黄土高原区果树滴灌的投资控制分析

2014-05-01郭向红续海红张鹏飞康海峰赵海静李一路

山西农业科学 2014年4期

杨凯，郭向红，续海红，张鹏飞，康海峰，赵海静，李一路

（1.山西省农业科学院果树研究所，山西太谷030800；2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024；3.山西农业大学园艺学院，山西太谷030801）

山西省位于我国北方阴山山脉和秦岭间、华北平原西侧的黄土高原区。全省水资源总量142亿m3（1956—1979年），在全国32个省、自治区中，仅比宁夏多，为同期全国水资源总量的5.12‰。其人均占有水资源量为487m3/人（按1990年人口数），每公顷年均占有水资源量仅为3 726m3，相当于全国人均的20.2%，每公顷年均占有水资源量的13.8%[1]。河川径流量与全国同期相比，人均17%，每公顷年均占有水资源量11%，而且“十年九旱”是山西省的基本气候特征[2]，山西是我国严重缺水的省份。

20世纪70年代，山西省在黄土高原丘陵区建设的许多灌溉工程因水资源问题陆续荒废[3]，同期开始引进滴灌设备，并应用到山地果园中，且取得了较为明显的节水增产效益。进入20世纪80年代后，节水灌溉得到突飞猛进的发展，1997年新增节水灌溉面积10.2万hm2，1998年新增13.3万hm2[4]。截至2003年底，全省共有滴灌面积1.786万hm2，其中应用到果树中的面积约有11.65 hm2[5]，但以灌溉水的利用率和水分生产率来衡量的话，仍有相当一部分与国家规范要求有较大差距，没有充分发挥出滴灌适于山区、丘陵区的优势。其原因主要是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[6]，也存在工程设计不合理、节水效益不理想的情况。

价值工程（Value Engineering，VE），是一门新兴的管理技术，是降低成本、提高经济效益的有效方法，通过分析研究对象的功能和费用来提高对象的价值。其理论基础为：

式中，F（function）为功能重要性系数，C（cost）为成本系数，V（value）为功能价值系数。

在果树滴灌工程中，首部枢纽系统和输水系统占工程投资的80%以上，将其作为价值工程的分析对象，通过降低该项费用来降低工程投资，从而达到提高价值的目的。为此，就需要确定工程实施后欲定植树种的设计灌水定额、灌水周期、灌水延续时间等主要参数及适宜的输水管道，实现优化设计。笔者应用价值工程原理对果树滴灌工程进行优化设计，着重对规划设计中主要参数的取值方法进行探讨，以期为黄土高原区果树滴灌工程设计起到一定指导作用。

1 果树滴灌工程规划设计主要参数

灌溉制度是滴灌工程规划设计的主要内容及运行管理的重要依据，同时也是控制工程投资的重要环节。由于果树大多栽培于丘陵、山地，较其他作物更易受到水分胁迫的影响[7]，因此，制定果树的灌溉制度就显得尤为必要。果树灌溉制度是根据果树的需水量和需水规律，在充分利用有效降水的条件下，经过果树生育期各个阶段水量平衡计算，确定的灌水定额、灌水次数和灌溉定额等参数。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，其中最核心的就是灌水定额、灌水周期和灌水延续时间。

1.1 设计果树灌水定额

滴灌是利用专门的灌溉设备，将有压水流变成水滴浸润土壤表面和作物根区，并借助重力和毛管作用入渗的灌水方法。由于其灌水利用率高、灌水定额较小，因此，用较少的水资源就可以灌溉更多的面积。

设计灌水定额时，要综合考虑果树的生长特性、需水规律和项目实施地的气象、土壤等条件，注意不能大于果树生育期的需水量最大值，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[8]。《微灌工程技术规范》（GB/T 50485—2009）中规定：

式中，m设为果树设计净灌水定额（mm）；γ为土壤容重（g/cm3）；z为土壤计划湿润层深度（cm）；p为设计土壤湿润比（%）；θmax为适宜土壤含水量上限（%）；θmin为适宜土壤含水量下限（%）。在黄土高原区，z值一般为80～100 cm，p值一般为25%～40%。

黄土高原区属典型的补充灌溉地区，在对果树实施滴灌时，其耗水量比全面积灌溉小得多，但果树生育期的需水最大值不代表就是灌水最大值。如苹果的需水量最大值出现在新梢2次生长期（7月中旬至9月上旬），阶段需水量占全生育期的33%以上[9-10]，而此时正值黄土高原地区集中降雨期，就不必按照需水最大值灌水。否则，将因设计灌水定额偏大导致工程投资和运行费用的浪费。以苹果生育期的需水量为例（表1）。

表1 苹果生育期需水量

1.2 设计果树灌水周期

果树灌水周期是指2次灌水高峰期之间的最大时间间隔。滴灌的特点之一是可以实现高频灌溉，施行高频灌溉时，灌水周期小于由传统最大灌水定额决定的最大灌水周期。

式中，T为理论灌水周期（d）；Tmax为最大灌水周期（d）；m为设计灌水定额（mm）；Ia为设计耗水强度（mm/d）。其中，设计耗水强度是指设计果树生育期最大日补充灌水强度，是非常重要的一个指标，其决定了滴灌工程配置的合理与否。由于山西省针对果树的滴灌灌溉，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》（GB/T 50485—2009）中给出的范围，在3～7mm/d之间进行取值。

如果滴灌系统控制区内定植有多个树种的果树，设计单位往往会采用不同树种灌水周期中的最短周期作为设计周期，以此为标准必然加大了管网流量。目前，较科学的设计是参照各树种的定植比例，结合同时段各树种的灌水周期，综合分析后确定其灌水周期。

式中，T综合为理论综合灌水周期（d）；αi为第i种果树的栽植比例（%）；Ti为第i种果树的理论灌水周期（d）；n为系统控制区内的果树种类数。

1.3 设计灌水延续时间

果树灌水后的24 h内，水分要完全作用于有效根系分布层的土壤。如灌水不足，湿润层太浅，将影响果树根系的发育及果实品质的形成。但如果灌水区域较大，且由一个滴灌控制系统控制，这就需要大功率的动力设备及大口径输配水管道，使设备利用率降低而造成浪费。为此，要把由一个滴灌系统控制的区域划分成多个灌溉小区进行轮灌，以提高设备利用率，工程投资也能得到有效控制。按照轮灌工作制度进行滴灌工程设计时，各小区要尽量小，且面积尽量接近，小区数量及面积的确定以一个灌水周期内能轮灌一遍最好。

灌水延续时间的长短，决定滴灌工程系统流量的大小，也是影响滴灌工程投资的重要参数，取值时应慎重。

式中，t设为设计一次灌水延续时间（h）；Se为灌水器间距（m）；S1为毛管间距（m）；q设为灌水器设计流量（L/h）。

滴灌工程设计中常常存在这样的情况，设计单位较少考虑果树滴灌的设计条件，只是根据基层劳作习惯来确定延续时间为10～12 h，造成了工程投资的成倍增加。或者有的把果树一个灌水周期内的延续灌水作为灌水延续时间，如灌水周期为7 d，系统每天工作10 h，灌水延续时间就定为70 h。这样本应该1 d灌溉的水量分成7 d来进行，造成灌水湿润度不够，果树灌水不及时且灌水均匀度减少。对此，《微灌工程技术规范》（GB/T 50485—2009）中给出明确要求，滴灌的灌水延续时间不大于22 h。

2 首部枢纽系统选择

2.1 过滤系统

过滤系统的选择应遵循因地制宜的原则，根据水源地的需要选择过滤设备。以井水为主要水源的灌溉地区选择离心式加网式过滤器。以渠水为主要水源的则需要在输入系统首部建立沉淀池，再选择多级砂石过滤器[11]。过滤器的造型可参考表2。

表2 过滤器的选型

过滤器的过流量要根据滴灌系统的设计流量、工作水头及冲洗周期等要求进行选择。合理的过滤器或过滤器组合可以滤掉大于灌水器流道尺寸1/10～1/7粒径的杂质，有效地提高滴灌效能和系统使用寿命，反之则会事半功倍造成投资浪费。

2.2 施肥系统

由于黄土高原区地形多变，存在许多不可控因素，选用滴灌施肥可以大大提高肥料的利用效率[12]。在果树滴灌工程首部系统的设计过程中，一般选择压差式施肥罐，通过施肥罐将水溶性肥料和农药溶解后注入管道系统，随水滴入土壤。施肥罐按容积选型[13]。

式中，V罐为施肥罐容积（L）；F为单位面积上的一次施肥量（kg/hm2）；A 为一次施肥面积（hm2）；C0为施肥罐中允许肥料溶液的最大质量浓度（kg/L）。

3 输水系统选择

3.1 输配水管道

果树滴灌工程中输配水管道的投资占工程投资的35%左右，要求各种管及管件耐腐蚀、不生锈、抗老化，主过滤器以下至田间的管道、管件使用非金属材料。因此，选择合理的管材、管径是控制滴灌工程投资的有效途径。目前，一般选择PVC中压塑料管作为地下输水管道，输水量为200～250m3/h。铺设在地表的管道也可用PVC管，但不应透光。分支管选用φ125～180mm的PVC管。平地支管选用φ65～76mm的PE管，长度控制在160～200m之间，其中，单根长度为4～5m，最好与栽植果树行间距相等，便于机械化操作。安装滴灌带的辅助管最好要选用VPVC管，以便于安装和保管。需要注意的是，在φ＞50mm的管道末端以及变坡、转弯、分岔和阀门处均应设置镇墩；当地面坡度＞20°或φ＞65mm时，应每隔一定距离增设支墩。

3.2 灌水器

果树滴灌工程设计选用的灌水器是否合适，直接影响到工程投资、灌水质量和管理工作的难易。轻质土壤宜选用流量较大的灌水器，以增大灌溉水的横向扩散范围。黏性土壤宜选用流量较小的灌水器。不论选择哪种灌水器，其流量在灌溉区域内都不应形成地表径流。一般根据树种、种植密度和湿润比要求选择滴灌管（带）。

滴灌带由于滴灌均匀度高、抗填塞能力及抗老化性强，且成本较低，在黄土高原区普遍使用。通过综合分析，在低压条件下，边缝式滴灌带较内镶贴片式滴灌带耗能低，且灌水均匀度较好，能够达到低压低能耗滴灌技术的要求[14]。此外，还需考虑滴灌带铺设长度对滴灌工程效能的影响。一般认为，若采用滴头设计流量为1.8 L/h，滴灌带最佳铺设长度为70～90m；如果采用滴头设计流量为1.2～1.4 L/h，即4～5m水头时，滴灌带最佳铺设长度为100m[15]。