黑龍港平原區(qū)噴灌節(jié)能適用性分析研究

吳 美 劉曉亮 曹雪松

噴灌在河北已發(fā)展多年，2020 年噴灌面積已達(dá)415.10 萬(wàn)畝。噴灌具有省時(shí)、省工、省水、省地、增產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但需要靠水泵運(yùn)轉(zhuǎn)加壓，使噴頭保持一定的水壓力，增加了能量消耗。黑龍港平原區(qū)處于深層地下水開(kāi)采區(qū)，地下水位較深。水泵在黑龍港平原區(qū)提水與淺層地下水開(kāi)采區(qū)相比，噴灌的水量相同但耗能較多，因此對(duì)噴灌在黑龍港平原區(qū)是否節(jié)能進(jìn)行分析。

1.節(jié)能方程的建立

噴灌需要較高的壓力使水噴灑作物，增加了單位水量的耗能，而噴灌節(jié)水，又減少了一部分能量消耗，兩者之間存在一個(gè)平衡點(diǎn)。當(dāng)噴灌節(jié)省灌溉水量降低的耗能，大于加壓所增加的耗能時(shí)，噴灌才會(huì)節(jié)能。因此，我們通過(guò)建立節(jié)能方程尋找平衡點(diǎn)。以單位面積的耗能情況為比較條件，提出以機(jī)井臨界動(dòng)水位判斷是否節(jié)能的觀點(diǎn)。按照提水耗能的計(jì)算方法，地面灌和噴灌的單位面積耗能情況為：

式中：

Ed—地面灌耗能，kW·h；

表1 典型村基本情況

表2 噴灌臨界動(dòng)水位埋深

Ep—噴灌耗能，kW·h；

Hj—機(jī)井動(dòng)水位，m；

Hp—噴灌系統(tǒng)工作壓力，m；

Mp—噴灌灌溉定額，m3/畝；

Md—地面灌灌溉定額，m3/畝；

ηp—噴灌灌溉水利用系數(shù)；

ηd—地面灌灌溉水利用系數(shù)；

ηB—水泵效率。

由公式可得，在提水水源出水量相同的條件下，地面灌耗能由機(jī)井動(dòng)水位、灌溉定額、灌灌溉水利用系數(shù)、水泵效率決定。噴灌耗能除以上因素決定外，還由噴灌系統(tǒng)工作壓力決定。以噴灌系統(tǒng)工作壓力、灌溉定額、噴灌灌溉水利用系數(shù)、水泵效率為參數(shù)，則機(jī)井動(dòng)水位決定了噴灌的耗能，即機(jī)井動(dòng)水位是噴灌是否節(jié)能的關(guān)鍵因素。

當(dāng)噴灌耗能和地面灌耗能相等時(shí)，可以得出一個(gè)對(duì)應(yīng)的機(jī)井臨界動(dòng)水位。即 ：0.00272（Hj + Hp） Mp/ηp/ηB=0.00272HjMd/ηd/ηB。

根據(jù)公式可以得出，當(dāng)噴灌耗能小于地面灌耗能，即機(jī)井動(dòng)水位大于臨界動(dòng)水位時(shí)，噴灌達(dá)到節(jié)能效果。

2.噴灌節(jié)能分析

在黑龍港平原區(qū)選取典型村進(jìn)行噴灌節(jié)能分析，基本情況見(jiàn)表1。黑龍港平原區(qū)常用的噴灌形式包括管道式噴灌和機(jī)組式噴灌兩種形式，其中管道式噴灌主要包括固定式噴灌、半固定式噴灌，系統(tǒng)工作壓力水頭大部分在35m～40m 之間。機(jī)組式噴灌主要包括中心支軸式噴灌、絞盤(pán)式噴灌，系統(tǒng)工作壓力水頭大部分在50m～60m 之間。因此，以35m～40m、50m～60m 兩個(gè)噴灌壓力范圍為界限進(jìn)行分析。因冀州區(qū)、南宮市典型地塊目前是管灌，則發(fā)展噴灌的臨界動(dòng)水位噴灌灌溉水利用系數(shù)按設(shè)計(jì)要求0.85 代入，根據(jù)各個(gè)典型村的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入公式（3），噴灌壓力為35m～40m、50m～60m 的臨界動(dòng) 水 位 埋深計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表3 管灌改噴灌條件分析

由表2 可知，衡水市景縣、冀州區(qū)，滄州市泊頭市、獻(xiàn)縣、吳橋縣，邯鄲市大名縣，邢臺(tái)市南宮市為代表的深機(jī)井動(dòng)水 位，比 噴 灌 工 作 水 頭35～40m、50～60m 的臨界動(dòng)水位，分別高85～112m、80～105m、64～88m、27～61m、77～95m、119～153m、49～78m、50～75m，即機(jī)井動(dòng)水位大于臨界動(dòng)水位?？梢?jiàn)黑龍港平原區(qū)深井無(wú)論發(fā)展管道式噴灌（固定式、半固定式），還是機(jī)組式噴灌（絞盤(pán)式、中心支軸式），節(jié)能效益明顯。

衡水市冀州區(qū)典型村為砂土土質(zhì)，由于滲漏嚴(yán)重，灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.6，噴灌工作水頭35～40m、50～60m的臨界動(dòng)水位埋深僅為35～40m、50～60m，機(jī)井動(dòng)水位明顯高于臨界動(dòng)水位。故在砂土地區(qū)發(fā)展噴灌節(jié)能效益明顯，同時(shí)噴灌能避免產(chǎn)生地面徑流和深層滲漏損失，節(jié)水率達(dá)29%，節(jié)水效益明顯。

3.現(xiàn)有管灌工程改建噴灌工程研究分析

衡水市冀州區(qū)、邢臺(tái)市南宮市目前已建管灌工程，灌溉水利用系數(shù)較高為0.8，則發(fā)展噴灌的臨界動(dòng)水位噴灌系數(shù)按設(shè)計(jì)要求0.85 代入公式（3），噴灌壓力為35～40m、50～60m 的臨界動(dòng)水位埋深計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，管灌改噴灌的機(jī)井臨界動(dòng)水位顯著增大，達(dá)269～470m，機(jī)井動(dòng)水位遠(yuǎn)小于臨界動(dòng)水位，且節(jié)水量?jī)H為6%。故對(duì)現(xiàn)有管灌工程改噴灌，節(jié)水節(jié)能效益不明顯，應(yīng)慎重考慮。

4.結(jié)論及建議

噴灌是一種先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)，但是影響噴灌發(fā)展和正常使用的因素很多，能耗增加是制約噴灌發(fā)展的因素之一。在水資源嚴(yán)重短缺的黑龍港平原區(qū)深井、砂土地區(qū)，噴灌具有顯著節(jié)水節(jié)能效益，能最大限度地節(jié)約水資源和能源。對(duì)于黏土類地區(qū)，目前已采取節(jié)水措施地區(qū)，現(xiàn)狀灌溉水利用率較高，計(jì)算出的臨界動(dòng)水位很大，改建噴灌能耗增大，經(jīng)濟(jì)效益降低，需慎重考慮。因此從節(jié)能角度，管道式噴灌和機(jī)組式噴灌在黑龍港平原區(qū)具有普遍適用性。