作物設計耗水強度對滴灌系統的影響分析

李 悅

(新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049)

0 引 言

新疆是典型的干旱半干旱灌溉農業區，土地、日照等有利于農業發展的資源豐富，但是水資源嚴重缺乏，而且在時空分布上不均衡。隨著水資源短缺現象日趨顯著，春旱和土壤次生鹽堿化等問題不斷出現，農業節水灌溉越來越受到人們的重視，借鑒國內外干旱區節水灌溉經驗，新的高效節水技術被逐步引進并推廣使用，其中滴灌技術適應新疆的實際，節水效益顯著，增產效益明顯，得到廣泛應用。近年來，滴灌技術在新疆地區得到了長足的發展，滴灌面積大幅增加。滴灌系統的設計也日趨完善。但是在長期的設計實踐中，也發現了一些值得思考的問題，比如技術參數的取值會對滴灌系統產生深遠影響。滴灌工程的成功首先是規劃設計必須合理。滴灌設計耗水強度是確定滴灌系統最大輸水能力的依據，是滴灌系統規劃設計中的一個非常關鍵的設計參數[1]。而且實踐證明，滴灌系統設計的優劣對后期工程運行管理及工程效益的發揮均會產生一定的影響，關鍵設計參數確定必須予以重視。

1 設計耗水強度

1.1 概 念

1.1.1 耗水強度

耗水強度是指單位面積的植物群體在單位時間內的耗水量，常用單位為mm/d或m3/(d·hm2)，也習慣性叫做日耗水強度。滴灌耗水強度即滴灌作物需水量[1]，是作物灌溉季節月平均日耗水量。作物最大日耗水強度是指作物各生育期月平均耗水強度的峰值[2]。

1.1.2 規范中的設計耗水強度

國家標準《微灌工程技術規范》(GB/T50485-2009)條文說明中對4.0.3的說明是：設計耗水強度取值的大小直接影響到作物的產量，計算時段越短，平均耗水強度越高。因我國微灌技術主要用于缺水地區，根據水利部原行業規范《微灌工程技術規范》(SL103-95)的實踐，采用灌溉季節月平均日耗水量峰值作為設計參數是適宜的。新規范考慮到各地自然、經濟條件的差異和作物種植的特點，修訂了設計耗水強度的取值范圍[3]。

本文中設計耗水強度是指滴灌系統設計中的一個關鍵技術參數，一般采用的是滴灌作物年灌溉季節月平均耗水強度峰值，即它的作物生長期耗水強度最大的月份中最大的日耗水強度。

1.2 設計耗水強度的確定

《微灌工程技術規范》(GB/T50485-2009)4.0.3規定，設計耗水強度應按照當地試驗資料確定，無實測資料時，可通過計算或按表1選取。規定介紹了3種確定設計耗水強度的方法。

表1 設計耗水強度 mm/d

注：①干旱區宜取上限值；②對于在灌溉季節敞開棚膜的保護地，應按露地選取設計耗水強度。

1.2.1 利用當地試驗資料

對于當地有單一滴灌作物日耗水強度試驗資料的，優先采用試驗數據作為設計耗水強度來做滴灌系統的設計。

需要注意以下4種情況：①當地試驗資料灌溉方式不是滴灌，而是地面灌或其他灌溉形式；②當地試驗資料不是單一作物，而是多種作物平均值的；③當地無同一作物的試驗資料，但是附近有同一作物的試驗資料；④當地有同類作物的試驗資料的。這4種情況的試驗資料數據均有參照價值，但使用時都需要考慮修正系數。

關于修正系數的問題，可以自己做實驗率定，沒有條件的也可以參照專家學者普遍接受、認可的成果數據。

1.2.2 設計耗水強度計算方法

設計耗水強度的計算方法，實際上是推求作物的蒸發蒸騰量。參考作物蒸發蒸騰量ET0一直是計算作物需水量的關鍵，是實時灌溉預報和農田水分管理的主要參數[4]。目前計算方法眾多，常用方法可分為4大類：水面蒸發法、溫度法、輻射和綜合法[5]。關于干旱區ET0計算的相關文獻也很多。經過多年的研究已經建立了如 Jensen-Haise(1963年) 、FAO24 Blaney-Criddle、Thornthwait 以及 Hargreaves-Samani(1985年) 等基于溫度計算的方法；Priestley-Taylor(1972) 以及 FAO24 Radiation (1977年) 等基于輻射的方法； Penman-Monteith (1965年，OPM ) 、 FAO24 Penman (1977年) 、Kim berley-Penman (1972年、1982年)等綜合方法[6,7]。此外，半干旱地區許多學者關于作物生育期ET0模型模擬方面的研究可供參考。趙旭[8]等關于新疆旱區草地參考作物騰發量隨機模擬及其應用的研究，魏光輝[9]等關于基于氣象因素的內陸干旱區生育期ET0預測以及蘇春輝[10]ET0計算公式在我國半干旱區的實驗率定研究等等。

國際通用的是基于能量平衡和空氣動力學原理的FAO56 Penman-Monteith方法。國內一些學者做過不同方法計算值的比較分析，這種方法的計算結果和實測值比較吻合。劉鈺[11]曾做過參照騰發量的新定義及計算方法對比研究，得出新定義的彭曼-蒙特斯方程是個統一的、標準的計算ET0的方法，建議在國內推廣應用標準化的彭曼一蒙特斯方程來計算參照騰發量，并以此為標準，校正其他經驗方法和確定新的作物系數。但這種方法基于足夠的氣候資料系列，包括氣溫、風速、太陽輻射等資料，在缺乏氣候資料的地區仍然有它的局限性。

計算方法本文不作贅述。總之，這些方法各有利弊，可以根據自己的實際選用。

1.2.3 利用查表的方法

查表法就是直接按照規范所給的表中數值范圍斟酌取值。其實作物種類不同，其耗水特性有明顯差異。即使是同一作物，在不同的生育期內耗水量也差別很大。對于既缺少試驗資料，又不能用計算的方法來確定設計耗水強度的，查表法確實是最便捷的一種方法。比如，糧、棉、油等植物的取值范圍4～7 mm/d，葡萄、樹、瓜類取值范圍3～7 mm/d。但規范中的取值范圍又太寬泛，所以設計耗水強度查表取值的精確度也最差。不同作物、不同地區，不同年份，在不同生育階段耗水強度均有差異，而設計人員查表取值，具有很大的隨意性，直接影響到滴灌系統管網布置和輪灌組安排的合理性。

2 設計耗水強度對滴灌系統的影響

2.1 對滴灌系統工程造價的影響

設計耗水強度在滴灌系統設計中是一個非常重要的指標，日耗水強度取值的正確與否直接決定著微灌系統的管網配置是否經濟合理，直接影響工程造價[12]。設計耗水強度的取值大小，直接影響到系統管網布置和輪灌組的安排，從而影響到工程投資造價。張志新做過研究，對于滴灌系統的輸配水管網的其他管道或管段，采用續灌或輪灌，以及輪灌方式的不同，其流量是不同的。流量越分散，各級輸配水管道的管徑越小，需要的控制閥門越少，系統管網的造價越低；輪灌組越多，說明流量越集中，各級輸配水管道需要的管徑越大，需要的控制閥門越多，系統管網的造價越高。由于管材管件投資在滴灌系統總投資中所占比例一般都在60%以上，僅地面管材管件在總投資中可以占到20%以上，甚至達到30%左右。可見，設計耗水強度取值對滴灌系統工程造價的影響是不容忽視的。

但需要注意的是，盡管如此，不能為了降低系統管網造價，而把設計耗水強度取最小值，做到管網布置合理優化。規范也規定，干旱區宜取上限值，因為設計耗水強度是與地區的氣候相關的指標參數，受氣候因子的制約。

2.2 對滴灌系統后期運行管理的影響

滴灌系統中毛管的鋪設形式是依據作物的種植結構來確定的，一天的系統工作時間不能超過22 h，一般滴灌系統連續運行20 h是可行的。筆者曾對一個玉米滴灌系統的設計參數做過計算，毛管鋪設間距為1.2 m，灌水器選定為滴頭流量3.2 m3/h，滴頭間距0.3 m。同一系統設計耗水強度取值為4 mm/d時，灌溉周期為8 d，一次最大灌水時間為4 h，一天里可以連續灌溉5組；設計耗水強度取值為5.5 mm/d時，一次最大灌水時間為4.13 h，一天里可以連續灌溉5組；而設計耗水強度取值為7 mm/d時，灌溉周期為4 d，一次最大灌水時間為3.5 h，一天里可以連續灌溉6組。可見，設計耗水強度取值不同，作物灌溉周期的大小和輪灌組數安排差別很大，直接影響到滴灌系統后期輸配水量和作物的灌溉運行管理，合理的設計耗水強度，會使運行管理便捷高效，大大節省運行費用，反之，會給后期的運行管理帶來諸多不便。

2.3 對滴灌系統工程經濟效益的影響

灌溉周期的計算公式：E=mmax/Ia，系統無淋洗要求時，Ia=Ea，即日供水強度等于日耗水強度。由灌溉周期計算公式可以看出，作物灌溉周期一定的情況下，設計耗水強度Ea和最大灌水定額mmax是正比的關系，也就是說，設計耗水強度大些，最大灌水定額就大，反之設計耗水強度小些，最大灌水定額就小。通俗地說就是，設計耗水強度合適，作物可以得到更充分的灌溉，設計耗水強度低，作物可能得不到充分灌溉，是非充分灌溉。而由最大灌水定額的計算公式：mmax=0.01γzp(θmax-θmin)可見，同一地塊中土壤容重和田間持水量一定時，作物的濕潤層深度和濕潤比會受到灌水定額大小的影響，作物生育期得到充分有效灌溉，水分生產率提高，產量可以提高10%～20%；非充分灌溉和過度灌溉都會不同程度的引起作物減產或品質受損。另外，合理的設計耗水強度可以使滴灌系統輪灌制度安排科學合理，不僅后期運行管理便利，節省人力，運行費用降低，而且作物的灌水均勻度會提高5%～10%，作物的質量和產量量也會提升10%以上。總而言之，設計耗水強度會間接影響到滴灌系統工程經濟效益的發揮。

2.4 對滴灌系統工程局部生態環境的影響

設計耗水強度是指在設計條件下滴灌作物的耗水強度，一般取設計年灌溉季節月平均耗水強度峰值作為設計耗水強度。設計耗水強度合理，符合滴灌系統中作物生育期實際耗水規律，對整個系統生態環境會產生有利影響。否則，會產生一些諸如：農藥殘留、土壤次生鹽堿化、病蟲害、溫室小氣候等不利的影響。

現在滴灌系統均采用水肥一體化，即作物所需要用的肥料養分溶解在灌溉水中從滴頭滴入土壤。這種方式既節水節肥而且省時省力。設計耗水強度會影響到滴灌系統的毛管布置和灌水器的選擇，必將影響到水肥的滴灌一次灌水時間、間隔時間、作物根系附近濕潤范圍以及土壤下滲深度，土壤吸收利用程度和蒸發損失情況等等。比如，同一個滴灌設計系統中，設計耗水強度取值5.5和5.6 mm/d，所計算的毛灌溉定額為24.44和20.74 mm，兩者相差為3.70 mm，即83.4 m3/hm2。灌溉周期相差1 d，一次灌水時間相差0.63 h，一天的輪灌組數相差1組。這些必將對滴灌系統局部生態環境產生或多或少或有利或不利的影響，而且不僅影響到滴灌系統目前生態環境狀況，而且影響到滴灌系統未來生態環境的可持續發展。

3 結論和建議

根據設計耗水強度對滴灌系統的影響探討分析，提出以下4點結論和建議：

(1)設計耗水強度是滴灌系統設計中的關鍵技術參數，它的取值對于滴灌系統設計是否經濟、后期運行管理是否便利，以及作物產量和質量的提升有著深遠的影響。

(2)設計耗水強度取值的確定一定要慎之又慎。有當地和附近類似地區的試驗資料時，盡量參照試驗數據，或結合試驗數據確定。無實測資料的情況下，在規范規定的取值范圍內，結合當地地理氣候特征，多對比分析當地不同作物的灌溉制度，選擇相對比較合理的值，使其對滴灌系統的不利影響降到最低，有利影響發揮到最高。

(3)建議多推廣各地不同作物的耗水強度的試驗觀測研究，以及數據分析整理工作。使各種作物設計耗水強度有試驗或試驗數據可循。程維新[13]做過作物生物學特性對耗水量的影響方面的研究，研究表明：作物耗水量與作物種類有著十分密切的關系，各種作物具有不同的耗水特性；不同種類作物耗水特性系數相差甚遠。

(4)今后應將作物耗水強度作為滴灌系統運行管理期關注的一個指標，持續關注它的變化規律，以及受外界影響因子影響的規律性和敏感性。多收集整理相關資料數據，進一步開展關于滴灌系統工程實施后與實施前作物耗水強度的比較分析、不同地區滴灌系統中同作物的耗水強度比較分析、同一地區滴灌系統中不同類作物的耗水強度比較分析等方面的研究。

[1] 張志新.滴灌工程規劃設計原理與應用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007.

[2] 王海艷，何 玲.作物灌溉設計中耗水強度問題研究[J].節水灌溉，2013,(6)：64-66,69.

[3] GB/T50485-2009，微灌工程技術規范[S].

[4] 彭世彰，徐俊增.參考作物蒸發蒸騰量計算方法的應用比較[J].灌溉排水學報，2004,23(6)：5-9.

[5] 陳玉民，郭國雙.中國主要作物需水量與灌溉[M]. 北京：北京水利電力出版社，1995．

[6] S Irmak,R G Allen,E B Whitty．Daily Grass and Alfalfa-Rederence Evapotran spiration estimates and Alfalfa-to-Grass Evapotranspiration Ratios in Florida[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，ASCE，129(5)：360-370．

[7] Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al．Crop Evapotranspiration -Guiddlines for Computing Crop Water Requirement[M]．Rome：Food and Agriculture Organiz ation of the United Nations，1998．

[8] 趙 旭，陳亞新.新疆旱區草地參考作物騰發量隨機模擬及其應用[J].水利學報，2008,39(11)：1 267-1 272.

[9] 魏光輝，馬 亮.基于氣象參數的內陸干旱區生育期ET0預測[J].干旱地區農業研究，2014,32(4)：65-69.

[10] 蘇春宏，陳亞新.ET0計算公式在我國半干旱區的實驗率定研究[J].人民長江，2009,40(21):91-95.

[11] 劉 鈺，Pereira L S.參照騰發量的新定義及計算方法對比[J].水利學報，1997,(6):27-33.

[12] 傅曉松.沙井子灌區滴灌設計中日耗水強度的確定[J].理論研究，2009,(2)：48-50.

[13] 程維新.作物生物學特性對耗水量的影響[J].地理研究，1985,(3):24-31.