關(guān)于節(jié)水灌溉的優(yōu)化途徑分析

□袁 偉（新疆伊犁州水利電力勘測設(shè)計研究院）

1 農(nóng)業(yè)節(jié)水的必要性分析

上個世紀初期，全球的年耗水量約為600 km3，到上個世紀末期，增長至5500 km3。在最近數(shù)十年間，隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，用水的增長速度達到了人口增長速度的3倍。現(xiàn)階段，有80多個國家占世界人口總數(shù)40%左右的人口缺水，這其中有26個國家嚴重缺水。因為缺水，全球有將近20%左右的草場退化，漁業(yè)的產(chǎn)量下降了8%左右，大量的耕地也開始出現(xiàn)退化現(xiàn)象，上述種種，對人類的生存構(gòu)成了嚴重威脅。

相關(guān)資料顯示，我國的水資源總儲量約為28124億m3，基本與美國等發(fā)達國家持平，位居世界前列。然而，因我國的人口數(shù)量較多，致使人均水資源的占有量僅為2200 m3，約為世界平均水平的25%左右，排在100位以后，耕地面積水資源的占有量約為世界平均水平的4/5，屬于典型的貧水國家。目前，國內(nèi)約有40%以上的國土面積缺水，10%國土面積上的水資源僅能維持人類生存的基本用水需要，農(nóng)村有將近2500萬人飲水困難，全國年缺水量約為400億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水為300億m3，平均每年農(nóng)業(yè)因干旱缺水導(dǎo)致糧食減產(chǎn)200多億kg；城市與工業(yè)缺水約為60億m3左右，每年因缺水導(dǎo)致的工業(yè)生產(chǎn)損失有將近2300億元。國內(nèi)668座城市當(dāng)中，有將近400座屬于缺水城市，其中100余座為嚴重缺水城市。因為水資源的缺乏，導(dǎo)致了河水?dāng)嗔?、湖泊干涸、土地沙漠化。以黃河為例，它是我國西北和華北地區(qū)重要的水源，承載著1.60億hm2耕地和1.40億人口的供水任務(wù)，黃河下游的斷流現(xiàn)象在過去數(shù)十年內(nèi)頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致這一問題的原因既有自然因素，也包含人為因素，其中農(nóng)業(yè)灌溉的用水量就占了90%以上。我國是農(nóng)業(yè)大國，該產(chǎn)業(yè)也是最大的水資源用戶，其用水量約占總用水量的70%以上，不僅如此，農(nóng)業(yè)的水資源浪費也比較嚴重。為此，改變農(nóng)業(yè)用水觀念，創(chuàng)新用水方式，發(fā)展節(jié)水灌溉，已成為我國農(nóng)業(yè)的必由之路。

2 節(jié)水灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計途徑

2.1 系統(tǒng)規(guī)劃

2.1.1 規(guī)劃原則

節(jié)水灌溉工程建設(shè)要結(jié)合農(nóng)田基本建設(shè)規(guī)劃的內(nèi)容，綜合考慮和利用灌區(qū)內(nèi)溝、渠、路、輸電線路、水源位置等因素；節(jié)水灌溉工程要結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟狀況，使工程規(guī)劃能夠滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)近期需要和長遠發(fā)展，量力而行。

2.1.2 規(guī)劃內(nèi)容

主要包括工程環(huán)境勘察、基本資料收集、工程可行性研究、工程規(guī)模確定、工程預(yù)算編制、灌溉方式選擇、灌溉工程布置等內(nèi)容。

2.1.3 資料收集

①地形資料：包括工程所在地的海拔高度、自然地理特征，以及工程覆蓋區(qū)域周圍水源、道路、供電等情況；②地質(zhì)資料：包括工程所在地的土壤類別和容重、土壤pH值、耕作層厚度、田間持水量等資料；③水文和氣象資料：包括降水量、蒸發(fā)量、空氣濕度、平均氣溫、日照時間、風(fēng)速風(fēng)向等；④農(nóng)作物資料：包括灌溉區(qū)域內(nèi)的種植面積、作物種類、種植方式、作物株行距、作物耗水量等；⑤水源情況。包括河流、機井、水庫等灌區(qū)周圍水源情況，若將其選定為灌溉水源，則必須掌握水源的保障能力，查看其是否有斷流情況。

2.2灌溉工程參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 微灌耗水強度及補充強度設(shè)計

通常情況下，微灌只對部分土壤的表面的進行潤濕，其與地面灌溉和噴灌相比，農(nóng)業(yè)作業(yè)的耗水量主要用于本身的蒸騰過程耗費的水量，地面蒸發(fā)的損失量相對較小，具體可通過下式進行計算：

上式中，Ea代表灌溉農(nóng)業(yè)作物的實際耗水強度（單位：mm/d）；Kr代表農(nóng)業(yè)作業(yè)遮陰率對耗水量的修正系數(shù)（一般可取1）；Ec代表農(nóng)業(yè)作業(yè)的需水量（單位：mm/d）。

所謂的設(shè)計耗水強度具體是指在設(shè)計條件下，微灌農(nóng)業(yè)作業(yè)的耗水強度，通?？梢匀≡O(shè)計年灌溉季節(jié)月平均耗水強度的峰值作，當(dāng)沒有相關(guān)資料參考時，可依據(jù)表1中給出的內(nèi)容進行選擇，需要注意的是，選取后應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐那闆r進行具體論證。

表1 設(shè)計耗水強度建議值表（單位：mm/d）

補充強度則是指在設(shè)計條件下的灌溉補充強度，其主要取決于以下條件：設(shè)計耗水強度、灌溉保證率、降雨量以及土壤鹽分等[4]。通常可按下式進行計算：

上式中，Ia代表補充強度（單位：mm/d）；Ic代表設(shè)計耗水強度。若是有其它來源對農(nóng)業(yè)作物的耗水量進行補充時，如自然降雨、土壤本身的含水量、地下水補給等，則灌溉過程只需要補充農(nóng)業(yè)作業(yè)耗水強度不足的部分。補充強度的設(shè)計是確定灌溉系統(tǒng)最大輸水能力的重要依據(jù)之一，相關(guān)研究結(jié)果表明，補充強度越大，灌溉系統(tǒng)的輸水能力就越大，其保證程度就越高，整個系統(tǒng)的前期投資也就越大。故此在設(shè)計補充強度時，既要充分考慮農(nóng)業(yè)作業(yè)對水的實際需求，同時還要確保經(jīng)濟上合理可行。

2.2.2 土壤濕潤比

所謂的土壤濕潤比具體是指灌溉過程中被濕潤的土體所占計劃濕潤總土體的百分比。在實際應(yīng)用中，一般以地面以下20～30 cm處的濕潤面積占總灌溉水面積的百分比表示，它的作用是計算灌溉定額。目前，各種農(nóng)作物與土壤之間的適宜潤濕比并沒有一個明確的定論，研究結(jié)果表明，設(shè)計濕潤比越大，灌溉系統(tǒng)的流量就越大，越容易滿足農(nóng)作物的用水需求，灌溉的保證程度越高。但是系統(tǒng)的投資和能耗也就越大，故此，在土壤濕潤比的設(shè)計中，要充分考慮農(nóng)作物對水的需要，同時還應(yīng)當(dāng)考慮工程的合理性。具體可按表2的內(nèi)容進行參選。

表2 土壤濕潤比建議取值范圍表（單位：mm/d）

2.2.3 灌水均勻度

節(jié)水灌溉要保證灌水達到一定的均勻性，才能提高灌水質(zhì)量和灌溉水的利用效率。影響灌水均勻度的因素主要包括灌水器工作壓力、堵塞情況、水溫變化、地形變化等方面。在實際工程中，一般將流量偏差作為灌水均勻度控制的主要手段。灌溉系統(tǒng)由多個灌水單位組成，每個灌水單位下分多個支管和毛管，而每個毛管上又有少則幾十、多則上百個灌水器或滴頭，并且這些灌水器受水流流動產(chǎn)生的作用力影響，其出流量也會各有不同。在地形坡度為零的條件下，距離支管進口最近的第1條毛管的第1個灌水器，其工作水頭最大；距離支管進口最遠的毛管的最末灌水器，其工作水頭最小。所以，灌水均勻度可通過限制灌水單元中灌水器的最大流量差進行有效控制。

2.3 系統(tǒng)布置

2.3.1 毛管與灌水器

①對于密植果樹或窄行密植作物滴灌而言，沿著作物行向布置毛管，毛管上安裝滴頭，每行作物或幾行作物布置一條毛管；②對于成齡果樹滴灌而言，沿著一行成齡果樹布置一條輸水毛管，并在每棵果樹周圍安裝一條環(huán)狀灌水管；③對于大行距高大作物滴灌而言，采用雙行毛管平行布置，在每行樹的兩側(cè)布置兩條毛管；④對于果樹和盆栽作物滴灌而言，沿著一行作物布置一條毛管，并在每條毛管上接入若干個分水微管。上述布置方式均要求毛管與作物行向平行布置，若作物采用的是等高種植方式，那么毛管還要沿著等高線進行布置。

2.3.2 干支管的布設(shè)

根據(jù)地形、水源、作物分布情況以及毛管布置方式，遵循方便管理、降低工程費用的原則，合理布置干管、支管。在山丘地區(qū)，干管應(yīng)沿著等高線或山脊進行布置，支管要垂直于等高線進行布置，使其滿足向兩邊毛管配水的要求；在平地上，干管可布置在支管中部，支管可布置在毛管中部，采取豐字形布置方式，以節(jié)省管材。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著社會的不斷進步，經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人口的大幅度增多，使得耗水量的增長呈直線上升趨勢，水資源的浪費與污染也隨之加劇。為了進一步推動我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展，必須對節(jié)水灌溉進行優(yōu)化調(diào)整，在節(jié)約用水量的同時，降低灌溉能耗，以此來實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的目的。

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