滴灌技术的应用研究

2017-12-12李劲彬

农业与技术 2017年21期

李劲彬

摘要：滴灌作为一种高效节水的灌溉技术，对于干旱和半干旱地区农业的发展有着重要的意义。本文从滴灌技术的选址、滴灌区水源分析及水源工程规划、设计参数的确定、管网的规划设计、工程投资、施工安装以及后期管理等方面，对滴灌技术进行了系统阐述。并以渭南某农场为例，阐明了在该地区开展滴灌技术的可行性及必要性，对今后该地区滴灌技术的进一步发展具有一定借鉴意义。

关键词：农场；滴灌技术；设计参数；规划设计；工程投资

中图分类号：S275.6 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132027

引言

滴灌[1，2]是目前世界上1种用于发展干旱和半干旱地区农业的高效的灌溉方式，其基本的工作原理是依据当地相关作物生长的需水量，通过低压管道系统[3]与安装在毛管上的滴头，将水分和植物生长所需养分定期、均匀、精确地输送到作物根部的土壤中，改变了传统的大水漫灌以及大面积施肥方式，这种水肥一体[4，5]的灌溉模式实现了对作物的精准施肥和灌溉，很大程度上节约了用水、保护了土壤结构、减少了营养成分的流失，提高了作物产量，增加了经济效益。

滴灌技术[6，7]的发展有很长的历史，早在1860年德国就开始利用排水瓦管进行地下灌溉的试验[8]。美国加利福尼亚州的Charles Lee 1920年申请的多孔灌溉瓦管专利，由于其只润湿瓦管周围的部分土壤，被认为是滴灌的原始模型，被称为世界最早的滴灌技术[9]。伴随着塑料工业在第二次世界大战之后的快速发展，滴灌技术在以色列、美国等发达国家也得到了快速发展。1974年滴灌技术[10，11]由墨西哥引入我国，经过40a的发展，滴灌技术在我国的应用及其相关设备的研发已日渐成熟。1984年我国已有近1.5万hm2滴灌面积，滴灌作物种类达30余种，其中果树占95%以上。20世纪80年代初，北京燕山滴灌技术研究所成功研究了具有中国特色的燕山滴灌技术，并解决了国外滴灌技术无法用于粮食大田作物的难题，成功地推广应用于大田作物。

1 项目区概况及技术路线

1.1 项目区概况

渭南地处渭河平原东部，陕西渭北黄土高原南缘，东临黄河，北靠铁镰山，南临洛河，属北温带大陆性季风气候区。冬冷夏热，温差较大，冬夏两季长，春秋两季不明显；气候干燥，光照充足，热量丰富，蒸发量较大。项目区日照充足，年日照总时数2385.2h，年无霜期为212d；该区多年平均气温13.4℃，最低气温-16.5℃，最高气温42.8℃。冻土层深度为28cm。具有长日照，高辐射，大昼夜温差等特点。夏秋季降雨量多，冬春季少，年平均降雨量为514mm，年平均蒸发量968.3mm。为了合理有效利用水资源以及建成提高项目区耕地质量及产量、为农民增产增收的高标准基本农田，场内领导以及相关技术人员一致决定在大荔农场开展67hm2棉花膜下滴灌种植。

1.2 技术路线

本文将从项目区选择滴管技术的原因、滴灌区水源分析以及水源工程规划、设计参数的选择、管网的规划设计、工程投资与施工安装计划、后期运行管理计划等6个方面进行介绍。本次设计的重点是水源分析及工程规划、设计参数的确定以及管网的总体设计这3个大的方面。实地考察项目区周边水源情况、并对其进行可利用性分析；根据当地的地形条件、气候条件、土壤条件以及棉花作物的种植条件等，并结合當地生产实践，综合分析确定了相应的设计参数；根据作物的种植模式及其需水量、项目区的地形以及田块布局，综合分析计算确定了管网的总体布设。

2 膜下滴灌系统简介

膜下滴灌[12-15]技术的关键是将滴灌带（毛管）铺设于地膜之下，利用塑料管道和安装在直径约10mm毛管上孔口非常小的灌水器（滴头或滴灌带等），衰减水中能量，使水一滴滴缓慢均匀地滴在作物根区土壤中，从而达到高效局部灌溉的目的。由于滴头流量很小，仅能湿润滴头所在位置较小范围内的土壤，水主要借助土壤毛管张力入渗和扩散。膜下滴灌是目前干旱和半干旱缺水地区最为有效的一种节水灌溉方式，水资源的利用率可高达95%，因此较喷灌具有更高的节水增产效果，结合灌溉施肥，肥效可以提高一倍以上。其适用于果树、蔬菜、经济作物及温室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。不足之处是滴头出流孔口小，流程长，流速缓慢，易结垢和堵塞，因此必须对水源进行严格的过滤处理。滴灌系统一般由水源工程、首部枢纽、输配水管网、滴头及控制、量测和保护装置等组成。

膜下滴灌相比常规灌溉方式具有省水省人省物、提高肥料利用率和土地利用率，节能、增产等优势。膜下滴灌还可以改良耕作层土壤，降低盐渍化危害，而且对地形的适应性较强，不产生地面径流和深层渗漏，对地面平整度要求也不高。

3 工程应用

3.1 水源工程

项目区临近黄河，因此项目区主要以黄河作为供水水源，采用渠水滴灌。由于黄河水中泥沙含量较多，因此滴灌工程所需要处理的重点是泥沙过滤问题。不同滴管的滴头通过含悬浮泥沙水流（浓度及颗粒级配）的能力十分悬殊。滴头输沙的固有特性决定着过滤器的过滤精度、泥砂去除等，是一个相互联系的、密不可分的系统。经沉淀池沉淀后，通过“砂石+网式”过滤器（120目）处理后，达到滴灌所需水质要求。在水量上，完全能够满足滴灌用水要求。

该滴灌项目区种植作物为棉花，种植模式采用行距45cm+80cm+45cm。株距45cm，采取膜下滴灌灌溉方式，一膜一管二行，采用膜上点播，膜下铺设单翼迷宫式滴灌带，间距125cm。

3.2 设计参数的确定

3.2.1 设计耗水强度Ea（彭曼）

根据《微灌工程技术规范》Sl103-95规定，设计耗水强度应采用设计年灌溉季节月平均耗水强度峰值，并应由当地试验资料确定，在无实测资料时，可通过计算或查表选取。对于滴灌粮棉油作物，根据规范设计耗水强度可取4～6mm/d。endprint

根据上述试验结果并结合该区气侯条件，设计日耗水强度可取3.5 mm/d。也可以根据当地气象资料，由彭曼公式得到。滴灌带选用Ф16X450-2.8L/h的单翼迷宫式滴灌带，即：滴头流量为2.8L/h。

3.2.2 膜下滴灌土壤湿润比

土壤湿润比是指在土壤计划湿润土层内湿润土体与总土体的比值。通常以地面以下20cm～30cm处湿润面积占总灌溉面积的百分比来表示。土壤湿润比取决于作物、灌水器流量、灌水量、灌水器间距和所灌溉土壤的特性等。

根据大田膜下滴灌棉花根系发育特点，对于一膜一管二行，湿润深度为0.3～0.35m，湿润半径为0.30～0.40m，其湿润比可按下式计算：

式中，P表示地表以下30cm处湿润面积占作物种植面积的比值，%；表示土壤水分水平扩散直径或湿润带宽度，m；表示毛管间距，m；表示灌水器或出水点间距（m）。

根据计算得一膜一管两行湿润比P=0.5。通过上述分析计算，结合目前大田实践，对于一膜一管两行湿润比可取50%～55%。

3.2.3 基本参数的取值

查阅相关规范并结合当地实际情况本次设计保证率取值不低于85%，灌溉水利用率取0.90，设计系统的日工作小时数为20h，滴灌设计土壤湿润比（P）取50%，设计耗水强度（Ea）取3.5mm/d，f、θ田取37%。

3.3 灌溉制度

设计灌水定额m可按式m=0.1γzP （θmax-θmin）/η计算确定，式中m表示设计灌水定额mm；γ表示土壤容重g/cm3；z表示计划土壤湿润层深度m；P表示土壤湿润比%；θmax、θmin表示适宜土壤含水率上、下限（占干土重的%，一般θmax为田间最大持水率的90%、θmin为田间最大持水率的70%，即θmax-θmin=0.2θ田）；η表示灌溉水利用系数。

设计灌水周期T可按式T=（m/Ea）×η进行计算，式中T表示设计灌水周期d；Ea表示设计耗水强度mm/d。此值为作物需水高峰期的灌水周期。

1次灌水延续时间t按式t=mSeSl/qd进行计算，其中t表示1次灌水延续时间h；Se表示滴头间距m；Sl表示毛管间距m；qd表示设计滴头流量L/h。

该项目区采用的是将支管分成若干组，由干管轮流向各组支管供水，而各组支管内部同时向毛管供水的轮灌工作制度。这种工作制度减少了系统的流量，从而可减少投资，提高设备的利用率。

3.4 管网总体规划设计

3.4.1 水量平衡计算

设计时应该首先进行水量平衡计算，以确定合理的控制面积。应根据系统控制的面积来确定水源供水量。当系统控制面积为63.3hm2时，按日供水20h计算，系统所需水流量可按下式进行计算。

其中Ia= Ea- P0，A表示可灌面积，hm2；Q表示可供流量，m3/h；Ia表示设计供水强度，mm/d；Ea表示设计耗水强度，mm/d；P0表示有效降雨量，mm/d；t表示水源每日供水时数，h/d；η表示灌溉水利用系数。

3.4.2 管网结构

本设计管网结构为：

潜水泵——离心过滤器——（施肥罐）网式过滤器——主干管——分干管——出地竖管——支管——毛管（滴灌带）。其中干管与分干管、分干管与支管、支管与毛管均采用鱼骨形布置，以减少沿程水头损失，降低能耗。干管、分干管为地埋管，分干管垂直主干管布置。支管垂直分干管，采用竖管及三通连接。毛管垂直支管方向布置，毛管按一膜一管两行布置；毛管的间距为1.25m。

3.4.3 管网设计

按初定运行方案中最不利组合计算，进行初步设计，选泵后根据水泵性能曲线图在保证水泵高效运行的情况下，经反复试算，最后确定出最佳设计方案。

滴灌系统毛管是指安装有灌水器的管道，毛管从支管取水，并通过其上的灌水器将水均匀分配到作物根部。一般采用抗老化低密度或中密度聚乙烯制造，由于滴灌工程毛管数量较大，因此一般选用较小直径的毛管，毛管一般选用同一直径，中间不变径。毛管设计是在确定灌水器类型、流量和布置间距的基础上进行的，其主要任务是确定毛管直径及最大铺设长度。根据设计资料和相关分析，毛管选用单翼迷宫式滴灌带。

辅管连接支管和毛管，从支管取水分配到毛管中。辅管与毛管同是多孔管道，其流量比毛管要大的多。辅管设计包括确定辅管管径、辅管入口压力、辅管长度等。1条辅管作为1个灌水小区，其设计长度必须满足小区的灌水均匀度要求，铺设方向平行于支管。根据水力、经济条件，选用Ф63PE薄壁支管配Ф32PE厚壁辅管系统。

支管是用于连接干管和辅管的管道，它从干管取水分配到辅管和毛管中。支管也是多孔管道，与毛管不同的是辅管上带有球阀，以辅管为灌水小区依次轮灌，一般一条支管上打开一条辅管，因此支管属于单孔出流管，其流量与辅管流量相同。支管设计包括确定管径及管入口压力。当沿支管地形坡度小于3%时，通常最经济的方式是支管垂直于分干管双向布置；当沿支管地形坡度大于3%时，顺坡方向的支管应增长，而逆坡方向的支管应减短。

因干管埋入地下，因而要求其耐腐蚀、寿命长、重量轻、施工安装方便、水力性能好等特点，所以选用硬聚氯乙烯硬塑料管，工作压力为0.4Mpa，出地管采用0.4Mpa的PVC管。干管经济管径的选择，以运行费和一次性费用投资最小来确定，同时便于操作即水锤不易破坏管道安全。经试算比较，确定各干管、分干管的管径。因此干管的设计任务就是确定干管的最经济管径。

3.5 工程投資

整个节水灌溉工程投资包括土建工程和材料费用两大部分。土建工程包括土方工程和辅助建筑材料。土方工程包括管槽土方开挖、回填、以及检查井、排水井的土方开挖、回填等。辅助建筑材料费用和土建费用按当地价格计算。节水工程材料费用和安装费用。工程材料按工程设计图进行预算，材料价格按西安当地市场价格计算。安装费用为工程料费用的10%。endprint

3.6 施工安装与后期管理

滴灌工程施工必须严格按设计进行，并遵守有关规定和相关程序，做好施工记录。根据滴灌系统所有权的性质，应建立相应的经营管理机构，固定工作人员，实行统一领导，分级管理或集中管理，具体实行工程、机泵、用水、用电等项目管理。为提高滴灌工程管理水平，应加强技术培训，明确工作职责和任务，建立和健全各项规章制度，实行滴灌产业化管理。

4 结论及建议

和传统的地面灌溉相比，膜下滴灌不仅可以节水70%～80%，还可以节省投资约60%左右，灌溉运行的成本也仅有传统灌溉方式的30%左右，如喷灌等。膜下滴灌工程由于其不用修渠，管道基本埋在地下，因而提高了3%～5%的土地利用率。由于膜下滴灌具有显著的节水增产效果，因而在我国北方干旱半干旱地区，在地形复杂的山区，丘陵地区，在戈壁、沙漠和透水性强的砂质土壤及盐碱土地区极有发展前途。

尽管膜下滴灌系统节水增产效果显著，但使用过程中也有几点问题值得注意。覆盖的塑料薄膜难降解，因此我们在选择时应尽量选择可降解薄膜，政府在此可以进行一定补贴，大力推广可降解薄膜；地表裸露部分管道抗老化以及抗冻能力太弱，极易破坏，因而一定程度上增加了用户的投入成本，建议今后应用前与生产厂家主动联系，有针对性的选择生产管道，提高利用率；推广力度不够，全国缺水地区应用不够广泛，一次性投资大，因此如何进一步推广滴灌技术仍是我国面临的一个难题。

参考文献

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