烏魯木齊河灌區(qū)滴灌技術試驗參數設計分析

程 澤

（新疆昌源水務科學研究院（有限公司），烏魯木齊 830000）

1 灌區(qū)概況

烏魯木齊河灌區(qū)依托于烏魯木齊河兩岸，總控制面積2.87萬hm2，為自治區(qū)大型灌區(qū)之一。該灌區(qū)主要灌溉水源來自烏魯木齊河。1980年至今，灌區(qū)面積平均增加速度達到10%，對灌溉水需求量逐漸增大。2018年新疆自治區(qū)糧食總產量達到1504.23萬t，其中棉花總產量511.09萬t，占全國棉花總產量83.8%。全區(qū)農業(yè)人口占總人口65%以上，農產總產值占全區(qū)經濟總量30%左右。由于超過50%耕地采用傳統(tǒng)漫灌，灌區(qū)供水矛盾日益突出。為維持灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展，2018年4月，對烏魯木齊河灌區(qū)進行節(jié)水改造工程，其中滴灌技術被主要推廣到大棚種植產業(yè)中。

2 滴灌技術參數設計

保證合理的土壤濕潤區(qū)是滴灌參數設計的核心任務，而影響濕潤度的關鍵參數包括：滴頭流量、滴頭間距、毛管壓力和管徑。在此通過試驗手段來確定影響土壤濕潤度的合理相關參數［2］。

2.1 滴頭流量

2.1.1 對土壤濕潤區(qū)范圍的影響

本次設計0.7，1.0，1.5，2.0L/h 4種滴頭流量，其他參數結合工程經驗保持一致。在滴定80min后，不同滴頭流量下土壤的水平和垂直濕潤降如圖1、圖2。

圖1 緊沙土

圖2 沙壤土

由圖1、圖2可知：

（1）隨著滴頭流量增加，緊沙土和沙壤土的垂直和水平濕潤峰均出現增長狀態(tài)，且垂直濕潤峰數值及增長水平均大于水平濕潤峰。

（2）滴頭流量相等的情況下，緊沙土的濕潤峰明顯大于沙壤土，因緊沙土含有的沙性土多，孔隙率較大。

（3）兩種土壤的垂直濕潤峰變化率均大于各自的水平濕潤峰，究其原因是兩類沙性土壤中大孔隙較多，垂直濕潤峰運移速度大于水平濕潤峰［3］。若使土壤的垂直濕潤峰過大，會造成較多水分深層滲漏，不利于作物根系的吸收。因此根據種植作物根系的發(fā)展特點來確定最適合滴頭流量。

本項目大棚以種植蔬菜為主，包括西紅柿、茄子、辣椒等，作物根系一般分布在20cm以內的耕作土中，為避免水分的深層滲漏，本項目滴灌系統(tǒng)的滴頭流量控制在1.0～1.5L/h［4］。

2.1.2 對土壤濕潤區(qū)水分均勻度的影響

隨著滴灌開啟時間增長，滴頭附近的土壤其含水率逐步增大，當擴散的水分小于滴頭流出的水量時，在低頭附近的土壤會成為水分飽和區(qū)。此時雖然水分還在向四周擴散，但大部分水分會垂直向下擴散。根據規(guī)律：滴頭流量越大，越容易形成“窄深型”濕潤區(qū)，即垂直濕潤峰明顯大于水平濕潤峰；反之則形成“寬淺型”濕潤區(qū)。

因此在設計滴頭流量時，在水平濕潤峰變化不大的情況下，盡可能選擇小滴頭流量。通過分析緊沙土和沙壤土的水平及垂直濕潤峰，確定本項目滴灌系統(tǒng)的滴頭流量宜選擇1.0L/h。若種植作物改變，則相應最優(yōu)滴頭流量也應適當調整［5］。

2.2 滴頭間距

滴頭間距是滴灌系統(tǒng)最重要的參數之一，不僅影響土壤水分分布均勻度，也影響濕潤區(qū)范圍。間距太小，會使?jié)駶檯^(qū)產生重疊，造成深層滲漏問題；間距太大，則會使部分根系得不到充分灌溉。

2.2.1 滴頭間距與土壤濕潤體關系模型

為了簡化分析，在此將濕潤體看作橫截面為圓形的半橢球型，其中滴頭位于截面圓心位置（如圖3）。土壤濕潤體含水量均勻度取決于兩截面圓形交匯區(qū)域面積，滴頭間距越大，交匯面積越小，且交匯處含水量越小；反之情況正好相反［6］。

圖3 土壤濕潤體模型及重疊示意

2.2.2 滴頭間距對土壤含水率均勻分布影響

本次試驗設計間距分別為20cm和30cm，滴頭流量設定1.0L/h。當滴頭間距20cm時，緊沙土和沙壤土的交匯區(qū)結果如圖4。

圖4 緊沙土和沙壤土交匯區(qū)試驗

由圖4可知：

（1）沙壤土的交匯區(qū)域面積比緊沙土明顯大，說明沙壤土含水率分布更為均勻，其本質原因是沙壤土所含黏粒多，使毛管力較大。

（2）緊沙土較多水分集中在滴頭附近，已經趨于飽和，而周邊土壤水分蔓延范圍小，不利于含水量的均勻分布。由此確定緊沙土不太適合推廣滴灌技術，若使用該技術則滴灌系統(tǒng)的滴頭間距還需適當減小［7］。

2.2.3 沙壤土最佳滴頭間距分析

滴頭間距分別為20cm和30cm時，沙壤土各部分土壤的含水率變化情況如圖5和圖6。

圖5 滴頭間距20cm時土壤含水率

圖6 滴頭間距30cm土壤含水率

由圖5、圖6可知：

（1）同一滴頭間距下，隨著土壤深度增加，土壤體積含水量呈下降趨勢。

（2）深度為表層、7cm、14cm時，不同的水平距離時其體積含水率基本穩(wěn)定，而深度21cm時波動明顯。

（3）滴頭間距由20cm擴大至30cm，同一位置土壤含水率總體呈下降趨勢，但表層至14cm深度，基本僅差0.03%，21cm深度差別較大。

當沙壤土大棚種植作物的根系主體深度不超過21cm時，建議設計滴頭間距為30cm，既能保證灌溉效果，又可以節(jié)約成本和水資源；當超過21cm時，建議設計滴頭間距不大于20cm才能保證灌溉效果。

2.3 毛管參數最優(yōu)值設對比分析

本項目比選管徑和布置方式兩個參數，其中管徑分別為8mm和16mm；布置方式為縱向和橫向。共有4種組合方案：毛管橫向布置8，16mm；毛管縱向布置8，16mm。

圖7 不同參數下毛管水頭損失曲線

由圖7可知：

（1）水頭損失由小到大依次為：橫向布置16mm，橫向布置8mm，縱向布置16mm，縱向布置8mm，可知布置方式對水頭損失影響程度大于管徑；

（2）布置方式一樣時，管徑越大，毛管水頭損失越小；

（3）隨著毛管長度增加，其水頭損失也在逐步加大。

最終確定本項目最優(yōu)毛管參數為橫向布置管徑16mm。

3 結語

（1）滴灌技術與傳統(tǒng)漫灌相比，節(jié)水量可達50%，作物產量增加10%。通過試驗在烏魯木齊河灌區(qū)大棚種植中取得了較好的綜合效益。

（2）平均單位面積灌溉用工時減少50%，普通女性便可完成日常灌溉工作，方便成年男性外出打工，極大地增加了農民種植積極性。

（3）從根本上緩解了灌區(qū)用水緊張問題，保證了地下水安全。