第四节

水肥一体化技术系统组成

水肥一体化技术系统主要有微灌系统和喷灌系统。

一、微灌系统的组成和分类

微灌就是利用专门的灌水设备（滴头、微喷头、渗灌管和微管等）将有压水流变成细小的水流或水滴湿润作物根部附近土壤的灌水方法。因其灌水器的流量小而称为微灌，主要包括滴灌、微喷灌、脉冲微喷灌、渗灌等。微灌的特点是灌水流量小，一次灌水延续时间长，周期短，需要的工作压力较低，能够较精确地控制灌水量，把水和养分直接输送到作物根部附近的土壤中，满足作物生长发育的需要，实现局部灌溉。目前生产实践中应用广泛且具有比较完整理论体系的主要是滴灌和微喷灌技术。

1.微灌系统的组成

微灌系统主要由水源工程、首部枢纽工程、输配水管网、灌水器4部分组成（图1-4）。

（1）水源工程　在生产中可能的水源有河流水、湖泊水、水库水、塘堰水、沟渠水、泉水、井水、水窑（窖）水等，只要水质符合要求，均可作为微灌的水源，但这些水源经常不能被微灌工程直接利用，或流量不能满足微灌用水量要求，此时需要根据具体情况修建一些相应的引水、蓄水或提水工程，统称为水源工程。

（2）首部枢纽工程　首部枢纽是整个微灌系统的驱动、检测和控制中枢，主要由水泵及动力机、过滤器等水质净化设备、施肥装置、控制阀门、进排气阀、压力表、流量计等设备组成。其作用是从水源中取水，经加压过滤后输送到输水管网中去，并通过压力表、流量计等测量设备监测系统运行情况。

（3）输配水管网　 输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器。包括干、支管和毛管三级管道。毛管是微灌系统末级管道，其上安装或连接灌水器。

（4）灌水器　灌水器是微灌系统中最关键的部件，是直接向作物灌水的设备，其作用是消减压力，将水流变为水滴、细流或喷洒状施入土壤，主要有滴头、滴灌带、微喷头、渗灌滴头、渗灌管等。微灌系统的灌水器大多数用塑料注塑成型。

2.微灌系统的分类

（1）根据输配水管道是否移动及毛管在田间的布置方式分类　可以将微灌系统分为地面固定式微灌系统、地下固定式微灌系统、移动式微灌系统和间歇式微灌系统4种形式。

①地面固定式微灌系统。毛管布置在地面，干管、支管埋入地下，在整个灌水季节首部枢纽固定不动，毛管和灌水器也不移动的系统称为地面固定式微灌系统。这种系统主要用于灌水次数频繁、畦植的粮食作物和经济作物的灌溉。地面固定式微灌系统一般使用流量为4～8升/小时的单出水口滴头或流量为2～8升/小时的多出水口滴头，也可以用微喷头。这种系统的优点是安装、拆卸、清洗毛管和灌水器比较方便，易于管理和维修，便于检查土壤湿润和测量滴头流量变化的情况，也易于实现自动化。缺点是毛管和灌水器容易损坏和老化，还会影响到其他农事作业，设备的利用率也较低。在丘陵山区，地面坡度陡、地形复杂的地区一般安装固定式微灌系统。

②地下固定式微灌系统。近年来，随着微灌技术的改进和提高，微灌的堵塞现象减少，采用了将毛管和灌水器（主要是使用滴头）或渗灌管全部埋入地下的系统。与地面固定式系统相比，地下微灌系统的优点是免除了毛管在作物种植和收获前后安装和拆卸的工作，不影响其他农事作业，延长了设备的使用寿命。缺点是不能检查土壤湿润和灌水器堵塞情况，设备利用率低，一次投资较高。

③移动式微灌系统。按移动毛管的方式不同，移动式微灌系统可分为机械移动和手工移动两种。与固定式微灌系统相比，移动式微灌系统节省了大量毛管和滴头或微喷头，从而降低了微灌工程的投资，缺点是需要劳力多。

④间歇式微灌系统。间歇式微灌系统又称脉冲式微灌系统。工作方式是系统每隔一定时间灌水一次，灌水器的流量比普通的流量大4～10倍。间歇式微灌系统使用的灌水器孔口较大，减少了堵塞，而且间隔灌水避免了地面径流的产生和深层渗漏损失。缺点是灌水器制造工艺要求较高。

（2）根据灌水器的不同分类　可将微灌系统分为微喷灌、滴灌和渗灌3种形式。

①微喷灌。微喷灌是通过低压管道将有压水流输送到田间，再通过直接安装在毛管上或与毛管连接的微喷头或微喷带将灌溉水喷洒在土壤表面的一种灌溉方式（图1-5）。灌水时水流以较大的流速由微喷头喷出，在空气阻力的作用下粉碎成细小的水滴降落在地面或作物叶面上，其雾化程度比喷灌要大，流量比喷灌小，比滴灌大，介于喷灌与滴灌之间。

实践表明，微喷灌技术在粮食作物、经济作物中，如小麦、花生等，具有其他灌溉方式所不具备的优点，综合效益显著，有雾化程度高、灌水速率小等特点。

②滴灌。滴灌由于滴头流量小，水分缓慢渗入土壤，因而在滴灌条件下，除紧靠滴头下面的土壤水分处于饱和状态外，其他部位均处于非饱和状态，土壤水分主要借助毛管张力作用入渗和扩散，若灌水时间控制得好，基本没有下渗损失，而且滴灌时土壤表面湿润面积小，有效减少了蒸发损失，节水效果非常明显。可采用滴灌进行灌溉的作物种类很多，如玉米、马铃薯等粮食作物，烟草、棉花等条播或垄作经济作物均可使用滴灌系统。滴灌技术发展到现在，已不仅仅是一种高效灌水技术，它与其他施肥、覆膜等农技措施相结合，已成为一种现代化的综合栽培技术（图1-6）。

③渗灌。渗灌技术是继喷灌、滴灌之后的又一种水灌溉技术。渗灌是一种地下微灌形式，是在低压条件下，通过埋于作物根系活动层的灌水器（微孔渗灌管），根据作物的生长需水量定时定量地向土壤中渗水供给作物。渗灌系统全部采用管道输水，灌溉水是通过渗灌管直接供给作物根部，地表及作物叶面均保持干燥，作物棵间蒸发减至最小，计划湿润层土壤含水率均低于饱和含水率，因此，渗灌技术水的利用率是目前所有灌溉技术中最高的。渗灌主要适用于地下水较深、地下水及土壤含盐量较低、灌溉水质较好、湿润土层透水性适中的地区（图1-7）。

渗灌技术的优点在于地表不见水、土壤不板结、土壤透气性好、改善生态环境、节约肥料、系统投资低等。统计资料表明，渗灌水的田间利用率可达95%，渗灌比漫灌节水75%、比喷灌节水25%。但缺点是毛管容易堵塞，且易受植物根系的影响，植物根系具有很强的穿透力，尤其是植物根系具有趋水性，即根系的生长会朝水分条件较好的方向伸展，因而随着时间的延续，植物根系会在渗灌毛管附近更密集，且有些植物根系会钻进渗灌管的毛细孔内破坏毛管。在地下害虫猖獗的地区，害虫（如金龟子、天牛等）会咬破毛管，导致大面积漏水，最后使系统无法运行。渗灌技术在我国部分地区的应用已体现出它的优势，具有较好的推广应用价值，但在技术上还有很多方面需要研究与探索。

二、喷灌系统的组成和分类

1.喷灌系统的组成

喷灌系统一般由水源工程、首部系统、输配水管道系统和喷头组成（图1-8）。

1—水泵；2—压力表；3—过滤器；4—球阀；5—干管

（1）水源工程　可以作为喷灌用的水源有河流水、湖泊水、水库水、池塘水、泉水、井水或渠道水等。在喷灌系统中，水源工程的作用是通过它实现水源的蓄积、沉淀及过滤作用。喷灌系统的建设投资较高，设计保证率一般要求不低于85%，在来水量足够大、水质符合喷灌要求的地区，可以不修建水源工程。对于轻小型喷灌机组，应设置满足其流动作业要求的田间水源工程。

（2）首部系统　喷灌系统中常将控制设备、加压设备、计量设备、安全保护设备和施肥设备等集中安装在整个喷灌系统的开始部分，故称为首部系统，而把除首部系统以外的其他位于田间的所有装置如输水管道、控制阀、支管、喷头等称为田间系统。喷灌系统的首部系统包括加压设备（水泵、动力机）、计量设备（流量计、压力表）、控制设备（闸阀、球阀、给水栓）、安全保护设备（过滤器、安全阀、逆止阀）、施肥设备（施肥罐、施肥器）等。

（3）输配水管道系统　管道系统的作用是将经过水泵加压或自然有压的灌溉水流输送到田间喷头上去，因此要采用压力管道进行输配水，喷灌管道系统常分为干管和支管两级，大型喷灌工程也有分干管和二级以上支管。干管起输配水的作用，将水流输送到田间支管中去。支管是工作管道，根据设计要求在支管上按一定间隔安装竖管，竖管上安装喷头，压力水通过干管、支管、竖管经喷头喷洒到田面上。管道系统的连接和控制需要一定数量的管道连接配件（直通、弯头、三通等）和控制配件（给水栓、闸阀、电磁阀、球阀、进排气阀等）。根据铺设状况可将管道分为地埋管道和地面移动管道，地埋管道埋于地下，地面移动管道则按灌水要求沿地面铺设。喷灌机组的工作管道则一般和行走部分结合为一个整体。

（4）喷头　喷头是喷灌系统的重要部件，其作用是将管道内的有压水流喷射到空中，分散成众多细小水滴，均匀地撒布到田间。为适应不同地形、不同作物种类，喷头有高压喷头、中压喷头、低压喷头和微压喷头，有固定式、旋转式和孔管式喷头，其喷洒方式有全圆喷洒和扇形喷洒，也有行走式喷洒和定点喷洒。

2.喷灌系统分类

喷灌系统的形式很多，按喷灌系统的主要部分在灌溉季节可移动的程度分类，可分为固定管道式喷灌系统、移动管道式喷灌系统、半固定式喷灌系统和机组式喷灌系统。

（1）固定管道式喷灌系统　固定管道式喷灌系统的全部设备，包括首部系统、输配水管道系统、喷头等在整个灌溉季节甚至常年都是固定不动的，为方便田间作业和延长管道使用寿命，除竖管及喷头外其他所有管道及田间设备全部埋于地下，水泵、动力机及其他首部枢纽设备安装在泵房或控制室内（图1-9）。固定式喷灌系统具有操作使用方便、生产效率高、运行费用低、占地少、易实现自动化等优点，但全套设备只能固定在一块地上使用，所以设备利用率低，单位面积投资大。适合于经济发展水平高、劳力紧张、以种植经济价值高、灌水频繁的如茶树等经济作物的地区，也适合于面积较大或种植单一的农场。固定式喷灌系统常采用分组轮灌的方式来减小设计流量，降低单位面积投资。

（2）移动管道式喷灌系统　在经济不太发达、劳动力较多且灌水次数较少的地区，采用移动管道式喷灌系统可显著节省系统设备投资和提高设备的利用率。这种喷灌系统除水源工程固定不动外，其他所有设备（包括水泵、动力机、干管、支管和喷头等）在整个喷灌过程中都可以移动，进行轮灌（图1-10）。这样就可以在不同地块轮流使用，设备利用率高，节省了单位面积的投资费用，但是作业时移动管道不方便，而且经常性的移动、拆卸容易引起系统连接点的损坏，增加养护成本。另外，在喷灌后的泥泞地上移动，工作条件差，也比较费工。

（3）半固定式喷灌系统　半固定式喷灌系统是指动力机、水泵和干管固定不动而支管、喷头可移动的喷灌系统（图1-11）。针对固定式和移动式喷灌系统的优缺点，半固定式喷灌系统则采取支管和喷头移动使用的形式，大大提高了支管的利用率，减少支管用量，使单位面积投资低于固定管道式喷灌系统。这种形式在我国北方小麦产区具有很大的发展潜力。为便于移动支管，管材应选择轻型管材，如薄壁铝管、薄壁镀锌钢管，并且配有各类快速接头和轻便的连接件、给水栓。

（4）机组式喷灌系统　机组式喷灌系统也称喷灌机组，它是自成体系、能独立在田间移动喷灌的机械。喷灌机除水源工程以外的其他设备都是在工厂完成，具有集成度高、配套完整、机动性好、设备利用率和生产效率高等优点。采用机组式喷灌系统时，除应选好喷灌机的机型外，还应按喷灌机的使用要求搞好配套工程的规划、设计和施工。

①小型移动式喷灌机。小型移动式喷灌机是指10千瓦以下柴油机或电动机配套的喷灌机组，由安装在手推车或小型拖拉机上的水泵、动力机、竖管和喷头组成，有手抬式和手推式两种（图1-12）。小型喷灌机组适用于水源少而分散的山地丘陵区和平原缺水区，这种喷灌机具有结构简单、一次性投资少、重量轻、操作使用简单、保管维修方便等优点。也适用于城郊小块地粮食作物的喷灌，喷灌面积可大可小。田间作业时，为保持机行道不被淋湿，喷头应顺风向做扇形旋转，机组沿渠道逆风后退，特别是在黏重的土壤上使用时，要注意保护车道，不然机行道泥泞不堪，喷灌机转移困难。

②时针式喷灌机。又称为中心支轴自走式连续喷灌机组，由于其喷灌的范围呈圆形，所以有时也称为圆形喷灌机（图1-13）。时针式喷灌机由固定的中心支轴、薄壁金属喷洒支管、支撑支管的桁架、支塔架及行走机构等组成。工作时，水泵送来的压力水由支轴下端进入，经支管到各喷头再喷洒到田间，与此同时，驱动机构带动支塔架的行走机构，使整个喷洒支管缓慢转动，实现行走喷洒。时针式喷灌机的支管长度多在60～800米，支管离地面高2～3米。根据灌水量的要求，支管转一圈一般为3～4天，最长可达20天，控制面积可达200～3000亩。在方田四角，可由支管末端的喷角装置喷灌四角。

③平移式喷灌机。即连续直线移动式喷灌机，它是在牵引式喷灌机的基础上，吸取了时针式喷灌机逐节启动的方法发展起来的，由于它的行走多靠自己的动力，所以也称为平移自走式喷灌机（图1-14）。其外形和时针式很相似，也是由几个到十几个塔架支承一根很长的喷洒支架，一边行走一边喷洒，由软管向支管供水，也可以使支管骑在沟渠上行走或是支管一端沿沟渠行走以直接从沟渠中吸水。但是它的运动方式和时针式完全不同。时针式喷灌机的支管是转动的，平移式的支管是横向平移的，所以平移式的喷灌强度沿支管各处是一样的，而时针式的喷灌则由中心向外圈逐渐加大。平移式喷灌机的控制面积可大可小，从50亩到3000多亩，大型农场、牧场都可以使用。

④绞盘式喷灌机。属于行喷式喷灌机，规格以中型为主，同时也有小型的产品。绞盘式喷灌机主要由绞盘车、输水管、自动调整装置、水涡轮驱动装置、减速箱、喷头车等几部分组成（图1-15），水源一般由固定干管给水栓供水，喷灌支管绕在绞盘车上，灌水作业由喷头车在田间行走完成，绞盘车采用动力或水力驱动边喷边收管，收管完毕，喷头停止工作，转入下一给水栓作业。此喷灌机可广泛应用于平原、丘陵地区的棉、麦、稻、烟草、花生、蔗、麻、茶叶和牧草等作物的喷洒作业。也可用于城市绿地、电厂、码头除尘等。软管牵引绞盘式喷灌机结构紧凑，机动性好，生产效率高，规格多，单机控制面积可达150～300亩，喷洒均匀度较高，喷灌水量可在几毫米至几十毫米的范围内调节。软管牵引绞盘式喷灌机一般采用大口径单喷头作业，故入机压力要求较高，能耗较大，对于灌水频繁的地区，应慎重选用。软管牵引绞盘式喷灌机的另一个不足之处是需要留出机行道，应在农田基本建设中统一规划，尽量减少占地。

不同形式喷灌系统优缺点比较可参考表1-1。