遼西地區坡耕地機井變頻滴灌技術模式研究與應用

郭 銘，謝 楠

(1.遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003；2.遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

遼寧地區是全國的糧食主產區之一[1]，素有“糧倉”之稱，是我國商品糧的主要生產基地。遼西地區是遼寧省玉米和雜糧的主產區，總耕地面積1.46×106hm2，其中，坡地面積7.40×105hm2，占總耕地面積的50.8%。由于水資源緊缺，農田水利基礎設施薄弱，灌溉保證率低，遼西坡耕地大部分地區為雨養農業，農民靠天吃飯，糧食產量低下，生態環境不斷惡化。如何解決該地區坡地供水困難、灌溉壓力不均等問題，提高坡耕地地區灌溉能力，已成為促進地區農業經濟發展的關鍵問題。本文針對遼西地區耕地地勢起伏較大、供水困難的現狀，提出了適宜坡耕地灌溉的機井變頻滴灌技術模式。

1 技術模式

通過坡改梯改變坡耕地地形條件，提高土壤保水保肥能力和抗侵蝕能力，提高農作物產量。工程節水主要選取滴灌灌溉技術，同時，通過采用變頻自動調壓技術或調壓閥調節干支管路中的水壓，保障滴灌在設計工作壓力下運行，提高灌溉水均勻度，節約能耗[2-5]。農藝措施主要采用大壟雙行種植技術和地膜覆蓋處理等。由于變頻技術的使用需要一定的專業基礎知識，變頻技術模式的管理方式采用由鄉水利站或村水管員統一管理形式(見圖1)。

圖1 坡耕地機井變頻滴灌技術模式

2 關鍵技術

2.1 坡改梯

2.1.1 梯田的田、路、渠、溝布設

(1)田塊規劃。為使梯田田塊符合等高等距要求，又使工程量盡量小，根據地形條件合理進行規劃。

(2)機耕路。機耕路設在溝邊，梁崗等梯田分片處，路面寬5 m，路兩側梯田田面高差不超過2 m，路面最小高度高出田面0.3 m。

(3)截水溝。為防止山洪進地，沖毀梯田，在梯田兩側挖截水溝，截水溝流向坡地，通過分水流入田間，以充分利用水資源。

(4)灌排渠道。下山溝布設成兩面排，控制面積大，管理方便，同時減少了消能建筑物的數量和造價。

2.1.2 梯田的規格和標準

(1)田面平整。根據灌溉和排水要求，田面縱向都要有1/300～1/500的坡降，活土層達到30～40 cm。

(2)梯田寬度與梯田埂高。根據地面坡度和機耕作業要求來考慮，梯田田面寬度一般為10～15 m左右。

(3)梯田長度。根據機耕、灌溉、排水和田間管理要求，結合地形條件綜合考慮確定，一般在200～400 m之間。

2.1.3 梯田的質量要求

坡改梯工程應以集中連片為原則，坡改梯工程所在區域的布局及區域內道路、水利及水土保持工程要符合相關規范要求，梯田規格、坡度等要符合相關規劃、設計要求。水平梯田田面應滿足水平度要求，并在田邊設置反坡。坡式梯田田埂頂部應滿足水平度要求，并在田面中部設置排水分流槽。堆筑田坎所用土料應確保其強度要求，避免使用風化嚴重的土料。

2.2 變頻控制

2.2.1 梯田變頻系統組成

變頻自動調壓技術主要融合了變頻調速、壓力傳感、編程控制等多項技術[6]。梯田變頻灌溉系統主要由變頻裝置、壓力傳感裝置、編程控制裝置、保護裝置、監測裝置，以及灌溉裝置等設備組成。監測裝置和壓力傳感裝置負責監控和傳輸灌溉系統管網灌溉壓力、流量等情況，通過編程控制裝置可以設置梯田不同高度的水泵運行工況，變頻裝置可以調節水泵達到設計工況，保護裝置可以防止系統超壓，保護系統安全。

2.2.2 變頻灌溉控制

梯田變頻灌溉系統是通過改變水泵電機頻率來調整水泵轉子轉速，改變水泵的運行工況，實現壓力流量調節。系統根據灌溉壓力要求，通過編程控制裝置預設梯田不同高度田面的灌溉壓力參數，通過監測裝置和壓力傳感裝置實時分析和傳輸梯田不同高度田面的灌溉管網壓力情況，當管網壓力與某高度田面設置的壓力不一致時，變頻裝置啟動運行，通過改變電機頻率調節在規定范圍內改變水泵轉速，進而調節灌溉系統的管網壓力和流量，使其與預設壓力保持一致，實現按設定時間開停水泵、按梯田高度自動調節水泵工況進行灌溉。當系統出現超壓時，保護裝置啟動，進行分流減壓，保證系統安全。

2.2.3 變頻控制壓力設定

確定坡耕地滴灌系統分區壓力等級時，一般是在傳統滴灌系統設計方法的基礎上，結合各級梯田高程，根據滴灌系統允許的壓力變幅要求，將坡耕地滴灌系統劃分成若干個灌溉分區，每個灌溉分區的滴灌帶工作壓力差均在允許壓力變幅內，從而實現整個滴灌系統的任意滴頭水流量均在設計流量內，保證整個滴灌系統的灌水均勻度要求。

坡耕地滴灌系統不同高度分區的預設壓力參數可按照公式(1)推求：

Hi=Hi s+Hif+Zi

(1)

式中：Hi為第i個灌水分區的預設壓力參數；Hi s為第i個灌水分區灌溉管網進口處的管網工作壓力；Hif為首部系統至第i個灌水分區管網進口處的沿程水頭損失和局部水頭損失；Zi為首部系統與第i個灌水分區管網進口處之間的高程差。

采用梯田變頻灌溉系統，根據梯田田坎高度、地塊大小、形狀等劃分灌溉分區，合理確定輪灌組，避免了因梯田高差大、管網壓力不均，造成滴灌系統流量偏差大、系統安全穩定性差等問題。

3 技術應用及效果

2017年，技術模式在遼寧省朝陽市建平縣八家農場玉米種植中進行了應用，同時，以管灌和無灌溉坡耕地玉米生長作為參照，對比技術應用效果。三種灌溉方式單產和灌水量見表1。

表1 不同灌溉方式增產效果

變頻滴灌灌溉條件下，玉米穗長、穗粗、穗粒數和百粒重等考種指標均高于管灌和無灌溉，變頻滴灌產量達到14 145 kg/hm2，高出管灌26.7%，高出無灌溉69.6%，增產效果明顯。相比管灌，變頻滴灌節水600 m3/hm2，并顯著提高灌水均勻度。

變頻滴灌在農資投入中增加了地膜、滴灌帶等費用，但管理方便，灌溉過程中可隨水施肥，水肥效率提高，施肥、施藥和人工成本降低，每公頃生產費用為3916元，略高于管灌的3900元和無灌溉的3735元。效益方面，由于變頻滴灌大大提高了玉米產量，以玉米單價1.5元/kg計算，變頻滴灌條件下每公頃產值為21 217.5元，凈效益為17 301.5元，分別高出管灌26.7%和34.7%，高出無灌溉69.6%和90.7%，效益增加明顯(見表2)。

表2 不同灌溉方式玉米經濟效益 元·hm-2

4 結 語

坡耕地機井變頻滴灌技術模式可以有效解決遼西坡耕地地區供水困難、灌溉供水壓力不均等問題。在建平縣玉米種植中的技術應用成果表明，與無灌溉相比，坡耕地變頻滴灌技術產量提高69.6%，效益增加90.7%。變頻滴灌技術有效調節了供水壓力，減少了灌溉水量，使有限的地下水資源發揮了顯著的效益，深受當地群眾歡迎。