地下滲灌管滲水滴頭堵塞試驗研究正文

- 1 - 1 引 言 水是生命之源，水是維持生態(tài)系統功能和支撐地球社會經濟系統發(fā)展不可替代的資源。隨著水資源危機的加劇和水資源質量的下降，世界范圍的水問題日益嚴重。我國是一個水旱災害頻繁，水資源短缺的國家，出現這種情況的根本原因是我國所處的經度、緯度位置及大的地貌構造格局導致的季風氣候特點，從而水資源在時空的分布上極不均勻，變異系數 Cv 值普遍較大。水資源是水量和水質的高度和諧統一，一個特定區(qū)域內水資源的量并不完全取決于水資源的數量，還取決于水資源的質量。改革開放以來，隨著工業(yè)生產的開展和人民生活水平的提高，在單純追求高 速度的經濟發(fā)展模式及高享受的生活價值觀的推動下，人們從環(huán)境中大量地攫取水資源，輸給環(huán)境的重污染的工業(yè)廢水和有機污染嚴重的生活污水，造成我國水環(huán)境質量惡化，更進一步加劇了水資源短缺的局勢?？偨Y我國水資源的特點大體如下 1。 (1)水資源概況 我國水資源總量為 2855108m3，占全球水資源的 6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位。中國以占全球約 6%的可更新水資源， 9%的耕地支持了占全球 22%人口的溫飽和經濟發(fā)展。如此比例差距，導致我國在世界排名第四的水資源總量按耕地面積和人口數平均卻顯得相當的小， 人均水資源占有量只相當于世界人均水平的 1/4，居世界 110 位。使我國從富水國轉變?yōu)樨毸畤?旱災已成為我國覆蓋面最廣、成災損失最大的災害，而且受災面積逐年擴大。目前，全國耕地實際灌溉面積僅 40%，每年有 60%的耕地無水灌溉。今后，隨著我國經濟的高速增長以及工業(yè)化和城市化水平的提高，已經明顯不足的水資源還要不斷地向工業(yè)等非農產業(yè)轉移，而且未來 30 年內，我國人口還將不斷增加，人口的增加一方面會直接擴大 用水需求，另一方面又會加大對農產品需求的壓力，進而加劇農業(yè)用水短缺矛盾。干旱缺水已經成為制約我國農業(yè)穩(wěn)定發(fā)展和糧 食安全供給的主要因素。 (2)水資源時空分布不均 我國水資源的時間分布受季風氣候的影響，降雨年內分布極不均勻，年際變化也很大，一年里降雨集中在夏季，而其他月份旱情較重；大部分地區(qū)汛期連續(xù) 4 個月降雨量占全年總降雨量的 70%左右。我國水資源的空間分布極不均勻，總體表現是東多西少， 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 2 - 東西差距較大；北方水資源貧乏，南方水資源相對豐富，南北相差懸殊。 (3)水資源配置不合理 我國水資源受降水的影響，時空分布極不不均，南方降雨在 800 2000mm，北方降雨在 200 800mm。長江流域及其以南地區(qū)耕地面積占全國的 36.5%，而水 資源總量占全國的 80.9%，長江以北地區(qū)水資源總量僅占全國的 19%。足可看出，南北水資源量相差十分懸殊，與農業(yè)耕地分布極其不匹配。 我國這種水土資源在空間分布上極不匹配的狀況，要求在科學知道下，合理開發(fā)利用水土資源，并安排相適應的經濟結構和控制人口的增長，以支持發(fā)展的需要，但必須十分注意保護包括天然綠洲在內的荒漠生態(tài)環(huán)境。 我國以補充灌溉為主，目前 80%的糧食產于灌溉農田，灌溉面積為 0.5108hm3，居世界首位，占全國耕地面積的 50%，灌溉用水量 約為 4000108m3，占 全國總用水量 的61.4%左右，約占世界農業(yè)總水量的 17%，是用水大戶，而全國 95%的灌溉土地使用傳統的漫灌和溝灌，誰的利用率僅為 30% 40%，水的浪費極為嚴重。在我國北方地區(qū)，水資源短缺已成為嚴峻的現實問題，然而，農田用水中的損失和浪費相當嚴重。 1.1 節(jié)水農業(yè)的概述 節(jié)水農業(yè) 是充分合理地利用各種可用水源，采取工程、農藝、管理等技術措施，是區(qū)域內有限水資源總體利用率最高及其效益最佳的農業(yè)，即節(jié)水高效的農業(yè)。要自然界的水轉化為農作物產量，一般要經過以下四個環(huán)節(jié) 2： (1)合理開發(fā)農用水資源 農用水資源包括降水、地表 水、地下水、土壤水和經過凈化處理的廢無水。農用水資源和合理開發(fā)，是指采取必要的工程技術措施，對天然狀態(tài)下的水進行有目的的干預、控制和改造，在維護生態(tài)平衡條件下，為農業(yè)生產提供一定水量的活動。 (2)修建輸配水工程，將水從水源送到田間 從水源引水輸送到田間是通過修建輸配水工程來實現的，渠道和管道是我國農田灌溉最主要的輸水工程。但傳統的水渠輸水滲漏損失大，所以采用渠道防滲或管道輸水可大幅度減少輸水損失，顯著提高渠系水利用系數。但我國渠道防滲和低壓管道輸水所占的比例很低。因此，大力發(fā)展渠道防滲和低壓管道輸水是我國 節(jié)約灌溉用水的主要技術措施。 - 3 - (3)采用田間灌溉工程技術把引入田間的水均勻地分配到指定的面積上 把引入田間的水均勻地分配到指定的面積上，儲存在土壤中轉化為土壤水，是通過田間灌溉工程技術來實現的。但無論采用何種田間灌溉工程技術，將引入田間的灌溉水轉化為土壤水的過程都會有水量的損失。從水源引水到田間灌水這兩個環(huán)節(jié)為節(jié)約灌溉用水所采取的技術措施，稱為工程節(jié)水措施，衡量從水源引水到田間形成土壤水過程中，灌溉水有效利用程度的指標用灌溉水利用系數來表示。它是從渠首引進灌溉水量扣除渠系和田間損失水量后與總引進灌溉水 量的比值，是集中反映灌溉工程質量、灌溉技術水平和管理水平的一項綜合性指標。從水源引水到作物根層有一半以上的灌溉水在這個過程中，因滲漏、蒸發(fā)和管理不善等原因而損失了，沒有被作物利用。因此，工程節(jié)水措施盡管不與作物形成產量直接發(fā)生關系，但卻是當前節(jié)水農業(yè)技術的主要方面。 (4)作物從農田土壤中獲取水分形成產量 作物從農田土壤中獲取水分到形成產量，是通過作物對土壤水的吸收、運輸和蒸騰來完成的。衡量農田水分效率程度的指標是水分生產率，它是單位面積平均產量與單位面積平均凈灌溉水量和有效降水量及地下水補給量之和的比值。 因此，水分生產率是集中反映作物對水分的利用效率的一項綜合性指標，是農藝措施產生的節(jié)水效果。為提高水分生產率，應采取措施提高作物的蒸騰效率，減少棵間蒸發(fā)量。為此，可采用栽培、耕作、覆蓋、施肥、選育品種以及施用化學制劑等節(jié)水增產的農藝技術措施。 1.2 節(jié)水灌溉工程措施 (1)渠道防滲技術 渠道防滲技術是我國目前應用得最廣泛的節(jié)水灌溉工程技術措施。通過對渠床土壤處理或建立不易透水的防護層，以減少輸水滲漏損失，加快輸水速度，提高灌水效率。 (2)低壓管道輸水灌溉技術 用塑料管或混凝土管等管道輸水代替土渠輸水到田間 對農田實施灌溉，可大大減少輸水過程中的滲漏、蒸發(fā)損失，水的輸送有效利用率可達 95%；還可減少渠道占地，提高輸水速度，加快灌水進度，縮短輪灌周期，有利于控制灌水量。 (3)噴灌技術 噴灌是利用專門的設備將水加壓，或利用水的自然落差將有壓水通過壓力管道送到田間，再經噴頭噴射到空中散成細小的水滴，均勻地散布在農田上，達到灌溉目的。噴 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 4 - 灌幾乎適用于灌溉所有的旱作物。但在多風情況下，噴灑會不均勻，蒸發(fā)損失增大?，F階段適合在我國大面積推廣的主要有固定式、半固定式和機組移動式三種噴灌形式。 (4)微灌技術 微灌是一種新型的 最節(jié)水的灌溉工程技術，包括滴灌、微噴灌和涌泉灌。微灌可根據作物需水要求，通過低壓管道系統與安裝在末級管道上的灌水器，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以很小的流量均勻、準確、適時、適量地直接輸送到作物根部附近的土壤表面或土層中進行灌溉，從而使灌溉水的深層滲漏和地表蒸發(fā)減少到最低限度。微灌適用于所有的地形和土壤，特別適合干旱缺水的地區(qū)。微灌系統可分為固定式和半固定式兩種。 (5)覆膜灌技術 覆 膜灌包括膜上灌和膜下灌。膜上灌是在地膜栽培的基礎上， 把以往的地膜旁側灌水改為膜上灌水，水沿放苗孔和地膜旁側滲對作物進行灌溉。膜 下灌是在地膜下用滴灌供水灌溉，比膜上灌更省水。覆膜灌操作簡便，便于控制灌水量，可大幅度減少土壤的深層滲漏和蒸發(fā)損失，因此能顯著提高水的利用率。 (6)地下灌溉技術 地下灌溉是把灌溉水輸入地面一下鋪設的透水管道或采取其他工程措施普遍太高地下水位，依靠土壤的毛細管作用浸潤根層土壤，供給作物所需水分的灌溉工程技術。地下灌溉根據供水方式的不同可分為地下浸潤灌溉、地下管道灌溉和地下灌排兩用系統。地下浸潤灌溉適用于地下水位較高、地下水及土壤含鹽量均較低，土壤透水性好，又有一定排水條件的地區(qū)。地下管道灌溉適用于水資源緊缺 、地下水位較深、灌溉水質較好、計劃濕潤土層以下有弱透水土層的地區(qū)。地下灌排兩用系統適用于地下水位較淺，土壤無鹽堿化的低洼易澇漬又有干旱威脅的地區(qū)。 (7)坐水種技術 坐水種技術是利 用坐水單體播種機，使開溝、澆水、播種、施肥和覆土一次完成，特別是 我國有小水源的旱地農業(yè)區(qū)。 (8)溝、畦灌是我國當前最主要的田間灌水方式，為了節(jié)水增產，可在精細平整土地的基礎上大畦改小畦，長溝改短溝，以使溝、畦規(guī)格合理化。一般可比常規(guī)溝、畦減少灌水定額 50%，增產 10% 15%。有條件的地方可采用間歇灌或利用激光控制平地實現水平畦 田灌，以大幅度提高田間灌水的利用率。 為認真貫徹黨的十五大精神，把發(fā)展節(jié)水農業(yè)和普及節(jié)水灌溉 新技術作為實現兩個 - 5 - 轉變的重要內容來抓，堅持開源與節(jié)流并舉，建設與管理并重，大、中、小、微相結合，采取各種有效措施，從投入、科技和政策等方面向節(jié)水灌溉進行傾斜，加快節(jié)水灌溉普及的步伐。 近幾年，我國的節(jié)水灌溉事業(yè)有了很大發(fā)展。目前，全國節(jié)水灌溉面積已達到 2533.3萬 km2，其中工程節(jié)水面積為 1666.6 萬 km2，在選擇和確定節(jié)水灌溉技術方案時，要貫徹因地制宜的原則，在不同類型地區(qū)可造不同形式的節(jié)水灌溉模式。 隨著我國 加入 WTO，機械生產經營模式必將受到來自國外的巨大沖擊。比如，隨著“入世” 后市場競爭的加劇，農產品首先必須質量高，成本低，機械化農業(yè)生產必須從為產量服務轉化為效益服務，為質量服務。 近年來，隨著全球淡水資源日趨緊缺，人們在評價一個國家的農業(yè)生產力水平時，除了產量因素外，更看重的往往是這個國家對灌溉水的有效利用程度，即 如何做到節(jié)約用水的同時實現高產。由于滲透技術的節(jié)水優(yōu)勢適應了山西十年九旱自然特點和農業(yè)生產條件。因此，在短短數年的時間內，我省滲灌已經發(fā)展成全國數量最多的省份。 山西糧食要實現自給與“兩高一優(yōu)” 農業(yè)的發(fā)展 ，就急需發(fā)展節(jié)水微灌技術 滲灌技術。滲灌就是按照作物需水要求，通過低壓管道系統與安裝在末級官道上的特制灌水器， 將作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻準確地直接輸送到作物根部附近的土層中的灌溉水方法，具有省水、節(jié)能、灌水均勻、增產、節(jié)約勞動力等特點，它是以滲水方式使灌溉水直接灌到作物根部，加之土壤水分受重力作用向下移動，使土表濕潤范圍很小，因此滲灌有以下優(yōu)點： 減少土表蒸發(fā)水；克服地面毛管易于老化的缺陷；方便田間農事作業(yè)。因此，我省運城地區(qū)推廣的灌溉面積，在短短的一年多時間就超過了全國 20 年時間 的發(fā)展，且占全省灌溉面積的 90%以上，但是由于盲目發(fā)展與不正之風的干擾，一度出現運城地區(qū)的公路兩旁滲灌池林立，不同程度地造成配套設施和管路技術跟不上，帶來如中央電視臺焦點訪談中出現的問題。 因此，我們在發(fā)展?jié)B灌 技術上一定要慎重。又因為設計滲灌系統是有困難的，其基礎是以相當小的孔口，以非常小的流量；水流道和出水口必須做的非常小，在大多數情況下，滴頭出水口的直徑小于1mm，平均為 0.5mm。顯然，這樣小的出水口和地表以下的工作狀況長久必定會引起堵塞。堵塞時滲灌中最嚴重的問題，它足以使整個系統停止工作，對作物造 成嚴重的損害，因此滲灌的主要問題是滴頭的堵塞 3、 4。 為了探明埋入 地 相 鄰 管 道堵塞的原因，以及尋找解決堵塞的途徑 ， 于 去年 在 試區(qū)進 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 6 - 行了滲灌試驗。 今年 ， 本文 在去年的基礎上 重新做了這一試驗，嘗試著尋找更多堵塞的原因，以便得到 廣泛的推廣與應用。 2 試驗的相關資料 2.1 試驗 田 的 有 關資料 滲灌區(qū)為農大農學院試驗田，地塊面積 200168m2，約為 50 畝，形成地塊較整齊，地勢平坦，地面坡度小于 5%，依據農學院提供的有關資料，土壤質地為壤土，容重為1.41g/cm3，田間持水量為 25%。 2.2 氣象資料 該區(qū)全部種植小 麥。據太谷縣氣象資料分析，本區(qū)多年平均降水量約為 500mm，降水不足且年季分配不均，全年降水量的 60%集中于 7 9 月份， 3 6 月份為干旱季節(jié)，降雨很少，約為全年降雨的 10%，所以小麥的關鍵生育階段受旱突出。 3 試驗前的準備工作 3.1 試驗布置 在農大試區(qū) 建一水池，系磚壁水池，室內壁為水泥抹面，防滲，池容積 2m（長） 2 m（寬） 1.5m（高），可供 20m（長） 10m（寬）的試區(qū)灌水二至四次。池最低處有清污排水管，距池底 0.1m 處為出水管，干管始端配有水泵，還配有閥門和連通 2 條裝有水表的 支管。在支路上分別接 長度為 20m 的毛管 6 條，在干管終端配有壓力表?？紤]到田間耕作的綜合因素，確定埋深為 40cm。試驗布置如圖 1： 3.2 實驗材料 (1)滴頭 滴頭質量的好壞，直接關系到整個滲灌系統的質量。滴頭的種類很多，但綜合其流量及經濟性的考慮，以做到因地制宜，合理利用，在此次試驗中，選擇了以下兩種毛管 - 7 - 與滴頭一體的滲灌管。 針孔式：自制。即直接在管徑為 16mm 的毛管上打孔，孔徑為 1mm，工作壓力為0.05 0.15MPa，滴頭流量為 9.5L/H，滴頭艱巨為 0.33m，管長為 20m。 管上式：由綠源公司提供（引進以 色列技術）工作壓力為 0.01 0.35 MPa，管徑為 12mm，管長為 20m。 (2)干管、毛管、支管及連接件 滲灌系統中應盡量避免使用鋼管、鑄鐵管、水泥管或石棉水泥管 系易于產生化學反應和銹蝕的管道。因此，主要選擇塑料管，以上管材均為硬質塑料管。 (3) 塑料編織布、谷物和秸稈 (4) 動力設備及輔件 水泵最大揚程 36m，水表、壓力表、閥門 。 3.3 測試儀器及工具 LNW 50C 智能中子土壤水分儀，鋼管（內徑 60mm，管長 1200mm），鐵鍬，卷尺，取土器如圖 2、圖 3 所示： 取土器使用方法：手握取土器的 柄把，在要測的土壤正上方地表處，把其刃部接觸 地表，然后握著柄把向稍大的角度旋轉，當其頭部空腔裝滿土后，將其提出，用木棍從取其土壤中將土拔出，然后重復上述動作，知道打至所要測試的土壤位置。 圖 1 蓄水池試驗布置圖 蓄水池2m2m1 號管3 號管20m20m123456針孔式管上式1.5m1.5m1.5m1.5m 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 8 - LNW 50C 智能中子土壤水分儀是利用放射性的中子源進行探測的，是一種智能化一起。這種儀器末端帶有電線，線頭附近有一個紡錘形的探頭，里面是放射源。使用時，將要測得土壤用取土器打到位置上，在取土器打下的洞中 放入鋼管（ 以防儀器探頭的放射性）。將儀器的探頭放入鋼管中，儀器底座放在剛關上，使探頭與被測土壤接觸，打開儀器電源，進行測量，測量示意圖如 圖 4： 3.4 試驗步驟 3.4.1 滲灌管路的分組 針孔式滴頭和管上式剔透滲灌管路各分為三組。第一組：將毛管與土壤直接接觸。第二組：滴孔處纏有 10cm 長的塑料編織布。第三組：滴孔處鋪有 20cm 長的谷物秸稈。 3 0 c m4 0 c m5 0 c m6 0 c m7 0 c m1234圖 2 取土器示意圖 注： 1 刃部 2 取土器頭部 3 取土器測量桿 4 柄把 5 取土壕 5151859045220 90圖 3 取土器的 頭部示意圖 - 9 - 3.4.2 蓄水 池 供水 系統布置 打開蓄水池的排水口，將雜物清除干凈，放自來水沖洗干凈，放凈池內殘留臟水，再將水源（自來水），充滿蓄水池。將埋沒的滲灌管道末端露 出的堵頭打開，打開水泵進行加壓供水。將管道沖洗幾遍， 直到 流出的水清為止。 3.4.3 確認管道情況堵塞并標記 確定管道無堵塞后，蓋上支、毛管末端的堵頭，并標記為支、毛管號（見 圖 1），關上閥門。 3.4.4 土壤水分含量的測定 (1)為了了解埋沒在地下滲灌滴頭的堵塞情況， 擬采取“土壤水分含量比較法”。 在判斷地下滲灌滴頭是否堵塞時，不可能把每個要測的滴頭都挖出來， 所以在這里我們應用“土法”。這種方法的優(yōu)點是判斷滴頭是否堵塞不需 把滴頭挖出來觀察，從而大大節(jié)省了時間和降低了工作強度。 (2)測試中需使用 LNW 50C 智能中子土壤水分儀。它測出的值是一個指數，并不是土壤的水分含量，但它卻能體現土壤水分含量的大小。由于此次試驗，我們并不需要具體的土壤水分含量的數值，僅僅是用來比較，所以可以用指數代替土壤水分含量值。 智能中子土壤水分儀鋁管圖 4 土壤水分測量示意 圖 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 10 - 3.4.5 取參照 值 首先要測出各毛管上的滴頭在未進行滲灌前的滴頭處土壤的水分含量、指數。一次作為指數比較的參照值。由于土壤質地、性質和地塊地形不完全相同，因此，參照值也必然不會處處相同，為了使試驗要更加準確、接近實際情況，每根毛管取 3 個參照點。見表 3。在這里，連去年的表 （表 2） 一并附上。 操作：由于只有 6 根鋼 管，因此每次只能測 6 個值，這樣需先兩支毛管，再測兩支。用取土器分別在兩支毛管上的 6 個被測滴頭處正上方打下去，直到待測深度 40cm 處，用土壤水分儀測出值，重復上述動作，挨個測出這 6 個數值，再取其他滴頭處的指數，然后記錄 數據，同下一步滲灌后的實驗數據并入一表 （表 1） ，以利比較。此實驗做完后，用鐵片或其他物體將挖的洞蓋住，防止土壤中水分蒸發(fā)，以備下一步驟試驗。 表 1 滲灌實驗表 3.4.6 供水時間的確定 打開干管上的水流控制閥門，調節(jié)好水量后， 就別在再動了 ，進行田間滲灌供水 6小時。 3.4.7 滴頭堵塞程度的測試 經過 6 小時的滲灌后，再次測試上述滴頭處的土壤水分含量，并記錄數據，把每組滲灌后的測量值與滲灌前的測量值的差值進行比較，選出差值最小的滴頭和較小的滴頭，認為這些滴頭是有堵塞的可能，這樣，就可以挖開那些被認為堵塞了的滴頭，觀察是否受堵和堵塞的原 因。記錄數據見下表 2 、表 3： 綜上所述： 從以上試驗可以看出，泥沙的沉淀堵塞和作物根系的深入和纏繞堵塞是比較嚴重的。因此有必要主要針對這兩種堵塞情況分析原因，做到有的放矢，以提出 合理 有效的解決方案。 一號管 （針孔式） A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 三號管 （管上式） A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 距離 5m 10m 15m - 11 - 表 2 2008 年 滴孔處土壤水分測量表 滴孔形式 測試點 （滴頭編號） 土壤水分儀測量值 滲灌前后差值 堵塞現象描述 程度 針 孔 管 （ 1 號管） 滲灌 前 灌后 后 （后 -前） A1 712 870 158 管中沉淀有泥沙，并伴有根系伸入滴孔 3 A2 690 944 254 個別根系伸入 滴孔 2 A3 669 1308 639 B1 730 1260 530 幾乎無堵塞，從現象上看不出來 1 B2 682 1030 348 滴孔處有部分土壤 小顆粒 2 B3 703 1308 677 C1 630 988 358 管中有少量泥沙 2 C2 592 1013 421 滴孔處有微量細小泥沙 1 C3 698 894 196 管中有懸浮狀土壤顆粒堵塞滴孔 3 管 上 式 （ 3 號管） A1 476 722 246 A2 448 668 220 現象 不明顯 1 A3 433 538 105 有作物根系纏繞，并有少量根伸入滴孔 2 B1 578 906 328 管中有少量藻類物質 3 B2 503 1042 539 B3 436 684 248 管中有細小土壤顆粒 2 C1 473 792 319 滴孔處個別地方有粘狀土壤 2 C2 541 974 433 C3 632 1094 462 幾乎無堵塞 1 注： A：毛管直接與土壤接觸 B：毛管滴孔處纏有 10cm 的塑料編織布 C：毛管滴孔旁鋪有 20cm 的谷物秸稈 灌溉時間為 6 小時 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 12 - 表 3 2009 年 滴孔處土壤水分測量表 滴孔形式 測試點 （滴頭編號） 土壤水分儀測量值 滲灌前后差值 堵塞現象描述 程度 針 孔 管 （ 1 號管） 滲灌 前 灌后 后 （后 -前） A1 490 510 20 管 路幾乎全部堵塞 4 A2 540 840 300 滴孔中個別根系及少量泥沙 2 A3 512 726 214 滴孔處有土壤小顆粒 3 B1 576 1040 464 B2 503 782 279 管中有少量藻類物質 2 B3 487 923 436 管中幾乎無堵塞 1 C1 607 823 216 滴孔處有少量泥狀土壤顆粒 3 C2 516 984 468 C3 424 644 220 管中有少量藻類物質及泥沙 3 管 上 式 （ 3 號管） A1 431 702 271 管中有微量細小泥沙 2 A2 513 694 183 A3 476 526 50 有作物根系纏繞，并有少量根伸入滴孔 4 B1 491 906 415 現象不明顯 1 B2 402 614 212 塑料布上有少量浮狀泥沙 2 B3 565 868 303 C1 497 692 195 管中有少量粘狀泥沙及少量藻類 3 C2 513 845 332 現象不明顯 2 C3 612 1022 410 注： A：毛管直接與土壤接觸 B：毛管滴孔處纏有 10cm 的塑料編織布 C：毛管滴孔旁鋪有 20cm 的谷物秸稈 “ ” 為沒有挖開觀察的滴頭 堵塞程度分級為： 1：幾乎無堵塞，從現象上看不出來。 2：堵塞程度較輕，有水滴，但速度慢。 3：堵塞較 嚴重，滴水很慢。 4：完全堵塞。 - 13 - 4 滴頭堵塞的影響因素綜合 分析 由于在這問題上，到目前為止，國內外都沒有取得重大突破，但各國都在研究，本人僅發(fā)表個人分析意見。 4.1 水源水質對 滴頭堵塞的 影響 4.1.1 懸浮狀固體顆粒 的影響 用于滲灌的自然水（河水、凈水、泉水、湖水）中的各種懸浮狀 固體顆粒的成分可能包括大小不同的土粒、沙粒，來自井壁上的淤泥，順水流帶進管道并通過水泵進入系統的固體物質，積聚在蓄水池內的腐爛物以及從管道和渠道襯砌上剝落下來的碎屑 。 根據直徑大小對顆粒進行分類，見 表 4 不論以上顆粒的大小怎 樣，它們都有一個共同的特點，那就是它們的比重都要比水大，很容易從水中沉淀下來。 表 4 固體顆粒分類表 顆粒尺寸（ mm） 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 0.05 0.002 礫石 很粗 粗 中粗 細 很細 粉砂 粘粒 4.1.2 軟泥 對滴頭堵塞的影響 (1)鐵細菌軟泥。鐵細菌能在管內（無論何種材質的輸水管道）造成“軟泥”，這種由鐵細菌造成的軟泥實際上就是含鐵的化合物。如果使用鐵質管道，則更容易受到鐵細菌的侵蝕。 (2)其 他微生物軟泥。除鐵細菌 外 ，還有藻類、硫細菌、硫酸鹽、還原菌、真菌以及菌膠團 等微生物，能在輸水管道中形成軟泥，藻類遍及整個天然水源。這些藻類體積小，繁殖快，又難于濾出和控制。 (3)化 學物質的沉淀。灌溉水中不可避免的存在各種濃度的化學物質。雖然水中溶解的化學物質的種類是繁多的，但是關系最大的是鈣和碳酸氫鹽。 有些地方的灌溉水取自地下水，由于石灰?guī)r層是良好的含水層，所以在這些地區(qū)從井中抽出的水一般含有豐富的鈣和碳酸氫鹽。如 CaCO3，這樣就會在所流經的灌溉系統內 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 14 - 沉淀，要是這種沉淀發(fā)生在滴頭的窄流 道內火出水口出，就會造成堵塞。 (4)金屬水管的電化學腐蝕。由于滲灌系統中都會用到金屬管道 ，其中又普遍存在著電化學反應，因此，化學腐蝕不可避免。其反應式如下：陽極： Fe Fe2+2e 陰極： 2H+2e H2 式中 Fe 為鐵原子， Fe2+為 2 價鐵離子， Fe（ OH） 2為不 溶 物 ， H+為 1 價氫離子， e 為電子。 (5)固體顆粒的長大。水體中懸浮的微 小 顆粒自身有一種使表面游離能量縮小的傾向，并且隨著表面能量的縮小，微粒與微粒之間相互靠攏，碰撞而形成混凝，致使微粒因合并而長大。水體中的懸浮顆粒發(fā)生混凝作用還有兩個 原因 ：一是水中的懸浮顆粒幾乎都是帶電荷的，由于靜電子力的作用而是本來很微小的顆?？赡芤粚訉蛹雍耖L大。二是由于水體中溶解性電解質的存在，減低了微粒的等電位，破壞了那些憎水性微粒的穩(wěn)定性而發(fā)生混凝作用。 4.2 作物根系 對滴頭堵塞的影響 滲灌是近年來推廣的節(jié)水效果較好的一種灌溉技術。但由于它是在地表以下完成工作，必然要與作物根系接觸 。嚴重時，扎入的滴頭，管道系統用不了幾年就會被迫報廢。 根據國內外大量的實驗材料，一年化作物根系分布有如下特點： (1)當滴頭緊靠作物旁邊時， 根以半徑呈對稱形分布，如 果滴頭在兩 株作物中間， 根系失掉對稱性，向滴頭方向發(fā)育， 見圖 5： 圖 5 作物根系發(fā)育圖 (2)根系向水、肥、氣、熱狀況良好的滴頭附近和表層發(fā)育，最顯著地特點是土壤表層中的根密度很高，毛根非常發(fā)達。緊靠滴頭，直至離滴頭 10cm 遠處，深度在 0 10cm以內，取出的土樣中，根重占總根重的 25%，距離滴頭橫向和深度的加大， 根的重量顯著下降，距離滴頭 30cm，深 30cm 處的土樣，根重只占總根重的 2%。 這就是作物根系的“親水性”。一切生物都離不開水源，而作物的“親水性”尤其表現突出，作物根系會順著滴水口的“水源”生長， 直至扎入長粗 長密的根須，堵塞滴頭為止。 - 15 - 4.3 滴頭及系統 布置 對滴頭堵塞的影響 滲灌的成功與否在很大程度上取決于能否得到可靠的滴頭，這樣的滴頭要有非常小的流量。而滴頭卻得做的盡可能大，并在一定得壓力下進行，使毛管在要求的水頭損失和兩端水頭差的前提下工作 ，要有合理的長度。正基于以上提及的許多特性想不矛盾，所以要設計一個好的滴頭是困難的。因此，滴頭設計的是否合理也是影響滴頭堵塞的一個重要因素，而且灌溉系統的布置、管道安裝的是否合理也非常重要，如果能進行優(yōu)化設計，布置就會有效地防止堵塞 。 4.4 毛管與土壤直接接觸 程 度對滴頭堵塞的影響 根據去年和今年的 土壤水分 測量表 （表 2、表 3） 可以看出，毛管與 土壤 直接接觸的管路堵塞比較嚴重。原因是滲灌后，管路中長時間沒有水時，周圍的土壤對管路有壓力作用，并且土壤不斷地向管路靠攏，對管路形成擠壓，導致堵塞。 5 減少滴頭堵塞的幾種途徑 隨著滲灌灌溉系 統廣泛推進，出現的問題也越來越多，其中堵塞問題最為嚴重。前面 已經說過，到目前為止，世界各國都沒有在這方面取得重大突破，筆者認為最重要的是做到以防為主 ， 盡可能把堵塞消滅在發(fā)生之前。通過對以上堵塞因素的分析，提出幾點 針對堵塞的防范措施，供大家討論 、研究。 5.1 水質過濾 (1)充入集水池的水可以先過濾，盡量采用自來水和清潔的井水作為灌溉水源 (2)蓄水池中充滿水沉淀 1 2 日再使用 (3)采用密閉系統，水池、水箱要加蓋，以防贓物入內，藻類孽生。 (4)在布置管路系統時，全部零件染成黑色，可在一定程度上防止水藻生長和藻類繁殖。 (5)在蓄水池出水口安裝過濾裝置來預防堵塞，效果也是挺明顯的。本試驗就簡單的使用塑料編織布在出水口處 包兩層，效果很明顯。如果有條件的話，可以利用網篩過濾器。 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 16 - (6)不在滲灌系統中施加 產生顆粒沉淀的化肥 、農藥。如需要施加難溶性肥料 時，如磷酸鈣，可把肥料裝入編織袋，把袋口扎緊，放在蓄水池中，逐漸溶解，最后將剩渣埋入土中。同時，為了防止不同的化肥在條件適當時發(fā)生反應生成不溶或難溶物質，要將化肥分開施用 ，并且在灌水結束前要完全用完。這樣，剩余的灌溉水就能將殘留的肥料從系統中沖洗出去。 (7)盡量避免使用金屬管道及使用酸性液（含有 H+），從而可減輕金屬水管的電化學反應，以保證滲灌系統能更有效地工作。 5.2 防止作物根系的堵塞 滲灌是埋于地表以下工作，作物根系尋找“水源”而伸入滴孔的現象嚴重，這是造成堵塞滴頭的一個重要原因。由于本次試驗時間倉 促，而且條件也不成熟，因此在這里引用“ 中國科學院南京土壤研究所”的徐富安等的 關于滲灌滴頭作物根系堵塞的實驗 5。 試驗安排在葡萄園進行。根據葡萄根系的生長情況，滲灌管道埋入地下 25cm 處，沿線有十八顆葡萄樹，在 5 個月的葡萄生長重要時間內，顯示 滴頭滴水量不斷下降，滴頭逐漸有堵塞現象，而且滴水量少的比滴水量大的滴頭堵塞情況嚴重。 初步試驗表明，根系扎入滴孔是造成堵塞的主要原因。因此試驗中采取了一些物理的和化學的防止方法。實驗表明，化學方法雖然一定程度上阻止了根系的生長，但更糟的是會一直作物的生長，所以必須采取 一些物理方法才能更合理的防止滴頭堵塞。 5.2.1 滴頭的選擇 采用“切口式”滴頭，滲灌時，管道內壓力使切口微微張開而滴水，當灌水結束時，隨著管內壓力消失，切口閉合，根系無法進入，本實驗采用的“管上式”也對防止根系扎入有明顯效果。 5.2.2 疏水材料的運用 在滴孔四周涂上疏水材料，灌溉結束時，滴孔四周水膜即時消失，滴頭四周處于干燥狀態(tài)，根系不會順管道外壁扎入滴孔。 5.3 系統設施及安裝上的預防 - 17 - 5.3.1 蓄水池的安裝 建大中型水塔或位于坡地上部的中小型蓄水池，盡量提高工作壓力，并把支、毛 管末端露出地面，“死” 封改為用堵頭“活”封，并沒沖洗閥。 5.3.2 滴頭結構的改善 改善滴頭結構，選擇滴頭出流孔順直的孔口滴頭或改善滴頭周圍的環(huán)境，例如我們在農大 試區(qū)采用的“針孔式”滴頭，可把滲水孔徑稍微擴大，相對不易堵塞，又不影響滴水效果。滲水孔眼朝向為上、左、右，由于泥沙的重力作用而向下沉淀，從而不易產生管內沉淀泥沙的堵塞。 5.3.3 塑料編織布的運用 在滴孔處纏兩層塑料編織布。這種材料滲水性好，防止土壤顆粒進入滴孔，同時也能防止作物根系進入滴孔，但也有缺點，那就是如果水源水質不好，那么 水中的一些顆粒就被塑料編織布擋住，從而 導致滴頭堵塞。 5.3.4 谷物秸稈的使用 在管路旁鋪放谷物秸稈，它可以有效的緩解土壤對管路的壓力，也可以防止根系和土壤顆粒進入滴孔。但在一開始滲漏時，水要先沿 秸稈流動，等 秸稈浸濕后再向周圍擴散 。 土壤水分的移動規(guī)律有兩個因素影響，這里所說的是較平整的土壤：一方面受供水速度的影響；另一方面受土壤對水的入滲能力的影響；當土壤的供水速度小于土壤入滲能力，土壤對水的入滲情況取決于 土壤的滲吸能力。本次實驗是在供水速度一定，土壤的滲吸能力一定的情況下進行的。本次試驗的土壤是輕土壤，其容重為 1.3g/cm3 左右，田間持 水量為 21% 27 %，孔隙度為 50.94%等其他的物理性質。從試驗過程中得出土壤開始時，較干燥土壤的入滲速率較大，隨著時間的增加，入滲的增多，入滲速率逐漸減慢，土壤中的含水量隨時間的增加而逐漸增多，直到增加到 某一飽和值時，水分含量才停于某一動態(tài)平衡狀態(tài)下，如圖 6 所示。 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 18 - 注： 輸水點 水峰移動線 10cm 20cm 圖 6 地理式滲灌 水峰移動過程圖 5 15 30 60 120 240480圖 a 毛管直接與土壤接觸 51020 3060 120240480圖 b 滴孔處纏有兩層 10cm 長的塑料編織布 20 40801 6 03 2 05 0 0圖 c 滴孔處鋪放有 20cm 的谷物秸稈 - 19 - 6 滲灌的防堵措施及發(fā)展趨勢 6.1 過濾 “過濾” 對于防止滴頭堵塞的效果是最明顯的，能采取多級過濾會更好。 6.2 作物根系對滴頭的影響 作物根系也是滲灌系統堵塞的主要因素之一。采取積極地防堵措施將延長滲灌管道的壽命。 比如，在滴孔處鋪放谷物秸稈和在滴孔處纏塑料編織布都具有明顯的防堵效果。 6.3 堵頭的活封 支、毛管末端都用堵頭活封，試驗證明也是科學的，便于定期不定期的加壓，沖洗管道做到最大程度上的防堵。 6.4 其他措施 其他措施對本系統效果不太明顯，也可作為參考，繼續(xù)供大家討論、研究。 我國節(jié)水農業(yè)技術 發(fā)展的趨勢是： (1)廣泛應用節(jié)水灌溉工程技術 。 渠道防滲、低壓管道輸水灌溉、噴灌、微灌、覆膜灌、波涌灌、水平畦田灌等是節(jié)水效果最顯著的節(jié)水灌溉工程技術，今后將會得到更廣泛的應用，特別是低壓管道輸水灌溉、噴灌和微灌在農田灌溉中的比重有較大幅度的上升。渠道防滲技術：隨著我國化學工業(yè)的發(fā)展和機械施工技術的進步，膜料襯砌的比重將日益增大，實現從開挖渠床、鋪設塑料薄膜知道填土或澆筑混凝土保護層都由機械完成。襯砌渠道逐步由單一材料向復合此案料發(fā)展，梯形斷面向弧形斷面發(fā)展，并將研究開發(fā)出許多結構新穎、省材、抗凍、抗變形、 防滲效果好的襯砌方法。低壓管道輸水灌溉技術：隨著我國經濟實力的增強，除在井灌區(qū)繼續(xù)發(fā)展水平更高的低壓管道輸水灌溉外，以管代渠，在渠灌區(qū)實現渠系管道化將是一個主要的發(fā)展趨勢。為此將開發(fā)出性能更優(yōu)、價格低廉的適合井灌區(qū)和渠灌區(qū)應用的各種口徑的新型管材、管件以及田間灌溉應用的放水設備、量水設備和安全保護設備。噴灌技術：目前我國以輕小型移動噴灌機組為主，控制面積占到全部噴灌面積的 80%。今后半固定噴灌面積將有較大幅度增加；噴灌技術向低壓、節(jié)能方向發(fā)展；噴灌設備可靠性有顯著提高，且日趨標準化、系列化、通用化；噴灌 自動控制，如恒壓噴灌技術、中心 地下 滲 灌管滲水滴頭堵塞試驗研究 - 20 - 支軸及平移式自走噴灌機的應用將有較大發(fā)展。微灌技術：目前應用最廣泛的是采用固定式微灌經濟作物和保護地蔬菜。今后我國微灌面積將有較大的發(fā)展，設備的抗堵塞性能有顯著提高，地下滴灌技術將取得突破，微灌技術將從主要應用于經濟作物向大田糧食作物擴展，在干旱缺水的糧食產區(qū)將成為主要的灌溉手段。田間節(jié)水地面灌溉技術：目前，傳統的地面灌包括畦灌、溝灌、格田淹灌和漫灌，仍是世界上特別是發(fā)展中國家普遍采用的灌水方法，約占全世界總灌溉面積的 90%，我國則達 98%。今后我國傳統的溝畦灌仍會占主要地 位，但大部分都進行技術改造，節(jié)水效果會有明顯提高。覆膜灌、波涌灌、水平畦田灌等先進的節(jié)水地面灌溉技術所占的比例會有較大提高，覆膜灌在棉田上將廣泛應用；波涌灌、水平畦田灌的設備我國將能批量生產，從目前的試驗階段轉入在生產中推廣應用，發(fā)揮節(jié)水增產效益 。 (2)節(jié)水高效灌溉制度研究與應用取得新的進展 。 節(jié)水高效灌溉制度是根據作物的需水規(guī)律，把有限的灌溉水量在灌區(qū)內及作物生育期內進行最優(yōu)分配，達到節(jié)水高產高效的目的。節(jié)水高效灌溉制度包括灌水時期、灌水定額、輪灌周期等內容。我國將在開展根據水與作物生長、發(fā)育及產量形式間的 關系，通過有限水量在作物生育期內的最優(yōu)分配，以提高有限灌溉水量向作物根系吸水轉化和光合產物向經濟產量轉化的效率為目標，進而達到高產和高的水分生產率等的研究方面取得重要進展，并將成果在生產中應用，獲得顯著節(jié)水 增產 效益。根據灌溉對象的生長發(fā)育規(guī)律及生產和實際需要，有目的地不充分供給水分，使作物經受水分脅迫，在特定時期限制某些方面的生長發(fā)育，達到節(jié)水又增產的調虧灌溉技術也將進入實用。今后，我國絕大多數灌區(qū)都將實施節(jié)水灌溉制度，在水資源緊缺的地區(qū)，非充分灌溉、調虧灌溉等會有大規(guī)模發(fā)展 。 (3)節(jié)水灌溉工程技術與農藝節(jié) 水高效技術緊密結合 。 在節(jié)水灌溉工程技術基礎上結合采用農業(yè)節(jié)水高效技術，發(fā)揮綜合優(yōu)勢，達到節(jié)水、高產、高效是當前世界各國研究的一個重點。我國在提高節(jié)水灌溉工程給水的同時，也會將有更多的注意力放在農藝節(jié)水高效技術的研究上。今后，我國只注意單一發(fā)展節(jié)水灌溉工程技術的局面將會發(fā)生根本改變，絕大多數灌區(qū)都會在修建節(jié)水灌溉工程的同時，在田間應用農藝節(jié)水高效技術，使灌溉水的生產效率有大幅度的提高。 (4)重視開發(fā)多種灌溉水資源 。 隨著工業(yè)和城市生活用水量的增加，農業(yè)用水將日趨緊張，要保持和增加灌溉面積，除大規(guī)模發(fā)展節(jié)水灌溉外 ，還必須充分開發(fā)多種灌溉資源。今后，我國雨水匯集利用技術將會有較大的提高，不但在西北地區(qū)窯窖灌溉面積有很大發(fā)展，而且在南方旱地農業(yè)區(qū)也會得到大規(guī)模發(fā)展。在華北地區(qū)，由于地下水位大幅度下降，鹽堿問題不復存 - 21 - 在。修建平原水庫，攔蓄雨洪，回補地下水，發(fā)展灌溉將是一種主要的開發(fā)灌溉水資源措施。劣質水包括含有一定鹽分的地下水、城市生活污水和某些工業(yè)廢水，經過處理后可用作灌溉水源。我國對劣質水的處