青稞喷灌节水灌溉系统的设计与管理方案分析

和 健，柳 静，尹 芳，张无敌，杨 红，王昌梅

（云南师范大学，云南昆明 650500）

青稞属禾本科大麦属作物，生育期短，为一年生草本作物，耐寒、耐旱，适合种植在高寒地区。青稞具有丰富的营养价值，因此常常作为主食被人们食用，同时还可以作为酿酒的原材料。

云南省丽江市金庄村位于云南省金沙江河谷地带，常年降水量不足300 mm 甚至更低。该村青稞种植田总灌溉面积10 hm2，主要采用地下水灌溉以及地表水灌溉结合的方式。该地区水利设施相对落后，不能有效利用河流等地表水进行灌溉耕作［1-2］，因此地下水灌溉是最主要的灌溉方式，约有7 hm2，占总面积的70%，地表水灌溉约有3 hm2，占总面积的30%。经测算，传统灌溉方式有效利用系数只有0.40～0.65。随着地下水资源逐年短缺，为解决农田用水问题，高效利用地表水、设计合理的节水灌溉系统成为有效解决当地水资源短缺问题的有效途径。

节水灌溉技术具有节水、现代化以及增产增效等特点［3］。根据灌溉方式以及地区气候、水文等条件的不同，当前主要的节水灌溉方式有滴灌、微灌以及喷灌等［4］。因此，基于金沙江河谷地带农田的人文、地理以及气候等实际情况，结合节水灌溉系统设计的设计标准与设计准则，对该地区农田的喷灌节水灌溉系统进行设计。

1 喷灌节水灌溉系统的组成及工作原理

农田节水灌溉系统主要由首部枢纽系统、输配水管网、蓄水池3 个部分组成，用户通过使用首部枢纽系统中的中央计算机控制中心，结合使用传感器、气象台、流量计等对农田作物生长环境进行实时监控与控制，为农作物提供适宜的生长环境管理。此外，通过使用输配水管网以及蓄水池结构保障农田用水，实现地表水的高效利用［5］。

1.1 喷灌

喷灌是一种利用低压管道（塑料管道）系统，将水直接输送到田间，再经过喷头喷射到空中，形成细小水滴，均匀洒落在农田中的灌溉方式。相对于大水漫灌等方式，喷灌节水效果更好，灌溉更均匀。

1.2 首部枢纽系统设计

当前，金庄村经济发展相对落后，农业自动化与信息化控制还未普及，灌溉一般采用人工控制［6］。应坚持以科技为先导的设计原则，结合当前现有的节水灌溉技术，充分借助当前先进的节水技术、节水设备以及节水理念等，探索出适用于金庄村的现代化新型节水灌溉技术，确保该节水灌溉系统未来的先进性以及可持续利用性。当地农田节水灌溉系统的首部枢纽系统采用互联网无线控制，通过对农田作物生长环境（湿度、土质等环境）的实时监控，使用传感器、气象站、流量计等进行数据采集；利用中央计算机控制中心对各参数进行计算，并基于计算结果发送相应的控制信号至相应的可编程控制器上，对各个参数进行闭环精准调控，不仅能最大程度节约水肥资源，而且还能为作物生长提供最佳条件。

其中，传感器为酸碱度传感器以及电导率传感器，以确定农田土壤的肥力情况，控制施肥泵的开启。状态数为农作物的生长状态，如生长周期等情况，以确定灌溉频率、灌溉总量、水肥需求量等参数。流量计测量供水系统的水流量大小，以实现灌溉量的精准控制。气象站监测温湿度情况以及风雨状况，以确定农田灌溉量等参数。

1.3 输配水管网设计

输配水管网是整个农田节水灌溉系统的水资源输送装置，本设计中输配水管网主要由输配干管、输配分干管、输配支管、输配喷管以及闸阀组成［7］。根据农田种植区域分布情况，对输配水管网四部分管道进行组装设计。

输配干管是输配水管网的主要输配管道，是主干部位，因水流量较大，考虑压差等因素，该部分的管道需要采用相对比较结实、耐压的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，简称PVC）材料管，管径为400 mm，工作压力为1.1 MPa。该管道为地下埋设管道，埋设于地面下0.8 m，且在低处均设排水井和渗水井。输配分干管采用聚乙烯（Polyethylene pipe，简称PE）材料管，管径为300 mm，工作压力为1.0 MPa，与输配干管同样埋设于地面下0.8 m。考虑到灌溉的灵活性，输配支管与输配喷管均采取地上走管的方式，且输配支管是移动支管，可以实现灵活移动。支管采用PE 材质管，管径为200 mm，工作压力为0.4 MPa，喷管由于送水量相对较小，采用普通的PE 材质即可，管径为16 mm，工作压力为0.2 MPa。

1.4 蓄水池设计

蓄水池是在水源干涸或供水不足时，作为备用水源灌溉农田，以提高地表水的利用率，达到节约使用资源的目的［8］。蓄水池设计为圆形半地埋式，直径为6 m，深度为2 m，总容量约56 m3。该蓄水池设有进水管口以及出水管，分别与该节水灌溉系统的输配干管连接，可在水源不足时调配蓄水池水进行农田灌溉，以保证农田及时灌溉，不影响作物的正常生长。

1.5 水源选择

根据该地现状，在进行水源选择时，基于因地制宜的原则，在既保证节约用水的同时，又节约劳动力成本［9］。因此，以地表水为主要水源，地下水为备选水源。地表水采用管道输配的方式，结合使用蓄水池，对该地区的农作物进行喷灌灌溉。地表水水源位于该地区附近的河流，地下水通过布置机井获取灌溉水。当地的水源pH 在5.5～8.0，符合喷灌的水源要求。

2 青稞灌溉技术要点

2.1 青稞种植喷灌参数设定

青稞在种植管理时，采用节水灌溉系统，需要遵循一定的标准，灌溉标准的主要参数设定如表1 所示［10］。

2.2 青稞种植灌溉制度管理

本灌溉系统设计的工作方式为续灌灌溉方式［11］。在进行续灌时，一般要求系统内各个管道供水保持一致性。在对青稞进行喷灌种植时，要始终坚持适龄灌水原则。青稞在不同生育期阶段的水分亏缺情况是不同的，对应的灌溉次数、灌溉量以及灌溉水利系数也都存在一定差别。

2.2.1 播种期

春播青稞一般在每年的4 月下旬至5 月播种，此阶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灌溉量仅需保持在2 m3，一次灌溉即可。若种植地在此阶段降雨，则不需主动灌溉，同时需要保证灌溉水利系数达到0.9。

2.2.2 分蘖期

青稞分蘖期一般在每年的5 月下旬至6 月中旬，此阶段是青稞的耗水旺期，耗水量在103.3 mm 左右，因此在此阶段需要增加灌溉量以满足生长需求。一般每667 m2灌溉量保持在5 m3，分蘖期只需一次灌溉即可。

2.2.3 拔节期

青稞拔节期一般在每年的6 月中旬至7 月初，此阶段是青稞的耗水旺期，但相对于分蘖期的青稞需水量，拔节期的需水量相对较少，耗水量在100.5 mm。因此该期间，每667 m2青稞的灌溉量应控制在4 m3，拔节期只需一次灌溉。

2.2.4 抽穗期

青稞抽穗期一般在每年的7 月初至7 月底，此阶段是青稞生长周期中需水量最大的时期，耗水量在121.0 mm，因此该期间每667 m2青稞的灌溉量应控制在6 m3，抽穗期根据实际情况灌溉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，此阶段青稞基本不需要过多水分，耗水量72.3 mm，因此该期间每667 m2青稞的灌溉量应控制在3 m3，根据实际需水情况灌溉1 次即可。

3 预期效益分析

结合青稞种植管理要点，本次设计的灌溉系统无论是从地表水的使用情况，水资源的高效利用，还是输配量的控制方式，均优于当前的灌溉方式，自动化程度高，水资源利用率高，节水效果显著。