山地果园滴灌工程参数设计

2014-03-25杨凯续海红张鹏飞郭向红康海峰赵海静王全丽

山西农业大学学报（自然科学版） 2014年3期

杨凯，续海红，张鹏飞，郭向红，康海峰，赵海静,王全丽

(1.山西省农业科学院果树研究所，山西太谷 030815；2.山西农业大学园艺学院，山西太谷 030801；3.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024)

山西省位于我国北方阴山山脉和秦岭之间，华北平原西侧的黄土高原区；境内地形复杂，山地、高原、丘陵、台地均有分布。其中山丘区面积占全省面积的80%以上，因此山西总体上呈现山地高原地形地貌特征。山西省是全国严重缺水省份，水资源总量为142亿m3(1956～1979)，为同期全国水资源总量的5.12‰，仅比宁夏多[1]。在此背景下，结合山西省黄土山地丘陵果园的管理水平，滴灌以其水分生产效率高、经济效益高等特点，逐渐成为果树生产中首选的节水模式[2]。

1973年山西省开始引进滴灌设备[3]并应用到山地果园中。进入20世纪80年代后，节水灌溉得到突飞猛进的发展。据2003年统计，全省应用到果树中的滴灌面积约有11.65 hm2[4],以灌溉水的利用率和水分生产率来衡量，仍有相当一部分和国家规范要求有较大差距，没有充分发挥滴灌适用于山区丘陵区的优势。原因包括：对区域水资源和水环境承载能力考虑不足；受果品市场价格影响，节水积极性难以调动；与农艺节水、管理措施脱节[5]等。其中因工程设计不合理导致节水效益不理想的现象较为突出[6]。

滴灌系统的管网布置应使整个滴灌系统管道长度最短、控制面积最大、水头损失最小、投资最低[7]。相比平地果园，山地果园的滴灌系统由于分布在不同的高度和平面上，是一种立体的滴灌形式[8]，一般呈不规则树形结构。本文结合山地滴灌的特点，从主要参数科学取值的角度进行探讨，以期为山地果园滴灌工程的设计起到一定参考作用。

1 果园滴灌工程规划设计主要参数

灌溉制度是果园滴灌工程规划设计的主要内容，果树灌溉制度是根据该种果树的需水量和需水规律，在有效利用降水的条件下，经过不同阶段水量平衡计算，确定灌水定额、灌水次数和灌溉定额等参数。其中最核心的就是灌水定额、灌水周期和灌水延续时间，这些技术参数与果树树种、土壤条件和管理水平等因素密切相关。因此，作为果园滴灌工程规划设计及运行管理的重要依据，要使滴灌工程设计保证率不低于85%，在工程规划设计时就要重点考虑灌溉高峰期一次灌水过程中的灌水定额、灌水周期和灌水延续时间等参数。

1.1 灌水定额

山地果园一般都为补充灌溉地区，在对果树实施滴灌时，其耗水量一般要比全面积灌溉小得多[9]，设计果树的灌水定额时，要综合考虑果园所在区域的气象、土壤条件以及果树的生长特性、需水规律等因素，不能大于果树生育期的需水量最大值。以苹果为例，李怀有等人分析了陇东旱垣山地苹果的耗水规律，发现需水量最大值出现在新梢二次生长期(7月中旬至9月上旬)[10]，阶段需水量占全生育期的33%以上，而此时正值当地集中降雨期，因此不必按照需水最大值进行灌水，否则多灌的水会产生深层渗漏，不但对果树生长毫无作用，还会降低果树对水肥的利用率[11]。

微灌工程技术规范(GB/T 50485-2009)中给出了设计净灌水定额的计算公式：

m设=0.001γzp(θmax-θmin)

(1)

式中：m设表示果树设计净灌水定额/mm，γ表示土壤容重/g·cm-3，z表示土壤计划湿润层深度/cm，p表示设计土壤湿润比/%，θmax表示适宜土壤含水量上限/%，θmin表示适宜土壤含水量下限/%。根据果树根系的分布规律和微灌工程技术规范要求，在山地果园z值一般为80～100 cm，p值一般为25%～40%。

1.2 灌水周期

灌水周期是果树两次灌水高峰期之间允许的最大间隔时间。滴灌的特点决定了其灌水周期小于由传统最大灌水定额决定的最大灌水周期。

T理论≤Tmax

(2)

T理论=m设/Ia

(3)

式中：T理论表示理论灌水周期/d，Tmax表示最大灌水周期/d，m设表示设计灌水定额/mm，Ia表示设计耗水强度/mm·d-1。设计耗水强度是指设计果树生育期最大日补充灌水强度，决定了滴灌工程配置的合理与否。由于山西省针对山地果园的滴灌灌溉现阶段尚无灌溉试验资料，Ia的取值参照《微灌工程技术规范》中给出的范围，在3～7 mm·d-1之间进行取值。

果园内如果定植多个树种的果树，应该按照不同树种的定植比例和同时段各树种的灌水周期综合分析以确定综合灌水周期。

(4)

式中：T综合表示理论综合灌水周期/d，αi表示第i种果树的种植比例/%，T理论i表示第i种果树的理论灌水周期/d，n表示控制区内的果树种类数。

1.3 轮灌小区及灌水延续时间

灌水延续时间的长短，是影响滴灌工程设计的重要参数。在山地果园滴灌系统中，为科学设计果树的灌水延续时间，提高设备利用率，需要确定各轮灌小区的划分。简单划分可按山顶、山腰、山脚不同部位进行[12]，精确划分则要综合考虑果园地形地貌、轮灌组流量相近原则等因素，对各小区流量、地面高程、控制面积大小反复核算多次组合后最终确定。此外，按照轮灌工作制度进行滴灌工程设计时，各小区要尽量小，面积尽量接近，一个灌水周期内最好能轮灌一遍。

t设=m设SeS1/q设

(5)

式中：t设表示设计一次灌水延续时间/h，Se表示灌水器间距/m，S1表示毛管间距/m，q设表示灌水器设计流量/L·h-1。一般来讲，滴灌系统的灌水延续时间不得大于22 h。

1.4 灌水器流量和水头偏差

山地果园中的每一个灌水小区均要求是独立的灌水均匀性单元，可以是一条毛管，一个支管单元或是一个轮灌组。灌水小区的流量偏差直接影响着灌水的均匀程度，山地果园可以用流量(水头)偏差率来进行滴灌系统水利设计，且设计允许的流量偏差率应≤20%。

qv=(qmax-qmin)/qd×100

(6)

hv=(hmax-hmin)/hd×100

(7)

式中：qv表示灌水器流量偏差率/%，qmax表示灌水器最大流量/L·h-1，qmin表示灌水器最小流量/L·h-1，qd表示灌水器设计流量/L·h-1；hv表示灌水器水头偏差率/%，hmax表示灌水器最大工作水头/m，hmin表示灌水器最小工作水头/m，hd表示灌水器设计工作水头/m。

1.5 设计过滤器进口与出口压力差

设计使用过滤器时，要充分考虑进口与出口的压力差，压差设计较小或较大都会影响正常灌溉，甚至因过滤网无法承受较大的压差而严重影响使用寿命[13]。

Δh=Δh0+Δhmax

(8)

式中：Δh表示过滤器设计进口与出口压力差/m，Δh0表示过滤器通过洁净水流时进口与出口压力差/m，Δhmax表示过滤器工作时允许进口与出口增加的水头差/m。

1.6 灌水器进口压力

由于山地果园滴灌系统是根据地形条件沿山脊或高地设置总干管、分干管、支管和灌水器,因而灌水器进口压力较平地大得多，系统设计时要充分考虑运行时动水压、静水压、水锤、负压等给管网及灌水器造成的损害。一般的做法是以灌水器所能承受的极限压力进行水力校核、合理划分调压范围，不能满足要求的还需加设调压器，以免运行时导致灌水器爆裂[14]。