微潤灌溉技術在清原縣的應用

張興華，王育男，李 強

(1.撫順市水利技術推廣中心，遼寧撫順 113000;2.清原滿族自治縣水利勘測設計室，遼寧撫順 113300;3.沈陽東方世紀科技有限公司，沈陽 110014)

1 前言

國際性水危機已成為繼能源危機后的第二大資源危機。占耗水總量70%的農業灌溉用水存在巨大的節水潛力，已成為節水行業的主攻焦點和主戰略。多年來由于資金和體制限制，對于國外的高效節水技術和設備沒有進行深入了解和引進，直到20世紀70年代才開始引進滴灌、噴灌等節水技術，但是由于當時人們認為這是一種價格昂貴的節水技術，所以沒有廣泛推廣和深入研究，基本也只是引進和仿造。與美國和以色列等節水技術發達國家相比，當前我國存在相當大的差距。

“十五”以來，由于國家對農田節水技術的重視和投入，已經自主研發了能夠適應當前國情的新型灌溉應用技術——微潤灌。微潤灌溉技術將科技前沿水平的膜技術方法引入到傳統的農業灌溉領域，引起灌溉領域技術層面的革命性變化，它突破了該領域近百年來一直未能解決的兩大難題，創造了一種全新的灌溉方法。微潤灌溉的關鍵技術是微潤管。微潤管以高分子半透膜為核心材料，是具有雙層結構的軟管。管內充滿水后，水分將以一定速度，緩慢、定量地向管外遷移。將微潤管埋到作物根部，管內釋放的水分直接供給根部吸收，使作物24h不間斷灌溉。

2 微灌器特性

2.1 灌水器結構

本次推廣項目所使用的微灌器與國外有所不同，是吸力式灌水器(見圖1)。針對遼寧地區耕地零散、種植結構分散、土壤保水能力差等特點，利用特殊材質導水芯的毛細浸潤作用，在超低水壓的條件下，向作物根部土體導水，以實現作物生長需求;其設計的主導思想是通過延長灌水時間，降低灌水強度，更加有效地防止土體深層重力滲漏和田間蒸發，增加作物對灌溉水分的吸收利用率。該灌水器主要由導水芯、緩沖腔、接口管組成。導水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導水性能直接決定灌水器性能的好壞，同時還起到防止由于管路負壓造成堵塞的作用，導水芯的材料為氨綸低彈絲，這是一種特殊的化工纖維材料，該材料一端浸水12h后，水平方向可以浸潤到205cm，垂直可上升至25cm。導水芯的直徑約為3.0mm，長度為4～6cm，導水孔的直徑為2.0mm。緩沖腔有兩個作用:一是緩沖水流流速、擴大導水芯與水的接觸面積，充分發揮導水芯的吸力作用;二是防止灌溉水的雜質造成灌水器堵塞。

圖1 灌水器結構

2.2 灌水器壓力流量關系

灌水器平均流量q平均可用下列公式表示:

式中 k——流量系數;

x——流態指數。

一般來說，當流態指數x=1時，灌水器內水的流態為層流;當流態指數0.5＜x＜1時，灌水器內水的流態為光滑流或者半紊流;當流態指數x=0.5時，流量與壓力水頭的平方根成正比，灌水器內水的流態為全紊流;當流態指數0＜x＜0.5時，灌水器為部分壓力補償式出流;當流態指數x=0時，灌水器內為完全壓力補償式出流，流量不隨壓力的變化而變化。式中表明:微潤灌水器流量系數為130.4，流態指數為0.84，即灌水器內水的流態為光滑流或者半紊流，且流量受壓力變化的影響較大。

3 項目實施概況

3.1 項目區概況

清原滿族自治縣地處遼寧省東北部，是典型的山區縣，土地資源貧乏，素有“八山一水半分田半分道路和莊園”之稱。全縣東西長 96.40km，南北寬75.30km，總面積3921km2。全縣轄屬14個鄉鎮，188個村委會，1080個村民小組，總人口35.0萬，其中農業人口26萬。項目設在清原鎮鎮西村二道嶺屯，設置日光溫室10畝，為草莓種植小區，采取棚內膜下微潤灌技術。工程建設內容包括新建深井2眼，鋪設輸水干管1000m，鋪設灌水毛管6000m，安裝灌水器20000個。

3.2 項目區布置

灌溉系統包括干支輸水管道和毛管二級布置。輸水管和灌水毛管互相垂直，灌水器串聯在毛管上直接灌溉作物根系。干管采用φ32PE管，毛管采用φ10PE管;干管總長100m;毛管間距1m，長6m，灌水器間距0.3m，布設于膜下。具體布置見下頁圖2。

圖2 灌溉系統布置

3.3 灌溉系統設置

根據草莓生長特性和當地灌溉經驗，從草莓緩苗進入生長旺期到草莓果實成熟罷園，總共灌水31次，水量約為115.7m3/畝。草莓區分A、B、C為三組，灌水壓力分別為0.018MPa，0.023MPa和0.025MPa。三組草莓灌水情況見表1。

表1 不同壓力下灌水器浸潤及流量

從上表中可以看出，灌水器采用導水灌溉方式，相對于傳統滴灌重力灌溉方式，具有工作水頭低、流量小的特點，在灌水開始前2h左右為流量最大時間段，在此之后由于周圍土壤濕度增加，出水量會大幅減少，所以在表中的變幅是對于單位時間流量的修正參數。灌水器埋于土層以下8cm位置，草莓的根系在土層以下15cm以內分布，所以三種壓力下草莓根系需水量均能得到滿足。在水平浸潤方面，三種壓力分布下浸潤距離均達到了50cm以上，壟間距為100cm，所以也都滿足要求。經過現場測試，草莓土壤表層6～8cm土層較為干燥，這是由于表層騰發比較嚴重，超過了灌水器補給量。為了應對這一情況，鋪設地膜和保證較長的灌水時間是兩個較好的措施，灌水器平均30h以上的灌水時間無疑比其他灌水方式1～2h的灌水時間要優越許多。

4 結果分析

2011～2012年間在項目實施區對三組草莓和普通灌溉的各項指標測試如表2～5所示。

表2 項目區草莓相對濕度 單位:%

表3 項目區草莓病蟲害調查 單位:%

表4 項目區草莓平均地溫 單位:℃

表5 項目區草莓產量 單位:kg/畝

從以上數據可以看出，微潤灌能適時適量地向作物根區供水供肥，為作物根系活動層土壤創造良好的水、熱、氣、養分環境，因而可實現高產穩產，提高產品質量。在溫室大棚內可以明顯提高地溫和氣溫，可提高3℃以上，更利于作物生長;同時，還能降低空氣濕度10%～15%，減少病蟲害的發生。通過延長灌水時間、減低灌溉強度，可有效防止土壤的板結。另外，由于利用了毛細浸潤作用，微潤灌水器在2m的工作壓力下便可正常進行灌溉，這比噴灌低得多，又因微潤灌比地面灌省水，對提水灌溉來說意味著減少了能耗。而微潤灌溉除提水外，不需要其他的壓力輸水，實現了低碳環保。

在A、B、C三組微潤灌草莓的對比試驗中，壓力的不同決定了灌水時間和灌水強度的差別，隨之受到影響的是土壤濕度和平均地溫，但是由于灌水總量一定，所以差異并不是很大。在壓力為0.023MPa時，項目區草莓產量最高畸形率最低，年增收效益為1520.2元/畝。

5 結論

微潤灌溉技術在清原縣鎮西村二道嶺屯草莓大棚的應用，表明其在節水、節能、增產和環保方面的優越性。普通灌溉用水量在200m3/畝以上，比其他三組的115.7m3/畝高出很多。微潤灌水器導水孔直徑為2mm，有效避開了灌水器孔徑0.7～1.5 mm的敏感堵塞尺寸，可有效防治由于灌溉水存在微小顆粒等引起的物理化學堵塞問題。對運行兩年的地下灌溉系統中2000個灌水器進行抽檢，未發現堵塞現象。目前，大棚和膜下滴灌多使用簡易噴、滴灌帶，其使用壽命僅為1年;而微潤灌溉管路在材質和防老化方面進行了特殊處理，其使用壽命可延長至3～5年。材料總造價為1920元/畝。其中:主管道和支管道的材料費為850元/畝，毛管部分的材料費為650元/畝，首部工程(包括:水箱、過濾器、施肥罐等)的材料費為420元/畝。那么，年折合畝造價為384～640元/年。微潤灌是管網供水，操作方便，勞動效率高，而且便于自動控制，因而可明顯節省勞力;同時微潤灌是局部灌溉，大部分地表保持干燥，減少了雜草的生長，也就減少了用于除草的勞力和除草劑費用;肥料和藥劑可通過微潤灌系統與灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中，不需人工作業。

微潤灌無論從經濟效益、社會效益還是環境效益都優于其他灌溉模式，該項目通過對清原縣項目區的應用進一步證實了其可靠性和實用性，并且找到了該地區的最適宜水頭壓力為0.023MPa，為該技術在遼寧東部山區的推廣應用提供了可靠的依據。

1 李道西，羅金耀．地下滴灌技術的研究及其進展［J］．中國農村水利水電，2003(7):15-18．

2 于國豐，王保澤，李春龍，佟威．微潤灌水器的研制及沙地灌溉試驗［J］．西北農林科技大學學報(自然科學版)，2007(11)．

3 竇超銀，李春龍，李光永，張立坤，于國豐．吸力式微潤灌水器水力特性試驗研究［J］．灌溉排水學報，2012(8)．

4 GB/T 17187—2009農業灌溉設備滴頭和滴灌管技術規范和試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，2010．