探討滴灌技術(shù)在山地上的應(yīng)用

黃祖敬

（廣西水力機(jī)械研究所有限公司，廣西 柳州 545100）

0 引言

滴灌系統(tǒng)是高效節(jié)水灌溉技術(shù)之一，比噴灌、微噴灌等灌溉技術(shù)更節(jié)水，能夠以較少的水量促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)，提高了水資源的利用率，使有效的水資源發(fā)揮出更大的效益。近十年來(lái)，旱災(zāi)越加頻繁的發(fā)生，特別是2022 年，長(zhǎng)江中下游、西南等地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱，對(duì)農(nóng)業(yè)造成了嚴(yán)重的損失，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的收益。由于我國(guó)山地較多，有較大部分農(nóng)作物種植在山地上，山地上的農(nóng)作物一般缺乏自流灌溉的水源，只能種植一些低產(chǎn)值的旱作物。因此在山地上使用滴灌灌溉系統(tǒng)能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供生長(zhǎng)需水，也能夠改變山地上的種植結(jié)構(gòu)及改種產(chǎn)值較高的農(nóng)作物，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的收益及生活水平[1]。因此在山地上推廣滴灌灌溉節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用是有必要的。

1 前期調(diào)研及基礎(chǔ)資料收集

灌區(qū)前期的調(diào)研及基礎(chǔ)資料收集是為了更好的開(kāi)展灌區(qū)滴灌系統(tǒng)的工作，保證滴灌系統(tǒng)滿足灌區(qū)農(nóng)作物的灌水需要，使其更切合實(shí)際，達(dá)到節(jié)水節(jié)能高效高產(chǎn)。使投入的工程建設(shè)資金、運(yùn)行管理費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出，這三者達(dá)到效益最大化。工作實(shí)踐中，沒(méi)有調(diào)研就沒(méi)有發(fā)言權(quán)，就無(wú)法使滴灌系統(tǒng)的工況切合灌區(qū)的實(shí)際，因此應(yīng)重視灌區(qū)的前期調(diào)研及基礎(chǔ)資料的收集。在灌區(qū)開(kāi)展調(diào)研工作時(shí)，準(zhǔn)確的收集好以下5 類(lèi)基礎(chǔ)資料。

1.1 灌區(qū)現(xiàn)狀設(shè)施調(diào)查

了解清楚灌區(qū)內(nèi)或附近是否存在已建的水利設(shè)施，及灌區(qū)是否通水、通電、通路等情況。若存在水利設(shè)施，須掌握其是否能夠繼續(xù)使用和完好率，是否能接入灌區(qū)使用。在灌區(qū)實(shí)施滴灌系統(tǒng)灌溉工程時(shí)，應(yīng)考慮充分利用現(xiàn)有水利設(shè)施，以便減少資金投入。

1.2 地形地貌及土壤基本情況

灌區(qū)的地形地貌是滴灌系統(tǒng)布置、管網(wǎng)布置及最不利工況計(jì)算等所必需基礎(chǔ)資料，應(yīng)當(dāng)通過(guò)測(cè)量得出灌區(qū)的地形地貌。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及觸摸進(jìn)行大致判斷土壤的質(zhì)地，并參考當(dāng)?shù)氐耐寥廊葜卮_定灌區(qū)的土壤容重值及土壤田間持水量的上下限值，也可通過(guò)土壤濕度儀測(cè)定農(nóng)作物的土壤濕度進(jìn)行判別[2]。

1.3 灌區(qū)的氣候條件

灌區(qū)內(nèi)的降水量資料，可按照旬或月來(lái)統(tǒng)計(jì)歷年的降水量或歷年農(nóng)作物生育期的降水量，若灌區(qū)缺乏降水量資料時(shí)，可通過(guò)參考附近降雨量測(cè)定站的數(shù)值及水文資料等綜合確定。若灌區(qū)缺乏農(nóng)作物的需水量資料時(shí)，可利用水面蒸發(fā)量資料估算作物的蓄水量，蒸發(fā)量可通過(guò)當(dāng)?shù)貧庀笳静樵?xún)。地下水文資料可通過(guò)查閱區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)圖確定。

1.4 灌區(qū)農(nóng)作物的基礎(chǔ)資料

農(nóng)作物基礎(chǔ)資料的調(diào)研應(yīng)當(dāng)了解清楚灌區(qū)內(nèi)的作物種植種類(lèi)、種植面積、種植的株行距、分布范圍、生長(zhǎng)階段及生長(zhǎng)期天數(shù)、主要根系活動(dòng)層深度、需水量等資料。農(nóng)作物的主要根系活動(dòng)層深度一般取作物根量占總根量的80%～90%。農(nóng)作物的需水量是制定灌溉制度的重要依據(jù)之一，它受農(nóng)作物的種類(lèi)、品種、土壤性質(zhì)、遮陰率等諸多因素的影響，一般通過(guò)實(shí)測(cè)資料確定，可參考當(dāng)?shù)鼗蜞徑貐^(qū)灌溉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，并分析確定符合灌區(qū)內(nèi)作物的需水量值。在缺乏實(shí)測(cè)資料數(shù)據(jù)及鄰近地區(qū)無(wú)該作物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料時(shí)，可查閱國(guó)內(nèi)省份有關(guān)作物需水量的參考資料進(jìn)行估算得出。

1.5 灌區(qū)的水源基礎(chǔ)情況

萬(wàn)物生長(zhǎng)離不開(kāi)水，灌區(qū)是否存在可靠的水源，直接影響到滴灌系統(tǒng)工程是否能夠?qū)嵤?。因此水源基礎(chǔ)資料的調(diào)查是調(diào)研工作的重中之重。了解清楚附近是否存在河流等地表徑流經(jīng)過(guò)。若無(wú)地表水作水源時(shí)，可采用地下徑流作為水源，但須確定典型年枯水期單井出水量、動(dòng)水位等情況[3]。采用多井作為水源時(shí)，兩井之間的距離以不影響到兩井穩(wěn)定的出水量為準(zhǔn)，難以確定時(shí)，可參考規(guī)范值并經(jīng)過(guò)計(jì)算確定。

通過(guò)對(duì)灌區(qū)的五大基礎(chǔ)資料翔實(shí)的調(diào)查研究，確定出灌區(qū)合理的規(guī)劃方案，并借鑒同類(lèi)作物的灌水情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析，作出符合灌區(qū)的灌水制度及后期運(yùn)行管理制度。

2 灌溉工藝流程的選擇

山地區(qū)域內(nèi)，溪水、河流等水源一般匯流在山谷之間，通常無(wú)法采用自流灌溉，需要通過(guò)水泵加壓提水進(jìn)行灌溉。但是采用不同的灌溉工藝流程，對(duì)資金投入、后期的運(yùn)行管理費(fèi)用產(chǎn)生著重要影響。符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的灌溉工藝流程，能夠使投入與產(chǎn)出達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。山地的滴灌系統(tǒng)的灌溉工藝流程基本如下兩種（以水源充足，不修建蓄水池為例）。

（1）水源→水泵→過(guò)濾系統(tǒng)（施肥器與過(guò)濾器并聯(lián)布置）→干管→支管→毛管。

這種工藝流程節(jié)省了輔管這一環(huán)節(jié)，相應(yīng)的減少了建設(shè)輔管的資金投入，較節(jié)省成本。但在支管上直接打孔，并采用雙環(huán)拉扣連接出地管。出地管須采用PE塑料軟管。若采用輸水帶作出地管，土層自然密實(shí)后，輸水帶會(huì)受到土壓力的擠壓而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致毛管的進(jìn)口流量減少，直接影響到農(nóng)作物的灌水效果及灌水均勻度，進(jìn)而影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量。由于支管埋設(shè)于地下，支管上打孔數(shù)量較多，間接改變了支管承受的土壤壓力，并且支管出現(xiàn)損壞或漏水，維修起來(lái)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維修費(fèi)用較高，不易于后期運(yùn)行管理，出地管容易遭到破壞，造成管道堵塞。

（2）水源→水泵→過(guò)濾系統(tǒng)（施肥器與過(guò)濾器并聯(lián)布置）→干管→支管→輔管→毛管。

這種灌溉工藝流程在第一種灌溉工藝流程的基礎(chǔ)上加入了輔管這一環(huán)節(jié)，輔管布置在地上，并且毛管直接連接輔管進(jìn)行灌溉，既能較完好的保護(hù)了支管承受的壓力值，又能夠清楚的判斷毛管端口連接輔管處是否漏水。山地地勢(shì)落差較大，為了保證滴灌灌水的均勻度，可以縮短輔管的布置，并在輔管接入處設(shè)置減壓措施，避免灌水不均勻引起的匯流，對(duì)山地造成水土流失。

相對(duì)于第一種灌溉工藝流程，這種灌溉工藝流程前期資金投入相對(duì)較多，但是后期易于管理，更換毛管，后期管理維修費(fèi)用較低，易于耕種。

3 管道布置

干管、支管的布置取決于灌溉區(qū)域內(nèi)的地形地勢(shì)、水源、作物種類(lèi)分布，并充分考慮施工、運(yùn)行管理對(duì)田間作物的影響，并與種植范圍內(nèi)的道路、供電、營(yíng)地等相結(jié)合，做到統(tǒng)籌安排，使管道的走向符合灌區(qū)實(shí)地情況，合理的管道布局方便運(yùn)行管理及維護(hù)。

在平緩的地形中，干管一般是根據(jù)支管的實(shí)際走向進(jìn)行布置，支管一般垂直于等高線或種植行。但在山地地形中，支管的布置形式能夠影響到支管末端毛管的灌水壓力，支管端口盡可能順坡布置及垂直種植行，使支管內(nèi)的壓力水從高處流向底處。

若在山地地形逆坡布置，支管內(nèi)的水流從低處往高處流，流量逐漸減少，壓力也隨之降低，若支管內(nèi)的壓力值降低到一定程度時(shí)，支管較高處的末端毛管進(jìn)口壓力就受到影響，灌水均勻度無(wú)法保證，會(huì)造成毛管前端出水，中后段毛管無(wú)水流出，或毛管前段出水流量大，中后段毛管出水流量小。因此在山地中布置支管時(shí)，支管入口端應(yīng)當(dāng)布置在高處，支管末端布置在低處，并且垂直于等高線（種植行布置），這樣方便毛管平行于等高線（種植行布置），確保毛管灌水均勻度，提高滴灌系統(tǒng)的灌水效果，促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)[4]。

4 減壓措施

由于山地地形復(fù)雜，地勢(shì)起伏參差不齊，落差較大，為了保證毛管的灌水均勻度，需要控制灌水單元的進(jìn)口壓力。因此需要對(duì)自由水頭過(guò)高的灌水單元進(jìn)口端布置減壓措施，控制其進(jìn)口水頭在合理的范圍內(nèi)。可采取以下3 種措施進(jìn)行減壓。

（1）通過(guò)逐級(jí)減少管道管徑，增加管道的沿程水頭損失及局部水頭，達(dá)到減少灌水單元進(jìn)口的自由水頭。在山地地形中布置支管，若入口至末端的支管均采用同等管徑布置時(shí)，支管進(jìn)口至末端的流量越來(lái)越少，在管徑不變的情況下，水頭損失變小，位能變大，自由水頭沿程變大，即支管中后段連接的灌水單元進(jìn)口壓力變大。為了保證毛管灌水的均勻度，可通過(guò)減少支管的管徑，增加總水頭損失，可以相應(yīng)的降低自由水頭，使灌水單元的進(jìn)口水頭穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。

（2）在灌水單元進(jìn)水口處布置減壓閥，通過(guò)減壓閥來(lái)調(diào)節(jié)管道流量來(lái)減少管道進(jìn)口壓力。在滴灌系統(tǒng)中，為了保證毛管的灌水均勻度，應(yīng)當(dāng)保持灌水單元進(jìn)口壓力在規(guī)定的偏差范圍內(nèi)，從而使毛管入口壓力保持穩(wěn)定，致使整個(gè)灌水單元內(nèi)的毛管灌水均勻度。在滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需水要求的同時(shí)，既能夠節(jié)省水，又能夠避免灌水不均勻而產(chǎn)生的匯流對(duì)山地造成沖刷。

（3）在灌水單元進(jìn)口布置兩個(gè)閘閥，其中一個(gè)閘閥為啟動(dòng)閥門(mén)（即開(kāi)啟及關(guān)閉閘閥），另一個(gè)閘閥則通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟度來(lái)調(diào)節(jié)管道中的流量，以到達(dá)控制管道進(jìn)口的壓力，滿足毛管入口壓力在允許的偏差范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)的閘閥須在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)灌水中進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完成后，應(yīng)當(dāng)標(biāo)志區(qū)分清楚啟動(dòng)閘閥及調(diào)節(jié)閘閥，方便后期運(yùn)行管理，避免操控錯(cuò)閘閥。

5 滴灌系統(tǒng)的工作制度

滴灌系統(tǒng)是否符合山地地形的灌水要求，投入與產(chǎn)出是否成正比，關(guān)鍵因素之一就是合理選擇滴灌系統(tǒng)的工作制度。它影響著工程投入與后期運(yùn)行管理的費(fèi)用，也影響到灌水單元內(nèi)的灌水效果，間接影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量。在選擇滴灌系統(tǒng)的工作制度時(shí)，應(yīng)充分考慮灌溉面積大小、作物種類(lèi)、水源情況、后期管理形式和經(jīng)濟(jì)效益等因素[5]。滴灌系統(tǒng)的工作制度一般可劃分為3 種，分別如下。

5.1 隨機(jī)供水灌溉

隨機(jī)供水灌溉一般適用于一個(gè)滴灌系統(tǒng)內(nèi)包含有多個(gè)種植大戶(hù)、種植多種農(nóng)作物的形式。屬于不定時(shí)的灌水，這種灌溉形式的資金投入相對(duì)較大，沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃的灌水時(shí)限，后期不易管理，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)種植戶(hù)同時(shí)灌水的情況，可能造成部分地塊出水流量不足及壓力交底的現(xiàn)象。

5.2 續(xù)灌

續(xù)灌為全系統(tǒng)內(nèi)管道同時(shí)開(kāi)啟灌水，對(duì)灌區(qū)內(nèi)的所有農(nóng)作物同時(shí)灌水，該方式灌水的系統(tǒng)流量比較大，致使供水管道的管徑偏大，相應(yīng)的增加了工程資金的投入。因此續(xù)灌模式一般適用于灌溉面積比較小的滴灌系統(tǒng)，如一個(gè)或幾個(gè)溫室大棚組成的灌溉系統(tǒng)，作物單一、面積較小的灌區(qū)適用滴灌系統(tǒng)的續(xù)灌工作制度。

5.3 輪灌

輪灌是控制灌區(qū)面積比較大的滴灌系統(tǒng)通常采用的工作制度，在滿足作物需水的情況下，劃分為多個(gè)輪灌組，按規(guī)劃編制好的輪灌組分次進(jìn)行灌水。輪灌組劃分的數(shù)量取決于灌區(qū)的面積、系統(tǒng)流量、毛管滴孔的流量、日工作時(shí)間、一次延續(xù)灌水時(shí)間、作物的灌水周期等。通常把灌區(qū)劃分為多個(gè)面積和流量相等（或相近）的輪灌組，并且綜合考慮管理體制的適應(yīng)性、便捷性、輪灌組個(gè)數(shù)適量性。輪灌組的流量相等（或相近），能夠使水泵運(yùn)行穩(wěn)定，提高水泵的效率，降低能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；輪灌組數(shù)量過(guò)少則資金投入較大，過(guò)多則不利系統(tǒng)的運(yùn)行管理。輪灌組最大數(shù)目可由式（1）計(jì)算求得：

式中：Nmax——輪灌組最大數(shù)目，個(gè)；td——日運(yùn)行最大時(shí)數(shù)，h/d；T——設(shè)計(jì)灌水周期，d；t——一次灌水延續(xù)時(shí)間，h。

一般情況下，輪灌系統(tǒng)日最大工作運(yùn)行時(shí)間不大于20h，但根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外滴灌系統(tǒng)的灌水經(jīng)驗(yàn)，為了降低工程造價(jià)，尤其是自動(dòng)化控制系統(tǒng)灌水的日最大工作運(yùn)行時(shí)間能夠達(dá)到22h。

6 滴灌系統(tǒng)工況確定

在確定滴灌系統(tǒng)工作設(shè)計(jì)水頭時(shí)，首先識(shí)辨出灌區(qū)內(nèi)最不利灌水單元的工況，即最不利輪灌組的灌水所需的設(shè)計(jì)水頭?？上劝词剑?）計(jì)算出總干管進(jìn)口的設(shè)計(jì)水頭：

式中：H——總干管進(jìn)口的設(shè)計(jì)水頭，m；Zp——最不利灌水單元管網(wǎng)進(jìn)口的高程，m；Zb——總干管進(jìn)口的高程，m；h0——灌水單元的進(jìn)口工作水頭，m；hf——總干管進(jìn)口至最不利灌水單元進(jìn)口的管網(wǎng)沿程水頭損失，m；hj——總干管進(jìn)口至最不利灌水單元進(jìn)口的管網(wǎng)局部水頭損失，m。

通過(guò)式（2）計(jì)算出總干管進(jìn)口的設(shè)計(jì)水頭后，可分3 類(lèi)情況進(jìn)行分析計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭。①當(dāng)?shù)喂嘞到y(tǒng)中田間灌水工藝流程采用高位水池自流供水時(shí)，總干管進(jìn)口水頭≤高位水池出水管的高程。②當(dāng)采用離心泵直接供水時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水頭須增加首部樞紐的總水頭損失及離心泵進(jìn)水口至總干管進(jìn)口處的高程差。③當(dāng)采用潛水泵直接供水時(shí)，須增加首部樞紐的總水頭損失及機(jī)井內(nèi)動(dòng)水位至總干管進(jìn)口處的高程差。滴灌首部樞紐的總水頭損失包括過(guò)濾設(shè)備的水頭損失、沿程水頭損失及局部水頭損失。

若采用離心泵或潛水泵直接供水時(shí)，當(dāng)計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水頭并選出水泵后，應(yīng)再次計(jì)算確定從水泵處至各個(gè)灌水單元進(jìn)口處是否有富余的自由水頭，若有富余的自由水頭，應(yīng)當(dāng)減壓至灌水單元的工作水頭范圍偏差內(nèi)，確保灌水單元的灌水均勻度。

7 結(jié)語(yǔ)

總而言之，為了使滴灌技術(shù)在山地上得到更貼合實(shí)際的應(yīng)用，須對(duì)灌區(qū)進(jìn)行全面的踏勘調(diào)研。在規(guī)劃實(shí)施完成后，以實(shí)際灌溉參數(shù)為主，調(diào)整相應(yīng)的規(guī)劃，歸納總結(jié)出符合灌區(qū)的滴灌灌溉技術(shù)。只有這樣，才能使滴灌技術(shù)在山地上得到更好、更充分的使用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。