綠地滲灌節(jié)水技術研究概述

王　麗　陳莉麗　蘇德榮

摘要:從滲灌技術的系統(tǒng)設備、理論計算、應用實踐、研究成果等幾個方面概述了國內外的研究情況,并介紹了滲灌節(jié)水技術的特點,最后提出了一些關于今后發(fā)展?jié)B灌技術的建議。

關鍵詞:綠地;滲灌;節(jié)水

中圖分類號:S275文獻標識碼:A文章編號:1006-6500(2009)02-0051-05

Study on Water-saving Technology of Subsurface Irrigation for Greenbelt

WANG Li1,CHEN Li-li1,SU De-rong2

(1.Garden Management Bureau of Hexi District,Tianjin 300061,China;2. College of Resources and Environment,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Abstract:From several aspects of the subsurface irrigation technology equipment, theory, the application of practice and research results and so on, the research status at home and abroad were summarized. And the characteristics of water-saving technology of subsurface irrigation were introduced.At last, the proposals on its future development were made.

Key words: greenbelt;subsurface irrigation;water-saving

目前,我國水資源供需矛盾日益突出。據(jù)對全國640個城市的調查表明,每年缺水城市達300多個,其中嚴重缺水的城市114個,日缺水1 600萬t ,每年因缺水造成的直接經(jīng)濟損失達2 000億元,全國每年因缺水少產糧食700億～800億kg。預測2010年,全國總供水量為6 200億～6 500億m³,相應的總需水量將達7 300億m³,供需缺口近1 000億m³。2030年全國總需水量將達10 000億m³,全國將缺水4 000億～4 500億m³[1]。由此可見,我國水資源供需面臨非常嚴峻的形勢,如果在水資源開發(fā)利用上沒有大的突破,在管理上不能適應這種殘酷的現(xiàn)實,水資源很難支持國民經(jīng)濟迅速發(fā)展的需求,水資源危機將成為所有資源問題中最為嚴重的問題[2]。

天津是一個嚴重缺水的城市,全市人均水資源占有量為160 m³/人,不足中國人均水資源占有量的1/15,在總用水量中,農田灌溉用水占總用水量的57%。王紅瑞、劉曉燕[3]的研究結果表明,水資源緊缺使北京市1981—1995年GDP損失量達128.14億元,平均年損失率為1.72%,并且這種損失還在逐年遞增。天津市面臨著和北京同樣的問題,水資源的短缺已成為天津市國民經(jīng)濟發(fā)展的重大瓶頸。徹底解決天津市水資源短缺狀況的根本途徑是開源節(jié)流并舉,特別是節(jié)流應當放在首位。從目前情況看,天津在缺水的同時,水資源浪費現(xiàn)象依然比較嚴重,節(jié)水有著很大潛力。全國的分析計算得知,通過降低工藝耗水和提高工業(yè)用水的重復利用率,全市工業(yè)用水每年可再節(jié)約0.4億m³。通過在居民生活區(qū)、賓館、公寓、飯店發(fā)展中水回用,園林、公共綠地實施節(jié)水灌溉,每年可有0.3億m³的節(jié)水潛力[4]。因此,在實施南水北調工程的同時,天津市大力開展再生水利用、海水利用、微咸水利用等非常規(guī)水源的利用研究,以補充常規(guī)水資源利用的不足,科學調度、高效利用、優(yōu)化配置、有效保護和綜合治理,緩解和改善水資源供需矛盾,滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的用水需求。

1國外滲灌技術的研究進展

地下滴灌以其無可比擬的優(yōu)點,己成為近幾年世界各國節(jié)水灌溉專家研究的熱點,并取得了很大的進展。早在19世紀中葉,國外就出現(xiàn)了用有孔管道進行灌溉的設想和研究[5]。20世紀80年代以來,以美國的Tomas、Camp、Hene等為代表的一批灌溉專家對地下滴灌的土壤水分運動進行了深入細致的研究,促進了地下滴灌技術的發(fā)展。Tomas等[6]分析了模型中的水力傳導度與毛細水勢的關系,討論了地下滴灌中毛管間距、毛管深度的設計問題。Tomas等[7]以毛細管水勢為變量,模擬地下滴灌線水源分布,并進行了驗證,以此選擇毛管間距和深度。Philip[8]以地上、地下滴灌點水源為對象,建立了三維非飽和土壤水運行模型,模擬各種無限、半無限區(qū)域的水分運動過程。Philip[9]利用球型波函數(shù)得到了模型的精確解,但由于在自由界面上線性化,多維模型應用中存在一些不足,為了描述飽和區(qū),Philip將線性化點水源的位置上移,得到較為精確的結果。

尋求解決地下滴灌的堵塞問題也是地下滴灌研究的一個重點,如前述的在毛管末端增加沖洗管,定時沖洗等。針對地下滴灌中可能存在的負壓吸泥現(xiàn)象,以色列Plasta公司發(fā)明了一種內鑲式壓力補償式滴頭,其最顯著的特點是當灌溉停止時,滴頭出口自動被鎖住,可防止負壓吸泥。對于根系的向水性,有可能致使作物根系入侵灌水器而堵塞出口,Solomon等[10]對草坪灌溉的各種灌水器進行評估,發(fā)現(xiàn)只有2個灌水器沒有根系進入。對此,Ruskt等[11]提出在灌溉水中加入一種化學藥劑,從而阻止根系的入侵,并已成功使用近10年。

目前,國內外尚無針對地下滴灌管網(wǎng)水力性能的研究,而有關地表滴灌管網(wǎng)水力性能的研究比較多。1979年在美國亞利桑那州Coolidge附近安裝了第一個棉花地下滴灌系統(tǒng),面積0.2 hm²,至1985年已有約0.8萬hm²棉田安裝了地上與地下管道,當?shù)胤Q為“亞利桑那系統(tǒng)”,開始了真正意義上的地下滴灌系統(tǒng)應用和研究。Valiantzas[12]、Wu等[13]采用水力梯度等方法對管網(wǎng)水力性進行了分析,Amoozergar等[14]采用諾模圖進行管網(wǎng)設計,Dandy等從設計和運行管理角度談了多個灌水單元的微灌系統(tǒng)優(yōu)化設計。以色列Naan公司的棉花和果樹地下滴灌系統(tǒng)己正常運行3年多。美國Lamm等人[15]宣布,他們的地下滴灌系統(tǒng)已成功使用10年。美國堪薩斯州立大學從1989年開始,連續(xù)進行了10年的大田作物地下滴灌研究,已累計完成22個地下滴灌的研究項目,對地下滴灌的設計、維護和經(jīng)濟性及長期效應做了廣泛的研究,編寫了正確使用地下滴灌的多種技術指導材料。

地下滴灌可利用污水進行灌溉,美國堪薩斯州己將地下滴灌作為利用污水進行大田作物灌溉的一種主要灌水技術。據(jù)估計,美國地下滴灌面積已達15.607萬hm²,分別占微灌面積和灌溉總面積的5%和0.6%[16],從這看出最早的滲灌和滴灌是從農業(yè)應用開始的,在園林樹木和城市草坪中應用也是近幾年才開始的,只用做示范,真正實施的還不多,一是因為它的工程造價較常規(guī)灌溉高,另外,一種新的技術在開始都是很難被人們所接受和認可的。

2國內綠地節(jié)水技術的研究進展

為了從根本上解決城市綠地的用水問題,還城市一個真正的綠色環(huán)境,節(jié)水技術得到了發(fā)展,首先得到大家認可和應用廣泛的是噴灌,這是因為近年來我國草坪業(yè)發(fā)展迅速,綠地覆蓋面積成倍增加,城市建設越來越向園林化方向發(fā)展。草坪業(yè)發(fā)展的同時帶動了草坪基礎設施建設。因此,作為草坪建設重要技術支撐的草坪灌溉技術,在草坪面積增加的同時也得到了迅速的發(fā)展。噴灌是目前最主要的草坪灌溉方法。噴灌特別適合于密植和低矮植物的灌溉,具有灌水比較均勻,增加空氣濕度,改善小氣候環(huán)境,能淋洗植物葉片,保持花草樹木鮮嫩等優(yōu)點。但是噴灌受風的影響比較大,在干旱氣候條件下,水滴在空氣中的漂移、蒸發(fā)損失比較大,影響灌溉水的利用率。

除噴灌之外,還有微噴灌即微灌技術,微灌技術就是灌水量微小的灌水技術,一般包括微噴灌、滴灌和滲灌。灌溉水通過低壓管道直接送到每棵作物的根部附近,并通過灌水器(滴頭、微噴頭、滲水管、滲頭等)將水散布在根區(qū),濕潤根部附近土壤。與地面灌溉相比其灌水量少,灌水間隔時間短,土壤濕度變幅小。由于蒸發(fā)、滲漏損失小,比噴灌、地面漫灌分別省水30%和75%,工作壓力一般為50～200 kPa,僅為噴灌的1/3到1/2,作物根區(qū)土壤經(jīng)常保持良好的水氣狀況。

2.1滴灌技術的研究與應用

我國在不斷改進傳統(tǒng)地面灌水技術的同時,也十分重視滴灌技術的理論和實踐研究。自1974年引進滴灌技術以來,其發(fā)展經(jīng)歷三個階段:第一階段,20世紀80年代主要引進、消化和試制有關滴灌設備。在這期間引進了墨西哥的滴灌產品,自行發(fā)展滴灌帶和小管出流產品;第二階段,從80年代到90年代,屬于緩慢發(fā)展階段,主要對已有產品進行改進,開發(fā)了孔口式、補償式滴頭,豐富了滴灌設備品種,產品質量有所提高,對我國滴灌設備開發(fā)和應用起推動作用;90年代以后是滴灌技術發(fā)展的第三階段,該階段許多地區(qū)連續(xù)干旱,水資源短缺加劇,城市人口急劇增加,為解決這些問題,國家對農業(yè)節(jié)水十分重視,投入相對增加,極大地促進了滴灌系統(tǒng)的發(fā)展,改進研制了新的滴灌設備及其配套產品,引進國外部分先進技術和設備,使滴灌技術在我國北方果園、設施農業(yè)及蔬菜保護地有了較大發(fā)展,制定了滴灌設備技術標準和技術規(guī)范。

滴灌系統(tǒng)作為一種新型的灌水技術,在理論和實踐方面都積累了大量的經(jīng)驗。我國學者張思聰?shù)萚17]、李恩羊等[18]就地下滴灌(滲灌)條件下非飽和土壤水的二維流動作了數(shù)學模擬。在國家自然科學基金重大項目“華北平原節(jié)水農業(yè)應用基礎研究”(1993—1996年)中,呂謀超等[19]對地下滴灌土壤水運行進行了試驗,在此基礎上,杵峰對地下滴灌條件下土壤水分的運動進行了模擬。以上這些研究為弄清地下滴灌條件下土壤水分運動規(guī)律打下了基礎。

我國“九五”攻關中也成功地研究出了類似以色列Plasta公司發(fā)明的內鑲式壓力補償式滴頭的地下滴灌灌水器。王金如[20]把等比降法和平均水頭法在微灌設計中的應用作了深入研究?？弟S虎[21]根據(jù)微灌設計中對平均灌水流量和灌水均勻度的要求,用水力學解析的設計方法提高了管網(wǎng)(干管、支管、毛管)的水力學設計精度。我國學者張國祥采用等流量設計法對微灌管網(wǎng)進行設計,該系統(tǒng)采用哈迪公司生產的雙壁滴灌管作為毛管,毛管間距1 m,平均長182 m,埋深15～25 cm,設計流量為6 L/(h·m),系統(tǒng)的首部裝有砂過濾器。在生產實踐中人們認識到,在有過濾設備的前提下,影響系統(tǒng)壽命的決定因素是毛管定期沖洗與否,為此,應在毛管下游加設一條沖洗管道,采用免耕法,3年后原毛管廢棄,重新鋪埋毛管。應用表明,地下滴灌適用于田間輪作,節(jié)省了鋪設和回收毛管的用工,有利于田間管理和降低作物壟床中的鹽分。此后,地下滴灌系統(tǒng)在多種作物上得到應用,從大田的棉花、玉米、土豆、蔬菜到果園的柑橘、菠蘿、梨樹以及草地等,均取得了較好的節(jié)水、增產效果,系統(tǒng)運行良好。

滴灌毛管的水力學計算公式不斷趨向完善。如陳陽生[22]通過實驗模擬得出“改性聚乙烯(PE)軟管沿程阻力系數(shù)經(jīng)驗公式λ= 0.33/Re0.25”與布萊修斯沿程阻力系數(shù)公式λ= 0.316 4/Re0.25相差僅為2%,不同雷諾數(shù)下的沿程阻力系數(shù)適用于聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)管組成的管網(wǎng)沿程水頭損失,改性的聚乙烯軟管用于低壓滴灌,這為計算機模擬滴灌系統(tǒng)奠定了基礎。滴灌支管的管網(wǎng)優(yōu)化設計出現(xiàn)了許多計算方法,王留運[23]闡述了不同地形條件下毛管壓力沿長度分布的情況。低壓力水頭滴灌系統(tǒng)研究也出現(xiàn)了一些新的內容,北京林業(yè)大學蘇德榮等[24]采用滴灌帶(特性系數(shù)x = 0.349 6,k = 0.515 5)和滴灌管滴頭(特性系數(shù)x=0.471 9,k=0.491 7)在自流式滴灌系統(tǒng)中進行研究,其結論為:在其壓力水頭變化范圍內,壓力水頭越低,毛管灌水均勻性越差。由于其采用的滴頭類型單一,壓力水頭在有限范圍內變化,因此,其結論具有一定的局限性。王偉等[25]從灌水量對土壤濕潤體分布角度研究表明,在低壓水頭下滴灌,對沙性土壤入滲深度大而水平距離小,粘性土壤水平擴散距離大而入滲深度小。灌水總量、土壤質地和灌水間距相同時,灌水器流量小時,濕潤體體積較大,并且土壤水分向下運動趨勢增大時,總希望土壤濕溶體體積比較大,水分有效濕溶作物根部周圍的土壤,提高水分生產效率。

2.2滲灌技術的研究與應用

滲灌是一種地下微灌形式,目前關于滲灌還沒有一個統(tǒng)一的、獲得共識的定義,一般認為“地下暗管灌溉”、“地下浸潤灌溉系統(tǒng)”、“地下灌溉”等名詞是滲灌的同義語。地下滴灌做滲灌講,地下滲灌是將低壓水通過埋在地下的透水管管壁微孔向外滲濕土壤,再借助土壤的毛細管作用,將水分擴散到作物根部周圍供作物吸收利用的先進灌溉技術,簡稱滲灌。滲灌是一種新型的灌溉方式,是地下滴灌的一種,即地下滴灌的點源灌水形式。它的最大特點是將水直接送入作物根區(qū),同時保持土壤的非飽和狀態(tài),使土中的水、氣、熱、肥相協(xié)調。

整個滲灌系統(tǒng)自上而下有水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)滲灌管等組成,其中以首部樞紐和滲灌管最為關鍵。

首部樞紐包括加壓裝置(水泵)、過濾裝置(過濾器)、進排氣閥、水表和控制閥門。

2.2.1滲灌管的埋深滲灌管的埋設深度決定于土壤性質、耕作情況、作物種類及凍深(北方)。適宜的埋設深度應能使灌溉水借毛細管作用充分濕潤計劃濕潤層,特別是使表層也能達到一定的濕潤程度,而深層滲漏最小。一般粘質土埋深大,砂質土埋深小。埋設深度一般30~40 cm。

2.2.2滲灌管的間距主要決定于土壤性質和供水管道的壓力。土壤顆粒越細,土壤的吸水能力越強,滲灌時土壤的濕潤范圍也越大;土壤顆粒越粗,土壤的吸水能力越弱,滲灌時土壤的濕潤范圍越小。因此,砂質土中,滲灌管間距宜較小,粘質土中,滲灌管間距宜較大。另外,灌水壓力較大時,滲灌管間距可稍大,低壓或無壓滲灌時,滲灌管間距應較小。在確定滲灌管間距時,應使相鄰兩條管道的浸潤曲線重合一部分,滲灌管間距變化較大(為0.25～5 m)。一般來說,草坪較窄,而蔬菜、果樹較寬。

2.2.3滲灌灌水壓力在管壁的出水特性一定的條件下,灌水壓力決定滲灌管的容許長度,也影響滲灌管的出水量。確定灌水壓力的主要依據(jù)是滲灌管的最大鋪設長度,一般以管道首端和末端流量偏差不超過20%為宜。我國采用的灌水壓力多為5.88～29.4 kPa。

2.2.4滲灌管的長度與坡度滲灌管的長度與坡度、灌水壓力、灌水流量及管道的滲水性能有關。滲灌管的種類不同,允許的最大長度也不同,發(fā)泡微孔塑料滲灌管的允許長度在百米以上。塑料打孔滲灌管為20～68 m,滴灌毛管為70 m,滴灌帶為100～200 m。確定滲灌管適宜長度的依據(jù)是使管道首尾兩端土壤濕潤均勻,而滲漏損失較小。目前,我國滲灌采用的管道長度一般為20～50 m。坡度應根據(jù)管道長度與地面坡度而定,一般為0.001～0.005,無坡度情況也可(有壓)。

2.2.5滲灌管的出流量滲灌管的出流量與土壤物理性質特別是土壤的滲水性能有關。重壤土每延長米滲灌管的出流量以0.009～0.010 m3/h為宜;中、輕壤土每延長米滲灌管的出流量以 0.012～0.016 m3/h為宜;砂壤土每延長米滲灌管的出流量0.016～0.020 m3/h為宜[26]。

3滲灌節(jié)水技術的特點

與其他灌水方法相比,地下滲灌主要有8方面的優(yōu)勢:(1)節(jié)水 滲灌是一種地下灌溉方式,直接轉化為根層土壤水,無蒸發(fā)、漂移和深層滲漏損失。灌水后土壤表層保持干燥,株間蒸發(fā)減少;同時通過控制灌水量,也可以有效減少深層滲漏。所以水的有效利用率最高,滲灌較其它灌水方式節(jié)水,它比噴灌節(jié)水50%～70%,比溝灌節(jié)水50%～70%,比滴灌節(jié)水10%;(2)節(jié)能 滲灌屬于低壓灌溉,灌水壓力一般為5.88～29.42 kPa,所以滲灌較噴灌、微噴等灌水方式節(jié)省能源;(3)降濕 當用于棚室灌溉時,由于滲灌只濕潤作物根部,表土干燥,從而減少了地表土壤的蒸發(fā),降低了棚室內空氣的相對濕度;(4)增產土壤處于非飽和狀態(tài),有利于水、氣、熱相協(xié)調,地表不板結,不破壞土壤肥力和結構,故增產增效,比噴灌增加約50%的產量;(5)管道等設備埋在地下,既可延長使用壽命,管道可用10 a以上,又可有利于農藝、機械作業(yè)等田間管理,而且抵抗外界干擾能力強,基本不占農田,無需細平整土地,可提高土地利用率4%以上;(6)設備固定,操作管理簡單,易實現(xiàn)自動化,維護管理費很低;(7)滲灌時,地表下5～10 cm土壤比較干燥,溫濕條件差,能有效抑制雜草的生長和病蟲害繁殖,對草坪、作物的生長效果很好,對樹木的效果不太明顯,可節(jié)約大量農藥、鋤草劑和勞力。

地下滲灌相對于其顯著的灌溉節(jié)水優(yōu)勢,其缺點也是明顯的:(1)滲灌管容易堵塞。滲灌管堵塞是滲灌發(fā)展的致命問題,主要有物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞3種類型,直接影響滲灌系統(tǒng)的灌水均勻度和滲灌系統(tǒng)的使用壽命;(2)滲灌灌水均勻度差。由于滲灌管易堵塞,致使?jié)B灌的灌水均勻度差,嚴重影響滲灌的灌水質量。滲灌系統(tǒng)埋入地下,對灌水器流量不能進行直接測量,因而對系統(tǒng)灌水均勻度的評價非常困難;(3)檢查維修成本高。如果應用在農作物上,在作物發(fā)芽階段需要灌溉時,應采用其他灌溉方法,增加系統(tǒng)投資成本;灌溉時應頻繁沖洗支管、毛管,以去除管中積累的土壤顆粒等沉積物,增加了人工維護成本;系統(tǒng)中應安裝空氣閥,減少毛管中的負壓,以免土壤顆粒進入滲頭中增加維護設備成本,因此,系統(tǒng)發(fā)生故障時,檢查、維修時間長,費用高,并且對系統(tǒng)日常運行管理要求非常嚴格;(5)埋深和深層滲漏之間存在矛盾。

4關于發(fā)展?jié)B灌技術的一些建議

(1)滲灌技術從理論到設備都還不完善、不成熟,需要加大人員和經(jīng)費的投入力度,進行滲灌設備的研發(fā)和科學研究工作。

(2)滲灌技術的推廣應用不能盲目。雖然滲灌是目前國際上最先進、最經(jīng)濟而又最有發(fā)展前途的節(jié)水灌溉技術,相比其他灌水技術具有明顯的節(jié)水節(jié)能優(yōu)勢,但是相對其系統(tǒng)設備、維護檢修成本、頻繁的系統(tǒng)沖洗、優(yōu)質的過濾設備和技術、良好的灌溉水質以及先進的灌溉運行管理等前期投資成本較高,同時這也是維持系統(tǒng)正常運行、節(jié)水節(jié)能、使用期較長的主要因素。因此,滲灌技術還不是一種成熟的灌水技術,所以對滲灌的應用要慎重。

(3)滲灌技術首先應用在保護地栽培和果樹等經(jīng)濟價值較高的作物上,這樣能最大限度地發(fā)揮滲灌技術的優(yōu)點,增產增效,滲灌在某些農業(yè)產業(yè)中應用狀況良好。

(4)滲灌技術作為節(jié)水灌溉途徑在我國還屬于較新的領域,目前滲灌管的微孔堵塞,灌水不均勻,抑制作物毛細根發(fā)展等問題急需快速解決,這樣才能使?jié)B灌技術更完善,發(fā)揮其更大的經(jīng)濟和社會效益。

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