多口水帶地面節(jié)水灌溉技術研究與應用

李 薇， 郝建新

（1. 邢臺市農業(yè)農村局，河北 邢臺 054001； 2. 邢臺飛燕灌溉制品有限公司，河北 邢臺 054001）

0 引言

我國半干旱、半濕潤地區(qū)水資源相對短缺，尤其是半干旱地區(qū)缺水嚴重，提高農業(yè)灌溉效率是解決水資源短缺的重要舉措。而推廣農業(yè)節(jié)水灌溉技術是提高農業(yè)灌溉效率的重要途徑[1]。目前節(jié)水灌溉技術主要包括噴灌、滴灌、地面節(jié)水灌溉3 大類。噴灌灌溉不均勻，灌溉過程中會損失過多的灌溉水，中心支軸式、腳盤式噴灌易受電桿等障礙物影響不能正常運轉[2]。滴灌的局限性在于投資高、易堵塞、安裝及維護麻煩、管理成本高和耗費勞力等[3]。地面節(jié)水灌溉技術主要有溝灌和畦灌，這兩種節(jié)水灌溉技術需要開溝和培壟，費時、費力且節(jié)水效率低[4]。本文所述多口水帶地面節(jié)水灌溉技術（專利號CN214206660U）是將灌溉水通過多重管道直接輸送到作物的灌溉部位，灌溉水輸送過程中，水分不滲漏，能夠更快地到達灌溉位置，縮短灌溉水流動時間，減少滲水，從而達到節(jié)水目的[5]。對于多口水帶地面節(jié)水灌溉技術，國內目前其他文獻還未見到詳細記錄。多口水帶地面節(jié)水灌溉技術是對地面節(jié)水灌溉技術的有益補充，對半干旱、半濕潤地區(qū)的地面節(jié)水灌溉技術的發(fā)展，有較大地促進作用。

1 技術概述

多口水帶地面節(jié)水灌溉技術是以主管代替明渠，分管代替出水口，采用低壓輸水將灌溉用水盡快輸送到田間作物的根部。多口水帶由主管和分管組成，主管單側或兩側設分管，分管前端開口，灌溉時打開多個分管出口，水從多個分管開口端流出灌溉田地。其技術方法是用較低的壓力將灌溉水分盡快輸送到田間，減少灌溉水滲水損失，從而達到節(jié)水的目的。多口水帶灌溉無須開溝槽，無須做土壟溝及田埂，安裝簡便，只需將水帶鋪設到田間即可使用。灌溉完成后因為有多個分管處于開口狀態(tài)，水帶中存留的水很快流出，收納輕便，配合使用收卷器，收納更快、更省力。

2 裝置設計

2.1 多口水帶主管和分管制作

主管和分管是多口水帶最重要的組成部分，主管和分管質量要求抗拉、耐磨，并且抗水壓1 000 mm 以上。

采用抗水壓1 000 mm 以上的PU 防水布料，一般采用牛津布、春亞紡、記憶布等化纖絲織品做成的PU 防水布料。通過布匹分切機，將布幅切成50 cm×75 cm 的布料，再用縫紉機分別做成直徑14 和22 cm 的防水布管，如圖1 所示。用防漏劑處理針眼部位，防漏劑的技術要求是能把針眼封住，耐水壓1 000 mm 以上。把做好的部分長管根據(jù)需要切成50～70 cm 長的短管用作分管。分管一端與主管連接，另一端是出水口。分管外側中部有束繩，用來控制分管出水量和關閉分管出水口，分管的作用是將灌溉水均勻分布到田間。

圖1 多口水帶結構Fig. 1 Structure of multi-port water hose

2.2 主管和分管的連接

2.2.1 縫紉連接

主管兩側或單側開孔，根據(jù)灌溉需要確定開孔距離，主管開孔直徑比分管直徑小4 cm，用縫紉機將分管和主管連接，縫合布邊寬度2 cm，針眼處做防漏處理。優(yōu)點是成本低，缺點是固定后不能拆卸，因此不能調整分管間距。

2.2.2 硬質連接

主管道沿長度方向設有多個出水口，分支管道的一端通過出水口與主管道連通。分支管道與主管道可拆卸連接，出水口設有密封組件，密封組件與主管道可拆卸連接[6]。出水口設有出水管，出水管的一端固定于主管道，另一端設于主管道外部。出水管外側壁設有外螺紋。分支管道靠近主管道的一端連接有連接管，連接管設有與外螺紋配合的內螺紋。密封組件采用密封蓋，密封蓋設有與外螺紋配合的螺孔[6]。出水管靠近主管道的一端設有弧形固定板，固定板固定于主管道的內側壁，固定板設有與出水管連通的通孔。出水管遠離主管道的一端穿過出水口[6]。優(yōu)點是分管能拆卸，能調節(jié)分管間距，缺點是成本高，農民不容易接受。

2.3 主管和主管之間的連接

從水源到灌溉地，再加上灌溉地的長度，主管長度要用到幾十米甚至幾百米。幾百米的主管收納較困難，所以要把主管分成多節(jié)，主管一節(jié)的長度一般在10～30 m。主管和主管之間的連接，采用韌性圈接口技術。

2.3.1 韌性圈材質

韌性圈采用聚丙烯材料制成。聚丙烯是一種半結晶的熱塑性塑料，具有較高的耐沖擊性，機械性質強韌，抗多種有機溶劑和酸堿腐蝕，強度高，彈性優(yōu)良，使用溫度范圍為?30～140 °C，能夠較好地滿足水帶接口的需要[7]。

2.3.2 韌性圈規(guī)格

韌性圈外觀是圓形，圈體截面是方形。韌性圈截面設計成方形最大的優(yōu)點是當兩個韌性圈結合后，密封效果好、不易漏水。根據(jù)多口水帶主管的內徑有14 和22 cm 兩種規(guī)格，相應的韌性圈有外徑14 和22 cm 兩種規(guī)格。韌性圈外徑14 cm 的圈體，厚度0.5 cm，寬度0.7 cm。韌性圈外徑22 cm 的圈體，厚度0.5 cm，寬度1 cm。韌性圈用注塑機生產。

2.3.3 主管韌性圈連接

主管的兩端設有卷邊，卷邊內放置韌性圈，用縫紉機將韌性圈固定在卷邊內，其中一端主管卷邊內，緊連韌性圈縫制一條長30 cm 的布條，另一端不縫制布條。使用時將帶布條的一端推至另一根主管不帶布條的一端，然后往回拉緊，兩個韌性圈緊密結合，接口完成（圖2）。灌溉完成后，用手握住布條，向上提拉，即可打開接口。

圖2 主管接口Fig. 2 Main pipe connector

3 操作方法

3.1 根據(jù)土質選擇分管間距

沙質土滲水快，分管間距宜短不宜長（1.0～1.5 m）；黏質土分管間距宜長不宜短（2.5～3.0 m）；壤土分管間距適中（1.5～2.5 m）。另外，地勢不平坦的地塊兒，分管間距短一些，以保證水充分灌溉到每處土地。

3.2 主管分管形式

主管分管分為單邊分管和雙邊分管。單邊分管，即主管一側帶分管，單側出水。工作人員在無分管一側操作，優(yōu)點是可以邊澆地邊收攏已灌溉完成的水帶，缺點是一側出水，灌溉面積小。雙邊分管，即主管兩側都帶分管，兩側出水，優(yōu)點是灌溉面積大，缺點是無法立即收納，一般需等到水分滲入土壤地面不泥濘后再收卷水帶。

3.3 灌溉寬度

灌溉寬度因地而異，沙質土滲水快，灌溉寬度宜窄不宜寬，單邊寬度2～3 m，雙邊寬度4～6 m。黏質土滲水慢，灌溉寬度宜寬不宜窄，單邊寬度4～5 m，雙邊寬度8～10 m。壤土灌溉寬度適中，單邊寬度3～4 m，雙邊寬度6～8 m。另外，地勢平坦的灌溉寬度寬一些，地勢起伏不平的灌溉寬度窄一些。

3.4 田間操作

把多口水帶平鋪到需要灌溉的田地里，然后打開5～10 個分管出水口。打開分管出水口的數(shù)量和出水量成正比，出水量在20 m3/h，打開5 個出水口，出水量每增加4 m3/h，增開1 個分管出水口。為保證每個分管出水口均勻出水，分管出水口距離水源處越近，開口越小。如開5 個分管出水口，第1 個分管出水口開1/5大小，第2 個分管出水口開2/5 大小，依此類推，最后一個分管出水口全部打開。待到灌溉完成后，用同樣方式打開下一批5 個出水口。將灌溉已完成的水帶關閉，用束繩將主管捆緊即可。另外也可配合畦灌或溝灌，一次打開1～2 個分管出水口。灌溉完成后，依次打開另外1～2 個分管出水口，關閉已灌溉完成的分管即可。

4 應用示例

灌溉的作用是給作物生長提供所需的水分，而灌溉水直接作用的對象是土壤，因此對于新灌溉技術，首先要研究其灌溉對土壤水分的作用及均勻度[8]。管道式噴灌是通過高壓噴水方式，通過管道上樹立的噴管和噴頭，水被分散成若干小水滴，噴灑到土壤表面，經過滲漏到達土壤內部。大水漫灌是古老的地面灌溉方式，將灌溉用水通過溝渠或管道直接灌溉到農田，灌溉水經過滲漏到達土壤內部。多口水帶地面節(jié)水灌溉，則是低壓自流的方式，灌溉水通過多個管道，輸送到土壤表面，再通過滲漏到達土壤內部。

4.1 對比管道式噴灌對土壤含水率的影響

4.1.1 試驗設計

在河北省邢臺市區(qū)北部的山前平原丘縣境內進行多口水帶地面節(jié)水灌溉和管道式噴灌的對比試驗。試驗區(qū)為壤土，灌溉作物是小麥，灌溉水源是深層地下水，試驗于2021 年4 月28 日小麥抽穗期進行，如圖3所示。采用主管直徑14 cm，主管兩側連接分管，分管在主管兩側并列排放，分管直徑14 cm，分管間距2 m，分管長度0.5 m，開6 個分管出口，即3 對分管，按來水方向分別排列為第1 對分管、第2 對分管、第3 對分管。第1 對分管口各開出水口橫截面積的1/3，第2 對分管口各開出水口橫截面積的2/3，第3 對出水口全部打開。

圖3 小麥灌溉試驗Fig. 3 Wheat irrigation experiment

4.1.2 試驗方法

灌溉時間為9 h，機井出水量24 m3/h，用水量216 m3，多口水帶地面節(jié)水灌溉技術灌溉面積0.72 hm2，噴灌灌溉面積0.64 hm2，停灌后48 h 采樣，采用烘干稱質量法觀測土壤含水率（%）。多口水帶地面節(jié)水灌溉與管道式噴灌為相同土壤條件、相同灌溉時間的同比試驗。

4.1.3 試驗結果

測量灌溉前和灌溉后20～40 cm 深土壤不同采樣點含水率的分布狀態(tài)。20 cm 深多口水帶地面節(jié)水灌溉和管道式噴灌分別從4 處采樣，土樣含水量如表1 所示。40 cm 深多口水帶地面節(jié)水灌溉和管道式噴灌分別從4處采樣，土樣含水量如表2 所示。

4.1.4 結果分析

由表1 和表2 數(shù)據(jù)可知，相同的灌溉時間和土壤條件下，多口水帶地面節(jié)水灌溉比管道式噴灌土壤20 cm深土樣平均含水量高1.7%，40 cm 深土樣平均含水量高2.7%，說明管道式噴灌在灌溉時損失了部分水分，土壤含水率降低。多口水帶地面節(jié)水灌溉20 cm 深4 個采樣點含水量最大差值0.6%；40 cm 深4 個采樣點含水量最大差值0.9%。管道式噴灌20 cm 深4 個采樣點含水量最大差值2.9%；40 cm 深4 個采樣點含水量最大差值3.1%。由以上采樣點的數(shù)據(jù)分析可知，多口水帶地面節(jié)水灌溉的4 個采樣點數(shù)據(jù)基本一致，而管道式噴灌的4 個采樣點，數(shù)據(jù)差距較大，說明多口水帶地面節(jié)水灌溉比管道式噴灌灌溉均勻。

表1 小麥灌水前后土壤20 cm 深含水率對比Tab. 1 Comparison of soil water content at 20 cm depth before and after wheat irrigation單位：%

表2 小麥灌水前后土壤40 cm 深含水率對比Tab. 2 Comparison of soil water content at 40 cm depth before and after wheat irrigation單位：%

同一地塊，同樣的水源、抽水工具和灌溉時間，灌溉用水216 m3，多口水帶地面節(jié)水灌溉灌溉面積0.72 hm2，管道式噴灌灌溉面積0.64 hm2，多口水帶地面節(jié)水灌溉比管道式噴灌灌溉面積多11%，并且多口水帶地面節(jié)水灌溉比噴灌20 cm 土壤含水率高1.7%，40 cm 土壤含水率高2.7%，說明多口水帶地面節(jié)水灌溉比管道式噴灌灌溉水利用率高10%以上。

多口水帶節(jié)水灌溉對增加土壤含水量的作用大于管道式噴灌，其原因是多口水帶地面節(jié)水灌溉通過低壓自流的方式灌溉到農田。而管道式噴灌在噴灌過程中會損失過多的灌溉水，尤其是陽光強烈、空氣干燥的天氣時，更易造成灌溉水的流失，相同條件下，多口水帶地面節(jié)水灌溉比管道式噴灌灌溉面積多11%[9]。多口水帶地面節(jié)水灌溉有多個出水口，能迅速將灌溉水輸送到各個部位，灌溉均勻。而管道式噴灌離噴頭近處水量多，離噴頭遠處水量少，還易受風力的影響造成灌溉不均勻[2]。因此，在同樣條件下，多口水帶地面節(jié)水灌溉比管道式噴灌灌溉水利用率高，并且灌溉均勻。

4.2 對比大水漫灌對土壤含水率的影響

4.2.1 試驗設計

在河北省邢臺市區(qū)南部的沙河市境內進行多口水帶地面節(jié)水灌溉和大水漫灌的對比試驗。試驗區(qū)為粘土，灌溉作物是玉米，灌溉水源是深層地下水，試驗于2021 年6 月20 日玉米苗期進行，如圖4 所示。采用主管直徑14 cm，主管兩側連接分管，分管在主管兩側并列排放，分管直徑14 cm，分管長0.7 m，分管間距3 m，開8 個分管出口，即4 對分管，按來水方向分別排列為第1 對分管、第2 對分管、第3 對分管、第4 對分管。第1 對分管口各開出水口橫截面積的1/4，第2 對分管口各開出水口橫截面積的2/4，第3 對分管口各開出水口橫截面積的3/4，第4 對分管口的出水口全打開。

圖4 玉米灌溉試驗Fig. 4 Corn irrigation experiment

4.2.2 試驗方法

灌溉時間為6 h，機井出水量32 m3/h，用水量192 m3，多口水帶地面節(jié)水灌溉技術灌溉面積0.89 hm2，大水漫灌灌溉面積0.61 hm2，停灌后72 h 采樣，采用烘干稱質量法觀測土壤含水率（%）。多口水帶地面節(jié)水灌溉與大水漫灌為相同土壤條件、灌溉時間的同比試驗。

4.2.3 試驗結果

測量灌溉前和灌溉后20～40 cm 深的土壤不同采樣點含水率的分布狀態(tài)。20 cm 深多口水帶地面節(jié)水灌溉和大水漫灌分別從4 處采樣，土樣含水量如表3 所示。40 cm 深多口水帶地面節(jié)水灌溉和大水漫灌分別從4 處采樣，土樣含水量如表4 所示。

4.2.4 結果分析

由表3 和表4 數(shù)據(jù)可知，相同的灌溉時間和土壤條件下，多口水帶地面節(jié)水灌溉比大水漫灌20 cm 深處平均含水量低3.5%，40 cm 深處平均含水量低2.2%，說明大水漫灌土壤含水量過高，超過了粘土最佳含水量25%的極限，而多口水帶地面節(jié)水灌溉的含水量在粘土的最佳含水量范圍之內。

表3 玉米灌水前后土壤20 cm 深含水率對比Tab. 3 Comparison of soil water content at 20 cm depth before and after corn irrigation單位：%

表4 玉米灌水前后土壤40 cm 深含水率對比Tab. 4 Comparison of soil water content at 40 cm depth before and after corn irrigation單位：%

多口水帶地面節(jié)水灌溉20 cm 深4 個采樣點含水量最大差值0.6%，40 cm 深4 個采樣點含水量最大差值0.8%。大水漫灌20 cm 深4 個采樣點含水量最大差值1.4%，大水漫灌40 cm 深4 個采樣點含水量最大差值2.1%。通過以上采樣點的數(shù)據(jù)可知，多口水帶地面節(jié)水灌溉的4 個采樣點數(shù)據(jù)基本一致，而大水漫灌的4 個采樣點數(shù)據(jù)差距較大，說明多口水帶地面節(jié)水灌溉比大水漫灌灌溉均勻。

同一地塊，同樣的水源、出水量和灌溉時間，灌溉用水192 m3，多口水帶地面節(jié)水灌溉灌溉面積0.89 hm2，大水漫灌灌溉面積0.61 hm2，多口水帶地面節(jié)水灌溉比大水漫灌灌溉面積多31%，多口水帶地面節(jié)水灌溉比大水漫灌灌溉水利用率高30%以上。

多口水帶節(jié)水灌溉比大水漫灌節(jié)水，灌溉粘質土能達到土壤最佳含水量，并且灌溉均勻。在水源相同、土壤條件相同情況下，單位時間內多口水帶地面節(jié)水灌溉比大水漫灌能灌溉更多的土地面積。多口水帶地面節(jié)水灌溉采用多重管道將灌溉水直接輸送到田間各個部位，而大水漫灌是將灌溉水通過溝渠灌到農田，灌溉時間久，灌溉不均勻。粘土會造成土壤含水率過高，影響作物根系的正常吸收，甚至會爛根，造成作物減產[10]。

5 結論

通過以上兩項對比試驗可以得出，多口水帶地面節(jié)水灌溉比管道式噴灌灌溉水利用率提高10%以上，并且比管道式噴灌灌溉均勻。多口水帶地面節(jié)水灌溉比大水漫灌灌溉水利用率提高30%以上，并且比大水漫灌灌溉均勻。多口水帶地面節(jié)水灌溉技術適合半干旱、半濕潤地區(qū)平坦地塊的粘質土和壤土，應用面積廣。隨著研究的深入，可以和土壤傳感器、自動控制裝置結合，實現(xiàn)精細化、無人化灌溉，發(fā)展前途非常廣闊。

6 建議

（1）多口水帶地面節(jié)水灌溉技術，適合半干旱地區(qū)和半濕潤地區(qū)，灌溉時應依據(jù)應用地區(qū)的地形、土壤、作物等實際狀況，制定出合理的分管間距，以及分管開口大小，先進行小范圍試驗，成功后大面積應用推廣。

（2）多口水帶地面節(jié)水灌溉技術，在使用中根據(jù)實地狀況多做研究，不斷改進，使技術更加完善。