高寒高海拔地區(qū)田間農業(yè)水利節(jié)水灌溉輸水方式選擇分析

婁忠秋,肖鵬,李逸

(1.四川水利職業(yè)技術學院,四川崇州,611231;2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學,蘭州,730123)

1 灌區(qū)概況

米林縣派鎮(zhèn)索松村位于雅魯藏布江左岸,是一個以農業(yè)為主、牧業(yè)為輔的半農半牧縣。索松村現(xiàn)狀取水口屬人畜飲水共用水源地,并兼有灌溉作用。由于現(xiàn)有水源供水不足,水量過小,不能滿足人畜用水和灌溉用水,年耕種面積僅為56.6hm2,如圖1所示,現(xiàn)狀取水口和灌溉主渠已經完全損壞。灌溉主渠采用素混凝土襯砌,未配置鋼筋,渠道邊墻出現(xiàn)垮塌、滲水現(xiàn)象,影響渠道沿線邊坡穩(wěn)定,因此急需對索松村居民飲水灌溉水源進行建設。

圖1 現(xiàn)狀已損壞的取水口和灌溉主渠

目前常用的農田水利工程節(jié)水灌溉技術主要為渠道防滲技術、低壓管道輸水灌溉技術、噴灌、滴管、微灌和滲灌等[1],并輔以現(xiàn)代信息化技術,逐步往智能化、自動化和精準化方向發(fā)展[2]。郭凱[3]分析了當前應用的渠道防滲新技術;張新貴[4]提出以低壓農水管道傳輸解決輸水過程中大量滲漏和蒸發(fā)問題;耿正崢[5]基于人工神經網絡幫助農民解決節(jié)水灌溉中出現(xiàn)的問題,實現(xiàn)了智慧化灌溉?；谀壳笆褂玫墓?jié)水灌溉技術,本文根據索松村自然條件,選取合適的灌溉制度,并分析和比選了節(jié)水灌溉技術方案。

2 灌溉方式選擇

2.1 灌溉方式及灌溉制度確定

此次索松村灌溉工程不僅需要為農業(yè)灌溉提供用水需求,而且需要提高渠系水利用系數和灌溉保證率,改善生態(tài)環(huán)境,使灌溉水利工程達到安全運行、科學管理的目的。設計過程中,在確定合理的灌溉制度時,應根據灌區(qū)自然條件等因素,認真進行調查研究,聽取受益群眾、地方政府和有關部門的意見和建議,使設計方案更符合實際。

農作物的灌溉制度指播前及全生育期內的灌水次數、灌水時間、灌水定額和灌溉定額,它隨作物種類、品種、自然條件、農業(yè)技術措施和灌水技術的不同而變化[6]。本次設計搜集了該地區(qū)及其他一些地區(qū)的灌溉實際資料,并根據當地的灌水經驗,按水量平衡原理對灌區(qū)的灌溉制度進行了認真細致的分析計算,充分論證灌區(qū)渠系水利用系數、灌溉定額、灌水率的合理性。

本工程設計總灌溉面積185.1hm2,其中耕地灌溉面積118.2hm2,林草地灌溉面積66.9hm2。耕地內作物主要為冬小麥、青稞和油菜。根據灌區(qū)作物種植結構,借鑒已經實施的鄰近節(jié)水改造的灌區(qū)及已建的其他工程灌溉制度,結合灌區(qū)實際情況,初步擬定渠道輸水(續(xù)灌)和管道輸水(輪灌)兩種灌溉方式,下面對兩種灌溉方式進行比較選擇。

2.2 灌區(qū)灌水率

灌水率計算主要依據灌區(qū)內各作物的灌溉制度、種植比例及作物灌水延續(xù)時間進行計算[7]。根據在當地的實際調查,結合灌區(qū)規(guī)模和灌水條件綜合分析,本次設計采用自流灌溉,主要作物的播前灌水延續(xù)時間取10d,生育期灌水延續(xù)時間取10d。灌水率計算公式為:

(1)

式中,mik、Tik、tik分別為第i種作物第k次灌水的灌溉定額、灌水持續(xù)時間、灌水一天的延續(xù)時間,單位分別為m3/hm2、d、h;αi為第i種作物的種植比例;其中,自流灌溉取tik=24h;輪灌取tik=8h。

2.3 灌溉水利用系數

對于混凝土渠道引水灌溉,干渠的水利用系數為:

(2)

Q凈=Q毛-△Q

(3)

式中,Q凈為渠道的出口凈流量,m3/s;Q毛為入口的毛流量,m3/s;△Q為渠道的輸水損失,與渠道的襯砌方式和渠道的長度有關,m3/s。經計算,采用渠道輸水(續(xù)灌)的渠道水利用系數η干為0.95,η支為0.75。則渠系水利用系數為:

η渠系=η干×η支

(4)

這里取田間水利用系數η田間為0.90,水田的利用系數甚至可達0.95,因此灌溉水利用系數計算公式為:

η灌溉水=η渠系×η田間

(5)

綜上,采用渠道輸水(續(xù)灌)的渠道灌溉水利用系數η灌溉水為0.64。

同理,對于管道輸水(輪灌)方式,同樣取田間水利用系數為0.90,管系水利用系數為0.94,則管道灌溉用系數η灌溉水=0.90×0.94=0.85。

在渠道實際運行過程中,可能會出現(xiàn)超過設計工況威脅渠道安全和其他未及預料的情況,在設計時應加大渠道的輸水量。因此本次設計渠道加大流量系數取1.3,進行渠道的校核工作。

2.4 灌溉需水量

渠道設計時應考慮灌溉實際的需水量,根據各作物規(guī)定的灌溉制度、渠道的灌水利用系數計算獲得,包括各種農作物成長時所需的生長用水量、流經渠道的損失水量及田間灌溉時的損失水量。通常以每月的各時段內作物的灌水量乘以各作物的種植面積。而作物的需水量可通過試驗資料獲得。圖2繪制了兩種灌溉設計方式各月分時段的毛用水量。由圖可知,管道輸水(輪灌)的用水量明顯小于渠道輸水(續(xù)灌)方式,管道輸水用水量基本穩(wěn)定在2萬m3,兩種輸水方式平均差值為4.12萬m3,可以看出選擇管道輸水(輪灌)較合適。

2.5 水量供需平衡分析

水量供需平衡分析是指一定的用水地區(qū)在某些時期的可提供水量和需要水量之間的供求關系的分析,可深入理解該地區(qū)水資源總量的供需現(xiàn)狀和存在的問題。對于水資源供給分析,在本次設計中工程取水口可提供水量計算時,由于該設計流域無水文資料,且本工程取水口控制流域面積均較小,因此擬采用兩種方法來推求取水斷面處河道徑流,一為徑流深等值線法,二為水文比擬法。

2.5.1 徑流深等值線法

查閱該地區(qū)水文水資源勘測局繪制的多年平均徑流深等值線圖,可得到各工程取水口斷面年平均徑流深,根據如下計算公式:

(6)

根據公式(6)對現(xiàn)存的老取水口和擬建的新取水口進行供給平均流量計算,可得到工程取水口多年平均流量結果,如表1所示。可以看出,擬建的新取水口可提供的年平均流量為0.55m3/s,遠大于現(xiàn)有老取水口的供水量。

表1 徑流深等值線法和水文比擬法計算工程取水口多年平均流量成果

2.5.2 水文比擬法

水文比擬法計算供水量的公式為:

Q取水口=(F取水口/F更)×(P取水口/P更)×Q更

(7)

式中,Q更為上游國家基本控制站更張站水文測驗資料中的多年平均流量,取480m3/s;F取水口為取水口以上流域面積,km2;F更為更張站的流域面積,取15600km2;P取水口為取水口以上流域的多年平均降水量,mm;P更為更張站以上流域的多年平均降水量,取1300mm。經計算,采用水文比擬法得到工程取水口處多年平均流量成果如表1所示。

2.5.3 徑流成果合理性分析及選用

通過對以上兩種方法計算成果的比較,發(fā)現(xiàn)各取水口處多年平均徑流成果相差非常小,兩種方法起到了相互印證、相互比較的作用,原則上都可被采用?？紤]各取水口面積極小,與更張站面積相差太大,水文比擬法計算較為復雜,因此本次設計推薦采用徑流深等值線法計算結果作為各取水口多年平均流量的成果。

參照尼洋河流域觀測資料分析,結合地區(qū)經驗,設計流域內徑流參數確定為:年徑流變差系數Cv值采用0.24,偏態(tài)系數Cs=2.0Cv。根據《灌溉與排水工程設計標準》[8],徑流頻率取P=50%、P=75%和P=95%,對應KP=50%=0.98,KP=75%=0.83和KP=95%=0.64。

根據本次灌溉工程需要,主要對P=50%和P=75%代表年進行年內分配。在更張站實測徑流資料中,P=50%選擇1993年、P=75%選擇1982年分別作為平水年、較枯水年的代表年,采用同倍比縮放,計算出取水口徑流年內分配,如圖3所示?？梢钥闯?新建的取水口大大增加了年內徑流量,特別是夏季汛期的時候更為顯著,可滿足索松村農業(yè)灌溉需求。

圖3 工程各取水口處設計頻率徑流年內分配

2.5.4 水量供需平衡分析

根據上述計算的兩種灌溉方式需水量結果,以及新建取水口的年平均徑流供水量,可計算選取的兩種灌溉方式的水量供需平衡,圖4展示了P=75%下的取水樞紐與設計引用流量的年內分布。可以看出,取水樞紐供水量在夏季汛期時遠大于設計引用流量,而在冬季枯水期大致滿足灌溉水需求,而且采用渠道輸水和管道輸水供需平衡差別不大。

圖4 兩種灌溉方式水量供需平衡結果

值得注意的是,索松村灌區(qū)采用渠道輸水灌溉方式,二月中旬需水5184m3,三月中旬需水864m3,灌區(qū)二月中旬和三月中旬取水口來水量不能滿足灌溉需求,供需水量差分別為-0.006m3/s和-0.001m3/s。采用管道輸水灌溉方式各月取水口來水量均能滿足灌溉需求。

通過以上數據分析,采用管道輸水(輪灌)方式每年可節(jié)約用水61萬m3,因此,為保證灌區(qū)各月用水量,提高水資源利用率,本階段推薦采用管道輸水(輪灌)方式進行灌溉。灌溉水利用系數為0.85,灌水模數為:Q輪灌=154.66(m3/s)/hm2。

3 結語

全面加強農業(yè)灌溉工程建設和發(fā)展水利是完善水利基礎設施建設、提高居民生活水平必不可少的一項重要舉措。本文針對索松村水資源供水不足問題,根據灌區(qū)自然條件和群眾意見,確定了合理的灌溉制度,并初步擬定了兩種灌溉方式,基于數個供需水量指標分析,最終推薦采用管道輸水(輪灌)方式進行灌溉,有利于提高灌溉水利用率,解決項目區(qū)灌溉用水供需矛盾,為農業(yè)生產提供灌溉保障,對本地規(guī)?；l(fā)展節(jié)水灌溉工程起到示范帶動作用。