辽西地区坡耕地机井变频滴灌技术模式研究与应用

郭 铭，谢 楠

(1.辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003；2.辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

辽宁地区是全国的粮食主产区之一[1]，素有“粮仓”之称，是我国商品粮的主要生产基地。辽西地区是辽宁省玉米和杂粮的主产区，总耕地面积1.46×106hm2，其中，坡地面积7.40×105hm2，占总耕地面积的50.8%。由于水资源紧缺，农田水利基础设施薄弱，灌溉保证率低，辽西坡耕地大部分地区为雨养农业，农民靠天吃饭，粮食产量低下，生态环境不断恶化。如何解决该地区坡地供水困难、灌溉压力不均等问题，提高坡耕地地区灌溉能力，已成为促进地区农业经济发展的关键问题。本文针对辽西地区耕地地势起伏较大、供水困难的现状，提出了适宜坡耕地灌溉的机井变频滴灌技术模式。

1 技术模式

通过坡改梯改变坡耕地地形条件，提高土壤保水保肥能力和抗侵蚀能力，提高农作物产量。工程节水主要选取滴灌灌溉技术，同时，通过采用变频自动调压技术或调压阀调节干支管路中的水压，保障滴灌在设计工作压力下运行，提高灌溉水均匀度，节约能耗[2-5]。农艺措施主要采用大垄双行种植技术和地膜覆盖处理等。由于变频技术的使用需要一定的专业基础知识，变频技术模式的管理方式采用由乡水利站或村水管员统一管理形式(见图1)。

图1 坡耕地机井变频滴灌技术模式

2 关键技术

2.1 坡改梯

2.1.1 梯田的田、路、渠、沟布设

(1)田块规划。为使梯田田块符合等高等距要求，又使工程量尽量小，根据地形条件合理进行规划。

(2)机耕路。机耕路设在沟边，梁岗等梯田分片处，路面宽5 m，路两侧梯田田面高差不超过2 m，路面最小高度高出田面0.3 m。

(3)截水沟。为防止山洪进地，冲毁梯田，在梯田两侧挖截水沟，截水沟流向坡地，通过分水流入田间，以充分利用水资源。

(4)灌排渠道。下山沟布设成两面排，控制面积大，管理方便，同时减少了消能建筑物的数量和造价。

2.1.2 梯田的规格和标准

(1)田面平整。根据灌溉和排水要求，田面纵向都要有1/300～1/500的坡降，活土层达到30～40 cm。

(2)梯田宽度与梯田埂高。根据地面坡度和机耕作业要求来考虑，梯田田面宽度一般为10～15 m左右。

(3)梯田长度。根据机耕、灌溉、排水和田间管理要求，结合地形条件综合考虑确定，一般在200～400 m之间。

2.1.3 梯田的质量要求

坡改梯工程应以集中连片为原则，坡改梯工程所在区域的布局及区域内道路、水利及水土保持工程要符合相关规范要求，梯田规格、坡度等要符合相关规划、设计要求。水平梯田田面应满足水平度要求，并在田边设置反坡。坡式梯田田埂顶部应满足水平度要求，并在田面中部设置排水分流槽。堆筑田坎所用土料应确保其强度要求，避免使用风化严重的土料。

2.2 变频控制

2.2.1 梯田变频系统组成

变频自动调压技术主要融合了变频调速、压力传感、编程控制等多项技术[6]。梯田变频灌溉系统主要由变频装置、压力传感装置、编程控制装置、保护装置、监测装置，以及灌溉装置等设备组成。监测装置和压力传感装置负责监控和传输灌溉系统管网灌溉压力、流量等情况，通过编程控制装置可以设置梯田不同高度的水泵运行工况，变频装置可以调节水泵达到设计工况，保护装置可以防止系统超压，保护系统安全。

2.2.2 变频灌溉控制

梯田变频灌溉系统是通过改变水泵电机频率来调整水泵转子转速，改变水泵的运行工况，实现压力流量调节。系统根据灌溉压力要求，通过编程控制装置预设梯田不同高度田面的灌溉压力参数，通过监测装置和压力传感装置实时分析和传输梯田不同高度田面的灌溉管网压力情况，当管网压力与某高度田面设置的压力不一致时，变频装置启动运行，通过改变电机频率调节在规定范围内改变水泵转速，进而调节灌溉系统的管网压力和流量，使其与预设压力保持一致，实现按设定时间开停水泵、按梯田高度自动调节水泵工况进行灌溉。当系统出现超压时，保护装置启动，进行分流减压，保证系统安全。

2.2.3 变频控制压力设定

确定坡耕地滴灌系统分区压力等级时，一般是在传统滴灌系统设计方法的基础上，结合各级梯田高程，根据滴灌系统允许的压力变幅要求，将坡耕地滴灌系统划分成若干个灌溉分区，每个灌溉分区的滴灌带工作压力差均在允许压力变幅内，从而实现整个滴灌系统的任意滴头水流量均在设计流量内，保证整个滴灌系统的灌水均匀度要求。

坡耕地滴灌系统不同高度分区的预设压力参数可按照公式(1)推求：

Hi=Hi s+Hif+Zi

(1)

式中：Hi为第i个灌水分区的预设压力参数；Hi s为第i个灌水分区灌溉管网进口处的管网工作压力；Hif为首部系统至第i个灌水分区管网进口处的沿程水头损失和局部水头损失；Zi为首部系统与第i个灌水分区管网进口处之间的高程差。

采用梯田变频灌溉系统，根据梯田田坎高度、地块大小、形状等划分灌溉分区，合理确定轮灌组，避免了因梯田高差大、管网压力不均，造成滴灌系统流量偏差大、系统安全稳定性差等问题。

3 技术应用及效果

2017年，技术模式在辽宁省朝阳市建平县八家农场玉米种植中进行了应用，同时，以管灌和无灌溉坡耕地玉米生长作为参照，对比技术应用效果。三种灌溉方式单产和灌水量见表1。

表1 不同灌溉方式增产效果

变频滴灌灌溉条件下，玉米穗长、穗粗、穗粒数和百粒重等考种指标均高于管灌和无灌溉，变频滴灌产量达到14 145 kg/hm2，高出管灌26.7%，高出无灌溉69.6%，增产效果明显。相比管灌，变频滴灌节水600 m3/hm2，并显著提高灌水均匀度。

变频滴灌在农资投入中增加了地膜、滴灌带等费用，但管理方便，灌溉过程中可随水施肥，水肥效率提高，施肥、施药和人工成本降低，每公顷生产费用为3916元，略高于管灌的3900元和无灌溉的3735元。效益方面，由于变频滴灌大大提高了玉米产量，以玉米单价1.5元/kg计算，变频滴灌条件下每公顷产值为21 217.5元，净效益为17 301.5元，分别高出管灌26.7%和34.7%，高出无灌溉69.6%和90.7%，效益增加明显(见表2)。

表2 不同灌溉方式玉米经济效益 元·hm-2

4 结 语

坡耕地机井变频滴灌技术模式可以有效解决辽西坡耕地地区供水困难、灌溉供水压力不均等问题。在建平县玉米种植中的技术应用成果表明，与无灌溉相比，坡耕地变频滴灌技术产量提高69.6%，效益增加90.7%。变频滴灌技术有效调节了供水压力，减少了灌溉水量，使有限的地下水资源发挥了显著的效益，深受当地群众欢迎。