青稞噴灌節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與管理方案分析

和 健，柳 靜，尹 芳，張無敵，楊 紅，王昌梅

（云南師范大學(xué)，云南昆明 650500）

青稞屬禾本科大麥屬作物，生育期短，為一年生草本作物，耐寒、耐旱，適合種植在高寒地區(qū)。青稞具有豐富的營養(yǎng)價值，因此常常作為主食被人們食用，同時還可以作為釀酒的原材料。

云南省麗江市金莊村位于云南省金沙江河谷地帶，常年降水量不足300 mm 甚至更低。該村青稞種植田總灌溉面積10 hm2，主要采用地下水灌溉以及地表水灌溉結(jié)合的方式。該地區(qū)水利設(shè)施相對落后，不能有效利用河流等地表水進(jìn)行灌溉耕作［1-2］，因此地下水灌溉是最主要的灌溉方式，約有7 hm2，占總面積的70%，地表水灌溉約有3 hm2，占總面積的30%。經(jīng)測算，傳統(tǒng)灌溉方式有效利用系數(shù)只有0.40～0.65。隨著地下水資源逐年短缺，為解決農(nóng)田用水問題，高效利用地表水、設(shè)計合理的節(jié)水灌溉系統(tǒng)成為有效解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺問題的有效途徑。

節(jié)水灌溉技術(shù)具有節(jié)水、現(xiàn)代化以及增產(chǎn)增效等特點(diǎn)［3］。根據(jù)灌溉方式以及地區(qū)氣候、水文等條件的不同，當(dāng)前主要的節(jié)水灌溉方式有滴灌、微灌以及噴灌等［4］。因此，基于金沙江河谷地帶農(nóng)田的人文、地理以及氣候等實(shí)際情況，結(jié)合節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計準(zhǔn)則，對該地區(qū)農(nóng)田的噴灌節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 噴灌節(jié)水灌溉系統(tǒng)的組成及工作原理

農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要由首部樞紐系統(tǒng)、輸配水管網(wǎng)、蓄水池3 個部分組成，用戶通過使用首部樞紐系統(tǒng)中的中央計算機(jī)控制中心，結(jié)合使用傳感器、氣象臺、流量計等對農(nóng)田作物生長環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與控制，為農(nóng)作物提供適宜的生長環(huán)境管理。此外，通過使用輸配水管網(wǎng)以及蓄水池結(jié)構(gòu)保障農(nóng)田用水，實(shí)現(xiàn)地表水的高效利用［5］。

1.1 噴灌

噴灌是一種利用低壓管道（塑料管道）系統(tǒng)，將水直接輸送到田間，再經(jīng)過噴頭噴射到空中，形成細(xì)小水滴，均勻灑落在農(nóng)田中的灌溉方式。相對于大水漫灌等方式，噴灌節(jié)水效果更好，灌溉更均勻。

1.2 首部樞紐系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)前，金莊村經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，農(nóng)業(yè)自動化與信息化控制還未普及，灌溉一般采用人工控制［6］。應(yīng)堅持以科技為先導(dǎo)的設(shè)計原則，結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)有的節(jié)水灌溉技術(shù)，充分借助當(dāng)前先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)、節(jié)水設(shè)備以及節(jié)水理念等，探索出適用于金莊村的現(xiàn)代化新型節(jié)水灌溉技術(shù)，確保該節(jié)水灌溉系統(tǒng)未來的先進(jìn)性以及可持續(xù)利用性。當(dāng)?shù)剞r(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)的首部樞紐系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)無線控制，通過對農(nóng)田作物生長環(huán)境（濕度、土質(zhì)等環(huán)境）的實(shí)時監(jiān)控，使用傳感器、氣象站、流量計等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；利用中央計算機(jī)控制中心對各參數(shù)進(jìn)行計算，并基于計算結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的控制信號至相應(yīng)的可編程控制器上，對各個參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)精準(zhǔn)調(diào)控，不僅能最大程度節(jié)約水肥資源，而且還能為作物生長提供最佳條件。

其中，傳感器為酸堿度傳感器以及電導(dǎo)率傳感器，以確定農(nóng)田土壤的肥力情況，控制施肥泵的開啟。狀態(tài)數(shù)為農(nóng)作物的生長狀態(tài)，如生長周期等情況，以確定灌溉頻率、灌溉總量、水肥需求量等參數(shù)。流量計測量供水系統(tǒng)的水流量大小，以實(shí)現(xiàn)灌溉量的精準(zhǔn)控制。氣象站監(jiān)測溫濕度情況以及風(fēng)雨狀況，以確定農(nóng)田灌溉量等參數(shù)。

1.3 輸配水管網(wǎng)設(shè)計

輸配水管網(wǎng)是整個農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)的水資源輸送裝置，本設(shè)計中輸配水管網(wǎng)主要由輸配干管、輸配分干管、輸配支管、輸配噴管以及閘閥組成［7］。根據(jù)農(nóng)田種植區(qū)域分布情況，對輸配水管網(wǎng)四部分管道進(jìn)行組裝設(shè)計。

輸配干管是輸配水管網(wǎng)的主要輸配管道，是主干部位，因水流量較大，考慮壓差等因素，該部分的管道需要采用相對比較結(jié)實(shí)、耐壓的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，簡稱PVC）材料管，管徑為400 mm，工作壓力為1.1 MPa。該管道為地下埋設(shè)管道，埋設(shè)于地面下0.8 m，且在低處均設(shè)排水井和滲水井。輸配分干管采用聚乙烯（Polyethylene pipe，簡稱PE）材料管，管徑為300 mm，工作壓力為1.0 MPa，與輸配干管同樣埋設(shè)于地面下0.8 m。考慮到灌溉的靈活性，輸配支管與輸配噴管均采取地上走管的方式，且輸配支管是移動支管，可以實(shí)現(xiàn)靈活移動。支管采用PE 材質(zhì)管，管徑為200 mm，工作壓力為0.4 MPa，噴管由于送水量相對較小，采用普通的PE 材質(zhì)即可，管徑為16 mm，工作壓力為0.2 MPa。

1.4 蓄水池設(shè)計

蓄水池是在水源干涸或供水不足時，作為備用水源灌溉農(nóng)田，以提高地表水的利用率，達(dá)到節(jié)約使用資源的目的［8］。蓄水池設(shè)計為圓形半地埋式，直徑為6 m，深度為2 m，總?cè)萘考s56 m3。該蓄水池設(shè)有進(jìn)水管口以及出水管，分別與該節(jié)水灌溉系統(tǒng)的輸配干管連接，可在水源不足時調(diào)配蓄水池水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，以保證農(nóng)田及時灌溉，不影響作物的正常生長。

1.5 水源選擇

根據(jù)該地現(xiàn)狀，在進(jìn)行水源選擇時，基于因地制宜的原則，在既保證節(jié)約用水的同時，又節(jié)約勞動力成本［9］。因此，以地表水為主要水源，地下水為備選水源。地表水采用管道輸配的方式，結(jié)合使用蓄水池，對該地區(qū)的農(nóng)作物進(jìn)行噴灌灌溉。地表水水源位于該地區(qū)附近的河流，地下水通過布置機(jī)井獲取灌溉水。當(dāng)?shù)氐乃磒H 在5.5～8.0，符合噴灌的水源要求。

2 青稞灌溉技術(shù)要點(diǎn)

2.1 青稞種植噴灌參數(shù)設(shè)定

青稞在種植管理時，采用節(jié)水灌溉系統(tǒng)，需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，灌溉標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)設(shè)定如表1 所示［10］。

2.2 青稞種植灌溉制度管理

本灌溉系統(tǒng)設(shè)計的工作方式為續(xù)灌灌溉方式［11］。在進(jìn)行續(xù)灌時，一般要求系統(tǒng)內(nèi)各個管道供水保持一致性。在對青稞進(jìn)行噴灌種植時，要始終堅持適齡灌水原則。青稞在不同生育期階段的水分虧缺情況是不同的，對應(yīng)的灌溉次數(shù)、灌溉量以及灌溉水利系數(shù)也都存在一定差別。

2.2.1 播種期

春播青稞一般在每年的4 月下旬至5 月播種，此階段的青稞植株的需水量不是很大，耗水量在19.1 mm，因此每667 m2灌溉量僅需保持在2 m3，一次灌溉即可。若種植地在此階段降雨，則不需主動灌溉，同時需要保證灌溉水利系數(shù)達(dá)到0.9。

2.2.2 分蘗期

青稞分蘗期一般在每年的5 月下旬至6 月中旬，此階段是青稞的耗水旺期，耗水量在103.3 mm 左右，因此在此階段需要增加灌溉量以滿足生長需求。一般每667 m2灌溉量保持在5 m3，分蘗期只需一次灌溉即可。

2.2.3 拔節(jié)期

青稞拔節(jié)期一般在每年的6 月中旬至7 月初，此階段是青稞的耗水旺期，但相對于分蘗期的青稞需水量，拔節(jié)期的需水量相對較少，耗水量在100.5 mm。因此該期間，每667 m2青稞的灌溉量應(yīng)控制在4 m3，拔節(jié)期只需一次灌溉。

2.2.4 抽穗期

青稞抽穗期一般在每年的7 月初至7 月底，此階段是青稞生長周期中需水量最大的時期，耗水量在121.0 mm，因此該期間每667 m2青稞的灌溉量應(yīng)控制在6 m3，抽穗期根據(jù)實(shí)際情況灌溉1～2 次。

2.2.5 成熟期

青稞成熟期一般在每年的7 月底至8 月中旬，此階段青稞基本不需要過多水分，耗水量72.3 mm，因此該期間每667 m2青稞的灌溉量應(yīng)控制在3 m3，根據(jù)實(shí)際需水情況灌溉1 次即可。

3 預(yù)期效益分析

結(jié)合青稞種植管理要點(diǎn)，本次設(shè)計的灌溉系統(tǒng)無論是從地表水的使用情況，水資源的高效利用，還是輸配量的控制方式，均優(yōu)于當(dāng)前的灌溉方式，自動化程度高，水資源利用率高，節(jié)水效果顯著。