第1章绪论
1.1滴灌技术及其应用前景
1.1.1滴灌技术及其发展过程
滴灌技术是根据作物需水要求，通过全管道系统与安装在毛管上的灌水器，将一定的有压水源均匀而稳定地滴入作物根区土壤，再借助毛细张力或重力作用将水分扩散到整个根层供作物吸收利用的一种局部灌水方法。除紧靠灌水器的土壤水分处于饱和状态外，其他部位的土壤水分均处于非饱和状态。随着对滴灌全管道系统功能的挖掘，滴灌技术由单一的灌溉功能向水肥气药多功能一体化转变，具有明显的节水、增产、提质、省工、易管等优点，已经成为供给精准、集约化程度高、自动化控制易于实现、应用广泛的高效节水灌溉技术以及水肥一体化技术的主要载体。
有关滴灌技术理念的记载*早可以追溯到我国明朝王象晋纂辑的《群芳谱》，无花果种植过程中“结实后不宜缺水，置瓶其侧，出以细蕾，日夜不绝，果大如瓯”。1860年，德国人提出了利用地下排水短瓦管进行地下渗灌，试验后作物增产明显。1920年，Lee提出了一种利用有孔管道灌溉的方法，被认为是滴灌的雏形，并引起苏联、法国和美国等国家相关学者的高度重视，荷兰、英国*先在温室花卉、蔬菜种植过程中对这种灌溉方法进行了小规模试验。1934年，Robey研制了帆布管的渗水灌溉系统，并开始试验不同材质管材对渗水性能的影响。19世纪50年代末，滴灌技术迎来了重大突破，以色列成功研制出长流道灌水器，并迅速发展成一种新型的灌溉方式。1971年在以色列特拉维夫、1974年在美国加利福尼亚州圣地亚哥、1985年在美国加利福尼亚州弗雷斯诺、1988年在澳大利亚奥尔伯里沃东加、1995年在美国佛罗里达州奥兰多、2000年在南非开普敦、2006年在马来西亚吉隆坡、2011年在伊朗德黑兰、2019年在印度奥兰加巴德陆续召开了九届国际微灌会议。国际微灌会议的成功召开对以滴灌为主导的微灌技术在美国、中国、澳大利亚、墨西哥、意大利、法国、南非以及中东等50多个国家和地区的应用及推广起到举足轻重的作用（表1.1）。以色列80%的灌溉面积采用滴灌。滴灌技术虽然从成型到现在只有70多年的历史，但20世纪70~80年代世界滴灌面积以平均每年2万hm2的速度发展，到90年代则增长到每年发展8.3万hm2，进入21世纪后增长速度更是每年超过30万hm2。其中，我国是世界上微灌应用面积增长*快的国家，2020年微灌面积已发展到322.6万hm2。
1974年，我国由墨西哥引进滴灌技术，*先在北京、山西和河北分别将该技术试用于粮食作物、果树和蔬菜灌溉，面积仅6hm2。1975年，我国决定自主研制滴灌系统关键设备，同时在全国各省设立试点，滴灌技术相关研究也于次年成为国家重点科研项目之一。
表1.1微灌面积统计(单位：hm2)
注：数据来源于国际灌溉排水委员会网站（http：//www.icid.org），由于2000年各国家数据*后更新年份不同，故以2000年作为*后统计时间。
经过*初发展的十年之后，1985年11月我国派代表与以色列NETAFIM公司代表一起参加在美国加利福尼亚州举办的第三届国际微灌会议，这是我国滴灌领域科研工作者与国际滴灌学界的**次正式交流和沟通。1986年，“滴灌配套设备系列开发”项目列入国家星火计划，为滴灌技术全面、快速发展奠定了基础。“八五”期间，我国滴灌工作者在设备研发、产品配套、技术应用及推广方面陆续取得重大突破。1997年，水利部、财政部、农业部、国家计划委员会、中国人民银行和中国农业发展银行在河北省三河市联合召开全国节水灌溉工作会议，会议对我国未来3~10年内滴灌技术的应用和推广提出战略性发展目标，滴灌技术开始全面、快速发展。1991年**届全国微灌大会在西安召开，截至目前已成功举办了十四届，滴灌技术受到广泛重视。目前，我国形成了长江以南以温室大棚、果树滴灌为主，东北以粮食作物滴灌为主，西北以大田经济作物、果树滴灌为主，华北温室大棚蔬菜和果树滴灌并进，生态脆弱区荒山和道路绿化、荒漠化治理为主的整体格局。2000年全国以滴灌技术为主的微灌面积为15.3万hm2，到2020年增长到322.6万hm2，滴灌技术逐渐得到广大用户的认可，表现出蓬勃发展的态势。滴灌产品门类和系列基本配套，形成了灌水器、管材与管件、净化过滤设备、施肥设备和控制及安全装置5大类滴灌设备，基本可满足各种植物灌溉的需要。新疆推广使用的一次性薄壁滴灌带也取得了突破性进展，并迅速大面积应用于大田粮经作物膜下滴灌，新疆也成为全球大田作物中应用膜下滴灌节水面积*大的地区，并逐步扩展到内蒙古、宁夏、甘肃、陕西等地区以及中亚的塔吉克斯坦等国家，作物也进一步推广到甜菜、加工番茄、蔬菜、瓜类等，节水、增产、提质效果显著，应用前景广泛。
1.1.2滴灌技术主要应用区域与主要对象
我国滴灌技术经过多年发展，推广与应用成效显著。目前主要应用在大田粮经、温室大棚、果园及绿化带等方面，表现出由温室大棚室内小单元滴灌向室外露地大单元滴灌扩展的趋势；由设施瓜菜向大田粮经作物延伸；由平地大面积滴灌向山区陡地发展。此外，近年来公路、铁路沿线和荒漠风沙治理绿化也开始陆续采用滴灌技术，进一步应用在城市绿地、林木、屋顶花园及金矿矿石浸淋等非农业领域。整体来看，滴灌主要有以下四种应用对象。
（1）设施瓜菜。主要应用在没有自然降水的春秋大棚、日光温室、连栋温室等。目前主要在北方地区推广，常见瓜菜包括番茄、辣椒、黄瓜、胡萝卜、西瓜、甜瓜、草莓等，以及袋植、盆植、畦植的各种花卉。日光温室一般长50~120m，宽5~13m，目前滴灌系统普遍采用南北短垄布管，每条滴灌管铺设长度5~10m。设施作物通常生长期短、种植品种杂、茬口多，换茬时要求滴灌管行距随之调整。
（2）大田粮经。大田作物滴灌起步较晚，但近几年发展很快，主要集中在西北、东北，尤其是新疆的棉花产区。新疆棉花产区属于典型的灌溉农业，没有灌溉就无法种植，节水自然成为重中之重，造就了发展滴灌的*特环境。特别是兵团农场面积大、机械化水平高、人员素质较好、接受和管理能力强，为滴灌技术的应用提供了良好条件，效率大幅提高。价格低廉的一次性薄壁滴灌管的成功研发使得系统一次性亩投资大幅降低，并配合农机、农艺栽培措施的改进，使得棉花、马铃薯、大豆、油葵、甜菜、甘蔗等经济作物的大面积栽培均可以采用滴灌，玉米、小麦、水稻等粮食作物也开始应用滴灌技术。
（3）特色果树。果树是多年生植物，非常适合铺设多年用滴灌管。目前果园滴灌技术已经推广应用到山地和平原的多种果树种植中，如柑橘、苹果、荔枝、龙眼、梨、桃、葡萄、猕猴桃、香蕉等。果树植株一般较大，行距多为3~6m，株距多为1~4m，不需要调整滴灌管行距，但要求滴灌管壁相对厚一些，使用寿命至少应达3年以上，因此对灌水器的抗堵塞性能提出了更高要求。
（4）绿化植物。滴灌在沙漠公路、矿区与荒山、戈壁滩、河谷地带等生态脆弱区绿化等生态工程中也取得了非常好的成效，这是其他灌溉方法难以实现的。
总体而言，滴灌技术主要应用于水资源紧缺的河套平原、宁夏北部、河西走廊、南疆、吐鲁番盆地、天山北坡、陇西黄土高原北部等干旱地区以及东北平原的西辽河平原、黄淮海平原的河北黑龙港地区、太行山东麓、太原忻定盆地、土默特平原等半干旱地区，对于南方经济作物种植也表现出良好的应用态势。
1.1.3滴灌技术应用前景与发展态势
近年来，国家高度重视节水灌溉工程建设与应用，党中央及各级政府出台了一系列政策支持滴灌等高效节水灌溉技术的发展，这意味着以滴灌技术为主要支撑的农业节水事业面临崭新的发展机遇与巨大的发展空间。
2011年中央一号文件中多处提到节水灌溉问题，明确要求大力发展节水灌溉，推广渠道防渗、管道输水、喷灌、滴灌等技术，普及农业高效节水技术。2013年中央一号文件中指出大力发展高效节水灌溉。2015年中央一号文件提出加快大中型灌区续建配套与节水改造，加快推进现代灌区建设，加强小型农田水利基础设施建设。2017年中央一号文件中指出把农业节水作为方向性、战略性大事来抓。2018年中央一号文件中指出实施国家农业节水行动，加快灌区续建配套与现代化改造。2020年中央一号文件中提到“加大农业节水力度”。2022年中央一号文件中指出“统筹规划、同步实施高效节水灌溉与高标准农田建设”。2023年中央一号文件中提到“统筹推进高效节水灌溉，健全长效管护机制”。
2014年“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路的提出，表明党和国家对发展农业节水的高度重视。国务院办公厅印发《国家农业节水纲要（2012~2020年）》，该纲要提出，到2020年全国农田有效灌溉面积达到10亿亩，新增滴灌工程面积3亿亩1亩≈666.7m2，下同。，其中新增高效节水滴灌工程面积1.5亿亩以上。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》要求“十三五”期间新增高效节水灌溉面积1亿亩。2021年农业农村部印发的《全国高标准农田建设规划（2021—2030年）》中提出，到2030年建成12亿亩高标准农田，改造提升2.8亿亩高标准农田，以此稳定保障1.2万亿斤以上粮食产能。2022年国务院发布的《“十四五”推进农业农村现代化规划》中提到在“十四五”期间新建高标准农田2.75亿亩，新增高效节水灌溉面积0.6亿亩。
水利部也提出按照东北节水增粮、华北节水压采、西北节水增效、南方节水减排的思路全面推进高效节水灌溉，滴灌是其中主要技术之一。2022年北京市第十五届人大常委会第四十五次会议表决通过的《北京市节水条例》，明确提出种植业应当采取管道输水、渠道防渗、喷灌、微灌等先进的节水灌溉方式，提高用水效率。《河北省节水行动实施方案》提出发展高效节水灌溉工程，加快灌区续建配套和现代化改造。《新疆维吾尔自治区节水型社会建设“十四五”规划》中提到，到2025年，全区用水总量控制在国家分配指标以内，农田灌溉水有效利用系数提高到0.585以上，新增高效节水灌溉面积345万亩。
1.2滴灌系统灌水器堵塞特性及机理
滴灌系统一般由水源工程、*部枢纽、输水管网和灌水器四部分组成。*部枢纽主要由施肥装置、过滤器、控制阀、压力表等关键部件组成，其控制着整个滴灌系统的工作压力、灌水施肥频率等系统运行参数。输水管网包括干管、支管、毛管等三级管道，以及相应的三通、直通、弯头等部件，其作用是将*部枢纽处理过的水源和肥料，按工作需求通过全管道系统输送、分配到每个灌水器。
灌水器是滴灌系统的核心部件，主要作用是通过其内部复杂流道结构对有压水流进行充分消能，保证水流通过灌水器出口后均匀、稳定地供给作物，灌水器质量的好坏直接影响滴灌系统工作可靠与否及灌水质量高低，因此对灌水器提出了极高的要求：①出水均匀、稳定。一般情况下灌水器的流量随工作水头大小而变化，这就要求灌水器本身需具有一定的调节能力，保证水头变化引起的流量变化较小，也就是追求较低的流态指数。②出水量小。灌水器出水量大小取决于工作水头高低、过流断面大小和出流受阻的情况。滴灌工作水头一般为1~15m，出水流量为0.5~10.0L/h，灌水器流量小意味着滴灌管（带）可以铺设更长。③抗堵塞性能好。灌溉水源中含有一定的污染物等杂质，由于灌水器流道较小，过水流道直径仅为0.5~1.2mm，很容易发生堵塞。灌水器堵塞已经成为制约滴灌技术应用和推广的瓶颈问题，轻则使灌水器流量降低、影响灌水均匀度，重则导致灌水器报废、使系统瘫痪。④制造精度高。灌水器流量大小除受工作水头影响外，还受设备精度的影响。因灌水器流道细小而对制造机械精度要求更高，稍有偏差就会对流量造成较大偏差，一般要求灌水器制造偏差系数Cv控制在0.05以下。⑤价格低廉、坚固耐用。灌水器在整个滴灌系统中用量较大，其费用往往占整个系统投资的25%~30%。如何降低灌水器成本、保证灌水效果，对滴灌技术规模化推广至关重要。⑥结构简单，便于制模、生产与安装。灌水器设计的
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