柑橘節(jié)水微灌系統(tǒng)的研究及應(yīng)用※

劉行剛 ，張治暉 ，張?jiān)平?，陳 霄 ※

（1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2. 北京中水潤(rùn)科認(rèn)證有限責(zé)任公司，北京100048；3. 重慶市云陽(yáng)縣水務(wù)局，云陽(yáng)404500）

0 引言

柑橘是世界第一大果樹(shù)品種，其種植面積和產(chǎn)量均居世界首位［1］。我國(guó)2016年柑橘種植面積高達(dá)255.67萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量為3 616.8萬(wàn)t，居世界首位［2］。三峽庫(kù)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫17～19 ℃，雨量1 000～1 200 mm，氣候條件適合柑橘生長(zhǎng)［3］，是全國(guó)重要的柑橘主產(chǎn)區(qū)之一，被劃定為國(guó)家果品生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)區(qū)，柑橘產(chǎn)業(yè)也成為庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)［4］。

柑橘屬亞熱帶常綠果樹(shù)，好溫喜濕，土壤含水量在60%～80%最適宜，過(guò)低則需要實(shí)施灌溉。雨量不足或分布不均勻時(shí)需增加灌溉設(shè)施以保證土壤含水量處于正常水平。對(duì)柑橘種植來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)灌溉方法有溝灌、澆灌等，此類方法通常耗水量大、需要大量人力勞動(dòng)，效率低且不易管理。在綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展需求下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向節(jié)約化、高效化發(fā)展，灌溉技術(shù)也向節(jié)水節(jié)能等方向發(fā)展，目前發(fā)展起來(lái)的節(jié)水灌溉技術(shù)有滴灌、微噴等技術(shù)。

柑橘的設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度是微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)工程投資影響很大。目前《微灌工程技術(shù)規(guī)范》［5］中規(guī)定在無(wú)淋洗要求時(shí)，設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度等于設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，這種情況比較適用于北方地區(qū)。若應(yīng)用于降水量較大的南方地區(qū)，會(huì)增大系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，增加投資，另外，若設(shè)計(jì)不合理，由于氣堵原因，管道在壓力足夠的情況下不會(huì)出水，文章對(duì)這一系列問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出了有效解決方案。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境

云陽(yáng)縣位于重慶市東北部，屬三峽庫(kù)區(qū)地帶，南北長(zhǎng)99.5 km，東西寬70.2 km，幅員面積3 649 km2［6］。示范區(qū)錦屏村位于鳳鳴鎮(zhèn)，全村面積11.69 km2，村內(nèi)地形海拔200～685 m，其中林地5.5 km2，草地3.53 km2，裸石山地1.2 km2，田地1.46 km2。村內(nèi)溝壑縱橫，多為頁(yè)巖和喀斯特地貌。村民居住分散，同村內(nèi)各居民點(diǎn)距離大多在數(shù)公里以上，交通多不便利。

根據(jù)云陽(yáng)縣氣象站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)1961—2000年平均氣溫18.7℃，年際均溫變化不大，其中最高19.4℃，最低17.7℃。8月最熱，平均氣溫可達(dá)到29.4℃，1月最冷，平均氣溫降至8.0℃，年內(nèi)溫差在21.4℃左右，偶有年份出現(xiàn)極端最高氣溫達(dá)到40℃以上，極端最低氣溫降至0℃以下。

據(jù)云陽(yáng)氣象站1961—2018年資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)雨量充沛，降水在年內(nèi)各個(gè)月份分配十分不均衡。該地區(qū)年平均降水量為1 120 mm，年際變化大，據(jù)記錄最大的年降水量為1963年的1 752.6 mm，而最小年降水量為1966年的730.5 mm，相差很大；在年內(nèi)不同月份降水量也不均勻，4—10月降水量超過(guò)了全年的4/5以上，而其他月份的降水量不到1/5，通常7月降水量最大而2月最小。

云陽(yáng)地處中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，是長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)的核心區(qū)域。三峽庫(kù)區(qū)冬暖春早、秋短夏長(zhǎng)，降水量充沛，庫(kù)區(qū)土壤磷、鉀含量豐富，對(duì)柑橘生長(zhǎng)十分有利。錦屏村山坡地土層深厚肥沃，酸堿適度，大多土壤富含鈣、鎂、鉀、磷和微量元素，海拔500 m高程以下的山區(qū)適宜種植柑橘，目前已種植120 hm2。但由于普遍無(wú)灌溉工程設(shè)施，導(dǎo)致干旱時(shí)期柑橘得不到灌溉，柑橘產(chǎn)量低，品質(zhì)不高。

錦屏村地處山區(qū)，受不同程度的坡度影響，常會(huì)造成水土流失，不易保水、保肥、保土，土質(zhì)比較貧瘠，成為不利于柑橘生長(zhǎng)的主要矛盾。為了在該地區(qū)實(shí)施柑橘的種植發(fā)展，首先需要對(duì)山地進(jìn)行整理，將山坡地整治為梯田，從而有效改變地形坡度，攔蓄雨水，增加土壤水分，減少水肥流失，便于灌溉。

柑橘施肥通常采用水肥一體化技術(shù)，將液體肥料或水溶性固體肥料溶解在水中，并采用管道和滴頭形成滴灌，通過(guò)將水和肥料進(jìn)行優(yōu)化組合，使其得到更有效率的吸收和利用。該技術(shù)能夠按需供應(yīng)柑橘水肥，節(jié)水節(jié)肥性好，勞動(dòng)投入低，能顯著增加水肥利用率、增加產(chǎn)量，是當(dāng)前廣泛推廣使用的節(jié)水灌溉施肥技術(shù)［7］。

1.2 研究區(qū)水資源條件

錦屏村集雨面積大，現(xiàn)有大小塘壩20多處，但多數(shù)塘壩常年未清淤，庫(kù)容減少，亟待整治。為提高灌溉和供水的保證率，對(duì)村內(nèi)6處塘壩進(jìn)行整治。塘壩整治的主要措施有：（1）清除塘底淤泥；（2）檢查是否有滲漏處，對(duì)滲漏處進(jìn)行封堵，一般滲漏處發(fā)生在壩體，對(duì)壩體進(jìn)行防滲處理，壩體迎水面采用土工膜防滲，防滲膜上采用預(yù)制混凝土塊護(hù)面；（3）對(duì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的溢洪道、放水涵管、閘門(mén)等建筑物進(jìn)行整治。整治后這6座塘壩的總庫(kù)容達(dá)到5.46萬(wàn)m3，其中最大的豐收塘達(dá)到4.5萬(wàn)m3，基本解決了柑橘灌溉水源問(wèn)題，6座塘壩的基本情況見(jiàn)表1。

表1 6處塘壩基本情況Table 1 The characteristic of 6 ponds

1.3 研究區(qū)柑橘種植現(xiàn)狀

柑橘種植密度一般采用3 m×4 m或3 m×5 m的株行距，每公頃栽667～833株。灌溉時(shí)，在定植15 d內(nèi)根據(jù)土壤干濕程度確定澆水量，采取滴灌方法每天或幾天灌水1次，定植30 d后每周滴灌1次，以保持土壤通透性，并滿足柑橘需水要求。

2 灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)柑橘作物需水量，確定系統(tǒng)流量和灌水周期等參數(shù)。

（1）設(shè)計(jì)灌水定額

柑橘微灌采用滴灌或微噴灌，設(shè)計(jì)灌水定額為：

式（1）中，m為設(shè)計(jì)灌水定額（mm）；γ為土壤容重（t/m3），為1.4 t/m3；z為計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度（m），為0.45 m；p為設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比（%），為10%；θmax為適宜土壤含水率上限（占干土重量的百分比，%），為田間持水量的90%；θmin為適宜土壤含水率下限（占干土重量的百分比，%），為田間持水量的65%。

（2）灌水周期

灌水周期按下式計(jì)算：

式（2）中，T為設(shè)計(jì)灌水周期（d）；E為有效降水（mm），為2 mm；Ea為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度（mm），為3 mm。

（3）灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌水流量可按下式計(jì)算：

式（3）中，Q為灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌水流量（m3/h）；t為統(tǒng)日工作小時(shí)數(shù)（h/d），為22 h；η為灌溉水利用系數(shù)，為0.95；A為灌溉面積（hm2），為70.33 hm2。

微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量是微灌設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，是計(jì)算管徑的重要依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量取決于設(shè)計(jì)灌水定額、灌溉面積、灌水周期、每天灌水時(shí)間和灌溉水利用系數(shù)?！段⒐喙こ碳夹g(shù)規(guī)范》［5］中規(guī)定，在無(wú)淋洗要求時(shí)，灌水周期取決于一次灌水定額和設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度。一般在干旱或半干旱地區(qū)，設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度可等于設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，比如在美國(guó)中央河谷、以色列等地區(qū)種植柑橘屬于這種情況。對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)這種濕潤(rùn)地區(qū)的柑橘種植，設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度還應(yīng)該考慮有效降水［8］。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 微灌設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of micro-irrigation

該研究區(qū)規(guī)劃柑橘灌溉面積為70.33 hm2，根據(jù)當(dāng)?shù)馗涕俟喔冉?jīng)驗(yàn)，在降水較少的干旱時(shí)期，若采用穴灌，每棵灌水50 kg，灌水周期一般4 d，柑橘每hm2種植750棵，計(jì)算可知灌水定額為37.5 m3/hm2，得到面積70.33 hm2系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為31.55 m3/h，略小于表2中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量35.42 m3/h。

2.2 灌溉系統(tǒng)規(guī)劃布置

灌溉系統(tǒng)首部采用水泵抽豐收塘的水入楊柳灣塘，之后為自壓。管道分為干管、支管、分支管、毛管，共4級(jí)，均采用PE塑料管。干管沿等高線布置，外徑有兩種尺寸，分別是110 mm和75 mm，其中外徑110 mm對(duì)應(yīng)的干管長(zhǎng)度為2 454 m，外徑75 mm的干管長(zhǎng)度2 848 m。干管上安裝減壓排氣管，每200～500 m一個(gè)。支管垂直于等高線，外徑為40 mm，布置蓄水減壓池和減壓排氣管，減壓排氣管水壓不超過(guò)50 m，蓄水減壓池水壓不超過(guò)40 m，使滴頭在壓力補(bǔ)償范圍內(nèi)工作，系統(tǒng)布置如圖1所示。

每個(gè)灌溉單元由分支管引出，單元首部布置施肥裝置和過(guò)濾器，分支管垂直于等高線布置，外徑仍為40 mm，分支管再接毛管，毛管沿等高線布置。滴灌毛管有外徑16 mm（壁厚1.5 mm）和20 mm（壁厚2.3 mm）兩種，最大長(zhǎng)度分別為340 m和460 m。微噴灌毛管也有外徑20 mm（壁厚2 mm）和25 mm（壁厚2.3 mm）兩種，最大長(zhǎng)度分別為340 m和460 m。每棵柑橘樹(shù)下面配置一個(gè)滴頭或微噴頭，滴頭選用壓力補(bǔ)償式，補(bǔ)償范圍100～300 kPa，流量4 L/h，微噴頭流量選用40 L/h。在工程實(shí)施過(guò)程中，要求管道和灌水器質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［9-11］。

圖1 微灌系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of micro-irrigation system

在壓力輸水過(guò)程中，管道內(nèi)易產(chǎn)生氣體，需采取措施，否則會(huì)導(dǎo)致管道氣堵或發(fā)生氣爆水錘［12-13］。對(duì)于自壓管道，氣堵或氣爆水錘更易發(fā)生。若按滿管流能量方程計(jì)算，當(dāng)管道進(jìn)水口處總水頭不小于出水口處總水頭與水頭損失之和的情況下，水應(yīng)為流動(dòng)狀態(tài)。但若管道鋪設(shè)在起伏較大的山區(qū)或丘陵，在管道的高點(diǎn)通常會(huì)存在氣體，形成氣阻，導(dǎo)致水不流動(dòng)。產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象必須同時(shí)存在兩個(gè)基本條件：（1）管道系統(tǒng)存在波狀起伏；（2）管道系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在氣、液兩相介質(zhì)［14］。起伏較大的山區(qū)或丘陵，在管道的高點(diǎn)，應(yīng)設(shè)計(jì)安裝自動(dòng)排氣裝置，即使是地形起伏不大的平原地區(qū)，也要在挖槽時(shí)，人為將管線設(shè)計(jì)出起伏，呈循環(huán)上升或下降，坡度不小于1/500，在每公里的最高處設(shè)計(jì)1～2個(gè)排氣裝置［15］。若地形條件允許，可在灌溉系統(tǒng)中布置減壓排氣管和蓄水減壓池。排氣管直接安裝在管道上，管頂安裝高度可略高于此處的工作水頭。蓄水減壓池既可以對(duì)管道進(jìn)行排氣減壓，又能調(diào)節(jié)灌溉水源。若采用減壓閥和排氣閥，需關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量，因減壓閥和排氣閥失效導(dǎo)致不出水和管道破壞的案例時(shí)有發(fā)生。在該工程實(shí)施中，干管首尾高程差60 m，減壓排氣管主要作用是排氣。支管垂直等高線，最大高差250 m，超過(guò)管道工作壓力（1.6 MPa），需要減壓排氣。在支管上布置蓄水減壓池，既可以對(duì)管道進(jìn)行排氣減壓，又能夠調(diào)節(jié)灌溉水源，在有泉水的地方，可引泉水入蓄水減壓池。

在示范區(qū)的建設(shè)過(guò)程中，對(duì)文丘里施肥器和壓差式施肥器的使用情況進(jìn)行了比較。由于文丘里施肥器需要較高的流速才能實(shí)現(xiàn)真空吸水，在自壓管內(nèi)水流達(dá)不到較高流速的情況下，會(huì)導(dǎo)致文丘里施肥器不吸水。而采用壓差式施肥器則工作正常。

3 試驗(yàn)分析

圖2～圖5為節(jié)水微灌系統(tǒng)在示范區(qū)的安裝應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。滴灌系統(tǒng)安裝完畢后，為了檢測(cè)滴頭的產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)灌水器的均勻性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。選擇3條滴灌管，對(duì)每條滴灌管的25個(gè)滴頭進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)規(guī)范［5］，微灌系統(tǒng)灌水小區(qū)灌水器設(shè)計(jì)允許流量偏差率應(yīng)滿足下式要求：

式（4）～（5）中，［qv］為灌水器設(shè)計(jì)允許流量偏差率（%）；qv為灌水器流量偏差率（%）；qmax為灌水器最大流量（L/h）；qmin為灌水器最小流量（L/h）；qd為灌水器設(shè)計(jì)流量，qd=4L/h。

采用克里斯琴（Christiansen）灌水均勻系數(shù)描述灌溉系統(tǒng)流量均勻性，公式為：

式（6）～（7）中，Cu為克里斯琴灌溉均勻系數(shù)；為灌水器流量平均偏差（L/h）；為灌水器平均流量（L/h）；qi為田間實(shí)測(cè)的第i個(gè)灌水器流量（L/h）；n為田間實(shí)測(cè)的灌水器個(gè)數(shù)。

田間實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。由表3中3組試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果可以看出，灌溉系統(tǒng)的灌水器流量偏差率均小于20%，Christiansen灌溉均勻系數(shù)大于0.95，說(shuō)明自壓灌溉系統(tǒng)灌水器流量均勻性滿足要求。

表3 滴灌灌水器試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of emitter

圖2 柑橘滴灌安裝Fig.2 Installation of citrus drip irrigation

圖3 支管蓄水減壓池Fig.3 Storage and decompression tank

圖4 壓差施肥器Fig.4 Differential pressure fertilizer

4 結(jié)論

該文采用的柑橘節(jié)水灌溉系統(tǒng)充分利用水資源，減少了水資源浪費(fèi)，涵養(yǎng)了水環(huán)境。在三峽庫(kù)區(qū)建設(shè)柑橘微灌系統(tǒng)，設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度時(shí)需要考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，既要考慮設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，也要考慮有效降雨量，避免設(shè)計(jì)流量過(guò)大，工程投資高，造成不必要的浪費(fèi)。在起伏較大的山區(qū)或丘陵鋪設(shè)管道，需要考慮氣阻對(duì)管道的影響，盡可能采用排氣管和減壓池，而不用減壓閥和排氣閥，避免因減壓閥或排氣閥出現(xiàn)故障造成管網(wǎng)不工作或破壞。在該應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)文丘里施肥器需要較高流速才能實(shí)現(xiàn)真空吸水，有些情況下自壓管道達(dá)到較高流速難以實(shí)現(xiàn)，因此一般自壓灌溉施肥器不宜采用文丘里施肥器。在三峽庫(kù)區(qū)為柑橘提供有效的灌溉，配備可靠的施肥器，可增加產(chǎn)量，提高品質(zhì)，顯著提高當(dāng)?shù)毓r(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。柑橘節(jié)水微灌系統(tǒng)在重慶云陽(yáng)縣的應(yīng)用研究為柑橘生產(chǎn)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有益的示范。