日光温室的滴灌技术

　　　　一、引论
　　滴灌的支管单元、毛管和灌水器的水力学特性，不但影响到滴灌系统的设计，而且也影响到滴灌材料的研究和发展方向。在*部分《滴灌系统的水力学特性与材料发展方向:I水力学特性》中，作者论述了对滴灌材料的研究和发展方向有影响的水力学特性：（1）层流灌水器的流量对压力*敏感，全紊流灌水器对压力较敏感，全压力补偿式灌水器的流量与压力没有关系，半紊流式灌水器的流量对压力的敏感程度介于层流灌水器和全紊流灌水器之间，部分压力补偿式灌水器的流量对压力的敏感程度介于全压力补偿式灌水器和全紊流灌水器之间；（2）灌水器的流量大小影响水分在土壤内的湿润半径和湿润深度，对于同一种土壤，如果灌水量一定，灌水器流量大，湿润半径大，深度小，灌水器流量小，湿润半径小，深度大；（3）毛管的灌水均匀度受毛管内径、长度和坡度的综合影响，增大毛管内径或减少毛管长度，灌水均匀度可能会增加，也可能会降低，对于要求的平均灌水器流量，毛管的内径和长度存在多解现象；（4）支管单元的灌水均匀度在受毛管内径、长度和坡度的综合影响的同时，还受毛管内径或长度、支管内径或长度的协同性影响，毛管和支管的参数都存在着多解的现象；（5）灌水器的流量的大小决定滴灌系统的毛管、支管和主管的尺寸。
　　在这篇文章中，作者将讨论这些水力学特性对滴灌材料发展方向的影响。
　　二、灌水器
　　1、灌水器的类型
　　从水力学的角度，全紊流灌水器的抗堵塞性*强，同时对压力不太敏感，如压力增加1倍，流量增加0.414倍，压力降低1倍，流量减少0.293倍，在满足要求的平均灌水器流量和灌水均匀度的条件下，一般采用全紊流式灌水器的滴灌系统的管材和管件的内径要比采用半紊流尤其是层流灌水器的滴灌系统的管材和管件的内径要小，所以从抗堵塞性、灌水均匀度和降低材料投资费用的角度出发，全紊流灌水器比较好。层流灌水器的抗堵塞性*差，而且对压力*敏感，如压力增加1倍，灌水器的流量增加1倍，压力降低1倍，灌水器的流量减少1倍，所以从抗堵塞性和均匀度的角度考虑，层流灌水器都不好。
　　但是，滴灌水在土壤内的分布受灌水器流量、土壤水分传导率和扩散率的影响。对于同一种土壤，如果灌水量一定，灌水器流量大，湿润半径大，深度小，灌水器流量小，湿润半径小，深度大。我国的土壤类型很多，作物的多样性导致根系分布的类型也很多，要开发出满足每一种类型的土壤和作物根系分布特点要求的*灌水器流量的灌水器是不可能的，所以往往要求通过水力学的设计(选择压力)来满足*灌水器流量的要求。因此耕种帮建议从水力学设计的角度出发，要求灌水器对压力要有一定的敏感性。半紊流灌水器和全紊流灌水器具有这个特点。
　　压力补偿式灌水器对压力很不敏感（部分压力补偿式灌水器）甚至在允许的*和*压力范围内跟压力没有关系（完全压力补偿式灌水器），这类灌水器的*优点是对地形的适应能力强、设计工作简单。但是，我国的土壤类型很多，作物根系的分布特点不尽相同，加上这种灌水器的开发难度很大，而且很难生产出满足每一种土壤和作物根系要求的*灌水器流量的灌水器，设计者又很难（部分压力补偿式灌水器）甚至不能（完全压力补偿式灌水器）通过选择操作压力来满足要求的*灌水器流量。这类灌水器的制造偏差也远远大于非压力补偿式的灌水器。
　　近十几年，许多国家倾向于发展压力补偿式灌水器，主要是考虑对复杂地形的适应性和水力学设计的方便。由于一系列计算机化的设计方法已经由Kang等人研究了出来（KangandNishiyama，1996a、1996b、1997；Kangetal.，1996；Kangetal.，1999；康跃虎，1998a、1998b、1998c、1998d、1998e、1998f、1999a、1999b），而且这些设计方法将很快以计算机软件的形式向微灌设计者们提供，一般懂得一些灌溉知识的人只要稍加培训，就能利用这些软件几乎在任何地形条件上（除非坡度太大或非均匀坡度的变化太大），根据要求的平均灌水器流量和灌水均匀度，准确、快速的设计出利用非压力补偿式灌水器的滴灌系统。如Kang在研究中发现，在30°的下坡地形上利用合适的全紊流灌水器，也可以设计出灌水均匀度达到0.90的微灌系统，而且这时材料的费用要比平地上或小坡度上低得多（毛管的内径很小）。所以，除了特殊需要、橡塑混合多孔管（渗灌管）外，少发展层流或接近于层流的灌水器和由层流或接近于层流的灌水器构成的滴灌带（管），重点发展半紊流和全紊流灌水器或由半紊流和全紊流灌水器构成的滴灌带，适当发展一些适合我国典型土壤类型的压力补偿式灌水器。
　　2、灌水器的流量
　　对于任何非压力补偿式的灌水器，从原理上讲都可以通过调节灌水器的操作压力让它产生要求的灌水器流量，但在实际应用中会出现以下的问题：（1）灌水器的操作压力超过允许的*压力或低于允许的*压力，造成灌水器工作不良；（2）操作压力没有超过灌水器的允许*压力，但超过了毛管允许的*压力，系统不安全；（3）如果灌水器的流量太大，而要求的平均灌水器流量太低，在坡度较大的情况下或非均匀坡度上，若操作压力调的太低，在系统内可能会出现负压或无法达到均匀度的要求，无法使系统产生要求的平均灌水器流量；（4）如果灌水器的流量太小，而要求的平均灌水器流量较大，需要的操作压力太大，虽然可能没有超过系统允许的*压力，但因为操作压力太高而增加系统的运转费用。
　　对于压力补偿式的灌水器，很难（部分压力补偿式灌水器）或无法（完全压力补偿式灌水器）通过压力的调节来达到要求的平均灌水器流量。
　　有关灌水器流量系列的问题，国内外研究的都不彻底。一般来讲，对于渗透性差的土壤，要求的灌水器流量比较小，否则会导致横向扩散的范围太大而垂直入渗的深度太小，有时甚至会出现地面积水或形成径流，造成土面蒸发量的增加、土壤的通气性变坏和水的浪费等不良后果。如果土壤的渗透系数太大，如在沙地上，若灌水器的流量太小，横向扩散的范围会太小，而垂直入渗的深度太大，造成对作物根系横向发展的限制，或深层渗漏太多。
　　由于灌水器的流量的大小还决定滴灌系统的管材和管件的尺寸，而管材和管件的尺寸之间有一定的间隔，所以若灌水器的流量间隔太大，该选择小流量的灌水器时没有小流量的灌水器，而选择了流量大的灌水器，这时会出现两种情况：（1）通过压力的调节达到要求的平均灌水器流量和灌溉均匀度的要求，系统的操作压力会降低，运转费用（能耗）降低，对用户有利；（2）如果通过压力的调节满足不了灌水器流量和均匀度的要求，不但会影响土壤的湿润范围，而且必须要选择内径大的毛管、支管、主管和各种管件，系统的投资费用增加很多。
　　一般来讲，在推荐的工作压力条件下，要求单个灌水器的流量在0.2～10l/h的范围内流量的间隔要足够小。
　　3、灌水器的操作压力
　　灌水器的操作压力与灌水器的设计流量有关，它直接影响系统的运转费用。操作压力低，系统的运转费用低，操作压力高，系统的运转费用高。操作压力低，对材料强度的要求低，生产成本也可能低，操作压力高，材料的强度要求高，生产成本可能高。流量一定的条件下，灌水器所需的操作压力的高低由制造厂家所设计的灌水器水流通道的大小和水流通道的长短决定。
　　在非常平整的土地上，灌水器的操作压力低一些比较好，因为这时系统的操作费用（能耗）低。但在大多数条件下，要求有一定的工作压力，这是因为：
　　（1）一般的土地都有一定的高差，灌水器的推荐工作压力必需克服这些高差，否则很难使系统达到灌水均匀度的要求；（2）在平地上如果操作压力太低，要达到灌水均匀度的要求，就必须要增大管材的内径，减少水力学摩擦损失，从而导致投资费用的增加；（3）在坡地（包括非均匀坡度的坡地）上，如果操作压力达不到一定的程度，无法设计出满足要求的平均灌水器流量和灌水器均匀度的滴灌系统；（4）操作压力小，毛管的设计长度相对要小。
　　所以，一般要求在2～25米的操作压力水头的范围内，将灌水器分为低压、常压和高压等若干类型，而且操作压力的间隔不能太大。
　　4、灌水器的间距
　　作物的株距不同，要求灌水器的间距也不同。另外，沿毛管的灌水器的湿润范围重跌以后，田间效应使灌溉水在土壤内部的均匀度有所提高，尤其在遇到灌水器堵塞时，可以使灌水均匀度的降低有所缓和。
　　如果采用管上式灌水器，这个矛盾好解决，因为设计安装者能够根据作物株距的要求来安装灌水器。如果采用滴灌管或滴灌带，灌水器的间距是由制造厂家作好的，用户不能调节。所以，为了满足作物栽培的需要，灌水器的间距要多。
　　一般，灌水器的间距要求在10～100cm的范围内要足够多。
　　三、毛管
　　1、毛管内径
　　由于微灌毛管的灌水均匀度受毛管的内径、长度和坡度的综合影响，增大毛管的内径或减少毛管的长度，灌水均匀度可能会增加，也可能会降低。对于要求的平均灌水器流量，毛管的内径和长度存在多解现象。为了能够在不同的地形条件下设计出满足要求的平均灌水器流量和灌水均匀度，同时系统的材料组合和连接比较简单、系统的投资费用和运转费用（能耗）低，需要毛管的内径要足够多。
　　在我国北方，日光温室是冬季蔬菜、花卉和其它经济作物栽培的主要设施。在日光温室中使用滴灌，具有许多优点，而且效益高，投资回收快，农民容易接受。一般日光温室内作物栽培行的长度在5～10米的范围，所以内径比较小的毛管就能满足均匀度的要求。同时，采用内径比较小的毛管可以降低系统的投资。
　　一般，毛管的内径*在8～25mm的范围要足够多。
　　2、毛管的壁厚
　　一般情况下，毛管的价格与毛管的壁厚成正比。对于高压、使用寿命长的毛管，壁要求厚一些，低压、使用寿命短的毛管，壁要求薄一些。
　　堵塞是滴灌的*缺点。通常情况下，通过采用适当的、目数比较高的过滤器，基本上能够防止物理堵塞，但还不能有效的预防生物堵塞和化学堵塞。所以，对于温室和部分大田经济作物栽培用的滴灌系统来说，薄壁、低压、价格低、使用寿命短的滴灌带比较好，这样在大量的灌水器堵塞以前，就可以将滴灌带更换成新的。对于果园和多年生的大田经济作物栽培，厚壁、中高压、使用寿命长的毛管（滴管带）比较好。
　　一般，滴灌带（管）的壁厚要在0.1～1.0mm的范围内足够多。为便于安装灌水器，管上式灌水器的滴灌系统的毛管，壁适当厚一些。
　　四、支管
　　由于微灌支管单元的灌水均匀度在受毛管的内径、长度和坡度综合影响的同时，还受支管的内径或长度的影响，毛管和支管的设计参数都存在多解现象，所以，为了能保证在任何地形条件下，根据要求的平均灌水器流量和灌水均匀度设计出投资费用和运转费用（能耗）低的滴灌系统，要求支管的内径和耐压等级也要多。
　　一般，支管的内径要在21～90mm的范围内足够多。
　　五、管件
　　管件直接影响到滴灌系统的安装效率和系统的维修。目前，我国生产滴灌PE管配套管件的厂家少，快速连接管件的生产厂家更少，而且价格昂贵，63mm以上尺寸的快速连接管件基本上没有。
　　管件必须要和管材的尺寸配合，有足够的序列。
　　六、小节
　　在这篇文章中，作者根据滴灌系统的水力学特性，简单论述了滴灌材料的发展方向：
　　（1）重点开发全紊流和半紊流灌水器和带有全紊流和半紊流灌水器的滴灌带（管），附带开发一些适合典型土壤类型的压力补偿式灌水器和带有压力补偿式灌水器的滴灌带（管）。
　　（2）灌水器的流量在推荐的工作压力下，单个灌水器的流量在0.2～10l/h的范围内间隔要足够小。
　　（3）在2～25米的操作压力水头的范围内，将灌水器分为低压、常压和高压等若干类型，而且间隔不能太大。
　　（4）除多孔管外，地面滴灌和地下滴灌的灌水器的间距要足够多。
　　（5）毛管的内径在8～25mm的范围内要足够多。
　　（6）滴灌带（管）的壁厚在0.1～1.0mm的范围内要足够多。为便于安装灌水器，管上式灌水器的滴灌系统的毛管，壁适当厚一些。