多口水带地面节水灌溉技术研究与应用

李 薇， 郝建新

（1. 邢台市农业农村局，河北 邢台 054001； 2. 邢台飞燕灌溉制品有限公司，河北 邢台 054001）

0 引言

我国半干旱、半湿润地区水资源相对短缺，尤其是半干旱地区缺水严重，提高农业灌溉效率是解决水资源短缺的重要举措。而推广农业节水灌溉技术是提高农业灌溉效率的重要途径[1]。目前节水灌溉技术主要包括喷灌、滴灌、地面节水灌溉3 大类。喷灌灌溉不均匀，灌溉过程中会损失过多的灌溉水，中心支轴式、脚盘式喷灌易受电杆等障碍物影响不能正常运转[2]。滴灌的局限性在于投资高、易堵塞、安装及维护麻烦、管理成本高和耗费劳力等[3]。地面节水灌溉技术主要有沟灌和畦灌，这两种节水灌溉技术需要开沟和培垄，费时、费力且节水效率低[4]。本文所述多口水带地面节水灌溉技术（专利号CN214206660U）是将灌溉水通过多重管道直接输送到作物的灌溉部位，灌溉水输送过程中，水分不渗漏，能够更快地到达灌溉位置，缩短灌溉水流动时间，减少渗水，从而达到节水目的[5]。对于多口水带地面节水灌溉技术，国内目前其他文献还未见到详细记录。多口水带地面节水灌溉技术是对地面节水灌溉技术的有益补充，对半干旱、半湿润地区的地面节水灌溉技术的发展，有较大地促进作用。

1 技术概述

多口水带地面节水灌溉技术是以主管代替明渠，分管代替出水口，采用低压输水将灌溉用水尽快输送到田间作物的根部。多口水带由主管和分管组成，主管单侧或两侧设分管，分管前端开口，灌溉时打开多个分管出口，水从多个分管开口端流出灌溉田地。其技术方法是用较低的压力将灌溉水分尽快输送到田间，减少灌溉水渗水损失，从而达到节水的目的。多口水带灌溉无须开沟槽，无须做土垄沟及田埂，安装简便，只需将水带铺设到田间即可使用。灌溉完成后因为有多个分管处于开口状态，水带中存留的水很快流出，收纳轻便，配合使用收卷器，收纳更快、更省力。

2 装置设计

2.1 多口水带主管和分管制作

主管和分管是多口水带最重要的组成部分，主管和分管质量要求抗拉、耐磨，并且抗水压1 000 mm 以上。

采用抗水压1 000 mm 以上的PU 防水布料，一般采用牛津布、春亚纺、记忆布等化纤丝织品做成的PU 防水布料。通过布匹分切机，将布幅切成50 cm×75 cm 的布料，再用缝纫机分别做成直径14 和22 cm 的防水布管，如图1 所示。用防漏剂处理针眼部位，防漏剂的技术要求是能把针眼封住，耐水压1 000 mm 以上。把做好的部分长管根据需要切成50～70 cm 长的短管用作分管。分管一端与主管连接，另一端是出水口。分管外侧中部有束绳，用来控制分管出水量和关闭分管出水口，分管的作用是将灌溉水均匀分布到田间。

图1 多口水带结构Fig. 1 Structure of multi-port water hose

2.2 主管和分管的连接

2.2.1 缝纫连接

主管两侧或单侧开孔，根据灌溉需要确定开孔距离，主管开孔直径比分管直径小4 cm，用缝纫机将分管和主管连接，缝合布边宽度2 cm，针眼处做防漏处理。优点是成本低，缺点是固定后不能拆卸，因此不能调整分管间距。

2.2.2 硬质连接

主管道沿长度方向设有多个出水口，分支管道的一端通过出水口与主管道连通。分支管道与主管道可拆卸连接，出水口设有密封组件，密封组件与主管道可拆卸连接[6]。出水口设有出水管，出水管的一端固定于主管道，另一端设于主管道外部。出水管外侧壁设有外螺纹。分支管道靠近主管道的一端连接有连接管，连接管设有与外螺纹配合的内螺纹。密封组件采用密封盖，密封盖设有与外螺纹配合的螺孔[6]。出水管靠近主管道的一端设有弧形固定板，固定板固定于主管道的内侧壁，固定板设有与出水管连通的通孔。出水管远离主管道的一端穿过出水口[6]。优点是分管能拆卸，能调节分管间距，缺点是成本高，农民不容易接受。

2.3 主管和主管之间的连接

从水源到灌溉地，再加上灌溉地的长度，主管长度要用到几十米甚至几百米。几百米的主管收纳较困难，所以要把主管分成多节，主管一节的长度一般在10～30 m。主管和主管之间的连接，采用韧性圈接口技术。

2.3.1 韧性圈材质

韧性圈采用聚丙烯材料制成。聚丙烯是一种半结晶的热塑性塑料，具有较高的耐冲击性，机械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀，强度高，弹性优良，使用温度范围为−30～140 °C，能够较好地满足水带接口的需要[7]。

2.3.2 韧性圈规格

韧性圈外观是圆形，圈体截面是方形。韧性圈截面设计成方形最大的优点是当两个韧性圈结合后，密封效果好、不易漏水。根据多口水带主管的内径有14 和22 cm 两种规格，相应的韧性圈有外径14 和22 cm 两种规格。韧性圈外径14 cm 的圈体，厚度0.5 cm，宽度0.7 cm。韧性圈外径22 cm 的圈体，厚度0.5 cm，宽度1 cm。韧性圈用注塑机生产。

2.3.3 主管韧性圈连接

主管的两端设有卷边，卷边内放置韧性圈，用缝纫机将韧性圈固定在卷边内，其中一端主管卷边内，紧连韧性圈缝制一条长30 cm 的布条，另一端不缝制布条。使用时将带布条的一端推至另一根主管不带布条的一端，然后往回拉紧，两个韧性圈紧密结合，接口完成（图2）。灌溉完成后，用手握住布条，向上提拉，即可打开接口。

图2 主管接口Fig. 2 Main pipe connector

3 操作方法

3.1 根据土质选择分管间距

沙质土渗水快，分管间距宜短不宜长（1.0～1.5 m）；黏质土分管间距宜长不宜短（2.5～3.0 m）；壤土分管间距适中（1.5～2.5 m）。另外，地势不平坦的地块儿，分管间距短一些，以保证水充分灌溉到每处土地。

3.2 主管分管形式

主管分管分为单边分管和双边分管。单边分管，即主管一侧带分管，单侧出水。工作人员在无分管一侧操作，优点是可以边浇地边收拢已灌溉完成的水带，缺点是一侧出水，灌溉面积小。双边分管，即主管两侧都带分管，两侧出水，优点是灌溉面积大，缺点是无法立即收纳，一般需等到水分渗入土壤地面不泥泞后再收卷水带。

3.3 灌溉宽度

灌溉宽度因地而异，沙质土渗水快，灌溉宽度宜窄不宜宽，单边宽度2～3 m，双边宽度4～6 m。黏质土渗水慢，灌溉宽度宜宽不宜窄，单边宽度4～5 m，双边宽度8～10 m。壤土灌溉宽度适中，单边宽度3～4 m，双边宽度6～8 m。另外，地势平坦的灌溉宽度宽一些，地势起伏不平的灌溉宽度窄一些。

3.4 田间操作

把多口水带平铺到需要灌溉的田地里，然后打开5～10 个分管出水口。打开分管出水口的数量和出水量成正比，出水量在20 m3/h，打开5 个出水口，出水量每增加4 m3/h，增开1 个分管出水口。为保证每个分管出水口均匀出水，分管出水口距离水源处越近，开口越小。如开5 个分管出水口，第1 个分管出水口开1/5大小，第2 个分管出水口开2/5 大小，依此类推，最后一个分管出水口全部打开。待到灌溉完成后，用同样方式打开下一批5 个出水口。将灌溉已完成的水带关闭，用束绳将主管捆紧即可。另外也可配合畦灌或沟灌，一次打开1～2 个分管出水口。灌溉完成后，依次打开另外1～2 个分管出水口，关闭已灌溉完成的分管即可。

4 应用示例

灌溉的作用是给作物生长提供所需的水分，而灌溉水直接作用的对象是土壤，因此对于新灌溉技术，首先要研究其灌溉对土壤水分的作用及均匀度[8]。管道式喷灌是通过高压喷水方式，通过管道上树立的喷管和喷头，水被分散成若干小水滴，喷洒到土壤表面，经过渗漏到达土壤内部。大水漫灌是古老的地面灌溉方式，将灌溉用水通过沟渠或管道直接灌溉到农田，灌溉水经过渗漏到达土壤内部。多口水带地面节水灌溉，则是低压自流的方式，灌溉水通过多个管道，输送到土壤表面，再通过渗漏到达土壤内部。

4.1 对比管道式喷灌对土壤含水率的影响

4.1.1 试验设计

在河北省邢台市区北部的山前平原丘县境内进行多口水带地面节水灌溉和管道式喷灌的对比试验。试验区为壤土，灌溉作物是小麦，灌溉水源是深层地下水，试验于2021 年4 月28 日小麦抽穗期进行，如图3所示。采用主管直径14 cm，主管两侧连接分管，分管在主管两侧并列排放，分管直径14 cm，分管间距2 m，分管长度0.5 m，开6 个分管出口，即3 对分管，按来水方向分别排列为第1 对分管、第2 对分管、第3 对分管。第1 对分管口各开出水口横截面积的1/3，第2 对分管口各开出水口横截面积的2/3，第3 对出水口全部打开。

图3 小麦灌溉试验Fig. 3 Wheat irrigation experiment

4.1.2 试验方法

灌溉时间为9 h，机井出水量24 m3/h，用水量216 m3，多口水带地面节水灌溉技术灌溉面积0.72 hm2，喷灌灌溉面积0.64 hm2，停灌后48 h 采样，采用烘干称质量法观测土壤含水率（%）。多口水带地面节水灌溉与管道式喷灌为相同土壤条件、相同灌溉时间的同比试验。

4.1.3 试验结果

测量灌溉前和灌溉后20～40 cm 深土壤不同采样点含水率的分布状态。20 cm 深多口水带地面节水灌溉和管道式喷灌分别从4 处采样，土样含水量如表1 所示。40 cm 深多口水带地面节水灌溉和管道式喷灌分别从4处采样，土样含水量如表2 所示。

4.1.4 结果分析

由表1 和表2 数据可知，相同的灌溉时间和土壤条件下，多口水带地面节水灌溉比管道式喷灌土壤20 cm深土样平均含水量高1.7%，40 cm 深土样平均含水量高2.7%，说明管道式喷灌在灌溉时损失了部分水分，土壤含水率降低。多口水带地面节水灌溉20 cm 深4 个采样点含水量最大差值0.6%；40 cm 深4 个采样点含水量最大差值0.9%。管道式喷灌20 cm 深4 个采样点含水量最大差值2.9%；40 cm 深4 个采样点含水量最大差值3.1%。由以上采样点的数据分析可知，多口水带地面节水灌溉的4 个采样点数据基本一致，而管道式喷灌的4 个采样点，数据差距较大，说明多口水带地面节水灌溉比管道式喷灌灌溉均匀。

表1 小麦灌水前后土壤20 cm 深含水率对比Tab. 1 Comparison of soil water content at 20 cm depth before and after wheat irrigation单位：%

表2 小麦灌水前后土壤40 cm 深含水率对比Tab. 2 Comparison of soil water content at 40 cm depth before and after wheat irrigation单位：%

同一地块，同样的水源、抽水工具和灌溉时间，灌溉用水216 m3，多口水带地面节水灌溉灌溉面积0.72 hm2，管道式喷灌灌溉面积0.64 hm2，多口水带地面节水灌溉比管道式喷灌灌溉面积多11%，并且多口水带地面节水灌溉比喷灌20 cm 土壤含水率高1.7%，40 cm 土壤含水率高2.7%，说明多口水带地面节水灌溉比管道式喷灌灌溉水利用率高10%以上。

多口水带节水灌溉对增加土壤含水量的作用大于管道式喷灌，其原因是多口水带地面节水灌溉通过低压自流的方式灌溉到农田。而管道式喷灌在喷灌过程中会损失过多的灌溉水，尤其是阳光强烈、空气干燥的天气时，更易造成灌溉水的流失，相同条件下，多口水带地面节水灌溉比管道式喷灌灌溉面积多11%[9]。多口水带地面节水灌溉有多个出水口，能迅速将灌溉水输送到各个部位，灌溉均匀。而管道式喷灌离喷头近处水量多，离喷头远处水量少，还易受风力的影响造成灌溉不均匀[2]。因此，在同样条件下，多口水带地面节水灌溉比管道式喷灌灌溉水利用率高，并且灌溉均匀。

4.2 对比大水漫灌对土壤含水率的影响

4.2.1 试验设计

在河北省邢台市区南部的沙河市境内进行多口水带地面节水灌溉和大水漫灌的对比试验。试验区为粘土，灌溉作物是玉米，灌溉水源是深层地下水，试验于2021 年6 月20 日玉米苗期进行，如图4 所示。采用主管直径14 cm，主管两侧连接分管，分管在主管两侧并列排放，分管直径14 cm，分管长0.7 m，分管间距3 m，开8 个分管出口，即4 对分管，按来水方向分别排列为第1 对分管、第2 对分管、第3 对分管、第4 对分管。第1 对分管口各开出水口横截面积的1/4，第2 对分管口各开出水口横截面积的2/4，第3 对分管口各开出水口横截面积的3/4，第4 对分管口的出水口全打开。

图4 玉米灌溉试验Fig. 4 Corn irrigation experiment

4.2.2 试验方法

灌溉时间为6 h，机井出水量32 m3/h，用水量192 m3，多口水带地面节水灌溉技术灌溉面积0.89 hm2，大水漫灌灌溉面积0.61 hm2，停灌后72 h 采样，采用烘干称质量法观测土壤含水率（%）。多口水带地面节水灌溉与大水漫灌为相同土壤条件、灌溉时间的同比试验。

4.2.3 试验结果

测量灌溉前和灌溉后20～40 cm 深的土壤不同采样点含水率的分布状态。20 cm 深多口水带地面节水灌溉和大水漫灌分别从4 处采样，土样含水量如表3 所示。40 cm 深多口水带地面节水灌溉和大水漫灌分别从4 处采样，土样含水量如表4 所示。

4.2.4 结果分析

由表3 和表4 数据可知，相同的灌溉时间和土壤条件下，多口水带地面节水灌溉比大水漫灌20 cm 深处平均含水量低3.5%，40 cm 深处平均含水量低2.2%，说明大水漫灌土壤含水量过高，超过了粘土最佳含水量25%的极限，而多口水带地面节水灌溉的含水量在粘土的最佳含水量范围之内。

表3 玉米灌水前后土壤20 cm 深含水率对比Tab. 3 Comparison of soil water content at 20 cm depth before and after corn irrigation单位：%

表4 玉米灌水前后土壤40 cm 深含水率对比Tab. 4 Comparison of soil water content at 40 cm depth before and after corn irrigation单位：%

多口水带地面节水灌溉20 cm 深4 个采样点含水量最大差值0.6%，40 cm 深4 个采样点含水量最大差值0.8%。大水漫灌20 cm 深4 个采样点含水量最大差值1.4%，大水漫灌40 cm 深4 个采样点含水量最大差值2.1%。通过以上采样点的数据可知，多口水带地面节水灌溉的4 个采样点数据基本一致，而大水漫灌的4 个采样点数据差距较大，说明多口水带地面节水灌溉比大水漫灌灌溉均匀。

同一地块，同样的水源、出水量和灌溉时间，灌溉用水192 m3，多口水带地面节水灌溉灌溉面积0.89 hm2，大水漫灌灌溉面积0.61 hm2，多口水带地面节水灌溉比大水漫灌灌溉面积多31%，多口水带地面节水灌溉比大水漫灌灌溉水利用率高30%以上。

多口水带节水灌溉比大水漫灌节水，灌溉粘质土能达到土壤最佳含水量，并且灌溉均匀。在水源相同、土壤条件相同情况下，单位时间内多口水带地面节水灌溉比大水漫灌能灌溉更多的土地面积。多口水带地面节水灌溉采用多重管道将灌溉水直接输送到田间各个部位，而大水漫灌是将灌溉水通过沟渠灌到农田，灌溉时间久，灌溉不均匀。粘土会造成土壤含水率过高，影响作物根系的正常吸收，甚至会烂根，造成作物减产[10]。

5 结论

通过以上两项对比试验可以得出，多口水带地面节水灌溉比管道式喷灌灌溉水利用率提高10%以上，并且比管道式喷灌灌溉均匀。多口水带地面节水灌溉比大水漫灌灌溉水利用率提高30%以上，并且比大水漫灌灌溉均匀。多口水带地面节水灌溉技术适合半干旱、半湿润地区平坦地块的粘质土和壤土，应用面积广。随着研究的深入，可以和土壤传感器、自动控制装置结合，实现精细化、无人化灌溉，发展前途非常广阔。

6 建议

（1）多口水带地面节水灌溉技术，适合半干旱地区和半湿润地区，灌溉时应依据应用地区的地形、土壤、作物等实际状况，制定出合理的分管间距，以及分管开口大小，先进行小范围试验，成功后大面积应用推广。

（2）多口水带地面节水灌溉技术，在使用中根据实地状况多做研究，不断改进，使技术更加完善。