基于轮作倒茬地块滴灌系统设计分析

王周奇

(泰安市水利勘测设计研究院有限公司，山东 泰安 271000)

1 研究背景

现代化的农业生产要紧紧围绕市场的变化调整种植结构，种植结构的调整就使得轮作倒茬成为必然。根据全国农作物重大病虫测报网(植物病虫情报(第一期)昌吉州农业技术推广中心2012年2月29日)昌吉州2012年主要农作物病虫蝗害长期发生趋势分析中指出，重茬是导致棉花病虫害发生的重要原因之一。根据内蒙古自治区乌兰察布市2013年农作物主要病虫害发生趋势预报分析指出，重茬是导致马铃薯病虫害发生的重要原因(马铃薯是乌兰察布市的大宗作物)。国内外研究结果表明，连作可使土壤恶化、病虫害增加、有毒物质危害严重。连作会造成某种或几种大量元素或微量元素缺乏。合理轮作倒茬是用地与养地相结合，保证持续、全面增产的有效农业技术措施。

众所周知，滴灌是迄今为止世界上最先进的工程节水技术之一[1]。目前，在轮作倒茬条件下滴灌系统设计的相关研究甚少，或是空白，只在相关文献研究中提出了要注意轮作倒茬，包括微灌工程技术标准[2]均没有说明该如何来做。因此，开展轮作倒茶条件下滴灌系统适用性研究并针对已经建设实施的滴灌系统存在的问题进行分析，旨在推出轮作倒茬地块中滴灌系统的设计理念—保持系统所属单根支管流量的基本稳定性，从而保证整个系统的可靠运行。

2 轮作倒茬地块中滴灌系统的设计

滴灌相对是一项技术性很强而且比较复杂的工程。滴灌工程的主体，输配水管网占了整个工程投资的大部分。管网布置就相当于人体血管，对于整个工程来说至关重要，不仅要达到管路短、投资省、效果好、结构简单、利于管理操作的要求，还要适应农作物的种植生长需水要求，而且要保证运行安全。同时管网布置要因地制宜进行铺设，要考虑地块形状、坡度、水源位置，以及作物种植结构、气候条件等因素，因此，其优化设计颇为复杂。滴灌系统一旦建成，必须保证在生命周期内的正常运行。地埋管道的折旧年限较长，根据水利建设项目经济评价规范[3]附录C，塑料管、PVC管的折旧年限一般为20年。高新节水技术，不能适应变化着的作物栽培模式的灌水要求，将影响着高新技术的应用推广和效益的充分发挥。尤其在轮作倒茬地块中，使得高新节水灌溉适应农业种植技术的问题成了摆在技术人员的面前一道难题。

2.1 滴灌系统的设计要求

轮作倒茬的作物滴灌输水管网设计与连续种植单一作物滴灌管网不完全相同，需满足不同作物的灌水需求，而不同作物种植模式不同。对轮灌倒茬的作物进行滴灌系统设计时，首先要分析可能进行轮作倒茬的作物种类，并按重要性进行排序。不同作物高峰耗水期的设计灌溉补充强度可能不同，株、行距也可能不同。原则上应按灌溉补充强度的最大值和重要作物的栽培模式进行设计，适当照顾其他作物的栽培模式。即按照常规滴灌的做法，根据所有参与轮作作物的种植模式，土壤性质和拟采用的毛管，计算出所有参与轮作作物的轮灌组数，选出轮灌组数较少的作物进行计算。通过对几种作物的分析计算，轮灌组增加的时间不会超过三天，并不影响作物的生长。这样可以基本满足所有参与轮作作物的灌水需求，然后根据所有参与轮作作物选择出轮灌组数较接近切较少的重要作物来确定出单根支管及滴灌系统的流量，再通过适当调节毛管的相关参数及作物的种植模式，来实现支管流量的基本稳定，从而保证系统流量的基本稳定，实现了不同作物的灌溉需求。

在轮作倒茬的模式下，影响滴灌系统的设计有以下2种情况[4]：

(1)设计灌溉补充强度不一致。

(2)作物株行距不同，要求的滴头和毛管的布设方式可能不同。

在轮作倒茬的模式下，滴灌系统在设计过程要解决好以下2个问题[4]：

(1)重要作物的耗水强度。设计灌溉补充强度应取重要作物的耗水强度。

(2)作物的株行距不同。不同作物种植模式不尽相同，因而所设计的滴灌系统尽可能满足所有轮作倒茬作物的灌水需求。

2.2 保持系统所属单根支管流量基本稳定

滴灌系统的规模一般都是依据水源条件确定的，也就是说滴灌系统的设计流量一般情况都是确定的。滴灌系统一般来说有自压系统和加压系统之分，两种系统都需要保持系统的稳定和系统流量的接近，因此提出了保持单根支管流量基本稳定的设计理念。简述如下：

(1)自压滴灌系统一般都是大型的，且不需要附加能源，因此保持单个系统的稳定对与整个滴灌系统才是有利的。对于单个系统，不管种植任何一种作物，包括轮作倒茬时，只有单个系统的流量基本接近，才能保证整个滴灌系统的稳定运行。

(2)加压滴灌系统一般来说都是单个的，而且需要附加能源，加压滴灌系统一般都是更要保持系统的稳定。对于加压滴灌系统，不管在轮作倒茬任何一种作物时，该系统的流量都要基本接近。因为加压滴灌系统在按某一种作物(重要作物)设计时，水泵的扬程和流量已经确定，而且在设计工况下，水泵基本处于高效工作区。如果不能保持轮作倒茬作物的系统流量相接近的话，将会使设备长期不处于其高效工作区之内，对于设备的使用寿命和能耗都是不利的。

通过以上分析，在设计轮作倒茬滴灌系统时，必须分别计算出可能进行轮作倒茬的作物的轮灌组数，以轮灌组数最少作物为例，根据管道经济流速进行系统支管流量的选择，然后根据轮灌组的划分，进行滴灌系统流量的计算。即以轮灌组数最少的作物所需要的系统流量来满足其他轮灌组数较多的作物的所需要的系统流量。例如，小麦收割后种植玉米，由于小麦毛管间距为0.6m，玉米毛管间距为1.0m，单位面积小麦所需流量较大，因此通常以小麦为典型作物进行滴灌系统设计，同时对玉米也要做完整的设计，包括设计参数、灌溉制度、工作制度、灌水小区水力计算接点压力验算等，如果玉米滴灌所需流量和压力远小于小麦滴灌系统所需流量和压力，对于已选定的水泵设备，就需要配备变频设备，但是增加设备倒不如采取简单的工程措施而保障设备的正常运行来的实惠。

根据本文所推荐的设计理念，通过筛选出适合不同作物轮作倒茬生产的滴灌带铺设方式[5]来调节玉米滴灌的毛管参数来保证系统设备的正常运行。孔繁宇[6]通过开展不同滴灌带和不同铺设间距的滴灌效果试验，确定在新疆地区的壤土条件下，滴灌带铺设间距为1.2m以内，可在地下形成一个湿润层，无论地面上采用何种播种方式，播种行无需和滴灌带吻合，也可满足作物需水要求。张秀捷[7]的研究表明，水条件相同的情况下，滴灌带间距和滴头间距耦合作用对黄瓜没有显著影响。根据赵鹤等人的研究结果表明[5]：不同滴灌带间距对作物产量影响不大，同时可保证土壤水分均匀度，满足作物灌水需求。对于大型的自压滴灌系统，这时就可以通过调节其他作物采用毛管的滴头流量和滴头间距来适当调整其他作物的轮灌组数，使其尽量与设计工况下的系统流量和压力尽量想接近，以保持系统的稳定性。也就是说不管在种植那种作物的情况下，通过调整滴灌带铺设方式等相关参数来实现轮灌组数的调整和保持支管流量的稳定性，从而实现系统流量的稳定性，使得所设计的滴灌系统最大可能的发挥效益。

3 现有滴灌系统存在的问题

以新疆为例，棉花是新疆农业的主导产业，目前滴灌系统中主要用于棉花灌溉[8]，节水滴灌技术为新疆地区经济作物的生产带来了不小的效益。新疆地区在农业生产上具有不断改革创新的科研精神，在节水灌溉领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统，在作物倒茬轮作时无法实行，对土壤结构及生态环境造成了一定的负而影响[8]。前期在做滴灌工程设计时，往往只考虑了单种或连种一种作物，从而导致已实施滴灌工程在当年的工程运行情况较好，而到下年由于种植倒茬原因，种植模式的变化由稀植作物变成密植作物就会出现很多问题，比如爆管和压力不均衡等，以至于影响了工程的正常使用。

同时由于多年种植棉花，棉花连作年限的的增加，也产生了土壤肥力下降作物产量降低、品质变劣、病虫害加剧等现象[8]。同时单一的种植作物对土壤结构及生态环境造成了一定的负面影响，不利于农业的可持续发展。

上述问题的出现，是由于微灌工程技术标准[2]存在的缺陷或设计人员的习惯问题，未能将滴灌工程设计与农业增产技术上可能出现的轮作倒茬措施考虑进去。对这一问题解决具有普遍意义，各地区都在寻求好的解决方法。

4 设计方法的应用及验证

在伊犁河南岸干渠灌区第四师部分扬水灌区工程项目设计过程中考虑了6种作物的轮作倒茬，分别是冬小麦、甜菜、玉米、油葵、青贮玉米和苜蓿。首先根据不同作物的耗水强度及种植模式和经验，几种作物常用的毛管，分别计算出了几种作物的轮灌组数，通过计算，在所选择的参数情况下，苜蓿的轮灌组数最少，小麦的轮灌组数最多，其他几种作物与苜蓿的比较靠近，因此，按照苜蓿计算出，支管的流量以及系统的流量，从而确定系统的常用流量，然后通过调整小麦所用的毛管参数和毛管的布设方式，来调整小麦的轮灌组数，让小麦在灌溉时，轮灌组数与苜蓿接近或相同，从而使得支管的流量比较接近，同时系统的流量和压力尽量与苜蓿灌溉时比较接近，以满足整个系统的稳定运行。

4.1 基于轮作的滴灌技术应用

作者根据自己的多年设计经验，认为在每幅窄膜70cm下，铺设一根滴头流量为1.8～2.6L/h、滴头间距为30cm的滴灌带，同时根据地形及与水源压力合理布局支管，每根支管间距以75～80m为宜，分干管间距以150～160m为宜，也就是说每根支管控制面积为80m×80m左右，即单根支管的过流量控制在50～60m3/h左右，最好采用φ110的支管算出来的支管经济流速在规范允许的范围之内。灌溉排水与排水工程设计标准[9]6.3.3管道设计经济流速应控制在0.9～1.5m/s，不能一边加压一边又在把支管的水头损失取得太大，过多的消耗能量，使得灌水小区的水头偏差与规范不符。同时这种布置方式，计算出来的支管水头损失，只有1m左右，毛管的水头损失只有0.5m左右，对于支管轮灌的方式而言，一条支管为一个灌水小区，只需要保持同时轮灌的支管入口处的水头基本稳定，这样就完全可以省去稳流三通，用普通的承插三通或直通就可以了，而且满足灌水小区所允许的水头偏差率。

4.2 应用效果

采用上述方法布置φ110的支管，毛管的铺设长度和计算的极限长度相差较大，出水栓之间的距离偏小，但灌水小区水头偏差远小于按规范推荐的公式计算出来的水头偏差，可以不考虑稳流三通的水头损失(通常计算按4.0m)，对于后期的运行费用及节能方面的贡献较大。

如采用φ90的支管如此布置，计算出来的支管水头损失，只有3.0m左右，毛管的水头损失只有0.5m左右，只计算出来的就已经超出了灌水小区所允许的水头偏差率。这种情况下就必须采用稳流三通了，根据实践经验，稳流三通的水头损失约在4.0m，对于后期的运行费用及节能方面的而言，与φ110的支管相比较而言，差别较大。

新疆生产建设兵团第七师在2006—2008年间实施了6.67×104hm2滴灌工程，由于当时种植模式单一等诸多原因，毛管铺设较长，分干管间距240m左右，导致种植模式变化后灌水均匀度不好，相关团场已经对原设计做了相关的更改，或采用长短管即双支管滴灌系统[10]或增加出地桩，一条支管控制10亩地左右。根据理论计算，此布置偏于保守，但是使用方便。同时加压滴灌系统，根据支管的过流量和经济流速的要求，不能一边加压一边又在把支管的水头损失取得太大，过多的消耗能量，使得灌水小区的水头偏差与微灌工程技术标准[2]5.2.4条规定计算出来的不符。

5 应用分析

通过近几年基层运行单位的实际做法，照以上这种布置滴灌系统中的管网，基本上可适用于任何一种种植作物，可以满足不同时期轮作任何作物的灌水需求。比如，这种布置管网形式，滴灌棉花时，毛管间距为76cm，滴头流量为2.1L/h，单根支管的流量为57624.0L/h；滴灌玉米时将膜上行距由常规地膜玉米的40～45cm，缩至30～35cm，将膜间距增加至60～65cm，株距24cm，毛管间距1.0m，滴头流量为2.8L/h；单根支管的流量为58800.0L/h；基本上保证了单根支管系统流量的稳定，从而保证了整个系统流量的稳定性。

目前长久不变和分散的土地承包政策不适宜滴灌技术的推广，若要实施，必须统一运行管理、统一作物种类、统一施肥标准、统一种植时间、统一田间农作、统一安装和拆卸滴灌管道。为了强化棉田轮作倒茬，有效遏制生态环境恶化，减少投资并充分利用现有棉区滴灌设施推广轮作倒茬，可以对已建成的滴灌系统进行改造。对现已建成的滴灌系统而言，要做到适应轮作倒茬，主要有以下几种方法：①将同一种作物尽可能连片种植在同一个轮灌组上；②采用长短支管，与短支管等长的长支管部分为盲管即输水管，长出的部分上面敷设毛管，或改造成为双支管滴灌系统[10]的方法；③增加出地管，即缩短已建成系统的支管间距。目前，按本文所推广的管网布置形式成功改造了原有滴灌系统的，都已实现了经济作物之间进行倒茬轮作，如棉花和辣椒倒茬、棉花和瓜类倒茬、棉花和葵花倒茬、辣椒和葵花倒茬等；不仅有效缓解了旱情，而且省工、节水、节地，肥料利用率高，病虫害为轻害。

6 结语

现代化的农业生产要紧紧围绕市场的变化调整种植结构，种植结构的调整就使得轮作倒茬成为必然。对轮作倒茬的地块中的作物实施高新节水灌溉进行研究具有非常重要的现实意义。作者仅通过多年的设计经验和对管网布置的处理，提出了在轮作倒茬地块中滴灌系统的设计方法，供同行借鉴参考，不足之处在于没有具体效益数据的支撑，乞求相关理论研究不断完善补充。建议在今后的规范修订时能于农业增产技术完美结合，同时在新建滴灌工程设计中必须合理处理作物的轮作倒茬问题，将节水灌溉技术与农业增产技术有机紧密结合起来，发挥综合的节水增产效益，从而达到促进当地农业经济发展的要求，更好地推动农业现代化发展。