微噴帶灌溉技術研究及應用進展

李敬庫

（遼寧省江河流域管理局，遼寧沈陽110003）

微噴帶灌溉技術研究及應用進展

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)水灌溉設備，尤其在補充灌溉地區(qū)，微噴帶灌溉已成為農戶普遍接受的灌溉方式之一，在地區(qū)節(jié)水農業(yè)發(fā)展中起到重要作用。本文從微噴帶灌溉技術的水力特性和田間應用兩個方面總結了微噴帶灌溉技術的研究進展。目前，微噴帶灌溉研究側重于理論基礎的試驗研究，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等，取得大量研究成果，為微噴帶的合理設計、生產和應用提供了依據；但微噴帶大面積的應用研究相對較少，已有的研究表明，微噴帶在小麥、玉米、藍莓、葡萄等大田糧食作物和經濟作物以及設施農業(yè)的灌溉中均起到明顯的節(jié)水增產作用，為微噴帶灌溉的進一步應用提供了示范；文章最后指出微噴帶灌溉技術應用與發(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

0 引言

噴帶是近年來發(fā)展較快的節(jié)水灌溉設備，尤其在補充灌溉地區(qū)，微噴帶灌溉已成為農戶普遍接受的灌溉方式之一，在地區(qū)節(jié)水農業(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作物進行灌溉。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，經過細流、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，成為近年來備受關注的節(jié)水灌溉設備之一。尤其是在補充灌溉地區(qū)，灌溉設備主要用于抗旱或者關鍵期按需灌溉，滴灌等先進的微灌設備常常使用率低，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，用時安裝，用完收回保存，既延長了設備使用壽命，又解決了管護問題，深受農戶歡迎，一些地區(qū)農戶自發(fā)的購置使用了微噴帶進行灌溉，因此，微噴帶灌溉技術具有良好的發(fā)展前景。

1 水力特性研究

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)長度和灌水強度等，是決定多孔組合形式依據。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)寬度會隨著噴射角度的增大先增大后減小，30°～40°時達到最大，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，水流在空氣中運動的軌跡最長，與空氣碰撞分散的幾率最大，此時濕潤區(qū)面積最大，可達到0.5m2；噴灑強度和濕潤區(qū)面積呈反比，因此，噴射角度在40°左右時，達到最小，約10 mm/h[2]。于國豐等通過試驗認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，射程最遠；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，張錄達等在試驗的基礎上采用DUD非線性擬合方法對單孔噴灑水分分布特征進行了建模分析，確定了微噴帶單孔噴灌水分布的單峰和雙峰的非線性數學模型，可較好地描述微噴帶噴灌水的分布，為微噴帶多孔組合設計提供了指導[5]。

1.2 多孔組合水量分布

微噴帶噴水孔由多個單孔構成的組合循環(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，噴灑寬度相同，考慮噴射角45°以下時，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，微噴帶可鋪設長度越長，循環(huán)組數量增加，但循環(huán)組抗堵性能下降；而循環(huán)組長度一定時，組內單孔越多，有效噴灑寬度越大，微噴帶布置時可通過增大鋪設間距減少使用量，降低設備投資，但其鋪設長度卻因沿程壓力的明顯降低而縮短[6]。張學軍等對多種微噴帶水量分布系數試驗研究表明，微噴帶的水量分布均勻系數總體水平較低，最高的不超過80%，最低的不足30%，目前應用較多的每組3孔、每組5孔的微噴帶水量分布均勻系數均在60%以下，其中，每組5孔的微噴帶水量分布均勻系數在34.4%～ 55.6%之間[7]。竇超銀等試驗表明，隨著工作壓力的增加，灌溉水分布均勻系數有增大的趨勢，認為工作壓力越大，水流在噴孔出口處壓力越大，在空氣中運動的軌跡越長，與空氣碰撞分散的機率越大，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鍵因素，也是微噴帶適宜鋪設長度的制定依據。微噴帶為管帶狀結構，水流通過微噴帶時會產生沿程壓力損失，在一定微噴帶帶長范圍內，增加帶長，單位時間內灌溉面積增大，但微噴帶過長，壓力損失增大，導致微噴帶首尾兩端壓力差增大，微噴帶噴水不均。當微噴帶出水孔孔徑一定時，盡管出水口在微噴帶上分布的角度不同，仍可近似認為是多口出流，水力損失按照多孔管沿程水頭損失計算：

式中：hf為等距等量分流多孔管沿程水頭損失，m；Qg為微噴帶進口處的流量，L/h；D為微噴帶內徑，mm；L為微噴帶長度，m；F為多口系數，計算方法參考文獻[9]。

當微噴帶鋪設長度較長時，隨著微噴帶內流量的遞減，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算方法誤差較大。鄭迎春等根據流量的連續(xù)性方程，將整條微噴帶看作同徑管段串聯(lián)起來的管道計算沿程水頭損失，計算采用達西—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，充水后過水斷面是不規(guī)則的圓形，按硬質管計算的水力損失要用軟塑系數進行修正[10]：

式中：hf為微噴帶沿程水頭損失，m；f為軟塑系數；λ為沿程阻力系數；l為微噴帶長度，m；d為微噴帶內徑，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）通過多組試驗并進行多元回歸后，得出微噴帶沿程水頭損失經驗公式[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算。試驗表明，當微噴帶鋪設長度為100 m，入口工作壓力3 m時，40 mm內徑微噴帶沿程損失接近一半。此外，增加單位長度噴水孔數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現(xiàn)單位管長的灌溉均勻度[13]。一般認為，在確保微灌小區(qū)內每個出水孔的流量偏差在20%范圍內的基礎上，準32微噴帶適宜鋪設長度為58 m。

2 田間應用

2.1 大田糧食作物微噴帶灌溉

微噴帶大田中的應用主要是發(fā)揮微噴帶快速補充灌溉的優(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進行補充灌溉，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)期和開花期小麥補充灌溉，小麥總耗水量顯著減少，而籽粒產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，減少了開花期補灌水量，從而建議麥田微噴帶鋪設適宜長度為40～60 m[14]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，小麥抽穗后高度可達70～90 cm，傳統(tǒng)的微噴帶灌溉，噴出的水流會被密集的小麥莖稈和葉片阻擋，射程和噴灑寬度大幅下降，噴水均勻度嚴重降低，造成距離微噴帶較遠的小麥行間主要根層的土壤水分虧缺，影響籽粒灌漿和產量的形成，并增加了對深層土壤貯水的消耗，而通過增大微噴帶噴射角，將噴射角調整到80°，明顯提高了灌溉水在土壤中的分布均勻系數，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比，結果表明，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19.4%，且移動式微噴帶系統(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)對水質的要求低、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、改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境等[16]。李月華等在石家莊地區(qū)18個農業(yè)縣（市、區(qū)）的480 hm2麥田、105眼機井進行了小麥微噴帶灌溉應用示范，表明微噴帶灌溉不僅節(jié)水、節(jié)地，而且省工省時，增產增效明顯；壤土節(jié)水量450～750 m3/hm2，沙質土壤節(jié)水量可達到3 000 m3/ hm2；節(jié)地近10%左右，節(jié)省用工450～900個/hm2，每眼井灌溉可省時3～5 d/次；壤質土麥田增產率大于15%，沙質土麥田增產率大于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充灌溉，應用表明：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，玉米生育期內降雨量越小，補充灌溉次數越多，則微噴帶節(jié)水效應越明顯；在遇到春旱時，采用少量、多次的灌溉制度可進一步發(fā)揮微噴帶的節(jié)水作用。微噴帶灌溉對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，采用微噴帶進行節(jié)水灌溉有利于LAI提高，為獲取更多的光合產物提高產量提供條件。與傳統(tǒng)管灌相比，微噴帶灌溉對玉米產量構成影響較小，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，可使用微噴帶灌溉提高玉米水分生產效率。

2.2 經濟作物微噴帶灌溉

微噴帶出水均勻、霧化強度高、水滴小、打擊強度小，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，根際土壤團粒結構、理化性狀良好，經常維持較低的水應力，有利于作物根系吸收養(yǎng)分和水分，促進作物生長。經濟作物耗水量一般都較大，同時植株具有矮棵或者間距大的特點，采用微噴帶灌溉可充分發(fā)揮節(jié)水增產作用。如抗旱力較差的藍莓，由于根纖細且沒有根毛，一般在根系主要分布的5～20 cm土層內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，纖細的吸收根脫落，長時間不能恢復而影響樹體的生長發(fā)育和產量，微噴帶在藍莓灌溉中的應用表明，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，微噴帶有效增加田間空氣濕度，減少藍莓生產季節(jié)內的高溫影響，降低因干旱發(fā)生的生理病害風險[18]。費順華等將微噴帶與現(xiàn)有管灌管網系統(tǒng)相結合，把微噴帶灌溉技術應用于葡萄和菊花等經濟作物灌溉，微噴帶的間距為2.5 m，每天灌水2.1 h，灌溉強度為8 mm/d；應用結果表明：葡萄產量達到33.2 t/hm2，平均增產3.7 t/hm2，增收2.9萬元/hm2；菊花產量2.8 t/hm2，平均增產0.3 t/hm2，增收2.0萬元/hm2。其增產增收原因主要是由于微噴帶灌溉均勻，葡萄品質好，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，還避免了因溝灌產生地表徑流將土、肥和農藥帶入河中污染河水的風險[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、開花和果實生長成熟等時期，采用微噴帶每7～8 d灌溉1次，以灌透0～25 cm主要生根層為標準，一次灌水量135 m3/hm2，應用結果表明：采用微噴帶灌溉的蕉園，由于灌溉均勻，根際土壤保持經常濕潤，香蕉植株生長發(fā)育進程加快，與漫灌相比節(jié)水53%、增產18.7%，同時香蕉長而飽滿，品質可提高一個商品級次[19]。

2.3 設施農業(yè)微噴帶灌溉

設施農業(yè)微噴帶灌溉既可實現(xiàn)溫室調小氣候控，也可利用灌溉時間短這一特點減小低水溫對根系造成的不利影響。設施農業(yè)常用微噴帶為準16或準20微噴帶，鋪在作物根系附近地表并覆蓋地膜，灌溉時地膜阻擋灌溉水的噴射，將水分均勻分布在根系土層內，不產生大量積水亂流現(xiàn)象。設施農業(yè)膜下微噴灌溉根據水分分布形式為局部灌溉，灌溉水量根據微灌工程設計方法制定，通過水量控制，不僅減少了水分的浪費，而且還減少了水分的蒸發(fā)；同時，微噴帶多孔分布特點，可實現(xiàn)快速灌溉，一次灌水時間僅為滴灌的1/6～1/7。有應用表明：實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50%左右，地溫可提高3～6℃，氣溫提高1～3℃，增產20%。膜下微噴灌溉技術底肥集中，水在土壤中滲透緩慢，避免了養(yǎng)分流失，同時，隨水追肥有利于作物均勻吸收養(yǎng)分和水分，進而提高了肥效的利用率[20]。

3 結論與展望

微噴帶作為可快速收放的田間灌溉設備，通過增加田間末級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，彌補了滴灌等微灌設備投資高、設備使用率低的不足，在補充灌溉地區(qū)具有較大的應用空間?，F(xiàn)有的研究已對微噴帶單孔、多孔組合及微噴帶水力性能開展了大量基礎工作和理論分析，得出了角度、孔徑、壓力、多孔組合方式對灌溉效果的影響，并根據水力沿程損失變化得出適宜鋪設長度等；除了試驗研究，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用實例，如小麥、玉米等大田作物，樹莓、葡萄和香蕉等經濟作物，以及用在設施農業(yè)蔬菜灌溉中，均取得了明顯的節(jié)水增產效果，為微噴帶的應用提供了良好的示范和參考作用。但同時也發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多集中在微噴帶產品的水力性能和不同作物的灌溉效果方面，微噴帶田間應用仍存在一些問題需要進一步深入研究：

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，前者灌溉次數較多，未能充分利用降雨資源，為體現(xiàn)補充灌溉特點；后者過度依靠傳統(tǒng)灌溉經驗，只是將先進的灌溉設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)灌水時間和灌水次數參考傳統(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，穗數和穗粒數減少，最終減產[17]。因此，結合地區(qū)氣候特點，開展不同作物微噴帶灌溉制度的試驗研究并制定出合理的灌溉制度將是微噴帶進一步推廣應用的基礎。

2）使用方式

現(xiàn)有微噴帶應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，影響了農戶自發(fā)應用的積極性。而通過移動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，進一步開展微噴帶移動式、半固定式和固定式應用研究，根據地區(qū)特點靈活應用，提高系統(tǒng)的經濟性。

3）田間工程模式

微噴帶田間應用時一般與現(xiàn)有管灌已有的管網工程相結合[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，需要多個支管灌溉單元編制輪灌組統(tǒng)一灌溉，而在實施過程中，往往出現(xiàn)組織管理不協(xié)調的難題，如有的農戶同時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)水灌溉工程設計和施工時需要因地制宜的制定合理的灌溉模式，如微噴帶小面積應用時可采用單條微噴帶輪灌模式；面積較大時，可在支管上增設輔管，以輔管為單元輪灌；在規(guī)?；?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