李 悅

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

0 引 言

新疆是典型的干旱半干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，土地、日照等有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展的資源豐富，但是水資源嚴(yán)重缺乏，而且在時空分布上不均衡。隨著水資源短缺現(xiàn)象日趨顯著，春旱和土壤次生鹽堿化等問題不斷出現(xiàn)，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉越來越受到人們的重視，借鑒國內(nèi)外干旱區(qū)節(jié)水灌溉經(jīng)驗(yàn)，新的高效節(jié)水技術(shù)被逐步引進(jìn)并推廣使用，其中滴灌技術(shù)適應(yīng)新疆的實(shí)際，節(jié)水效益顯著，增產(chǎn)效益明顯，得到廣泛應(yīng)用。近年來，滴灌技術(shù)在新疆地區(qū)得到了長足的發(fā)展，滴灌面積大幅增加。滴灌系統(tǒng)的設(shè)計也日趨完善。但是在長期的設(shè)計實(shí)踐中，也發(fā)現(xiàn)了一些值得思考的問題，比如技術(shù)參數(shù)的取值會對滴灌系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。滴灌工程的成功首先是規(guī)劃設(shè)計必須合理。滴灌設(shè)計耗水強(qiáng)度是確定滴灌系統(tǒng)最大輸水能力的依據(jù)，是滴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中的一個非常關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)[1]。而且實(shí)踐證明，滴灌系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣對后期工程運(yùn)行管理及工程效益的發(fā)揮均會產(chǎn)生一定的影響，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)確定必須予以重視。

1 設(shè)計耗水強(qiáng)度

1.1 概 念

1.1.1 耗水強(qiáng)度

耗水強(qiáng)度是指單位面積的植物群體在單位時間內(nèi)的耗水量，常用單位為mm/d或m3/(d·hm2)，也習(xí)慣性叫做日耗水強(qiáng)度。滴灌耗水強(qiáng)度即滴灌作物需水量[1]，是作物灌溉季節(jié)月平均日耗水量。作物最大日耗水強(qiáng)度是指作物各生育期月平均耗水強(qiáng)度的峰值[2]。

1.1.2 規(guī)范中的設(shè)計耗水強(qiáng)度

國家標(biāo)準(zhǔn)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)條文說明中對4.0.3的說明是：設(shè)計耗水強(qiáng)度取值的大小直接影響到作物的產(chǎn)量，計算時段越短，平均耗水強(qiáng)度越高。因我國微灌技術(shù)主要用于缺水地區(qū)，根據(jù)水利部原行業(yè)規(guī)范《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(SL103-95)的實(shí)踐，采用灌溉季節(jié)月平均日耗水量峰值作為設(shè)計參數(shù)是適宜的。新規(guī)范考慮到各地自然、經(jīng)濟(jì)條件的差異和作物種植的特點(diǎn)，修訂了設(shè)計耗水強(qiáng)度的取值范圍[3]。

本文中設(shè)計耗水強(qiáng)度是指滴灌系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，一般采用的是滴灌作物年灌溉季節(jié)月平均耗水強(qiáng)度峰值，即它的作物生長期耗水強(qiáng)度最大的月份中最大的日耗水強(qiáng)度。

1.2 設(shè)計耗水強(qiáng)度的確定

《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)4.0.3規(guī)定，設(shè)計耗水強(qiáng)度應(yīng)按照當(dāng)?shù)卦囼?yàn)資料確定，無實(shí)測資料時，可通過計算或按表1選取。規(guī)定介紹了3種確定設(shè)計耗水強(qiáng)度的方法。

表1 設(shè)計耗水強(qiáng)度 mm/d

注：①干旱區(qū)宜取上限值；②對于在灌溉季節(jié)敞開棚膜的保護(hù)地，應(yīng)按露地選取設(shè)計耗水強(qiáng)度。

1.2.1 利用當(dāng)?shù)卦囼?yàn)資料

對于當(dāng)?shù)赜袉我坏喂嘧魑锶蘸乃畯?qiáng)度試驗(yàn)資料的，優(yōu)先采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為設(shè)計耗水強(qiáng)度來做滴灌系統(tǒng)的設(shè)計。

需要注意以下4種情況：①當(dāng)?shù)卦囼?yàn)資料灌溉方式不是滴灌，而是地面灌或其他灌溉形式；②當(dāng)?shù)卦囼?yàn)資料不是單一作物，而是多種作物平均值的；③當(dāng)?shù)責(zé)o同一作物的試驗(yàn)資料，但是附近有同一作物的試驗(yàn)資料；④當(dāng)?shù)赜型愖魑锏脑囼?yàn)資料的。這4種情況的試驗(yàn)資料數(shù)據(jù)均有參照價值，但使用時都需要考慮修正系數(shù)。

關(guān)于修正系數(shù)的問題，可以自己做實(shí)驗(yàn)率定，沒有條件的也可以參照專家學(xué)者普遍接受、認(rèn)可的成果數(shù)據(jù)。

1.2.2 設(shè)計耗水強(qiáng)度計算方法

設(shè)計耗水強(qiáng)度的計算方法，實(shí)際上是推求作物的蒸發(fā)蒸騰量。參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0一直是計算作物需水量的關(guān)鍵，是實(shí)時灌溉預(yù)報和農(nóng)田水分管理的主要參數(shù)[4]。目前計算方法眾多，常用方法可分為4大類：水面蒸發(fā)法、溫度法、輻射和綜合法[5]。關(guān)于干旱區(qū)ET0計算的相關(guān)文獻(xiàn)也很多。經(jīng)過多年的研究已經(jīng)建立了如 Jensen-Haise(1963年) 、FAO24 Blaney-Criddle、Thornthwait 以及 Hargreaves-Samani(1985年) 等基于溫度計算的方法；Priestley-Taylor(1972) 以及 FAO24 Radiation (1977年) 等基于輻射的方法； Penman-Monteith (1965年，OPM ) 、 FAO24 Penman (1977年) 、Kim berley-Penman (1972年、1982年)等綜合方法[6,7]。此外，半干旱地區(qū)許多學(xué)者關(guān)于作物生育期ET0模型模擬方面的研究可供參考。趙旭[8]等關(guān)于新疆旱區(qū)草地參考作物騰發(fā)量隨機(jī)模擬及其應(yīng)用的研究，魏光輝[9]等關(guān)于基于氣象因素的內(nèi)陸干旱區(qū)生育期ET0預(yù)測以及蘇春輝[10]ET0計算公式在我國半干旱區(qū)的實(shí)驗(yàn)率定研究等等。

國際通用的是基于能量平衡和空氣動力學(xué)原理的FAO56 Penman-Monteith方法。國內(nèi)一些學(xué)者做過不同方法計算值的比較分析，這種方法的計算結(jié)果和實(shí)測值比較吻合。劉鈺[11]曾做過參照騰發(fā)量的新定義及計算方法對比研究，得出新定義的彭曼-蒙特斯方程是個統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的計算ET0的方法，建議在國內(nèi)推廣應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的彭曼一蒙特斯方程來計算參照騰發(fā)量，并以此為標(biāo)準(zhǔn)，校正其他經(jīng)驗(yàn)方法和確定新的作物系數(shù)。但這種方法基于足夠的氣候資料系列，包括氣溫、風(fēng)速、太陽輻射等資料，在缺乏氣候資料的地區(qū)仍然有它的局限性。

計算方法本文不作贅述?？傊?，這些方法各有利弊，可以根據(jù)自己的實(shí)際選用。

1.2.3 利用查表的方法

查表法就是直接按照規(guī)范所給的表中數(shù)值范圍斟酌取值。其實(shí)作物種類不同，其耗水特性有明顯差異。即使是同一作物，在不同的生育期內(nèi)耗水量也差別很大。對于既缺少試驗(yàn)資料，又不能用計算的方法來確定設(shè)計耗水強(qiáng)度的，查表法確實(shí)是最便捷的一種方法。比如，糧、棉、油等植物的取值范圍4～7 mm/d，葡萄、樹、瓜類取值范圍3～7 mm/d。但規(guī)范中的取值范圍又太寬泛，所以設(shè)計耗水強(qiáng)度查表取值的精確度也最差。不同作物、不同地區(qū)，不同年份，在不同生育階段耗水強(qiáng)度均有差異，而設(shè)計人員查表取值，具有很大的隨意性，直接影響到滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)布置和輪灌組安排的合理性。

2 設(shè)計耗水強(qiáng)度對滴灌系統(tǒng)的影響

2.1 對滴灌系統(tǒng)工程造價的影響

設(shè)計耗水強(qiáng)度在滴灌系統(tǒng)設(shè)計中是一個非常重要的指標(biāo)，日耗水強(qiáng)度取值的正確與否直接決定著微灌系統(tǒng)的管網(wǎng)配置是否經(jīng)濟(jì)合理，直接影響工程造價[12]。設(shè)計耗水強(qiáng)度的取值大小，直接影響到系統(tǒng)管網(wǎng)布置和輪灌組的安排，從而影響到工程投資造價。張志新做過研究，對于滴灌系統(tǒng)的輸配水管網(wǎng)的其他管道或管段，采用續(xù)灌或輪灌，以及輪灌方式的不同，其流量是不同的。流量越分散，各級輸配水管道的管徑越小，需要的控制閥門越少，系統(tǒng)管網(wǎng)的造價越低；輪灌組越多，說明流量越集中，各級輸配水管道需要的管徑越大，需要的控制閥門越多，系統(tǒng)管網(wǎng)的造價越高。由于管材管件投資在滴灌系統(tǒng)總投資中所占比例一般都在60%以上，僅地面管材管件在總投資中可以占到20%以上，甚至達(dá)到30%左右?？梢姡O(shè)計耗水強(qiáng)度取值對滴灌系統(tǒng)工程造價的影響是不容忽視的。

但需要注意的是，盡管如此，不能為了降低系統(tǒng)管網(wǎng)造價，而把設(shè)計耗水強(qiáng)度取最小值，做到管網(wǎng)布置合理優(yōu)化。規(guī)范也規(guī)定，干旱區(qū)宜取上限值，因?yàn)樵O(shè)計耗水強(qiáng)度是與地區(qū)的氣候相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)，受氣候因子的制約。

2.2 對滴灌系統(tǒng)后期運(yùn)行管理的影響

滴灌系統(tǒng)中毛管的鋪設(shè)形式是依據(jù)作物的種植結(jié)構(gòu)來確定的，一天的系統(tǒng)工作時間不能超過22 h，一般滴灌系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行20 h是可行的。筆者曾對一個玉米滴灌系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)做過計算，毛管鋪設(shè)間距為1.2 m，灌水器選定為滴頭流量3.2 m3/h，滴頭間距0.3 m。同一系統(tǒng)設(shè)計耗水強(qiáng)度取值為4 mm/d時，灌溉周期為8 d，一次最大灌水時間為4 h，一天里可以連續(xù)灌溉5組；設(shè)計耗水強(qiáng)度取值為5.5 mm/d時，一次最大灌水時間為4.13 h，一天里可以連續(xù)灌溉5組；而設(shè)計耗水強(qiáng)度取值為7 mm/d時，灌溉周期為4 d，一次最大灌水時間為3.5 h，一天里可以連續(xù)灌溉6組?？梢?，設(shè)計耗水強(qiáng)度取值不同，作物灌溉周期的大小和輪灌組數(shù)安排差別很大，直接影響到滴灌系統(tǒng)后期輸配水量和作物的灌溉運(yùn)行管理，合理的設(shè)計耗水強(qiáng)度，會使運(yùn)行管理便捷高效，大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，反之，會給后期的運(yùn)行管理帶來諸多不便。

2.3 對滴灌系統(tǒng)工程經(jīng)濟(jì)效益的影響

灌溉周期的計算公式：E=mmax/Ia，系統(tǒng)無淋洗要求時，Ia=Ea，即日供水強(qiáng)度等于日耗水強(qiáng)度。由灌溉周期計算公式可以看出，作物灌溉周期一定的情況下，設(shè)計耗水強(qiáng)度Ea和最大灌水定額mmax是正比的關(guān)系，也就是說，設(shè)計耗水強(qiáng)度大些，最大灌水定額就大，反之設(shè)計耗水強(qiáng)度小些，最大灌水定額就小。通俗地說就是，設(shè)計耗水強(qiáng)度合適，作物可以得到更充分的灌溉，設(shè)計耗水強(qiáng)度低，作物可能得不到充分灌溉，是非充分灌溉。而由最大灌水定額的計算公式：mmax=0.01γzp(θmax-θmin)可見，同一地塊中土壤容重和田間持水量一定時，作物的濕潤層深度和濕潤比會受到灌水定額大小的影響，作物生育期得到充分有效灌溉，水分生產(chǎn)率提高，產(chǎn)量可以提高10%～20%；非充分灌溉和過度灌溉都會不同程度的引起作物減產(chǎn)或品質(zhì)受損。另外，合理的設(shè)計耗水強(qiáng)度可以使滴灌系統(tǒng)輪灌制度安排科學(xué)合理，不僅后期運(yùn)行管理便利，節(jié)省人力，運(yùn)行費(fèi)用降低，而且作物的灌水均勻度會提高5%～10%，作物的質(zhì)量和產(chǎn)量量也會提升10%以上?？偠灾?，設(shè)計耗水強(qiáng)度會間接影響到滴灌系統(tǒng)工程經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

2.4 對滴灌系統(tǒng)工程局部生態(tài)環(huán)境的影響

設(shè)計耗水強(qiáng)度是指在設(shè)計條件下滴灌作物的耗水強(qiáng)度，一般取設(shè)計年灌溉季節(jié)月平均耗水強(qiáng)度峰值作為設(shè)計耗水強(qiáng)度。設(shè)計耗水強(qiáng)度合理，符合滴灌系統(tǒng)中作物生育期實(shí)際耗水規(guī)律，對整個系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生有利影響。否則，會產(chǎn)生一些諸如：農(nóng)藥殘留、土壤次生鹽堿化、病蟲害、溫室小氣候等不利的影響。

現(xiàn)在滴灌系統(tǒng)均采用水肥一體化，即作物所需要用的肥料養(yǎng)分溶解在灌溉水中從滴頭滴入土壤。這種方式既節(jié)水節(jié)肥而且省時省力。設(shè)計耗水強(qiáng)度會影響到滴灌系統(tǒng)的毛管布置和灌水器的選擇，必將影響到水肥的滴灌一次灌水時間、間隔時間、作物根系附近濕潤范圍以及土壤下滲深度，土壤吸收利用程度和蒸發(fā)損失情況等等。比如，同一個滴灌設(shè)計系統(tǒng)中，設(shè)計耗水強(qiáng)度取值5.5和5.6 mm/d，所計算的毛灌溉定額為24.44和20.74 mm，兩者相差為3.70 mm，即83.4 m3/hm2。灌溉周期相差1 d，一次灌水時間相差0.63 h，一天的輪灌組數(shù)相差1組。這些必將對滴灌系統(tǒng)局部生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生或多或少或有利或不利的影響，而且不僅影響到滴灌系統(tǒng)目前生態(tài)環(huán)境狀況，而且影響到滴灌系統(tǒng)未來生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論和建議

根據(jù)設(shè)計耗水強(qiáng)度對滴灌系統(tǒng)的影響探討分析，提出以下4點(diǎn)結(jié)論和建議：

(1)設(shè)計耗水強(qiáng)度是滴灌系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，它的取值對于滴灌系統(tǒng)設(shè)計是否經(jīng)濟(jì)、后期運(yùn)行管理是否便利，以及作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提升有著深遠(yuǎn)的影響。

(2)設(shè)計耗水強(qiáng)度取值的確定一定要慎之又慎。有當(dāng)?shù)睾透浇愃频貐^(qū)的試驗(yàn)資料時，盡量參照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，或結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。無實(shí)測資料的情況下，在規(guī)范規(guī)定的取值范圍內(nèi)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩須夂蛱卣鳎鄬Ρ确治霎?dāng)?shù)夭煌魑锏墓喔戎贫?，選擇相對比較合理的值，使其對滴灌系統(tǒng)的不利影響降到最低，有利影響發(fā)揮到最高。

(3)建議多推廣各地不同作物的耗水強(qiáng)度的試驗(yàn)觀測研究，以及數(shù)據(jù)分析整理工作。使各種作物設(shè)計耗水強(qiáng)度有試驗(yàn)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)可循。程維新[13]做過作物生物學(xué)特性對耗水量的影響方面的研究，研究表明：作物耗水量與作物種類有著十分密切的關(guān)系，各種作物具有不同的耗水特性；不同種類作物耗水特性系數(shù)相差甚遠(yuǎn)。

(4)今后應(yīng)將作物耗水強(qiáng)度作為滴灌系統(tǒng)運(yùn)行管理期關(guān)注的一個指標(biāo)，持續(xù)關(guān)注它的變化規(guī)律，以及受外界影響因子影響的規(guī)律性和敏感性。多收集整理相關(guān)資料數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開展關(guān)于滴灌系統(tǒng)工程實(shí)施后與實(shí)施前作物耗水強(qiáng)度的比較分析、不同地區(qū)滴灌系統(tǒng)中同作物的耗水強(qiáng)度比較分析、同一地區(qū)滴灌系統(tǒng)中不同類作物的耗水強(qiáng)度比較分析等方面的研究。

[1] 張志新.滴灌工程規(guī)劃設(shè)計原理與應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007.

[2] 王海艷，何 玲.作物灌溉設(shè)計中耗水強(qiáng)度問題研究[J].節(jié)水灌溉，2013,(6)：64-66,69.

[3] GB/T50485-2009，微灌工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 彭世彰，徐俊增.參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算方法的應(yīng)用比較[J].灌溉排水學(xué)報，2004,23(6)：5-9.

[5] 陳玉民，郭國雙.中國主要作物需水量與灌溉[M]. 北京：北京水利電力出版社，1995．

[6] S Irmak,R G Allen,E B Whitty．Daily Grass and Alfalfa-Rederence Evapotran spiration estimates and Alfalfa-to-Grass Evapotranspiration Ratios in Florida[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，ASCE，129(5)：360-370．

[7] Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al．Crop Evapotranspiration -Guiddlines for Computing Crop Water Requirement[M]．Rome：Food and Agriculture Organiz ation of the United Nations，1998．

[8] 趙 旭，陳亞新.新疆旱區(qū)草地參考作物騰發(fā)量隨機(jī)模擬及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報，2008,39(11)：1 267-1 272.

[9] 魏光輝，馬 亮.基于氣象參數(shù)的內(nèi)陸干旱區(qū)生育期ET0預(yù)測[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014,32(4)：65-69.

[10] 蘇春宏，陳亞新.ET0計算公式在我國半干旱區(qū)的實(shí)驗(yàn)率定研究[J].人民長江，2009,40(21):91-95.

[11] 劉 鈺，Pereira L S.參照騰發(fā)量的新定義及計算方法對比[J].水利學(xué)報，1997,(6):27-33.

[12] 傅曉松.沙井子灌區(qū)滴灌設(shè)計中日耗水強(qiáng)度的確定[J].理論研究，2009,(2)：48-50.

[13] 程維新.作物生物學(xué)特性對耗水量的影響[J].地理研究，1985,(3):24-31.