地面节水灌溉技术

地面节水灌溉技术根据定义，灌溉是按照作物生长的需要，利用水利工程设施将水送到田间，以补充农田水分的人工措施。它是人们借助各种设施：水泵、渠道、管线、灌溉设施、化学制剂等实施的行为，是在降水以外的对植物生长过程需水的一种补充措施。灌水方法及其分类灌溉水进入田间并湿润根区土壤的方法灌水方法全面灌溉局部灌溉地面灌溉喷灌畦灌沟灌淹灌漫灌滴灌微喷灌渗灌地面灌溉一般要经过输配水、田间灌水和作物消耗水3个过程。输配水主要通过各级渠道来实现，对土质渠道而言，一般从水源到田间进水口约有50%的水量会渗漏损失掉。田间灌水是指灌溉水进入田间以后，将分配到一定灌溉面积上，以满足作物生长需要。在此过程中，一部分水会形成深层渗漏损失，一部分水会通过土壤蒸发损失，还有一部分水量可能会从地表流失。如果田间灌水方法不当，用水管理粗放，田间水量损失可以占到进入田间水量的30%-40%。作物消耗水是指作物根系从土壤层中吸取水分供其生长，并最后形成作物产量的过程。如果灌水过多，棵间蒸发量大，作物腾发量过多，也会造成水量损失。第三章地面灌溉节水技术平整土地1畦灌2波涌灌溉4膜上灌水技术5沟灌3人类掌握最早的灌溉技术就是地面灌溉，人们通过沟渠等简单的方法将水引入田间，对干涸的土地面进行灌溉，这种古老的田间施水技术方法简单易行，它仍是目前世界上特别是发展中国家广泛采用的一种灌水方法，它约占全世界灌溉面积的90%以上。我国则有97%以上的灌溉面积依然采用传统的地面灌溉技术。目前，我国渠灌区的灌溉水利用率平均为0.4。经改进后的地面灌溉技术与漫灌相比提高了灌溉用水效率，使用操作简单，便于进行大面积灌溉。鉴于我国水资源与能源短缺，经济实力不足，广大农村地区的技术管理水平较低的现实，大面积推广喷灌、滴灌、渗灌等先进灌水技术还受到很大的限制，因此，在今后相当长的一段时间内，我国还仍会以地面灌溉为主。现阶段适合我国应用的地面灌溉节水技术很多，如长畦改短畦，宽畦改窄畦、隔沟灌、细流沟灌、平整土地、坐水种、膜上灌、波涌灌等。这些技术耗能少，投入低，农民易于掌握，节水效果也比较明显。第一节平整土地俗话说：人往高处走，水往低处流。要实现地面灌溉用水的高效率，首先要确保土地有一个较高的平整度，平整的土地可以使水均匀地流向田间各处，避免局部积水。美国把平地作为灌区改造的第一位工作。埃及的经验是灌排渠系的投资占灌区建设投资的30%，平地占70%。常规平地方法有人工法和机械法，机械法采用的设备有推土机、铲运机和刮平机，它具有土方移动量大、平地效率高、费用相对较低等特点，适合于在地面起伏较大、地面平整度较差的田面内进行粗平，改变田块的宏观地形。由于平地效果取决推土机和刮平机的施工精度、人工操作和人工测平精度等诸多因素的影响，当田面达到一定平整度后便很难有所提高。土地平整方法包括常规土地平整措施和激光控制平地技术。常规土地平整措施土地平整的作用：一方面是使田块满足灌溉要求，提高水肥利用效率和灌水均匀度，有利于作物生长以及防止水土流失，从而增强农田抵御自然灾害的能力，提高耕地质量及生产力；另一方面通过沟、渠、路的重新规划和整理，改善农业生产条件、增加有效耕地面积、促进农地的集约利用和规模经营，以保证土地的可持续利用及加快农田水利以及农业的现代化进程。激光控制装置在农田平整机具上的应用使土地平整精度得到大幅度的提高，其感应系统的灵敏性至少比人工视觉判断和平地机具上操作人员的手动液压系统准确10—50倍。激光平地的作业效率高，适宜在常规粗平基础上完成田面精平，改善地面微地形条件，但平地费用相对较高，铲运设备容积有限。如将常规土地平整措施和激光控制平地技术结合起来使用，充分利用常规粗平方法和激光精平技术的长处及特点，可获得较好的土地平整效果。激光控制平地技术激光发射器以相对较高的速度在垂直与农田地平面的轴上旋转，这种旋转光速形成激光面，作为平整土地作业的参照面。激光接收器实际上是一系列检测器。光束被检测到传递到控制系统。接收器检测到光束将其传到控制器，控制系统启动液压系统升高或降低机具。平地系统——拖拉机和平地机具组成。激光控制土地平整田间作业常规土地平整方法受机具设备缺陷和人工操平精度等因素制约，平整精度达到一定程度后将无法继续提高，而精细土地平整只能借助于激光控制技术和与之配套的平地机械设备完成。激光控制技术能够大幅度地提高田间土地平整精度。20世纪70年代中期以后，农田土地激光平地技术在国外已得到广泛应用，我国近几年刚步入应用研究阶段。经激光平地技术平整的土地可节省水资源20%—30%，如种小麦可提高产量33%，有效地控制了水分、养分等，使之避免产生深层渗漏，使水资源的有效利用率得到较大提高。激光平地技术是利用安装在垂直于农田地面的高架上的激光发射器，以较高的速度旋转，在农田上方形成一个激光平面，以该激光面作为平整土地的参照面。激光发射器具有自动调节机制，能根据设计的坡度调节激光面，激光面限定了激光束与地面上任何一点的距离，使该点与激光束平面之间距离的正差为挖方深度，负差为填方深度。土地平整工程设计的原则是在有利于提高地面灌溉质量、促进作物生长和防止田间水土流失的条件下，使工程作业的土方运移量最小，且搬运距离最短。平整土地要满足以下一些基本要求：整后的土地应满足灌溉水能均匀输送于田面各处，并能节省灌溉用水为目的的最佳坡度。保证灌溉水进入田面后能均匀地在田面内畅通流动。要使平整土地过程中的土方移动量最小，使土地平整费用投入最少。使平整的土地不降低原有耕地的肥力，确保当年平地，当年受益。有试验结果表明，常规平地方法所能达到的最大平整精度是3.4cm，激光平地的偏差只有1—2cm，常规平地方法具有土方运移量大、平地费用相对较低的特点，适合于在地面起伏较大、原始平整度较差的田面内完成粗平，但受机具设备缺陷及人工操平等因素制约，平地效果有限，平整精度达到一定程度后无法继续提高。激光平地的作业效率较高，土地精平的效果好，但平地费用相对较高。因而农田土地平整过程中可以综合考虑这两种方法的特点及长处，结合起来使用会收到更好的效果。20毛渠输水垄沟畦田畦埂畦灌：用田埂将农田分成一系列小畦。灌水时，将水引入畦田后，在畦田上形成薄水层，沿畦长方向流动，主要借重力作用湿润土壤。第二节水平畦灌技术水平畦灌技术是指田块纵向和横向两个方向的田面坡度接近于零或为零时的畦田灌水技术。水平畦灌实施灌水时，通常要求引入畦田的流量很大，以使进入畦田的薄层水流能在很短时间内迅速覆盖整个畦田田面。水平畦田灌水技术是建立在激光控制土地精细平整技术应用基础上的一种地面灌溉技术，自20世纪80年代起已在许多国家得到推广应用。与传统的地面灌溉系统相比，合理的系统设计和田间管理可使水平畦田灌溉系统下的田间灌水效率达到90%以上，灌溉均匀度得以有效改善。水平畦田灌水技术在我国的应用尚处于起步阶段，随着现代化规模经营农业的发展，由传统的地面灌溉技术向现代地面灌溉技术的转变已成为大势所趋。水平畦灌水平畦灌的概念最早是由Swanson在1957年提出的，20世纪60年代以后，随着高效率、高精度激光平地机械的出现，水平畦灌的应用才真正得到了发展。水平畦田灌溉系统中的田面与小畦灌溉的田面有所不同，它要求田面具有较高的水平状态，畦田可以是任意形状，周边由田埂封闭，畦块规格的设计取决于供水流量、土壤入渗特性等因素。畦块的规格一般在2—4hm2左右，较大的可达到16hm2。灌溉时要求的灌水流量较大，使灌溉水能在较短的时间内迸人整个田块。土地精细平整还有益于田间农机耕作和栽培措施的实施，增加作物出苗率和种植密度。促进作物生长发育，便作物产量有较大幅度增长。达到节水增产、提高劳动生产率和能源利用率的目的。此外，田间水分的均匀入渗还可减少残留在土壤中的盐分，水量渗漏损失的减小也使得肥料的淋洗损失得到一定程度的控制。由于水平畦田灌溉要求田面有较高的水平度和平整度，取消了沿畦长的坡度，因此，在水平畦田内的水流运动模型成为水平畦田设计的关键。1974年，美国水土保持局提出一套水平畦灌设计图表，但其中包含了许多人为的假设，与实际情况出人很大，显得比较粗糙。水平畦灌适用各类作物和多种土壤条件。尤其适用土壤入渗速度较低的粘性土壤，也可用于砂性土壤。水平畦灌适用范围将一条长畦分成若干个没有横向畦埂的短畦，采用地面纵向输水沟或塑料薄壁软管将灌水输送入畦田，然后自上而下或自下而上依次逐段向短畦内灌水，直至全部短畦灌完为止的灌水技术，称为长畦分段灌或长畦短灌。第三节长畦分段灌溉长畦分段灌溉的技术要素长畦分段灌溉的畦宽可以宽至5-10m，畦长可以达到200m以上，一般在100-400m，但其单宽流量并不增大。主要技术要求是：1、确定适宜的入畦灌水流量；2、侧向分段开口的间距（即短畦长度与间距）；3、分段改水时间或改水成数；以上技术要求要素可以根据水量平衡原理和畦灌水流运动方式确定，但一般根据试验确定，也可参照书中表3-1.长畦分段灌溉的优点1、节水；2、省地；3、适应性强；4、易于推广；5、便于田间操作。可以实现低定额灌水，灌水均匀度高于85%，与畦田长度相同的常规畦灌技术相比可省水40%-60%，田间灌水有效利用率提高1倍左右或更多。灌溉设施占地少，可以省去一至二级田间输水沟渠。与常规畦灌技术相比，可以灵活适应地面坡度、糙率和种植作物的变化，可以采用较小的单宽流量，减少土壤冲刷。该技术操作简单，管理费用低，因而经济适用，容易推广。由于田间无横向畦埂或渠沟，方便机耕和采用其他先进的耕作方法，有利于作物增产。第三节波涌灌溉波涌灌溉(surgeflowirrigatiOn)又称间歇灌溉或涌流灌溉。它是人们在研究沟(畦)灌的基础上发展起来的地面灌水技术，它可分为波涌沟灌和波涌畦灌。与传统的沟(畦)灌不同，它不是将灌溉水流一次推进到沟(畦)末端，而是将水流按一定周期间歇式地逐次推进到沟(畦)末端。•历程•概念•组成•特点•技术要素•灌水方式历程•1979年Stringham和Keller提出了波涌灌溉这一概念•80年代美国进行室内试验,1986年进入应用阶段,随后美日对波涌灌设备进行了研究,开发研制一系列波涌灌产品。•我国1981年引入这一技术,1987年以来，一些科研单位、高校先后开展了波涌灌试验研究，主要有西安理工大学和北京水科院水科所。国内研发•国家节水灌溉北京工程技术研究中心（中国水利水电科学研究院水利研究所）开发生产的波涌灌溉设备（专利号：ZL99257311.4)，概念•surge（flow）irrigation又可译为涌流灌或间歇灌，是利用间歇阀向沟（畦）间歇地供水，在沟（畦）中产生波涌，加快水流的推进速度，缩短沟（畦）首尾受水时间差，使土壤得到均匀湿润。•波涌灌具有灌水均匀，灌水质量高，田面水流推进速度快，省水、节能和保肥，可实现自动控制等优点。波涌灌溉系统组成波涌灌的工作原理传统沟灌是一次将水从沟首推进到沟尾。波涌灌则采用间断的方式，经过几个放水和停水的周期，逐步由沟首推进到沟尾。3940波涌灌原理传统沟灌是一次将水从沟首推进到沟尾。波涌灌则是采取间断的方式，经过几个放水和停水的周期，逐步由沟首推进到沟尾。42致密层波涌灌原理由于灌水是间歇的，前一个周期灌水长度范围内的田面，存在着湿润与停水落干的交替过程，从而改变了土壤表层的性状，形成一个致密层，使这一段土壤的入渗能力和糙率下降，因而，下一个周期灌水时，这一段土壤的入渗减少，水流速度加快。在用相同水量灌水时，间歇灌水流前进距离为连续灌的1～3倍，从而大大减少了深层渗漏，提高了灌水均匀度，田间水利用系数可达0.8～0.9。一些试验结果表明，间歇灌比连续沟灌节水38%，省时一半左右；比连续畦灌节水26%，省水1/3左右。1、水源用于波涌灌溉的水源要求相对低：•在井灌区可用来自低压输水管道给水栓(出水口)•在渠灌区则取自农渠分水闸口。2、波涌阀•按动力供给形式分为：水力驱动式和太阳能(蓄电池)驱动式两类•按结构形式则分为单向阀或双向阀两类。波涌阀•整个阀体呈三通结构的T字型,采用铝合金材料铸造。水流从进水口引