微灌技術(shù)應(yīng)用及其工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

常貴，單陸丹，高金梅，顧正南

（江蘇省淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，233005，淮安）

微灌技術(shù)應(yīng)用及其工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

常貴，單陸丹，高金梅，顧正南

（江蘇省淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，233005，淮安）

微灌；節(jié)水技術(shù)；規(guī)劃設(shè)計(jì)

微灌技術(shù)作為最重要的節(jié)水灌溉工程技術(shù)之一，具有顯著的節(jié)水、節(jié)地、節(jié)能、省工等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合所承擔(dān)的微灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，從微灌技術(shù)的類(lèi)型、特點(diǎn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹微灌工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

一、微灌的分類(lèi)與特點(diǎn)

1.微灌的分類(lèi)

微灌常按選用灌水器的不同進(jìn)行分類(lèi)，即不同灌水方法采用不同的灌水器。

①滴灌。利用滴頭、滴灌管（帶）等灌水器以滴水或者細(xì)小水流的方式緩慢而均勻地濕潤(rùn)作物根區(qū)部分土壤的灌水技術(shù)稱(chēng)為滴灌。由于滴頭流量很小，只濕潤(rùn)滴頭所在位置的土壤，水主要借助土壤毛管張力入滲和擴(kuò)散。滴頭流量一般不大于12L/h，常用滴頭流量為1～4L/h。滴頭置于地面時(shí)，稱(chēng)為地表滴灌；滴頭置于地面以下，將水直接施到地表下的作物根區(qū)，稱(chēng)為地下滴灌；把滴灌管（帶）鋪設(shè)在農(nóng)膜下的灌溉方式稱(chēng)為膜下滴灌。

②微噴灌。又稱(chēng)微型噴 （灑）灌（溉），是利用微噴頭、微噴帶（管）等灌水器，將壓力水以噴灑狀的水流形式噴灑在作物根區(qū)附近土壤表面的一種灌水方式。微噴頭流量一般不大于250 L/h，常用的微噴頭流量為20～240 L/h。

③涌灌。又稱(chēng)涌泉灌溉，是通過(guò)從開(kāi)口小管涌出的小水流將水灌入土壤。由于灌水流量較大（但一般不大于220 L/h），需要筑溝埂在地表形成小水洼來(lái)控制灌水。這種灌水方式的工作壓力很低，不易堵塞，但田間工程量較大，適合地形較平坦地區(qū)。為了克服滴灌堵塞，有一種將滴灌系統(tǒng)的滴頭取下，稱(chēng)作小管出流灌溉的灌水方法，也屬于涌灌。

④霧灌。又稱(chēng)彌霧灌溉，與微噴灌很相似，只是工作壓力較高（可達(dá)到 200 kPa～400 kPa）， 噴出的水滴極細(xì)，灌水時(shí)形成水霧且以調(diào)節(jié)田間空氣濕度為主要目的，如全日照噴霧育苗就要采用霧灌。

2.微灌的特點(diǎn)

①小流量局部高頻灌溉與傳統(tǒng)地面灌水方法（溝、畦灌等）和噴灌的最大區(qū)別是灌水均勻，灌溉水利用率高。微灌通過(guò)管道系統(tǒng)將水直接送往作物根部附近，只濕潤(rùn)主根層所在的耕層土壤，作物基本上沒(méi)有棵間蒸發(fā)，作物需水量本身就比較小。同時(shí)，微灌設(shè)備可以按照需要準(zhǔn)確控制灌水量，既不存在深層滲漏亦無(wú)噴灌條件下的飄移蒸發(fā)損失，在現(xiàn)有的灌水方法中，微灌所需要的灌水量最小，田間灌溉水有效利用系數(shù)最高。

②適時(shí)適量供水供肥。微灌可按作物需求適時(shí)適量地向作物根區(qū)供水供肥，肥料及藥劑可通過(guò)微灌系統(tǒng)隨著灌溉水直接施到根系土壤中。微灌可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉施肥，使作物根系活動(dòng)層土壤一直處于良好的水、熱、氣和養(yǎng)分供給狀態(tài)，改善了作物的生長(zhǎng)環(huán)境，為作物增產(chǎn)和改善品質(zhì)提供了有利條件。

③工作壓力低，節(jié)約能源。微灌灌水器要求的工作壓力比噴頭低得多，與噴灌相比可以大幅度降低能量消耗。同時(shí)，微灌田間灌溉水有效利用系數(shù)高，對(duì)需要消耗能源的提水灌區(qū)，節(jié)水也就意味著節(jié)能。

④可適應(yīng)各種土壤和地形。微灌是利用壓力管道將水輸送到作物根部區(qū)域，適用于各種土壤和地形，甚至可以在某些陡坡或者沙石灘上有效灌溉，還能根據(jù)土壤的入滲特性選用相應(yīng)的灌水器，避免地表徑流和深層滲漏。

二、微灌系統(tǒng)的組成

典型的微灌系統(tǒng)通常由水源工程、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和灌水器四部分組成。微灌用管道和管件對(duì)防堵塞的要求較高，同時(shí)工作壓力較低，工程設(shè)計(jì)中多采用塑料材質(zhì)（主要有PVC-U管和PE管）的管道和管件，末級(jí)毛管多用半軟管。

1.微灌用灌水器

灌水器又稱(chēng)配水器，其作用是按照作物的需要，消殺或分散有壓管道輸送來(lái)的集中水流中的能量，并向每棵作物的根區(qū)土壤配水。灌水器種類(lèi)繁多，使用條件也各有差異，常用的有以下幾類(lèi)：

①滴頭。在滴灌系統(tǒng)中，通過(guò)流道或孔口將毛管中的壓力水流變成滴狀或細(xì)流狀的裝置稱(chēng)為滴頭。滴頭常用塑料壓注而成，結(jié)構(gòu)多樣，規(guī)格型號(hào)各異，如按安裝位置不同可分為管上式、管間式、內(nèi)鑲式；按照壓力分為壓力補(bǔ)償式和非壓力補(bǔ)償式等。

②滴灌管（帶）。在制造過(guò)程中將滴頭與毛管組裝成一體的管狀或帶狀的灌水器稱(chēng)為滴灌管（帶），其兼具輸配水和滴水功能。當(dāng)管內(nèi)無(wú)專(zhuān)用滴頭時(shí)，直接在結(jié)合縫處熱合成流道或做成雙壁管等形式，毛管管壁薄，可壓扁成帶狀稱(chēng)為滴灌帶；管壁較厚，管內(nèi)或管間裝有專(zhuān)用滴頭，毛管卷曲不易變形的稱(chēng)為滴灌管。目前國(guó)內(nèi)外大量使用的性能較好的薄壁滴灌帶有邊縫式滴灌帶、中縫式滴灌帶、內(nèi)鑲貼片式滴灌帶等。

③微噴頭。就是微型噴頭，是微噴灌的出流部件。按照結(jié)構(gòu)特征可劃為折射式、旋轉(zhuǎn)式；按噴射水流濕潤(rùn)范圍的形狀有全圓和扇形之分；按結(jié)構(gòu)形式有固定式和移動(dòng)式之分。

④微噴帶。微噴帶是采用激光或者機(jī)械打孔方法生產(chǎn)的多孔噴水帶。隨著工作壓力不同，微噴帶的噴幅發(fā)生變化。微噴帶具有噴水柔和、適量、均勻，低水壓，低成本，鋪設(shè)、移動(dòng)、卷收方便等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于農(nóng)田、果園、菜地、林草花卉等。

2.微灌用過(guò)濾設(shè)備

微灌系統(tǒng)微灌要求灌溉水中不含有造成灌水器堵塞的污物和雜質(zhì)，而任何水源 （包括水質(zhì)良好的井水）都不同程度地含有污物和雜質(zhì)，這些污物和雜質(zhì)可區(qū)分為物理、化學(xué)和生物類(lèi)，諸如塵土、砂粒、微生物及生物體的殘?jiān)扔袡C(jī)物質(zhì)，碳酸鈣等易產(chǎn)生沉淀的化學(xué)物質(zhì)，以及菌類(lèi)、藻類(lèi)等水生動(dòng)植物。在進(jìn)行微灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)前要對(duì)水源水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)分析，并根據(jù)選用的灌水器類(lèi)型和抗堵塞性能，合理地設(shè)計(jì)選定水質(zhì)凈化設(shè)備。

作為微灌系統(tǒng)的初級(jí)水質(zhì)凈化設(shè)備有攔污柵、沉淀池和離心式泥沙分離器等。作為微灌系統(tǒng)的末級(jí)過(guò)濾器，其形式有多種，按安裝方式有立式和臥式，按材質(zhì)有塑料和金屬，按清洗方式有人工清洗和自動(dòng)清洗，按濾網(wǎng)形狀有筒式和疊片式之分，應(yīng)根據(jù)需要和設(shè)備供應(yīng)情況合理選用。

三、微灌工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)

1.微灌設(shè)計(jì)參數(shù)

①作物需水量。微灌屬于局部灌溉，局部灌溉下作物需水量可不考慮棵間蒸發(fā)量，只與作物對(duì)地面的遮陰率大小有關(guān)，公式為：

式中，ETd為作物耗水強(qiáng)度，mm/d；ETc為作物需水量，mm；Kr為作物遮陰率對(duì)耗水量的修正系數(shù)，小于等于1。

②灌水定額。在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，采用作物生育期內(nèi)各次灌水量中最大的一次作為設(shè)計(jì)灌水定額。微灌系統(tǒng)的作物生育期最大凈灌水定額可由式（2）確定：

式中，m為灌水定額，mm；γ為土壤容重，g/cm3；z 為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，cm；p為設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比（%）；θmax為適宜含水量（質(zhì)量百分比）上限（%）；θmin為適宜含水量（質(zhì)量百分比）下限（%）。

③設(shè)計(jì)灌水周期。在設(shè)計(jì)灌水定額和設(shè)計(jì)日耗水量的條件下能滿(mǎn)足作物需要，兩次灌水之間的最長(zhǎng)時(shí)間間隔，可按式（3）計(jì)算：

④一次灌水延續(xù)時(shí)間。即式（4）：

式中，t為次灌水延續(xù)時(shí)間，h； Sr、St分別為灌水器間距、毛管間距，m；q為灌水器流量，L/h。

⑤灌水次數(shù)與灌水量。微灌工程中作物全生育期灌水次數(shù)比傳統(tǒng)的地面灌溉多。灌水次數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蠛妥魑镄杷攸c(diǎn)等確定。灌水總量為生育期內(nèi)各次灌水量的總和。

2.灌溉工作制度

微灌系統(tǒng)工作制度分為續(xù)灌、輪灌和隨機(jī)取水三種方式。其中隨機(jī)取水方式適用于灌溉系統(tǒng)面積較大、區(qū)內(nèi)用水單位多并且作物種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，取水隨意性大的情況。

輪灌組的個(gè)數(shù)取決于灌溉面積、系統(tǒng)流量、灌水器的流量、日運(yùn)行最大時(shí)數(shù)、灌水周期和一次灌水延續(xù)時(shí)間等，輪灌組數(shù)目可由下式計(jì)算：

式中，N為實(shí)際輪灌組數(shù)，個(gè)；n總為系統(tǒng)灌水器總數(shù)，個(gè)；qd為灌水器設(shè)計(jì)流量，L/h；Q 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，L/h。

3.微灌管道流量及水力設(shè)計(jì)

①流量計(jì)算。在根據(jù)作物種類(lèi)、水源條件和經(jīng)濟(jì)狀況等因素等條件合理選擇工作制度基礎(chǔ)上，根據(jù)每個(gè)灌水器（出水口）流量依次計(jì)算毛管、支管及干管流量。

②水頭偏差計(jì)算。灌水小區(qū)中灌水器的流量差異取決于灌水器的水頭差異，灌水器的水頭偏差率與流量偏差率的關(guān)系為：

式中，hv為灌水小區(qū)中灌水器水頭偏差率，%；qv為灌水小區(qū)中灌水器偏差率，%；x為灌水器流態(tài)指數(shù)。

③沿程水頭損失計(jì)算。微灌系統(tǒng)的支毛管多為等距多孔管，其水頭損失按式（7）計(jì)算：

式中，hf為等距多孔管沿程與局部水頭損失，m；S 為分流孔間距，m；S0為多孔管進(jìn)口至首孔的間距，m；N為分流孔總數(shù)；q 為單孔設(shè)計(jì)流量，L/h；f、m、b分別為管道的沿程水頭損失計(jì)算系數(shù)、指數(shù)。

④管徑計(jì)算。水頭損失等于或接近于允許管網(wǎng)最大水頭損失時(shí)的管徑就是恰當(dāng)?shù)?。?dāng)Q＜120 m3/h時(shí)，D=； 當(dāng) Q＞120 m3/h時(shí)，D=11.5Q為管道內(nèi)流量，m3/h；D為管道內(nèi)徑，mm。

⑤水泵選型。微灌工程的水泵與配套動(dòng)力的選擇主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程和設(shè)計(jì)流量進(jìn)行。

依據(jù)以上水力學(xué)計(jì)算結(jié)果和管網(wǎng)布置長(zhǎng)度與形式，以及供水需求量和水源情況可確定所需水泵的揚(yáng)程與流量。在微灌工程中常用的是中小型離心泵和潛水泵。

四、結(jié)論

①微灌技術(shù)在農(nóng)林業(yè)中應(yīng)用廣泛，如何有效地發(fā)揮微灌系統(tǒng)的作用，設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)工作者要嚴(yán)把設(shè)計(jì)關(guān)，本著科學(xué)、合理、高效、節(jié)約的原則，設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的微灌系統(tǒng)。

②微灌技術(shù)設(shè)計(jì)中，土壤濕潤(rùn)比、作物需水量和水源是基礎(chǔ)，管網(wǎng)布局與水力計(jì)算是依據(jù)，管網(wǎng)和水泵的選擇與確定是關(guān)鍵。■

[1]姚彬.微灌工程技術(shù)[M].鄭州：黃河水利出版社，2012.

[2]郭元裕.農(nóng)田水力學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1997.

[3]金兆森，朱克成.噴微灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)指南[M].南京：河海大學(xué)出版社，2002.

責(zé)任編輯 李建章

S274

B

1000-1123（2014）09-0034-02

2014-03-20

常貴，工程師。