李敬庫
(遼寧省江河流域管理局,遼寧沈陽110003)
微噴帶灌溉技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展
李敬庫
(遼寧省江河流域管理局,遼寧沈陽110003)
微噴帶是近年來發(fā)展較快的節(jié)水灌溉設(shè)備,尤其在補(bǔ)充灌溉地區(qū),微噴帶灌溉已成為農(nóng)戶普遍接受的灌溉方式之一,在地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展中起到重要作用。本文從微噴帶灌溉技術(shù)的水力特性和田間應(yīng)用兩個(gè)方面總結(jié)了微噴帶灌溉技術(shù)的研究進(jìn)展。目前,微噴帶灌溉研究側(cè)重于理論基礎(chǔ)的試驗(yàn)研究,包括單孔水量分布特性、微噴帶水量分布特征、水力損失和田間灌溉試驗(yàn)等,取得大量研究成果,為微噴帶的合理設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供了依據(jù);但微噴帶大面積的應(yīng)用研究相對(duì)較少,已有的研究表明,微噴帶在小麥、玉米、藍(lán)莓、葡萄等大田糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物以及設(shè)施農(nóng)業(yè)的灌溉中均起到明顯的節(jié)水增產(chǎn)作用,為微噴帶灌溉的進(jìn)一步應(yīng)用提供了示范;文章最后指出微噴帶灌溉技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展所面臨的問題并展望了未來的發(fā)展方向。
節(jié)水灌溉;水分利用效率;水力特性;水量分布;水力損失;微噴帶
噴帶是近年來發(fā)展較快的節(jié)水灌溉設(shè)備,尤其在補(bǔ)充灌溉地區(qū),微噴帶灌溉已成為農(nóng)戶普遍接受的灌溉方式之一,在地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展中起到重要作用。微噴帶灌溉是微噴帶在一定的工作壓力下,通過微噴帶上規(guī)則分布的出水孔噴出的水對(duì)作物進(jìn)行灌溉。出水孔噴出的水流在空氣阻力、水的相互撞擊力、重力和表面張力等作用下,經(jīng)過細(xì)流、碎裂、分散霧化后形成水滴,降落在地面和作物上,形成以微噴帶為中心,微噴帶鋪設(shè)長度為長,噴灑幅寬為寬的濕潤帶[1]。微噴帶具有灌溉流量大,灌水周期短,灌溉均勻,抗堵塞,投資低廉,使用方便等優(yōu)點(diǎn),成為近年來備受關(guān)注的節(jié)水灌溉設(shè)備之一。尤其是在補(bǔ)充灌溉地區(qū),灌溉設(shè)備主要用于抗旱或者關(guān)鍵期按需灌溉,滴灌等先進(jìn)的微灌設(shè)備常常使用率低,長期閑置田間,不僅容易老化,還增加了管理難度。而微噴帶易收放,用時(shí)安裝,用完收回保存,既延長了設(shè)備使用壽命,又解決了管護(hù)問題,深受農(nóng)戶歡迎,一些地區(qū)農(nóng)戶自發(fā)的購置使用了微噴帶進(jìn)行灌溉,因此,微噴帶灌溉技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。
1.1 單孔水量分布特性
微噴帶的灌溉效果取決于微噴帶上分布規(guī)律的出水小孔,單孔條件下濕潤區(qū)面積、射程、濕潤長度和寬度、干燥區(qū)長度和灌水強(qiáng)度等,是決定多孔組合形式依據(jù)。在單孔條件下,微噴帶灌溉屬于局部灌溉,濕潤區(qū)為橢圓形,單孔射程和干燥區(qū)寬度會(huì)隨著噴射角度的增大先增大后減小,30°~40°時(shí)達(dá)到最大,5 m水頭下可噴射3 m,干燥區(qū)寬1.4 m;濕潤區(qū)面積的大小取決于與空氣碰撞過程中水流的分散程度,噴射角度在40°左右時(shí),水流在空氣中運(yùn)動(dòng)的軌跡最長,與空氣碰撞分散的幾率最大,此時(shí)濕潤區(qū)面積最大,可達(dá)到0.5m2;噴灑強(qiáng)度和濕潤區(qū)面積呈反比,因此,噴射角度在40°左右時(shí),達(dá)到最小,約10 mm/h[2]。于國豐等通過試驗(yàn)認(rèn)為干燥器寬度和濕潤區(qū)面積主要受噴射角度影響,工作壓力和孔徑作用較小,噴射角度43°時(shí),射程最遠(yuǎn);噴孔直徑主要影響濕潤區(qū)寬度,直徑增大,寬度增加;而增大工作壓力將增大灌溉水量,從而提高了灌水強(qiáng)度[3]。但是,也有研究表明隨著工作壓力的增大,單孔噴灑濕潤區(qū)面積增大[4]。在單孔水量分布的理論研究方面,張錄達(dá)等在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用DUD非線性擬合方法對(duì)單孔噴灑水分分布特征進(jìn)行了建模分析,確定了微噴帶單孔噴灌水分布的單峰和雙峰的非線性數(shù)學(xué)模型,可較好地描述微噴帶噴灌水的分布,為微噴帶多孔組合設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)[5]。
1.2 多孔組合水量分布
微噴帶噴水孔由多個(gè)單孔構(gòu)成的組合循環(huán)編組而成,水量在空間的分布受循環(huán)組的組成影響,即水力性能取決于單孔組合。循環(huán)組中,單孔噴射角度互余時(shí),噴灑寬度相同,考慮噴射角45°以下時(shí),容易因作物阻擋而降低噴灑效果,故組合中各孔噴射角均不小于45°;循環(huán)組中單孔孔徑越小,微噴帶可鋪設(shè)長度越長,循環(huán)組數(shù)量增加,但循環(huán)組抗堵性能下降;而循環(huán)組長度一定時(shí),組內(nèi)單孔越多,有效噴灑寬度越大,微噴帶布置時(shí)可通過增大鋪設(shè)間距減少使用量,降低設(shè)備投資,但其鋪設(shè)長度卻因沿程壓力的明顯降低而縮短[6]。張學(xué)軍等對(duì)多種微噴帶水量分布系數(shù)試驗(yàn)研究表明,微噴帶的水量分布均勻系數(shù)總體水平較低,最高的不超過80%,最低的不足30%,目前應(yīng)用較多的每組3孔、每組5孔的微噴帶水量分布均勻系數(shù)均在60%以下,其中,每組5孔的微噴帶水量分布均勻系數(shù)在34.4%~ 55.6%之間[7]。竇超銀等試驗(yàn)表明,隨著工作壓力的增加,灌溉水分布均勻系數(shù)有增大的趨勢,認(rèn)為工作壓力越大,水流在噴孔出口處壓力越大,在空氣中運(yùn)動(dòng)的軌跡越長,與空氣碰撞分散的機(jī)率越大,霧化效果好,在集水面上分布越均勻[8]。
1.3 水力損失
水力損失是影響微噴帶灌溉均勻度的關(guān)鍵因素,也是微噴帶適宜鋪設(shè)長度的制定依據(jù)。微噴帶為管帶狀結(jié)構(gòu),水流通過微噴帶時(shí)會(huì)產(chǎn)生沿程壓力損失,在一定微噴帶帶長范圍內(nèi),增加帶長,單位時(shí)間內(nèi)灌溉面積增大,但微噴帶過長,壓力損失增大,導(dǎo)致微噴帶首尾兩端壓力差增大,微噴帶噴水不均。當(dāng)微噴帶出水孔孔徑一定時(shí),盡管出水口在微噴帶上分布的角度不同,仍可近似認(rèn)為是多口出流,水力損失按照多孔管沿程水頭損失計(jì)算:
式中:hf為等距等量分流多孔管沿程水頭損失,m;Qg為微噴帶進(jìn)口處的流量,L/h;D為微噴帶內(nèi)徑,mm;L為微噴帶長度,m;F為多口系數(shù),計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[9]。
當(dāng)微噴帶鋪設(shè)長度較長時(shí),隨著微噴帶內(nèi)流量的遞減,沿程壓力持續(xù)下降,噴水孔水力條件差異增大,微噴帶水力損失通過多孔管沿程水頭損失計(jì)算方法誤差較大。鄭迎春等根據(jù)流量的連續(xù)性方程,將整條微噴帶看作同徑管段串聯(lián)起來的管道計(jì)算沿程水頭損失,計(jì)算采用達(dá)西—威斯巴赫公式,考慮到微噴帶是軟塑料管,在壓力下有一定的變形,充水后過水?dāng)嗝媸遣灰?guī)則的圓形,按硬質(zhì)管計(jì)算的水力損失要用軟塑系數(shù)進(jìn)行修正[10]:
式中:hf為微噴帶沿程水頭損失,m;f為軟塑系數(shù);λ為沿程阻力系數(shù);l為微噴帶長度,m;d為微噴帶內(nèi)徑,m;v為微噴帶平均流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;Q為微噴帶流量,m3/h。吳政文等(2011)通過多組試驗(yàn)并進(jìn)行多元回歸后,得出微噴帶沿程水頭損失經(jīng)驗(yàn)公式[11]:
式(3)適合管徑20~40 mm,工作壓力在0.5~9.0 m水頭的微噴帶沿程水頭損失計(jì)算。試驗(yàn)表明,當(dāng)微噴帶鋪設(shè)長度為100 m,入口工作壓力3 m時(shí),40 mm內(nèi)徑微噴帶沿程損失接近一半。此外,增加單位長度噴水孔數(shù)和減小微噴帶管徑將直接增加微噴帶沿程水力損失[12],而在微噴帶末端通過增大孔徑和減小孔距可實(shí)現(xiàn)單位管長的灌溉均勻度[13]。一般認(rèn)為,在確保微灌小區(qū)內(nèi)每個(gè)出水孔的流量偏差在20%范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)32微噴帶適宜鋪設(shè)長度為58 m。
2.1 大田糧食作物微噴帶灌溉
微噴帶大田中的應(yīng)用主要是發(fā)揮微噴帶快速補(bǔ)充灌溉的優(yōu)勢,目前采用微噴帶灌溉的大田糧食作物主要有小麥和玉米等。采用微噴帶在小麥生長期內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充灌溉,可減少傳統(tǒng)畦灌灌水量過多,水量難以控制以及水分利用效率較低的問題,滿建國等將微噴帶用于拔節(jié)期和開花期小麥補(bǔ)充灌溉,小麥總耗水量顯著減少,而籽粒產(chǎn)量和水分利用效率顯著增加,并發(fā)現(xiàn)隨微噴帶帶長縮短,灌溉水分布均勻系數(shù)得到提高,創(chuàng)造了均衡適宜的麥田土壤水分條件,降低了拔節(jié)至開花期土壤貯水消耗量,減少了開花期補(bǔ)灌水量,從而建議麥田微噴帶鋪設(shè)適宜長度為40~60 m[14]。此外,研究發(fā)現(xiàn),小麥抽穗后高度可達(dá)70~90 cm,傳統(tǒng)的微噴帶灌溉,噴出的水流會(huì)被密集的小麥莖稈和葉片阻擋,射程和噴灑寬度大幅下降,噴水均勻度嚴(yán)重降低,造成距離微噴帶較遠(yuǎn)的小麥行間主要根層的土壤水分虧缺,影響籽粒灌漿和產(chǎn)量的形成,并增加了對(duì)深層土壤貯水的消耗,而通過增大微噴帶噴射角,將噴射角調(diào)整到80°,明顯提高了灌溉水在土壤中的分布均勻系數(shù),水分利用效率最高[15]。張芳等將微噴帶灌溉與塑料軟管灌溉對(duì)比,結(jié)果表明,使用微噴帶灌溉約節(jié)水166 m3/hm2,節(jié)水近20.0%,小麥平均增產(chǎn)19.4%,且移動(dòng)式微噴帶系統(tǒng)比固定式灌溉系統(tǒng)節(jié)約投資3 000元/hm2,微噴帶灌溉系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求低、易于推廣,可保持良好土壤環(huán)境,降低空氣濕度、減輕作物病害,從而減輕環(huán)境污染、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等[16]。李月華等在石家莊地區(qū)18個(gè)農(nóng)業(yè)縣(市、區(qū))的480 hm2麥田、105眼機(jī)井進(jìn)行了小麥微噴帶灌溉應(yīng)用示范,表明微噴帶灌溉不僅節(jié)水、節(jié)地,而且省工省時(shí),增產(chǎn)增效明顯;壤土節(jié)水量450~750 m3/hm2,沙質(zhì)土壤節(jié)水量可達(dá)到3 000 m3/ hm2;節(jié)地近10%左右,節(jié)省用工450~900個(gè)/hm2,每眼井灌溉可省時(shí)3~5 d/次;壤質(zhì)土麥田增產(chǎn)率大于15%,沙質(zhì)土麥田增產(chǎn)率大于20%;研究還發(fā)現(xiàn),采用少量、多次灌溉,可獲得更好的灌溉效果[17]。
在遼寧西部半干旱區(qū)將微噴帶用于玉米補(bǔ)充灌溉,應(yīng)用表明:微噴帶灌溉可減少灌溉水量約23.8~35.1 mm,節(jié)水效果受年際氣象條件影響,玉米生育期內(nèi)降雨量越小,補(bǔ)充灌溉次數(shù)越多,則微噴帶節(jié)水效應(yīng)越明顯;在遇到春旱時(shí),采用少量、多次的灌溉制度可進(jìn)一步發(fā)揮微噴帶的節(jié)水作用。微噴帶灌溉對(duì)玉米植株生長性狀影響較小,但在降雨量較小或干旱發(fā)生年份,采用微噴帶進(jìn)行節(jié)水灌溉有利于LAI提高,為獲取更多的光合產(chǎn)物提高產(chǎn)量提供條件。與傳統(tǒng)管灌相比,微噴帶灌溉對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成影響較小,但使用微噴帶灌溉WUE較管灌灌溉可提高6.9%~ 8.7%,即在水資源匱乏或旱情發(fā)生時(shí),可使用微噴帶灌溉提高玉米水分生產(chǎn)效率。
2.2 經(jīng)濟(jì)作物微噴帶灌溉
微噴帶出水均勻、霧化強(qiáng)度高、水滴小、打擊強(qiáng)度小,可非常方便地將水灌到作物根系附近的土壤,滲透至30 cm土層深處,使土壤逐漸濕潤,根際土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、理化性狀良好,經(jīng)常維持較低的水應(yīng)力,有利于作物根系吸收養(yǎng)分和水分,促進(jìn)作物生長。經(jīng)濟(jì)作物耗水量一般都較大,同時(shí)植株具有矮棵或者間距大的特點(diǎn),采用微噴帶灌溉可充分發(fā)揮節(jié)水增產(chǎn)作用。如抗旱力較差的藍(lán)莓,由于根纖細(xì)且沒有根毛,一般在根系主要分布的5~20 cm土層內(nèi)需要較高的土壤含水量才能保持根系吸收水分的能力,一旦土壤水分不足,纖細(xì)的吸收根脫落,長時(shí)間不能恢復(fù)而影響樹體的生長發(fā)育和產(chǎn)量,微噴帶在藍(lán)莓灌溉中的應(yīng)用表明,使用微噴帶灌溉,水的利用率非常高,一般比傳統(tǒng)的微噴灌要節(jié)水50%以上,同時(shí),微噴帶有效增加田間空氣濕度,減少藍(lán)莓生產(chǎn)季節(jié)內(nèi)的高溫影響,降低因干旱發(fā)生的生理病害風(fēng)險(xiǎn)[18]。費(fèi)順華等將微噴帶與現(xiàn)有管灌管網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合,把微噴帶灌溉技術(shù)應(yīng)用于葡萄和菊花等經(jīng)濟(jì)作物灌溉,微噴帶的間距為2.5 m,每天灌水2.1 h,灌溉強(qiáng)度為8 mm/d;應(yīng)用結(jié)果表明:葡萄產(chǎn)量達(dá)到33.2 t/hm2,平均增產(chǎn)3.7 t/hm2,增收2.9萬元/hm2;菊花產(chǎn)量2.8 t/hm2,平均增產(chǎn)0.3 t/hm2,增收2.0萬元/hm2。其增產(chǎn)增收原因主要是由于微噴帶灌溉均勻,葡萄品質(zhì)好,不裂果,干旱期間每天灌水2~3 h即可滿足灌溉需求,而傳統(tǒng)溝灌加人工澆灌灌溉不均,且無法實(shí)現(xiàn)少量多次高頻灌溉,一般3~4 d灌溉一次;其次,微噴帶灌溉肥料利用率高,肥料易溶化被葡萄吸收,減少了因澆灌而造成的肥料流失;此外,微噴帶灌溉只濕潤葡萄根區(qū)附近土壤,用水不到溝灌1/4,不僅節(jié)電、省工,還避免了因溝灌產(chǎn)生地表徑流將土、肥和農(nóng)藥帶入河中污染河水的風(fēng)險(xiǎn)[12]。邱繼水等將微噴帶用于香蕉灌溉,在冬春連旱的11月至翌年4月,正是夏植春收香蕉營養(yǎng)生長最旺盛、花芽分化、抽蕾、開花和果實(shí)生長成熟等時(shí)期,采用微噴帶每7~8 d灌溉1次,以灌透0~25 cm主要生根層為標(biāo)準(zhǔn),一次灌水量135 m3/hm2,應(yīng)用結(jié)果表明:采用微噴帶灌溉的蕉園,由于灌溉均勻,根際土壤保持經(jīng)常濕潤,香蕉植株生長發(fā)育進(jìn)程加快,與漫灌相比節(jié)水53%、增產(chǎn)18.7%,同時(shí)香蕉長而飽滿,品質(zhì)可提高一個(gè)商品級(jí)次[19]。
2.3 設(shè)施農(nóng)業(yè)微噴帶灌溉
設(shè)施農(nóng)業(yè)微噴帶灌溉既可實(shí)現(xiàn)溫室調(diào)小氣候控,也可利用灌溉時(shí)間短這一特點(diǎn)減小低水溫對(duì)根系造成的不利影響。設(shè)施農(nóng)業(yè)常用微噴帶為準(zhǔn)16或準(zhǔn)20微噴帶,鋪在作物根系附近地表并覆蓋地膜,灌溉時(shí)地膜阻擋灌溉水的噴射,將水分均勻分布在根系土層內(nèi),不產(chǎn)生大量積水亂流現(xiàn)象。設(shè)施農(nóng)業(yè)膜下微噴灌溉根據(jù)水分分布形式為局部灌溉,灌溉水量根據(jù)微灌工程設(shè)計(jì)方法制定,通過水量控制,不僅減少了水分的浪費(fèi),而且還減少了水分的蒸發(fā);同時(shí),微噴帶多孔分布特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)快速灌溉,一次灌水時(shí)間僅為滴灌的1/6~1/7。有應(yīng)用表明:實(shí)施膜下微噴大幅減少棵間蒸發(fā),與傳統(tǒng)的漫灌相比,節(jié)水達(dá)50%左右,地溫可提高3~6℃,氣溫提高1~3℃,增產(chǎn)20%。膜下微噴灌溉技術(shù)底肥集中,水在土壤中滲透緩慢,避免了養(yǎng)分流失,同時(shí),隨水追肥有利于作物均勻吸收養(yǎng)分和水分,進(jìn)而提高了肥效的利用率[20]。
微噴帶作為可快速收放的田間灌溉設(shè)備,通過增加田間末級(jí)毛管解決了管灌等田間灌溉粗放、水分利用效率低的問題,同時(shí),彌補(bǔ)了滴灌等微灌設(shè)備投資高、設(shè)備使用率低的不足,在補(bǔ)充灌溉地區(qū)具有較大的應(yīng)用空間。現(xiàn)有的研究已對(duì)微噴帶單孔、多孔組合及微噴帶水力性能開展了大量基礎(chǔ)工作和理論分析,得出了角度、孔徑、壓力、多孔組合方式對(duì)灌溉效果的影響,并根據(jù)水力沿程損失變化得出適宜鋪設(shè)長度等;除了試驗(yàn)研究,研究者們已在不同地區(qū)不同作物上開展了大量微噴帶應(yīng)用實(shí)例,如小麥、玉米等大田作物,樹莓、葡萄和香蕉等經(jīng)濟(jì)作物,以及用在設(shè)施農(nóng)業(yè)蔬菜灌溉中,均取得了明顯的節(jié)水增產(chǎn)效果,為微噴帶的應(yīng)用提供了良好的示范和參考作用。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有研究多集中在微噴帶產(chǎn)品的水力性能和不同作物的灌溉效果方面,微噴帶田間應(yīng)用仍存在一些問題需要進(jìn)一步深入研究:
1)灌溉制度
目前,微噴帶灌溉多參考滴灌灌溉制度或管灌灌溉制度,即少量多次的高頻灌溉或灌水量大的集中灌溉方式,前者灌溉次數(shù)較多,未能充分利用降雨資源,為體現(xiàn)補(bǔ)充灌溉特點(diǎn);后者過度依靠傳統(tǒng)灌溉經(jīng)驗(yàn),只是將先進(jìn)的灌溉設(shè)備作為田間輸水工具,不僅未發(fā)揮節(jié)水作用,還增加了田間工程投資;在一些地方,甚至出現(xiàn)灌水時(shí)間和灌水次數(shù)參考傳統(tǒng)管灌灌溉制度,減少灌溉水量的灌溉方式,出現(xiàn)產(chǎn)量降低的現(xiàn)象。如小麥生長期間僅灌水兩次,一次灌水375 m3/hm2,造成小麥早衰,穗數(shù)和穗粒數(shù)減少,最終減產(chǎn)[17]。因此,結(jié)合地區(qū)氣候特點(diǎn),開展不同作物微噴帶灌溉制度的試驗(yàn)研究并制定出合理的灌溉制度將是微噴帶進(jìn)一步推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。
2)使用方式
現(xiàn)有微噴帶應(yīng)用普遍采用滴灌帶的用法,只是將微噴帶代替滴灌帶作為毛管鋪設(shè)田間,由于微噴帶畝均投入約為滴灌帶的2倍,這使得微噴帶灌溉畝均投入較高,影響了農(nóng)戶自發(fā)應(yīng)用的積極性。而通過移動(dòng)使用微噴帶增加單條微噴帶灌溉面積,或通過固定微噴帶增加使用年限,則可降低微噴帶使用成本,因此,在微噴帶使用過程中,可參考噴灌的田間使用方式,進(jìn)一步開展微噴帶移動(dòng)式、半固定式和固定式應(yīng)用研究,根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)靈活應(yīng)用,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
3)田間工程模式
微噴帶田間應(yīng)用時(shí)一般與現(xiàn)有管灌已有的管網(wǎng)工程相結(jié)合[12,21,22],原有一家一戶刷卡啟泵灌溉的模式被改變。在微噴帶灌溉系統(tǒng)中,需要多個(gè)支管灌溉單元編制輪灌組統(tǒng)一灌溉,而在實(shí)施過程中,往往出現(xiàn)組織管理不協(xié)調(diào)的難題,如有的農(nóng)戶同時(shí)打開多條微噴帶灌溉,造成支管壓力低,噴幅小,灌溉不均,降低了灌溉效果。因此,在微噴帶節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)需要因地制宜的制定合理的灌溉模式,如微噴帶小面積應(yīng)用時(shí)可采用單條微噴帶輪灌模式;面積較大時(shí),可在支管上增設(shè)輔管,以輔管為單元輪灌;在規(guī)模化節(jié)水灌溉區(qū),利用集中管理的優(yōu)勢,以支管為單元編制輪灌組灌溉,從而提高微噴帶灌溉效果。
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2016-09-10