷灌增加约50%的产量;(5)管道等设备埋在地下,既可延长使用寿命,管道可用10 a以上,又可有利于农艺、机械作业等田间管理,而且抵抗外界干扰能力强,基本不占农田,无需细平整土地,可提高土地利用率4%以上;(6)设备固定,操作管理简单,易实现自动化,维护管理费很低;(7)渗灌时,地表下5～10 cm土壤比较干燥,温湿条件差,能有效抑制杂草的生长和病虫害繁殖,对草坪、作物的生长效果很好,对树木的效果不太明显,可节约大量农药、锄草剂和劳力。

地下渗灌相对于其显著的灌溉节水优势,其缺点也是明显的:(1)渗灌管容易堵塞。渗灌管堵塞是渗灌发展的致命问题,主要有物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种类型,直接影响渗灌系统的灌水均匀度和渗灌系统的使用寿命;(2)渗灌灌水均匀度差。由于渗灌管易堵塞,致使渗灌的灌水均匀度差,严重影响渗灌的灌水质量。渗灌系统埋入地下,对灌水器流量不能进行直接测量,因而对系统灌水均匀度的评价非常困难;(3)检查维修成本高。如果应用在农作物上,在作物发芽阶段需要灌溉时,应采用其他灌溉方法,增加系统投资成本;灌溉时应频繁冲洗支管、毛管,以去除管中积累的土壤颗粒等沉积物,增加了人工维护成本;系统中应安装空气阀,减少毛管中的负压,以免土壤颗粒进入渗头中增加维护设备成本,因此,系统发生故障时,检查、维修时间长,费用高,并且对系统日常运行管理要求非常严格;(5)埋深和深层渗漏之间存在矛盾。

4关于发展渗灌技术的一些建议

(1)渗灌技术从理论到设备都还不完善、不成熟,需要加大人员和经费的投入力度,进行渗灌设备的研发和科学研究工作。

(2)渗灌技术的推广应用不能盲目。虽然渗灌是目前国际上最先进、最经济而又最有发展前途的节水灌溉技术,相比其他灌水技术具有明显的节水节能优势,但是相对其系统设备、维护检修成本、频繁的系统冲洗、优质的过滤设备和技术、良好的灌溉水质以及先进的灌溉运行管理等前期投资成本较高,同时这也是维持系统正常运行、节水节能、使用期较长的主要因素。因此,渗灌技术还不是一种成熟的灌水技术,所以对渗灌的应用要慎重。

(3)渗灌技术首先应用在保护地栽培和果树等经济价值较高的作物上,这样能最大限度地发挥渗灌技术的优点,增产增效,渗灌在某些农业产业中应用状况良好。

(4)渗灌技术作为节水灌溉途径在我国还属于较新的领域,目前渗灌管的微孔堵塞,灌水不均匀,抑制作物毛细根发展等问题急需快速解决,这样才能使渗灌技术更完善,发挥其更大的经济和社会效益。

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