连通器节水灌溉系统的设计

杨晓桐

（东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

1 研究背景

实现水资源高效利用与保护，是国家推进能源结构调整，促进低碳技术发展和环境保护，应对全球气候变化，实现“碳达峰、碳中和”战略目标的共性关键基础[1]。传统的大水漫灌方式使中国成为农业用水大户，其用水量占比高达全国总用水量的70%，而水的有效利用率却仅为30%～40%。此外，在整个农业用水中，90% 的水资源用于农田灌溉[2]，因此，推广节水灌溉技术是提高农业灌溉效率的重要途径。《国务院关于实施最严格水资源管理制度的意见》明确提出，要加强农业节水，大力发展高效节水灌溉。目前主要存在如何开展节水灌溉和节水灌溉技术能否提高灌溉效率问题。解决上述问题，对于提高中国粮食产量，促进农业可持续发展具有深远意义。

节水灌溉技术是以节约水资源为特征的资本和技术密集型现代农业生产要素[3]，通过改善生态环境和优化人力资源配置实现减贫效果[4]。从生态效应来看，节水灌溉技术不仅可以改善社会和生态环境[5]，而且具有显著的生态和环境效应，并具有一定的经济和技术效应，例如：可使玉米增产10 kg/0.067 hm2[6]，胡萝卜增产21%[7]，促进农作物产量和收入的增加等。

2 设计原理

2.1 设计思路

中国农业生产过程中的节水灌溉技术具有多种特点，包括步行灌溉、喷灌和微灌，但不同灌溉技术的应用范围也不同。根据不同的农业生产条件，选择合适的灌溉技术，既能节约水资源，又能提高农业产量。喷灌技术系统是指喷洒灌溉，它采用动力机和水泵管道等专用喷水设备，将水加压后，利用自然水滴将水输送到需要灌溉的部位，再通过喷水器将水喷入空中形成密集的小水滴，均匀分布在地面上。根据灌溉系统方式的不同，主要分为固定式喷灌系统、半固定式喷灌系统和移动式喷灌系统。系统采用固定式喷灌，即所有部件均固定，或除喷头外其他部件均固定。

连接器是指上端开口或底部开口的容器。如果连接器内装有相同的液体，连接器与外界相连，两边没有压差，根据液体的压力公式P=ρgh可以看出，液体连接器两侧的水平面应保持平整。连接器节水灌溉系统是根据实际情况选择喷灌技术和连接器的组合，将帮助人们满足户外种植花卉或小型植物的需要，从而达到节约水资源和改善农业的目的。

2.2 设计优势

本系统采用固定式喷灌系统进行灌溉，具有节约灌溉用水、避免破坏土壤结构、改善地面气候和不受地形限制等优点。

2.2.1 节水

喷灌可以控制水量及均匀性，避免地表径流和深层渗漏损失，提升水的利用率，比传统的漫灌节水30%～50%，同时，喷灌可以在一定程度上节约电力，降低灌溉成本。

2.2.2 省力

喷灌更好地实现机械化和自动化，从而节省了劳动力。由于田间没有水沟，不仅有利于机械作业，而且减少了田间劳动力。此外，肥料和杀虫剂可以并入喷灌系统，以减少劳动力。据统计，喷灌的劳动力消耗不到地面灌溉的20%。

2.2.3 提高土地利用率

使用喷灌时，不再需要田间灌溉沟渠和垄沟。与传统的地面灌溉相比，可以充分利用耕地面积，提高土地利用率。通常，它可以增加7%～10%的耕地面积。

2.2.4 增产

喷灌有利于准确控制土壤水分，使土壤水分保持在最适合植物生长的范围内。此外，在喷灌过程中，水滴可以冲走作物茎叶上的灰尘，有利于植物的呼吸和光合作用。此外，喷灌不会对土壤造成侵蚀等破坏，从而保持土壤团聚体结构，使土壤疏松多孔，且具有良好的通气性，从而提高产量，尤其是蔬菜产量。

2.2.5 适应性强

喷灌对不同地形适应性强。它不需要像地面灌溉那样平坦的土地，可以洒在斜坡和不平的地面上，特别适合喷灌在土层薄和透水性强的砂土上。此外，喷灌不仅适用于所有的大田作物，而且对不同的经济作物、蔬菜和草地也有良好的经济效益。

2.3 结构设计

连通器节水灌溉系统有效地将连通器系统和喷灌技术结合在一起，能够在晴天时增加灌溉系统内喷洒的水量，在阴雨天时减少系统内喷洒的水量。

2.3.1 晴天时

由于温度升高，紫外线增强，环境内水分减少，植物对水分的需求量增加用以保证正常的光合作用。同时系统内因温度升高，连通器内水分蒸发量增大，水位线下降，橡胶塞带动硬质杆随之下降，喷管系统的阀门逐渐拧松，灌溉量增加，保证了植物正常的水分需求。

2.3.2 阴雨天时

由于降雨量增加，温度降低，环境内水分充足、湿度高，植物无需额外的水分来进行正常的光合作用。同时系统内因为环境降雨和温度下降，连通器内水分蒸发量降低，水位线上升，橡胶塞带动硬质杆随之上升，喷灌系统的阀门逐渐拧紧，灌溉量下降直至停止，以免过量的水分导致植物不能正常生长，也达到了节水的目的。

2.4 影响植物光合作用的因素

2.4.1 水量

水不仅是植物光合作用的原料之一，又是影响叶片气孔开闭的因素之一，间接影响其对CO2的吸收，所以植物在缺水时，光合速率会明显下降。当水量过少时，植物为了防止失水过多就会关闭气孔（水分的蒸腾是通过气孔出去的），这样就会导致CO2进气量不足，影响了光和作用的暗反应阶段，从而使光和作用强度减弱。如果水量过多，会使得植物的根系得不到足够的氧气，只能进行无氧呼吸。而植物的无氧呼吸产物是酒精，这对植物细胞有毒害作用，酒精多了就会造成“烂根”现象，导致植物根系受损，降低了光合作用。

然而该系统能够根据外界环境的改变来调节系统内的灌溉水量。晴天时，环境内水量少，灌溉量增加，以免出现植物缺水的情况；阴雨天时，环境内水量多，灌溉量减少，以免出现系统内水量过量的情况。该系统不仅能够达到节约水资源的目的，也能够提高植物的成活率。

2.4.2 温度

作物的生长过程都会受到温度的影响,因为在一定的温度范围中,适当的温度上升可以提高酶的活性,加快光反应速度，从而增加光合作用的强度。温度影响酶的活性，植物在最适温度时，光合作用最强，生长速度最快，生长情况最好。超过最适温度，酶的活性减弱。温度过高时，为了防止水分蒸发，气孔关闭，CO2来源不足，光合作用减弱，进而影响植物的正常生长。

当温度过高时，植物的光合速率显著降低。这是因为高温会破坏催化暗反应的相关酶，还会破坏叶绿体的结构；氧溶解度的降低超过了氧溶解度的降低，有利于光呼吸，但不利于总光合作用；在高温下，叶片的蒸腾速率加快，叶片失水严重，导致气孔关闭，CO2供应不足，在这些不同因素的共同作用下，必然会导致光合速率急剧下降。如果情况严重，叶片会因过度失水而枯萎，甚至干枯死亡。

然而该系统能够根据外界环境的改变来调节系统内的温度。晴天时，灌溉量增加，可以有效地降低系统内的温度；阴天时，灌溉量降低，尽可能地保证温度不再下降，能够达到提高植物成活率的目的。

2.5 试验设计（以胡萝卜幼苗为例）

此试验分为试验组和对照组各9 组，分别在3 种晴天、3 种阴天和3 种雨天情况下培养20 棵胡萝卜幼苗14 d，14 d后观察其幼苗的成活率以及生长情况。试验组使用连通器节水灌溉系统，其系统内正常水位线为25 cm，并且每日记录每组的连通器水位线位置，计算14 d 内的平均水位线位置；对照组使用普通灌溉系统，灌溉水量保持在10 mL/min 不变。试验组与对照组晚上均停止灌溉系统，白天开启灌溉系统。

2.6 试验结果

2.6.1 试验组（使用连通器节水灌溉系统）

表1为使用连通器节水灌溉系统的试验结果。

表1 使用连通器节水灌溉系统的试验结果Tab.1 The experimental results of water-saving irrigation system with connector

2.6.2 对照组（使用普通灌溉系统）

表2为使用普通灌溉系统的试验结果。

表2 使用普通灌溉系统的试验结果Tab.2. The experimental results of common irrigation system

根据试验数据可知，2组所用总的灌溉水量非常接近，但试验组胡萝卜幼苗的成活率以及生长情况远好于对照组，说明连通器节水灌溉系统能够明显提高灌溉效率，并且可以根据天气变化为植物创造适宜的水量环境。

2.7 系统示意图

连通器节水灌溉系统的系统示意图，见图1。

图1 连通器节水灌溉系统的系统示意图Fig.1. The system schematic diagram of water-saving irrigation system with con-nector

3 创新特色

连通器节水灌溉系统的主要创新特色有以下3 个方面：第一，系统内的连通器可以一定程度将天气变化以水位线的方式体现出来，为系统内传达更为直接和方便的信息；第二，系统的橡胶块、硬质杆和阀门，可以将水位线信息进行处理，进而控制系统灌溉的水量，防止灌溉水量过多或过少，无需人力干涉；第三，系统能够将连通器和喷灌技术有效结合起来，并能够保留其优点，互相弥补不足，从而达到“1+1＞2”的效果。

4 结语

农业作为中国的重要产业之一，为实现可持续发展奠定了坚实的基础。在农业生产过程中，对水资源的依赖程度较高，随着经济的快速发展，农业发展中需水量和供水量之间存在的矛盾日益明显。在这种情况下，必须实行节水灌溉技术，提高水资源的利用率和农业生产效益。文章对当前节水灌溉技术在农田水利方面建设的重要性进行分析，并且提出了相关的解决办法，希望能对当前的农田水利建设有帮助，实现对农业产业结构的合理调整和优化。