宿遷市河網(wǎng)圩區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜規(guī)模研究

龔懿婧，余小鵬，房 凱，周明耀

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.宿遷市水務(wù)勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 宿遷 223800)

目前農(nóng)田管道輸水灌溉技術(shù)已成為江蘇省農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展的重點(diǎn)，在推廣應(yīng)用該技術(shù)的過程中，如何確定管道灌溉系統(tǒng)適宜控制規(guī)模成為亟待解決的問題。以往對(duì)于管道灌溉的研究主要集中在灌溉技術(shù)參數(shù)、管網(wǎng)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)管徑方面，而管道輸水灌溉系統(tǒng)控制規(guī)模的優(yōu)化研究成果較少，尤其是針對(duì)河網(wǎng)圩區(qū)未見到研究成果[1-2]。有研究以灌區(qū)投資、年凈現(xiàn)值為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用遺傳算法，對(duì)管徑等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出管道輸水灌溉系統(tǒng)的最優(yōu)規(guī)模確定理論和方法[3]，但其結(jié)果對(duì)于不同地區(qū)發(fā)展管道輸水灌溉技術(shù)不具有普遍的指導(dǎo)意義。管道系統(tǒng)的適宜控制規(guī)模研究，需要通過分析影響系統(tǒng)控制規(guī)模的因素，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和工程投資、能耗、維修及管理費(fèi)用等尋求管道輸水灌溉系統(tǒng)的適宜控制面積[4-5]。不同地區(qū)、不同作物條件下的管道灌溉適宜規(guī)模存在差異，本文以江蘇省宿遷市作為研究對(duì)象，針對(duì)其河網(wǎng)圩區(qū)發(fā)展農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行研究。

宿遷市境內(nèi)分布于洪澤湖、駱馬湖周邊和新沂河沿岸的低洼圩區(qū)，地勢平坦、水網(wǎng)密布、水源充沛，汛期地面高程通常低于河湖正常水位線以下，不具備自排和自流灌溉的條件。目前宿遷市圩區(qū)面積約有2 589 km2，圩區(qū)內(nèi)多采用小型泵站提水灌溉，灌溉系統(tǒng)分布零散，灌溉單元規(guī)模較小，小則幾百畝，大則幾千畝，一般都在萬畝以下。農(nóng)田管道輸水灌溉工程技術(shù)以其節(jié)水、省地、增效、保持水土、方便生產(chǎn)組織、減少工程投入等效果[6]，在小型提水灌區(qū)開始得到推廣應(yīng)用。

長期以來宿遷地區(qū)作為江蘇省主要的商品糧生產(chǎn)基地，多以稻麥輪作的種植模式為主。近年來，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高農(nóng)民的收入水平，當(dāng)?shù)貙?shí)行了水稻和蔬菜輪作的種植制度，既保證糧食生產(chǎn)，又增加了農(nóng)民收入，廣受農(nóng)戶歡迎。本文綜合考慮水稻灌溉水量大、蔬菜灌水頻繁灌水量小的特點(diǎn)，提出適用于河網(wǎng)圩區(qū)不同輪作制度下的農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜布置模式、適宜的建設(shè)規(guī)模和建設(shè)定額標(biāo)準(zhǔn)，為該地區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉工程建設(shè)的規(guī)劃和管理提供技術(shù)支持。

1 農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜布置模式

不同輪作制度下的農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜布置模式應(yīng)綜合考慮水源、作物、田塊規(guī)格、灌溉排水等因素確定。宿遷市河網(wǎng)圩區(qū)稻麥輪作制度下，水稻格田長度一般為100 m～200 m，寬度為40 m～50 m；水稻蔬菜輪作制度下，格田長度約為50 m，寬度約為30 m。圩區(qū)地勢低洼、且地下水位較高，應(yīng)注重排澇降漬，適當(dāng)增加控制地下水位排水溝的深度。

農(nóng)田管道輸水灌溉工程采用封閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)由多級(jí)管道組成，管道工作制度采用輪灌方式。稻麥輪作制度下，為減少管道系統(tǒng)投資，直接從輸水支管上的給水栓放水入田，不再另外布置配水管；對(duì)于兼顧糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的地區(qū)，采用水稻和露地(塑料大棚)蔬菜輪作的方式，水稻灌溉期通過輸水支管上的給水栓直接灌水入田，蔬菜生長期則在給水栓處連接移動(dòng)軟管進(jìn)行澆灌[7]，或連接裝有滴灌帶的配水管進(jìn)行滴灌，該情況的提水灌溉泵站工程需設(shè)置直連管道和具有過濾、施肥及調(diào)控壓力的兩套首部系統(tǒng)[8]。

1.1 稻麥輪作區(qū)適宜布置模式

結(jié)合宿遷市圩區(qū)的地形、地下水位埋深條件，水稻與小麥輪作區(qū)采用單向灌排、溝-路-管的布置模式，管道埋于地下，便于農(nóng)機(jī)下田和溝道排水。斗溝間距100 m左右，農(nóng)溝間距40 m左右，機(jī)耕道間距約100 m，輸水支管沿機(jī)耕道布置，農(nóng)機(jī)由機(jī)耕路直接下田，支管間距100 m左右，支管上每40 m設(shè)置1個(gè)給水栓，灌溉水由給水栓直接流入格田進(jìn)行灌溉。泵站為灌排兩用，布置在中溝和外河交匯處，兼顧提水灌溉和排澇兩個(gè)作用。稻麥輪作區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜布置模式見圖1。

圖1圩區(qū)稻麥輪作區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜布置模式

1.2 稻蔬輪作區(qū)適宜布置模式

水稻與蔬菜輪作區(qū)生產(chǎn)單元較小，可采用雙向灌排的布置形式，滿足田間配水的灌溉均勻度要求，減少管道的鋪設(shè)長度，降低系統(tǒng)投資。水稻格田規(guī)格50 m×30 m，種植蔬菜時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)大棚規(guī)格50 m×6 m作為每壟田塊的尺寸，每個(gè)大棚之間布置淺明溝排地表水；4個(gè)大棚一組，每組寬約30 m，組間設(shè)置控制地下水位的排水明溝。排水斗溝與灌溉輸水支管相間布置，斗溝間距100 m左右。灌溉輸水支管沿機(jī)耕道布置，農(nóng)機(jī)由機(jī)耕路直接進(jìn)田，支管間距100 m左右，支管上每30 m設(shè)置一個(gè)給水栓，位于每組大棚中間位置處，直接灌溉水田或接移動(dòng)軟管澆灌蔬菜。泵站為灌排兩用，布置在中溝和外河交匯處，兼顧提水灌溉和排澇兩個(gè)作用。水稻與蔬菜輪作區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜的布置模式見圖2。

如前所述，宿遷市圩區(qū)雨水較多、地下水位埋深淺，蔬菜生產(chǎn)區(qū)對(duì)于土壤水分調(diào)控要求較高，在排水比較困難的地區(qū)可以采用農(nóng)田塑料暗管排水技術(shù)，明溝排撈、暗管降漬，明暗結(jié)合，為蔬菜生產(chǎn)提供適宜的農(nóng)田土壤水分狀況。

圖2圩區(qū)稻蔬輪作區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜布置模式

2 農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜建設(shè)規(guī)模與定額標(biāo)準(zhǔn)

研究農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)的適宜建設(shè)規(guī)模和定額標(biāo)準(zhǔn)，需要通過投資概算、效益分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)來確定。

2.1 工程投資與運(yùn)行費(fèi)用函數(shù)

首先根據(jù)提出的農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜布置模式進(jìn)行水力計(jì)算，給出不同控制面積下的設(shè)計(jì)流量、管道設(shè)計(jì)、水泵選型等，本文研究過程中管徑的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速法進(jìn)行計(jì)算，水泵選型參考當(dāng)?shù)爻Ｓ帽眯瓦M(jìn)行選取。然后進(jìn)行工程的投資計(jì)算和工程年運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算。在計(jì)算投資時(shí)，農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)的工程投資主要分為兩大部分，即水源工程投資(泵站投資)、管網(wǎng)工程投資。水源工程(泵站)投資主要和水泵流量、揚(yáng)程有關(guān)，函數(shù)公式為：

(1)

式中：C1為泵站投資，元；Kp為泵站投資參數(shù)，元/kW；Wp為泵站裝機(jī)容量，kW；γ為水重度，N/m3；Q為水泵設(shè)計(jì)流量，m3/s；H為水泵揚(yáng)程，m；η裝為水泵機(jī)電效率。

灌溉管網(wǎng)工程投資可分為輸水管道、配水管道、附件(閥門、給水栓等)投資。結(jié)合當(dāng)?shù)毓懿膬r(jià)格和各類管材的性能及優(yōu)缺點(diǎn)，固定地埋管道采用PVC塑料管和PE塑料管為主[9-10]。管徑選擇時(shí)固定地埋塑料管的最大管徑一般不超過630 mm，以控制單位面積工程投資，移動(dòng)軟管采用直徑25 mm～50 mm的塑料軟管。

在已知當(dāng)?shù)毓艿纼r(jià)格的情況下管網(wǎng)投資可用如下公式表示：

(2)

式中：C2為管網(wǎng)工程投資，元；Mi為第i類管道單價(jià)，元/m；Li為第i類管道長度，m；n為管道種類數(shù)目；χ為配套附件投資占管網(wǎng)總投資的百分?jǐn)?shù)。

工程年運(yùn)行費(fèi)包括燃料動(dòng)力費(fèi)(電費(fèi))、維護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)、管理人員工資、其它共5部分，對(duì)于維護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)、管理人員工資會(huì)隨著工程總投資的增加而增加，可用占工程總投資的比例計(jì)算[11]，動(dòng)力費(fèi)用一般為提水電費(fèi)，可用下式計(jì)算：

(3)

式中：Y為動(dòng)力費(fèi)，元；E為電費(fèi)單價(jià)，元/(kW·h)；T為水泵年運(yùn)行時(shí)間，h；γ為水重度，N/m3；Q為水泵設(shè)計(jì)流量，m3/h；H為水泵揚(yáng)程，m；η裝為水泵機(jī)電效率。

2.2 效益與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)函數(shù)

在宿遷市河網(wǎng)圩區(qū)采用農(nóng)田管道輸水灌溉技術(shù)可以帶來節(jié)水、節(jié)地、增產(chǎn)、省工等效益，節(jié)水效益[12]可按下式計(jì)算：

(4)

式中：ηi1為第i種作物使用管道灌溉時(shí)的灌溉水利用系數(shù)；ηi0為第i種作物未使用管道灌溉時(shí)的灌溉水利用系數(shù)；mi為第i種作物的灌溉定額，m3/hm2；Ai為第i種作物的灌溉面積，hm2；Ci為水價(jià)，元/m3。

根據(jù)調(diào)研情況和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，使用農(nóng)田管道輸水灌溉工程技術(shù)后灌溉水利用系數(shù)可提高15%～30%，由于當(dāng)?shù)貫樘崴鄥^(qū)，按照原有灌溉方式計(jì)算，灌溉水利用系數(shù)僅為0.63，實(shí)施該工程后，農(nóng)田管道輸水灌溉水利用系數(shù)可達(dá)到0.80～0.85[13]。灌溉用水定額和水價(jià)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況取值。

節(jié)地效益可按下式計(jì)算：

(5)

式中：Si為第i段管道節(jié)省土地面積，hm2；Ri為節(jié)省土地的年綜合效益，元/hm2。

增產(chǎn)效益可按下式計(jì)算：

(6)

式中：εi為第i種作物灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)；ai為第i種作物的種植系數(shù)；Yi為第i種作物使用管道灌溉時(shí)的平均產(chǎn)量，kg/hm2；Yi0為第i種作物未使用管道灌溉時(shí)的平均年產(chǎn)量，kg/hm2；Pi為第i種作物價(jià)格，元/kg。

根據(jù)宿遷市調(diào)查情況，可按水稻增產(chǎn)450 kg/hm2，小麥增產(chǎn)300 kg/hm2，蔬菜增產(chǎn)1 500 kg/hm2。糧食作物及蔬菜的單價(jià)根據(jù)當(dāng)?shù)啬壳笆袌鰞r(jià)格進(jìn)行取值。灌溉效益系數(shù)取0.4。

省工效益可按下式計(jì)算：

(7)

式中：Gi1為第i種作物現(xiàn)狀灌溉單位面積用工，工日/hm2；Gi0為第i種作物使用管道輸水灌溉單位面積用工，工日/hm2；Ai為第i種作物的灌溉面積，hm2；Fi為用工價(jià)格，元/工日。

管道輸水灌溉有一定的壓力，因此比一般明渠輸水快、流速大、供水及時(shí)，能夠有效的節(jié)約灌溉勞動(dòng)力。實(shí)施農(nóng)田管道灌溉方式供水后，與渠道灌溉相比，管道輸水灌溉可省30工日/hm2，按每個(gè)工日50元計(jì)算。

實(shí)施農(nóng)田管道輸水灌溉技術(shù)供水后，可以采用管道施肥施藥，提高水肥利用率，減少了人工以及肥料、農(nóng)藥用量，節(jié)省成本[14]，省工15工日/hm2，按每個(gè)工日50元計(jì)算；施肥及農(nóng)藥3 000元/hm2，肥料、農(nóng)藥省20%。

在農(nóng)田灌溉項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)中，主要采用凈現(xiàn)值法、內(nèi)部收益率、效益費(fèi)用比3項(xiàng)指標(biāo)，評(píng)價(jià)建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效果，判斷其經(jīng)濟(jì)合理性。本文采用內(nèi)部收益率判斷工程在經(jīng)濟(jì)上是否可行，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(8)

式中：B為年效益，萬元；C為年費(fèi)用，萬元；t為計(jì)算期各年的序號(hào)。N為計(jì)算期(包括建設(shè)期、投產(chǎn)期和正常運(yùn)行期)。一般取基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%進(jìn)行比較。

在以上分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步依據(jù)年費(fèi)用進(jìn)行不同方案的比較，為適宜規(guī)模確定提供意見。計(jì)算年費(fèi)用時(shí)，工程的年費(fèi)用考慮年運(yùn)行費(fèi)用和總投資的本利攤還兩部分，其中年折算費(fèi)用可由下式計(jì)算：

(9)

式中：C′為年折算費(fèi)，元；C為灌溉工程總投資，元；i為年利率或折算率，%；n為年復(fù)利期數(shù)，機(jī)電灌排站取15 a～25 a。

2.3 確定適宜規(guī)模和建設(shè)定額標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述方法進(jìn)行計(jì)算，得到兩種輪作制度下農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)不同控制規(guī)模的單位投資，管道輸水灌溉控制面積與單位投資關(guān)系如圖3所示。

圖3農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)控制面積與單位投資關(guān)系

工程的單位投資隨著控制面積的增大呈上升趨勢。主要因?yàn)榭刂泼娣e增大，設(shè)計(jì)流量變大，所需要的農(nóng)田灌溉輸水管道管徑變大，管材的價(jià)格通常隨管徑增大呈指數(shù)上升趨勢，導(dǎo)致管網(wǎng)投資增長幅度加大。由于計(jì)算中只考慮水源工程投資和管網(wǎng)工程投資，因此，兩種輪作制度下單位面積投資差異不大。

農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)建設(shè)中以管道投資為主，管徑大小是影響系統(tǒng)單位面積投資以及系統(tǒng)控制面積的重要因素。有研究通過管徑和投資作為約束確定管道灌溉系統(tǒng)控制面積的上、下限[15]，考慮宿遷河網(wǎng)圩區(qū)以小型提灌溉泵站為主，所以本文固定管道采用塑料管材的管徑均為630 mm以下，作為模擬中控制面積的上限參考因素。兩種不同種植模式下，得到的不同方案的內(nèi)部收益率均在15%以上，大于基準(zhǔn)折現(xiàn)率，故工程在經(jīng)濟(jì)上可行。在此基礎(chǔ)上，比較不同系統(tǒng)控制規(guī)模下的年費(fèi)用大小，對(duì)應(yīng)年費(fèi)用最小的系統(tǒng)控制規(guī)模即為適宜控制規(guī)模，模擬分析結(jié)果見圖4。

圖4管道輸水灌溉控制面積與單位年費(fèi)用關(guān)系圖

由圖4可知，隨著管道輸水灌溉系統(tǒng)控制面積的增大，年費(fèi)用呈現(xiàn)先小后大的趨勢，這主要是受動(dòng)力費(fèi)用和年折算費(fèi)用兩部分控制，動(dòng)力費(fèi)用隨著控制面積的增大逐漸減小，而管網(wǎng)投資隨著控制面積增大不斷增加，且增長幅度較大，導(dǎo)致年折算費(fèi)用逐漸增大。

通過年費(fèi)用比較得到，宿遷市河網(wǎng)圩區(qū)稻麥輪作制度下，農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜規(guī)模范圍在40～50 hm2，水稻蔬菜輪作制度下，適宜規(guī)模為45～55 hm2。

通過計(jì)算可得到宿遷市河網(wǎng)圩區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)以適宜控制規(guī)模下的系統(tǒng)建設(shè)定額標(biāo)準(zhǔn)。稻麥輪作區(qū)，采用塑料管材、并對(duì)應(yīng)單向灌排布置模式，農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)單位面積投資在2.10～2.25萬元/hm2，管長105～120 m/hm2；水稻與蔬菜輪作區(qū)，采用塑料管材、并對(duì)應(yīng)雙向灌排布置形式，農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)單位面積投資在2.25～2.40萬元/hm2，管長在105～120 m/hm2。

3 結(jié) 論

宿遷市河網(wǎng)圩區(qū)小型提水灌溉工程在應(yīng)用農(nóng)田管道輸水灌溉技術(shù)時(shí)，應(yīng)因地制宜，采用適用于不同作物輪作制度下灌溉排水要求的農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)適宜的布置模式。稻麥輪作區(qū)農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)宜采用單向灌排、溝-路-管的布置模式，系統(tǒng)控制規(guī)模為40～50 hm2，埋設(shè)管道105～120 m/hm2，管道投資約2.10～2.25萬元/hm2；水稻蔬菜輪作區(qū)，農(nóng)田管道輸水灌溉系統(tǒng)宜采用雙向灌排、灌排相間布置模式，系統(tǒng)控制規(guī)模為45～55 hm2，埋設(shè)管道105～120 m/hm2，管道投資約2.25～2.40萬元/hm2。上述指標(biāo)可為該地區(qū)制訂農(nóng)田管道輸水灌溉工程發(fā)展規(guī)劃和進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)審查提供參考，以保證興建項(xiàng)目技術(shù)合理、發(fā)揮應(yīng)有的效益。