柑橘節水微灌系統的研究及應用※

劉行剛 ，張治暉 ，張云江 ，陳 霄 ※

（1. 中國水利水電科學研究院，北京100048；2. 北京中水潤科認證有限責任公司，北京100048；3. 重慶市云陽縣水務局，云陽404500）

0 引言

柑橘是世界第一大果樹品種，其種植面積和產量均居世界首位［1］。我國2016年柑橘種植面積高達255.67萬hm2，總產量為3 616.8萬t，居世界首位［2］。三峽庫區屬亞熱帶季風氣候區，年均溫17～19 ℃，雨量1 000～1 200 mm，氣候條件適合柑橘生長［3］，是全國重要的柑橘主產區之一，被劃定為國家果品生產優勢區，柑橘產業也成為庫區經濟發展的優勢產業［4］。

柑橘屬亞熱帶常綠果樹，好溫喜濕，土壤含水量在60%～80%最適宜，過低則需要實施灌溉。雨量不足或分布不均勻時需增加灌溉設施以保證土壤含水量處于正常水平。對柑橘種植來說，傳統灌溉方法有溝灌、澆灌等，此類方法通常耗水量大、需要大量人力勞動，效率低且不易管理。在綠色農業發展需求下，農業生產向節約化、高效化發展，灌溉技術也向節水節能等方向發展，目前發展起來的節水灌溉技術有滴灌、微噴等技術。

柑橘的設計供水強度是微灌系統設計的關鍵，對工程投資影響很大。目前《微灌工程技術規范》［5］中規定在無淋洗要求時，設計供水強度等于設計耗水強度，這種情況比較適用于北方地區。若應用于降水量較大的南方地區，會增大系統設計流量，增加投資，另外，若設計不合理，由于氣堵原因，管道在壓力足夠的情況下不會出水，文章對這一系列問題進行了系統分析，并提出了有效解決方案。

1 研究區概況

1.1 研究區生態環境

云陽縣位于重慶市東北部，屬三峽庫區地帶，南北長99.5 km，東西寬70.2 km，幅員面積3 649 km2［6］。示范區錦屏村位于鳳鳴鎮，全村面積11.69 km2，村內地形海拔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。村內溝壑縱橫，多為頁巖和喀斯特地貌。村民居住分散，同村內各居民點距離大多在數公里以上，交通多不便利。

根據云陽縣氣象站觀測資料統計，該地區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，平均氣溫可達到29.4℃，1月最冷，平均氣溫降至8.0℃，年內溫差在21.4℃左右，偶有年份出現極端最高氣溫達到40℃以上，極端最低氣溫降至0℃以下。

據云陽氣象站1961—2018年資料統計，該地區雨量充沛，降水在年內各個月份分配十分不均衡。該地區年平均降水量為1 120 mm，年際變化大，據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；在年內不同月份降水量也不均勻，4—10月降水量超過了全年的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。

云陽地處中亞熱帶濕潤季風氣候區，是長江三峽庫區的核心區域。三峽庫區冬暖春早、秋短夏長，降水量充沛，庫區土壤磷、鉀含量豐富，對柑橘生長十分有利。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高程以下的山區適宜種植柑橘，目前已種植120 hm2。但由于普遍無灌溉工程設施，導致干旱時期柑橘得不到灌溉，柑橘產量低，品質不高。

錦屏村地處山區，受不同程度的坡度影響，常會造成水土流失，不易保水、保肥、保土，土質比較貧瘠，成為不利于柑橘生長的主要矛盾。為了在該地區實施柑橘的種植發展，首先需要對山地進行整理，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，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，通過將水和肥料進行優化組合，使其得到更有效率的吸收和利用。該技術能夠按需供應柑橘水肥，節水節肥性好，勞動投入低，能顯著增加水肥利用率、增加產量，是當前廣泛推廣使用的節水灌溉施肥技術［7］。

1.2 研究區水資源條件

錦屏村集雨面積大，現有大小塘壩20多處，但多數塘壩常年未清淤，庫容減少，亟待整治。為提高灌溉和供水的保證率，對村內6處塘壩進行整治。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，對滲漏處進行封堵，一般滲漏處發生在壩體，對壩體進行防滲處理，壩體迎水面采用土工膜防滲，防滲膜上采用預制混凝土塊護面；（3）對達不到標準的溢洪道、放水涵管、閘門等建筑物進行整治。整治后這6座塘壩的總庫容達到5.46萬m3，其中最大的豐收塘達到4.5萬m3，基本解決了柑橘灌溉水源問題，6座塘壩的基本情況見表1。

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

1.3 研究區柑橘種植現狀

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，在定植15 d內根據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 灌溉系統設計

2.1 微灌系統設計參數

根據柑橘作物需水量，確定系統流量和灌水周期等參數。

（1）設計灌水定額

柑橘微灌采用滴灌或微噴灌，設計灌水定額為：

式（1）中，m為設計灌水定額（mm）；γ為土壤容重（t/m3），為1.4 t/m3；z為計劃濕潤土層深度（m），為0.45 m；p為設計土壤濕潤比（%），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

灌水周期按下式計算：

式（2）中，T為設計灌水周期（d）；E為有效降水（mm），為2 mm；Ea為設計耗水強度（mm），為3 mm。

（3）灌溉系統設計灌水流量可按下式計算：

式（3）中，Q為灌溉系統設計灌水流量（m3/h）；t為統日工作小時數（h/d），為22 h；η為灌溉水利用系數，為0.95；A為灌溉面積（hm2），為70.33 hm2。

微灌系統設計流量是微灌設計的重要參數，是計算管徑的重要依據。系統設計流量取決于設計灌水定額、灌溉面積、灌水周期、每天灌水時間和灌溉水利用系數。《微灌工程技術規范》［5］中規定，在無淋洗要求時，灌水周期取決于一次灌水定額和設計供水強度。一般在干旱或半干旱地區，設計供水強度可等于設計耗水強度，比如在美國中央河谷、以色列等地區種植柑橘屬于這種情況。對于三峽庫區這種濕潤地區的柑橘種植，設計供水強度還應該考慮有效降水［8］。計算結果見表2。

表2 微灌設計參數Table 2 Design parameters of micro-irrigation

該研究區規劃柑橘灌溉面積為70.33 hm2，根據當地柑橘灌溉經驗，在降水較少的干旱時期，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，計算可知灌水定額為37.5 m3/hm2，得到面積70.33 hm2系統設計流量為31.55 m3/h，略小于表2中的系統設計流量35.42 m3/h。

2.2 灌溉系統規劃布置

灌溉系統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，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對應的干管長度為2 454 m，外徑75 mm的干管長度2 848 m。干管上安裝減壓排氣管，每200～500 m一個。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50 m，蓄水減壓池水壓不超過40 m，使滴頭在壓力補償范圍內工作，系統布置如圖1所示。

每個灌溉單元由分支管引出，單元首部布置施肥裝置和過濾器，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，最大長度分別為340 m和460 m。每棵柑橘樹下面配置一個滴頭或微噴頭，滴頭選用壓力補償式，補償范圍100～300 kPa，流量4 L/h，微噴頭流量選用40 L/h。在工程實施過程中，要求管道和灌水器質量滿足相關標準［9-11］。

圖1 微灌系統布置Fig.1 Layout of micro-irrigation system

在壓力輸水過程中，管道內易產生氣體，需采取措施，否則會導致管道氣堵或發生氣爆水錘［12-13］。對于自壓管道，氣堵或氣爆水錘更易發生。若按滿管流能量方程計算，當管道進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，水應為流動狀態。但若管道鋪設在起伏較大的山區或丘陵，在管道的高點通常會存在氣體，形成氣阻，導致水不流動。產生氣阻現象必須同時存在兩個基本條件：（1）管道系統存在波狀起伏；（2）管道系統內同時存在氣、液兩相介質［14］。起伏較大的山區或丘陵，在管道的高點，應設計安裝自動排氣裝置，即使是地形起伏不大的平原地區，也要在挖槽時，人為將管線設計出起伏，呈循環上升或下降，坡度不小于1/500，在每公里的最高處設計1～2個排氣裝置［15］。若地形條件允許，可在灌溉系統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管道進行排氣減壓，又能調節灌溉水源。若采用減壓閥和排氣閥，需關注產品質量，因減壓閥和排氣閥失效導致不出水和管道破壞的案例時有發生。在該工程實施中，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，既可以對管道進行排氣減壓，又能夠調節灌溉水源，在有泉水的地方，可引泉水入蓄水減壓池。

在示范區的建設過程中，對文丘里施肥器和壓差式施肥器的使用情況進行了比較。由于文丘里施肥器需要較高的流速才能實現真空吸水，在自壓管內水流達不到較高流速的情況下，會導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 試驗分析

圖2～圖5為節水微灌系統在示范區的安裝應用現場。滴灌系統安裝完畢后，為了檢測滴頭的產品質量，對灌水器的均勻性進行現場試驗。選擇3條滴灌管，對每條滴灌管的25個滴頭進行測量。根據規范［5］，微灌系統灌水小區灌水器設計允許流量偏差率應滿足下式要求：

式（4）～（5）中，［qv］為灌水器設計允許流量偏差率（%）；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為灌水器設計流量，qd=4L/h。

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

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

田間實測結果如表3所示。由表3中3組試驗的計算結果可以看出，灌溉系統的灌水器流量偏差率均小于20%，Christiansen灌溉均勻系數大于0.95，說明自壓灌溉系統灌水器流量均勻性滿足要求。

表3 滴灌灌水器試驗結果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 結論

該文采用的柑橘節水灌溉系統充分利用水資源，減少了水資源浪費，涵養了水環境。在三峽庫區建設柑橘微灌系統，設計供水強度時需要考慮當地的氣候條件，既要考慮設計耗水強度，也要考慮有效降雨量，避免設計流量過大，工程投資高，造成不必要的浪費。在起伏較大的山區或丘陵鋪設管道，需要考慮氣阻對管道的影響，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故障造成管網不工作或破壞。在該應用中發現文丘里施肥器需要較高流速才能實現真空吸水，有些情況下自壓管道達到較高流速難以實現，因此一般自壓灌溉施肥器不宜采用文丘里施肥器。在三峽庫區為柑橘提供有效的灌溉，配備可靠的施肥器，可增加產量，提高品質，顯著提高當地果農的經濟效益。柑橘節水微灌系統在重慶云陽縣的應用研究為柑橘生產灌溉系統設計提供了有益的示范。