探討滴灌技術在山地上的應用

黃祖敬

（廣西水力機械研究所有限公司，廣西 柳州 545100）

0 引言

滴灌系統是高效節水灌溉技術之一，比噴灌、微噴灌等灌溉技術更節水，能夠以較少的水量促進農作物增產，提高了水資源的利用率，使有效的水資源發揮出更大的效益。近十年來，旱災越加頻繁的發生，特別是2022 年，長江中下游、西南等地區發生嚴重干旱，對農業造成了嚴重的損失，嚴重影響了農業生產者的收益。由于我國山地較多，有較大部分農作物種植在山地上，山地上的農作物一般缺乏自流灌溉的水源，只能種植一些低產值的旱作物。因此在山地上使用滴灌灌溉系統能夠為農作物提供生長需水，也能夠改變山地上的種植結構及改種產值較高的農作物，提高農業生產者的收益及生活水平[1]。因此在山地上推廣滴灌灌溉節水技術的應用是有必要的。

1 前期調研及基礎資料收集

灌區前期的調研及基礎資料收集是為了更好的開展灌區滴灌系統的工作，保證滴灌系統滿足灌區農作物的灌水需要，使其更切合實際，達到節水節能高效高產。使投入的工程建設資金、運行管理費用、經濟效益產出，這三者達到效益最大化。工作實踐中，沒有調研就沒有發言權，就無法使滴灌系統的工況切合灌區的實際，因此應重視灌區的前期調研及基礎資料的收集。在灌區開展調研工作時，準確的收集好以下5 類基礎資料。

1.1 灌區現狀設施調查

了解清楚灌區內或附近是否存在已建的水利設施，及灌區是否通水、通電、通路等情況。若存在水利設施，須掌握其是否能夠繼續使用和完好率，是否能接入灌區使用。在灌區實施滴灌系統灌溉工程時，應考慮充分利用現有水利設施，以便減少資金投入。

1.2 地形地貌及土壤基本情況

灌區的地形地貌是滴灌系統布置、管網布置及最不利工況計算等所必需基礎資料，應當通過測量得出灌區的地形地貌。通過現場觀察及觸摸進行大致判斷土壤的質地，并參考當地的土壤容重確定灌區的土壤容重值及土壤田間持水量的上下限值，也可通過土壤濕度儀測定農作物的土壤濕度進行判別[2]。

1.3 灌區的氣候條件

灌區內的降水量資料，可按照旬或月來統計歷年的降水量或歷年農作物生育期的降水量，若灌區缺乏降水量資料時，可通過參考附近降雨量測定站的數值及水文資料等綜合確定。若灌區缺乏農作物的需水量資料時，可利用水面蒸發量資料估算作物的蓄水量，蒸發量可通過當地氣象站查詢。地下水文資料可通過查閱區域內的水文地質圖確定。

1.4 灌區農作物的基礎資料

農作物基礎資料的調研應當了解清楚灌區內的作物種植種類、種植面積、種植的株行距、分布范圍、生長階段及生長期天數、主要根系活動層深度、需水量等資料。農作物的主要根系活動層深度一般取作物根量占總根量的80%～90%。農作物的需水量是制定灌溉制度的重要依據之一，它受農作物的種類、品種、土壤性質、遮陰率等諸多因素的影響，一般通過實測資料確定，可參考當地或鄰近地區灌溉實驗數據資料，并分析確定符合灌區內作物的需水量值。在缺乏實測資料數據及鄰近地區無該作物的實驗數據資料時，可查閱國內省份有關作物需水量的參考資料進行估算得出。

1.5 灌區的水源基礎情況

萬物生長離不開水，灌區是否存在可靠的水源，直接影響到滴灌系統工程是否能夠實施。因此水源基礎資料的調查是調研工作的重中之重。了解清楚附近是否存在河流等地表徑流經過。若無地表水作水源時，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、動水位等情況[3]。采用多井作為水源時，兩井之間的距離以不影響到兩井穩定的出水量為準，難以確定時，可參考規范值并經過計算確定。

通過對灌區的五大基礎資料翔實的調查研究，確定出灌區合理的規劃方案，并借鑒同類作物的灌水情況的實驗數據，綜合分析，作出符合灌區的灌水制度及后期運行管理制度。

2 灌溉工藝流程的選擇

山地區域內，溪水、河流等水源一般匯流在山谷之間，通常無法采用自流灌溉，需要通過水泵加壓提水進行灌溉。但是采用不同的灌溉工藝流程，對資金投入、后期的運行管理費用產生著重要影響。符合現場實際的灌溉工藝流程，能夠使投入與產出達到經濟效益的最大化。山地的滴灌系統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→過濾系統（施肥器與過濾器并聯布置）→干管→支管→毛管。

這種工藝流程節省了輔管這一環節，相應的減少了建設輔管的資金投入，較節省成本。但在支管上直接打孔，并采用雙環拉扣連接出地管。出地管須采用PE塑料軟管。若采用輸水帶作出地管，土層自然密實后，輸水帶會受到土壓力的擠壓而產生變形，導致毛管的進口流量減少，直接影響到農作物的灌水效果及灌水均勻度，進而影響到農作物的產量。由于支管埋設于地下，支管上打孔數量較多，間接改變了支管承受的土壤壓力，并且支管出現損壞或漏水，維修起來比較費時費力，維修費用較高，不易于后期運行管理，出地管容易遭到破壞，造成管道堵塞。

（2）水源→水泵→過濾系統（施肥器與過濾器并聯布置）→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上加入了輔管這一環節，輔管布置在地上，并且毛管直接連接輔管進行灌溉，既能較完好的保護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，并在輔管接入處設置減壓措施，避免灌水不均勻引起的匯流，對山地造成水土流失。

相對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較多，但是后期易于管理，更換毛管，后期管理維修費用較低，易于耕種。

3 管道布置

干管、支管的布置取決于灌溉區域內的地形地勢、水源、作物種類分布，并充分考慮施工、運行管理對田間作物的影響，并與種植范圍內的道路、供電、營地等相結合，做到統籌安排，使管道的走向符合灌區實地情況，合理的管道布局方便運行管理及維護。

在平緩的地形中，干管一般是根據支管的實際走向進行布置，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，使支管內的壓力水從高處流向底處。

若在山地地形逆坡布置，支管內的水流從低處往高處流，流量逐漸減少，壓力也隨之降低，若支管內的壓力值降低到一定程度時，支管較高處的末端毛管進口壓力就受到影響，灌水均勻度無法保證，會造成毛管前端出水，中后段毛管無水流出，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，支管入口端應當布置在高處，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，提高滴灌系統的灌水效果，促進農作物增產[4]。

4 減壓措施

由于山地地形復雜，地勢起伏參差不齊，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口壓力。因此需要對自由水頭過高的灌水單元進口端布置減壓措施，控制其進口水頭在合理的范圍內。可采取以下3 種措施進行減壓。

（1）通過逐級減少管道管徑，增加管道的沿程水頭損失及局部水頭，達到減少灌水單元進口的自由水頭。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，支管進口至末端的流量越來越少，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口壓力變大。為了保證毛管灌水的均勻度，可通過減少支管的管徑，增加總水頭損失，可以相應的降低自由水頭，使灌水單元的進口水頭穩定在規定的范圍內。

（2）在灌水單元進水口處布置減壓閥，通過減壓閥來調節管道流量來減少管道進口壓力。在滴灌系統中，為了保證毛管的灌水均勻度，應當保持灌水單元進口壓力在規定的偏差范圍內，從而使毛管入口壓力保持穩定，致使整個灌水單元內的毛管灌水均勻度。在滿足農作物生長需水要求的同時，既能夠節省水，又能夠避免灌水不均勻而產生的匯流對山地造成沖刷。

（3）在灌水單元進口布置兩個閘閥，其中一個閘閥為啟動閥門（即開啟及關閉閘閥），另一個閘閥則通過調節閥門的開啟度來調節管道中的流量，以到達控制管道進口的壓力，滿足毛管入口壓力在允許的偏差范圍內。調節的閘閥須在實際現場灌水中進行調試，調試完成后，應當標志區分清楚啟動閘閥及調節閘閥，方便后期運行管理，避免操控錯閘閥。

5 滴灌系統的工作制度

滴灌系統是否符合山地地形的灌水要求，投入與產出是否成正比，關鍵因素之一就是合理選擇滴灌系統的工作制度。它影響著工程投入與后期運行管理的費用，也影響到灌水單元內的灌水效果，間接影響到農作物的產量。在選擇滴灌系統的工作制度時，應充分考慮灌溉面積大小、作物種類、水源情況、后期管理形式和經濟效益等因素[5]。滴灌系統的工作制度一般可劃分為3 種，分別如下。

5.1 隨機供水灌溉

隨機供水灌溉一般適用于一個滴灌系統內包含有多個種植大戶、種植多種農作物的形式。屬于不定時的灌水，這種灌溉形式的資金投入相對較大，沒有統一規劃的灌水時限，后期不易管理，會出現多個種植戶同時灌水的情況，可能造成部分地塊出水流量不足及壓力交底的現象。

5.2 續灌

續灌為全系統內管道同時開啟灌水，對灌區內的所有農作物同時灌水，該方式灌水的系統流量比較大，致使供水管道的管徑偏大，相應的增加了工程資金的投入。因此續灌模式一般適用于灌溉面積比較小的滴灌系統，如一個或幾個溫室大棚組成的灌溉系統，作物單一、面積較小的灌區適用滴灌系統的續灌工作制度。

5.3 輪灌

輪灌是控制灌區面積比較大的滴灌系統通常采用的工作制度，在滿足作物需水的情況下，劃分為多個輪灌組，按規劃編制好的輪灌組分次進行灌水。輪灌組劃分的數量取決于灌區的面積、系統流量、毛管滴孔的流量、日工作時間、一次延續灌水時間、作物的灌水周期等。通常把灌區劃分為多個面積和流量相等（或相近）的輪灌組，并且綜合考慮管理體制的適應性、便捷性、輪灌組個數適量性。輪灌組的流量相等（或相近），能夠使水泵運行穩定，提高水泵的效率，降低能耗，節省運行費用；輪灌組數量過少則資金投入較大，過多則不利系統的運行管理。輪灌組最大數目可由式（1）計算求得：

式中：Nmax——輪灌組最大數目，個；td——日運行最大時數，h/d；T——設計灌水周期，d；t——一次灌水延續時間，h。

一般情況下，輪灌系統日最大工作運行時間不大于20h，但根據近年來國內外滴灌系統的灌水經驗，為了降低工程造價，尤其是自動化控制系統灌水的日最大工作運行時間能夠達到22h。

6 滴灌系統工況確定

在確定滴灌系統工作設計水頭時，首先識辨出灌區內最不利灌水單元的工況，即最不利輪灌組的灌水所需的設計水頭。可先按式（2）計算出總干管進口的設計水頭：

式中：H——總干管進口的設計水頭，m；Zp——最不利灌水單元管網進口的高程，m；Zb——總干管進口的高程，m；h0——灌水單元的進口工作水頭，m；hf——總干管進口至最不利灌水單元進口的管網沿程水頭損失，m；hj——總干管進口至最不利灌水單元進口的管網局部水頭損失，m。

通過式（2）計算出總干管進口的設計水頭后，可分3 類情況進行分析計算整個系統設計水頭。①當滴灌系統中田間灌水工藝流程采用高位水池自流供水時，總干管進口水頭≤高位水池出水管的高程。②當采用離心泵直接供水時，整個系統的設計水頭須增加首部樞紐的總水頭損失及離心泵進水口至總干管進口處的高程差。③當采用潛水泵直接供水時，須增加首部樞紐的總水頭損失及機井內動水位至總干管進口處的高程差。滴灌首部樞紐的總水頭損失包括過濾設備的水頭損失、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，當計算出整個系統的設計水頭并選出水泵后，應再次計算確定從水泵處至各個灌水單元進口處是否有富余的自由水頭，若有富余的自由水頭，應當減壓至灌水單元的工作水頭范圍偏差內，確保灌水單元的灌水均勻度。

7 結語

總而言之，為了使滴灌技術在山地上得到更貼合實際的應用，須對灌區進行全面的踏勘調研。在規劃實施完成后，以實際灌溉參數為主，調整相應的規劃，歸納總結出符合灌區的滴灌灌溉技術。只有這樣，才能使滴灌技術在山地上得到更好、更充分的使用，為農業生產者創造出更大的經濟效益。