北方干旱地區實施免埋式節水滴灌系統的可行性分析

赤峰市地處我國內蒙古自治區東南部，是北方干旱地區的經典代表，存在著嚴重的水資源短缺問題。本地年降水量僅有約300～500mm ，蒸發量卻高達 1500～2000mm ，顯現出蒸發量大、加大水分流失風險的特征，因此可支持農業領域的用水量嚴重不足，只能嚴重依賴灌溉。傳統的埋地式灌溉雖然可以實現精準灌溉，然而其維護成本較高，且安裝復雜;而地面灌溉又會造成嚴重的水資源浪費，土壤普遍存在的砂礫化、鹽堿化現象又會因為傳統灌溉方式造成土壤鹽漬化等問題。由此可見，北方干旱地區的農業生產正遭受嚴重的水資源短缺問題，迫切需要高效節水的灌溉技術來提供支持和解決。免埋式節水滴灌系統作為一種近年新興的節水灌溉技術，不僅安裝便捷、維護成本低，而且能夠實現精準供水。本文結合赤峰地區實際，圍繞免埋式節水滴灌系統的技術特點、設計方案以及實施可行性等展開探析。

一、免埋式節水滴灌系統的組成及實施方案設計

1、系統的組成

免埋式節水滴灌系統主要由以下幾個核心模塊組成：水源管理系統、輸配水管道、地表滴灌帶和自動化控制系統。

（1）水源管理系統

水源管理系統是保證高效節水的技術關鍵，而該系統又主要包括了蓄水池式以及水源井式兩種類型，需要分別配備相應的水泵來滿足灌溉需求。

① 蓄水池式：作為免埋式節水滴灌系統的關鍵水源，其型式選擇直接影響到系統的儲水能力及灌溉效率，蓄水池的設計也要充分考慮到地形、土質以及氣候條件，又包括開式與封閉式兩類，以形狀特點又分成圓形與矩形，圓形蓄水池有較好的受力條件，相較于封閉式蓄水池的單位投資小，可允許大容量池子的建造；而矩形蓄水池則有更強的適應性。配備離心泵的使用，借助其流量大、揚程高、運行穩定等特點可以實現有效灌溉。

② 水源井式：在地下水位較淺、水質較好的地區可使用淺水井，淺水井無論是建造還是維護成本都比較低，但取水量有限；在水位較深、水質較差或需大量取水的地區可使用深水井，其建造與維護成本雖高，但取水量大。同時配備潛水泵適用于從深水井抽水，潛水泵的安裝簡單、占地面積小且運行穩定性高。赤峰地區通常使用200QJ系列的潛水泵，有著揚程高、流量大、效率高等特點。

（2）地表滴灌帶

滴灌帶所用材料既強度高、又可耐紫外線，直接鋪設在地表即可，不用埋人土壤。所使用滴灌帶的材質要求具有極強的抗紫外線能力，本地區多使用鑲片式滴灌帶，它充分利用塑料軟管（滴灌管）把水通過直徑比較小的毛管上的孔口或滴頭送到作物根部實現局部灌溉，將水一滴滴地、均勻且緩慢地滴在作物根部附近土壤中，實現精準灌溉，從而提高對水的利用率，節水率可以達到 95% 以上。而且滴頭間距可以按照用戶實際需求進行定制，從而靈活滿足不同作物的灌溉需求，其中滴頭設計有自過濾窗，可避免雜質堵塞，確保系統的穩定性及可靠性。鑲片式滴灌帶的管徑有 12mm，16mm 和 20mm 等多種規格，壁厚一般在0.2～0.6mm ，工作壓力在 0.02～0.25MPa ，視不同管徑及壁厚，相應的流量也有所不同。

（3）管道系統的設計

輸水管主要作用是將水輸送至需灌溉區域。主輸水管應選擇使用PVC材質，內徑約 50mm ，耐壓能力在 1.0MPa 以上，符合GB/T10002.1—2006標準，鋪設于表面，定期進行清理，以防被風沙覆蓋；支管的直徑在 16mm ，壁厚 0.3mm 左右；由此滿足地塊可以均勻性灌溉的需求。

（4）自動化控制系統

由壓力調節器、電磁閥以及自動控制器組成，能夠對灌溉的強度以及灌溉時長進行實時調節。自動化控制設備選用西門子S7-1200系列PLC，與傳感器和電磁閥聯動。自動控制系統則要密切結合土壤濕度傳感器，做到精準灌溉。傳感器的配置上，王壤濕度傳感器為Decagon5TM，精度 ±1% ；濕度傳感器為PT100熱電阻，測量范圍 -20～70% ，精度 ±0.1°C ，濕度閾值的啟動點為65% 田間持水量，停止點為 75% ;在壓力調節器方面，Honeywell26PC系列，應設置系統的壓力在 0.1～0.3MPa ，以防造成滴頭阻塞。傳感器信號實時傳遞至PLC，由PLC控制泵、閥門的啟停，實現無人值守自動化運行。

總的來看，免埋式節水滴灌系統通過把水源經由主輸水管路輸送到地表滴灌帶，滴頭再以低壓的形式促使水滴均勻地滲透到作物根區，構成局部濕潤區。這樣的灌溉方式既可以有效減少水分的蒸發損失，又能確保水分得到有效利用。

2、實施方案設計（1）安裝步驟

① 做好地表準備：確保場地的平整度，把坡度控制在 lt;2% 以防局部積水；結合作物行距進行滴灌帶的鋪設，將滴頭朝上，以 20cm 作為間隔，且每隔 1m 就使用塑料U型卡釘進行固定，避免受到風沙的擾動。

② 做好管道的連接：使用快速接頭（DN16）對主、支管接口進行連接，連接緊密度的檢測壓力要不小于1.2倍工作壓力；滴灌帶的接口則使用穿刺式接頭連接滴灌帶和支管，逐一對出水的均勻性進行檢測和檢查。滴灌帶沿著作物種植行進行鋪設，端部固定于鐵樁，每間隔 50m 加裝一個流量調節閥。

③ 控制設備的安裝：將PLC和電磁閥安裝到防護等級為IP65的控制箱中，接入220V電源；在做傳感器的布點時，應按照每 1.3hm² 設置1組傳感器（濕度、溫度、壓力各1個）的方式進行均勻布設。

（2）運行與維護

在日常運行當中要做好以下兩個方面的工作： ① 濾芯清理，每周至少一次進行手動檢查，任何時間發生異常，自動啟動反沖洗程序； ② 做好滴灌帶的維護，結束了灌溉周期之后，使用清水沖洗系統，以防有沉積殘留。

而對于定期檢查的要點，則是：每次灌溉開啟之前都要對壓力傳感器的讀數進行檢查，將范圍控制在 0.7～1.0MPa ；注意滴灌帶壓力的均勻性，通過每個月校準一次滴灌壓力表來保證其偏差被控制在 10% 以內；結合作物生長階段，每次灌溉時間持續30～60min ，日滴灌量在 150～300m³/hm² ；還有設備電氣的檢查，PLC控制箱每隔半年進行一次電氣絕緣檢測，以排除掉有漏電的情況。

二、免埋式節水滴灌系統的優點

1、使用維護簡便、可以顯著降低種糧成本

傳統地埋式滴灌系統在內蒙古赤峰地區的應用，常會由于土壤侵蝕或凍脹等原因而造成管道漏水，除了會加大維修成本之外，也會由于大量、反復的維修而對農時產生延誤。相較而言，免埋式節水滴灌系統由于其設計獨特，可以有效規避這些問題，無需考慮冬季管道排水、凍脹問題。該系統采取的是地面鋪設的滴灌帶，避免了深理于地下，所以維修時不需要進行大規模的開挖，可以減少在財力、物力以及人力上的投入，與埋地式系統相比較，可減少約 30% 的維護成本，這樣也就相當于降低了種糧成本，可以有效減輕農牧民的經濟負擔。

2、保護耕地土壤結構、提高土壤肥力

赤峰地區有著多樣化的土壤類型，很容易受到耕作活動的影響。傳統地埋式滴灌系統不管是安裝還是維修，都涉及到頻繁的土地開挖，這也造成了對土壤結構的破壞，使土壤肥力受到影響，不利于作物生長。免埋式節水滴灌系統的應用則可以規避該問題，省去開挖管道的工序，其地面鋪設的方法既減小了對土壤結構的破壞，又能維持土壤良好的穩定性及肥力。同時，滴灌水分僅在根區形成濕潤區，不會引起鹽分向表層聚集，能夠有效改善鹽堿化地區的土壤環境。另外，結合實地監測數據，與傳統地埋式滴灌系統的耕地相比，采取免埋式節水滴灌系統的耕地土壤容重可下降約 5% ，土壤空隙度可提高約 10% ，綜合改善了土壤的物理性質。

3、系統布置因地制宜、靈活便利

赤峰當地的地形比較復雜，各個區域都有著差異化的灌溉需求。免埋式節水滴灌系統正可以借助其高度的靈活性及適應性，結合赤峰地區不同的地形及作物布局來進行個性化鋪設，以保證能夠達到最佳的灌溉效果。具體而言，系統可以按照實際需要，隨意調整滴灌帶的長度及間距，滿足不同作物提出的差異化生長需求。試驗可知，免埋式節水滴灌系統的應用在水資源利用率上相較于傳統灌溉方式可以提高 20% 左右，同時也有利于確切提高作物產量。

4、避免機械翻耕破壞管道

機械翻耕是以往赤峰地區常用的耕作方式，對于地埋式滴灌系統來說，機械翻耕常常會損壞管道，造成漏水等問題。而免埋式節水滴灌系統則可以有效規避該風險，其在地面鋪設的滴灌帶并不會受機械翻耕影響，這樣便可以有效確保灌溉系統應用的持久性與穩定性。根據當地農業部門統計，采取免埋式節水滴灌系統的農田，由于機械翻耕而造成管道損壞的概率較地埋式系統降低超過 80% 。

5、便于機械化耕種及收割

免埋式節水滴灌系統以地面鋪設的方式進行，不僅有效避免了機械翻耕對管道造成的破壞，而且還為機械化耕種及收割作業提供了便利。在赤峰地區，農業機械化程度不斷提高，采用免埋式節水滴灌系統為農業機械順利地穿梭于田間地頭提供了可能性，使農業生產效率有了大幅度的提高。基于實際調研來看，可以知道農田采取免埋式節水滴灌系統，可以使機械化耕種與收割效率提高 15% 左右。

6、給數字化農業及智慧農業的運用奠定了基礎

免埋式節水滴灌系統除了使灌溉效率有所提高之外，還向數字農業及智慧農業的發展提供了有力支持。該系統在物聯網技術的支持下能夠實現遠程監控以及智能管控，可以對土壤所含水分、養分等參數進行實時監測，同時結合作物生長需求完成精準灌溉。在內蒙古赤峰的某些地區，已經有一些農田采取了免埋式節水滴灌系統，并在其中聯合了物聯網技術的應用，初步實現了智能化灌溉。據初步統計，該技術的采用可以進一步提高約10% 的水資源利用率，同時顯著提高作物品質和產量。這一成果也為數字化農業及智慧農業在赤峰地區的運用奠定了堅實基礎。

三、實施免埋式節水滴灌系統技術的可行性

1、和北方干旱地區的條件相契合

赤峰市年降水量只有 300～500mm 左右，然而蒸發量卻達到了 1500～2000mm ，是降水量的4～5倍，有著顯著的水資源供需矛盾，所以免埋式節水滴灌系統可以通過精準的供水來減少水分蒸發，與干旱地區的節水需求相符合。赤峰市的年均氣溫只有5～8^°C ，有著顯著的凍融現象，如果是埋地管道，會對其壽命造成影響。而且該系統鋪設靈活，既能滿足赤峰地區的丘陵，也能滿足砂礫地等多種復雜地形的農業灌溉要求。赤峰地區的主要類型有砂壤土、輕度鹽堿土和壤土，其中砂壤土更是占總耕地面積的60% 左右，雖然有較好的透氣性，然而保水性差，因此適宜采取短時間高頻灌溉。而輕度的鹽堿化土壤含鹽量在 0.2%～0.3% 左右，也有切實的避免次生鹽漬化需求。再結合以赤峰主要的玉米、馬鈴薯等旱作農田來看，采取傳統的漫灌方式只能獲得 30%～40% 的水資源利用效率，又難以精準控制作物生長期灌溉，造成很大產量波動。這些均為免埋式節水滴灌系統的應用奠定基礎。

2、擁有一定的技術成熟度

免埋式節水滴灌帶采取的是高強度耐候材料，對于北方的強紫外線輻射有經受性，平均使用壽命可以超過5年。同時，該技術通過在滴頭設計以及過濾系統上的優化，使得滴頭的阻塞率有了大幅降低，進一步保證并提高了系統的穩定性。

3、擁有良好的成本及生態效益

與埋地式滴灌技術相比較，免埋式節水滴灌系統不僅避免了管道挖埋，而且省去了出水栓配件（只需要四通，不用上水管），預估初期的系統成本為33.5元 /hm² （包括滴灌帶、控制器以及管道系統），安裝費用為6.7元 ，使投入成本可以降低 30% 左右。就以北方某干旱區的 6.7hm² 農田為例，免埋式節水滴灌系統投入應用之后可以每年節水 30%～50% ，節約3～5萬元的灌溉費用，預計在3年內便可收回早期階段的投資成本。

生態效益方面，免埋式節水滴灌系統可以確切節約水資源，每年節約超過 50% 的灌溉水，可以緩解赤峰地區農業用水緊張的局面；而且可以減少次生鹽漬化，使農田獲得健康發展。

四、政策支持與推廣路徑

1、政策支持

進行設備購置的補貼，補貼13.4元 /hm² ，用于購置滴灌帶和自動控制設備，降低農戶的使用門檻，減輕其使用經濟負擔；

政府還可出資大力支持在寧城縣、敖漢旗等設立試點，打造33.5hm² 連片滴灌示范區。

2、推廣路徑

在積極推廣免埋式節水滴灌系統時，雖然可能會遇到一些挑戰。例如，一些農戶因為對新技術缺少了解，所以接受度普遍較低；在技術的實施上會需要依賴于精準的安裝以及科學調試，所以一些地區在技術上支持度不足等。對此，為了推廣免埋式節水滴灌系統的應用，造福廣大農戶，提出如下建議：

通過示范項目及技術培訓，提高廣大農戶對于免埋式節水滴灌系統的認識；以赤峰市轄區內農業合作社成員以及個體種植大戶作為培訓對象，覆蓋率目標為每鄉鎮至少有50戶農戶參與，對農戶進行滴灌系統操作和維護的技能培訓，每個季度培訓1次，全年培訓4次，培訓內容包括系統模擬安裝操作示范，滴灌帶鋪設和固定等方法，滴頭的清理及管道泄漏修復等，使其技術應用能力得到提升；或建立區域滴灌運行大數據中心，向農戶提供精準灌溉的建議;為農戶提供從安裝到維護的一站式服務。

基于北方干旱地區的特點和需求進行分析，傳統地埋式滴灌系統施工繁瑣，不再適用于流轉型比較高的小農生產模式，而赤峰等干旱地區更需要極大限度的減少灌溉水浪費，實現精準供水。在此基礎上，免埋式節水滴灌系統被關注，該系統可以將水直接輸送到作物根區，減少 40%～50% 的蒸發損失，相較于傳統的地面灌溉可以將節水效率提升達 70% ，且滴灌帶直接鋪設在地面即可，無需埋設，適宜各種地形及土壤條件，后期也便于定期檢查及維護，出現堵塞或損壞可以快速更換，維護成本低。在精準供水之下，亦可保證作物根系始終處于最佳的水分保有狀態，有利于作物產量及品質的提高。因此免埋式節水滴灌系統適宜北方干旱地區農業生產需求。通過結合地區實際，加強政策支持、技術支持以及宣傳引導，免埋式滴灌系統勢必在改善水資源利用、提高作物產量和推動北方干旱地區農業可持續發展中發揮重要作用。

（作者單位：025450內蒙古赤峰市巴林左旗農牧局）