地下滴灌系统（通用7篇）
地下滴灌系统 篇1
地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation,简称SDI)技术是在传统的地面滴灌技术的基础上发展而来的,它是把滴灌系统的末级管道-滴灌管线(內镶式滴灌管或带管上式滴头的毛管)埋入地下(作物根区附近)的一种低压力、低流量,较为频繁运行的局部灌溉方式。地下滴灌系统能够准确和均匀的向作物根系提供水、肥、植保药品等,可对作物根区水分、空气、养分进行精确调控,从而为作物创造最适合的生长环境,并获得最佳作物产量和品质。地下滴灌技术适用作物广泛,具有节水、节肥、节省劳力、防止土壤次生盐碱化、可以利用中水灌溉等显著的特点和优点。
在美国,地下滴灌系统最初主要应用于加州、夏威夷和德州的甘蔗、棉花、柑橘、菠萝、蔬菜、鳄梨、果树、草坪、甜玉米以及马铃薯。后来其应用扩大至其他区域,能应用的作物的数目和种类也得到增加,包含农艺作物和蔓生作物。使用回收利用的中水或者废水资源的SDI系统出现于20世纪90年代,这些应用最初开始于园林植物、树木以及草坪,而在以色列应用废水的SDI系统可被用于玉米、棉花、小麦、豌豆以及紫花苜蓿。
目前SDI可被应用于多种作物,包括树木、果树、藤本植物、农业作物、牧草、园林植物及草坪。SDI系统应用于果树和蔬菜作物,番茄(鲜食和加工)上的应用最为普遍,其次是莴苣、马铃薯,以及甜玉米。其他作物包括苹果树、芦笋、香蕉、柿子椒、甘蓝、卷心菜、甜瓜、胡萝卜、花椰菜、豌豆、青豆、秋葵菜、洋葱、番木瓜、油菜、南瓜以及栽培花卉等。而农艺作物中棉花和玉米应用的最为普遍,其他的还包括紫花苜蓿、高粱、花生、御谷和小麦。SDI系统应用于某些特定作物有着各种各样的原因。例如通过应用塑料薄膜和SDI系统可以降低诸如草莓等作物的植株病害,因为二者结合使用可以使土壤表面和植株叶子保持相对干燥。可以多年应用的SDI系统可以降低每年的系统投入,这样就使SDI系统用于较低产值的棉花和玉米等作物上时变得有利可图。水肥的精确施予及管理(SDI系统的独特的优势)对于树木和曼生作物来说是非常重要的因素。
我国2002年开始在新疆地区进行了棉花地下滴灌小面积示范,取得了很好的示范效果。在此基础上,2003年至2004年新疆又进一步推广了约1.4万hm2棉花地下滴灌。与此同时其他的灌溉公司也在国内广西、广东、甘肃等地进行了这方面的试验推广工作,为地下滴灌技术在我国的大面积应用推广进行了有益的探索和实践。从试验、示范到大面积推广的经验教训来看,地下滴灌技术在规划设计、运行管理中应着重从以下几方面进行考虑。
1 滴灌管线选择与间距布置
在进行地下滴灌系统的规划设计时通常都有多种不同的滴灌管线供选择,应充分考虑满足特定作物和土壤条件的要求,并节省投资。
1.1 管线壁厚及性能
应该根据经济、农业技术条件(作物品种、生长阶段、气候、土壤)等选择不同壁厚和性能的滴灌管线。通常来说多年生木本作物多采用壁厚介于0.6～1.5 mm的滴灌管线;一年生或多年生草本作物多采用壁厚介于0.15～0.6 mm的滴灌管线。
作物种植区域内地形坡度大小及经济因素是决定系统是否选用具有压力补偿性能滴灌管线的重要因素,通常来说平坦地形宜选用非压力补偿式滴灌管线以节省投资,较大坡度地形宜选用压力补偿式滴灌管线,以防止表面湿润及产生地面径流。经济条件好、经济价值高的作物可以考虑选用压力补偿式滴灌管线,而经济条件一般、一般的经济作物应考虑选用非压力补偿式滴灌管线。
1.2 滴灌管线间距
管线铺设间距与作物根系发展、毛管土壤水分再分布及灌溉季节内有效降雨有关。经济上考虑可选用较大的铺设间距,但较大的铺设间距很可能对作物供水不均匀,并可能导致在多种土壤类型上的深层渗漏。一项在得克萨斯州西部沙壤土上进行的研究表明:对于行距75 cm的玉米来说,理想的滴灌管间距是150 cm。经验做法是砂性土滴灌管线行距小而粘性土行距大。在滴灌管下部具有不透水粘土层的土壤条件下可允许较大的滴灌管铺设间距而不会影响作物产量,同时在降雨量较大而作物对灌溉依赖程度较低的地区,也可以考虑较大的滴灌管线间距。
1.2.1 大田及蔬菜作物
通常情况下每行作物一根滴灌管线,其优点是有利于出苗和节约用水,缺点投资较高。但实际设计时会有不同的考虑,例如对于我国新疆地区的棉花地下滴灌,如果要求土壤地下全部湿润,滴灌管行距一般0.8～1.2 m,如果根据棉花种植模式埋设滴灌管,行距为1.4～2 m,棉花根系有向水向肥性,这种布置方式可以是一行滴灌管控制4行棉花,或两行棉花,但播种时必须对准滴灌管,使滴灌管在4行或2行中间,同时要结合考虑机耕车道。此种情况下必须用喷灌或地面灌溉辅助出苗。对蔬菜作物也可以考虑用一行滴灌管线控制两行作物。
1.2.2 果 园
在果园地下滴灌系统中,地埋滴灌管线的数量和间距针对每类作物和土壤类型而有所不同。
当今的国际趋势是当果树行距超过4 m时每行果树设计两根地埋管线,每行两侧各一根。当种植密度较高,树行距为2.5～3.5 m时,可以只设计一根地埋管线。
通常情况下,两根地埋管线间的距离为1.2 m以便在树根部区获得持续湿润带,在轻质壤土条件下,地埋滴灌管线间距要缩小。在成熟果园里,地埋管线离果树行越近越好,地埋管线间距大约为1.5 m。
1.3 滴头流量、间距
滴灌管线间距与作物行距密切相关,而滴头间距的确定更多的与作物、土壤及轮作制度有关。滴头间距选择方面的另一个重要考虑因素是个别滴头堵塞时的影响和结果,研究和实践表明滴头间距越小,个别滴头堵塞时对作物的影响愈小。因而与地面滴灌相比较,滴头间距要小一点,以最大限度的满足作物轮作要求。通常来说,低流量、小间距更适合地下滴灌,也更能灵活地适应作物的需水变化。具体来说大田作物和果园里标准的滴头间距为0.5 m,在浅埋滴灌蔬菜中,间距应为0.2～0.4 m,这取决于特殊的作物和土壤类型。滴头流量可设计为1.0～2.0 L/h,滴头间距越小,所选择的流量应该越小。
2 滴灌管线埋设深度
滴灌管线的埋设深度取决于农业技术因素(如根系位置、深度、预期耕作深度等)和土壤类型。较深的埋深可减少土壤蒸发的潜力,并可允许范围较大的旋耕等土壤扰动活动。但较深的埋深有可能限制系统对种子发芽、出苗的有效性,并可能限制土壤表面施用养分的有效性。滴灌管线的埋设深度根据不同的作物根系情况可分为浅(5～10 cm)、中(10～25 cm)、深(大于30～45 cm)3种情况,常见作物滴灌管线埋深参考值如表1示。
2.1 浅层埋深
浅层铺设通常都用于畦植作物。最常用于两类作物:一是根系细小、浅的作物,如大葱、草莓等,二是需要表层土壤保持湿润的作物,如花生、土豆等。对砂性土壤和土层较浅的土壤也采用这种方式。
在浅埋地下滴灌系统中,滴灌管线通常在灌溉季节结束后从田间收回,并储放到下一季节开始。浅埋滴灌与深埋滴灌所使用的滴灌线不同,深埋滴灌是一次铺设,多年使用。当浅埋滴灌需使用两个季节时,就应当把它看成跟长期使用的深埋滴灌一样,考虑与之相关的问题,如管道中空气的释放和防止真空等。
使用浅埋滴灌的另一个原因是防止滴灌管线的移动(这种情况在地表滴灌的安装中经常发生),在铺膜种植的作物上或在强风地区采用这一方法尤其重要。浅埋滴灌在无覆盖的作物上也经常使用,目的是防止管线移动和在收获作物时保护设备不受损坏。
对于西瓜及甜瓜来说,因为栽种位置和灌溉设备每一季节都需要变化,所以农户更喜欢浅层滴灌,因为滴灌管线在土壤中固定其优点是明显的。滴灌管线应沿着根系区边沿铺设而不是正好铺在根系区的下方,这样可以防止根系缠绕滴灌管。浅层滴灌应用于作物出苗时,其埋设深度应在10 cm左右。
2.2 中等埋深
中等埋深条件下,滴灌管线埋在根系的主要分布区。这种深度下易于操作,但不能进行深层耕作。这种方式适合大多数作物,特别是蔬菜和果树。
2.3 深度埋深
深根性作物在重壤土到中壤土中都广泛采用这种形式,特别是那些在季节开始前和结束后都必须进行土壤耕作的大田作物。
如果想长期、多季节使用地下滴灌系统,对大田种植的深根性作物来说一般选用深层铺设滴灌管,例如对于棉花,埋深应在35～45 cm之间。有时它也适用于一系列作物的轮作,此时铺设深度取决于最难灌溉的那种作物的需要。在任何情况下,滴灌管都必需铺设在最深犁层之下。
在可能存在不透水粘土层的情况下,滴灌管线应该埋设在不透水层上部,这样有助于提高土壤保水性和土壤水分再分布。当地面坡度小于2%时,滴灌管线应尽可能的顺坡埋设。在较陡峭的梯田上,滴灌管线应该沿等高线方向铺设,并应用压力调节技术。
滴灌管线应铺设均匀,并注意使滴头保持向上的位置。目前已有敷设滴灌管线的专用铺管机,该种机器开沟、铺管、埋管一次完成,操作简单方便,可以大大提高滴灌管线的铺设速度和效率。
3 地下滴灌应用重点注意事项
由于地下滴灌系统布置方式的特殊性,防止根系入侵和滴头堵塞无论是在设计阶段的管线选择、水质处理上,还是随后的运行管理当中都是重点考虑的因素。目前已有一些有效解决此类问题的方式和方法。
3.1 防止滴头堵塞常规措施
3.1.1 水源过滤
通常来说微灌系统对水质要求较大,对地下滴灌系统来说更是如此,因其所有设备均埋入地下,监测和维修都相对困难,因而要求选择极为可靠的过滤系统。简单来说应该根据不同的水源类型选择不同的过滤器或过滤器组。
若滴灌水源为湖水、水库水、池塘水、河水或渠道水,这些水中含有大量泥沙、碎屑、藻类和有机质等多种悬浮物质,此时应选用自动反冲洗叠片式过滤器组或者介质过滤器与叠片过滤器的过滤器组合,过滤精度应该满足滴头孔径的要求,若河水或渠道水中泥沙含量较大,总悬浮固体含量(TSS)在200×10-6以上时,过滤器不能处理此类情况,应考虑在过滤之前修建沉淀池。澄清时间取决于颗粒的大小及沉淀池的深度。
若项目水源是井水,在沙含量大于1×10-6时应该选用离心式过滤器与叠片式过滤器的过滤系统。离心过滤器靠离心水流工作,可清除井水中所含大部分砂石等杂质。叠片式过滤器作为二级控制过滤器,可有效清除剩余杂质,足以保证地下滴灌系统的正常运行。
3.1.2 灌水小区的冲洗系统
冲洗是地下滴灌系统防止滴头堵塞的一个重要的预防性维护步骤,收集管和冲洗阀便于冲洗的进行。灌水小区的冲洗系统就是将灌水小区的滴灌管根据一次能够进行冲洗的数量进行分组,将其末端同时连接于类似于支管的收集管上,并在收集管上安装冲洗阀和真空阀。建议毛管末端有效冲洗速度应该大于0.4 m/s,这样的流速可以产生必需的紊流,能够防止水中悬浮颗粒的沉淀。为方便操作,建议集水管设计在地边或路边。当滴灌管线间距大于6 m时,为减少成本,建议设计采用滴灌管线冲洗阀取代收集管系统。
冲洗系统是地下滴灌系统安全可靠运行的重要保证之一,其作用主要有:
(1)可以简单并频繁地冲洗地埋管线;
(2)可以在短时间内同时冲洗大量地埋管线;
(3)当某些滴灌管线中部部分或全部堵塞时,收集管可以形成供水回路,保证供水,提高供水保证率;
(4)当滴灌管线局部受到破坏时,破损点两侧形成的压力水流可以更有效地阻止污物进入滴灌管线。
3.1.3 真空阀
地下滴灌系统中数量众多的真空阀是预防滴头堵塞的安全保护装置,可以延长滴头的使用寿命。其作用是能够在灌溉停止时让空气进入支管和滴灌管线,防止管道中真空的形成,而管道内的真空会对系统造成严重危害,如当系统关闭、滴灌管线停水时,细小的土壤颗粒由于虹吸作用可能被吸入到滴头中去,导致滴头堵塞。
3.1.4 酸、氯及氧化处理
经验表明80%的滴头堵塞是由微生物和化学物质造成的。有机微生物可采用常规的氯处理方法,以解决系统中由于其沉淀而导致的堵塞问题,像细菌(黏液菌)、黏土和海藻;钙和盐类物质造成的堵塞可采用酸处理的方法,目的是要溶解毛管或滴头中出现的水垢沉淀物(碳酸盐、氢氧化物、磷酸盐等),但当有机物沉淀也同时存在时,酸处理没有效果。在特殊情况下,当灌溉水中的铁离子含量大于1.0×10-6或锰离子含量大于0.3×10-6时,必须采取特殊的措施在灌溉水进入管道之前对铁与锰类物质进行氧化处理后进行过滤。
3.2 滴头防根系侵入措施
3.2.1 采用特殊设计或带有特殊结构的滴头及管线
采用化学保护性滴头,此类滴头是将Treflan 或称Trifluralin(氟乐灵)作为化学保护试剂,添加到滴头的塑料材料中,可起到抑制根系向滴头附近生长的作用。
以色列耐特菲姆、普拉斯托等公司生产的内镶式压力补偿滴头,在灌水停止时滴头出水口可自动关闭,能有效防止负压吸泥。
目前耐特菲姆等多家滴灌公司已开发出了专用于地下滴灌系统的具有舌片的滴灌管线。这种独特的舌片结构由舌片和舌台组成,其主要作用是灌溉结束后防止负压吸泥,防止作物根系侵入滴头,从而可以有效预防滴头堵塞。
美国雨鸟公司研制生产出一种铜屏蔽防根侵入滴头,其做法是在滴头中嵌入一铜片结构,植物根系自然分泌有机酸,这样可以使铜片从接触面上分离出铜离子,根尖生长遇到铜离子受到抑制,阻止侵入滴头根系生长。但根尖铜不会影响植物的其他部位,植物其他部分可以健康生长。
3.2.2 施用除莠剂(氟乐灵)
除莠剂(氟乐灵)可以在滴头周围形成一道化学屏障。它溶解于土壤中,形成湿润的防根系保护层,从而使根系无法在其中生长,此保护层可以持续在滴灌管的全寿命期内有效(如果氟乐灵补充及时)。因此基于良好的滴灌系统管理,植物的根系就不会在含有氟乐灵的土壤内生长。但是如果植物得不到及时的灌溉,则氟乐灵无法阻止根系自然生长,从而滴头被侵入的可能性将增加。
常规的氟乐灵处理是在每年的生长季节末,最好在土壤较干时进行,以防止氟乐灵在滴头周围的溶液很快渗漏损失。对于中壤或重壤土,用1 g氟乐灵可以处理8个滴头,在这些土壤类型中,氟乐灵可迅速吸附在滴头周围土壤颗粒上。沙壤土中含沙量高于88%时不适合使用氟乐灵,因为氟乐灵的向下和侧渗会损坏作物根系系统。
3.2.3 灌溉管理的特殊考虑
滴头周围土壤应该保持高含水量、无空气条件以抑制根系生长。而对于有些作物则需要一些水分胁迫,其灌溉可能相对停止较长时间,因此在水分胁迫这段时间里开启阀门灌溉较短时间,以便保持滴头附近土壤湿润,限制根系侵入。
摘要：通过近年来国内外试验、示范、推广应用地下滴灌技术的实践经验,对地下滴灌系统规划设计、运行管理有关问题进行了总结和阐述,对滴灌管线的选取、适宜埋设深度的确定、灌水小区的冲洗、真空阀的设置、水质处理等地下滴灌系统设计应用常见问题逐一进行了说明,可为地下滴灌技术在我国的进一步推广应用提供参考。
关键词：地下滴灌,节水灌溉,规划设计,高效用水
地下滴灌系统 篇2
中国的滴灌技术, 是从20世纪70年代开始涉及, 到90年代初以色列的普拉斯托 (Plastro) 、艾森贝克 (Eisenberg) 和耐特菲姆 (Netafim) 等公司进入中国后始得到迅速发展, 通过近20年的示范推广, 目前滴灌技术的应用在我国农业现代化的发展过程中有着举足轻重的地位。
地下滴灌系统技术是以色列耐特菲姆公司 (Netafim) 从20世纪90年代末引进中国, 最初是在新疆的棉花、葡萄等作物上示范应用, 后于2003年开始在广西的金光、柳兴、贵糖等3个农场的甘蔗种植中进行试点应用推广, 目前已在我国的广西、广东湛江、海南等蔗区应用推广达10000多公顷;而且还通过广西天华高科技有限公司将该技术推广应用到西非的多哥、贝宁等蔗区, 面积也已达上万公顷。
地下滴灌系统技术是将滴灌毛管铺设在耕作层内, 将农作物所需要的水、肥、药、气、热直接灌施到作物根系层内, 有利于作物生长, 减少土壤水分蒸发, 延长滴灌毛管的使用寿命, 减少大田作物耕种时滴灌毛管的铺设和回收, 降低劳动强度、减少劳动用工和运行管理成本。
2 地下滴灌系统的设备及特性
2.1 地下滴灌系统技术的特点
地下滴灌系统技术的特点主要体现在以下8个方面。
滴灌毛管及系统设备使用年限长。地下滴灌系统由于主管道和滴灌毛管埋在地下, 没有紫外线照射危害, 没有回收、铺设和农机耕作的机械损坏, 从而使得滴灌毛管使用年限长, 外力损坏小, 同时也方便大田农业机械化操作等。
可显著提高了劳动生产率。地下滴灌系统不需每年的回收和安装滴灌毛管等设备, 还能通过农机化自动实施深埋布管和回收滴灌毛管, 极大地提高了劳动生产力和降低了劳动强度[2]。
能提高作物的产量和品质。地下滴灌系统的地下滴灌毛管埋设在地表下15~40 cm处, 通过科学及精确地灌水、施肥、加药、加气、加热, 真正实现了农作物生产上的“水、肥、药、气、热一体化”, 使灌溉施肥更有效, 与目前的传统耕作相比, 节肥30%~60%以上。使得作物在各个生长环节都能非常轻易地、有效地吸收到所需的养分、水分以及药气热等, 从而最大限度地提高了作物的产量和品质[3]。
能有效地防治病虫害。该系统对农药的施用具有独特的作用。利用环保内吸型原液农药及杀菌剂进行滴施, 可对地表及地下病虫害进行触杀、胃杀和熏蒸;可抑杀产于作物根部表土层及作物嫩叶上的虫卵及幼虫。
对多年生作物可有效地延长其宿根性。由于地表土壤疏松, 根系层土壤长期保持湿润, 更有利于作物呼吸和根系发育, 其根系更深, 对宿根性作物延长生长期更具有作用。
系统操作简单易行, 可实现全自动水、肥、药、气、热轮灌模式。由于地下滴灌毛管采用小流量滴头为0.6~1.6 L/h, 滴头间距0.30~0.40 m, 灌水器压头为0.8~1.5 m, 这就使得在大田大面积应用上的规划设计及大面积的统一经营管理成为了可能。
地下滴灌系统还可以用含有机质废水来灌溉作物。如糖厂的制糖废水、酒精废液、城镇生活污水、养殖场污水和沼气液等通过其简易的无害处理过滤后作为水溶性有机肥料液, 然后再与灌溉用水混合配比即可用于地下滴灌。
地下滴灌系统更适用于机械化和自动化自控操作。因为地下滴灌系统的设备、材料及数据采集系统控制探头都可以埋设在地下, 不需每年安装、布置和回收, 这对大田间的机械化耕作和自动化控制起到了极大的便利。
2.2 甘蔗地下滴灌系统设备
2.2.1 首部控制系统
包括泵及泵站, 过滤系统, 施肥、施药、施气、施热系统, 压力和流量监测、保护系统等。
泵及泵站。由于地下滴灌系统技术中灌水器是在压头为0.8~1.5 m的低压力条件下运行, 在一般缓坡地形上通常水泵地面扬程在45~50 m即可, 所以能耗较低。泵的选用一般为潜水泵或离心泵, 在特殊地形时应根据实际情况选用专用泵, 如多级泵和深井泵等。
过滤系统。可根据不同水源选择不同类型的过滤器, 一般情况下采用三级过滤组合系统, 即一级为离心式砂石过滤, 主要用于除去灌溉水中比重大于水的杂质;二级为介质过滤器, 主要用于除去灌溉水中悬浮于水中的杂质;三级为叠片过滤器, 主要用于除去灌溉水中一级和二级过滤不完全的杂质。通过三级过滤, 基本上可以防止由灌溉水源带到管道内的杂质。
施肥、施药、施气、施热系统。采用80目滤网和两级沉淀过滤的肥料溶解池装置, 在计算好施肥浓度时用防腐泵通过管道将肥液输送到大田管网系统实施水肥一体化进行灌溉和精准施肥;采用环保内吸性农药或符合国家标准的水溶性乳化农药按计算好的有效浓度调制好, 然后运用施肥系统即可实施水药一体化操作;采用水中纳米溶氧技术或加气系统即可实现精准的水、肥、药、气、热一体化操作。
压力和流量监测、保护系统。通过首部系统的前后压力表数值变化来反映出首部系统工作的情况。当压力差在设定的范围时, 说明首部系统工作正常, 当压力差超过所设定的范围时, 系统将在自控或手动的的作用下不间断灌溉地进行堵塞冲洗直至压力差恢复到正常的范围;当系统内压力超过系统所设置的极限压力时, 系统将启动涉压保护系统进行涉压保护, 从而有效地保护整个系统的安全正常使用。
2.2.2 自动化控制系统
自控系统主要是指通过电脑芯片编程, 可使整个滴灌系统按所编程序自动完成全地块轮灌区划分轮灌、自动施肥、首部自动反冲洗及大田农艺数据和气象数据采集等5个部分, 即自控系统采用通讯载波方式和地址解码器 (RTU) 对地块里的每个自控调压阀门在电脑上随机调整组合成各个轮灌区进行灌水、施肥、施药;还可根据自动气象站采集的数据、地块信息自动采集数据和所设置的参数进行智能模拟灌溉和病虫害防治;也可通过地块现场监视系统通过全球因特网进行远程采集数据、远程系统操作控制和系统监控等。
2.2.3 各级主支管道及排气阀系统
田间主管、支管、分管管网均采用PVC和PE材料组成且均埋设于地下0.5~0.8 m处, 这可防止灌溉水在太阳照射时高温结垢、施肥时管道锈蚀、滴头的铁锈堵塞、地面机械挤压及地形形变造成的管道损坏等。
排气阀是防止系统首部和主、支管道系统在输送水肥的过程中空气在管道内产生水锤现象, 是系统管道保护的重要配件, 具体设置在管道的各峰顶处。
2.2.4 田间首部的压力调节自控膜阀及真空破坏阀系统
田间首部的压力调节自控膜阀, 使用膜阀主要是在开启和关闭是具有一定时间的延缓和减少水头损失的作用, 一般选用工程塑料或铸钢浇制成型后配上水动压力调节系统和自控电磁头装配而成。这对轮灌区里每一地块、每一个灌水器出水量的均匀起到决定的作用。
真空破坏阀的作用是在滴灌毛管输送水肥结束的过程中起到向滴灌毛管内倒吸空气, 这样就能有效地防止灌水器回吸泥沙、作物根系、活体生物等杂物堵塞灌水器, 是滴灌毛管抗堵塞保护的重要技术, 这是整个地下滴灌系统技术中防止堵塞的重要配件, 具体设置在地块表面铺设毛管的各峰顶处。
2.2.5 排污及排水装置系统
排污及排水装置是指在主、支管道的末端和低洼处设置有的自动或手动的排淤冲污阀, 定时或根据不同水质定期进行冲淤排污, 以确保系统管道的畅通无阻。
2.2.6 田间滴灌毛管系统
田间滴灌毛管线采用内镶式条式滴头或片式滴头的优质无缝滴灌毛管, 其厚度要求为0.40~0.6 mm, 滴头间距为0.30 m, 0.45 m等, 滴头流量为1.0~2.0 L/h。滴头出水口是一种专为地下滴灌系统设计的具有无压自闭模式的滴灌毛管, 有极强的抗堵性能。
2.2.7 滴灌毛管冲洗系统
在滴灌毛管末端设有自动或手动冲洗装置, 可根据水质和系统使用情况可对滴灌毛管及灌水器进行定期酸浸冲洗, 这是防止滴灌毛管内壁沉淀物对灌水器出水量影响的有效保证。
3 地下滴灌系统技术在甘蔗种植上的配套农艺技术
地下滴灌系统技术在甘蔗上的应用, 目前是根据以色列的成功经验, 并结合在广东、广西、海南三省蔗区以及南非、斯维斯兰、西非的多哥、贝宁等地区近50万hm2面积, 10多年的实际应用情况下, 并以便于实施甘蔗全程机械化和最佳的投入产出比研究, 进而设计出了如下9个方面的地下滴灌系统技术在甘蔗上应用的配套农艺技术措施。
3.1 实行甘蔗大小行种植模式
目前示范推广采用的是甘蔗大、小行种植模式, 这是一种比较经济的开行及管线布置方法。大行距为1.2~1.5 m;小行距为0.5~0.7 m。用1.2~1.5 m的大行距有利于甘蔗生产管理的行间农机耕作, 增强行间通风和光照, 减少甘蔗倒伏。采用0.5~0.7m的小行距有利于滴灌毛管线埋于小行中间, 实现了“一管管两行”, 节省了滴灌毛管的用量, 有利于水肥药气对作物根系层的集中供给, 避免了农机耕作对系统的损坏, 有效控制了水肥流入大行间, 同时能提高了水肥利用效果, 从而减少了大行间的杂草生长。
3.2 适中的滴灌毛管埋入深度
滴灌毛管线埋设于小行距中间地表下0.15~0.4 m, 滴灌毛管间距为1.7~2.2 m。采用0.15~0.4m的滴灌毛管线埋设深度, 解决了农机耕作时碾压损坏和甘蔗分蘖时夹管的问题, 同时更有利于水肥及农药直接作用于作物根部, 大量节约水肥及农药用量, 有效防止了地下害虫的入侵;也有利于延长滴灌毛管线的使用寿命, 从而也能延长甘蔗的宿根年份。
3.3 实施甘蔗中耕培土
由于地下滴灌对根系区的土壤不会造成板结, 而且可根据不同季节、气候对作物进行灌溉、施肥、施药, 改善了水、气、肥、光照对甘蔗生长所必须的条件, 使甘蔗产量和含糖量得到大幅度提高。从传统种植的中耕培土来看, 主要是对甘蔗进行施肥覆盖和防止倒伏的目的, 而甘蔗地下滴灌系统技术种植在第1年不进行中耕培土可能会影响到甘蔗的倒伏问题而不影响到肥料的覆盖问题, 第2至第5年由于甘蔗成簌成行不进行中耕培土也不会影响到肥料覆盖和倒伏问题。但通过多年的经验证明, 地下滴灌新植蔗第1年适当的中耕培土对防止过度分蘖确有好处。
3.4 施用甘蔗滴灌专用的农药
由于地下滴灌系统种植甘蔗与传统种植对农药的使用和要求不同, 首先农药的环保问题不能忽视, 再就是农药的复配、灌施后的浓度以及在土壤里的有效期等问题要有专门的试验数据且准确无误后方能使用。
地下滴灌系统种植甘蔗的农药施用, 主要方式是通过机房施肥系统, 将专用农药在压力恒定的条件下, 输送到甘蔗根系层周围, 以触杀、胃毒、熏蒸的方式来达到防治地下及地上害虫的目的。
目前比较成熟应用的是以50%~70%高浓度的毒死啤等原液为主的复配农药按每年3次环滴管灌施。施到地里的浓度为0.1%~0.13%左右, 这样的农药浓度不但能有效防治地下害虫, 还能对地上害虫起到蒸防治作用。
3.5 施用甘蔗滴灌专用的肥料
由于地下滴灌系统种植甘蔗与传统种植对肥料的使用和要求不同, 地下滴灌系统种植甘蔗要求的肥料是完全水溶性的, 其单位面积的使用量也是按作物的干物含量中氮磷钾含量和种植区域的测土配方中需增施的有机质含量、中量元素和微量元素所决定。
地下滴灌系统种植甘蔗水溶性专用肥是按以下原则进行设计的:根据作物生长发育需要养分规律制定施肥方案;根据灌水制度和气候、土壤等条件修订施肥方案;增加灌水施肥的频率, 减少每次灌水量和施肥量, 以达到水、肥供需平衡;施用水溶性的肥料。
目前应用示范推广的是按90~120 t/hm2进行设计的施肥方案, 具体的应用为萌芽至分蘖末期使用配方, 总养分≥40% (氮:磷:钾—20—10—10) 450kg/hm2;伸长初期至成熟期用配方, 总养分≥45% (氮:磷:钾—20—10—15) 1000~1500 kg/hm2。
3.6 施用甘蔗增糖剂
在甘蔗种生长周期中, 只要能按其生理要求进行灌溉、施肥, 改善了水、气、肥、光照对甘蔗生长所必须的条件, 是甘蔗产量和含糖量得到大幅度提高的重要条件。利用甘蔗增糖剂滴施增糖, 是目前甘蔗增糖的首选方案。因为利用滴灌系统进行灌施, 基本上不用考虑施用成本问题, 简单易行, 效果均匀显著。目前推广应用的是广西大学生产的甘蔗增糖剂 (根施) , 与对照样比较施用30 d左右糖分增加1.5%左右。
3.7 推广适宜应用地下滴灌系统技术的甘蔗品种
由于我国多年来甘蔗新品种的选育基本都是以考虑耐旱为主, 而地下滴灌系统技术的甘蔗品种所注重的是以高产, 再补以增糖剂提高糖分, 所以在很多原有品种中都可选育出很好的适应滴灌条件下种植的甘蔗好品种。目前传统品种中表现较好的品种有台糖16#, 台糖22#、粤糖002/36#, 桂糖93/159#等, 而最近新推的甘蔗耐旱品种, 当用上了滴灌系统就更能显示出其增产和增糖优势。
3.8 蔗叶还田
在传统种植相同条件下, 蔗叶还田可增产原料蔗10~15 t/hm2。通过示范推广, 在实施地下滴灌系统种植的蔗地实施蔗叶还田, 不但能保水、保肥、补充地力、提高产量, 还能有效地防止杂草和适当控制因滴灌高位分蘖的问题。
3.9 控制甘蔗过度无效分蘖
由于地下滴灌的实施, 使得土壤保持湿润, 在光合作用充沛时, 蔗芽的无效分蘖迅增, 浪费了大量的肥料, 因此, 在新植、宿根蔗芽数达到4500~5500株左右时应进行适当的蔗叶覆盖或加施适量肥料 (或轻微的中耕培土) 进行控制分蘖。
4 应用情况及效益分析
从2003年开始至2012年的8年间, 由广西职业技术学院、广西瑞剑全盛农业节水灌溉科技有限公司和广西天华高科技有限公司与以色列的耐特菲姆和普拉斯托公司合作, 通过引进、研究、推广、应用的方式将地下滴灌系统技术应用在甘蔗种植上, 目前已推广应用15000 hm2。其中在广西的滨海、三合口、前卫、金光、雒容等农场和贵糖集团等地方种植场共推广应用5000 hm2;在广东湛江农垦系统的前进、南光、收获、五一、幸福、南华、火炬、友好、海鸥、勇士等农场共推广应用6000 hm2;在西非的多哥、贝宁、马里等甘蔗种植场中共推广应用了4000 hm2。在推广的过程中, 由以色列公司、实施项目单位和项目主管单位以及行业专家等组成的验收小组还在各推广应用点进行跟踪验收。
2005~2009年, 由广西职业技术学院科研产业处牵头的滨海农场点85 hm2的验收结果是:台糖16#、台糖25#号、粤糖93/159等品种, 在均衡的水肥灌施条件下, 产量从传统对照的67~73 t/hm2增产到97~113 t/hm2, 增产45%~55%;在均衡的水肥条件和成熟后期适量灌施增糖剂使得糖分提高了0.9%~1.4%;在整个生长期, 均衡的水肥供给能使原料蔗的细胞膨压保持充盈, 从而使得压榨出汁率比传统种植旱季砍收的原料蔗增加了8%~11%;均衡的灌水能促进甘蔗低位芽提早萌发, 宿根蔗出苗多、匀且壮, 从而使得宿根期从传统对照的2~3年延长为5~8年, 目前有较大面积的蔗地宿根期已超过了8年。
2007~2009年, 由广东湛江农垦科技生产处主持的友好农场点800 hm2的验收中, 其结果从产量、含糖量、出汁率、宿根性等都取得了与滨海农场点近似的结果。
2009~2011年, 由广西思源农业开发有限公司和广西甘蔗研究所主持的雒容农场500 hm2的试验蔗田验收中, 同样取得了与滨海农场点相近似的结果。
2011年, 由中成国际糖业股份有限公司主持的我国在多哥、贝宁实施的1000 hm2的验收中, 也取得了近似的结果。
从以上的情况分析, 可以认定地下滴灌系统技术应用在甘蔗种植上已基本上取得了成功, 推广应用这一新技术将会使得使用该技术的种植户和糖厂的经营者们能在甘蔗种植上取得较为可观的经济效益。
在食糖加工业的整个产业链中, 原料蔗成本占了成品糖成本的70%左右, 如果原料蔗的出汁率能提高10%, 则成品糖成本将降低0.7%, 如果原料甘蔗糖分能提高1%, 则成品糖将增收1%。
因此, 引进地下滴灌系统技术进行旱坡地种植甘蔗, 每年可提高甘蔗产量30~45 t/hm2 (增产45%左右) ;可提高原料蔗出汁率10%左右;提高原料蔗糖度1%左右;还能使甘蔗的宿根期延长至5~8年;也可有效利用糖厂废水进行灌溉, 真正做到节能减排、变废为宝。这些, 说明推广地下滴灌系统技术在甘蔗种植上的应用, 是降低蔗糖生产成本的好办法。
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地下滴灌系统 篇3
1 地下滴灌 (SDI) 技术及其特点
SDI是通过地埋毛管上的灌水器把水或水肥的混合液缓慢出流渗入到作物根区土壤中, 再借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到根系层供作物吸收利用的一种灌水方法。
与其它灌水方法相比, SDI有显著的优点:节水效果明显, 肥料利用率高, 能够优化农产品品质和提高产量。同时SDI技术可以小流量、低水头工作, 节约了运行费用和能源, 系统寿命相对较长。存在不足, 主要为滴头堵塞问题, 另外, 地下滴灌毛管埋在地下一定深度, 表层土壤一般较干燥或供水不充分, 这样将影响种子的萌芽和出苗, 灌水均匀度也不易控制。
2 地下滴灌 (SDI) 技术的研究现状
2.1 设备及灌水器
国外使用的地下滴灌设备均来自地面滴灌系统, 灌水器采用内镶式或带有补偿性能的滴头以确保系统供水均匀性。由于系统停止供水时易在管内产生负压, 造成管外土壤颗粒内吸而引起滴头堵塞, 故常在系统上安装真空破坏装置, 这对系统运行管理要求较高。由于作物根系的亲水性, 根系在毛管滴头四周的旺盛发育有可能造成灌水器孔口堵塞, 有人试图在滴灌水器堵塞的目的。山西运城地区在地下滴灌中使用的灌水器是在毛管上利用简易工具人工扎眼形成出水孔, 该结构形式不具备防堵和压力补偿功能, 有待改进和完善。中国水利水电科学研究院在北京大兴县开展的有关地下滴灌室内外试验结果证明, 对内镶式或带有补偿性能的滴头采用外包无纺布处理地埋后, 既可获得较为理想的防负压堵塞效果, 又能在适当的毛管间距布设范围内获得较高的灌水均匀度。对于滴头防负压堵塞问题, 除考虑在地下滴灌系统中设置真空破坏装置外, 研制一种既可防止负压堵塞, 又具有良好压力补偿和调节功能的灌水器是十分必要的。
2.2 毛管埋深间距
毛管埋深通常需考虑以下几个因素:一是田间耕作深度, 避免因耕翻土壤造成系统管网损坏。对无需耕作的作物 (如草皮、紫花苜蓿等) , 可根据土壤质地和作物根系发育深度等条件减小毛管埋设深度;二是土壤条件, 对土壤导水性能较强的轻质土, 则可适当增加埋深来减少因地表湿润引起的无效土面蒸发损失。基耕层内含有透水性较差的黏土夹层时, 毛管埋深要考虑其影响, 如毛管埋在该夹层以下, 会影响土壤水分向上运动, 对作物生长发育不利。最后是作物生长发育期, 由于幼苗根系较浅吸水范围有限, 毛管埋深较大无疑不利于作物生长, 但较浅的埋深又将无法满足作物后期对水分需求。有时为了保证苗期土壤墒情, 作物生长前期使用其他灌溉方法, 后期再采用地下滴灌方式, 但会增加灌溉成本费用, 降低收益率。综合考虑上述因素, 毛管埋深多介于20~70cm之间。以山西运城地区情况为例, 果树下的埋深一般在40~50cm, 大田作物则为35~40cm较为适宜。
2.3 灌溉制度
地下滴灌制度一般以实测或计算的腾发量、土壤和作物特性为依据制定。若按作物耗水速度确定灌水时间, 应按小定额多次灌水的方式;当土壤水分下降下某个限值时才考虑灌水, 则需数天供水1次。对蔬菜等水分含量较多的作物通常使用前一种灌水频率, 果树和大田作物则适宜于后一种灌溉制度。Caldwell等人的研究结果表明, 只要土壤含水量保持在可允许范围内, 采用每日灌水1次与周灌水1次的灌溉制度对玉米产量没有影响。EL-Gindy等人对每天灌水1次和每3天灌水1次的周期进行对比后发现, 高频次小流量的灌溉制度不仅能较大幅度地提高番茄和黄瓜的产量, 还能改善根层内的土壤水分布, 提高水分利用率, 这非常适宜于地下滴灌系统的运行特点。
2.4 化肥和农药施用
滴灌技术的优点之一就是可以在整个作物生育期内, 适时适量地通过微灌施肥技术高效地将肥料、微量元素和农药等作物生长所必需的养分和物质按比例精确的施用到作物根区土壤, 这既可以提高肥料利用率, 又能减少因灌溉淋洗产生的溶质数量, 减轻对地下水的污染, 并节省大量施肥劳力。Mikkelsen根据研究结果得出结论, 与地面灌溉方法相比, 地下滴灌条件下磷肥施用量较少, 主要原因就是因肥料被直接施用到作物根层, 明显减少了流失量。为延长地下滴灌系统使用寿命、防止灌水器堵塞, 除对灌溉水进行适当过滤、清除杂质外, 还可在系统中随水注入适量稀盐酸, 定期清除地下滴灌系统内滋生的微生物以及灌水器内的沉淀物, 这同时也能起到减轻灌溉水碱性的作用。这些措施在国外已得到普遍重视并投入实际应用, 国内仍处于将化肥技术溶于灌溉水中应用的初级阶段, 对系统管件进行化学处理、清除根系和沉积物的应用研究还未提到议事日程。
2.5 设计与管理
地面滴灌系统的设计方法同样适用于地下滴灌系统, 特别是在管道水力学性能和灌水均匀性方面。地下滴灌系统的设计及管理具有自身的特殊性, 首先设计中必须考虑在系统上安装进排气阀门, 防止断水进行更好的过滤处理, 并对系统实施定期冲洗。与地面滴灌相比, 地下滴灌系统的检修更为困难, 在设计和施工阶段应对此问题给予重视。
2.6 主要问题
由于地下滴灌系统埋设在地下, 使得人们无法直接观测到灌水器出流状况和灌水效果。当系统需要进行检修时, 往往要比地面滴灌系统投入更多的时间, 耗费更多的人力物力, 管理费用也相对较高。其次, 为防止水中杂质引起的灌水器堵塞以及滴头负压堵塞等问题, 必须在系统内增加相应的附加设备, 并对管路经常进行冲洗。冲洗阀及进排所阀的安装势必增加系统的造价和运行费用, 在某些情况下将致使地下滴灌技术的经济可行性大打折扣。
作为滴灌技术的一种再现形式, 地下滴灌技术表现出的特点和优越性使其从20世纪80年代初始, 就作为一门独立的灌水技术得到相应发展。由于这种灌水形式具有显著的节水增产效果, 在农业灌溉水资源日益紧缺的今天, 其对灌溉农业可持续发展有着十分重要的意义和作用。
在地下滴灌系统设计、安装和运行管理中, 应对该项技术的特殊性给予足够重视。其中毛管埋深与间距要根据当地土壤条件、作物种类、耕作措施等因素确定。为提高我国地下滴灌技术的应用水平, 当务之急是研制出一种既可防止负压堵塞、又具有较佳压力补偿性能的地下滴灌灌水器, 与此同时, 还要积极开发与地下滴灌技术田间适宜性研究相关的工作。
摘要：地下滴灌是微灌技术的典型应用形式之一, 它是指水通过地埋笔管上的灌水器缓慢出流, 渗入附近土壤, 再借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到整个根层供作物吸收利用。由于灌水过程中对土壤结构扰动较小, 有利于保持作物根层疏松通透的环境条件, 并可减少土面蒸发损失, 故地下滴灌技术具有明显的节水增产效益。此外, 田间输水系统地埋后便于农田耕作和作物栽培管理, 且地埋后管材抗老化性能增强, 且不易丢失或人为损坏。本文试图对地下滴灌技术的发展和应用现状进行综述, 给出目前的研究状况及存在的问题。
地下滴灌系统 篇4
氮素在土壤中的运动, 除了对流、弥散、作物吸收和渗漏外, 还存在着一系列的转化过程, 主要包括土壤对铵离子的吸附作用、有机氮的矿化作用、铵态氮的硝化作用、反硝化作用以及化学脱氮作用、氨的挥发等[1]。滴灌施肥条件下, 土壤水、氮的运移和分布主要受土壤特性、灌水器流量、肥液浓度及灌水量的影响, 而灌水器周围饱和区半径的确定是影响土壤水分和氮素运移模拟精度的关键因素[2]。冯绍元等[3]认为, 滴灌比常规畦灌棉田节水25%左右;对于中等肥力的棉田, 在施纯氮300 kg/hm2的范围内, 随施肥量增加皮棉产量增加。滴灌施肥系统运行方式对硝态氮在土壤中的分布具有明显影响, 李久生等[4]提出, 施肥前后各1/4时段的清水运行方式有利于氮素在土壤中分布, 不易产生硝态氮淋失。栗岩峰等[5]则认为, 硝态氮在各土层分布的均匀程度有所降低, 且在0～20 cm土层的累积逐渐明显。
地下滴灌是在滴灌基础上将整个灌溉系统埋入地下的一种新型灌水方式, 节水效果更佳, 被誉为灌溉的未来[6]。本文结合新疆棉花地下滴灌的生产实践[7], 利用地下滴灌施肥条件下的水肥运移和转化模拟模型, 对其土壤中氮变化规律进行模拟, 为指导新疆棉花地下滴灌实践提供技术支持。
1模型与参数
地下滴灌条件下, 水、盐运动是空间上的三维运动, 即由地下滴灌的滴头出发, 向其四周运动。考虑到滴头间距较小, 一般在0.3～0.5 m内变化, 相当于毛管间距的1/2～1/3;加上地下滴灌灌水时间较长, 在大部分灌水时间内, 相邻滴头间的土壤水分相互搭接, 形成了以毛管为中心、向四周流动的土壤水分运动态势, 这样地下滴灌的水盐运动就可简化为垂直毛管平面上的二维流动。鉴于地下滴灌条件下水盐运动的对称性, 仅考虑毛管至两条毛管中间这部分土体的水盐运动。按照新疆地下滴灌试验点的实际情况, 将计算区域定义为一个长 (垂向) 100 cm, 宽 (径向) 50 cm的矩形区域, 地埋灌水器的深度为35 cm。由于试验地块已耕种多年, 土壤在水平面上基本均匀, 假定整个模拟区域内的土壤质地按照田间调查结果进行分层, 且具有各向同性。
1.1土壤水分与溶质运移控制方程
根据土壤水动力学原理和溶质运移理论, 土壤水分运动和溶质运移分别采用Richards方程[8]和对流弥散方程表述, 对应的控制方程分别为:
式中:θ为土壤体积含水率, L3/L3;h为土壤负压, L;S为根系吸水项或其他源汇项, T-1;K
1.2定解条件
在生产实践中, 通常要在作物收获后或播种前灌一次透水, 因而可认为土壤初始水势、盐分在整个剖面上呈均匀分布。模拟的上边界为作物的腾发边界, 下边界为自由出流, 左右按对称边界处理。灌水过程中, 毛管位置处按第三类边界条件处理, 即:
式中:Γc为Cauchy边界;σ (t) 为灌水过程中进水边界的通量, cm/h, 不灌水时σ (t) =0, 灌水时σ (t) =Q (t) /πR
1.3模型参数
分层取土, 进行土柱土壤水分入渗试验, 采用van Genuchten修正模型, 拟合出非饱和土壤水分运动参数, 结果见表1。
通过吸附试验, 在室内测得土壤氮分布参数, 采用线性进行回归, 得到0～30 cm和40～100 cm土层的氨态氮的分布系数分别为0.55和0.69, 硝态氮的分布系数取1。硝态氮、氨态氮的纵向弥散系数分别取0.068 5、0.070 5 cm2/h[9];其横向弥散系数按纵向弥散系数的1/100取值。硝化参数取值参考文献[10], 取K为0.032 14 d-1。
2地下滴灌条件下氮的变化
以2006年6月19日的施肥灌溉为例, 灌水量455.70 m3/hm2, 施肥前灌水1 h, 然后施尿素150 kg/hm2, 施肥结束后, 再用清水冲洗管网1 h。以1条毛管为中心, 挖开土壤剖面, 分别在灌水后48 h取样, 分析不同形态氮的含量;同时针对上述试验条件, 利用前述模型进行计算。
2.1氨态氮含量的变化
地下滴灌施肥后, 土壤氨态氮含量与变化过程见图1。
从图1可以看出, 模拟结果与实值间存在较好的相关关系, 表明所选模型及氨态氮参数取值正确, 基本上反映了氨态氮的运移规律。灌溉后, 土壤中氨态氮的含量迅速上升, 灌水后0 h, 土壤中NH+4含量基本上达到了灌溉中水NH+4的浓度, 垂直剖面上, 土壤中的氨态氮主要集中在10～90 cm的土层内, 毛管所在剖面在20 cm与70 cm深处出现2个峰值, 这主要是因为在灌水的最后1 h采用清水冲洗管道, 将毛管周围的氨态氮稀释。
在距离毛管22.5 cm处, 灌水后0 h氨态氮的含量最高, 随后NH+4的浓度快速下降。峰值出现在30～40 cm深处, 以30 cm处最明显, 这可能与犁底层有关。在毛管处, 由于埋管时对土壤的深松作用, 加上埋管后的农事作业对埋管处的压实作用一般较小, 犁底层不明显;而距离毛管45 cm处, NH+4的实际含量很低, 难以测定, 图中只显示了模拟值。灌水后48 h, 在60 cm深处又出现峰值, 此峰值随时间的延长逐渐向下移动, 同时, 浓度也在增加。这与对应的土壤水分分布一致, 也说明了土壤中氨态氮的分布受水分运动影响。至灌水后144 h, 距离毛管45 cm处在70 cm深处氨态氮含量出现峰值, 且含量基本上达到犁底层以上40 cm处的峰值。
从氨态氮的总量比较, 距离毛管22.5 cm处最高;相同距离内, 距离毛管较近处的氨态氮含量略高于距离毛管较远处;毛管上方的土壤NH+4要略高于下方。一方面是因为NH+4易于被土壤颗粒吸附, 其运动范围受限;另一方面, NH+4的运动主要是在土壤水分饱和区, 而位于地表以下40 cm深的犁底层, 影响了NH+4的向下运动。
2.2硝态氮含量与变化过程
氨态氮进入土壤后经过硝化作用会产生一定量的NO-2, 但由于NO-2的含量很低, 在分析时, 将其与NO-3合并作为硝态氮来考虑。距毛管不同位置处不同时刻土壤硝态氮含量与变化过程见图2。
由图2可以看出, 模拟结果与实值间存在较好的相关关系, 表明模型中所选硝态氮参数取值合理。灌水后土壤中即出现硝态氮, 这与地下滴灌灌水时间较长有关, 也说明旱地土壤中硝化作用随时发生。土壤中硝态氮的含量总体上随时间的延长而增加, 刚灌水后较低, 144 h时最高, 基本上呈线性关系。这说明与常规地面灌溉相比, 地下滴灌的灌水量较小, 仅在以毛管为中心的局部土体中形成了饱和区, 大部分土体仍为非饱和, 有利于硝化作用的发生。
从图2 (b) 可以看出, 同等距离下, 毛管上方的土壤中硝态氮浓度要略高于下方。除前述土壤分层造成土壤水分运动和分布的不均一性外, 还与地下滴灌灌水后, 所形成的重心下移、近似圆柱土壤湿润体有关, 以及由此而造成的根系分布、土壤中氧气含量分布等差异, 共同作用的结果。
3结语
(1) 利用土壤水分运动的动力学方程和溶质运移的对流-弥散方程, 结合地下滴灌施肥过程中的初始和边界条件, 采用自记忆求解方法, 可以模拟地下滴灌施肥条件下土壤中氮的行为过程, 为正确把握地下滴灌条件下土壤中水、肥运动规律提供了一条新途径。
(2) 地下滴灌施肥后对毛管的冲洗, 影响了土壤中氮的分布, 在垂直剖面上, 土壤中氨态氮和硝态氮的分布呈双峰曲线, 越接近毛管位置, 双峰曲线越明显。在水平方向上, 在毛管间距一半位置处出现浓度峰值, 氮的分布呈单峰曲线。
(3) 地下滴灌施肥后, 土壤中氨态氮的运动集中在以毛管为中心、20 cm以内的土体内, 其含量随时间延长而减少, 同时向下层土壤运动。与氨态氮相比, 硝态氮的运动范围略有增加;相同距离下, 毛管上方的土壤中硝态氮浓度要略高于下方。
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滴灌系统设计探析 篇5
1 设计原则
此次设计依据《机井技术规范》《节水灌溉工程技术规范》等有关要求, 合理利用、保护、开发水资源, 严格控制开采第三系深层地下水。在节水灌溉方式选择上, 结合实际, 优先考虑易于运行、易于管理、群众易于接受的灌溉方式。
2 设计依据
设计的依据为:《微灌工程技术依据规范》GB50485-2009、《微灌灌水器———微灌、微灌带》SL/T67.2-1994、《农业灌溉设备、滴管带、技术规范和试验方法》GB-T17188-1997、《农田灌溉水质标准》 (GB5084-2005) 。
3 滴灌工程总体设计方案
3.1 规划布局
水源井工程规划与设计同喷灌工程设计。该设计选择前七号镇十二号村的一号井作为典型区, 整个项目区的其他地块的地形、地貌、水源供水相同, 而且地块平整度、工程布置形式、单井出水量都十分类似, 此次滴灌典型设计一眼井控制灌溉面积12 hm2。井的位置布置在控制面积的一侧。
3.2 单井灌溉面积的确定
根据《微灌工程技术规范SL103-1995》规定, 在水源供水量稳定且无调蓄时, 可用下式确定灌溉面积:
式 (1) 中:A=可供水量 (m3/h) , Ia=4.5 (设计灌溉补充强度mm/d) , t=20 (水源每日供水时数h/d) , η取0.9 (灌溉水利用系数) 。
经计算, 可灌面积为A=12 hm2, 参照当地林网及形成的乡田作业路, 滴灌典型设计单元为300 m×400 m地块, 即单井控制面积12 hm2, 井位置在控制面积的最高处。
4 滴灌形式的选择及系统设计
4.1 滴灌系统组成
系统由首部、干管、支管、配水管及滴灌带组成, 干管平行垄向布置, 支管垂直垄向布置, 配水管垂直垄向布置, 滴灌毛管平行垄向布置, 设计采用干管、支管地理和配水管及滴灌毛管地面铺设。
4.2 管网布置
管网布置原则:按照滴灌工程总体要求, 采用机井直接加压给灌溉工程系统直接供水, 灌溉管网以单井控制灌溉面积作为一个完整的系统[1]。
给水栓布置应考虑耕作方便和灌水均匀, 使管道长度最短, 管道顺直, 水头损失小, 总造价低且管理运行方便, 少穿越其他障碍物, 给水栓纵向布置间距和横向布置间距根据地块的形状具体确定。根据具体地块灌溉水源位置和地块形状, 输配水管道沿地势较高的位置布置, 采用树状管网布置, 其各级管道采取两侧分水的布置形式, 在地表铺设的管道, 要避开地表障碍物, 以便安装和拆卸[2]。每个输配水管网系统进口设计流量和设计压力, 根据整个系统所需的设计流量和大多数配水管到进口所需的设计压力确定, 对于局部地区供水压力不足的情况, 采取局部增压措施, 对于部分地区供水压力过高的情况, 可结合地形条件和供水压力要求, 设置压力分区, 采用局部减压措施。在进行各级管道水利计算时, 同时验算各级管道产生水锤的可能性及其水锤压力值, 以便采取水锤防护措施。输配水管网各级管道进口布设截止阀;分水口较多的配水管道, 每隔3~5个分水口布设1个截止阀。在水泵逆止阀的下游或闸阀的上游管道处, 安装防止水锤的防护装置。管网布置尽量平行与沟、渠、路、林带, 沿田间生产路和地边布置, 以便耕作和管理[3]。
4.3 管网布置类型
管网布置之前, 先根据地块的长度和给水供水方式确定给水栓间距, 然后根据经济分析结果将给水栓连接而成管网。此项目区规划地块呈矩形, 南北长300 m, 东西向宽400 m;作物沿南北向种植, 毛管沿此方向布设;支管及辅管与之垂直, 即东西方向, 干管与支管垂直, 沿南北方向铺设。水源在地块的正北, 故主干管由北向南向支管供水。
布置形式主要采用树状管网, 根据水源井位置以及管网类型不同, 项目区主要采用T型布置形式。玉米采用双行一膜一管的结构形式, 株距0.3 m, 大垄间距为1.2 m, 地面以下1.0 m土层为壤土, 平均干容重为1.44 g/cm3, 田间持水率24%。项目区水源井配套动力基本采用柴油机发电机组。项目区现有地块多为网田, 网田面积多为300 m×400 m规格。本次规划设计以12 hm2标准地块进行典型设计。
5滴灌系统参数的确定
灌溉保证率不低于85%。灌溉水利用系数90%。设计土壤湿润比ρw不小于40%。需水高峰期灌溉补充强度Ia=Ea=4.5 mm/d。设计灌溉均匀度Cu不低于95%。设计湿润层深0.4 m。
6 灌水器的选择与毛管布置方式的确定
6.1 选择灌水器
根据工程使用的材料情况比较, 此工程拟采用具有一定生产资质的厂家生产的一次性单翼迷宫式滴灌带。产品性能:滴灌毛管内径16 mm;滴灌毛管进口压力0.1 MPa;滴灌间距0.3 m;滴头流量2.1 L/h;最大铺设长度75 m。
6.2 确定滴灌毛管布置方式
滴灌毛管布置为每2行布置1条滴灌毛管, 根据地块的规格和滴灌毛管的最大铺设长度确定每条毛管铺设长度为75 m, 毛管行距为1.2 m。
7 结语
项目实施后, 可实现水资源的可持续利用, 保证水资源补给和利用的平衡;改变了水土现状, 保持了生态平衡;改善了土壤的理化性状, 提高了作物产量;增强抵御自然干旱的能力, 提高了作物的产品品质, 增强了产品的市场竞争能力;还可以解除农民的后顾之忧, 不仅使农民从繁重的劳动中解放出来, 而且改善和提高当地经济和人民生活水平[4,5]。
摘要：从滴灌系统的组成、管网布置、类型及参数的确定等方面, 探讨了灌溉工程总体设计方案, 以供参考。
关键词：滴灌,管网,设计,原则,方案
参考文献
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[2]赵桂苹, 李大伟, 李智勇.彰武县节水滴灌系统应用探讨[J].现代农业科技, 2013 (10) :205, 208.
[3]李单丹, 高超.自动化滴灌系统研究[J].农业科技与装备, 2013 (2) :42-43, 46.
[4]刘武平.膜下滴灌系统的运行管理探讨[J].现代农业科技, 2012 (24) :220-221.
膜下滴灌系统设计 篇6
膜下滴灌是将覆膜种植与滴灌相结合的一种灌溉技术 [1,2],是一种结合了以色列滴灌技术和国内覆膜技术优点的新型节水技术。这种技术是通过可控管道系统供水,将加压的水经过过滤设施滤“清”后,与水溶性肥料充分融合,形成肥水溶液,进入输水干管-支管-毛管,再由毛管上的滴水器一滴一滴地均匀、定时、定量地浸润作物根系发育区,供根系吸收。
1 工程概况
本工程为黑龙江省某农场66.67hm2小麦膜下滴管实验工程,引进先进的农业生物技术,与小型灌溉工程相结合,建设生态型灌溉工程。从生产技术手段和使用方式两方面对当地的农业生产进行改进。根据农艺要求可知,小麦行间距为10cm,当地土壤湿润比为60%,滴灌设计灌溉补充强度为4mm/d。设计中,灌溉水利用系数η=0.9[3],每个滴头流量为2.1L/h,一根毛管负责8行小麦滴灌,幅宽0.8m。
2 滴灌系统的设计
2.1 最大净灌水定额
设计净灌水定额计算采用联合国粮农组织和美国水土保持局建议方法,取最大净灌水定额[4]为
式中 Y—土壤容重,取Y =1.42g/cm3;
Z—设计湿润深度,取Z =0.45m;
P—土壤湿润比,取P =60%;
Δθ—土壤含水率上下限差,取Δθ=0.75。
经计算,最大净灌水定额mmax=31.95mm。
2.2 毛灌水定额
毛灌水定额计算公式为m毛=mmax/η,计算得小麦灌水定额m毛=35.5mm。
2.3 设计灌水周期的确定
设计灌水周期为
式中 T—灌水周期(h/d);
Ea—作物日耗水强度,本设计取Ea=4mm/d。
经计算,灌水周期T=
2.4 一次灌水延续时间的确定
一次灌水延续的时间为
式中 t0.8—幅宽为0.8m时一次灌水延续时间;
se—幅宽,取se=0.8m;
s—滴头间距,取s=0.3m。
以每天20h计算,轮灌组数N=20×8÷3.7 =43.2组。根据实际情况,取轮灌组数目N=14组。
3 毛管极限长度计算及水头差的分配
3.1 允许的水头偏差
灌水小区流量偏差取qv=20% ,灌水小区允许的最大和最小水头偏差分别为
hmax=(1+0.65qv)1xha=(1+0.65×0.2)10.5×10
=12.77(m)
hmin=(1-0.35qv)1xha=(1-0.35×0.2)10.5×10
=8.65(m)
ΔHs=hmax-hmin=12.77-8.65=4.12(m)
毛管的允许水头差为
Δh毛=0.55ΔHs=0.55×4.12=2.26(m)
落水小区的允许水头差为
Δh=0.45ΔHs=0.45×4.12=1.84(m)
若毛管选用D16PE管,计算毛管极限长度为
L毛
=81.68(m)≈81.7(m)
3.2 毛管极限孔数及轮灌组流量计算毛管极限孔数计算公式为Nm=INT{(5.466[Δh2]d4.75)/(kSq1.75d)}0.364
经计算,毛管极限孔数Nm=272个,毛管极限孔数计算见表1所示。轮灌组每条支管上有20条25mm分支管,每条分支管上有62条毛管,每条分支管流量为12053 L/h,流量计算表见表2所示。在实际生产中,取毛管长度为50m,所以滴头为166个,经计算,每条毛管流量为348.6 L/h,取350 L/h。
4 管道水力计算
管网的水力计算是滴灌系统设计的中心内容,它的任务是在满足水量和均匀度的前提下,确定管网布置中各级(段)管道的直径、长度及系统扬程,进而选择水泵型号。
4.1 毛管水力计算
毛管水力计算的任务是根据灌水器的流量和规定的允许流量偏差,计算毛管的最大允许长度和实际使用长度,并按实际使用长度计算毛管的进口水头。毛管实际水头损失为
=0.566(m)
经计算,毛管进水口为
h毛进口=hmin+ΔH毛实际+△ZAB
=8.65+0.566=9.216(m)
4.2 分支管水力计算
分支管在滴灌的系统中起配水和输水的双重作用,按分支管顺序对轮灌区进行轮灌,将干管压力降低,转换为毛管的工作压力。分支管设计的依据是配输水能力和均匀度两个因素,配输水能力是指分支管按设计的各灌区配水量配送到各轮灌区;均匀度意味着分支管分段长度必须在允许的压力偏差内,分支管设计的标准是每条分支管内任一点的水头h支i须大于或等于毛管进口要求的工作水头h0,以确保支管上每条毛管的滴头有足够的流量和压力,使滴灌小区灌水均匀。
分支管控制流量为12503L/h,长50m。如果分支管采用D40PPR管,分支管水头损失为
H分支=3.278m<ΔH分支实际=3.554m,满足要求,则分支管进口水头为
h分支进口=h毛进口+ΔH分支+△ZBC
=9.216+3.278+0=12.494(m)
4.3 支管水力计算
支管控制流量为12053L/h,长1000m。如果支管采用D75PE黑管,支管水头损失为
1000×0.38=3.76(m)
支管进口水头损失为3.76m,根据地形高差显示,满足自流灌溉的要求,则支管进口水头为
h支管进口=h分支进口+ΔH支管+△ZCD
=12.494+3.76+0=16.256(m)
4.4 干管水力计算
干管的控制流量最大为175042L/h,长为700m,如果干管采用D125PVC管,则干管的水头损失为
=64.74(m)
则干管的进口水头为
h干管进口=h支管进口+ΔH干管+△ZDE
=16.256+64.74+0=81(m)
4.5 局部阻力计算及水泵的选择
管道的局部水头损失按沿程水头损失的10%折算,则hj=0.10×81=8.1(m)。
考虑到过滤器等设备的损失,附加损失为7m H2O,则水泵扬程可定为H=81+8.1+7=96.1(m)。根据水量平衡计算及水力计算结果,选潜水泵为250QJ100—198/11的潜水泵。
5 喷灌管网布置
此地块长1000m,宽700m,设计方案共计需要700m干管1根,1000m支管14根,50m毛管17500根,50m分支管140根。 毛管间距0.8m, 支管间距100m。干管管材选用DN125mmPVC管材。支管垂直于干管,两边布置,便于双向控制,支管选用DN75mmPE黑管。分支管选用DN40mmPPR管。毛管布置考虑小麦的种植特点和种植模式,选用某公司一次成型薄壁滴灌带,DN16mmPPR管,壁厚0.31mm。滴头额定工作压力为10mH2O,额定流量2.1L/h,流态指数0.607,滴头间距0.3m,采用单行直线布置,滴灌带沿作物行布置。首部枢纽装置布置在水泵的旁边,便于操作与管理。为冲洗管道的淤积物和冬季到来之前排干管中的积水,在分干管的末端(较低处)布置了排水井。管网布置简图见图1所示。
6 结论
本文通过计算得到了各级管道的直径和长度,进行了滴灌管网系统的布置,计算结果为农场的膜下滴灌系统建设提供了理论依据,并对其它农场的滴灌系统具有参考价值。
摘要：为黑龙江省某国营农场面积约66.67hm2小麦种植区进行膜下滴灌系统设计。首先,介绍了工程概况;其次,计算了滴灌设计的耗水强度、灌水定额和灌水周期,确定了一次灌水延续时间、滴灌的轮灌制度、毛管的极限长度和水头差分配,确立了各级管道的直径和长度,并进行了滴灌管网系统的布置,推算了各级管道的流量,进行了管网的水力计算;最终选择了水泵的型号。膜下滴灌系统为实际生产提供了技术支持和帮助。实践表明,膜下滴灌系统较传统种植方式节水灌溉,平衡施肥,可大幅度提高产量。
关键词：膜下滴灌,灌溉制度,水力计算
参考文献
[1]串志强,盛枉,赵成义,等.膜下滴灌条件下绿洲棉田土壤水分运动数值模拟[J].干旱区地理,2008(5):673-679.
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[3]王素霞.谈大田膜下滴灌系统设计主要参数取值方法[J].黑龙江科技信息,2009(29):57-58.
滴灌系统的选型与维护 篇7
滴灌系统由压力水源、控制装置、过滤器、输水管道、施肥装置和滴头等组成。应根据不同的使用要求选用相应的滴灌设备。
(1) 压力水源。它由水源、水泵、压力罐或水塔组成。水源可以是地下水和地表水。在井灌区, 宜选用井用潜水泵或长轴深井泵;在地表水源区则选用离心泵或潜水泵, 管网压力不足时再设管道增压泵二次增压。储水设备宜选用滴灌专用压力罐, 以保持滴灌水压稳定。也可以自建水塔或蓄水池, 利用水位差自压滴灌。
(2) 控制装置。用于控制滴灌的启闭。采用手动控制的, 应安装球阀、闸阀等阀门;采用自动控制的, 应安装电磁阀, 通过控制器控制。
(3) 过滤装置。用于滤去水中杂质, 以免堵塞滴头。通常分为首部过滤和田间过滤两部分。当水源较洁净时, 可省去首部过滤。首部过滤一般采用砂石—网式或叠片式, 离心—网式或叠片式。田间过滤器通常采用网式或叠片式单个过滤器。
(4) 输水管道。由干管、支管和各种连接管件以及流量计、压力调节装置、进排气阀等组成。管道和管件选用PVC或PE塑料管, 工作压力应大于0.4 MPa。主管通常选用管径65~160 mm, 支管选用40~80 mm, 末端毛细管选用20~40 mm。所有管道应尽可能埋于地下, 覆土层不少于30 cm, 以延缓老化。
(5) 滴头。滴头是整个滴灌系统的核心部件。其滴孔多为迷宫结构, 紊流输水, 不易堵塞。滴头材料采用低密度聚乙烯, 并加入紫外线吸收剂、防氧化剂及其他特殊添加剂。
2 选型与安装
应根据作物种类合理布置, 尽量使整个系统长度最短, 控制面积最大, 水头损失最小, 投资最低。
(1) 滴灌系统。滴灌系统分为固定式和移动式2种, 固定式干、支、毛细管全部固定;移动式干、支管固定, 毛细管可以移动。果树滴灌采用固定式、移动式均可;蔬菜采用固定式为好;大田作物一般采用移动式滴灌。
(2) 滴头及管道布设。滴头流量宜控制在2~5 L/h, 滴头间距为0.5~1.0 m。粘土时滴头流量宜大、间距也宜大, 反之亦然。PVC管道安装方式主要有粘合剂粘结承插法和密封胶圈承插法。PE管道采用管口加热承插固定法。干支管线均要铺设在冻土层下, 末端设排水口。平坦地区, 干、支、毛细3级管道最好相互垂直, 毛细管应与作物种植方向一致。山区丘陵地区, 干管与等高线平行布置, 毛细管与支管垂直。注意管道安装时应避免泥土砂石进入管内, 管道各接口处在回填土前一定要垫平。安装结束后, 应对管道进行一次彻底冲洗。
(3) 压力水源。根据实际选用水泵扬程。滴灌区属于低压灌溉的, 水泵扬程不宜选得过高。压力罐应安装在室内, 以免锈蚀或损坏。
(4) 控制装置。对于作业量大、需要采用自动控制的, 应事先根据灌溉制度在控制器上编程, 确定每个电磁阀的运行参数, 如滴水频率、每次滴水起止时间等, 并实时修改, 以满足不同作物种类和不同生长期的需水要求。
(5) 施肥器。将稀释好的化肥溶液装入施肥器内, 关紧罐盖。将施肥器上2根玻璃软管上的快速接头与施肥阀连接好。注意:装有机玻璃管的一端为出水口, 不得装反。最后关小施肥阀, 使输水管两边形成一定的压力差, 让罐内肥料通过输肥管进入阀后面的输水管道进行施肥。施肥罐工作时, 有机玻璃管中的小浮球应处于中间位置, 若不居中, 应调整施肥阀或有机玻璃管底部的螺母进行调节。
(6) 滴头管。滴头管应沿作物种植方向铺设, 距植株根部5~10 cm, 每行作物铺1条。若2行作物行距小于40 cm, 可每2行中铺1条, 但灌水时间应有所延长。滴头管安装时, 先将滴头管进水端套在塑料旁通上, 再将旁通插入末端PE支管上 (事先打出直径8 mm圆孔) , 等通水冲完滴头管后, 用堵头封住尾端。注意:滴灌不能用来调节田间小气候, 不适宜结冻期灌溉, 在蔬菜灌溉中不能利用滴灌系统追施粪肥。
3 使用维护
(1) 初次使用时, 应打开所有管道进行冲洗, 以免施
进口调幅翻转犁的调整使用
刘俊瑞
近两年, 随着95.6~117.6 k W (130~160 hp) 级别拖拉机在新疆市场上的迅速普及, 与之配套的进口调幅翻转犁也逐渐增多。目前在新疆进口犁市场上, 法国格力格尔-贝松RB41型犁和库恩MASTER110-4T型犁基本垄断了市场, 尤其是贝松RB41型犁, 由于其结构简单、幅宽调整范围大、结实耐用和配套动力范围大等特点而吸引了众多农机户的眼球。但很多用户存在“重车头, 轻农具”的思想, 认为犁很简单, 没有什么技术含量, 对于调幅犁的技术性能不甚了解, 最终造成调幅犁不能完全发挥其优良性能的现状。笔者根据多年来对进口调幅翻转犁的了解, 以法国格力格尔-贝松RB41型犁 (以下简称“贝松RB41”) 为例, 对于调幅翻转犁在安装调整过程中的一些需要注意的地方做了特别说明, 对于其他品牌的调幅翻转犁的调整使用也同样具有可借鉴之处。
1基本特性
贝松RB41型调幅翻转犁的基本性能如表1所示。
2犁的安装
贝松犁在出厂时绝大部分零部件都已被组装好, 只是为了便于运输, 没有安装犁头和犁柱。用户在安装犁头和犁柱过程中要注意, 要优先使用宽轮距, 如图1所示, 贝松犁的大梁前端有2个安装犁头的位置:T1、T2, 这2个孔都可与犁头连接。从表2中也以看出, 当拖拉机采用较小轮距时, 犁头与犁梁应固定在T1孔中;当拖拉机采用较大轮距时, 犁头与犁梁应固定在T2孔中。例如耕幅为1.4 m时, 从表2中可以看到有2个Y列数据与之相对应:1 310 mm (窄轮距) 和1 440 mm (宽轮距) , 这说明用户可以将拖拉机两后轮内侧之间的距离Y调节至这2个数据中的任意一种。由于采用宽轮距, 可提高拖拉机的稳定性, 从而可以获得更大的牵引动力, 所以从实用的角度考虑, 建议优先采用宽轮距。在安装犁头的时候, 应优先考虑把轴销安装在两个犁头安装位置中的T2孔内。
工安装时带入泥土、砂粒和钻孔留下的塑料碎片等污物堵塞滴头。
(2) 加强检查, 发现管道漏水时, 应查找原因, 更换管道、三通等处损坏的密封胶带、密封圈, 更换或修补破损的输水管。
(3) 及时清洗。定期打开压力罐底部的排污阀, 排除泥砂;每次施肥后, 应用清水滴一定时间, 以清除施肥罐内残留肥液, 以免腐蚀;定期拆洗过滤器, 滤网、密封圈损坏的应及时修补或更换。
(4) 每个灌溉周期都要冲洗管道1~2次, 以免管内沉积物积聚堵塞;初次使用滴管或每使用1个月, 应打开尾部堵头用正常工作压力的清水彻底冲洗, 除去附在内壁上的塑料碎屑和聚污物, 以免堵塞滴头。