滴灌技術的應用研究

李勁彬

摘 要：滴灌作為一種高效節水的灌溉技術，對于干旱和半干旱地區農業的發展有著重要的意義。本文從滴灌技術的選址、滴灌區水源分析及水源工程規劃、設計參數的確定、管網的規劃設計、工程投資、施工安裝以及后期管理等方面，對滴灌技術進行了系統闡述。并以渭南某農場為例，闡明了在該地區開展滴灌技術的可行性及必要性，對今后該地區滴灌技術的進一步發展具有一定借鑒意義。

關鍵詞：農場；滴灌技術；設計參數；規劃設計；工程投資

中圖分類號：S275.6 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132027

引言

滴灌[1，2]是目前世界上1種用于發展干旱和半干旱地區農業的高效的灌溉方式，其基本的工作原理是依據當地相關作物生長的需水量，通過低壓管道系統[3]與安裝在毛管上的滴頭，將水分和植物生長所需養分定期、均勻、精確地輸送到作物根部的土壤中，改變了傳統的大水漫灌以及大面積施肥方式，這種水肥一體[4，5]的灌溉模式實現了對作物的精準施肥和灌溉，很大程度上節約了用水、保護了土壤結構、減少了營養成分的流失，提高了作物產量，增加了經濟效益。

滴灌技術[6，7]的發展有很長的歷史，早在1860年德國就開始利用排水瓦管進行地下灌溉的試驗[8]。美國加利福尼亞州的Charles Lee 1920年申請的多孔灌溉瓦管專利，由于其只潤濕瓦管周圍的部分土壤，被認為是滴灌的原始模型，被稱為世界最早的滴灌技術[9]。伴隨著塑料工業在第二次世界大戰之后的快速發展，滴灌技術在以色列、美國等發達國家也得到了快速發展。1974年滴灌技術[10，11]由墨西哥引入我國，經過40a的發展，滴灌技術在我國的應用及其相關設備的研發已日漸成熟。1984年我國已有近1.5萬hm2滴灌面積，滴灌作物種類達30余種，其中果樹占95%以上。20世紀80年代初，北京燕山滴灌技術研究所成功研究了具有中國特色的燕山滴灌技術，并解決了國外滴灌技術無法用于糧食大田作物的難題，成功地推廣應用于大田作物。

1 項目區概況及技術路線

1.1 項目區概況

渭南地處渭河平原東部，陜西渭北黃土高原南緣，東臨黃河，北靠鐵鐮山，南臨洛河，屬北溫帶大陸性季風氣候區。冬冷夏熱，溫差較大，冬夏兩季長，春秋兩季不明顯；氣候干燥，光照充足，熱量豐富，蒸發量較大。項目區日照充足，年日照總時數2385.2h，年無霜期為212d；該區多年平均氣溫13.4℃，最低氣溫-16.5℃，最高氣溫42.8℃。凍土層深度為28cm。具有長日照，高輻射，大晝夜溫差等特點。夏秋季降雨量多，冬春季少，年平均降雨量為514mm，年平均蒸發量968.3mm。為了合理有效利用水資源以及建成提高項目區耕地質量及產量、為農民增產增收的高標準基本農田，場內領導以及相關技術人員一致決定在大荔農場開展67hm2棉花膜下滴灌種植。

1.2 技術路線

本文將從項目區選擇滴管技術的原因、滴灌區水源分析以及水源工程規劃、設計參數的選擇、管網的規劃設計、工程投資與施工安裝計劃、后期運行管理計劃等6個方面進行介紹。本次設計的重點是水源分析及工程規劃、設計參數的確定以及管網的總體設計這3個大的方面。實地考察項目區周邊水源情況、并對其進行可利用性分析；根據當地的地形條件、氣候條件、土壤條件以及棉花作物的種植條件等，并結合當地生產實踐，綜合分析確定了相應的設計參數；根據作物的種植模式及其需水量、項目區的地形以及田塊布局，綜合分析計算確定了管網的總體布設。

2 膜下滴灌系統簡介

膜下滴灌[12-15]技術的關鍵是將滴灌帶（毛管）鋪設于地膜之下，利用塑料管道和安裝在直徑約10mm毛管上孔口非常小的灌水器（滴頭或滴灌帶等），衰減水中能量，使水一滴滴緩慢均勻地滴在作物根區土壤中，從而達到高效局部灌溉的目的。由于滴頭流量很小，僅能濕潤滴頭所在位置較小范圍內的土壤，水主要借助土壤毛管張力入滲和擴散。膜下滴灌是目前干旱和半干旱缺水地區最為有效的一種節水灌溉方式，水資源的利用率可高達95%，因此較噴灌具有更高的節水增產效果，結合灌溉施肥，肥效可以提高一倍以上。其適用于果樹、蔬菜、經濟作物及溫室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。不足之處是滴頭出流孔口小，流程長，流速緩慢，易結垢和堵塞，因此必須對水源進行嚴格的過濾處理。滴灌系統一般由水源工程、首部樞紐、輸配水管網、滴頭及控制、量測和保護裝置等組成。

膜下滴灌相比常規灌溉方式具有省水省人省物、提高肥料利用率和土地利用率，節能、增產等優勢。膜下滴灌還可以改良耕作層土壤，降低鹽漬化危害，而且對地形的適應性較強，不產生地面徑流和深層滲漏，對地面平整度要求也不高。

3 工程應用

3.1 水源工程

項目區臨近黃河，因此項目區主要以黃河作為供水水源，采用渠水滴灌。由于黃河水中泥沙含量較多，因此滴灌工程所需要處理的重點是泥沙過濾問題。不同滴管的滴頭通過含懸浮泥沙水流（濃度及顆粒級配）的能力十分懸殊。滴頭輸沙的固有特性決定著過濾器的過濾精度、泥砂去除等，是一個相互聯系的、密不可分的系統。經沉淀池沉淀后，通過“砂石+網式”過濾器（120目）處理后，達到滴灌所需水質要求。在水量上，完全能夠滿足滴灌用水要求。

該滴灌項目區種植作物為棉花，種植模式采用行距45cm+80cm+45cm。株距45cm，采取膜下滴灌灌溉方式，一膜一管二行，采用膜上點播，膜下鋪設單翼迷宮式滴灌帶，間距125cm。

3.2 設計參數的確定

3.2.1 設計耗水強度Ea（彭曼）

根據《微灌工程技術規范》Sl103-95規定，設計耗水強度應采用設計年灌溉季節月平均耗水強度峰值，并應由當地試驗資料確定，在無實測資料時，可通過計算或查表選取。對于滴灌糧棉油作物，根據規范設計耗水強度可取4～6mm/d。endprint

根據上述試驗結果并結合該區氣侯條件，設計日耗水強度可取3.5 mm/d。也可以根據當地氣象資料，由彭曼公式得到。滴灌帶選用Ф16X450-2.8L/h的單翼迷宮式滴灌帶，即：滴頭流量為2.8L/h。

3.2.2 膜下滴灌土壤濕潤比

土壤濕潤比是指在土壤計劃濕潤土層內濕潤土體與總土體的比值。通常以地面以下20cm～30cm處濕潤面積占總灌溉面積的百分比來表示。土壤濕潤比取決于作物、灌水器流量、灌水量、灌水器間距和所灌溉土壤的特性等。

根據大田膜下滴灌棉花根系發育特點，對于一膜一管二行，濕潤深度為0.3～0.35m，濕潤半徑為0.30～0.40m，其濕潤比可按下式計算：

式中，P表示地表以下30cm處濕潤面積占作物種植面積的比值，%；表示土壤水分水平擴散直徑或濕潤帶寬度，m；表示毛管間距，m；表示灌水器或出水點間距（m）。

根據計算得一膜一管兩行濕潤比P=0.5。通過上述分析計算，結合目前大田實踐，對于一膜一管兩行濕潤比可取50%～55%。

3.2.3 基本參數的取值

查閱相關規范并結合當地實際情況本次設計保證率取值不低于85%，灌溉水利用率取0.90，設計系統的日工作小時數為20h，滴灌設計土壤濕潤比（P）取50%，設計耗水強度（Ea）取3.5mm/d，f、θ田取37%。

3.3 灌溉制度

設計灌水定額m可按式m=0.1γzP （θmax-θmin）/η計算確定，式中m表示設計灌水定額mm；γ表示土壤容重g/cm3；z表示計劃土壤濕潤層深度m；P表示土壤濕潤比%；θmax、θmin表示適宜土壤含水率上、下限（占干土重的%，一般θmax為田間最大持水率的90%、θmin為田間最大持水率的70%，即θmax-θmin=0.2θ田）；η表示灌溉水利用系數。

設計灌水周期T可按式T=（m/Ea）×η進行計算，式中T表示設計灌水周期d；Ea表示設計耗水強度mm/d。此值為作物需水高峰期的灌水周期。

1次灌水延續時間t按式t=mSeSl/qd進行計算，其中t表示1次灌水延續時間h；Se表示滴頭間距m；Sl表示毛管間距m；qd表示設計滴頭流量L/h。

該項目區采用的是將支管分成若干組，由干管輪流向各組支管供水，而各組支管內部同時向毛管供水的輪灌工作制度。這種工作制度減少了系統的流量，從而可減少投資，提高設備的利用率。

3.4 管網總體規劃設計

3.4.1 水量平衡計算

設計時應該首先進行水量平衡計算，以確定合理的控制面積。應根據系統控制的面積來確定水源供水量。當系統控制面積為63.3hm2時，按日供水20h計算，系統所需水流量可按下式進行計算。

其中Ia= Ea- P0，A表示可灌面積，hm2；Q表示可供流量，m3/h；Ia表示設計供水強度，mm/d；Ea表示設計耗水強度，mm/d；P0表示有效降雨量，mm/d；t表示水源每日供水時數，h/d；η表示灌溉水利用系數。

3.4.2 管網結構

本設計管網結構為：

潛水泵——離心過濾器——（施肥罐）網式過濾器——主干管——分干管——出地豎管——支管——毛管（滴灌帶）。其中干管與分干管、分干管與支管、支管與毛管均采用魚骨形布置，以減少沿程水頭損失，降低能耗。干管、分干管為地埋管，分干管垂直主干管布置。支管垂直分干管，采用豎管及三通連接。毛管垂直支管方向布置，毛管按一膜一管兩行布置；毛管的間距為1.25m。

3.4.3 管網設計

按初定運行方案中最不利組合計算，進行初步設計，選泵后根據水泵性能曲線圖在保證水泵高效運行的情況下，經反復試算，最后確定出最佳設計方案。

滴灌系統毛管是指安裝有灌水器的管道，毛管從支管取水，并通過其上的灌水器將水均勻分配到作物根部。一般采用抗老化低密度或中密度聚乙烯制造，由于滴灌工程毛管數量較大，因此一般選用較小直徑的毛管，毛管一般選用同一直徑，中間不變徑。毛管設計是在確定灌水器類型、流量和布置間距的基礎上進行的，其主要任務是確定毛管直徑及最大鋪設長度。根據設計資料和相關分析，毛管選用單翼迷宮式滴灌帶。

輔管連接支管和毛管，從支管取水分配到毛管中。輔管與毛管同是多孔管道，其流量比毛管要大的多。輔管設計包括確定輔管管徑、輔管入口壓力、輔管長度等。1條輔管作為1個灌水小區，其設計長度必須滿足小區的灌水均勻度要求，鋪設方向平行于支管。根據水力、經濟條件，選用Ф63PE薄壁支管配Ф32PE厚壁輔管系統。

支管是用于連接干管和輔管的管道，它從干管取水分配到輔管和毛管中。支管也是多孔管道，與毛管不同的是輔管上帶有球閥，以輔管為灌水小區依次輪灌，一般一條支管上打開一條輔管，因此支管屬于單孔出流管，其流量與輔管流量相同。支管設計包括確定管徑及管入口壓力。當沿支管地形坡度小于3%時，通常最經濟的方式是支管垂直于分干管雙向布置；當沿支管地形坡度大于3%時，順坡方向的支管應增長，而逆坡方向的支管應減短。

因干管埋入地下，因而要求其耐腐蝕、壽命長、重量輕、施工安裝方便、水力性能好等特點，所以選用硬聚氯乙烯硬塑料管，工作壓力為0.4Mpa，出地管采用0.4Mpa的PVC管。干管經濟管徑的選擇，以運行費和一次性費用投資最小來確定，同時便于操作即水錘不易破壞管道安全。經試算比較，確定各干管、分干管的管徑。因此干管的設計任務就是確定干管的最經濟管徑。

3.5 工程投資

整個節水灌溉工程投資包括土建工程和材料費用兩大部分。土建工程包括土方工程和輔助建筑材料。土方工程包括管槽土方開挖、回填、以及檢查井、排水井的土方開挖、回填等。輔助建筑材料費用和土建費用按當地價格計算。節水工程材料費用和安裝費用。工程材料按工程設計圖進行預算，材料價格按西安當地市場價格計算。安裝費用為工程料費用的10%。endprint

3.6 施工安裝與后期管理

滴灌工程施工必須嚴格按設計進行，并遵守有關規定和相關程序，做好施工記錄。根據滴灌系統所有權的性質，應建立相應的經營管理機構，固定工作人員，實行統一領導，分級管理或集中管理，具體實行工程、機泵、用水、用電等項目管理。為提高滴灌工程管理水平，應加強技術培訓，明確工作職責和任務，建立和健全各項規章制度，實行滴灌產業化管理。

4 結論及建議

和傳統的地面灌溉相比，膜下滴灌不僅可以節水70%～80%，還可以節省投資約60%左右，灌溉運行的成本也僅有傳統灌溉方式的30%左右，如噴灌等。膜下滴灌工程由于其不用修渠，管道基本埋在地下，因而提高了3%～5%的土地利用率。由于膜下滴灌具有顯著的節水增產效果，因而在我國北方干旱半干旱地區，在地形復雜的山區，丘陵地區，在戈壁、沙漠和透水性強的砂質土壤及鹽堿土地區極有發展前途。

盡管膜下滴灌系統節水增產效果顯著，但使用過程中也有幾點問題值得注意。覆蓋的塑料薄膜難降解，因此我們在選擇時應盡量選擇可降解薄膜，政府在此可以進行一定補貼，大力推廣可降解薄膜；地表裸露部分管道抗老化以及抗凍能力太弱，極易破壞，因而一定程度上增加了用戶的投入成本，建議今后應用前與生產廠家主動聯系，有針對性的選擇生產管道，提高利用率；推廣力度不夠，全國缺水地區應用不夠廣泛，一次性投資大，因此如何進一步推廣滴灌技術仍是我國面臨的一個難題。

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