牧草地滴灌管灌水均勻性試驗研究

紀(jì)學(xué)偉 ，王 沖

（1.大禹節(jié)水集團股份有限公司，735000，酒泉；2.天津市大禹節(jié)水灌溉技術(shù)研究院，301712，武清）

近年，噴灌、滴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備在牧區(qū)的推廣面積越來越大，尤其是地下滴灌能夠在作物全生育期內(nèi)向其根域直接供施水、肥、氣、藥等，深受廣大農(nóng)牧民的青睞。為此，大禹節(jié)水集團股份有限公司研發(fā)了牧草地淺埋排根防負(fù)壓避鼠型地下滴灌管，以適應(yīng)西部牧區(qū)（青海、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏等區(qū)域）灌溉需求。

灌水均勻度是衡量滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量的主要指標(biāo)，常被用作評價滴灌管/帶產(chǎn)品優(yōu)劣。地下滴灌灌水器埋于土壤中，灌水均勻度既受到土壤質(zhì)地、作物根系的影響，又受到滴灌管滴頭流量、布置間距、埋設(shè)深度等因素的影響。而有關(guān)地下滴灌管田間布置模式的研究相對較少。本文以牧草地淺埋排根防負(fù)壓避鼠型地下滴灌管為研究對象，以滴頭流量、滴灌帶間距、滴灌帶埋設(shè)深度為影響因素，以灌水均勻度為考核指標(biāo)，通過田間試驗實測分析，探索出適宜該地區(qū)的田間毛管（滴灌管）布置模式，為牧區(qū)草場地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理提供參考。

一、材料與方法

1.試驗布置

試驗選在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗棋盤井鎮(zhèn)草籽場社區(qū)賽烏素嘎查，試驗田塊尺寸為45 m×120 m，田面高差≤±5 cm，種植牧草為2年齡的紫花苜蓿。選用新研發(fā)的牧草地淺埋排根防負(fù)壓避鼠型地下滴灌管為試材，壁厚0.4 mm，滴頭間距30 cm，選取滴頭流量（1.38 L/h、2.0 L/h、3.0 L/h）、毛管布置間距（60 cm、90 cm）、埋設(shè)深度（15 cm、20 cm、25 cm）為控制變量，共設(shè)54個小區(qū)。灌水定額參照 《荒漠化草原紫花苜蓿地埋滴灌技術(shù)規(guī)程》（DB 15/T 907—2015）， 設(shè)定為22.5 mm，試驗方案設(shè)計見表1。

2.測定指標(biāo)及方法

試驗毛管進口壓力控制在0.15 MPa，毛管長度100 m。采用取土烘干法測定滴灌灌水結(jié)束24 h后各測點不同土層深度（10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm）處的土壤含水量（質(zhì)量含水量）。

根據(jù)毛管布設(shè)情況，選取離干管近距離、中近距離、中等距離、中遠距離和遠距離的毛管作為測定對象；對選定的每條毛管選取離支管近點、中近點、中遠點和遠點的滴頭作為測試滴頭（共25個滴頭）。在選定滴頭與相鄰兩滴灌帶中心之間，等距布設(shè)3處測點（根據(jù)實際情況，測點間距根據(jù)毛管鋪設(shè)間距確定，可選為10 cm或 15 cm）。

表1 試驗方案設(shè)計

3.均勻性評價指標(biāo)

本文采用克里斯琴森均勻度系數(shù)（Cu）作為灌水均勻性評價指標(biāo)，計算方法如下：

式中，Cu為土壤水分分布均勻度系數(shù)；為每個取樣點實際土壤含水率與平均值之差絕對值的平均值，即平均差，通過（2）式計算，%；為平均土壤含水率，采用（3）式計算，%。

式中，θi為每個取樣點的實際土壤含水率，采用（4）式計算，%；N為取樣點個數(shù)。

式中，θij為第i測點第j層 （j=1、2、3···7、8）的土壤含水率，%。

二、結(jié)果與分析

1.不同滴頭流量滴灌管灌水均勻度

（1）1.38 L/h滴頭流量滴灌管灌水均勻度

不同毛管布置間距、埋設(shè)深度組合下，1.38 L/h滴頭流量滴灌管土壤水分分布均勻度系數(shù)如圖1所示。由圖1可以看出，不同毛管間距的滴灌管Cu隨著埋設(shè)深度的增加均呈現(xiàn)出“先升后降”的變化趨勢。各埋設(shè)深度下，60 cm毛管間距的滴灌管Cu能夠保持在0.91～0.94之間，其中以20 cm埋設(shè)深度最佳。與60 cm毛管間距相比，90 cm毛管間距的滴灌管Cu在各埋設(shè)深度下均有不同程度的下降，尤以30 cm埋設(shè)深度下為甚，降幅達5.5%，Cu降至約0.87，此模式下灌水均勻度較差，效果不佳。

圖1 1.38 L/h滴頭流量滴灌管Cu

圖2 2.0 L/h滴頭流量滴灌管Cu

（2）2.0 L/h滴頭流量滴灌管灌水均勻度

不同毛管布置間距、埋設(shè)深度組合下，2.0 L/h滴頭流量滴灌管土壤水分分布均勻度系數(shù)如圖2所示。由圖2可以看出，不同毛管間距下，2.0 L/h滴頭流量滴灌管Cu隨埋設(shè)深度的變化趨勢與1.38 L/h滴頭流量滴灌管類似，且較之有所提高，Cu均能夠達到0.91以上。各埋設(shè)深度下，60 cm毛管間距的滴灌管Cu能夠保持在0.93～0.97之間，仍以20 cm埋設(shè)深度最佳，灌溉效果最優(yōu)。與60 cm毛管間距相比，90 cm毛管間距的滴灌管Cu在各埋設(shè)深度下略有下降，基本保持在0.91～0.93之間；其中，20 cm埋設(shè)深度下的Cu降幅為3.6%，10 cm和30 cm埋設(shè)深度下的Cu降幅較小，在1.6%～1.7%之間。

（3）3.0 L/h滴頭流量滴灌管灌水均勻度

如圖3所示，滴灌管滴頭流量增加到3.0 L/h時，不同毛管布置間距、埋設(shè)深度組合下的Cu有明顯提高，以10 cm埋設(shè)深度時最為顯著。此外，60 cm和90 cm毛管間距的滴灌管Cu在10cm和20cm埋設(shè)深度時，均能保持在0.95左右，并且無明顯差異；90 cm毛管間距的滴灌管Cu在30 cm埋設(shè)深度時達到最高值0.96，較60 cm毛管間距的滴灌管Cu提高了3.1%，此模式下灌水均勻度也達到了較高水平。

2.不同滴頭流量滴灌管田間布置模式

通過上述分析，不同滴頭流量滴灌管的最優(yōu)布置模式如表2所示。由表2可以看出，牧草地淺埋排根防負(fù)壓避鼠型地下滴灌管應(yīng)用于苜蓿草地灌溉，灌水均勻度最高的是滴頭流量為2.0 L/h的滴灌管，其次是滴頭流量為3.0 L/h的滴灌管，這兩種流量的滴灌管最優(yōu)田間布置模式均為毛管間距60 cm、埋設(shè)深度20 cm。

滴頭流量為1.38 L/h的滴灌管灌水均勻度系數(shù)雖然也達到了較高水平 （0.942），但較滴頭流量為2.0 L/h和3.0 L/h的滴灌管分別降低了2.7%和2.1%。

可見，從水力性能角度看，在合理田間布置模式下，3種滴頭流量的滴灌管均能滿足西部牧區(qū)草地地下滴灌的需求，且能夠獲得較好的灌水均勻度。

從投資角度看，按照滴頭流量為1.38 L/h、2.0 L/h、3.0 L/h 的滴灌管單價約為0.28元/m計，3種滴灌管灌溉系統(tǒng)畝均投資分別為1 040元/畝（1 畝=1/15 hm2， 下同）、983 元/畝和976元/畝。因此，根據(jù)牧區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟條件，可優(yōu)先選用滴頭流量為2.0 L/h和3.0 L/h的滴灌管。

圖3 3.0 L/h滴頭流量滴灌管Cu

表2 不同滴頭流量滴灌管田間布置模式推薦表

表3 不同滴頭流量滴灌管灌溉系統(tǒng)投資表

三、結(jié)論與討論

①從水力性能和投資角度綜合考慮，優(yōu)先選用滴頭流量為2.0 L/h的滴灌管，滴灌管壁厚0.4 mm、滴頭間距30 cm，性價比最高。

②滴頭流量為2.0 L/h的滴灌管田間布置模式為毛管間距60 cm、埋設(shè)深度20 cm時，灌水均勻度能夠達到0.968，應(yīng)用于西部牧區(qū)草地地下滴灌效果最佳。

試驗尚未考慮地形條件（如順逆坡）、草地多樣性（如不同品種牧草）等因素對Cu的影響，新產(chǎn)品的適用性驗證未能全部實現(xiàn)，有待于進一步研究。