关于节水灌溉的优化途径分析

2015-11-26新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院

河南水利与南水北调 2015年19期

□袁伟（新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院）

1 农业节水的必要性分析

上个世纪初期，全球的年耗水量约为600 km3，到上个世纪末期，增长至5500 km3。在最近数十年间，随着全球经济的快速发展，用水的增长速度达到了人口增长速度的3倍。现阶段，有80多个国家占世界人口总数40%左右的人口缺水，这其中有26个国家严重缺水。因为缺水，全球有将近20%左右的草场退化，渔业的产量下降了8%左右，大量的耕地也开始出现退化现象，上述种种，对人类的生存构成了严重威胁。

相关资料显示，我国的水资源总储量约为28124亿m3，基本与美国等发达国家持平，位居世界前列。然而，因我国的人口数量较多，致使人均水资源的占有量仅为2200 m3，约为世界平均水平的25%左右，排在100位以后，耕地面积水资源的占有量约为世界平均水平的4/5，属于典型的贫水国家。目前，国内约有40%以上的国土面积缺水，10%国土面积上的水资源仅能维持人类生存的基本用水需要，农村有将近2500万人饮水困难，全国年缺水量约为400亿m3，其中农业缺水为300亿m3，平均每年农业因干旱缺水导致粮食减产200多亿kg；城市与工业缺水约为60亿m3左右，每年因缺水导致的工业生产损失有将近2300亿元。国内668座城市当中，有将近400座属于缺水城市，其中100余座为严重缺水城市。因为水资源的缺乏，导致了河水断流、湖泊干涸、土地沙漠化。以黄河为例，它是我国西北和华北地区重要的水源，承载着1.60亿hm2耕地和1.40亿人口的供水任务，黄河下游的断流现象在过去数十年内频繁出现，导致这一问题的原因既有自然因素，也包含人为因素，其中农业灌溉的用水量就占了90%以上。我国是农业大国，该产业也是最大的水资源用户，其用水量约占总用水量的70%以上，不仅如此，农业的水资源浪费也比较严重。为此，改变农业用水观念，创新用水方式，发展节水灌溉，已成为我国农业的必由之路。

2 节水灌溉系统的优化设计途径

2.1 系统规划

2.1.1 规划原则

节水灌溉工程建设要结合农田基本建设规划的内容，综合考虑和利用灌区内沟、渠、路、输电线路、水源位置等因素；节水灌溉工程要结合当地经济状况，使工程规划能够满足当地农业近期需要和长远发展，量力而行。

2.1.2 规划内容

主要包括工程环境勘察、基本资料收集、工程可行性研究、工程规模确定、工程预算编制、灌溉方式选择、灌溉工程布置等内容。

2.1.3 资料收集

①地形资料：包括工程所在地的海拔高度、自然地理特征，以及工程覆盖区域周围水源、道路、供电等情况；②地质资料：包括工程所在地的土壤类别和容重、土壤pH值、耕作层厚度、田间持水量等资料；③水文和气象资料：包括降水量、蒸发量、空气湿度、平均气温、日照时间、风速风向等；④农作物资料：包括灌溉区域内的种植面积、作物种类、种植方式、作物株行距、作物耗水量等；⑤水源情况。包括河流、机井、水库等灌区周围水源情况，若将其选定为灌溉水源，则必须掌握水源的保障能力，查看其是否有断流情况。

2.2灌溉工程参数的优化设计

2.2.1 微灌耗水强度及补充强度设计

通常情况下，微灌只对部分土壤的表面的进行润湿，其与地面灌溉和喷灌相比，农业作业的耗水量主要用于本身的蒸腾过程耗费的水量，地面蒸发的损失量相对较小，具体可通过下式进行计算：

上式中，Ea代表灌溉农业作物的实际耗水强度（单位：mm/d）；Kr代表农业作业遮阴率对耗水量的修正系数（一般可取1）；Ec代表农业作业的需水量（单位：mm/d）。

所谓的设计耗水强度具体是指在设计条件下，微灌农业作业的耗水强度，通常可以取设计年灌溉季节月平均耗水强度的峰值作，当没有相关资料参考时，可依据表1中给出的内容进行选择，需要注意的是，选取后应当结合当地的情况进行具体论证。

表1 设计耗水强度建议值表（单位：mm/d）

补充强度则是指在设计条件下的灌溉补充强度，其主要取决于以下条件：设计耗水强度、灌溉保证率、降雨量以及土壤盐分等[4]。通常可按下式进行计算：

上式中，Ia代表补充强度（单位：mm/d）；Ic代表设计耗水强度。若是有其它来源对农业作物的耗水量进行补充时，如自然降雨、土壤本身的含水量、地下水补给等，则灌溉过程只需要补充农业作业耗水强度不足的部分。补充强度的设计是确定灌溉系统最大输水能力的重要依据之一，相关研究结果表明，补充强度越大，灌溉系统的输水能力就越大，其保证程度就越高，整个系统的前期投资也就越大。故此在设计补充强度时，既要充分考虑农业作业对水的实际需求，同时还要确保经济上合理可行。

2.2.2 土壤湿润比

所谓的土壤湿润比具体是指灌溉过程中被湿润的土体所占计划湿润总土体的百分比。在实际应用中，一般以地面以下20～30 cm处的湿润面积占总灌溉水面积的百分比表示，它的作用是计算灌溉定额。目前，各种农作物与土壤之间的适宜润湿比并没有一个明确的定论，研究结果表明，设计湿润比越大，灌溉系统的流量就越大，越容易满足农作物的用水需求，灌溉的保证程度越高。但是系统的投资和能耗也就越大，故此，在土壤湿润比的设计中，要充分考虑农作物对水的需要，同时还应当考虑工程的合理性。具体可按表2的内容进行参选。

表2 土壤湿润比建议取值范围表（单位：mm/d）

2.2.3 灌水均匀度

节水灌溉要保证灌水达到一定的均匀性，才能提高灌水质量和灌溉水的利用效率。影响灌水均匀度的因素主要包括灌水器工作压力、堵塞情况、水温变化、地形变化等方面。在实际工程中，一般将流量偏差作为灌水均匀度控制的主要手段。灌溉系统由多个灌水单位组成，每个灌水单位下分多个支管和毛管，而每个毛管上又有少则几十、多则上百个灌水器或滴头，并且这些灌水器受水流流动产生的作用力影响，其出流量也会各有不同。在地形坡度为零的条件下，距离支管进口最近的第1条毛管的第1个灌水器，其工作水头最大；距离支管进口最远的毛管的最末灌水器，其工作水头最小。所以，灌水均匀度可通过限制灌水单元中灌水器的最大流量差进行有效控制。

2.3 系统布置

2.3.1 毛管与灌水器

①对于密植果树或窄行密植作物滴灌而言，沿着作物行向布置毛管，毛管上安装滴头，每行作物或几行作物布置一条毛管；②对于成龄果树滴灌而言，沿着一行成龄果树布置一条输水毛管，并在每棵果树周围安装一条环状灌水管；③对于大行距高大作物滴灌而言，采用双行毛管平行布置，在每行树的两侧布置两条毛管；④对于果树和盆栽作物滴灌而言，沿着一行作物布置一条毛管，并在每条毛管上接入若干个分水微管。上述布置方式均要求毛管与作物行向平行布置，若作物采用的是等高种植方式，那么毛管还要沿着等高线进行布置。

2.3.2 干支管的布设

根据地形、水源、作物分布情况以及毛管布置方式，遵循方便管理、降低工程费用的原则，合理布置干管、支管。在山丘地区，干管应沿着等高线或山脊进行布置，支管要垂直于等高线进行布置，使其满足向两边毛管配水的要求；在平地上，干管可布置在支管中部，支管可布置在毛管中部，采取丰字形布置方式，以节省管材。