4.2 主要工作原理、技术内容及特点

4.2.1 主要工作原理

4.2.1.1 痕量灌溉技术原理

在满足植物水分需求的前提下，通过特制的灌水器控水头，将低压水转化成极细小的水流，以极其微小的速度，均匀、不间断地将水直接输送到植物根系附近的土壤，通过毛细管力对水的天然控制作用，实现长期、稳定控制出水量，不间断地湿润植物根层土壤，为植物长久供水。

4.2.1.2 控水头工作原理

控水头由入水口、控水头腔、出水口3部分组成，其中入水口为一层滤膜，出水口处是由很多根并列在一起的表面能强大的毛细管束（起到毛细管的作用）填充而成。

以往的灌水器的出水量在设计工作压力下，其出水量是一定的，而痕量灌溉技术中最关键的灌水器控水头，其出水量在1～200mL/h，其出水量在作物根系区土壤毛细力的作用下被缓慢运送至土壤，达到灌水器、土壤、植物间水分的动态平衡后，控水头出水量自动调节。

在灌溉毛管中流动的水流，通过控水头外侧的过滤膜进入控水头腔体，水流通过控水头腔体一侧的出水口中的毛细管与土壤接触时，在毛细管力的作用下，使控水头中的水被土壤中的毛细孔隙自动抽出，在控水头内部产生抽水力，驱动进水口处的水通过滤膜后流入控水头出水口的毛细管中。毛细管与土壤接触，受到土壤毛细管力以及重力的作用，保证水分不断移动进入土壤。当土壤含水率提高，土壤与控水头的压力差减小，控水头受土壤毛细管力的作用减小，供水速度逐渐减小，直至达到控水头、土壤、植物间的水分平衡，不会有多余的水分渗透到灌溉层以外。当根系周围的土壤水分减少，形成含水量梯度，使控水头出水口附近较湿润土壤中的水分在土壤毛细力作用下迁移到根系周围土壤中，并最终经由根毛被植物吸收。痕量灌溉可以保证土壤适宜的含水率，大幅度减少水分地表蒸发和深层渗漏损失，可以保证连续不间断、均匀、适量地向植物根系土层提供有效供水。

4.2.1.3 控水头抗堵塞原理

滴灌灌水器流道容易堵塞一直是滴灌难以突破的技术瓶颈，堵塞严重时甚至会导致整个滴灌系统瘫痪。因此，滴灌工程多采用大型沉砂池、各类过滤器组合、多级过滤型式，解决滴灌的堵塞问题。一般情况下，微灌堵塞的类型可分为物理性堵塞、化学沉淀堵塞与生物性堵塞。痕量灌溉灌水器具有较强的抗堵塞性能。

痕量灌溉采用低压输水、膜过滤技术、毛细管依靠压力差输送水量，舍弃了滴灌流道供水易堵塞的难题。控水头以膜为过滤介质，是一种与膜孔径大小相关的筛分过程。痕量灌溉的过滤膜具有大面积、极微小孔径的特征，能够保证水流以极缓慢的速度流入控水头腔体，但由于其相对于出水口有较大的滤膜面积，又能保证有足够的水量进入控水头腔体。在控水头出水口中设置的毛细纤维管，其管径远大于滤膜的孔径，则进入滤膜的小分子物质，不会堵塞出水口的毛细管。进入控水头的水流，以膜两侧的压力差为驱动力，在一定的压力下，当含杂质的水流在毛管中通过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过，而体积大于膜表面微孔径的杂质则被截留在膜的外侧。而经由大面积、小孔径滤膜过滤的水也不会堵塞大孔径毛细头的毛细管通路。毛细管力形成的压力差促使水透过滤膜不断进入灌水器，并最终流入土壤。滤膜和毛细头组成一个既相互制约又相互保护的有机整体。

控水头通过设置合理的滤膜与出水口毛细管头面积比，较好的克服了微灌技术难以克服的灌水器易堵塞问题。

痕量灌溉中水流一直保持极低速流动状态；由于输配水管网浅埋于地下，管道内温度相对恒定，进而有效避免了灌溉水质较硬时，化学物质结晶析出附着在管道内壁堵塞灌水器。植物根系在向水性的作用下会向灌水器方向生长，但由于灌水器的出口处是由很多根并列在一起的毛细管填充而成，其间隙远远小于植物根毛的直径，植物根系无法伸入出水口引起堵塞。灌溉水源中的藻类、微生物易附着在毛管壁，因此化学堵塞和生物堵塞成为痕量灌溉推广的制约因素。

管路在负压存在的情况下可以依靠控水头继续正常抽水运行而不发生水分倒吸。

4.2.2 主要技术内容

示范区推广的主要技术为痕量灌溉完整技术体系。痕量灌溉是北京普泉科技有限公司研发的新型灌溉技术，属专利产品。痕量灌溉是一种地下连续灌溉技术，其技术体系主要由水源工程、首部加压及简易过滤装置、地下管网工程、田间灌溉系统和灌水器等，其核心技术在于灌水器。灌水器是结合现代膜过滤技术以及灌水器中微小管束，在土壤毛细管作用下，借助一定的重力条件，通过毛细管的压力差输送灌溉水量到作物根区。在满足植物水分需求的前提下，通过特制的灌水器——控水头，将低压水转化成极细小的水流，以极其微小的速度，均匀、不间断地将水直接输送到植物根系附近的土壤，通过毛细管力对水的天然控制作用，实现长期、稳定控制出水量，不间断地湿润植物根层土壤，为植物长久供水。痕量灌溉较滴灌可节水40%～60%；工作压力为2～10m，以毛细力为基础力，为植物长久稳定供水，可实现小流量灌溉；具有较强的抗堵塞能力，毛管可进行长距离铺设，平坦地面上铺设长度可达350m，灌溉均匀度良好。

图4.1 痕量灌溉系统

4.2.3 痕量灌溉技术特点

4.2.3.1 技术优点

（1）节水。在同等条件下，痕量灌溉技术较滴灌可节水40%以上，较沟灌或大田地面灌溉节水75%以上，在节水的同时可保证作物不会减产。

（2）节能。痕量灌溉系统以毛细力为基础力，为植物长久稳定供水，控水头工作压力在0～2m即可保证均匀灌溉，为了保证管道系统的输水要求，管网进口压力在2～10m，供水系统的压力主要是满足管网输水要求，可利用高位水箱、高位蓄水池为管网供水，也可通过变频设施提供低压持续供水，对系统的供水压力要求较低。

（3）抗堵塞。痕量灌溉技术依靠其控水头独特膜滤方式，对水质的要求低于滴灌水质要求。管道内的物理性杂质可通过冲洗管道，将其排出管道。化学性及生物性的附着黏液可通过加入次氯酸钠溶液进行冲洗。

（4）适合多种水源。依靠控水头的特殊结构，痕量灌溉用水通过粗过滤即可使用，控水头具有较强的抗堵塞性能。一般机井水可不过滤，黄河高含沙水通过调蓄池沉淀，再通过叠片过滤器过滤，即可满足痕量灌溉水质要求，简化了水质处理的程序。

（5）管道布局简化。由于痕量灌溉毛管铺设距离大（新疆最大铺设长度500m，宁夏最大铺设距离350m）、灌溉均匀度高（均匀度约90%），管网属持续供水，单位时间供水量（流量）远小于滴灌系统，可减少管网级别、加大支管间距、减少支管数量、降低输水管道尺寸，可降低输水工程费用。

（6）痕量灌溉管道可根据不同作物的要求，埋设在地下不同深度，具有地下、局部、均匀、少量持续灌溉等特点，地表可长期保持干燥，有效减少地表蒸发损失、降低温室湿度，保持地表温度，减少病虫害发生，提高作物的品质和产量。

（7）有利于改良土壤。痕量灌溉技术不会像沟灌、喷灌、滴灌那样造成土壤板结、泛碱现象，灌溉水及养分是通过痕量灌溉管上的控水头，将适量水供给作物根系层土壤，使水肥在作物根系层土壤里上下纵横、缓慢扩散，不会破坏土壤的团粒结构，增强了土壤的通气性，促进了微生物活动，为作物创造出一个理想的生长环境，诱使作物须根发达生长，充足吸收养分。

（8）提高作物的质量和产量。痕量灌溉技术，对灌溉作物营养供应充分，一般均能使作物提早成熟，并且作物的营养成分、外型、大小等整体质量也都有所提高。

4.2.3.2 痕量灌溉技术推广中存在的不足

（1）还缺乏对痕量灌溉在不同水质、长期灌溉的生物化学堵塞、长距离毛管铺设的灌溉均匀度、不同供水压力下控水头出水量等影响痕量灌溉大面积推广的系统试验研究成果。痕量灌溉属连续灌溉，其设计理论不同于滴灌等间歇灌溉，还没有形成痕量灌溉技术设计规范，缺乏痕量灌溉工程设计的指导性文件。

（2）缺乏不同地域、不同作物痕量灌溉制度的研究，制约了痕量灌溉的推广应用。各地区技术推广部门应与痕量灌溉生产企业合作，加大技术的推广力度，开展不同地区、不同作物痕量灌溉的广泛试验，尽快完善相关评价结论，提出各类作物的痕量灌溉制度，支撑痕量灌溉工程的规划设计。

（3）目前痕量灌溉主要应用于宽行、密植的行播作物，但对于宽行、稀植作物，仍然按照密植作物布设痕量灌溉毛管，造成部分灌溉水浪费。痕量灌溉铺设需要开挖毛管沟，在现状应用中，多不具备机械开挖的条件，采用人工开挖，造价较高；另外，在开挖毛管沟的工程中，容易对植物根系造成损伤；毛管埋设距离作物较远，影响植物对水分的吸收利用。

（4）现北京普泉公司生产的痕量灌溉管为φ16PE管道，1m安装3个控水头，销售价格4元/m以上，目前市场销售的滴灌管道在0.5～0.6元/m，滴灌带0.2元/m，痕量灌溉毛管造价较高，制约了痕量灌溉大面积的推广。痕量灌溉生产企业应加大产品研发攻关，实现机械化、规模化生产，将造价降低到1元/m左右，才可能有较大的产业化空间。

（5）痕量灌溉毛管为控水头的过滤膜与控水头腔体采用焊接方式，质量难以控制，容易造成过滤膜焊接不牢固，在应用中冻融交替容易脱落，造成控水头堵塞。建议要加强控水头过滤膜的焊接质量控制，保证焊接的过滤膜在水流冲击、低温、冻融交替等情况下不脱落。

（6）痕量灌溉是一持续、小流量、低水头灌溉技术，对水质的要求不高。由于灌溉时需要一定的水头、且持续时间较长，设施温室或小面积灌溉，可架设高位水箱供水；如果大面积灌溉，就必须利用水泵加压，水泵运行时间长，容易造成烧泵等现象。因此痕量灌溉适宜具有高位蓄水池的灌溉区，可利用高位蓄水池，持续不断的保证压力供水。如利用水泵加压，应该配套变频装置，调节水量与压力，保证系统的正常运行。