苗興樂，馬俊青

（內(nèi)蒙古自治區(qū)黃河鐙口灌區(qū)管理中心，內(nèi)蒙古包頭 014010）

合理的農(nóng)田灌溉是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與種植的基本工作。在現(xiàn)階段工作中，如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉用水的均衡性，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)耕行為不受水資源與自然降水等外界環(huán)境因素的影響等問題日益受到人們的重視。目前，有關(guān)單位采用健全農(nóng)田灌溉技術(shù)的方式優(yōu)化相關(guān)工作[1]。盡管當(dāng)前大部分農(nóng)村地區(qū)已在此項(xiàng)工作中做出了較大的投入與努力，并取得了階段性工作成果，但農(nóng)業(yè)建設(shè)中的水利工程開發(fā)模式仍存在一定的問題。在深入相關(guān)工作的市場中調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因集中在農(nóng)業(yè)灌溉方面，主要體現(xiàn)在農(nóng)田灌溉對(duì)水資源的利用率低、灌溉時(shí)常出現(xiàn)河道淤泥堆積、地區(qū)水資源分布不均導(dǎo)致的農(nóng)田灌溉綜合水平不達(dá)標(biāo)等[2]。為滿足農(nóng)田作業(yè)的基本需求，有關(guān)單位提出了農(nóng)田漫灌工作方式，即加大對(duì)農(nóng)田灌溉中水資源的供應(yīng)量，以確保農(nóng)作物的量產(chǎn)需求[3]。但該灌溉方式會(huì)浪費(fèi)大量的水資源，甚至?xí)黾愚r(nóng)田量產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在本研究中，引進(jìn)一種噴灌節(jié)水技術(shù)，以內(nèi)蒙古包頭市的小型農(nóng)田為例，開展新技術(shù)在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用分析。通過引進(jìn)噴灌節(jié)水技術(shù)，以期為提高農(nóng)田灌溉水平與綜合灌溉效率、節(jié)約水資源、保證農(nóng)作物在生產(chǎn)中的養(yǎng)分需求等方面提供一定幫助。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

1.1 項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

本文選擇位于內(nèi)蒙古包頭市土右旗的某個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)個(gè)體戶作為此次研究對(duì)象。該旗是我國糧食生產(chǎn)中心之一，全旗糧食作物面積9.24 萬hm2，產(chǎn)量81.89 萬t，連續(xù)十次榮獲“全國產(chǎn)糧大縣”稱號(hào)。2021 年，該旗春灌引水任務(wù)完成春灌引水316 萬m3，灌溉面積約為1 133.33 hm2，為夏糧豐產(chǎn)豐收打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀

1）為滿足地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉與農(nóng)作物生產(chǎn)需求，農(nóng)戶在耕地范圍內(nèi)設(shè)置了多組農(nóng)機(jī)井眼。2）在與包頭市土右旗農(nóng)戶進(jìn)行交涉過程中了解到包頭市土右旗不同農(nóng)戶在農(nóng)田灌溉時(shí)選擇的灌溉技術(shù)差異較大，主要灌溉方式為噴灌、管灌、微灌、防滲灌等。其中，小水塘、水窖、水池等可用于集水的基礎(chǔ)設(shè)施較多的地區(qū)，根據(jù)不同設(shè)施的有效存儲(chǔ)量可知道包頭市土右旗在大規(guī)模降水時(shí)集水基礎(chǔ)設(shè)施的有效容積大于10 萬m3。3）為避免農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響，地區(qū)環(huán)境綜合管理單位設(shè)置了多條排水渠道，用于排出灌溉用水，排水管道全長105.78 km 左右，可實(shí)現(xiàn)對(duì)1 980 m2污水的排出與調(diào)控。本文選擇的灌溉區(qū)域位于整個(gè)項(xiàng)目區(qū)的西部，灌溉農(nóng)田坡度較小，地塊大致呈長方形分布，東西長1 210 m，南北寬450 m，合計(jì)面積36.33 hm2左右，其主要作物為小麥、玉米、馬鈴薯等生育期對(duì)水分要求較高，不能缺水的作物類型。

2 灌溉方式

目前主要的灌溉方式包括滲灌、噴灌、漫灌、滴灌等。1）滲灌即將灌溉水引入田面以下一定深度后，通過土壤的毛細(xì)管作用，濕潤農(nóng)田根區(qū)土壤，以滿足作物生長需要的灌溉方式。2）噴灌指的是利用折射、旋轉(zhuǎn)或輻射式微型噴頭將水均勻噴灑到農(nóng)作物的灌溉方式，在利用噴灌技術(shù)對(duì)小型農(nóng)田進(jìn)行大規(guī)模灌溉時(shí)，需使用噴灌設(shè)備，利用自然水在設(shè)備中的下降勢能，將水泵中的水體壓縮到管道中，此時(shí)管道噴嘴會(huì)對(duì)管道中的水體進(jìn)行壓縮，并以噴射的方式噴灑到農(nóng)作物種植環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田節(jié)水灌溉[4]。噴灌還能實(shí)現(xiàn)對(duì)用水的控制與保持，及對(duì)農(nóng)田小型氣候的綜合調(diào)節(jié)。3）漫灌為不在田間做任何溝埂，任由灌溉水在地面漫流，借助重力作用浸潤土壤的灌溉方式，較為粗放且水資源利用率低。4）滴灌指的是利用塑料管道將水通過直徑約10 mm 毛管上的孔口或滴頭進(jìn)行局部灌溉的澆水方式，經(jīng)常用于干旱缺水地區(qū)，節(jié)水效果較好，可使水的利用率達(dá)95%。一般來說，滲灌與微噴灌的灌溉方式更適用于蔬果的灌溉，漫灌與滴灌更適用于水稻類農(nóng)作物的灌溉。考慮到灌區(qū)地塊坡度較小，且噴灌技術(shù)具有將水均勻噴灑到農(nóng)作物上、有效節(jié)約水資源、用于坡度較小的農(nóng)田的優(yōu)勢，本研究引進(jìn)噴灌技術(shù)對(duì)該地區(qū)的農(nóng)田進(jìn)行灌溉。

3 小型農(nóng)田節(jié)水灌溉工程中噴灌技術(shù)的應(yīng)用方法設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算小型農(nóng)田最大凈灌水定額

為提高我國小型農(nóng)田水利工程建設(shè)效果，實(shí)現(xiàn)小型農(nóng)田節(jié)水灌溉，本研究根據(jù)個(gè)體農(nóng)戶農(nóng)田占地面積、占地規(guī)模與灌溉基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成，布置小型農(nóng)田水利工程灌溉管網(wǎng)。根據(jù)種植農(nóng)作物對(duì)水資源的需求，基于節(jié)水灌溉角度，進(jìn)行基本條件計(jì)算，即根據(jù)公式（1）計(jì)算小型農(nóng)田最大凈灌水定額與灌水周期、小型農(nóng)田灌水定額最大凈灌水定額。

式中：mmax為最大凈灌水定額，單位為mm；γ為土壤容重，單位為g·cm-3；z為土壤計(jì)劃濕潤層深度，單位為cm；P為設(shè)計(jì)土壤濕潤比，單位為%；θmax為適宜土壤含水量上限，單位為%；θmin為適宜土壤含水量下限，單位為%。

根據(jù)公式（2）計(jì)算灌水周期。

式中：T為灌水周期，單位為d；r為水利用系數(shù)，取值范圍為0.7～0.9；e為日耗水強(qiáng)度，單位為mm·d-1。

在此基礎(chǔ)上布置水利工程中的可控放水器進(jìn)行灌溉過程中水源與水量的調(diào)節(jié)。

3.2 布置小型農(nóng)田水利工程灌溉管網(wǎng)

1）為實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古包頭市小型農(nóng)田水利工程的規(guī)范化建設(shè)，在引進(jìn)噴灌技術(shù)前，需在小型農(nóng)田中進(jìn)行灌溉管網(wǎng)的規(guī)范化布置。為實(shí)現(xiàn)灌溉的集約化利用，選擇管網(wǎng)輸水管，設(shè)計(jì)輸水管的輸水壓力在0.5～0.7 MPa[5]。布置灌溉管網(wǎng)中的出水管口、主干灌水線路、分支灌水線路與分干灌水線路，將所選擇的輸水管埋入灌溉農(nóng)田中，設(shè)計(jì)管道埋深在60～80 cm。同時(shí)，由于包頭市設(shè)置了較多的隔水溝，可將管網(wǎng)中的高壓輸水管線布置在隔水溝處，根據(jù)農(nóng)田灌溉用水需求，在隔水溝中設(shè)計(jì)增壓循環(huán)泵，通過調(diào)節(jié)泵管壓力保證農(nóng)田灌溉效果[6]。

2）包頭市農(nóng)田中的小麥、玉米、馬鈴薯等主要作物在生育期內(nèi)不能缺水，且需均勻噴灑，因此需合理設(shè)計(jì)管網(wǎng)的布置方式。在玉米等農(nóng)作物的灌溉設(shè)計(jì)時(shí)，可將管網(wǎng)輸水管道的出水壓力設(shè)定為0.5 MPa，在此基礎(chǔ)上，對(duì)管網(wǎng)中輸水管的孔口出流量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中需獲取管網(wǎng)中輸水管的孔口處流量設(shè)計(jì)值（流量設(shè)計(jì)值的計(jì)算單位為m3·s-1）、單位時(shí)間內(nèi)管道流量系數(shù)（根據(jù)本次研究需求，設(shè)定管道流量系數(shù)的取值為0.6～0.8 的常數(shù)，此次計(jì)算設(shè)定管道流量系數(shù)的取值為0.7）、孔口截面面積（單位為m2）、管網(wǎng)輸水管道的出水壓力（單位為MPa，本次研究設(shè)定出水壓力的取值為0.5）、單次沖擊壓力下水體徑流長度（單位為m）等數(shù)據(jù)。在掌握相關(guān)數(shù)據(jù)后，按照標(biāo)準(zhǔn)化方式進(jìn)行孔口出流量的設(shè)計(jì)。

3）選用φ50 的鍍鋅材質(zhì)鋼管作為管網(wǎng)出水口的構(gòu)成材料。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同等級(jí)或用于不同灌溉方式的管道徑流流速進(jìn)行設(shè)計(jì)。在管道徑流流速參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，獲取管道徑流流速、水體在灌溉介質(zhì)中的流速等數(shù)據(jù)[7]。通常情況下水體在灌溉介質(zhì)中的流速取值在0.5～1.8 m·s-1，本次研究計(jì)算取值流速為1.5 m·s-1。且本次水利工程灌溉管網(wǎng)中的主干管網(wǎng)與分支管網(wǎng)所選的管線類型為φ250，將管線沿著農(nóng)田隔水溝布置即可[8]。按上述方式進(jìn)行工程灌溉管網(wǎng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，完成布置小型農(nóng)田水利工程灌溉管網(wǎng)的規(guī)劃。

3.3 小型農(nóng)田水利工程中可控放水器的調(diào)節(jié)布置

為保證農(nóng)田灌溉的及時(shí)性，確?；竟喔葷M足農(nóng)作物生產(chǎn)需求，在小型農(nóng)田水利工程中布置可控放水器對(duì)灌溉過程進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。在此過程中，需將農(nóng)田所在區(qū)域的環(huán)境、氣候、土壤等作為灌溉的主要參數(shù)，根據(jù)工程實(shí)際部署，將可控放水器布置在農(nóng)田灌溉進(jìn)水管的前端?？煽胤潘鞯纳隙擞身斏w、塑料桿、出水口、操作桿、洞身、消力坎等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可控放水器的中部由活動(dòng)控制片進(jìn)行主動(dòng)控制，可控放水器的下端由2個(gè)固定控制片、止水環(huán)、進(jìn)水腔、進(jìn)水孔構(gòu)成[9]。

通常情況下，需設(shè)置濕潤深度。本次研究設(shè)計(jì)的濕潤深度取值區(qū)間：1）對(duì)于中型或大型農(nóng)田，濕潤深度的取值在0.4～0.6 m；2）對(duì)于農(nóng)業(yè)種植中的蔬菜農(nóng)田，可將濕潤深度的取值控制在0.2～0.3 m；3）對(duì)于農(nóng)業(yè)種植中的果樹農(nóng)田，可將濕潤深度的取值控制在0.8～1.0 m。至此，完成小型農(nóng)田節(jié)水灌溉工程中噴灌技術(shù)的應(yīng)用方法設(shè)計(jì)。

4 方法應(yīng)用效果分析

當(dāng)灌溉的管道水進(jìn)入承壓腔內(nèi)時(shí)，水體將通過此裝置進(jìn)入終端進(jìn)行消力與耗能，通過該調(diào)節(jié)方式，保證灌溉過程中的出水與放水平穩(wěn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉中水量的綜合調(diào)節(jié)。將灌溉過程中的水資源利用量作為評(píng)價(jià)本次設(shè)計(jì)成果的指標(biāo)，在農(nóng)田灌溉用水渠道中集成傳感器，用于采集灌溉過程中的農(nóng)田灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)。對(duì)比在一個(gè)指定周期內(nèi)，農(nóng)田灌溉過程中的農(nóng)田灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)與灌水定額（見圖1）。

圖1 指定周期內(nèi)農(nóng)田灌溉用水與灌水定額

由圖1 可知，指定周期內(nèi)代表農(nóng)田灌溉用水與灌水定額的兩條曲線基本重合，說明灌溉過程中農(nóng)田排水基本為0，說明按照本次研究所設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行小型水利農(nóng)田建設(shè)，可減少灌溉需用水，有利于提高區(qū)域資源高效利用效果，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供用水保障。

為進(jìn)一步證明噴灌技術(shù)的節(jié)水效果，將涉及的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)劃分為A～E 共5 個(gè)地區(qū)，利用排水管道計(jì)算排水量，從而得到灌溉水資源的有效利用量，在此基礎(chǔ)上計(jì)算不同區(qū)域的灌溉水利用率，即有效利用量/灌溉水量，得出不同區(qū)域灌溉水利用率（見表1）。

表1 不同區(qū)域灌溉水利用率

由表1 可知，A～E 區(qū)每個(gè)區(qū)域所需的灌溉水量不同，但采用本研究設(shè)計(jì)方案后，各區(qū)域的灌溉水利用率均在99%以上，證明了應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)方法可有效減少水資源浪費(fèi)，最大限度地利用灌溉用水，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

為提高農(nóng)業(yè)農(nóng)作物種植過程中的灌溉水利用率，本文選擇位于內(nèi)蒙古包頭市土右旗的某個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)個(gè)體戶作為本次試驗(yàn)的研究對(duì)象，從獲取小型農(nóng)田水利工程灌溉信息與基礎(chǔ)設(shè)施部署、布置小型農(nóng)田水利工程灌溉管網(wǎng)、小型農(nóng)田水利工程中可控放水器調(diào)節(jié)布置3 個(gè)方面，開展噴灌技術(shù)在小型農(nóng)田節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用效果分析建設(shè)研究。1）按照本次研究所設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行小型農(nóng)田節(jié)水灌溉建設(shè)，可提高農(nóng)田灌溉用水利用率，在灌溉周期為12 h 內(nèi)，灌溉用水量和灌水額定量保持一致，水資源浪費(fèi)率為0，且不同區(qū)域的灌溉水利用率均在99%以上，能有效利用水資源。2）農(nóng)業(yè)種植中的蔬菜農(nóng)田濕潤深度可有效控制在0.2～0.3 m，農(nóng)業(yè)種植中的果樹農(nóng)田濕潤深度可有效控制在0.8～1.0 m，以提升農(nóng)業(yè)灌溉綜合水平，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和綠色發(fā)展。通過該設(shè)計(jì)方式能有效提高噴灌效率、提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，有利于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與農(nóng)業(yè)種植效益的全面提升。