農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計與灌溉技術(shù)分析

摘要：隨著智能化技術(shù)的推廣與應(yīng)用，水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計更加科學(xué)化，灌溉技術(shù)更加自動化、智能化，一方面滿足農(nóng)業(yè)用水的需求，另一方面實現(xiàn)了節(jié)約水資源的規(guī)劃。為確保水利灌溉工程設(shè)計更加科學(xué)合理，需要做好前期預(yù)測設(shè)計工作，規(guī)劃預(yù)測農(nóng)田的規(guī)模前景、引水量、灌溉能力、取水方法等內(nèi)容。選擇灌溉技術(shù)適宜農(nóng)作物生長，灌溉合適的水量，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。基于此，本文將系統(tǒng)性論述農(nóng)田水利灌溉工程預(yù)測規(guī)劃工作，并介紹地面灌溉、低壓管道、加壓噴灌等灌溉技術(shù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田水利；灌溉；工程；規(guī)劃

DOI：10.12433/zgkjtz.20232129

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開水資源，而我國又是淡水資源嚴重不足的國家之一，應(yīng)通過農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計與灌溉技術(shù)分析，提高農(nóng)田灌溉過程水資源利用率，緩解水資源緊缺的現(xiàn)狀，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效、穩(wěn)定發(fā)展與保護自然環(huán)境的和諧發(fā)展。

一、農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計

（一）規(guī)模前景預(yù)測規(guī)劃

農(nóng)田水利灌溉工程建設(shè)是鞏固和提高糧食生產(chǎn)能力、保障國家糧食安全、節(jié)約用水資源的關(guān)鍵舉措。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年，我國采用高效節(jié)水灌溉面積達4.24億畝，有效利用農(nóng)田灌水系數(shù)達0.574，最大限度地提升水資源的利用率，解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題，保證農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。我國幅員遼闊，各地區(qū)種植作物、灌溉區(qū)域面積、氣象特點等均有差異。因此，在設(shè)計水利灌溉工程時，要結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)規(guī)劃全面分析，做好規(guī)劃區(qū)域的節(jié)水工程建設(shè)，確定種植面積及灌溉區(qū)域面積，整體規(guī)劃并設(shè)計農(nóng)田水利灌溉工程，了解當(dāng)?shù)馗鲿r期氣候狀況及水的徑流量，科學(xué)做好灌溉規(guī)劃，保證規(guī)劃符合實際需求，加大灌溉區(qū)的投資力度，改造并配備高質(zhì)量灌溉設(shè)備，優(yōu)先建設(shè)大中型高標準農(nóng)田。

農(nóng)田灌溉主要的水資源來源于泉水、雨水、地表水源及河水，在冬春灌溉嚴重缺乏水資源而夏秋水資源又嚴重過剩的情況下，在規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)選擇適宜的灌溉方式，考慮水資源實際情況，做好儲水和防災(zāi)規(guī)劃。在修建灌溉工程時，全面分析灌溉區(qū)域的潛力，結(jié)合地形條件，做好合理規(guī)劃，利用地勢差距做好渠道布置工作，最大限度地提升灌溉面積。充分考慮自然環(huán)境因素，保證規(guī)劃安全可行，合理設(shè)計避免在高填方或深挖方路段作業(yè)，避免遇到河流或風(fēng)化巖，減輕山洪等影響，在地質(zhì)較好的環(huán)境開展作業(yè)。在規(guī)劃時要充分考慮到未來經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)需求，保證規(guī)劃設(shè)計能夠隨著生活和生產(chǎn)的需求進行適時的調(diào)整。

（二）引水量預(yù)測規(guī)劃

在規(guī)劃設(shè)計灌溉工程時，需提前計算預(yù)測灌溉引水量，根據(jù)引水量進行供需平衡計算，當(dāng)供水不能滿足實際需求時，需采取適宜的措施。農(nóng)業(yè)灌水量與多種因素密切相關(guān)，氣候狀況、農(nóng)作物品種、水資源條件、耕種措施、種植結(jié)構(gòu)等均影響水量的需求，因此在計算引水量時需調(diào)查統(tǒng)計，了解以上因素對引水量的影響，將實踐資料與理論計算相結(jié)合，進而確定灌溉所需的引水量。水資源較為充裕的區(qū)域可充分灌溉，滿足農(nóng)作物高產(chǎn)的需求。水資源較為緊缺的區(qū)域無需充分灌溉，結(jié)合農(nóng)作物生長需求計算經(jīng)濟灌溉定額結(jié)果，綜合確定灌水量。

降水量是影響灌溉引水量的重要因素，降水越大，土壤的含水量及空氣濕度均發(fā)生變化，蒸發(fā)量也會發(fā)生改變，對于大多數(shù)農(nóng)作物而言，生長時期降水量越大農(nóng)作物的需水量則越低。當(dāng)降雨豐沛時，則不需要補充過多的水分。土壤中的含水量、地下水深度及土質(zhì)和結(jié)構(gòu)均會影響農(nóng)作物的需水量。在計算灌溉用水量時，需選擇代表年，計算灌水率，繪制灌水率圖，進而計算灌溉實際用水量。灌水率為灌溉區(qū)域單位面積需要的灌水流量，是設(shè)計灌溉渠道流量及渠首引水流量的基礎(chǔ)。代表年則為在規(guī)劃設(shè)計中選擇的最為接近灌溉設(shè)計保證率的用水量年份，以其作為確定引水量的依據(jù)，按地區(qū)的差異將代表年分為中等干旱、干旱。若灌溉區(qū)域水源較為充足則將干旱年作為設(shè)計的代表年，反之，則選取中等干旱年或干旱年。下一步的計算工作則需結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H狀況，綜合上述影響因素，利用公式開展引水量的具體數(shù)值計算。

（三）灌溉能力預(yù)測規(guī)劃

預(yù)測水利灌溉能力是反映水利建設(shè)的重要指標，是我國各地區(qū)制定發(fā)展規(guī)劃的重要指標之一。能夠為未來農(nóng)村水利建設(shè)提供有效的參考信息，為相關(guān)部門制定發(fā)展規(guī)劃提供理論支撐。預(yù)測灌溉能力受多方因素的影響，如中央、地方財政的投入及農(nóng)民收入等。此類因素將以耦合的非線性的方式影響灌溉面積的變化。預(yù)測灌溉能力一般采取結(jié)構(gòu)式預(yù)測方式及數(shù)據(jù)序列預(yù)測法，前者采用一定方案將涉及的主要因素與灌溉面積建立關(guān)系，根據(jù)未來因素的變化預(yù)測灌溉的能力。后者是將各年度農(nóng)田灌溉面積相應(yīng)數(shù)值作為時間序列，認為灌溉面積的規(guī)律蘊含在數(shù)據(jù)序列中，采取適宜的方式預(yù)測未來的數(shù)值。

第一種方案需要準確確定影響因素，預(yù)測未來相關(guān)因素的變化趨勢，并確定各因素對灌溉能力的影響，是一系列較為復(fù)雜且困難的工作。第二種方案需建立預(yù)測模型，然后求取未來的輸入值便可實現(xiàn)預(yù)測。因此，第二種方案更好實現(xiàn)。采用數(shù)據(jù)序列預(yù)測方案，一般會采用支持向量機法和神經(jīng)網(wǎng)路法，這兩種方案更加適用于非線性預(yù)測問題。相比這兩種方案，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易確定且收斂速度較慢的問題，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不確定將導(dǎo)致沒有準確的依據(jù)能夠遵循。因此，采取向量機預(yù)測與實際值更為接近，誤差更小。預(yù)測近幾年內(nèi)的當(dāng)?shù)赜行Ч喔让娣e的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立預(yù)測模型，將數(shù)值進行反歸一化處理，得出所需年份的灌溉能力的預(yù)測數(shù)值。

（四）取水方法規(guī)劃設(shè)計

取水方法是水利灌溉工程規(guī)劃與設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，工作人員需結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況對灌溉水源科學(xué)合理規(guī)劃。目前，灌溉取水的主要方式為自流式灌溉取水與人工灌溉取水。在設(shè)計水利灌溉工程時一般圍繞這兩種取水方式展開實際設(shè)計，結(jié)合規(guī)劃區(qū)域地理環(huán)境及地質(zhì)狀況，選取一種或?qū)⒍呓Y(jié)合設(shè)計取水方式。地下水源成本較高且資源較為稀缺，因此灌溉農(nóng)田的水源一般來源于河流或湖泊，河流運用較多的水源一般采取無壩提取河水或攔壩提取河水，按灌溉取水地域及流量的差異。

以無壩提取河水為例，可以將其設(shè)計為建閘和不建閘兩種。其中，無壩有閘的設(shè)計能夠科學(xué)合理規(guī)劃調(diào)整河流的流量，起到保護農(nóng)作物和灌溉設(shè)施的作用，減少因洪澇損害農(nóng)田的狀況，水利灌溉工程可以實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。而有壩取水需在河流上建設(shè)大壩攔截流水，此種方式能夠提高水位，增加灌渠的容量，儲存充足的水資源保證滿足灌水的需求，克服地勢及水量等因素的影響不能滿足灌溉需求的情況，但建設(shè)大壩需要的資金較高，灌溉區(qū)域較小的農(nóng)田不適宜選擇此種取水方式。在設(shè)計攔壩工程時，溢流壩能夠起到提高水位及泄洪防汛的功能。設(shè)計進水閘能夠控制灌水量，減少泥沙的滲入，確保灌水水流正常和水質(zhì)良好，保護農(nóng)田、周邊房屋、交通道路免受洪水侵害。對于河流水源較為豐富，但種植區(qū)域較大時，修建自流引水工程不夠經(jīng)濟，可以采取抽水取水的方式，滿足灌溉取水需求。而當(dāng)河流流量及水位均不滿足灌溉需求時，可以在適宜的位置修建水庫調(diào)節(jié)徑流，采取水庫取水。

二、農(nóng)田水利灌溉工程灌溉技術(shù)

作為農(nóng)業(yè)大國，我國每年糧產(chǎn)6億多噸，穩(wěn)居世界第一，農(nóng)業(yè)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，提升農(nóng)業(yè)質(zhì)量及產(chǎn)量是重點工作之一。目前，我國水資源較為緊缺，已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，因此國家大力推行建設(shè)農(nóng)田水利灌溉工程，提高水資源的利用效率，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。建設(shè)農(nóng)田灌溉水利工程結(jié)合當(dāng)?shù)氐貏萸闆r、農(nóng)作物生長的需求、氣候季節(jié)、資金狀況等多方面因素綜合考量，選擇適宜的灌溉技術(shù)，以達到提升水資源利用率，節(jié)約人力成本，提升農(nóng)作物產(chǎn)量的目標，下面將介紹四種較常見的灌溉技術(shù)。

（一）地面灌溉技術(shù)

地面灌溉技術(shù)是目前應(yīng)用最廣的灌溉技術(shù)，將灌溉水引入農(nóng)田后，在毛細管和重力的作用下逐漸滲透入土壤中，此種方式施工難度不大，所需設(shè)施較為簡單，能源消耗小，但易導(dǎo)致表層土壤板結(jié)且水的利用率較低，灌水均勻度較差人力成本消耗較高。以水滲入土壤的方式不同分類，可分為畦灌、溝灌、田格灌溉及漫灌。

畦灌是使用土埂將農(nóng)田進行分隔，分隔為長條形畦田，將水從畦首引入，在重力作用下沿一定坡度向前推進，逐步滲入土壤中，此種方式一般用于蔬菜、小麥、谷子等種植較密的農(nóng)作物。畦灌需保證灌水均勻不沖刷土壤，對土壤深層的滲漏損失較小，畦塊越小工程越多，人力成本越高，但能滿足上述要求。溝灌是在農(nóng)作物之間開溝，水流在溝內(nèi)流動，向下及兩邊同時滲入，溝灌一般用于甘蔗、棉花等寬行距農(nóng)作物，溝間距一般等同于作物行距，不會超過1m。若作物間距小于50cm且土壤滲透性好，則采取隔溝灌即兩行一溝，溝深一般在100m左右。田格灌是將水引入田格，建立一定深度水層，一般用于洗鹽灌溉和水稻灌溉中，需精細平整田格，確保田面水層均勻。漫灌較為簡單粗放，一般用于草場或引洪淤灌，將水直接引入至田間或坡地，讓其自行滲入土地，漫灌較為浪費水資源且灌水質(zhì)量較差。

（二）低壓管道灌溉技術(shù)

低壓管道灌溉技術(shù)從田間灌水技術(shù)而言，仍為地面灌水類其以管道的形式代替明渠灌水，在使用時需要較低的壓力，通過管道系統(tǒng)將水輸送至田間灌溉農(nóng)田。目前，低壓管道灌水技術(shù)主要應(yīng)用于輸配水系統(tǒng)層次較少的小型灌溉區(qū)，相較噴灌和微灌其壓力較低。一般情況下低壓管道系統(tǒng)的壓力不超過0.2MPa，管道最遠處的出口壓力控制在0.002MPa左右，受管材承壓的限制有時還會適當(dāng)降低管道的輸水壓力。一般管道由機井、輸水管道、給配水裝置、安全保護設(shè)施、田間灌溉設(shè)施等部分組成。低壓管道灌溉技術(shù)能夠有效降低蒸發(fā)量及滲漏的水資源損失，提高水資源的利用率。

經(jīng)實踐表明，一般比水渠節(jié)約30%左右水量，是較為有效的節(jié)水灌溉技術(shù)。此種方式比傳統(tǒng)的土渠輸水流速大，供水更為及時，能夠適時供水提升灌水效率，在一定程度上降低灌水的人力成本。低壓管道灌溉技術(shù)較土渠減少2%的井灌區(qū)，由于我國土地資源較為緊缺，從某種角度而言，此種技術(shù)具有很大的社會效益和經(jīng)濟效益。低壓管道技術(shù)在減少水量損失的同時可以縮短輪灌周期，改善田間灌水條件，滿足農(nóng)作物生長需水量，從而達到增產(chǎn)增收的效果。另外，采用管道輸水更為便于管理及機耕。

（三）加壓噴灌技術(shù)

加壓噴灌技術(shù)是使用專業(yè)的設(shè)備或借助地勢差，加大水的壓力使水通過噴射設(shè)備以雨點的形式灑落至農(nóng)田，形成降雨濕潤土壤樣式。噴灌適用于大部分的旱作物，如谷物、藥材、蔬菜等，一般不受地形限制既適用于山丘地段也適用于平原。無論土壤透水性如何均可適用噴灌技術(shù)。除了適用于農(nóng)作物灌溉外還適用于草地園林或花卉的灌溉，還可以噴灑肥料及農(nóng)藥，最大限度節(jié)約人工成本。噴灌技術(shù)灌水更為均勻且水資源的損失較小，相較地面灌水節(jié)約40%左右的水量，對于保水能力差且透水性強的地質(zhì)而言節(jié)水效果更為明顯。此種方式較為靈活可變，根據(jù)土壤地質(zhì)狀況及透水性強度調(diào)節(jié)水量，既能夠保持土壤疏松又能保證水分全部滲入土層內(nèi)，提高農(nóng)田的機械化程度，降低灌溉勞動強度。

根據(jù)設(shè)備種類的差異可分為管道式噴灌和機組式噴灌兩種；按管道安裝方式可分為半固定式噴灌及固定式噴灌和管道全移動式噴灌。在選擇噴灌形式時，需要結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)田情況合理分析。對于耕地分散且水管理不統(tǒng)一的區(qū)域應(yīng)建設(shè)小型輕型的移動式噴灌機組，對于干旱但土地相連且作物統(tǒng)一的區(qū)域，應(yīng)建設(shè)大型或中型噴灌機組；對于種植經(jīng)濟作物的區(qū)域可以建設(shè)固定式噴灌；對于經(jīng)濟水平一般的地區(qū)則建設(shè)半固定式噴灌。在噴灌使用時，要注意風(fēng)力、蒸發(fā)等因素的影響，風(fēng)力達3～4級時應(yīng)停止噴灌。

（四）地下灌溉技術(shù)

地下灌溉系統(tǒng)由微灌演變而來，微灌的有效率可達90%以上。此種方式備受各地青睞，地下灌溉技術(shù)是將水引入至田下，在通過土壤毛細血管的作用，滲透至作物內(nèi)部供作物生長的需求，此種方式適用于上層土壤毛細管特征良好但下層土壤透水性較差的區(qū)域。與其他灌溉技術(shù)相比，地下灌溉技術(shù)輸水率、水利用率、灌水率更高且耗能少，但同時具有一定的限制，此種方式耗資高，設(shè)備耐久性差，技術(shù)要求高，灌水均勻性差，易出現(xiàn)堵塞。

地下灌溉技術(shù)在國外得到廣泛的應(yīng)用，一般能用于果蔬或其他產(chǎn)值較高的作物上，棉花或玉米等大田作物也有少量的應(yīng)用。相較地面滴灌系統(tǒng)的設(shè)計地下滴灌系統(tǒng)更為特殊，且檢修工作更為困難，在設(shè)計時需安全進氣閥門以更好處理斷水過濾工作，定期沖洗系統(tǒng)管道，為保證供水的均勻性需使用帶有補償性能的滴頭或內(nèi)鑲式滴頭，為避免供水停止在管內(nèi)產(chǎn)生負壓將管外土壤顆粒內(nèi)吸而造成滴頭堵塞的情況，需在系統(tǒng)上安全真空破壞裝置。此系統(tǒng)埋于地下，因此人們不能直觀地觀測設(shè)備使用狀態(tài)及灌水情況，當(dāng)設(shè)備需要檢修時需要投入大量的時間和精力，管理費用較高，在某種情況下地下灌溉技術(shù)經(jīng)濟性較低，需全面衡量考慮。

參考文獻：

[1]張德儒.農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計與灌溉技術(shù)分析[J].南方農(nóng)機，2023，54（11）：174-176.

[2]聶瑛.農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計研究[J].鄉(xiāng)村科技，2022，13（15）：153-155.

[3]劉國恒.農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計與灌溉技術(shù)分析[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2022，640（11）：56-59.

[4]屈鳳臣.山東鄆城縣中小型農(nóng)田水利灌溉工程設(shè)計及節(jié)水技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2022，42（11）：41-42.

[5]姜殿斌.中小型農(nóng)田水利灌溉工程設(shè)計及節(jié)水技術(shù)探析[J].水利科學(xué)與寒區(qū)工程，2022，5（02）：67-68.

作者簡介： 劉星洋（1981），男，山東省臨沂市人，本科，工程師，研究方向為水利工程。