地下固定式滲灌系統的設計

于珍珍,李海亮,汪 春,,王宏軒,孫海天

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163000;2.中國熱帶農業科學院 南亞熱帶作物研究所,廣東 湛江 524000)

0 引言

我國是一個水資源嚴重短缺的國家,人均水資源占有量排在世界第108位,單位耕地灌溉用水只有2 570m3/hm2,而且時空的分布上又極不均勻,旱災頻繁,降水分布不均[1],因而節水灌溉在農業生產中的作用巨大。目前,我國主要節水灌溉模式大致分為噴灌和微灌。噴灌是利用水泵加壓或自然落差將水通過壓力管道送到田間,經噴頭噴射到空中,形成細小的水滴,均勻噴灑在農田上。噴灌系統適應性強、機械化程度高、節省勞力,但噴灑時受風影響,設備投資、耗能較高,沒有進行大面積的推廣應用[2-4]。微灌是按照作物的需水要求,通過低壓管道系統將水和作物生長所需的養分以較小的流量均勻、準確地直接輸送到作物根部附近的土壤表面或土層中的灌水方法[5]。

與傳統地面灌溉和全面積都濕潤的噴灌相比,微灌只以少量的水濕潤作物根區附近的部分土壤,因此又稱局部灌溉。微灌主要包括滴灌、滲灌微型噴灑灌溉及涌泉灌溉。微灌具有以下優點:①更加省水。微灌全部由管道輸水,很少有沿程滲漏和蒸發損失,灌水流量小,不易發生地表徑流和深層滲漏;另外,微灌能適量地按照作物生長需要供水,與其他灌水方法相比,水的利用率高,比噴灌省水15%～25%。②節能。

微灌的灌水器在低壓條件下運行,一般工作壓力為50～150kPa,比噴灌低。③灌水均勻。微灌系統能夠做到有效地控制每個灌水器的出水量,灌水均勻度高。④增產。微灌能適時、適量地向作物根區供水供肥,還可以調節課間的溫度和濕度,不會造成土壤板結,為作物提供了良好的條件,有利于實現高產穩產,提高產品質量。許多地方實踐證明,微灌較其他灌水方法一般可增產30%左右。⑤節省勞動力。微灌系統不需平整地、開溝,可實行自動控制,大大減少了田間灌水的勞動量和勞動強度[6-8]。目前,微灌中應用較多的灌溉模式是滴灌。

隨著微灌技術的改進和提高,在滴灌的基礎上逐漸發展滲灌技術,又稱地下滴灌技術(Subsurface Drip Irrigation,簡稱SDI技術)。該技術起源于地下浸潤灌溉,綜合性能優于滴灌和噴灌,能夠提高作物的產量及品質,是目前世界上最先進的農業灌溉模式之一[9]。它是將管道鋪設在土壤耕作層內,利用灌水器將灌溉水或者水肥混合液輸入田間地下土壤,借助土壤毛細管或者重力作用濕潤土壤的灌溉方法[10]。與傳統的滴灌相比,滲灌系統免除了毛管在作物種植和收獲前后安裝和拆卸的工作,不影響其他農事操作,不破壞土壤結構,保護環境,延長了設備的使用壽命[11]。但是,滲灌作為地下灌溉,灌水技術和管理、維護難度增加,不能檢查土壤濕潤和灌水器堵塞的情況,在使用過程中容易引起堵塞。灌水器堵塞是當前滲灌系統中最主要的問題,嚴重時會使整個系統無法正常工作,甚至整個系統癱瘓。滲灌主要分為地下水浸潤灌溉和地下滲灌管灌溉,且這種技術應用時間較短,對這項技術的認識和有關理論依據及技術參數的了解還不夠,在不了解的情況下使用容易造成水資源的浪費。

目前,國外滲灌技術較為發達的地區有以色列、德國、荷蘭、美國及澳大利亞等農業發達地區,這些地區已經進行大面積推廣應用。滲灌技術的發展是隨著滲灌材料的發展而逐漸發展起來的,最早進行地下灌溉的是德國。1903年,一些科研學者第1次開始使用排水管進行地表下灌溉試驗研究[12]。試驗結果顯示,在地表下進行作物灌溉效果沒有滴灌條件好,而且增加了投入成本。二戰結束以后,德國開始應用塑料管進行試驗,有效降低了投入成本。試驗結果表明,利用塑料管進行地下灌溉適用于大部分作物,而且綜合經濟效益高于滴灌模式。1960年之后,美國開始研究滲灌技術,首先在加州開始試驗。他們利用廢棄的橡膠輪胎作為原料,配合聚烯烴制成專用滲灌管[13],代替了傳統的塑料管,降低了投入成本。科學家在高平原黏土地中以玉米和大豆作為試驗材料,通過嘗試不同的灌水壓力來研究滲灌條件下的最佳灌水壓力。試驗結果表明;滲灌技術下節水效果更明顯,優于滴灌技術,但應用滲灌技術進行灌溉時,為了保證灌水量連續均勻,應保證最低灌水壓力不低于0.5MPa。20世紀后,法國、意大利、澳大利亞開始將滲灌技術應用到設施農業中,取得了可觀的經濟效益。日本主要將滲灌技術應用到園藝作物栽培中,實行對土壤間隔灌水、低壓長時間灌水的灌溉原則,現在已經被廣泛應用到溫室種植及果園綠化等方面[14]。

目前,我國使用的主要有浸潤式灌溉和滲水暗管式灌溉。浸潤式灌溉是利用輸水網及調節閥門,將滲灌后水位升高,再借助滲灌毛管的吸附作用將水分灌溉土壤,達到灌溉土壤的目的。灌溉時,利用閥門控制水源的始停。當水位上升至一定高度,就采用逆止閥進行控制;水位降低時,就開啟閥門,提高水位,防止作物收到旱澇災害。此種辦法適用于土壤滲水性好、地下水位較高、含鹽量較低的土壤。滲水暗管式灌溉是利用滲灌管埋于土壤下一定的深度,將灌溉水向土壤四周擴散運移,進行土壤的灌溉。不需要閥門控制,此種辦法要求土壤導水率低、地下水位較深,且要求水源灌溉水水源無雜質、過濾設備較好,適用于土壤導水率較低、土壤保水性較差或者導水率適中地區的土壤。我國最早進行地下滲灌是利用泉水涌泉進行地下灌溉,在土壤耕層下鋪設鵝卵石排列布置成管道形式進行灌溉。滲灌技術于19世紀末期引入我國,1970年我國開始著手建設滲灌試驗點,之后再各大研究所就行大量的試驗研究,但起初并未得到廣泛應用[15]。1986年,我國引進美國專用滲灌系統進行研究,首先在果園進行試驗,使用后節水效果明顯,每年節省水費約3 450元/hm2。后期,我國開始在一些經濟作物,如棉花、溫室蔬菜等進行滲灌技術的推廣應用,選擇經濟性較高的作物,即便在滲灌管使用2～3年后堵塞進行更換也可以獲得較大的經濟效益,但針對玉米、小麥等大田作物沒有進行推廣應用[16]。2007年后,在我國干旱、半干旱及水源缺乏地區得到了大力推廣及應用,節水效果明顯,全國目前滲灌試驗點約7.3萬個。

我國滲灌水平尚處于初級階段,縱觀國內外關于滲灌技術的研究,主要集中在對滲灌設備的研究,包括過濾系統的選擇、管道的鋪設、毛管的埋深及間距等[17],但沒有一整套完整的滲灌系統設計及設備的選型。本文旨在進行滲灌系統的選型及其技術參數的選擇,為滲灌技術的發展提供理論依據。

1 設計原理及結構

1.1 設計原理

滲灌是繼噴灌、滴灌后更為先進的一種節水灌溉技術,更加適用于設施農業[18]。滲灌系統主要由水源工程、首部樞紐、滲灌器、過濾器、管件及閥門組成。工作時,利用低壓供水,將專門滲灌用的毛管埋入地下0.2～0.4m,直接對作物根部進行供水。當灌溉水流入滲灌管上的滲灌孔時,水分通過滲灌孔向土壤擴散,借助毛細管作用上升至濕潤土層。當土壤水分為達到飽和狀態時,土壤內氣壓為負值,水流就會向土壤四周擴散,隨著土壤含水率的增加,氣壓逐漸增大,滲水速率葉逐漸降低;此時,水分只是依靠重力作用向土壤下方擴散,所以采用滲灌灌水,水分濕潤土壤下方較深,左右方向次之,上方較小。采用滲灌系統進行灌溉,可以保持土壤表面的干燥,加上對土壤進行免耕或者少耕,實現土地的保護性耕作。這樣做既可以防止雜草及病蟲害的發生,又可以節約用水,還能減少水溶性肥料的使用。

1.2 總體設計

滲灌系統主要由水源工程、首部樞紐、過濾器、輸水部分、滲水器及毛管組成。其水源工程與首部樞紐與滴管系統相似,主要為滲灌系統提供一定的供水壓力及良好的水源品質。輸水部分與首部樞紐連接,作用是將水源的灌溉水運送到田間的滲水器中。滲水器埋在地下,是灌水系統的主要部件,其中充滿水,呈現壓力水狀態,將水分向土壤層擴散。滲灌系統示意圖如圖1所示。

2 關鍵部件及設計

2.1 滲灌器的設計

滲灌器的作用主要是將灌溉水均勻、穩定地輸送到田間,滿足作物對水分的要求[19],常把滲灌器稱為整個系統的“心臟”。對滲水器的要求主要是出水均勻穩定、抗堵塞能力好、結構簡單、便于拆卸、堅固耐用及性價比較高等。

滲水器的出水方式主要分為滲水式、涌泉式、噴水式及滴水式。

1)滲水式:滲灌毛管中的壓力水通過毛管管壁四周所開的微型小孔進入土壤,一般有兩種形式,即多空滲水式管道及邊縫式管道,微孔一般為0.1～0.2mm之間。

2)涌泉式:滲灌毛管中的水以涌泉的方式由滲水器向土壤灌水。采用涌泉式滲水器進行灌溉可以降低工作壓力,滲水器不易堵塞。

3)噴泉式:滲灌毛管中的水以噴泉的方式由滲水器向四周土壤進行灌水,又可以細分為射流噴泉式和折射噴泉式。

4)滴水式:滴水式滲水器是將灌溉水以持續微小的水滴形式向四周土壤進行灌溉。由于使用滴頭不同,又可以分為管式滴頭、渦流式滴頭及孔式滴頭。

2.2 過濾設備的設計

由于滲灌系統屬于地下工程,主要問題就是滲灌管的堵塞問題,所以水質的過濾凈化十分重要。選用不同的過濾器主要由需水的水質情況決定。

常用的過濾器主要有砂礫分離器、離心式過濾器、濾網過濾器、臥式過濾器及組合式過濾器。濾網過濾器最為簡單,結構及造價都比較便宜,采用普通的銅絲或者尼龍網為原料制成。目前,比較先進的過濾器是臥式過濾器,可以達到凈水要求,結構如圖2所示。

1.手柄 2.橫旦 3.進口過濾 4.不銹鋼濾網 5.過濾身 6.沖洗閥門 7.出水口 8.進水口

2.3 滲灌系統田間鋪設方式

滲灌技術的技術要素就是滲灌管的鋪設,主要包括滲灌管的埋深、間距、長度及坡度等。

2.3.1 滲灌管的埋深

滲灌毛管的埋深主要與土壤性質、作物種類、耕作情況及凍土層深度有關。科學標準要求最佳的埋深應該是在灌水后,灌溉水可以借助毛管的滲灌作用按照計劃濕潤目標土壤層,并且不發生深層滲漏[20]。

一般情況下,輕質土壤導水率較高,滲灌管可以淺埋,防止發生深層滲漏;粘質土壤導水率低,但是保水性好,可以適當將滲灌管深埋,這樣可以減少地表蒸發量,也不會發生深層滲漏。還有一種特殊情況就是土壤中含有難透耕層,需要另外考慮土壤水分運移規律來解決水分不均的問題,可以打破此耕層,將土壤結構混合均勻,參照土壤水分運動規律合理安排管道的埋深及滲灌孔間距。

種植作物的不同,需水特性也不同,尤其是作物根部的需水量。通常情況下,扎根較深的作物要求滲灌管埋設較深。一般作物(如小麥、棉花等)根系較短,埋管深度較淺。具體可參考如下數據:淺根蔬菜(如甜椒、花椰菜、甘藍、胡蘿卜、萵苣、番茄)、小麥、棉花、玉米的滲灌管埋設深度在0.12～0.3m,果樹等根深類的滲灌管埋深深度在0.3～0.4m左右。有一個前提條件是:在不影響耕作的前提下盡量將滲灌管淺埋,防止發生深層滲漏的情況。另外,國外試驗研究表明:滲灌管的埋深對作物生長的影響系數較小,具體選擇還是依據土壤的物理情況,以減少表面水分蒸發和深層滲漏為最佳。

2.3.2 滲灌管的間距

滲灌管的間距影響著整個系統的灌水質量及工程造價。滲灌管間距不合理,容易導致灌水覆蓋或者灌水不足的問題。滲灌管的間距主要取決于滲灌系統的供水壓力。土壤性質對滲灌管間距也有一定的影響,但不作為主要考慮因素。如果間距過大,灌水的均勻性會變差。當灌水壓力較大時,灌溉水濕潤土壤面積較大,滲灌管的埋設間距可以適當增大;當滲灌系統的供水壓力較小時,灌溉水濕潤土壤面積相對變小。為了使作物的到足夠的濕潤水灌溉,可以適當減少滲灌管埋設間距。

在土壤性質不同時,主要觀察土壤的滲水率及土壤的顆粒性質。當土壤滲水率較小、土壤顆粒較大時,土壤的吸水能力較弱,可以相對減小滲灌管的埋設間距;當土壤滲水率較大、土壤顆粒較細時,可以增大滲灌管的埋設間距,但前提是灌溉水應該使兩條滲灌管的水分有重合,提高灌水均勻度。有學者針對滲灌管埋設間距給出了經驗公式,即

B=2mH+D

式中B—滲灌管間距(cm);

H—灌水停止時水分運動距離(cm);

m—灌溉水二維擴散之比;

D—滲灌管直徑(cm)。

一些研究學者給出的一些作物的鋪設間距,不同的作物一般埋設間距在0.25～0.6m之間。對于一些草地、蔬菜及一些大田作物較窄,對于果數等大型植物較寬。一般蔬菜(如甜椒、花椰菜)間距埋設在0.7～1.0m之間;大田作物(如玉米、小麥、高粱等)的埋設間距是可變的,一般在0.5～1.9m之間。

2.3.3 滲灌灌水壓力及滲灌管的長度

滲灌系統采用的就是低壓灌水,將水流緩慢的溢出。滲灌系統的灌水壓力與滲灌管長度是相互影響的。想要滲灌長度較長時,相應增加滲灌壓力,以滲灌毛管末端流量與首端偏差不大于15%為宜。目前,我國多數采用蓄水池作為首部水源樞紐,采用水泵提高水位進行加壓,一般壓力范圍為0.5～3.5m為宜。

滲灌管的最大允許長度與灌水壓力、土壤性質及土地坡度有關。適宜的滲水管長度是使管道首末兩端的土壤均濕潤均勻、滲漏量最小。坡度對滲灌的影響主要是坡度不超過2%的情況下不超過0.08MPa的水壓變化。目前,我國采用的滲灌管長度為:無壓供水時50～80m,有壓供水時80～110m。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

本試驗以鮮食玉米為供試材料,其品種為“廣糯2008”,具有產量高、抗病性強、品質佳、易于栽培管理等特征,植株長勢中等,適應性強。

試驗布置在南亞熱帶作物研究所循環農業試驗基地,試驗區位于東經109°31',北緯21°35';地處雷州半島,夏季高溫多雨,冬季溫暖濕潤;年均日照時數2 160h,無霜期350d,多年平均氣溫22℃。采用紅壤土進行育秧[21],一般酸性較強,土性較粘。由于紅壤分布地區氣候條件優越,光熱充足,生長季節長,適于發展亞熱帶經濟作物、果樹和林木,且作物一年可兩熟至三熟,土地的生產潛力很大。紅壤的酸性強、土質粘重是紅壤利用上的不利因素,可通過多施有機肥,適量施用石灰和補充磷肥,防止土壤沖刷等措施提高紅壤肥力。

通過育苗盤育苗,選用甘蔗渣、玉米秸稈粉碎后作為育秧基質;然后開始整地和鋪設管道,進行起壟。壟寬1m,溝寬0.25m,壟高0.15m,選擇滲灌滴頭間距為30cm。流量采用流量閥控制,選用1.2L/h的滲灌管,將滲灌管道按照規定鋪設在壟面中間。在玉米苗3葉左右開始移栽,一個滲灌管種植兩壟,行距為20cm,株距45cm。

移栽后開始第1次灌水,在首次灌水時應注意要將水分滲透土壤,直至整個壟面濕潤為止。利用土壤水分測定儀進行測定,含水率合格后表示不缺水,整個玉米生長期間要保證玉米土壤水分溫濕度均衡。首次使用滲灌裝置,要經常檢查滲灌管是否有堵塞及破損,保證滲灌系統的整體運行正常[22]。

玉米整個生長期間要進行良好的施肥管理,采用生物質肥料為主,22 550kg/hm2,過磷酸鈣600kg/hm2,鮮食玉米產量為26 250kg/hm2。施肥時,采用水溶性肥料,與灌溉水溶解后一同通過管道施入玉米根部,灌溉時間不超過1h,防止時間過長,灌溉水將肥料淋失。

3.2 試驗結果

在試驗過程中,通過計算不同時段玉米各個指標的玉米株高增長、每個時段莖粗的生長量、葉面積分段日均增長量的平均值,以及定植100天根長及根數后,將地上部分處理后進行挖根處理,將根部泥土洗凈后對每個處理的根系觀測并分析測定玉米根部的根長和根數。試驗結果如表1所示。

表1 滲灌系統的試驗結果

3.3 分析與討論

由于在大田直接進行試驗,外界影響因素較多,受外界雨水及土面水分蒸發量有一定的影響。經過分析,滲灌條件下能夠促進鮮食玉米的株高、莖粗、葉面積及玉米根系等形態指標的增長,促進玉米植株的發育,提高玉米根系的活力,提高了水肥利用效率。玉米生長期間的株高變化不大,各個期間的玉米株高增長率變化基本相同,隨著植株定植時間加大,滲灌處理對玉米株高的影響較大;玉米莖粗在玉米生長期間表現出先增大后減小的形式,并且隨著植株的增長,差異越來越大;玉米生長期間葉面積變化不大,隨著玉米植株的增長差異性也越來越大。由于滲灌管埋入地下,營養物質及水分可以直接作用于玉米根部,促進玉米根系的呼吸作用,可以促進玉米干物質的積累。一般情況下,作物的蒸騰作用受外界因素影響較多,主要受光照、溫度及濕度的影響,以后試驗可以嘗試在設施大棚中進行。

4 結論

1)對滲灌條件下土壤中的水分運動規律進行詳盡的研究,包括水分在土壤和作物之間的相互傳遞規律及不同土壤條件下水分的運動規律。探討了水分運動與滲灌管本身的材質及滲灌孔位置的關系,在保證材料合理的前提下,以降低成本為前提。滲灌管中的滲灌孔的直徑、距離、空間布置對出水的影響也是一個亟待解決的問題。

2)針對滲灌系統中的參數進行分析,不只考慮單因素對滲灌系統的影響,應該將諸多因素相互結合,選出最優配比,為滲灌系統的發展做出理論依據。

3)目前,加氣灌溉在目前農業生產中逐漸發展起來,應該考慮在加氣條件下滲灌系統的設計,力求完成灌水通氣一體化技術的發展,為作物提供最佳的生長環境,提高作物產量及品質,滿足現代化農業健康、綠色發展的需要。