基于輪作倒茬地塊滴灌系統(tǒng)設計分析

王周奇

(泰安市水利勘測設計研究院有限公司，山東 泰安 271000)

1 研究背景

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要緊緊圍繞市場的變化調(diào)整種植結構，種植結構的調(diào)整就使得輪作倒茬成為必然。根據(jù)全國農(nóng)作物重大病蟲測報網(wǎng)(植物病蟲情報(第一期)昌吉州農(nóng)業(yè)技術推廣中心2012年2月29日)昌吉州2012年主要農(nóng)作物病蟲蝗害長期發(fā)生趨勢分析中指出，重茬是導致棉花病蟲害發(fā)生的重要原因之一。根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市2013年農(nóng)作物主要病蟲害發(fā)生趨勢預報分析指出，重茬是導致馬鈴薯病蟲害發(fā)生的重要原因(馬鈴薯是烏蘭察布市的大宗作物)。國內(nèi)外研究結果表明，連作可使土壤惡化、病蟲害增加、有毒物質(zhì)危害嚴重。連作會造成某種或幾種大量元素或微量元素缺乏。合理輪作倒茬是用地與養(yǎng)地相結合，保證持續(xù)、全面增產(chǎn)的有效農(nóng)業(yè)技術措施。

眾所周知，滴灌是迄今為止世界上最先進的工程節(jié)水技術之一[1]。目前，在輪作倒茬條件下滴灌系統(tǒng)設計的相關研究甚少，或是空白，只在相關文獻研究中提出了要注意輪作倒茬，包括微灌工程技術標準[2]均沒有說明該如何來做。因此，開展輪作倒茶條件下滴灌系統(tǒng)適用性研究并針對已經(jīng)建設實施的滴灌系統(tǒng)存在的問題進行分析，旨在推出輪作倒茬地塊中滴灌系統(tǒng)的設計理念—保持系統(tǒng)所屬單根支管流量的基本穩(wěn)定性，從而保證整個系統(tǒng)的可靠運行。

2 輪作倒茬地塊中滴灌系統(tǒng)的設計

滴灌相對是一項技術性很強而且比較復雜的工程。滴灌工程的主體，輸配水管網(wǎng)占了整個工程投資的大部分。管網(wǎng)布置就相當于人體血管，對于整個工程來說至關重要，不僅要達到管路短、投資省、效果好、結構簡單、利于管理操作的要求，還要適應農(nóng)作物的種植生長需水要求，而且要保證運行安全。同時管網(wǎng)布置要因地制宜進行鋪設，要考慮地塊形狀、坡度、水源位置，以及作物種植結構、氣候條件等因素，因此，其優(yōu)化設計頗為復雜。滴灌系統(tǒng)一旦建成，必須保證在生命周期內(nèi)的正常運行。地埋管道的折舊年限較長，根據(jù)水利建設項目經(jīng)濟評價規(guī)范[3]附錄C，塑料管、PVC管的折舊年限一般為20年。高新節(jié)水技術，不能適應變化著的作物栽培模式的灌水要求，將影響著高新技術的應用推廣和效益的充分發(fā)揮。尤其在輪作倒茬地塊中，使得高新節(jié)水灌溉適應農(nóng)業(yè)種植技術的問題成了擺在技術人員的面前一道難題。

2.1 滴灌系統(tǒng)的設計要求

輪作倒茬的作物滴灌輸水管網(wǎng)設計與連續(xù)種植單一作物滴灌管網(wǎng)不完全相同，需滿足不同作物的灌水需求，而不同作物種植模式不同。對輪灌倒茬的作物進行滴灌系統(tǒng)設計時，首先要分析可能進行輪作倒茬的作物種類，并按重要性進行排序。不同作物高峰耗水期的設計灌溉補充強度可能不同，株、行距也可能不同。原則上應按灌溉補充強度的最大值和重要作物的栽培模式進行設計，適當照顧其他作物的栽培模式。即按照常規(guī)滴灌的做法，根據(jù)所有參與輪作作物的種植模式，土壤性質(zhì)和擬采用的毛管，計算出所有參與輪作作物的輪灌組數(shù)，選出輪灌組數(shù)較少的作物進行計算。通過對幾種作物的分析計算，輪灌組增加的時間不會超過三天，并不影響作物的生長。這樣可以基本滿足所有參與輪作作物的灌水需求，然后根據(jù)所有參與輪作作物選擇出輪灌組數(shù)較接近切較少的重要作物來確定出單根支管及滴灌系統(tǒng)的流量，再通過適當調(diào)節(jié)毛管的相關參數(shù)及作物的種植模式，來實現(xiàn)支管流量的基本穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)流量的基本穩(wěn)定，實現(xiàn)了不同作物的灌溉需求。

在輪作倒茬的模式下，影響滴灌系統(tǒng)的設計有以下2種情況[4]：

(1)設計灌溉補充強度不一致。

(2)作物株行距不同，要求的滴頭和毛管的布設方式可能不同。

在輪作倒茬的模式下，滴灌系統(tǒng)在設計過程要解決好以下2個問題[4]：

(1)重要作物的耗水強度。設計灌溉補充強度應取重要作物的耗水強度。

(2)作物的株行距不同。不同作物種植模式不盡相同，因而所設計的滴灌系統(tǒng)盡可能滿足所有輪作倒茬作物的灌水需求。

2.2 保持系統(tǒng)所屬單根支管流量基本穩(wěn)定

滴灌系統(tǒng)的規(guī)模一般都是依據(jù)水源條件確定的，也就是說滴灌系統(tǒng)的設計流量一般情況都是確定的。滴灌系統(tǒng)一般來說有自壓系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)之分，兩種系統(tǒng)都需要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和系統(tǒng)流量的接近，因此提出了保持單根支管流量基本穩(wěn)定的設計理念。簡述如下：

(1)自壓滴灌系統(tǒng)一般都是大型的，且不需要附加能源，因此保持單個系統(tǒng)的穩(wěn)定對與整個滴灌系統(tǒng)才是有利的。對于單個系統(tǒng)，不管種植任何一種作物，包括輪作倒茬時，只有單個系統(tǒng)的流量基本接近，才能保證整個滴灌系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(2)加壓滴灌系統(tǒng)一般來說都是單個的，而且需要附加能源，加壓滴灌系統(tǒng)一般都是更要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。對于加壓滴灌系統(tǒng)，不管在輪作倒茬任何一種作物時，該系統(tǒng)的流量都要基本接近。因為加壓滴灌系統(tǒng)在按某一種作物(重要作物)設計時，水泵的揚程和流量已經(jīng)確定，而且在設計工況下，水泵基本處于高效工作區(qū)。如果不能保持輪作倒茬作物的系統(tǒng)流量相接近的話，將會使設備長期不處于其高效工作區(qū)之內(nèi)，對于設備的使用壽命和能耗都是不利的。

通過以上分析，在設計輪作倒茬滴灌系統(tǒng)時，必須分別計算出可能進行輪作倒茬的作物的輪灌組數(shù)，以輪灌組數(shù)最少作物為例，根據(jù)管道經(jīng)濟流速進行系統(tǒng)支管流量的選擇，然后根據(jù)輪灌組的劃分，進行滴灌系統(tǒng)流量的計算。即以輪灌組數(shù)最少的作物所需要的系統(tǒng)流量來滿足其他輪灌組數(shù)較多的作物的所需要的系統(tǒng)流量。例如，小麥收割后種植玉米，由于小麥毛管間距為0.6m，玉米毛管間距為1.0m，單位面積小麥所需流量較大，因此通常以小麥為典型作物進行滴灌系統(tǒng)設計，同時對玉米也要做完整的設計，包括設計參數(shù)、灌溉制度、工作制度、灌水小區(qū)水力計算接點壓力驗算等，如果玉米滴灌所需流量和壓力遠小于小麥滴灌系統(tǒng)所需流量和壓力，對于已選定的水泵設備，就需要配備變頻設備，但是增加設備倒不如采取簡單的工程措施而保障設備的正常運行來的實惠。

根據(jù)本文所推薦的設計理念，通過篩選出適合不同作物輪作倒茬生產(chǎn)的滴灌帶鋪設方式[5]來調(diào)節(jié)玉米滴灌的毛管參數(shù)來保證系統(tǒng)設備的正常運行。孔繁宇[6]通過開展不同滴灌帶和不同鋪設間距的滴灌效果試驗，確定在新疆地區(qū)的壤土條件下，滴灌帶鋪設間距為1.2m以內(nèi)，可在地下形成一個濕潤層，無論地面上采用何種播種方式，播種行無需和滴灌帶吻合，也可滿足作物需水要求。張秀捷[7]的研究表明，水條件相同的情況下，滴灌帶間距和滴頭間距耦合作用對黃瓜沒有顯著影響。根據(jù)趙鶴等人的研究結果表明[5]：不同滴灌帶間距對作物產(chǎn)量影響不大，同時可保證土壤水分均勻度，滿足作物灌水需求。對于大型的自壓滴灌系統(tǒng)，這時就可以通過調(diào)節(jié)其他作物采用毛管的滴頭流量和滴頭間距來適當調(diào)整其他作物的輪灌組數(shù)，使其盡量與設計工況下的系統(tǒng)流量和壓力盡量想接近，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。也就是說不管在種植那種作物的情況下，通過調(diào)整滴灌帶鋪設方式等相關參數(shù)來實現(xiàn)輪灌組數(shù)的調(diào)整和保持支管流量的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)系統(tǒng)流量的穩(wěn)定性，使得所設計的滴灌系統(tǒng)最大可能的發(fā)揮效益。

3 現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)存在的問題

以新疆為例，棉花是新疆農(nóng)業(yè)的主導產(chǎn)業(yè)，目前滴灌系統(tǒng)中主要用于棉花灌溉[8]，節(jié)水滴灌技術為新疆地區(qū)經(jīng)濟作物的生產(chǎn)帶來了不小的效益。新疆地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有不斷改革創(chuàng)新的科研精神，在節(jié)水灌溉領域走出了自己的一片天空。但是在新疆主要用于棉花的滴灌系統(tǒng)，在作物倒茬輪作時無法實行，對土壤結構及生態(tài)環(huán)境造成了一定的負而影響[8]。前期在做滴灌工程設計時，往往只考慮了單種或連種一種作物，從而導致已實施滴灌工程在當年的工程運行情況較好，而到下年由于種植倒茬原因，種植模式的變化由稀植作物變成密植作物就會出現(xiàn)很多問題，比如爆管和壓力不均衡等，以至于影響了工程的正常使用。

同時由于多年種植棉花，棉花連作年限的的增加，也產(chǎn)生了土壤肥力下降作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、病蟲害加劇等現(xiàn)象[8]。同時單一的種植作物對土壤結構及生態(tài)環(huán)境造成了一定的負面影響，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

上述問題的出現(xiàn)，是由于微灌工程技術標準[2]存在的缺陷或設計人員的習慣問題，未能將滴灌工程設計與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術上可能出現(xiàn)的輪作倒茬措施考慮進去。對這一問題解決具有普遍意義，各地區(qū)都在尋求好的解決方法。

4 設計方法的應用及驗證

在伊犁河南岸干渠灌區(qū)第四師部分揚水灌區(qū)工程項目設計過程中考慮了6種作物的輪作倒茬，分別是冬小麥、甜菜、玉米、油葵、青貯玉米和苜蓿。首先根據(jù)不同作物的耗水強度及種植模式和經(jīng)驗，幾種作物常用的毛管，分別計算出了幾種作物的輪灌組數(shù)，通過計算，在所選擇的參數(shù)情況下，苜蓿的輪灌組數(shù)最少，小麥的輪灌組數(shù)最多，其他幾種作物與苜蓿的比較靠近，因此，按照苜蓿計算出，支管的流量以及系統(tǒng)的流量，從而確定系統(tǒng)的常用流量，然后通過調(diào)整小麥所用的毛管參數(shù)和毛管的布設方式，來調(diào)整小麥的輪灌組數(shù)，讓小麥在灌溉時，輪灌組數(shù)與苜蓿接近或相同，從而使得支管的流量比較接近，同時系統(tǒng)的流量和壓力盡量與苜蓿灌溉時比較接近，以滿足整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.1 基于輪作的滴灌技術應用

作者根據(jù)自己的多年設計經(jīng)驗，認為在每幅窄膜70cm下，鋪設一根滴頭流量為1.8～2.6L/h、滴頭間距為30cm的滴灌帶，同時根據(jù)地形及與水源壓力合理布局支管，每根支管間距以75～80m為宜，分干管間距以150～160m為宜，也就是說每根支管控制面積為80m×80m左右，即單根支管的過流量控制在50～60m3/h左右，最好采用φ110的支管算出來的支管經(jīng)濟流速在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。灌溉排水與排水工程設計標準[9]6.3.3管道設計經(jīng)濟流速應控制在0.9～1.5m/s，不能一邊加壓一邊又在把支管的水頭損失取得太大，過多的消耗能量，使得灌水小區(qū)的水頭偏差與規(guī)范不符。同時這種布置方式，計算出來的支管水頭損失，只有1m左右，毛管的水頭損失只有0.5m左右，對于支管輪灌的方式而言，一條支管為一個灌水小區(qū)，只需要保持同時輪灌的支管入口處的水頭基本穩(wěn)定，這樣就完全可以省去穩(wěn)流三通，用普通的承插三通或直通就可以了，而且滿足灌水小區(qū)所允許的水頭偏差率。

4.2 應用效果

采用上述方法布置φ110的支管，毛管的鋪設長度和計算的極限長度相差較大，出水栓之間的距離偏小，但灌水小區(qū)水頭偏差遠小于按規(guī)范推薦的公式計算出來的水頭偏差，可以不考慮穩(wěn)流三通的水頭損失(通常計算按4.0m)，對于后期的運行費用及節(jié)能方面的貢獻較大。

如采用φ90的支管如此布置，計算出來的支管水頭損失，只有3.0m左右，毛管的水頭損失只有0.5m左右，只計算出來的就已經(jīng)超出了灌水小區(qū)所允許的水頭偏差率。這種情況下就必須采用穩(wěn)流三通了，根據(jù)實踐經(jīng)驗，穩(wěn)流三通的水頭損失約在4.0m，對于后期的運行費用及節(jié)能方面的而言，與φ110的支管相比較而言，差別較大。

新疆生產(chǎn)建設兵團第七師在2006—2008年間實施了6.67×104hm2滴灌工程，由于當時種植模式單一等諸多原因，毛管鋪設較長，分干管間距240m左右，導致種植模式變化后灌水均勻度不好，相關團場已經(jīng)對原設計做了相關的更改，或采用長短管即雙支管滴灌系統(tǒng)[10]或增加出地樁，一條支管控制10畝地左右。根據(jù)理論計算，此布置偏于保守，但是使用方便。同時加壓滴灌系統(tǒng)，根據(jù)支管的過流量和經(jīng)濟流速的要求，不能一邊加壓一邊又在把支管的水頭損失取得太大，過多的消耗能量，使得灌水小區(qū)的水頭偏差與微灌工程技術標準[2]5.2.4條規(guī)定計算出來的不符。

5 應用分析

通過近幾年基層運行單位的實際做法，照以上這種布置滴灌系統(tǒng)中的管網(wǎng)，基本上可適用于任何一種種植作物，可以滿足不同時期輪作任何作物的灌水需求。比如，這種布置管網(wǎng)形式，滴灌棉花時，毛管間距為76cm，滴頭流量為2.1L/h，單根支管的流量為57624.0L/h；滴灌玉米時將膜上行距由常規(guī)地膜玉米的40～45cm，縮至30～35cm，將膜間距增加至60～65cm，株距24cm，毛管間距1.0m，滴頭流量為2.8L/h；單根支管的流量為58800.0L/h；基本上保證了單根支管系統(tǒng)流量的穩(wěn)定，從而保證了整個系統(tǒng)流量的穩(wěn)定性。

目前長久不變和分散的土地承包政策不適宜滴灌技術的推廣，若要實施，必須統(tǒng)一運行管理、統(tǒng)一作物種類、統(tǒng)一施肥標準、統(tǒng)一種植時間、統(tǒng)一田間農(nóng)作、統(tǒng)一安裝和拆卸滴灌管道。為了強化棉田輪作倒茬，有效遏制生態(tài)環(huán)境惡化，減少投資并充分利用現(xiàn)有棉區(qū)滴灌設施推廣輪作倒茬，可以對已建成的滴灌系統(tǒng)進行改造。對現(xiàn)已建成的滴灌系統(tǒng)而言，要做到適應輪作倒茬，主要有以下幾種方法：①將同一種作物盡可能連片種植在同一個輪灌組上；②采用長短支管，與短支管等長的長支管部分為盲管即輸水管，長出的部分上面敷設毛管，或改造成為雙支管滴灌系統(tǒng)[10]的方法；③增加出地管，即縮短已建成系統(tǒng)的支管間距。目前，按本文所推廣的管網(wǎng)布置形式成功改造了原有滴灌系統(tǒng)的，都已實現(xiàn)了經(jīng)濟作物之間進行倒茬輪作，如棉花和辣椒倒茬、棉花和瓜類倒茬、棉花和葵花倒茬、辣椒和葵花倒茬等；不僅有效緩解了旱情，而且省工、節(jié)水、節(jié)地，肥料利用率高，病蟲害為輕害。

6 結語

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要緊緊圍繞市場的變化調(diào)整種植結構，種植結構的調(diào)整就使得輪作倒茬成為必然。對輪作倒茬的地塊中的作物實施高新節(jié)水灌溉進行研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。作者僅通過多年的設計經(jīng)驗和對管網(wǎng)布置的處理，提出了在輪作倒茬地塊中滴灌系統(tǒng)的設計方法，供同行借鑒參考，不足之處在于沒有具體效益數(shù)據(jù)的支撐，乞求相關理論研究不斷完善補充。建議在今后的規(guī)范修訂時能于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術完美結合，同時在新建滴灌工程設計中必須合理處理作物的輪作倒茬問題，將節(jié)水灌溉技術與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術有機緊密結合起來，發(fā)揮綜合的節(jié)水增產(chǎn)效益，從而達到促進當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的要求，更好地推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。