高效節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計要點解析

胡賢群+楊操靜

摘 要 農(nóng)業(yè)是用水是我國用水大戶，農(nóng)業(yè)節(jié)水至關(guān)重要，實施高效節(jié)水灌溉是建設(shè)節(jié)水型社會、緩解水資源供需矛盾有效途徑。高效節(jié)水灌溉具有節(jié)約水土資源、降低人力成本等諸多優(yōu)點，但由于畝均投資較高，大范圍推廣高效節(jié)水灌溉項目資金困難較大。只有降低畝均工程投資，高效節(jié)水灌溉項目才能得到更好的推廣。

關(guān)鍵詞 高效節(jié)水；灌溉工程；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：S275 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.36.047

水是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性資源，水資源的可持續(xù)利用是實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。我國人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，生活和工業(yè)用水量持續(xù)增長，水資源短缺逐漸成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。由于可開發(fā)的水源點越來越少，代價越來越大，要保障供水安全，必須加大節(jié)水步伐。根據(jù)統(tǒng)計，各行業(yè)用水中，農(nóng)業(yè)用水占我國用水量的60%以上，部分地區(qū)甚至可達(dá)80%以上[1]。目前，我國大部分農(nóng)業(yè)灌溉還是采取渠灌和大田漫灌等低效灌溉方式，滴管、噴灌等高效節(jié)水灌溉發(fā)展滯后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家。高效節(jié)水灌溉能夠有效節(jié)約30%～50%的農(nóng)業(yè)灌溉用水，節(jié)水效果明顯，且具有節(jié)肥、節(jié)地、節(jié)工、增產(chǎn)之效，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源集約利用的有效途徑。節(jié)約農(nóng)業(yè)用水是節(jié)約用水的重點，推行高效節(jié)水灌溉是節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的有效途徑，也是建設(shè)節(jié)水型社會的必經(jīng)之路。

高效節(jié)水灌溉是對除溝渠輸水和地表漫灌外所有輸、灌水方式的統(tǒng)稱，主要由微灌、噴灌和低壓管道灌，其中微灌有可分為滴灌、微噴灌、小管出流灌等。與常規(guī)灌溉相比，高效節(jié)水灌溉具有省水、省工、節(jié)約土地資源、適應(yīng)地形變化能力強、提高農(nóng)作物品質(zhì)等諸多優(yōu)點[2]。目前從中央到地方各級政府都積極推廣高效節(jié)水灌溉工程，以保障水資源的可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。但相比常規(guī)灌溉，高效節(jié)水對于灌溉系統(tǒng)要求相對較多，設(shè)備的前期投入及后期更新維護(hù)要求更高，隨之帶來高效節(jié)水灌溉投資成本較高，較高的資金投入在一定程度上制約了高效節(jié)水灌溉工程的推廣。從云南省近期實施的高效節(jié)水灌溉工程來看，每667 m2均投資一般達(dá)到3 500元左右。因此，優(yōu)化高效節(jié)水灌溉工程設(shè)計，降低工程投資是高效節(jié)水工程推廣的關(guān)鍵因素之一。

1 高效節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計要點

灌溉工程的“高效節(jié)水”主要體現(xiàn)在輸水工程節(jié)水和田間工程節(jié)水。其中，輸水工程節(jié)水主要通過控制輸水環(huán)節(jié)的蒸發(fā)滲漏以減少水量損失，多以各級管材來實現(xiàn)；田間工程節(jié)水主要通過減少灌溉過程中的無效濕潤范圍和深層滲漏以達(dá)到節(jié)水目的，主要通過管材和灌水器來實現(xiàn)。根據(jù)目前已實施的工程來看，高效節(jié)水工程投資中管道投資占比最大，優(yōu)化各級管道布置、減小各級管道輸水流量是降低工程投資最直接的途徑，而管道規(guī)模的優(yōu)化又體現(xiàn)在規(guī)劃設(shè)計中對系統(tǒng)工作制度、設(shè)計流量和管材的優(yōu)化上[3]。

1.1 制定合理的輪灌工作制度

對于高效節(jié)水灌溉，要想節(jié)省投資的成本，需要輪灌分組，輪灌組數(shù)據(jù)可根據(jù)公式（1）計算：

N≤CT/t（1）

式中，N為輪灌組數(shù)；C指的是運行時間，通常處于12～21 h，運行的時間不能過長，不能超過22 h；T指的是灌水周期，一般處于5～16 d；t表示每一次灌水的延續(xù)時間。

對輪灌組進(jìn)行劃分時，設(shè)計要合理，不能過于復(fù)雜，否則會增加額外的成本，不利于發(fā)揮出節(jié)水灌溉工程效益。開展輪灌時，要保證每次的灌溉周期內(nèi)，對作物灌溉一次。輪灌分組時，應(yīng)結(jié)合灌區(qū)分布，以及灌區(qū)內(nèi)田間道路、河流水系、其他建筑物的分布均勻劃分輪灌區(qū)，使每個輪灌系統(tǒng)的灌溉面積盡可能的相等，這樣有助于選擇更合理的管徑，提高管道利用率，從而節(jié)省工程投資。

1.2 優(yōu)化管道設(shè)計流量

在高效節(jié)水灌溉的過程中，對于管道灌溉系統(tǒng)，對實際流量進(jìn)行設(shè)計時，計算公式如下：

式（2）中，Q0為管灌系統(tǒng)的設(shè)計流量，單位為m3/h；ai為灌水高峰期第i種作物種植比例；mi為灌水高峰期第i種作物的凈灌水定額，單位為m3/hm2；Ti為灌水高峰期第i種作物一次灌水延續(xù)時間，單位為d；A為設(shè)計灌溉面積，單位為hm2；t為系統(tǒng)工作小時數(shù)，單位為h；δ為灌溉水利用系數(shù)；e為灌水高峰期同時灌水的作物種數(shù)。灌溉工作過程中，上級管道的流量為下級管道中同時工作的管道流量之和。

在這個計算公式中，重點是T與t取值的合理性。在選值時，管道灌溉系統(tǒng)在管道輸水至田間后配合出水口、給水栓進(jìn)行灌溉，系統(tǒng)工作時間t取值與灌溉方式有直接關(guān)系，人工灌溉時間一般小于8 h/d，自動灌溉一般小于22 h/d；由于考慮了輪灌，因此必須保證在灌溉周期內(nèi)灌區(qū)內(nèi)所有作物均需完成一次灌溉，在系統(tǒng)工作20～22 h/d的情況下，1 d之內(nèi)輪灌次數(shù)與一次灌水延續(xù)時間之積應(yīng)小于等于系統(tǒng)工作時間。

1.3 合理選擇輸水管材

管道投資占是規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉工程總投資的比重較大，為了實現(xiàn)節(jié)水灌溉的優(yōu)化設(shè)計，不僅要完善工作制度、流量，還要選擇合適的管材，以減少后期運行維護(hù)成本。目前，市面上管道種類繁多，價格差異較大，因此選擇合適的管材對于節(jié)約投資尤為重要。

目前國內(nèi)的節(jié)水灌溉工程輸水壓力管主要有玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、無縫管、鍍鋅鋼管、聚氯乙烯管（PE）、硬聚乙烯管（UPVC）等，每種管材有著不同的優(yōu)缺點。從整體上而言，鋼管（含玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、無縫鋼管、鍍鋅鋼管等）的承載能力較強，不易損壞；缺點是價格昂貴、水損大且易銹蝕。在高效節(jié)水灌溉工程中，鋼管多用于主干管中。聚氯乙烯管（PE）優(yōu)點是強度高、抗腐蝕性強，連接方便，被廣泛用于給排水領(lǐng)域；硬聚乙烯管（UPVC）優(yōu)點是質(zhì)輕、耐腐蝕，方便施工和安裝方便，但柔韌性相對較差，大管徑的造價相對較高。高效節(jié)水灌溉工程管道一般需埋設(shè)于地下，以減少人為破壞的可能性，還能節(jié)約土地資源，因此在低級管道的管材選擇上可選用PE管、UPVC管等。endprint

2 工程實例

以云南省中部某灌區(qū)的高效節(jié)水灌溉項目為例，該灌區(qū)面積為1 680 hm2，地形較為平整，灌區(qū)內(nèi)主要種植作物為葡萄，水源工程為一中型水庫。

經(jīng)灌溉方式比選，采用滴灌的方式進(jìn)行灌溉。根據(jù)葡萄灌溉制度的計算，作物最大凈灌溉定額為27.4 mm；最大灌水周期為8 d，一次灌水延續(xù)時間為7 h，日最大運行時間為22 h，最大輪灌組數(shù)為25組，方案設(shè)計中取24組。

根據(jù)灌區(qū)的邊界、地形條件、河流、高程、渠系、居民點、公路、鐵路以及城鎮(zhèn)化用地布局等因素，將灌區(qū)的1680 hm2耕地劃分為24個面積基本相等小灌溉系統(tǒng)，各系統(tǒng)灌溉面積分布為5.58～7.27 hm2，各系統(tǒng)設(shè)計流量為35.14～45.77 m3/h。按照每天運行3個系統(tǒng)進(jìn)行輪灌，8 d內(nèi)每個系統(tǒng)均可完成一次灌水。

根據(jù)灌區(qū)及水源點相對位置，本工程干管布置分為2級，主干管和分干管，每個灌水系統(tǒng)中布置支管，支管下接給水栓。經(jīng)管材比選和管道水力計算，各級管道中主干管和分干管采用玻璃鋼管，其余管道采用U-PVC管；主干管管徑為DN800，分干管管徑為DN500～DN700；其余管徑為DN120～DN500。

根據(jù)2016年一季度價格水平估算，本工程總投資6 898.5萬元，其中各級管道投資為4 433.96萬元，占總投資的64.2%。項目每667 m2均投資2 737.5萬元，低于云南省平均水平，除本灌區(qū)土地相對集中且地形較為平整外，系統(tǒng)工作制度、時間流量及管道優(yōu)的化設(shè)計是其投資較低的主要因素。

3 結(jié)語

我國人均水資源較為匱乏，農(nóng)業(yè)是用水大戶，推廣高效節(jié)水灌溉是緩解我國水資源緊缺的重要途徑，也是建立節(jié)水型社會的必由之路。目前全國各地都在積極推廣高效節(jié)水灌溉，但由于每667 m2均投資較高，大范圍推廣存在資金困難的問題。因此在高效節(jié)水灌溉工程設(shè)計中，要在項目技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，不斷優(yōu)化系統(tǒng)的工作制度、設(shè)計流量、管徑管材等，以降低工程投資。只有經(jīng)濟(jì)合理，高效節(jié)水才能廣泛推廣，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約水資源、提高灌溉的效率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]季春根.高效節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計要點分析[J].廣東科技，2014（18）：110-111.

[2]李文斌.淺談高效節(jié)水灌溉工程優(yōu)化設(shè)計要點分析[J].文摘版：工程技術(shù)，2015（6）：98.

[3]周翠清.淺談高效節(jié)水灌溉工程設(shè)計優(yōu)化及要點[J].大科技，2014（2）：138-139.

（責(zé)任編輯：趙中正）endprint