基于供需平衡理論下的高效能農(nóng)田灌溉體系設(shè)計研究

溫天玉

(湛江市高遠(yuǎn)工程咨詢有限公司，廣東 湛江 524000)

0 引 言

近年來，在典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)用水占用水總量的比例占絕大部分。隨著工業(yè)化的不斷加深，農(nóng)業(yè)用水的空間不斷被壓縮，發(fā)展高效能的農(nóng)業(yè)用水體系非常緊迫[1]。

目前比較高效的節(jié)水技術(shù)有微灌、噴灌和管道輸水灌溉。根據(jù)相關(guān)測算，微灌技術(shù)節(jié)水比例可高達(dá)35%、而噴灌和管道灌水的節(jié)水比較也相應(yīng)有30%和20%.與傳統(tǒng)灌溉相比?？晒?jié)省巨大的效益[2]。

文章以遂溪縣農(nóng)業(yè)工程灌溉體系改造工程為背景，按照總量控制、定額管理總體思路[3]，采用供需平衡理論對灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水供需平衡計算，并且對灌區(qū)的現(xiàn)有農(nóng)業(yè)供水系統(tǒng)進行高效能改造設(shè)計，以為類似農(nóng)業(yè)灌溉工程提供規(guī)劃設(shè)計參考。

1 灌區(qū)現(xiàn)狀和供需平衡分析

1.1 項目區(qū)概況

遂溪縣高效節(jié)水灌溉項目工程建設(shè)地點選址于界炮鎮(zhèn)、楊柑鎮(zhèn)、樂民鎮(zhèn)、烏塘鎮(zhèn)、草潭鎮(zhèn)、城月鎮(zhèn)、嶺北鎮(zhèn)、遂城鎮(zhèn)、北坡鎮(zhèn)9個鎮(zhèn)，共計28個片區(qū)，總建設(shè)灌溉面積867hm2。各片區(qū)的灌溉水源主要來自打井取水，

項目區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，全年氣溫較高，年雨量充足，干濕季比較明顯。項目區(qū)已初步形成能兼顧農(nóng)業(yè)的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。主要種植經(jīng)濟作物番薯、甘蔗、香蕉、蘆竹等，成片化管理生產(chǎn)。

項目區(qū)孔隙裂隙水和承壓水等大量地下水資源可供開采，水位深度50m以上，水質(zhì)較好，適宜人畜飲用和農(nóng)業(yè)灌溉。該區(qū)域的潛水～微承壓水鉆孔出水量為100～800m3/d，中層承壓水成井砂層總厚度 36～160m，單井出水量269～8525m3/d，深層承壓水砂層總厚度52～265m，單井出水量1085～13917m3/d。

1.2 存在問題

目前水系主要存在以下問題：

1)水利基礎(chǔ)設(shè)施仍然薄弱，項目區(qū)現(xiàn)有水利工程標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差，工程老化嚴(yán)重，年久失修，帶病運行。自然災(zāi)害和人為破壞不斷出現(xiàn)，造成水利工程的效益逐年下降。渠道淤積滲漏嚴(yán)重，渠系水利用系數(shù)僅為0.35～0.5，造成水浪費嚴(yán)重。

2)節(jié)水灌溉建設(shè)規(guī)模較小，無法形成高效效益, 遂溪縣的節(jié)水灌溉的針對性比較強，哪里干旱嚴(yán)重就在哪里實施。沒有經(jīng)過系統(tǒng)的規(guī)劃，造成錯漏和混亂，且規(guī)模較小，無法形成高效益。

3)節(jié)水管理有待加強，項目區(qū)節(jié)水管理的有效機制尚未建立，節(jié)水管理處于被動狀態(tài)，未能形成一套適應(yīng)市場經(jīng)濟的積極運行模式；同時，節(jié)水定額標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀混亂，節(jié)水管理缺乏統(tǒng)一的管理制度。

2 項目區(qū)供需平衡分析

2.1 灌溉體系的必要性

節(jié)水灌溉是解決當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾的重大措施項目區(qū)水資源總量豐富，但時空分布不均勻，枯季降雨量不足全年降雨量的20%，枯水期與特枯水年缺水嚴(yán)重。實施高效節(jié)水灌溉增效項目，能夠極大提高單方水農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，使有限的水資源發(fā)揮更大的效益，促進農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展方式，才能提高農(nóng)業(yè)用水效率，在有限的水資源條件下，保障更大規(guī)模的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展用水需求，提高當(dāng)?shù)乜购禍p災(zāi)能力，推進當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

建設(shè)高效的節(jié)水灌溉工程，能夠改善農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施，保護和改善生態(tài)環(huán)境。

2.2 灌區(qū)水資源利用現(xiàn)狀和供需分析

本縣地表水、地下水的資源量和可利用量，確定縣域內(nèi)的水資源總量和可利用總量。項目區(qū)水資源總量及可利用量匯總表，見表1。

表1 項目區(qū)水資源總量及可利用量匯總表

項目區(qū)現(xiàn)狀年用水總量45700萬m3，其中農(nóng)業(yè)用水38470萬m3，占用水總量的84.18%。

根據(jù)本區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展需求，參照縣域內(nèi)相關(guān)專項規(guī)劃成果，按照工業(yè)、生活和灌溉等用水定額。分別預(yù)測到規(guī)劃水平年工業(yè)、生活、生態(tài)與環(huán)境、灌溉保證率50%、75%、90%時的灌溉蓄水量以及除灌溉 之外的林、牧、漁等蓄水量。各水平年用水需求預(yù)測表，見表2。

表2 各水平年用水需求預(yù)測表 萬m3

按照“先生活后生產(chǎn)，先節(jié)水后開源”水資源利用原則，根據(jù)本規(guī)劃對項目區(qū)的可供水量和需水量預(yù)測成果，進行項目區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源的供需平衡計算[4]。對項目區(qū)年均水資源供需平衡進行計算，各水平年水資源供需平衡分析表，見表3。

表3 各水平年水資源供需平衡分析表 萬m3

項目區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源可利用量能滿足其社會發(fā)展的要求；從水資源利用狀況和發(fā)展預(yù)測來看，農(nóng)田用水占全縣用水總量的比重大，在控制農(nóng)業(yè)用水總量的情況下，增加灌溉面積，農(nóng)業(yè)節(jié)水意義重大，盡快完成項目的節(jié)水灌溉工程建設(shè)。

目前，全縣節(jié)水灌溉技術(shù)推廣力度不夠，農(nóng)業(yè)高效和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展片區(qū)較小，尚未形成大范圍的實施。通過水資源供需平衡分析與評價，項目區(qū)水資源量可以滿足工程用水需求，水資源量可行。

遂溪縣區(qū)域平均地下水年補給量為65.8萬m3/km2，根據(jù)各片區(qū)當(dāng)?shù)匾延械娘嬎踩椖看蚓?jīng)驗，機井深度80～250m之間時，本次規(guī)劃取為平均深度80～150m，單井出水量能達(dá)到20m3/h。本次規(guī)劃機井設(shè)計單井出水量為20m3/h，平均每天工作20h計，每年按250d計；每口機井灌溉面積按13.3hm2考慮。分別計算得各片區(qū)可供水量，根據(jù)農(nóng)作物灌溉定額，綜合水利用系數(shù)取為0.95，可計算得各片區(qū)需水量，水量平衡計算成果，各片區(qū)水量平衡計算表，見表4。

表4 各片區(qū)水量平衡計算表

3 灌溉體系設(shè)計方案

遂溪縣高效節(jié)水灌溉項目建設(shè)共計28個片區(qū)，總建設(shè)灌溉面積867hm2。其中建設(shè)微噴灌面積806.7hm2，滴灌工程60hm2。綜合考慮遂溪縣的水文、氣象以及項目區(qū)的水源情況等，本次設(shè)計采用的灌溉設(shè)計保證率為90%。

3.1 小型水源工程設(shè)計

本項目共計建設(shè)工程首部水源75處，蓄水池3座，機井75處。機井安裝潛水泵76臺，配建泵房75座。

機井根據(jù)各片區(qū)的地形、地貌和水文地質(zhì)條件等來確定，結(jié)合各片區(qū)的小區(qū)劃分來布置，遵循盡量布設(shè)在控制小區(qū)的中央，以使管道總長最短的原則。根據(jù)本次規(guī)劃的項目及項目區(qū)的地下水資源情況，初步確定本工程機井采用井深為80～150m，井直徑219mm。

3.1.1 機井設(shè)計

本工程設(shè)計機井共86眼，其中新建機井75眼，設(shè)計井深為80～150m，利用原有舊井11眼，井深為80～100m，機井靜水位30～60m，出水量為20t/h。

新建機井井孔的鉆孔直徑為500mm。上部井管選用ф273mm無縫鋼管，下部井管選用ф219mm無縫鋼管，上部和下部比例為7∶3。首部泵房為井房式，磚混結(jié)構(gòu)，共75座，尺寸為2.82m×2.82m×3.2m，建筑面積約7.8m2，選用井用潛水泵，打井為深水井，考慮到枯季時井水位較低，根據(jù)水泵所需流量和揚程，通過咨詢查詢潛井泵參數(shù)，在高效區(qū)進行選泵，總共安裝水泵85臺。

3.1.2 蓄水池設(shè)計

規(guī)劃項目區(qū)蓄水池3座。新建500m2蓄水池1座，位于遂城鎮(zhèn)草塘村，蓄水池擴容防滲處理3座，對樂民鎮(zhèn)余村原蓄水池進行擴容防滲至500m2，對北坡鎮(zhèn)碑頭村原蓄水池進行擴容防滲至2000m2。蓄水池底部和邊坡澆筑C20混凝土，水池周邊設(shè)刺繩鐵絲圍欄。

3.2 輸配水工程設(shè)計

主要采用PVC-U管道和微噴帶進行輸配水，在布設(shè)時遵循輸水干管沿等高線布設(shè)，支管主要沿垂直等高線布設(shè)的原則[4]。蓄水池在水井至田頭輸配水中起到調(diào)蓄作用，在布設(shè)時遵循布設(shè)于其控制小區(qū)地勢最高處，以盡可能利用其實現(xiàn)自流灌溉的原則[5]。

3.2.1 管灌工程設(shè)計

項目區(qū)根據(jù)機井分布、區(qū)內(nèi)道路及地界等情況，微噴灌面積將項目區(qū)分為81個灌溉分區(qū)，每個灌溉分區(qū)控制耕地面積4～19.4hm2，水泵抽水直接灌溉系統(tǒng)81個，水池灌溉系統(tǒng)3個。

每個灌溉分區(qū)配機井一眼。灌溉輸水管道分三級布置，干管、支管二級管道為固定管道，埋于地下，末級管道為移動軟管。根據(jù)機井在灌溉分區(qū)中所處的位置，管網(wǎng)布置型式有圭字形、王字型和梳齒型三種。支管間距約100m，出水口間距約50m，單個出水口控制面積約為0.5hm2。

3.2.2 灌溉制度

計算出需水流量大于水井設(shè)計流量20m3/h，不滿足灌溉要求。根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T20203-2006)要求，當(dāng)水源或已有水泵流量不能滿足需水流量要求時，取水源或水泵流量作為系統(tǒng)設(shè)計流量。因此取機井的設(shè)計出水量為系統(tǒng)設(shè)計流量，系統(tǒng)的設(shè)計流量為Q=20m3/h。

輪灌順序上，系統(tǒng)由機井抽水上水塔進行灌溉，分兩條干管進行灌溉。每一次灌溉時應(yīng)只打開一條干管，兩條干管分別運行，分為2個輪灌組。每次先運行一條干管不相鄰的3條支管，每條支管同時開啟兩個出水栓，即每次同時開啟6個出水栓，每個出水栓設(shè)計流量8m3/h。

根據(jù)水源位置、控制范圍、地面坡度、作物種植方向等條件，水源位于田塊中央，控制面積較大，故布置成梳齒形。管網(wǎng)布置詳見低壓管灌平面布置圖。管道系統(tǒng)布置分二級，埋入地下0.8m。為方便管理使用，盡量沿田間路布置，支管間距100m左右，每隔50m留一出水口，用三通、豎管接出地面，豎管上端接給水栓。

3.3 田間工程設(shè)計

主要使用PVC-U管道和微噴帶的鋪設(shè)。田間工程主要結(jié)構(gòu)為干管→支管→微噴帶。根據(jù)灌溉分區(qū)的地形、土壤性質(zhì)、地下水埋深等。

3.3.1 微噴灌典型設(shè)計

微噴灌工程典型設(shè)計所選地塊長400m，寬190m，面積約6.7hm2。微噴灌灌溉系統(tǒng)布設(shè)結(jié)構(gòu)如下：水源→水泵→100L施肥灌/施肥池→計量裝置(水表、壓力表)→干管→支管→微噴帶。灌溉范圍內(nèi)從水源引出1條干管，干管長240m；干管對應(yīng)有4條支管，每條支管長約130m，每條支管控制4個小區(qū)，共16個小區(qū)。微噴帶的噴灑寬度為2～3m，噴灑高度為0.1～0.5m，根據(jù)作物生長間距以及微噴帶噴水范圍，沿支管呈“豐字形”每隔1m布置一條微噴帶，每條微噴帶長50m，每個小區(qū)布置48條微噴帶，共有768條微噴帶。

3.3.2 輪灌制度

輪灌制度上進行首部樞紐和管網(wǎng)布設(shè)。對地塊進行分區(qū)，分為16個小區(qū)，設(shè)計灌水周期為5d，為提高管道利用率，降低工程投資，采用分組輪灌。根據(jù)方便運行管理的原則，本設(shè)計中將一個小區(qū)分為一個輪灌組。各輪灌組同時工作微噴帶數(shù)相同，以利于水泵始終工作在高效區(qū)[6]，從而使系統(tǒng)保持相對穩(wěn)定。

4 高效能灌溉體系評價與后期追蹤

4.1 用水管理及節(jié)水技術(shù)模式

本次項目施行以總量控制、定額管理為核心的灌溉用水管理制度，建立項目區(qū)水資源管理和農(nóng)業(yè)節(jié)水的長效機制。

采用低壓管灌和微噴帶進行灌溉的工程技術(shù)采用低壓管道輸水灌溉技術(shù)，可適應(yīng)不同種類作物的灌溉要求[7]。并且在設(shè)計中考慮近期與遠(yuǎn)期相結(jié)合，經(jīng)過適當(dāng)改造，可改為小管出流或滴灌模式。

4.2 后期跟蹤監(jiān)測

本項目需提交項目監(jiān)測數(shù)據(jù)搜集分析數(shù)據(jù)報告，反映項目建設(shè)效益。本項目通過技術(shù)支援工作小組進行灌溉試驗和監(jiān)測分析，總結(jié)節(jié)水增產(chǎn)成果，完成項目監(jiān)測數(shù)據(jù)分析報告[8]。針對本項目的特點，制定了以下試驗觀測方案：

1)選定1處具有代表性的打井提水灌溉區(qū)域作為實驗觀測小區(qū)，小區(qū)面積約60hm2，進行跟蹤監(jiān)測。監(jiān)測項目區(qū)主要作物的灌溉制度，全生長期內(nèi)作物需水量以及作物灌溉效益等。

2)對未采取節(jié)水灌溉措施的區(qū)域，對相應(yīng)作物的用水量和產(chǎn)量等情況進行調(diào)查，以獲得對比數(shù)據(jù)。

3)對采取節(jié)水灌溉措施和未采取節(jié)水灌溉措施兩種形式下的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行對比、分析，完成年度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析報告和總結(jié)評估報告，總結(jié)高效節(jié)水灌溉的節(jié)水增產(chǎn)效益和經(jīng)驗。

5 結(jié) 論

文章主要圍繞遂溪縣農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)供水平衡不足，灌溉低效，用水浪費，體系不足等問題，采用供需平衡分析，進行灌區(qū)的高效能節(jié)水體系設(shè)計。有效解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境以及干旱缺水的問題，促進了本地區(qū)土地資源的開發(fā)利用十分有利。改善了灌溉條件和農(nóng)田小氣候，對作物生長有利。改善和新增了灌溉面積，提高了土地生產(chǎn)力，促進了糧食作物，增產(chǎn)增收。

農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)高效能體系的建設(shè)不僅需要科學(xué)的規(guī)劃建設(shè)和改造，更需要提升農(nóng)民參與工程建設(shè)與管理，帶動農(nóng)民群眾發(fā)展節(jié)水灌溉的積極性。文章在研究提升農(nóng)民節(jié)水灌溉的積極性和制度建設(shè)方面有所不足，這也是協(xié)同建設(shè)高效能灌溉體系的重要組成部分。