新型地面灌水技术膜袋灌

李 立，李小龙，顾唯甬，王盈盈

(华北水利水电大学，郑州 450011)

0 引 言

水是生命之源，是生态之基，是生产之要，水是人类赖以生存和发展不可替代的重要自然资源[1]。在我国经济发展新常态、资源环境约束趋紧以及深入贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念”的新形势下，水资源的重要性和战略地位日趋突显[2]。众所周知，我国人口众多，是全球人口最多的国家，人均水资源占有量约为2 200 m3，仅为世界平均水平的1/4，位列世界121位，是全球公认的13个贫水国家之一。水资源短缺问题已成为制约我国经济社会全面、协调、可持续发展的“瓶颈”，对我国经济社会的和谐发展构成十分明显的约束[3]。农业一直是我国的用水大户，占到我国总用水量的60%以上，有些地区可高达80%。党中央高度重视农业节水灌溉问题，2016年中央一号文件提出要大力发展农田水利建设，到2020年把农田有效灌溉面积提高到10亿亩以上，农业亩均灌溉用水显著下降，灌溉水利用系数提高到0.55以上[4]。地面灌水技术，作为一种传统的灌水方式，与喷灌、滴灌等灌水技术相比一直存在着灌水均匀度差，灌溉水量大，深层渗漏严重，灌溉水利用率低等缺点，水资源浪费严重，不利于节约用水[5]。在我国，传统地面灌水方法仍然是最重要和最常见的灌水方式[6]，我国地面灌溉占到总灌溉面积的98%[7]。因此，积极推广应用农业高效节水技术，提高农业用水效率，建设现代化高效节水型农业是当下我国社会经济发展的重要部分，其中对传统地面灌水技术的研究、发展和改善仍是实现我国农业节水中的重中之重。

1 膜袋灌技术概述

张泽中等[8]针对传统地面灌水技术的不足，在覆膜保墒技术与适时适量精细控制灌溉技术的基础上，自行设计了一种地面灌溉节水新技术——膜袋灌。膜袋是膜袋灌技术的核心，它是以低密度聚乙烯为主要材料的农用塑料地膜经热封形成的具有一定长度的薄壁塑料袋子，膜袋表面根据农作物的需水要求用针头人工打上不同直径、不同间距的出水膜孔。膜袋灌水时，先将一定量的灌溉水通过田间末级供水装置快速输送至膜袋中，充蓄在膜袋中的灌溉水在自压作用下通过膜袋上的出水膜孔进行缓慢出流灌溉。膜袋灌水过程中，膜袋内水位在15 cm至0.5 cm左右，从高水位不断下降，出水膜孔由微射流到渗流出水，灌溉水借助于重力作用下渗以微润的方式湿润作物根区附近土壤，而作物根部的行间或棵间的土壤保持干燥，膜袋灌技术与滴灌、微喷灌、涌泉灌这些先进的灌水技术有相似之处，属于局部灌溉的范畴。一个完整的膜袋灌系统，通常由水源工程、输配水管网、小白龙塑料管、膜袋组成，在大田生产中可以根据农作物垄间距、灌水周期和需水量等因素合理布设多条灌水膜袋进行农作物灌水。

2 膜袋灌技术的特点

膜袋灌技术最大的特点在于打破蓄水于田的灌溉理念，把蓄水于田间土壤转变为蓄水于灌水膜袋。传统地面灌溉以及喷灌、滴灌、渗灌等灌水方法的灌水理念是在一次灌水过程中，把一段时间农作物所需的灌溉水在短时间内一次性输送到田间，其后农作物利用自身负势和毛管力吸水，田间灌水和农作物根系区供水是同步的、连续的过程，这种灌水理念称之为蓄水于田。膜袋灌则是把一定时期农作物所需的水分在短时间内一次性充蓄到灌水膜袋中，其后一段时间，膜袋利用自压自行缓慢出流灌溉，农作物吸水与膜袋对农作物根系区供水同步持续进行，直至下一次灌水。通过膜袋充水，可加快水流在灌溉区域的分布，在较短时间内完成田间灌水任务，加快了灌区的轮灌速度，节省田间灌水工时。

膜袋灌技术相对缩短田间灌水时间，延长向农作物根部供水的时间。在灌水过程中，灌溉水中的杂质在膜袋中有较大的空间和较长的时间进行沉淀，灌溉水不会对出水膜孔造成堵塞，降低了对灌溉水质的要求。这也使得膜袋灌技术适用于黄河下游引黄灌区多泥沙水质水源灌溉，同时膜袋灌技术还可以与灌溉施肥技术相结合，通过膜袋进行水肥一体化技术应用，能有效减少化肥点源污染问题。膜袋灌技术还可以根据农作物的生长状况和需水情况合理设计出水膜孔孔径的大小、膜孔间距以及膜孔的布置形式，进行适时适量控制灌水。大田多条膜袋系统灌水时也可以进行交替控制性灌溉，可进一步提高作物水分利用效率。

膜袋灌水时只需将输水软管与膜袋相连即可，操作简便，易于农民接受和掌握。膜袋灌水时无需其它动力设施，减少了能源的消耗。膜袋灌技术与喷灌、渗灌、涌泉灌等先进灌水技术相比，还具有灌水系统简单，田间工程量小，经济耐用，易于与我国当前农村生产模式相结合，便于应用推广等优势。

3 膜袋灌技术研究进展

自膜袋灌技术提出以来，相关科研人员对灌水膜袋进行了大量的试验研究，对灌水膜袋的工艺和构造不断完善。现在比较成熟的灌水膜袋结构见图1。

图1 灌水膜袋结构

该型膜袋周长约0.60 m，膜袋两侧对称人工打孔，出水膜孔距膜袋边缘2 cm，1-1为膜孔出流断面，出水膜孔为孔1、孔2、孔3、孔4，出水膜孔孔径大小及膜孔间距可根据要求制作。李海鑫等[9]对该类型膜袋出流均匀度进行了实验研究，并分析了影响膜袋灌出流均匀度的因素，如膜袋出水膜孔孔径、出水膜孔孔距、膜袋出水膜孔制造偏差、微地形变化、膜孔堵塞情况等。温随群等[10]对膜袋进行了水平土箱入渗试验，研究了不同灌水定额下湿润锋运移情况和湿润体的土壤水分分布状况，发现该类型膜袋能够满足大田旱作物的生长需水要求。之后，温随群等[11]对膜袋灌的水力特性进行试验研究，对实验结果进行分析发现，膜袋出水膜孔制作满足灌水器质量标准，膜袋出流均匀度较好，在80%左右。张泽中等[12]对40 m长膜袋进行水力性能试验，研究了工作水头、孔距、孔径3个因素对膜袋出流均匀度的影响。

以上这些文献关注的大多都是膜袋供水系统膜孔出流均匀性的问题，而对膜袋灌水土壤湿润均匀性的问题研究较少。由于膜袋的膜孔出流方式近似于小孔出流，亦称之为点源入渗，膜袋灌是依靠灌溉水自身重力和土壤水吸力为主的主动供水方式，与常规的地面灌溉、点源滴灌入渗相类似。由于大田膜袋灌的膜孔间距往往较小，使膜袋下方的土壤湿润区相连，形成一条沿膜袋方向的湿润带，类似滴灌系统中的线源滴灌。但是与点源滴灌不同，点源滴灌所形成的土壤湿润锋之间不衔接，不相互影响，所以不存在土壤湿润均匀度的问题。但在膜袋灌情况下，相邻膜孔所形成的湿润锋存在交汇问题，土壤湿润区的相互衔接形成了膜带灌水湿润带的均匀度问题。它存在灌水均匀度的问题，但这一问题分两个方面：①出流均匀度；②土壤湿润均匀度。这是两个不同的问题，在膜袋灌系统设计中，后者是前者的基础。膜袋灌根区土壤的水分环境问题是膜袋灌水技术设计中最根本问题，也是膜袋灌水技术的设计目的，它直接关系到膜袋灌水质量的好坏。有必要对膜袋灌水土壤湿润均匀性的问题加以研究。

4 膜袋灌水均匀性问题

膜袋灌技术的核心思想是灌水均匀，不产生地表径流和深层渗漏，只湿润作物根区土壤，减少棵间蒸发和深层渗漏，还要达到一定的湿润面积，以提高农田灌溉水利用效率，实现节水的目的。膜袋灌水土壤湿润均匀性问题会直接影响农作物对水分的利用，灌水均匀性也是衡量膜袋灌水质量的一个重要参数指标，也将影响到膜袋灌技术的应用和推广。一般用克里斯琴森均匀系数评价土壤水分的灌水均匀性[13]，即：

式中：H为总取样深度，cm；Δh为取样间隔深度(本试验中的间隔深度相等)，cm；θi为地表以下不同深度处的含水率值，%。

本试验在室内水平土箱中进行。在试验室中采用尺寸为100 cm×80 cm×80 cm的有机玻璃土箱，内装供试土壤，供试土壤经风干碾碎后过2 mm筛，备用。供试土壤质地为沙壤土，风干后含水率为2.75%(占干土重的百分比，下同)，田间持水率为17.57%，干容重1.58 g/cm3；土壤颗粒组成中，沙粒占83.5%，粉粒占14.7%，黏粒占1.8%。将试验土壤按干容重分层(10 cm)装入试验土箱，厚度取70 cm。试验系统由供水系统、灌水膜袋及试验土箱组成。供水系统由自制供水水箱完成，水箱供水量由电磁流量计计量。灌水膜袋有2条，膜袋结构见图1，膜袋长1 m，膜孔直径0.05 mm，膜孔间距分别为30、50 cm，沿试验土箱长边布设在土箱中心，膜袋同一截面上孔1和孔3、孔2和孔4出流情况相同，可简化处理为2个出水膜孔；2条膜袋按预定的灌水量灌水，灌水结束后72 h，采用取土烘干法测量湿润体内不同位置上的土壤含水率分布。利用直径为2 cm的土钻取不同深度土样，主要沿膜袋方向、垂直膜袋2个方向进行取样。膜孔间距为30 cm时，观测膜袋中间的两个出流断面膜孔之间的湿润体，沿膜袋方向两膜孔间每隔7.5 cm取样，垂直膜袋方向沿膜袋中线向两侧每隔7.5 cm取样，取样深度均为10 cm。膜孔间距为50 cm时，沿膜袋方向两膜孔间每隔12.5 cm取样，垂直膜袋方向沿膜袋中线向两侧每隔7.5 cm取样，取样深度均为10 cm。每组试验重复3次，取其平均值。试验结果见表1，其中Cuh为沿膜袋方向的灌水均匀度，Cuv为垂直膜袋方向的灌水均匀度。

表1 膜袋灌水土壤湿润均匀系数表

由表1可知，膜袋灌水均匀系数均在70%以上，按照 《节水灌溉技术规范》(GB/T 50363-2006)，当Cu大于70%时，属于高均匀度节水灌溉技术[14]。

膜袋膜孔间距一定时，同一条膜袋，沿膜袋方向和垂直膜袋方向上膜袋灌土壤湿润均匀性都随灌水量的增加而增大；灌水量对沿膜袋方向的灌水均匀度影响显著，灌水量小，膜孔下方湿润土体面积较小，沿膜袋方向相邻膜孔间湿润锋交汇时间晚、交汇程度小，造成沿膜袋方向的土壤中水分分布不均匀，膜孔下方含水量较大，交汇锋处的含水量较小；灌水量对垂直膜袋方向的灌水均匀度影响不明显。

膜袋灌水量一定时，膜孔间距对沿膜袋方向上膜袋灌土壤湿润均匀性影响显著，对垂直膜袋方向的灌水均匀度影响不明显。膜孔间距小，沿膜袋方向相邻膜孔间湿润锋交汇时间早、交汇程度大，沿膜袋方向的灌水均匀度较高；当膜袋灌水量增大时，膜孔间距对沿膜袋方向的灌水均匀度的影响会变弱。

综上所述，膜袋灌水时还应考虑湿润带内土壤湿润均匀性问题，膜袋灌水量和膜孔间距对膜袋灌水土壤湿润均匀性都有影响，尤其是沿膜袋方向上。膜袋灌水设计要同时考虑灌水量和膜孔间距的影响，提高其灌水均匀系数，进一步提高膜袋灌水质量和灌溉水的利用效率。

5 结 语

膜袋灌技术灌水均匀度较高，提高了水分利用效率，且对灌溉水质要求较低，是一种具有广阔应用前景的地面灌水新技术，它的应用和推广是缓解我国水资源危机和提高粮食产量的重要途径之一。同时，膜袋灌技术也将会对大田旱作现有的地面灌水技术进行改革和模式重组，为引黄灌区粮食核心建设和国家粮食生产提供新思路和技术支撑。