黃土高原區(qū)果樹(shù)滴灌的投資控制分析

楊 凱，郭向紅，續(xù)海紅，張鵬飛，康海峰，趙海靜，李一路

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所，山西太谷030800；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷030801）

山西省位于我國(guó)北方陰山山脈和秦嶺間、華北平原西側(cè)的黃土高原區(qū)。全省水資源總量142億m3（1956—1979年），在全國(guó)32個(gè)省、自治區(qū)中，僅比寧夏多，為同期全國(guó)水資源總量的5.12‰。其人均占有水資源量為487m3/人（按1990年人口數(shù)），每公頃年均占有水資源量?jī)H為3 726m3，相當(dāng)于全國(guó)人均的20.2%，每公頃年均占有水資源量的13.8%[1]。河川徑流量與全國(guó)同期相比，人均17%，每公頃年均占有水資源量11%，而且“十年九旱”是山西省的基本氣候特征[2]，山西是我國(guó)嚴(yán)重缺水的省份。

20世紀(jì)70年代，山西省在黃土高原丘陵區(qū)建設(shè)的許多灌溉工程因水資源問(wèn)題陸續(xù)荒廢[3]，同期開(kāi)始引進(jìn)滴灌設(shè)備，并應(yīng)用到山地果園中，且取得了較為明顯的節(jié)水增產(chǎn)效益。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，節(jié)水灌溉得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，1997年新增節(jié)水灌溉面積10.2萬(wàn)hm2，1998年新增13.3萬(wàn)hm2[4]。截至2003年底，全省共有滴灌面積1.786萬(wàn)hm2，其中應(yīng)用到果樹(shù)中的面積約有11.65 hm2[5]，但以灌溉水的利用率和水分生產(chǎn)率來(lái)衡量的話，仍有相當(dāng)一部分與國(guó)家規(guī)范要求有較大差距，沒(méi)有充分發(fā)揮出滴灌適于山區(qū)、丘陵區(qū)的優(yōu)勢(shì)。其原因主要是對(duì)區(qū)域水資源和水環(huán)境承載能力考慮不足；受果品市場(chǎng)價(jià)格影響，節(jié)水積極性難以調(diào)動(dòng)；與農(nóng)藝節(jié)水、管理措施脫節(jié)[6]，也存在工程設(shè)計(jì)不合理、節(jié)水效益不理想的情況。

價(jià)值工程（Value Engineering，VE），是一門(mén)新興的管理技術(shù)，是降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效方法，通過(guò)分析研究對(duì)象的功能和費(fèi)用來(lái)提高對(duì)象的價(jià)值。其理論基礎(chǔ)為：

式中，F(xiàn)（function）為功能重要性系數(shù)，C（cost）為成本系數(shù)，V（value）為功能價(jià)值系數(shù)。

在果樹(shù)滴灌工程中，首部樞紐系統(tǒng)和輸水系統(tǒng)占工程投資的80%以上，將其作為價(jià)值工程的分析對(duì)象，通過(guò)降低該項(xiàng)費(fèi)用來(lái)降低工程投資，從而達(dá)到提高價(jià)值的目的。為此，就需要確定工程實(shí)施后欲定植樹(shù)種的設(shè)計(jì)灌水定額、灌水周期、灌水延續(xù)時(shí)間等主要參數(shù)及適宜的輸水管道，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者應(yīng)用價(jià)值工程原理對(duì)果樹(shù)滴灌工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，著重對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)中主要參數(shù)的取值方法進(jìn)行探討，以期為黃土高原區(qū)果樹(shù)滴灌工程設(shè)計(jì)起到一定指導(dǎo)作用。

1 果樹(shù)滴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)主要參數(shù)

灌溉制度是滴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及運(yùn)行管理的重要依據(jù)，同時(shí)也是控制工程投資的重要環(huán)節(jié)。由于果樹(shù)大多栽培于丘陵、山地，較其他作物更易受到水分脅迫的影響[7]，因此，制定果樹(shù)的灌溉制度就顯得尤為必要。果樹(shù)灌溉制度是根據(jù)果樹(shù)的需水量和需水規(guī)律，在充分利用有效降水的條件下，經(jīng)過(guò)果樹(shù)生育期各個(gè)階段水量平衡計(jì)算，確定的灌水定額、灌水次數(shù)和灌溉定額等參數(shù)。這些技術(shù)參數(shù)與果樹(shù)樹(shù)種、土壤條件和管理水平等因素密切相關(guān)，其中最核心的就是灌水定額、灌水周期和灌水延續(xù)時(shí)間。

1.1 設(shè)計(jì)果樹(shù)灌水定額

滴灌是利用專門(mén)的灌溉設(shè)備，將有壓水流變成水滴浸潤(rùn)土壤表面和作物根區(qū)，并借助重力和毛管作用入滲的灌水方法。由于其灌水利用率高、灌水定額較小，因此，用較少的水資源就可以灌溉更多的面積。

設(shè)計(jì)灌水定額時(shí)，要綜合考慮果樹(shù)的生長(zhǎng)特性、需水規(guī)律和項(xiàng)目實(shí)施地的氣象、土壤等條件，注意不能大于果樹(shù)生育期的需水量最大值，否則多灌的水會(huì)產(chǎn)生深層滲漏，不但對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)毫無(wú)作用，還會(huì)降低果樹(shù)對(duì)水肥的利用率[8]?！段⒐喙こ碳夹g(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009）中規(guī)定：

式中，m設(shè)為果樹(shù)設(shè)計(jì)凈灌水定額（mm）；γ為土壤容重（g/cm3）；z為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度（cm）；p為設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比（%）；θmax為適宜土壤含水量上限（%）；θmin為適宜土壤含水量下限（%）。在黃土高原區(qū)，z值一般為80～100 cm，p值一般為25%～40%。

黃土高原區(qū)屬典型的補(bǔ)充灌溉地區(qū)，在對(duì)果樹(shù)實(shí)施滴灌時(shí)，其耗水量比全面積灌溉小得多，但果樹(shù)生育期的需水最大值不代表就是灌水最大值。如蘋(píng)果的需水量最大值出現(xiàn)在新梢2次生長(zhǎng)期（7月中旬至9月上旬），階段需水量占全生育期的33%以上[9-10]，而此時(shí)正值黃土高原地區(qū)集中降雨期，就不必按照需水最大值灌水。否則，將因設(shè)計(jì)灌水定額偏大導(dǎo)致工程投資和運(yùn)行費(fèi)用的浪費(fèi)。以蘋(píng)果生育期的需水量為例（表1）。

表1 蘋(píng)果生育期需水量

1.2 設(shè)計(jì)果樹(shù)灌水周期

果樹(shù)灌水周期是指2次灌水高峰期之間的最大時(shí)間間隔。滴灌的特點(diǎn)之一是可以實(shí)現(xiàn)高頻灌溉，施行高頻灌溉時(shí)，灌水周期小于由傳統(tǒng)最大灌水定額決定的最大灌水周期。

式中，T為理論灌水周期（d）；Tmax為最大灌水周期（d）；m為設(shè)計(jì)灌水定額（mm）；Ia為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度（mm/d）。其中，設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度是指設(shè)計(jì)果樹(shù)生育期最大日補(bǔ)充灌水強(qiáng)度，是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，其決定了滴灌工程配置的合理與否。由于山西省針對(duì)果樹(shù)的滴灌灌溉，現(xiàn)階段尚無(wú)灌溉試驗(yàn)資料，Ia的取值參照《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009）中給出的范圍，在3～7mm/d之間進(jìn)行取值。

如果滴灌系統(tǒng)控制區(qū)內(nèi)定植有多個(gè)樹(shù)種的果樹(shù)，設(shè)計(jì)單位往往會(huì)采用不同樹(shù)種灌水周期中的最短周期作為設(shè)計(jì)周期，以此為標(biāo)準(zhǔn)必然加大了管網(wǎng)流量。目前，較科學(xué)的設(shè)計(jì)是參照各樹(shù)種的定植比例，結(jié)合同時(shí)段各樹(shù)種的灌水周期，綜合分析后確定其灌水周期。

式中，T綜合為理論綜合灌水周期（d）；αi為第i種果樹(shù)的栽植比例（%）；Ti為第i種果樹(shù)的理論灌水周期（d）；n為系統(tǒng)控制區(qū)內(nèi)的果樹(shù)種類(lèi)數(shù)。

1.3 設(shè)計(jì)灌水延續(xù)時(shí)間

果樹(shù)灌水后的24 h內(nèi)，水分要完全作用于有效根系分布層的土壤。如灌水不足，濕潤(rùn)層太淺，將影響果樹(shù)根系的發(fā)育及果實(shí)品質(zhì)的形成。但如果灌水區(qū)域較大，且由一個(gè)滴灌控制系統(tǒng)控制，這就需要大功率的動(dòng)力設(shè)備及大口徑輸配水管道，使設(shè)備利用率降低而造成浪費(fèi)。為此，要把由一個(gè)滴灌系統(tǒng)控制的區(qū)域劃分成多個(gè)灌溉小區(qū)進(jìn)行輪灌，以提高設(shè)備利用率，工程投資也能得到有效控制。按照輪灌工作制度進(jìn)行滴灌工程設(shè)計(jì)時(shí)，各小區(qū)要盡量小，且面積盡量接近，小區(qū)數(shù)量及面積的確定以一個(gè)灌水周期內(nèi)能輪灌一遍最好。

灌水延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，決定滴灌工程系統(tǒng)流量的大小，也是影響滴灌工程投資的重要參數(shù)，取值時(shí)應(yīng)慎重。

式中，t設(shè)為設(shè)計(jì)一次灌水延續(xù)時(shí)間（h）；Se為灌水器間距（m）；S1為毛管間距（m）；q設(shè)為灌水器設(shè)計(jì)流量（L/h）。

滴灌工程設(shè)計(jì)中常常存在這樣的情況，設(shè)計(jì)單位較少考慮果樹(shù)滴灌的設(shè)計(jì)條件，只是根據(jù)基層勞作習(xí)慣來(lái)確定延續(xù)時(shí)間為10～12 h，造成了工程投資的成倍增加?；蛘哂械陌压麡?shù)一個(gè)灌水周期內(nèi)的延續(xù)灌水作為灌水延續(xù)時(shí)間，如灌水周期為7 d，系統(tǒng)每天工作10 h，灌水延續(xù)時(shí)間就定為70 h。這樣本應(yīng)該1 d灌溉的水量分成7 d來(lái)進(jìn)行，造成灌水濕潤(rùn)度不夠，果樹(shù)灌水不及時(shí)且灌水均勻度減少。對(duì)此，《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009）中給出明確要求，滴灌的灌水延續(xù)時(shí)間不大于22 h。

2 首部樞紐系統(tǒng)選擇

2.1 過(guò)濾系統(tǒng)

過(guò)濾系統(tǒng)的選擇應(yīng)遵循因地制宜的原則，根據(jù)水源地的需要選擇過(guò)濾設(shè)備。以井水為主要水源的灌溉地區(qū)選擇離心式加網(wǎng)式過(guò)濾器。以渠水為主要水源的則需要在輸入系統(tǒng)首部建立沉淀池，再選擇多級(jí)砂石過(guò)濾器[11]。過(guò)濾器的造型可參考表2。

表2 過(guò)濾器的選型

過(guò)濾器的過(guò)流量要根據(jù)滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量、工作水頭及沖洗周期等要求進(jìn)行選擇。合理的過(guò)濾器或過(guò)濾器組合可以濾掉大于灌水器流道尺寸1/10～1/7粒徑的雜質(zhì)，有效地提高滴灌效能和系統(tǒng)使用壽命，反之則會(huì)事半功倍造成投資浪費(fèi)。

2.2 施肥系統(tǒng)

由于黃土高原區(qū)地形多變，存在許多不可控因素，選用滴灌施肥可以大大提高肥料的利用效率[12]。在果樹(shù)滴灌工程首部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般選擇壓差式施肥罐，通過(guò)施肥罐將水溶性肥料和農(nóng)藥溶解后注入管道系統(tǒng)，隨水滴入土壤。施肥罐按容積選型[13]。

式中，V罐為施肥罐容積（L）；F為單位面積上的一次施肥量（kg/hm2）；A 為一次施肥面積（hm2）；C0為施肥罐中允許肥料溶液的最大質(zhì)量濃度（kg/L）。

3 輸水系統(tǒng)選擇

3.1 輸配水管道

果樹(shù)滴灌工程中輸配水管道的投資占工程投資的35%左右，要求各種管及管件耐腐蝕、不生銹、抗老化，主過(guò)濾器以下至田間的管道、管件使用非金屬材料。因此，選擇合理的管材、管徑是控制滴灌工程投資的有效途徑。目前，一般選擇PVC中壓塑料管作為地下輸水管道，輸水量為200～250m3/h。鋪設(shè)在地表的管道也可用PVC管，但不應(yīng)透光。分支管選用φ125～180mm的PVC管。平地支管選用φ65～76mm的PE管，長(zhǎng)度控制在160～200m之間，其中，單根長(zhǎng)度為4～5m，最好與栽植果樹(shù)行間距相等，便于機(jī)械化操作。安裝滴灌帶的輔助管最好要選用VPVC管，以便于安裝和保管。需要注意的是，在φ＞50mm的管道末端以及變坡、轉(zhuǎn)彎、分岔和閥門(mén)處均應(yīng)設(shè)置鎮(zhèn)墩；當(dāng)?shù)孛嫫露龋?0°或φ＞65mm時(shí)，應(yīng)每隔一定距離增設(shè)支墩。

3.2 灌水器

果樹(shù)滴灌工程設(shè)計(jì)選用的灌水器是否合適，直接影響到工程投資、灌水質(zhì)量和管理工作的難易。輕質(zhì)土壤宜選用流量較大的灌水器，以增大灌溉水的橫向擴(kuò)散范圍。黏性土壤宜選用流量較小的灌水器。不論選擇哪種灌水器，其流量在灌溉區(qū)域內(nèi)都不應(yīng)形成地表徑流。一般根據(jù)樹(shù)種、種植密度和濕潤(rùn)比要求選擇滴灌管（帶）。

滴灌帶由于滴灌均勻度高、抗填塞能力及抗老化性強(qiáng)，且成本較低，在黃土高原區(qū)普遍使用。通過(guò)綜合分析，在低壓條件下，邊縫式滴灌帶較內(nèi)鑲貼片式滴灌帶耗能低，且灌水均勻度較好，能夠達(dá)到低壓低能耗滴灌技術(shù)的要求[14]。此外，還需考慮滴灌帶鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)滴灌工程效能的影響。一般認(rèn)為，若采用滴頭設(shè)計(jì)流量為1.8 L/h，滴灌帶最佳鋪設(shè)長(zhǎng)度為70～90m；如果采用滴頭設(shè)計(jì)流量為1.2～1.4 L/h，即4～5m水頭時(shí)，滴灌帶最佳鋪設(shè)長(zhǎng)度為100m[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

研究表明，工程設(shè)計(jì)等前期工作在工程投資上的影響率為80%，設(shè)計(jì)工作一旦完成，該項(xiàng)目?jī)r(jià)值也就基本確定。因此，應(yīng)用價(jià)值工程原理對(duì)果樹(shù)滴灌工程中的灌溉制度、首部樞紐系統(tǒng)和輸水系統(tǒng)等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，可在保障項(xiàng)目功能的前提下，有效地降低項(xiàng)目投資，提升項(xiàng)目?jī)r(jià)值，實(shí)現(xiàn)技術(shù)效能與投資成本的有機(jī)結(jié)合。

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