作物设计耗水强度对滴灌系统的影响分析

李 悦

(新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

0 引 言

新疆是典型的干旱半干旱灌溉农业区，土地、日照等有利于农业发展的资源丰富，但是水资源严重缺乏，而且在时空分布上不均衡。随着水资源短缺现象日趋显著，春旱和土壤次生盐碱化等问题不断出现，农业节水灌溉越来越受到人们的重视，借鉴国内外干旱区节水灌溉经验，新的高效节水技术被逐步引进并推广使用，其中滴灌技术适应新疆的实际，节水效益显著，增产效益明显，得到广泛应用。近年来，滴灌技术在新疆地区得到了长足的发展，滴灌面积大幅增加。滴灌系统的设计也日趋完善。但是在长期的设计实践中，也发现了一些值得思考的问题，比如技术参数的取值会对滴灌系统产生深远影响。滴灌工程的成功首先是规划设计必须合理。滴灌设计耗水强度是确定滴灌系统最大输水能力的依据，是滴灌系统规划设计中的一个非常关键的设计参数[1]。而且实践证明，滴灌系统设计的优劣对后期工程运行管理及工程效益的发挥均会产生一定的影响，关键设计参数确定必须予以重视。

1 设计耗水强度

1.1 概 念

1.1.1 耗水强度

耗水强度是指单位面积的植物群体在单位时间内的耗水量，常用单位为mm/d或m3/(d·hm2)，也习惯性叫做日耗水强度。滴灌耗水强度即滴灌作物需水量[1]，是作物灌溉季节月平均日耗水量。作物最大日耗水强度是指作物各生育期月平均耗水强度的峰值[2]。

1.1.2 规范中的设计耗水强度

国家标准《微灌工程技术规范》(GB/T50485-2009)条文说明中对4.0.3的说明是：设计耗水强度取值的大小直接影响到作物的产量，计算时段越短，平均耗水强度越高。因我国微灌技术主要用于缺水地区，根据水利部原行业规范《微灌工程技术规范》(SL103-95)的实践，采用灌溉季节月平均日耗水量峰值作为设计参数是适宜的。新规范考虑到各地自然、经济条件的差异和作物种植的特点，修订了设计耗水强度的取值范围[3]。

本文中设计耗水强度是指滴灌系统设计中的一个关键技术参数，一般采用的是滴灌作物年灌溉季节月平均耗水强度峰值，即它的作物生长期耗水强度最大的月份中最大的日耗水强度。

1.2 设计耗水强度的确定

《微灌工程技术规范》(GB/T50485-2009)4.0.3规定，设计耗水强度应按照当地试验资料确定，无实测资料时，可通过计算或按表1选取。规定介绍了3种确定设计耗水强度的方法。

表1 设计耗水强度 mm/d

注：①干旱区宜取上限值；②对于在灌溉季节敞开棚膜的保护地，应按露地选取设计耗水强度。

1.2.1 利用当地试验资料

对于当地有单一滴灌作物日耗水强度试验资料的，优先采用试验数据作为设计耗水强度来做滴灌系统的设计。

需要注意以下4种情况：①当地试验资料灌溉方式不是滴灌，而是地面灌或其他灌溉形式；②当地试验资料不是单一作物，而是多种作物平均值的；③当地无同一作物的试验资料，但是附近有同一作物的试验资料；④当地有同类作物的试验资料的。这4种情况的试验资料数据均有参照价值，但使用时都需要考虑修正系数。

关于修正系数的问题，可以自己做实验率定，没有条件的也可以参照专家学者普遍接受、认可的成果数据。

1.2.2 设计耗水强度计算方法

设计耗水强度的计算方法，实际上是推求作物的蒸发蒸腾量。参考作物蒸发蒸腾量ET0一直是计算作物需水量的关键，是实时灌溉预报和农田水分管理的主要参数[4]。目前计算方法众多，常用方法可分为4大类：水面蒸发法、温度法、辐射和综合法[5]。关于干旱区ET0计算的相关文献也很多。经过多年的研究已经建立了如 Jensen-Haise(1963年) 、FAO24 Blaney-Criddle、Thornthwait 以及 Hargreaves-Samani(1985年) 等基于温度计算的方法；Priestley-Taylor(1972) 以及 FAO24 Radiation (1977年) 等基于辐射的方法； Penman-Monteith (1965年，OPM ) 、 FAO24 Penman (1977年) 、Kim berley-Penman (1972年、1982年)等综合方法[6,7]。此外，半干旱地区许多学者关于作物生育期ET0模型模拟方面的研究可供参考。赵旭[8]等关于新疆旱区草地参考作物腾发量随机模拟及其应用的研究，魏光辉[9]等关于基于气象因素的内陆干旱区生育期ET0预测以及苏春辉[10]ET0计算公式在我国半干旱区的实验率定研究等等。

国际通用的是基于能量平衡和空气动力学原理的FAO56 Penman-Monteith方法。国内一些学者做过不同方法计算值的比较分析，这种方法的计算结果和实测值比较吻合。刘钰[11]曾做过参照腾发量的新定义及计算方法对比研究，得出新定义的彭曼-蒙特斯方程是个统一的、标准的计算ET0的方法，建议在国内推广应用标准化的彭曼一蒙特斯方程来计算参照腾发量，并以此为标准，校正其他经验方法和确定新的作物系数。但这种方法基于足够的气候资料系列，包括气温、风速、太阳辐射等资料，在缺乏气候资料的地区仍然有它的局限性。

计算方法本文不作赘述。总之，这些方法各有利弊，可以根据自己的实际选用。

1.2.3 利用查表的方法

查表法就是直接按照规范所给的表中数值范围斟酌取值。其实作物种类不同，其耗水特性有明显差异。即使是同一作物，在不同的生育期内耗水量也差别很大。对于既缺少试验资料，又不能用计算的方法来确定设计耗水强度的，查表法确实是最便捷的一种方法。比如，粮、棉、油等植物的取值范围4～7 mm/d，葡萄、树、瓜类取值范围3～7 mm/d。但规范中的取值范围又太宽泛，所以设计耗水强度查表取值的精确度也最差。不同作物、不同地区，不同年份，在不同生育阶段耗水强度均有差异，而设计人员查表取值，具有很大的随意性，直接影响到滴灌系统管网布置和轮灌组安排的合理性。

2 设计耗水强度对滴灌系统的影响

2.1 对滴灌系统工程造价的影响

设计耗水强度在滴灌系统设计中是一个非常重要的指标，日耗水强度取值的正确与否直接决定着微灌系统的管网配置是否经济合理，直接影响工程造价[12]。设计耗水强度的取值大小，直接影响到系统管网布置和轮灌组的安排，从而影响到工程投资造价。张志新做过研究，对于滴灌系统的输配水管网的其他管道或管段，采用续灌或轮灌，以及轮灌方式的不同，其流量是不同的。流量越分散，各级输配水管道的管径越小，需要的控制阀门越少，系统管网的造价越低；轮灌组越多，说明流量越集中，各级输配水管道需要的管径越大，需要的控制阀门越多，系统管网的造价越高。由于管材管件投资在滴灌系统总投资中所占比例一般都在60%以上，仅地面管材管件在总投资中可以占到20%以上，甚至达到30%左右。可见，设计耗水强度取值对滴灌系统工程造价的影响是不容忽视的。

但需要注意的是，尽管如此，不能为了降低系统管网造价，而把设计耗水强度取最小值，做到管网布置合理优化。规范也规定，干旱区宜取上限值，因为设计耗水强度是与地区的气候相关的指标参数，受气候因子的制约。

2.2 对滴灌系统后期运行管理的影响

滴灌系统中毛管的铺设形式是依据作物的种植结构来确定的，一天的系统工作时间不能超过22 h，一般滴灌系统连续运行20 h是可行的。笔者曾对一个玉米滴灌系统的设计参数做过计算，毛管铺设间距为1.2 m，灌水器选定为滴头流量3.2 m3/h，滴头间距0.3 m。同一系统设计耗水强度取值为4 mm/d时，灌溉周期为8 d，一次最大灌水时间为4 h，一天里可以连续灌溉5组；设计耗水强度取值为5.5 mm/d时，一次最大灌水时间为4.13 h，一天里可以连续灌溉5组；而设计耗水强度取值为7 mm/d时，灌溉周期为4 d，一次最大灌水时间为3.5 h，一天里可以连续灌溉6组。可见，设计耗水强度取值不同，作物灌溉周期的大小和轮灌组数安排差别很大，直接影响到滴灌系统后期输配水量和作物的灌溉运行管理，合理的设计耗水强度，会使运行管理便捷高效，大大节省运行费用，反之，会给后期的运行管理带来诸多不便。

2.3 对滴灌系统工程经济效益的影响

灌溉周期的计算公式：E=mmax/Ia，系统无淋洗要求时，Ia=Ea，即日供水强度等于日耗水强度。由灌溉周期计算公式可以看出，作物灌溉周期一定的情况下，设计耗水强度Ea和最大灌水定额mmax是正比的关系，也就是说，设计耗水强度大些，最大灌水定额就大，反之设计耗水强度小些，最大灌水定额就小。通俗地说就是，设计耗水强度合适，作物可以得到更充分的灌溉，设计耗水强度低，作物可能得不到充分灌溉，是非充分灌溉。而由最大灌水定额的计算公式：mmax=0.01γzp(θmax-θmin)可见，同一地块中土壤容重和田间持水量一定时，作物的湿润层深度和湿润比会受到灌水定额大小的影响，作物生育期得到充分有效灌溉，水分生产率提高，产量可以提高10%～20%；非充分灌溉和过度灌溉都会不同程度的引起作物减产或品质受损。另外，合理的设计耗水强度可以使滴灌系统轮灌制度安排科学合理，不仅后期运行管理便利，节省人力，运行费用降低，而且作物的灌水均匀度会提高5%～10%，作物的质量和产量量也会提升10%以上。总而言之，设计耗水强度会间接影响到滴灌系统工程经济效益的发挥。

2.4 对滴灌系统工程局部生态环境的影响

设计耗水强度是指在设计条件下滴灌作物的耗水强度，一般取设计年灌溉季节月平均耗水强度峰值作为设计耗水强度。设计耗水强度合理，符合滴灌系统中作物生育期实际耗水规律，对整个系统生态环境会产生有利影响。否则，会产生一些诸如：农药残留、土壤次生盐碱化、病虫害、温室小气候等不利的影响。

现在滴灌系统均采用水肥一体化，即作物所需要用的肥料养分溶解在灌溉水中从滴头滴入土壤。这种方式既节水节肥而且省时省力。设计耗水强度会影响到滴灌系统的毛管布置和灌水器的选择，必将影响到水肥的滴灌一次灌水时间、间隔时间、作物根系附近湿润范围以及土壤下渗深度，土壤吸收利用程度和蒸发损失情况等等。比如，同一个滴灌设计系统中，设计耗水强度取值5.5和5.6 mm/d，所计算的毛灌溉定额为24.44和20.74 mm，两者相差为3.70 mm，即83.4 m3/hm2。灌溉周期相差1 d，一次灌水时间相差0.63 h，一天的轮灌组数相差1组。这些必将对滴灌系统局部生态环境产生或多或少或有利或不利的影响，而且不仅影响到滴灌系统目前生态环境状况，而且影响到滴灌系统未来生态环境的可持续发展。

3 结论和建议

根据设计耗水强度对滴灌系统的影响探讨分析，提出以下4点结论和建议：

(1)设计耗水强度是滴灌系统设计中的关键技术参数，它的取值对于滴灌系统设计是否经济、后期运行管理是否便利，以及作物产量和质量的提升有着深远的影响。

(2)设计耗水强度取值的确定一定要慎之又慎。有当地和附近类似地区的试验资料时，尽量参照试验数据，或结合试验数据确定。无实测资料的情况下，在规范规定的取值范围内，结合当地地理气候特征，多对比分析当地不同作物的灌溉制度，选择相对比较合理的值，使其对滴灌系统的不利影响降到最低，有利影响发挥到最高。

(3)建议多推广各地不同作物的耗水强度的试验观测研究，以及数据分析整理工作。使各种作物设计耗水强度有试验或试验数据可循。程维新[13]做过作物生物学特性对耗水量的影响方面的研究，研究表明：作物耗水量与作物种类有着十分密切的关系，各种作物具有不同的耗水特性；不同种类作物耗水特性系数相差甚远。

(4)今后应将作物耗水强度作为滴灌系统运行管理期关注的一个指标，持续关注它的变化规律，以及受外界影响因子影响的规律性和敏感性。多收集整理相关资料数据，进一步开展关于滴灌系统工程实施后与实施前作物耗水强度的比较分析、不同地区滴灌系统中同作物的耗水强度比较分析、同一地区滴灌系统中不同类作物的耗水强度比较分析等方面的研究。

[1] 张志新.滴灌工程规划设计原理与应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007.

[2] 王海艳，何 玲.作物灌溉设计中耗水强度问题研究[J].节水灌溉，2013,(6)：64-66,69.

[3] GB/T50485-2009，微灌工程技术规范[S].

[4] 彭世彰，徐俊增.参考作物蒸发蒸腾量计算方法的应用比较[J].灌溉排水学报，2004,23(6)：5-9.

[5] 陈玉民，郭国双.中国主要作物需水量与灌溉[M]. 北京：北京水利电力出版社，1995．

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[7] Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al．Crop Evapotranspiration -Guiddlines for Computing Crop Water Requirement[M]．Rome：Food and Agriculture Organiz ation of the United Nations，1998．

[8] 赵 旭，陈亚新.新疆旱区草地参考作物腾发量随机模拟及其应用[J].水利学报，2008,39(11)：1 267-1 272.

[9] 魏光辉，马 亮.基于气象参数的内陆干旱区生育期ET0预测[J].干旱地区农业研究，2014,32(4)：65-69.

[10] 苏春宏，陈亚新.ET0计算公式在我国半干旱区的实验率定研究[J].人民长江，2009,40(21):91-95.

[11] 刘 钰，Pereira L S.参照腾发量的新定义及计算方法对比[J].水利学报，1997,(6):27-33.

[12] 傅晓松.沙井子灌区滴灌设计中日耗水强度的确定[J].理论研究，2009,(2)：48-50.

[13] 程维新.作物生物学特性对耗水量的影响[J].地理研究，1985,(3):24-31.