城鎮(zhèn)化趨勢下的農(nóng)田水利規(guī)劃探討

郭志鵬

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系,上海 200208)

城鎮(zhèn)化趨勢下的農(nóng)田水利規(guī)劃探討

郭志鵬

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系,上海 200208)

隨著城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展,農(nóng)村勞動力將向城市轉(zhuǎn)移,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也將由傳統(tǒng)的分散化、隨意化向規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式發(fā)展。新時期的農(nóng)田水利規(guī)劃需要配合這種發(fā)展趨勢,向著節(jié)水、高效、科學(xué)的方向發(fā)展。以浦東新區(qū)為例,探討城鎮(zhèn)化趨勢下經(jīng)濟作物及糧食作物的農(nóng)田水利規(guī)劃方法及實施要點。

城鎮(zhèn)化 經(jīng)濟作物 糧食作物 農(nóng)田水利規(guī)劃

1 研究背景

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。近年來我國頻繁發(fā)生的嚴重水旱災(zāi)害，暴露出農(nóng)田水利等基礎(chǔ)設(shè)施十分薄弱，必須大力加強水利建設(shè)。為了解決水資源面臨的問題，中共中央、國務(wù)院出臺了《中共中央 國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》。國務(wù)院進一步提出了《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》以下簡稱(《意見》)，全面實施最嚴格的水資源管理制度。針對農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，《意見》提出了明確目標(biāo)，到2015年，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.53以上；到2020年，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上。并提出要加大農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，完善和落實節(jié)水灌溉的產(chǎn)業(yè)支持、技術(shù)服務(wù)、財政補貼等政策措施，大力發(fā)展管道輸水、噴灌、微灌等高效節(jié)水灌溉。

上海市作為全國首批試點省市之一，正在積極開展實施最嚴格水資源管理制度的試點工作，到2014年基本建立最嚴格水資源管理制度體系框架。浦東新區(qū)各級水務(wù)行業(yè)管理部門出臺了一系列政策支持各鎮(zhèn)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，決定在全區(qū)進行農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施高水平建設(shè)以及系統(tǒng)改造工程。針對集中連片、土地全部流轉(zhuǎn)、規(guī)?；芾淼幕巨r(nóng)田保護區(qū)的灌區(qū)進行排灌設(shè)施改造、土地平整、機耕道路橋梁建設(shè)、泵站引水河整治、灌區(qū)自動化控制等高水平農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，對暫不能進行高水平水利設(shè)施建設(shè)的灌區(qū)進行系統(tǒng)改造。并出臺一些了措施確保規(guī)劃科學(xué)有效、建設(shè)程序規(guī)范、資金使用到位。

2 工程現(xiàn)狀及預(yù)期目標(biāo)

2.1 工程現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我區(qū)使用的灌溉設(shè)施始建于上世紀(jì)六、七十年代，包括泵站、地下渠道、渡槽、倒虹吸等，主要針對水稻等糧食作物進行灌溉。這些設(shè)施在很長一段時間內(nèi)發(fā)揮了良好效益，滿足了作物需水要求。隨著時間的增長，一些設(shè)施老化嚴重，近年來雖有不少應(yīng)急維修工程，但由于各種原因，管道滲漏的現(xiàn)象難以得到徹底解決。近年來也有不少鎮(zhèn)實施了現(xiàn)代農(nóng)田水利項目，建設(shè)了噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉設(shè)施，主要針對蔬菜等經(jīng)濟作物，發(fā)揮了良好效益?，F(xiàn)階段我區(qū)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施存在這以下幾個方面的問題：

(1)隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，一些土地使用性質(zhì)、規(guī)劃功能發(fā)生變化。一大批基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，一些農(nóng)業(yè)園區(qū)、工業(yè)園區(qū)的開發(fā)，一些城鎮(zhèn)重新規(guī)劃建設(shè)，使得不少原來種植作物的土地使用性質(zhì)發(fā)生改變，隨之而來使得原來土地上的農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施報廢，而原來并不是農(nóng)業(yè)用地的土地成為了農(nóng)業(yè)用地，這樣使得原來的灌區(qū)規(guī)劃與現(xiàn)土地要求不相適應(yīng)。

(2)土地種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一些原來種植水稻的田塊現(xiàn)在種植了果樹、蔬菜等經(jīng)濟作物，一些稻田改變成了魚塘等發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，使得原來為水稻灌溉設(shè)計的灌溉系統(tǒng)不能滿足要求。

(3)由于缺乏管理，上世紀(jì)建設(shè)的一些排灌設(shè)施，上方建造了民房、道路等設(shè)施，使得這些地下排灌設(shè)施難以維修。近年來一些灌區(qū)雖進行了應(yīng)急維修等改造，但灌溉系統(tǒng)是一個整體工程，部分設(shè)施的維修難以解決整個系統(tǒng)的滲漏等問題。

(4)近年來我區(qū)農(nóng)業(yè)在經(jīng)濟作物生產(chǎn)方面取得了不小的成績，出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的合作社，生產(chǎn)方式也向這專業(yè)化、現(xiàn)代化、科學(xué)化的方向發(fā)展。但水稻等經(jīng)濟作物生產(chǎn)方式仍是以家庭等散戶方式為主，這種生產(chǎn)方式帶來的是種植結(jié)構(gòu)的隨意性以及水稻田塊的分散性。分散的田塊使得地下渠道長度延長，而隨意改變的種植結(jié)構(gòu)使得排灌設(shè)施難以得到良好的使用效益。

2.2 預(yù)期目標(biāo)

隨著城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展，越來越多的農(nóng)村勞動力將向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也將由傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式向規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式發(fā)展。根據(jù)2011年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全區(qū)糧食播種面積22081.6公頃，糧食總產(chǎn)量148599噸。蔬菜播種面積25185.3公頃，蔬菜總產(chǎn)量832818噸。未來我區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，未來的主要工作主要是大力促進農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，推進浦東農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)力水平現(xiàn)代化進程。農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)應(yīng)同農(nóng)業(yè)發(fā)展有機結(jié)合，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的方向來決定農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的方向。未來農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施主要向著科學(xué)化、節(jié)水化、自動化的方向發(fā)展。

3 經(jīng)濟作物農(nóng)田水利規(guī)劃

經(jīng)濟作物的灌溉方式主要以噴灌、滴灌、膜下灌等節(jié)水灌溉為主，這類灌溉方法的特點是灌溉時只濕潤作物周圍的土壤，遠離作物根部的土壤仍保持干燥。灌溉方式的選擇根據(jù)作物類型、地形、水源及土壤等因素，結(jié)合各種灌水方式的適應(yīng)條件及各種灌水方式的優(yōu)缺點選定。經(jīng)濟作物農(nóng)田水利規(guī)劃主要是進行灌溉方式的選擇以及灌溉設(shè)施的布置。

(1)噴灌：利用專門設(shè)備將有壓水送到灌溉低端，并噴射到空中散成細小的水滴，象天然降雨一樣進行灌溉。

(2)滴灌：利用一套塑料管道系統(tǒng)將水直接輸送到作物根部，水由每個滴頭直接滴在根部上的地表，然后滲入土壤并浸潤作物根系最發(fā)達的區(qū)域。

(3)膜下灌：一種特殊形式的滴灌，把滴灌毛管布置在地膜下面，可基本上避免地面無效蒸發(fā)。

(4)滲灌：利用修筑在地下的專門設(shè)施將灌溉水引入田間耕作層借毛細管作用自下而上濕潤土壤進行灌溉。

(5)微噴灌：又稱微型噴灌或者微噴灌溉，用很小的噴頭將水噴灑在土壤表面，較噴灌流量大一些，不易堵塞。

3.1 規(guī)劃原則

我區(qū)主要糧食作物是水稻，主要灌溉方式為地面灌溉，即由取水設(shè)施(泵站)從河道取地表水，通過輸配水系統(tǒng)(地下管道、渡槽及倒虹吸)進入田間，水從地表面借重力和毛細管作用浸潤土壤。灌區(qū)規(guī)劃的主要任務(wù)是根據(jù)灌溉田地、作物情況、氣候條件、土壤條件等確定灌溉面積、灌溉水量等。

3.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.2.1 水稻需水量研究

水稻消耗水分的途徑主要有植株蒸騰、田間蒸發(fā)和深層滲漏，其中植株蒸騰和田間蒸發(fā)合稱為騰發(fā)，消耗的水量稱為騰發(fā)量，又稱為水稻需水量。水稻需水量的計算方法主要有兩類：一是根據(jù)經(jīng)驗公式直接計算，二是根據(jù)參照作物需水量計算實際需水量。在參照作物需水量計算方面，近30年來，基于能量平衡和微氣候?qū)W方法的Penman-Monteith方程被認為是估算作物騰發(fā)量最具信賴和可用性的模型之一。其基本思想是：將作物蒸騰蒸發(fā)看作是能量消耗的過程，通過能量平衡計算出蒸騰蒸發(fā)所消耗的能量，然后再將能量折算為水量，即作物需水量[1]。

3.2.2 灌區(qū)水文模型研究

近年來，一些水文模型也被運用到灌區(qū)水量研究中。崔遠來等運用土壤-水分-大氣-作物系統(tǒng)模型(SWAP)對不同灌溉制度下灌水水平、土壤水勢等試驗資料對模擬早稻灌溉制度及作物生長適應(yīng)性進行了驗證[2]。王建鵬等[3]則對SWAP模型進行了進一步改進，更合理地定量描述和研究分析南方丘陵水稻灌區(qū)水量及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，為灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化和節(jié)水潛力分析研究提供了有效手段。周玉桃等[4]借助SLURP模型模擬研究灌溉系統(tǒng)的水分循環(huán)以及水量平衡要素的變化規(guī)律，模擬不同地質(zhì)、土壤、植被以及不同管理措施下的灌區(qū)水分循環(huán)。

3.2.3 非充分灌溉研究

近年來中國的灌溉實踐表明，作物本身具有生理節(jié)水和抗旱能力，適當(dāng)進行水分虧缺調(diào)控對于促進群體的高產(chǎn)更為有效。已有試驗資料表明，減少株間蒸發(fā)不會影響作物產(chǎn)量，一定條件下，適當(dāng)減少植株蒸騰量也不會導(dǎo)致減產(chǎn)。相反作物在某些生育階段水分虧缺，對作物生長發(fā)育與高產(chǎn)反而有利[5]。

3.3 規(guī)劃實施要點

3.3.1 作物需水量及灌溉制度擬定

本區(qū)作物需水量主要根據(jù)本市相關(guān)灌溉試驗站試驗成果確定，得到作物各生育期需水量后，按照水量平衡原理分析制定水稻的灌溉制度。泡田期的灌溉用水量可用下式確定。

式中M1為泡田期灌溉用水量，h0為插秧時田面所需的水層深度， S1為泡田期滲漏量，即開始泡田到插秧期間的總滲漏量， t1為泡田期的天數(shù)， e1為 t1時期水田田面平均蒸發(fā)強度，可用水面蒸發(fā)強度代替，1P為 t1時期內(nèi)的降雨量。

水稻生育期中任何一個時段內(nèi)農(nóng)田水分的變化用水量平衡方程表示。

式中 h1為時段初田面水層深度， h2為時段末田面水層深度，P為時段內(nèi)降雨量，d為時段內(nèi)排水量，m為時段內(nèi)的灌水量，WC為時段內(nèi)田間耗水量。如果時段初的農(nóng)田水分處于適宜水層上限(hmax)經(jīng)過一個時段的消耗田面水層降到適宜水層的下限(hmin)，這時如果沒有降雨，則需要進行灌溉，灌水定額為

灌溉制度設(shè)計中的降雨量采用灌溉典型年的降雨量，即根據(jù)歷年降雨資料用頻率方法進行統(tǒng)計分析，確定幾種干旱程度的典型年份，如中等年、中等干旱年以及干旱年等，以這些年的降雨量作為設(shè)計灌溉制度和灌溉用水量的依據(jù)。

3.3.2 灌水模數(shù)確定

對于某一次灌水需供水到田間的凈灌溉用水量為

式中m為某次灌水的灌水定額(由灌溉制定確定)，A為灌溉面積。由凈灌溉用水量和灌溉水利用系數(shù)得到毛灌溉用水量。

得到每次灌溉定額以及毛灌溉用水量后，結(jié)合每次灌水延續(xù)時間得到每次灌水的灌水率和渠系引水流量。根據(jù)每次灌水的灌水率繪制初步灌水率圖，對該圖進行修正后得到修正后的灌水率圖，得到渠系設(shè)計引水流量Q。

3.3.3 地下管道管徑計算

得到設(shè)計引水流量后，接下來需要確定管道的管徑。管道管徑的選擇一般是先根據(jù)各自不同管材的適宜流速及經(jīng)驗選定，然后校核水頭損失是否合理。

3.3.4 渠系布置及泵站位置選定

地下渠道系統(tǒng)的布設(shè)應(yīng)結(jié)合水源、道路、需灌溉農(nóng)田等因素綜合考慮，輸水管網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)力求管線總長度最短，控制面積最大，管路平順，無過多彎轉(zhuǎn)和起伏。泵站位置選定應(yīng)結(jié)合規(guī)劃河道，主要是鎮(zhèn)管河道考慮。泵站位置選址應(yīng)該盡量布置在灌區(qū)中部，這樣渠系水頭損失較小，灌水時間也較短。

3.3.5 水泵揚程確定

管道水頭損失包括沿程水頭損失及局部水頭損失，分別按以下公式計算：

沿程水頭損失計算：

式中hf為沿程水頭損失，f為摩擦系數(shù)，L為管道長度，Q為流量，d為管道內(nèi)徑，m為流量系數(shù)，b為管徑指數(shù)，管材的f、m及b數(shù)值按規(guī)范中的相關(guān)表格確定。

局部水頭損失計算：

式中 hj為局部水頭損失， ξ為局部阻力系數(shù)，υ為管道內(nèi)水流的流速， g為重力加速度。

管道內(nèi)總的水頭損失等于沿程水頭損失加上局部水頭損失的迭加，即

水泵揚程根據(jù)首部設(shè)計工作壓力確定，首先在灌區(qū)內(nèi)選擇幾個能代表灌區(qū)的典型點，然后計算各自工作壓力，取最大或者次最大者為設(shè)計工作壓力。

式中H0為灌水器工作水頭，∑hf為首部到典型點之間管路沿程水頭損失之和，∑hj為首部到典型點之間管路局部水頭損失之和，△為典型點高程與水源水面的高差。

4 結(jié)論

(1)隨著城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)將向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)需配合這種趨勢，向著更加節(jié)水、綠色環(huán)保、高效科學(xué)的方向發(fā)展；

(2)經(jīng)濟作物的灌溉方式主要采用噴灌、滴灌、滲灌、膜下灌等方式，灌區(qū)規(guī)劃以單個生產(chǎn)組織(比如一個合作社)開展，灌溉方式根據(jù)類型、地形、水源及土壤等因素選定；

(3)糧食作物的灌區(qū)規(guī)劃應(yīng)該以高效節(jié)水為目的開展，在灌區(qū)劃分上應(yīng)考慮節(jié)水、節(jié)能，方便管理；

(4)工程建設(shè)方面應(yīng)嚴格按照建設(shè)程序開展，嚴格實行項目法人責(zé)任制、招標(biāo)投標(biāo)制、建設(shè)監(jiān)理制，規(guī)范工程施工，確保工程質(zhì)量；

(5)建成后應(yīng)加強田間管理，注重日常維護保養(yǎng)，確保工程高效運轉(zhuǎn)。

[1]丁加麗,彭世彰,徐俊增,魏征.基于Penman-Monteith方程的節(jié)水灌溉稻田蒸散量模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(4):31～35.

[2]代俊峰,崔遠來.SWAP模型及其在灌區(qū)管理中的應(yīng)用前景[J].中國農(nóng)村水利水電,2006,6:34～39.

[3]王建鵬,崔遠來.水稻灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化模型及其模擬效率分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(1):22～28.

[4]周玉桃,崔遠來,謝先紅,代俊峰.SLURP模型及其在灌區(qū)水管理應(yīng)用中的研究進展[J].中國農(nóng)村水利水電,2008,8:84～88

[5]彭世彰,朱成立.節(jié)水灌溉的作物需水量試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報,2003,22(2):21～25.