青稞噴灌節水灌溉系統的設計與管理方案分析

和健 柳靜 尹芳 張無敵 楊紅 王昌梅

摘 要 為了提高農田灌溉水的利用效率，以云南省麗江市金莊村青稞種植田為例，根據該地區農業用水現狀，分析該地區青稞噴灌節水灌溉系統設計與管理方案，包括首部樞紐系統的設計，水源工程的設計，輸配水管、蓄水池等的設計，改進了青稞種植噴灌參數、噴灌制度，以節約水資源，提高青稞灌溉水利用系數。

關鍵詞 青稞;節水灌溉系統;設計

中圖分類號：S274 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.05.107

青稞屬禾本科大麥屬作物，生育期短，為一年生草本作物，耐寒、耐旱，適合種植在高寒地區。青稞具有豐富的營養價值，因此常常作為主食被人們食用，同時還可以作為釀酒的原材料。

云南省麗江市金莊村位于云南省金沙江河谷地帶，常年降水量不足300 mm甚至更低。該村青稞種植田總灌溉面積10 hm2，主要采用地下水灌溉以及地表水灌溉結合的方式。該地區水利設施相對落后，不能有效利用河流等地表水進行灌溉耕作[1-2]，因此地下水灌溉是最主要的灌溉方式，約有7 hm2，占總面積的70%，地表水灌溉約有3 hm2，占總面積的30%。經測算，傳統灌溉方式有效利用系數只有0.40～0.65。隨著地下水資源逐年短缺，為解決農田用水問題，高效利用地表水、設計合理的節水灌溉系統成為有效解決當地水資源短缺問題的有效途徑。

節水灌溉技術具有節水、現代化以及增產增效等特點[3]。根據灌溉方式以及地區氣候、水文等條件的不同，當前主要的節水灌溉方式有滴灌、微灌以及噴灌等[4]。因此，基于金沙江河谷地帶農田的人文、地理以及氣候等實際情況，結合節水灌溉系統設計的設計標準與設計準則，對該地區農田的噴灌節水灌溉系統進行設計。

1 噴灌節水灌溉系統的組成及工作原理

農田節水灌溉系統主要由首部樞紐系統、輸配水管網、蓄水池3個部分組成，用戶通過使用首部樞紐系統中的中央計算機控制中心，結合使用傳感器、氣象臺、流量計等對農田作物生長環境進行實時監控與控制，為農作物提供適宜的生長環境管理。此外，通過使用輸配水管網以及蓄水池結構保障農田用水，實現地表水的高效利用[5]。

1.1 噴灌

噴灌是一種利用低壓管道（塑料管道）系統，將水直接輸送到田間，再經過噴頭噴射到空中，形成細小水滴，均勻灑落在農田中的灌溉方式。相對于大水漫灌等方式，噴灌節水效果更好，灌溉更均勻。

1.2 首部樞紐系統設計

當前，金莊村經濟發展相對落后，農業自動化與信息化控制還未普及，灌溉一般采用人工控制[6]。應堅持以科技為先導的設計原則，結合當前現有的節水灌溉技術，充分借助當前先進的節水技術、節水設備以及節水理念等，探索出適用于金莊村的現代化新型節水灌溉技術，確保該節水灌溉系統未來的先進性以及可持續利用性。當地農田節水灌溉系統的首部樞紐系統采用互聯網無線控制，通過對農田作物生長環境（濕度、土質等環境）的實時監控，使用傳感器、氣象站、流量計等進行數據采集;利用中央計算機控制中心對各參數進行計算，并基于計算結果發送相應的控制信號至相應的可編程控制器上，對各個參數進行閉環精準調控，不僅能最大程度節約水肥資源，而且還能為作物生長提供最佳條件。

其中，傳感器為酸堿度傳感器以及電導率傳感器，以確定農田土壤的肥力情況，控制施肥泵的開啟。狀態數為農作物的生長狀態，如生長周期等情況，以確定灌溉頻率、灌溉總量、水肥需求量等參數。流量計測量供水系統的水流量大小，以實現灌溉量的精準控制。氣象站監測溫濕度情況以及風雨狀況，以確定農田灌溉量等參數。

1.3 輸配水管網設計

輸配水管網是整個農田節水灌溉系統的水資源輸送裝置，本設計中輸配水管網主要由輸配干管、輸配分干管、輸配支管、輸配噴管以及閘閥組成[7]。根據農田種植區域分布情況，對輸配水管網四部分管道進行組裝設計。

輸配干管是輸配水管網的主要輸配管道，是主干部位，因水流量較大，考慮壓差等因素，該部分的管道需要采用相對比較結實、耐壓的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，簡稱PVC）材料管，管徑為400 mm，工作壓力為1.1 MPa。該管道為地下埋設管道，埋設于地面下0.8 m，且在低處均設排水井和滲水井。輸配分干管采用聚乙烯（Polyethylene pipe，簡稱PE）材料管，管徑為300 mm，工作壓力為1.0 MPa，與輸配干管同樣埋設于地面下0.8 m。考慮到灌溉的靈活性，輸配支管與輸配噴管均采取地上走管的方式，且輸配支管是移動支管，可以實現靈活移動。支管采用PE材質管，管徑為200 mm，工作壓力為0.4 MPa，噴管由于送水量相對較小，采用普通的PE材質即可，管徑為16 mm，工作壓力為0.2 MPa。

1.4 蓄水池設計

蓄水池是在水源干涸或供水不足時，作為備用水源灌溉農田，以提高地表水的利用率，達到節約使用資源的目的[8]。蓄水池設計為圓形半地埋式，直徑為6 m，深度為2 m，總容量約56 m3。該蓄水池設有進水管口以及出水管，分別與該節水灌溉系統的輸配干管連接，可在水源不足時調配蓄水池水進行農田灌溉，以保證農田及時灌溉，不影響作物的正常生長。

1.5 水源選擇

根據該地現狀，在進行水源選擇時，基于因地制宜的原則，在既保證節約用水的同時，又節約勞動力成本[9]。因此，以地表水為主要水源，地下水為備選水源。地表水采用管道輸配的方式，結合使用蓄水池，對該地區的農作物進行噴灌灌溉。地表水水源位于該地區附近的河流，地下水通過布置機井獲取灌溉水。當地的水源pH在5.5～8.0，符合噴灌的水源要求。

2 青稞灌溉技術要點

2.1 青稞種植噴灌參數設定

青稞在種植管理時，采用節水灌溉系統，需要遵循一定的標準，灌溉標準的主要參數設定如表1所示[10]。

2.2 青稞種植灌溉制度管理

本灌溉系統設計的工作方式為續灌灌溉方式[11]。在進行續灌時，一般要求系統內各個管道供水保持一致性。在對青稞進行噴灌種植時，要始終堅持適齡灌水原則。青稞在不同生育期階段的水分虧缺情況是不同的，對應的灌溉次數、灌溉量以及灌溉水利系數也都存在一定差別。

2.2.1 播種期

春播青稞一般在每年的4月下旬至5月播種，此階段的青稞植株的需水量不是很大，耗水量在19.1 mm，因此每667 m2灌溉量僅需保持在2 m3，一次灌溉即可。若種植地在此階段降雨，則不需主動灌溉，同時需要保證灌溉水利系數達到0.9。

2.2.2 分蘗期

青稞分蘗期一般在每年的5月下旬至6月中旬，此階段是青稞的耗水旺期，耗水量在103.3 mm左右，因此在此階段需要增加灌溉量以滿足生長需求。一般每667 m2灌溉量保持在5 m3，分蘗期只需一次灌溉即可。

2.2.3 拔節期

青稞拔節期一般在每年的6月中旬至7月初，此階段是青稞的耗水旺期，但相對于分蘗期的青稞需水量，拔節期的需水量相對較少，耗水量在100.5 mm。因此該期間，每667 m2青稞的灌溉量應控制在4 m3，拔節期只需一次灌溉。

2.2.4 抽穗期

青稞抽穗期一般在每年的7月初至7月底，此階段是青稞生長周期中需水量最大的時期，耗水量在121.0 mm，因此該期間每667 m2青稞的灌溉量應控制在6 m3，抽穗期根據實際情況灌溉1～2次。

2.2.5 成熟期

青稞成熟期一般在每年的7月底至8月中旬，此階段青稞基本不需要過多水分，耗水量72.3 mm，因此該期間每667 m2青稞的灌溉量應控制在3 m3，根據實際需水情況灌溉1次即可。

3 預期效益分析

結合青稞種植管理要點，本次設計的灌溉系統無論是從地表水的使用情況，水資源的高效利用，還是輸配量的控制方式，均優于當前的灌溉方式，自動化程度高，水資源利用率高，節水效果顯著。

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（責任編輯：趙中正）