论文部分内容阅读
摘要：微喷带的灌溉方式直接影响了微喷带灌溉工程的投入和效益的发挥，在工程实践的基础上，对微喷带移动式（PI）、半固定式（SFI）和固定式（FI）等灌溉方式的使用方法和适用条件进行了分析。结果表明：PI方式操作简单，劳动强度大，适用于小面积微喷带灌溉；FI方式管网成本高，但便于管理，适用于大面积节水灌溉工程；SFI方式系统投入和劳动强度介于PI方式和FI方式之间，适用于中等面积地块的灌溉。PI和SFI通过增大单条微喷带的灌溉面积，降低了微喷带平均投入，而FI主要通过增加微喷带使用年限降低设备投入。
关键词：灌溉方式；节水灌溉；经济性；运行管理；微喷带
中图分类号： S275.5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0507-03
收稿日期：2014-11-06
基金项目：国家科技支撑计划（编号：2014BAD12B04）。
作者简介：窦超银（1982—），男，江苏如皋人，博士，工程师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：chydou@163.com。微喷带灌溉是在喷灌和滴灌的基础上发展起来的一种新型灌溉方式，它利用微喷带将水均匀地喷洒在田间，灌溉流量大，灌水周期短[1]，所用设施操作简单，易于收放，节水增产效果明显[2-3]，为农户普遍接受。近年来在节水灌溉工程中得到一定的发展，尤其在辽宁地区，一般以补充灌溉为主，且灌溉多集中在春旱易发的作物苗期。喷灌滴灌等先进灌溉设备投入高，使用率低，应用效果低于预期效果，因而在一些地区“节水增粮”行动工程中，尝试建设使用了更为农民认可的微喷带节水灌溉工程。但是，目前微喷带灌溉的田间应用表明，由于缺乏田间应用方式的相关研究，实际应用时，微喷带灌溉普遍采用滴灌灌溉的用法，只是将微喷带代替滴灌带作为毛管铺设田间，这使得微喷带灌溉平均投入较高，影响了农户自发应用的积极性。因此，本研究在结合多年微喷带工程应用实践的基础上，对微喷带灌溉的田间灌溉方式及其适用条件开展研究，从而为微喷带灌溉技术的合理应用提供参考。
1微喷带灌溉技术
微喷带灌溉系统由水源与取水工程部分，输、配水管网系统和田间微喷带3部分组成。灌溉时，灌溉水在一定的工作压力下通过微喷带上规则分布的出水孔喷出，对作物进行灌溉。出水孔喷出的水流在空气阻力、水的相互撞击力、重力和表面张力等作用下，经过细流、碎裂、分散雾化3个过程后形成水滴，降落在地面和作物上[4]，形成以微喷带为中心、微喷带铺设长度为长、喷洒幅宽为宽的湿润带[5]。
常用直径32 mm微喷带流量达到8 m3/h，单侧喷幅4 m，幅宽8 m，铺设长度≤100 m，工作压力0.15 MPa。在工程设计和应用中，单条微喷带控制灌溉面积一般为0.067 hm2，目前市场上直径32 mm微喷带价格在300～350元/卷（100 m），即当和滴灌采用相同的管网布置和使用方式时，微喷带灌溉的田间毛管平均投入高出滴灌带1倍。
2微喷带灌溉方式
田间毛管的投入是直接影响农户选择灌溉方式的主要原因，在微喷带灌溉系统中，田间毛管即微喷带。工程实践表明，通过移动使用微喷带增加单条微喷带灌溉面积和通过固定微喷带增加使用年限是降低微喷带使用成本的有效措施。为此，在微喷带使用过程中，根据系统管路和微喷带的可移动性形成了移动式、半固定式和固定式3种微喷带灌溉方式。
2.1微喷带移动式灌溉
微喷带移动式灌溉（PI）系统主要由水源、机泵、软管、控制阀门和微喷带构成。除水源外，管道及分水设备都可移动，机泵有的固定，有的也可移动；在紧急抗旱时，可将移动水车作为移动水源。PI连接方式如图1所示，软管和控制阀门作为一个整体使用，灌溉时通过微喷带快接直接与微喷带相连，打开阀门，启动机泵即可进行灌溉，灌溉完毕后，关闭机泵，拆卸快接，将控制阀门与下一条微喷带连接，重复灌溉过程，第二条微喷带灌溉时，移动第一条微喷带放置下一处。PI一般以单条微喷带为灌溉单元，进行单独灌溉，田间配置2条或2条以上微喷带；在应用过程中，为了减少机泵的频繁启闭，部分用户对软管进行改进，在软管上通过三通分出2个带有一段软管的控制阀门，同时连接2条微喷带，当1条微喷带灌溉结束时，打开另一个阀门，关闭第一个阀门。
PI方式简便易行，由于1次1条微喷带灌溉，微喷带使用量少；流量约8 m3/h，一般选用直径50 mm软管作为输水管即可，也有农户用消防软带，设备投资低；但是由于灌溉单元面积小，运行时管件拆卸安装工作量大，在移动输水软管和使用过的微喷带时需要较大的劳动强度；另外，设备经过反复移动和安拆易破损，使用寿命缩短，因此，PI主要适用于近水源小面积地块的灌溉，尤其适用于一家一户土地分散经营模式下以家庭为单元的灌溉；而PI系统的灵活性和实用性也可将微喷带灌溉在紧急抗旱进行应用。
2.2微喷带半固定式灌溉
微喷带半固定式灌溉（SFI）系统主要由水源、机泵、地埋管网、出水装置、软管、控制阀门和微喷带等构成，即管道系统一部分固定，另一部分移动。SFI连接如图2所示，由软管一端连接出水栓，另一端固定1个控制球阀，灌溉时操作步骤和PI基本相同。在应用过程中，为了减少机泵的频繁启闭，使操作更为便捷，同时增大一次灌溉面积，减少轮灌组数，则充分利用田间出水装置，多条微喷带同时灌溉。出水栓两侧均通过软管和微喷带连接，2条微喷带同时灌溉；在另一出水栓上以同样方式连接2条微喷带，一组灌溉结束开始另一组灌溉，关闭并移动第一组微喷带做好新轮灌组的准备工作。如果单井控制面积较大，可不同分干管上的多个出水栓同时工作。
考虑到系统的经济性和水力性能[6-7]，软管多用直径50 mm 软管，长度应≤32 m，地下分干管采用直径63 mm PE管，长度≤36 m，即出水栓控制距离最大可达到64 m，控制面积约1.1 hm2；当1个出水栓上只有1条微喷带工作时，分干管长度可增加，但轮灌实施时微喷带较为分散，田间行走距离增加，反而增加了工作强度，故不推荐。 SFI方式较PI方式减少了软管的移动长度，且软管在一
条直线上移动，大幅降低了劳动强度和设备的磨损；SFI方式的另一个特点是可实现多条微喷带同时灌溉，提高了灌溉效率，增大了系统灌溉面积。但是SFI仍不可避免地存在劳动强度和设备磨损的问题，因此，SFI主要适用于离水源有一定距离，或面积中等的地块。
2.3微喷带固定式灌溉
微喷带固定式灌溉（FI）系统主要由水源、机泵、地埋管网、出水装置、地表支管、控制阀门和微喷带等构成，即管道系统固定，灌溉完毕后微喷带不进行移动。FI连接如图3所示，与SFI连接相比，FI出水栓后连接PE管，微喷带直接与PE支管相连，控制阀门安装在支管上，将不在同一分干管上的支管灌溉单元编组进行灌溉；灌溉时，打开阀门，启动机泵，灌溉单元连接的微喷带同时工作，灌溉结束时，先打开下一组阀门再关闭当前单元阀门；微喷带安装后在生育期结束时拆卸收回保存。
FI模式下，灌溉单元控制面积大小可根据实际需要而定，除地区水源条件外，主要考虑运行管理的难易程度和系统的经济性。灌溉单元面积较大时，系统便于灌溉管理，但管网投入高；当灌溉单元面积较小时，管网投入低，但田间工作量大。管网管径选择及控制面积确定可参考表1，如在辽宁省建平县八家农场微喷带灌溉项目区，水泵流量50 m3/h，灌溉面积约14.7 hm2，田间地埋干管选用直径110 mm PVC管，设6条地埋直径90 mm PVC分干管，每个分干管上安装3个双向出水口，每个出水口接2个灌溉单元，即单出水栓控制4个灌溉单元（图3），地表支管灌溉单元选用直径63 mm PE管，同时3条微喷带工作，灌溉面积0.2 hm2；灌溉时，同时开启不在同一分干管的2个支管灌溉单元，每个灌溉单元灌溉流量约24 m3/h。单井控制面积内共72个控制阀，每隔3 h由井管员田间启闭阀门1次，劳动强度适中，灌溉方式得到当地群众认可。
FI方式田间微喷带使用量大，灌溉单元面积大，工程一次性投资也较大，但系统运行管理方便，省工效益明显；微喷带在田间无移动磨损，使用寿命长，如在辽宁省彰武县阿尔乡微喷带灌溉工程中，微喷带已使用4年，仍能够正常使用，与普通滴灌灌溉相比，微喷带平均成本仅为滴灌带一半，且随着使用年限的增加，其经济性将更为明显，因此，FI适用于大面积且有一定管理条件的节水灌溉工程。
3讨论和结论
微喷带的3种灌溉应用方式中，PI和SFI通过移动微喷带增大灌溉面积以减少平均微喷带的投入，在微喷带使用当年即可见效，1次灌溉中如果1条微喷带移动使用10次，其投入约为30～35元/hm2，仅为滴灌带的20%左右，虽然田间移动软管和微喷带劳动强度大，但其低廉的投入，以及补充灌溉条件下，作物生育期内较少的灌溉次数，使移动灌溉较为普遍。在辽宁地区，PI常见于种植面积小于1.3 hm2的用户，SFI常见于承包或流转一部分土地种植经济作物的大户，如种植红干椒、韭菜、花生等，面积一般在1.3～4.0 hm2之间。
FI方式通过延长使用寿命降低平均投入，根据目前市场价格，微喷带使用2年即可和滴灌带投入持平，而一般微喷带使用寿命都较长，即使是田间移动灌溉，也可达到3～4年，尤其是在实际工程应用中，农户在需要灌溉时才安装微喷带，灌溉完毕后，有些农户卷收保存，有效延长了设备使用寿命。与PI和SFI相比，FI最大的优势在于运行管理方便，在建平县八家农场项目区，结合自动化建设项目实现了远程自动控制灌溉，更体现了FI方式的优势，这也是今后农业节水灌溉的发展趋势。
因此，本研究在结合现有工程基础上，通过对微喷带灌溉的田间应用形式开展研究，可以得到以下结论：（1）增大灌溉面积和延长使用年限是降低微喷带使用成本的主要途径，移动式和半固定式微喷带灌溉是增大微喷带灌溉面积的主要灌溉方式，固定式微喷带灌溉通过长期使用提高系统的经济性；（2）移动式微喷带灌溉操作简单，但劳动强度大，适用于小面积灌溉；（3）半固定式微喷带灌溉系统操作性和经济性介于移动式和固定式之间，适宜中等面积地块灌溉；（4）固定式微喷带灌溉便于运行管理，适用于大面积节水灌溉工程，有利于工程的长效发挥。
参考文献：
[1]窦超银，于国丰，王海兵. 压片式微喷带水力特性试验研究[J]. 节水灌溉，2012（5）：29-32.
[2]满建国，王东，于振文，等. 不同带长微喷带灌溉对土壤水分布与冬小麦耗水特性及产量的影响[J]. 应用生态学报，2013，24（8）：2186-2196.
[3]王海兵，窦超银，于秀琴. 压片式微喷带在辽西干旱区甘草种植中的应用[J]. 安徽农业科学，2012，40（20）：10703-10706.
[4]孟维忠，窦超银，张丹，等. 辽宁西部地区干旱特征与节水灌溉技术应用[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2014：171.
[5]张芳，李永鑫，和刚，等. 大田作物微喷带灌溉综合效益分析[J]. 人民黄河，2011（5）：76-77.
[6]水利部农村水利司. 微灌工程技术[M]. 郑州：黄河水利出版社，2012：103.
[7]夏桂敏，韩建平，迟道才. 现代灌溉技术[M]. 哈尔滨：东北林业大学出版社，2003：103.
关键词：灌溉方式；节水灌溉；经济性；运行管理；微喷带
中图分类号： S275.5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0507-03
收稿日期：2014-11-06
基金项目：国家科技支撑计划（编号：2014BAD12B04）。
作者简介：窦超银（1982—），男，江苏如皋人，博士，工程师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：chydou@163.com。微喷带灌溉是在喷灌和滴灌的基础上发展起来的一种新型灌溉方式，它利用微喷带将水均匀地喷洒在田间，灌溉流量大，灌水周期短[1]，所用设施操作简单，易于收放，节水增产效果明显[2-3]，为农户普遍接受。近年来在节水灌溉工程中得到一定的发展，尤其在辽宁地区，一般以补充灌溉为主，且灌溉多集中在春旱易发的作物苗期。喷灌滴灌等先进灌溉设备投入高，使用率低，应用效果低于预期效果，因而在一些地区“节水增粮”行动工程中，尝试建设使用了更为农民认可的微喷带节水灌溉工程。但是，目前微喷带灌溉的田间应用表明，由于缺乏田间应用方式的相关研究，实际应用时，微喷带灌溉普遍采用滴灌灌溉的用法，只是将微喷带代替滴灌带作为毛管铺设田间，这使得微喷带灌溉平均投入较高，影响了农户自发应用的积极性。因此，本研究在结合多年微喷带工程应用实践的基础上，对微喷带灌溉的田间灌溉方式及其适用条件开展研究，从而为微喷带灌溉技术的合理应用提供参考。
1微喷带灌溉技术
微喷带灌溉系统由水源与取水工程部分，输、配水管网系统和田间微喷带3部分组成。灌溉时，灌溉水在一定的工作压力下通过微喷带上规则分布的出水孔喷出，对作物进行灌溉。出水孔喷出的水流在空气阻力、水的相互撞击力、重力和表面张力等作用下，经过细流、碎裂、分散雾化3个过程后形成水滴，降落在地面和作物上[4]，形成以微喷带为中心、微喷带铺设长度为长、喷洒幅宽为宽的湿润带[5]。
常用直径32 mm微喷带流量达到8 m3/h，单侧喷幅4 m，幅宽8 m，铺设长度≤100 m，工作压力0.15 MPa。在工程设计和应用中，单条微喷带控制灌溉面积一般为0.067 hm2，目前市场上直径32 mm微喷带价格在300～350元/卷（100 m），即当和滴灌采用相同的管网布置和使用方式时，微喷带灌溉的田间毛管平均投入高出滴灌带1倍。
2微喷带灌溉方式
田间毛管的投入是直接影响农户选择灌溉方式的主要原因，在微喷带灌溉系统中，田间毛管即微喷带。工程实践表明，通过移动使用微喷带增加单条微喷带灌溉面积和通过固定微喷带增加使用年限是降低微喷带使用成本的有效措施。为此，在微喷带使用过程中，根据系统管路和微喷带的可移动性形成了移动式、半固定式和固定式3种微喷带灌溉方式。
2.1微喷带移动式灌溉
微喷带移动式灌溉（PI）系统主要由水源、机泵、软管、控制阀门和微喷带构成。除水源外，管道及分水设备都可移动，机泵有的固定，有的也可移动；在紧急抗旱时，可将移动水车作为移动水源。PI连接方式如图1所示，软管和控制阀门作为一个整体使用，灌溉时通过微喷带快接直接与微喷带相连，打开阀门，启动机泵即可进行灌溉，灌溉完毕后，关闭机泵，拆卸快接，将控制阀门与下一条微喷带连接，重复灌溉过程，第二条微喷带灌溉时，移动第一条微喷带放置下一处。PI一般以单条微喷带为灌溉单元，进行单独灌溉，田间配置2条或2条以上微喷带；在应用过程中，为了减少机泵的频繁启闭，部分用户对软管进行改进，在软管上通过三通分出2个带有一段软管的控制阀门，同时连接2条微喷带，当1条微喷带灌溉结束时，打开另一个阀门，关闭第一个阀门。
PI方式简便易行，由于1次1条微喷带灌溉，微喷带使用量少；流量约8 m3/h，一般选用直径50 mm软管作为输水管即可，也有农户用消防软带，设备投资低；但是由于灌溉单元面积小，运行时管件拆卸安装工作量大，在移动输水软管和使用过的微喷带时需要较大的劳动强度；另外，设备经过反复移动和安拆易破损，使用寿命缩短，因此，PI主要适用于近水源小面积地块的灌溉，尤其适用于一家一户土地分散经营模式下以家庭为单元的灌溉；而PI系统的灵活性和实用性也可将微喷带灌溉在紧急抗旱进行应用。
2.2微喷带半固定式灌溉
微喷带半固定式灌溉（SFI）系统主要由水源、机泵、地埋管网、出水装置、软管、控制阀门和微喷带等构成，即管道系统一部分固定，另一部分移动。SFI连接如图2所示，由软管一端连接出水栓，另一端固定1个控制球阀，灌溉时操作步骤和PI基本相同。在应用过程中，为了减少机泵的频繁启闭，使操作更为便捷，同时增大一次灌溉面积，减少轮灌组数，则充分利用田间出水装置，多条微喷带同时灌溉。出水栓两侧均通过软管和微喷带连接，2条微喷带同时灌溉；在另一出水栓上以同样方式连接2条微喷带，一组灌溉结束开始另一组灌溉，关闭并移动第一组微喷带做好新轮灌组的准备工作。如果单井控制面积较大，可不同分干管上的多个出水栓同时工作。
考虑到系统的经济性和水力性能[6-7]，软管多用直径50 mm 软管，长度应≤32 m，地下分干管采用直径63 mm PE管，长度≤36 m，即出水栓控制距离最大可达到64 m，控制面积约1.1 hm2；当1个出水栓上只有1条微喷带工作时，分干管长度可增加，但轮灌实施时微喷带较为分散，田间行走距离增加，反而增加了工作强度，故不推荐。 SFI方式较PI方式减少了软管的移动长度，且软管在一
条直线上移动，大幅降低了劳动强度和设备的磨损；SFI方式的另一个特点是可实现多条微喷带同时灌溉，提高了灌溉效率，增大了系统灌溉面积。但是SFI仍不可避免地存在劳动强度和设备磨损的问题，因此，SFI主要适用于离水源有一定距离，或面积中等的地块。
2.3微喷带固定式灌溉
微喷带固定式灌溉（FI）系统主要由水源、机泵、地埋管网、出水装置、地表支管、控制阀门和微喷带等构成，即管道系统固定，灌溉完毕后微喷带不进行移动。FI连接如图3所示，与SFI连接相比，FI出水栓后连接PE管，微喷带直接与PE支管相连，控制阀门安装在支管上，将不在同一分干管上的支管灌溉单元编组进行灌溉；灌溉时，打开阀门，启动机泵，灌溉单元连接的微喷带同时工作，灌溉结束时，先打开下一组阀门再关闭当前单元阀门；微喷带安装后在生育期结束时拆卸收回保存。
FI模式下，灌溉单元控制面积大小可根据实际需要而定，除地区水源条件外，主要考虑运行管理的难易程度和系统的经济性。灌溉单元面积较大时，系统便于灌溉管理，但管网投入高；当灌溉单元面积较小时，管网投入低，但田间工作量大。管网管径选择及控制面积确定可参考表1，如在辽宁省建平县八家农场微喷带灌溉项目区，水泵流量50 m3/h，灌溉面积约14.7 hm2，田间地埋干管选用直径110 mm PVC管，设6条地埋直径90 mm PVC分干管，每个分干管上安装3个双向出水口，每个出水口接2个灌溉单元，即单出水栓控制4个灌溉单元（图3），地表支管灌溉单元选用直径63 mm PE管，同时3条微喷带工作，灌溉面积0.2 hm2；灌溉时，同时开启不在同一分干管的2个支管灌溉单元，每个灌溉单元灌溉流量约24 m3/h。单井控制面积内共72个控制阀，每隔3 h由井管员田间启闭阀门1次，劳动强度适中，灌溉方式得到当地群众认可。
FI方式田间微喷带使用量大，灌溉单元面积大，工程一次性投资也较大，但系统运行管理方便，省工效益明显；微喷带在田间无移动磨损，使用寿命长，如在辽宁省彰武县阿尔乡微喷带灌溉工程中，微喷带已使用4年，仍能够正常使用，与普通滴灌灌溉相比，微喷带平均成本仅为滴灌带一半，且随着使用年限的增加，其经济性将更为明显，因此，FI适用于大面积且有一定管理条件的节水灌溉工程。
3讨论和结论
微喷带的3种灌溉应用方式中，PI和SFI通过移动微喷带增大灌溉面积以减少平均微喷带的投入，在微喷带使用当年即可见效，1次灌溉中如果1条微喷带移动使用10次，其投入约为30～35元/hm2，仅为滴灌带的20%左右，虽然田间移动软管和微喷带劳动强度大，但其低廉的投入，以及补充灌溉条件下，作物生育期内较少的灌溉次数，使移动灌溉较为普遍。在辽宁地区，PI常见于种植面积小于1.3 hm2的用户，SFI常见于承包或流转一部分土地种植经济作物的大户，如种植红干椒、韭菜、花生等，面积一般在1.3～4.0 hm2之间。
FI方式通过延长使用寿命降低平均投入，根据目前市场价格，微喷带使用2年即可和滴灌带投入持平，而一般微喷带使用寿命都较长，即使是田间移动灌溉，也可达到3～4年，尤其是在实际工程应用中，农户在需要灌溉时才安装微喷带，灌溉完毕后，有些农户卷收保存，有效延长了设备使用寿命。与PI和SFI相比，FI最大的优势在于运行管理方便，在建平县八家农场项目区，结合自动化建设项目实现了远程自动控制灌溉，更体现了FI方式的优势，这也是今后农业节水灌溉的发展趋势。
因此，本研究在结合现有工程基础上，通过对微喷带灌溉的田间应用形式开展研究，可以得到以下结论：（1）增大灌溉面积和延长使用年限是降低微喷带使用成本的主要途径，移动式和半固定式微喷带灌溉是增大微喷带灌溉面积的主要灌溉方式，固定式微喷带灌溉通过长期使用提高系统的经济性；（2）移动式微喷带灌溉操作简单，但劳动强度大，适用于小面积灌溉；（3）半固定式微喷带灌溉系统操作性和经济性介于移动式和固定式之间，适宜中等面积地块灌溉；（4）固定式微喷带灌溉便于运行管理，适用于大面积节水灌溉工程，有利于工程的长效发挥。
参考文献：
[1]窦超银，于国丰，王海兵. 压片式微喷带水力特性试验研究[J]. 节水灌溉，2012（5）：29-32.
[2]满建国，王东，于振文，等. 不同带长微喷带灌溉对土壤水分布与冬小麦耗水特性及产量的影响[J]. 应用生态学报，2013，24（8）：2186-2196.
[3]王海兵，窦超银，于秀琴. 压片式微喷带在辽西干旱区甘草种植中的应用[J]. 安徽农业科学，2012，40（20）：10703-10706.
[4]孟维忠，窦超银，张丹，等. 辽宁西部地区干旱特征与节水灌溉技术应用[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2014：171.
[5]张芳，李永鑫，和刚，等. 大田作物微喷带灌溉综合效益分析[J]. 人民黄河，2011（5）：76-77.
[6]水利部农村水利司. 微灌工程技术[M]. 郑州：黄河水利出版社，2012：103.
[7]夏桂敏，韩建平，迟道才. 现代灌溉技术[M]. 哈尔滨：东北林业大学出版社，2003：103.