乌鲁木齐河灌区滴灌技术试验参数设计分析

程 泽

（新疆昌源水务科学研究院（有限公司），乌鲁木齐 830000）

1 灌区概况

乌鲁木齐河灌区依托于乌鲁木齐河两岸，总控制面积2.87万hm2，为自治区大型灌区之一。该灌区主要灌溉水源来自乌鲁木齐河。1980年至今，灌区面积平均增加速度达到10%，对灌溉水需求量逐渐增大。2018年新疆自治区粮食总产量达到1504.23万t，其中棉花总产量511.09万t，占全国棉花总产量83.8%。全区农业人口占总人口65%以上，农产总产值占全区经济总量30%左右。由于超过50%耕地采用传统漫灌，灌区供水矛盾日益突出。为维持灌区可持续发展，2018年4月，对乌鲁木齐河灌区进行节水改造工程，其中滴灌技术被主要推广到大棚种植产业中。

2 滴灌技术参数设计

保证合理的土壤湿润区是滴灌参数设计的核心任务，而影响湿润度的关键参数包括：滴头流量、滴头间距、毛管压力和管径。在此通过试验手段来确定影响土壤湿润度的合理相关参数［2］。

2.1 滴头流量

2.1.1 对土壤湿润区范围的影响

本次设计0.7，1.0，1.5，2.0L/h 4种滴头流量，其他参数结合工程经验保持一致。在滴定80min后，不同滴头流量下土壤的水平和垂直湿润降如图1、图2。

图1 紧沙土

图2 沙壤土

由图1、图2可知：

（1）随着滴头流量增加，紧沙土和沙壤土的垂直和水平湿润峰均出现增长状态，且垂直湿润峰数值及增长水平均大于水平湿润峰。

（2）滴头流量相等的情况下，紧沙土的湿润峰明显大于沙壤土，因紧沙土含有的沙性土多，孔隙率较大。

（3）两种土壤的垂直湿润峰变化率均大于各自的水平湿润峰，究其原因是两类沙性土壤中大孔隙较多，垂直湿润峰运移速度大于水平湿润峰［3］。若使土壤的垂直湿润峰过大，会造成较多水分深层渗漏，不利于作物根系的吸收。因此根据种植作物根系的发展特点来确定最适合滴头流量。

本项目大棚以种植蔬菜为主，包括西红柿、茄子、辣椒等，作物根系一般分布在20cm以内的耕作土中，为避免水分的深层渗漏，本项目滴灌系统的滴头流量控制在1.0～1.5L/h［4］。

2.1.2 对土壤湿润区水分均匀度的影响

随着滴灌开启时间增长，滴头附近的土壤其含水率逐步增大，当扩散的水分小于滴头流出的水量时，在低头附近的土壤会成为水分饱和区。此时虽然水分还在向四周扩散，但大部分水分会垂直向下扩散。根据规律：滴头流量越大，越容易形成“窄深型”湿润区，即垂直湿润峰明显大于水平湿润峰；反之则形成“宽浅型”湿润区。

因此在设计滴头流量时，在水平湿润峰变化不大的情况下，尽可能选择小滴头流量。通过分析紧沙土和沙壤土的水平及垂直湿润峰，确定本项目滴灌系统的滴头流量宜选择1.0L/h。若种植作物改变，则相应最优滴头流量也应适当调整［5］。

2.2 滴头间距

滴头间距是滴灌系统最重要的参数之一，不仅影响土壤水分分布均匀度，也影响湿润区范围。间距太小，会使湿润区产生重叠，造成深层渗漏问题；间距太大，则会使部分根系得不到充分灌溉。

2.2.1 滴头间距与土壤湿润体关系模型

为了简化分析，在此将湿润体看作横截面为圆形的半椭球型，其中滴头位于截面圆心位置（如图3）。土壤湿润体含水量均匀度取决于两截面圆形交汇区域面积，滴头间距越大，交汇面积越小，且交汇处含水量越小；反之情况正好相反［6］。

图3 土壤湿润体模型及重叠示意

2.2.2 滴头间距对土壤含水率均匀分布影响

本次试验设计间距分别为20cm和30cm，滴头流量设定1.0L/h。当滴头间距20cm时，紧沙土和沙壤土的交汇区结果如图4。

图4 紧沙土和沙壤土交汇区试验

由图4可知：

（1）沙壤土的交汇区域面积比紧沙土明显大，说明沙壤土含水率分布更为均匀，其本质原因是沙壤土所含黏粒多，使毛管力较大。

（2）紧沙土较多水分集中在滴头附近，已经趋于饱和，而周边土壤水分蔓延范围小，不利于含水量的均匀分布。由此确定紧沙土不太适合推广滴灌技术，若使用该技术则滴灌系统的滴头间距还需适当减小［7］。

2.2.3 沙壤土最佳滴头间距分析

滴头间距分别为20cm和30cm时，沙壤土各部分土壤的含水率变化情况如图5和图6。

图5 滴头间距20cm时土壤含水率

图6 滴头间距30cm土壤含水率

由图5、图6可知：

（1）同一滴头间距下，随着土壤深度增加，土壤体积含水量呈下降趋势。

（2）深度为表层、7cm、14cm时，不同的水平距离时其体积含水率基本稳定，而深度21cm时波动明显。

（3）滴头间距由20cm扩大至30cm，同一位置土壤含水率总体呈下降趋势，但表层至14cm深度，基本仅差0.03%，21cm深度差别较大。

当沙壤土大棚种植作物的根系主体深度不超过21cm时，建议设计滴头间距为30cm，既能保证灌溉效果，又可以节约成本和水资源；当超过21cm时，建议设计滴头间距不大于20cm才能保证灌溉效果。

2.3 毛管参数最优值设对比分析

本项目比选管径和布置方式两个参数，其中管径分别为8mm和16mm；布置方式为纵向和横向。共有4种组合方案：毛管横向布置8，16mm；毛管纵向布置8，16mm。

图7 不同参数下毛管水头损失曲线

由图7可知：

（1）水头损失由小到大依次为：横向布置16mm，横向布置8mm，纵向布置16mm，纵向布置8mm，可知布置方式对水头损失影响程度大于管径；

（2）布置方式一样时，管径越大，毛管水头损失越小；

（3）随着毛管长度增加，其水头损失也在逐步加大。

最终确定本项目最优毛管参数为横向布置管径16mm。

3 结语

（1）滴灌技术与传统漫灌相比，节水量可达50%，作物产量增加10%。通过试验在乌鲁木齐河灌区大棚种植中取得了较好的综合效益。

（2）平均单位面积灌溉用工时减少50%，普通女性便可完成日常灌溉工作，方便成年男性外出打工，极大地增加了农民种植积极性。

（3）从根本上缓解了灌区用水紧张问题，保证了地下水安全。