園藝/灌溉

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撒哈拉之心灌溉高空航拍

灌溉是指人工向土壤中施加水，以確保植物有充足的水供應。在作物生產中，它主要用於在乾旱時期補充降雨量，但也用於保護植物免受霜凍。 此外，灌溉還有助於抑制稻田雜草生長。

相比之下，僅依賴直接降雨的農業有時被稱為旱地農業或雨養農業。

灌溉的歷史

公元 1840 年左右，埃及上游的畜力灌溉

中國吐魯番坎兒井隧道內部。

灌溉是一種古老的實踐，考古證據表明早在公元前 6 千年，美索不達米亞和埃及就已存在灌溉系統，當時在自然降雨不足以支撐這種作物生長的地區種植大麥。 在西半球，考古學家在秘魯安第斯山脈的扎納河谷發現了早在公元前 4 千年的灌溉渠。巴基斯坦和印度北部的印度河文明（從公元前約 2600 年開始）也擁有早期的運河灌溉系統（從公元前約 2600 年開始）。 他們實施了大規模農業，並使用了一個廣泛的運河網路來灌溉。他們開發了複雜的灌溉和儲存系統，包括公元前 3000 年在吉爾納建造的水庫。

有證據表明，古代埃及法老阿蒙涅姆赫特三世在第十二王朝（約公元前 1800 年）利用法尤姆綠洲的天然湖泊作為水庫，儲存多餘的水，以便在乾旱季節使用，因為該湖泊每年都會隨著尼羅河的年度氾濫而膨脹。

大約公元前 800 年，在古代波斯發展起來的坎兒井是現今仍在使用的最古老的灌溉方法之一。它們現在分佈在亞洲、中東和北非。該系統包括一個垂直井和傾斜隧道的網路，這些隧道開挖在懸崖和陡峭的山坡上，用於開採地下水。 諾拉是一種水輪，輪緣周圍有粘土罐，由溪流的流動（或在水源靜止的地方由動物）驅動，首次被羅馬定居者在北非使用。到公元前 150 年，這些罐子配備了閥門，以便在它們被強行放入水中時更平穩地灌滿。

古代斯里蘭卡的灌溉工程，最早可追溯到公元前約 300 年，是在潘杜卡巴亞國王統治時期，並在接下來的 1000 年中不斷發展，是古代世界最複雜的灌溉系統之一。除了地下運河外，僧伽羅人是第一個建造完全人工水庫來儲存水的人。該系統在帕拉克拉瑪巴胡國王統治時期（公元 1153-1186 年）得到廣泛修復和進一步擴充套件。

中國最古老的已知水利工程師是春秋時期的孫叔敖（公元前 6 世紀）和戰國時期的西門豹（公元前 5 世紀），他們都參與了大型灌溉工程。在屬於古代中國秦國的四川地區，都江堰灌溉系統建於公元前 256 年，用於灌溉今天仍供水的廣闊農田。 到公元 1 世紀，漢代，中國人還使用鏈式泵將水從低處提升到高處。 這些泵由人工腳踏板、水力水輪或由牛拉動的旋轉機械輪驅動。 水被用於公共工程，例如為城市住宅區和宮殿花園供水，但主要用於田間農田的灌溉運河和渠道。

15 世紀的朝鮮發現了世界上第一個水位計，即woo ryang gyae（朝鮮語：우량계），時間是公元 1441 年。發明人是朝鮮王朝的朝鮮工程師張英實，在國王世宗的積極指導下。它被安裝在灌溉水箱中，作為全國範圍內測量和收集降雨量以用於農業應用的系統的一部分。有了這個儀器，規劃者和農民可以更好地利用調查中收集的資訊。

到 20 世紀中葉，柴油和電動機的出現首次導致了能夠以比其補給速度更快的速度將地下水從主要含水層中抽出的系統。這會導致含水層容量的永久性損失，水質下降，地面沉降和其他問題。華北平原、旁遮普省和美國大平原等地區的糧食生產的未來受到威脅。

灌溉型別

小麥的盆地漫灌

噴灌

各種灌溉技術在從源頭獲得的水如何分配到田間方面有所不同。一般來說，目標是均勻地為整個田地供水，使每株植物都獲得所需的水量，既不多也不少。

地面灌溉

在地面灌溉系統中，水透過簡單的重力流動在土地上移動，以潤溼土地並滲入土壤中。地面灌溉可細分為溝灌、畦灌或盆地灌溉。當灌溉導致耕地洪水或接近洪水時，它通常被稱為漫灌。從歷史上看，這是灌溉農田最常見的方法。

在灌溉水源允許的情況下，水位由堤壩控制，通常用土壤堵塞。這在梯田水稻田（稻田）中經常可見，該方法用於灌溉或控制每個獨立田地的水位。在某些情況下，水被泵送或透過人力或畜力提升到土地的水平。

區域性灌溉

區域性灌溉是指透過管道網路以預定模式低壓分配水，並以少量流量應用於每株植物或其附近。滴灌、噴灌或微噴灌和冒泡灌溉屬於此類灌溉方法。

滴灌或微灌

滴灌 - 滴頭工作中

滴灌佈局及其組成部分

水滴狀地輸送到植物的根區或附近。這種型別的系統可以是最節水型的灌溉方法，如果管理得當，因為蒸發和徑流可以降到最低。在現代農業中，滴灌通常與塑膠地膜結合使用，進一步減少蒸發，也是施肥的輸送方式。此過程被稱為w:fertigation。

如果滴灌系統執行時間過長或流量過大，可能會發生深層滲透，導致水滲入根系以下。滴灌方式從高科技的計算機控制到低科技的相對勞動密集型，種類繁多。與大多數其他型別的系統相比，滴灌系統通常需要較低的水壓，低能耗中心支點系統和地面灌溉系統除外。系統可以設計為在整個田地內均勻分佈水，也可以設計為在包含多種植物種類的景觀中精確地向單個植物供水。雖然在陡坡上很難調節壓力，但可以使用壓力補償型滴頭，因此田地不需要平坦。高科技解決方案包括沿從計算機控制閥門延伸的管道放置精確校準的滴頭。壓力調節和過濾去除顆粒都非常重要。管道通常為黑色（或埋在土壤或覆蓋物下），以防止藻類生長並保護聚乙烯免受紫外線降解。但滴灌也可以像將多孔陶器容器埋入土壤中，然後偶爾從軟管或桶中注水一樣簡單。地下滴灌已被成功應用於草坪，但比傳統的灑水系統更昂貴。地面滴灌系統對草坪和高爾夫球場而言並不經濟（或美觀）。Netafim、Jain Irrigation Systems、Chapin Watermatics、Eurodrip、Plastro Irrigation Systems 是主要的滴灌系統製造商。過去，地下滴灌 (SDI) 系統在用於草坪時，主要缺點之一是必須將塑膠管道埋設在地下，並且彼此非常靠近，從而破壞草坪區域。滴灌安裝器方面的最新技術發展，例如新墨西哥州立大學箭頭頂端中心的滴灌安裝器，可以將管道埋設在地下，並覆蓋切口，不留裸露的土壤。

噴灌

英國牛津郡米勒斯農場中心的移動噴灌機

在噴灌或空中灌溉中，水透過管道輸送到田地內一個或多箇中心位置，然後由高壓空中噴頭或噴槍進行分配。使用安裝在永久安裝立管上的噴頭、噴霧器或噴槍的系統通常被稱為*固定式*灌溉系統。旋轉的高壓噴頭被稱為*旋轉噴頭*，由球形驅動器、齒輪驅動器或衝擊機制驅動。旋轉噴頭可以設計為進行全圓或部分圓旋轉。噴槍與旋轉噴頭類似，但它們通常在 40 到 130 lbf/in²（275 到 900 kPa）的極高壓力和 50 到 1200 US gal/min（3 到 76 L/s）的流量下執行，噴嘴直徑通常在 0.5 到 1.9 英寸（10 到 50 毫米）之間。噴槍不僅用於灌溉，還用於工業應用，例如降塵和伐木。

紐約普萊恩維爾的藍莓噴灌

噴頭也可以安裝在透過軟管連線到水源的移動平臺上。被稱為*移動噴灌機*的自動移動輪式系統可以無人值守地灌溉小型農場、運動場、公園、牧場和公墓等區域。其中大多數使用卷繞在鋼製滾筒上的聚乙烯管。當噴頭由灌溉水或小型汽油發動機驅動的滾筒卷繞時，噴頭就會在田地中移動。當噴頭回到卷軸上時，系統會關閉。這種型別的系統在大多數人眼中被稱為“水卷軸”移動灌溉噴頭，它們被廣泛用於降塵、灌溉和土地廢水處理。其他移動噴灌機使用扁平橡膠軟管，軟管在噴頭平臺由電纜牽引時在後面拖動。這些電纜式移動噴灌機無疑是老技術，它們的使用在當今的現代灌溉專案中受到限制。

中心支點灌溉

中心支點灌溉系統的樞紐。

中心支點灌溉是一種噴灌方式，由幾段管道（通常是鍍鋅鋼或鋁）連線在一起，並由安裝在輪式塔架上的桁架支撐，噴頭沿管道長度排列。系統以圓形方式移動，並從拱形中心的支點接收水。這些系統在美國地形平坦的地區很常見。

帶有滴灌的中心支點。照片由 Gene Alexander 拍攝，美國農業部自然資源保護局。

現在大多數中心支點系統都使用從稱為*鵝頸管*的 U 形管道懸掛的滴管，鵝頸管連線在管道頂部，噴頭距離作物幾英尺（最多），從而限制蒸發損失。滴管也可以用於拖曳軟管或起泡器，將水直接沉積在作物之間的地面上。作物以圓形種植，以適應中心支點。這種型別的系統被稱為 LEPA（低能耗精準施用）。最初，大多數中心支點都是水驅動的。這些後來被液壓系統（*T-L Irrigation*）和電動機驅動系統（*Lindsay*、*Reinke*、*Valley*、*Zimmatic*）所取代。如今，大多數系統都由安裝在每個跨度的低處的電動機驅動。這驅動減速齒輪箱，橫向傳動軸將動力傳遞到安裝在每個車輪後面的另一個減速齒輪箱。現在可以使用精確控制，其中一些具有 GPS 定位和遠端計算機監控功能。

側移（側滾、輪線）灌溉

愛達荷州的輪線灌溉系統。2001 年。照片由 Joel McNee 拍攝，美國農業部自然資源保護局。

一組管道，每根管道在中點處永久固定一個直徑約 1.5 米的車輪，並在其長度方向上安裝噴頭，這些管道在田地的一側邊緣連線在一起。使用一條大型軟管在田地一側供應水。在施用足夠的水後，將軟管移除，剩餘的元件透過手工或專門設計的機構旋轉，使噴頭在田地中移動 10 米。然後重新連線軟管。重複此過程，直到到達田地的另一側。與中心支點相比，這種系統的安裝成本更低，但操作起來勞動強度更大，並且能夠輸送的水量有限。大多數系統使用直徑為 4 或 5 英寸的鋁製管道。側移系統的一個特點是它由可以輕鬆拆卸的節段組成。它們最常用於小型或形狀奇特的田地，例如丘陵或山區地區的田地，或者勞動力成本低廉的地區。

地下灌溉

地下灌溉，有時也稱為*滲透灌溉*，在水位高的田地作物中已經使用了許多年。它是一種透過人工抬升水位使土壤從植物根系以下被潤溼的方法。這些系統通常位於低窪地區或河流谷地的永久性草地上，並與排水基礎設施結合在一起。抽水站、運河、堰和閘門的系統允許它增加或降低溝渠網路中的水位，並以此控制地下水位。

地下灌溉也用於商業溫室生產，通常用於盆栽植物。水從下方輸送，向上吸收，多餘的水被收集起來迴圈利用。通常，水和營養物質的溶液會短暫地（10-20 分鐘）淹沒容器或流過水槽，然後被泵回儲罐以供重複使用。溫室地下灌溉需要相當複雜且昂貴的裝置和管理。優點是節約水和養分，以及透過降低系統維護和自動化來節省勞動力。它在原理和作用上與地下滴灌類似。

使用桶或澆水壺進行人工灌溉

這些系統對基礎設施和技術裝置的要求較低，但需要大量的勞動力投入。例如，在一些非洲國家的大城市周圍的城郊農業中，人們使用澆水壺進行灌溉。

灌溉水源

灌溉水源可以是地下水，從泉水或井中抽取，也可以是地表水，從河流、湖泊或水庫中提取，也可以是非傳統來源，例如處理過的廢水、脫鹽水或排水水。一種使用地表水的特殊灌溉形式是洪水灌溉，也稱為洪水收集。在發生洪水（洪峰）的情況下，使用水壩、閘門和渠道網路將水引到通常乾涸的河床（窪地）中，並將其散佈到廣闊的區域。然後，土壤中儲存的水分將用於種植作物。洪水灌溉區尤其位於半乾旱或乾旱的山區。雖然洪水收集屬於公認的灌溉方法，但雨水收集通常不被視為一種灌溉形式。雨水收集是指從屋頂或閒置土地收集徑流水，並將這些水集中到耕地上。因此，這種方法被認為是一種水集中方法。

地下灌溉系統的工作原理

大多數商業和住宅灌溉系統都是“地下”系統，這意味著所有東西都埋在地下。管道、噴頭和灌溉閥都隱藏起來，這使得景觀更清潔、更美觀，無需人工移動花園軟管或其他物品。

水源和管道

噴灌系統的起點是水源。這通常是連線到現有（城市）自來水管的龍頭，或者是從井或池塘中抽水的泵。水從水源流經管道，透過閥門到達噴頭。從水源到灌溉閥門的管道稱為“主管道”，從閥門到噴頭的管道稱為“側管道”。如今，大多數灌溉系統中使用的管道都是 HDPE 和 MDPE 或 PVC 或 PEX 塑膠壓力管道，因為它們易於安裝且耐腐蝕。經過水源後，水通常會流經反向流防止裝置。這可以防止灌溉管道中的水迴流到乾淨的供水系統中，並汙染干淨的供水系統。

控制器、區域和閥門

大多數灌溉系統都分為區域。一個區域是一個單獨的灌溉閥門和一個或一組透過管道連線的噴頭。灌溉系統被劃分為區域，因為通常沒有足夠的壓力和可用流量來同時為整個院子或運動場執行噴頭。每個區域都有一個電磁閥，它透過電線由灌溉控制器控制。灌溉控制器是一個機械或電子裝置，它在特定時間發出訊號讓一個區域開啟，並將其開啟特定時間。“智慧控制器”是最近使用的術語，用來描述能夠根據當前環境條件自動調整澆水時間的控制器。智慧控制器通過當地歷史天氣資料、溼度感測器（水勢或水分含量）、氣象站或它們的組合來確定當前條件。

噴頭

當一個區域開啟時，水會流經側管道，最終到達灌溉噴頭。大多數噴頭底部都有螺紋管接頭，可以將配件和管道連線到它們。噴頭通常安裝在頭部頂端與地面齊平的位置。當水加壓時，頭部會從地面彈起，並澆灌所需區域，直到閥門關閉並關閉該區域。當側管道中不再有水壓時，噴頭會縮回地面。

學術資源

• Irrigation Science，ISSN: 1432-1319（電子版） 0342-7188（紙質版），施普林格
• Journal of Irrigation and Drainage Engineering，ISSN: 0733-9437，美國土木工程師學會出版物

參考資料

• "傑斯·斯特賴克的景觀灌溉教程". Retrieved August 1, 2005.
• Dillehay TD，Eling HH Jr，Rossen J (2005)。“秘魯安第斯山脈的陶器前灌溉渠”。《美國國家科學院院刊》。102 (47): 17241–4。 PMID 16284247.{{cite journal}}：CS1維護：作者列表有重複姓名 (link)
• “RW 環境智慧控制器輔助” (PDF). 檢索於 2006年12月18日.
• “用更少的水保持優質草坪的技術”. 檢索於 2014年5月24日.

外部連結

• “灌溉技術”. USGS. 檢索於 2005年12月8日.
• “灌溉協會”. 檢索於 2005年12月8日.
• 皇家工程師博物館 19世紀印度灌溉
• 水統計 糧農組織關於水和農業的全球資訊系統
• 相關文章 在Appropedia上，這是一個非維基百科（專案和實用的“如何操作”）內容的維基。