梯田水资源网络化高效利用研究示范

田晋华， 高雅玉

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州730020)

水资源是人类生存和发展的基础，水资源短缺已成为经济社会可持续发展的重要制约因素［1］。甘肃省半干旱区面积约为11 ×104km2，约占甘肃省总面积的30%，区域生态环境脆弱，水土流失严重，水资源匮乏。流域水资源利用存在总量贫乏、年际年内分配不均，常规水资源量低、水污染问题日趋严重等问题［2］。半干旱区农业发展过程中，控制水土流失，改善生态环境，改变农业生产基础的重要措施是梯田建设。截至2015 年末，甘肃省已经建设梯田15 880 km2，占甘肃省半干旱区面积的15%。梯田在充分利用雨水资源、促进农村经济、改善生态环境等方面发挥了显著作用。然而，甘肃省梯田建设仍存在水资源利用效率低的问题，成为社会经济、农业生产等活动的较大限制性因素。

梯田是雨水资源化利用行之有效的途径［3］，实现雨水集蓄利用与小流域生态治理技术的有机集成，进而达到雨水资源的合理、高效利用，对我国北方旱区农业高效用水和生态环境良性循环具有重要意义［4］。雨水集蓄利用是指采取工程措施对雨水进行收集、蓄存和调节利用的微型水利工程［5］。梯田雨水网络化收集利用研究旨在有机集成水土保持、抗旱耕作、农艺保水以及雨水集蓄补灌四大措施，发挥梯田系统的总体功能，形成梯田抗旱增产技术体系，为调整土地利用结构、改善生态环境，实现农业经济的可持续发展创造良好条件。

陇东地区属旱作雨养农业区，近年来，全球气候变暖，降水分布不均，干旱频发，作物产量波动大［6］。因此，课题组在对陇东地区梯田系统雨洪资源可利用潜力评价的基础之上，对陇东地区梯田系统路网+田面集水高效补灌技术模式和梯田系统+村庄经济型雨水收集技术模式进行了设计及示范，建立了6.67 ha 标准化梯田水资源高效利用示范区。以期通过示范点的建成，对形成和推广半干旱地区梯田雨水资源网络化利用技术体系，解决半干旱地区梯田农作物补灌问题，为正在实施的以水土流失治理、发展旱作农业为目的坡改梯工程提供技术支撑。

1 梯田系统路网+田面集水高效补灌技术模式

1.1 示范点选取

梯田系统路网+田面集水高效补灌技术模式示范点位于陇东黄土残塬沟壑区的庆阳市庆城县马岭镇安沟小流域，主要收集、利用梯田路网雨水，根据主要作物的生长需水特征，示范不同类型节水灌溉技术和补灌制度。

1.2 模式设计

安沟小流域梯田系统中的2 ha 梯田系统种植作物按玉米和苹果进行设计，共分为5 个地块，地块尺寸为140.5 m×150 m。补灌方式选择滴灌，在玉米生长的播种-拔节和抽雄-灌浆时期补充灌溉量为150 m3/ha，在苹果萌芽期和二次生长期补充灌溉150 m3/ha。依据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T 20203—2006)，参考陇东地区其它节水灌溉相关的资料，结合选定设计区域的土壤、气候、地形等条件及种植作物灌溉需水特点，进行滴灌设计。

1.2.1 集流面积的确定

根据拟定的补灌制度，设计示范地点共需灌溉水量6 000 m3，而设计示范区内共有可利用的混凝土道路长140.5 m，宽4.5m;黄土道路长246.5 m，宽2 m，保证率为85%时的集流效率为0.80。陇东地区多年平均降雨量为521.4 mm，其中5—9 月的平均降雨量为421.0 mm，占年降雨量的80.1%，降雨集中期可收集到的雨水资源量按平均降雨量的70%计算，现有的路面可收集到的雨水资源量为230 m3。为满足补灌要求，应修建人工集流面或在农闲期进行田面覆膜收集雨水资源。人工集流场和田面覆膜的集流效率分别为0.92 和0.85，计算得到需修建1 103 m2的人工集流场或1 194 m2的农闲期田面覆膜，如表1 所示。

表1 集流面积确定Tab.1 Determination of the collecting area

① 补充修建混凝土集流面

集流面的集流面积为1 103 m2，修建混凝土集流面的厚度宜取3 ～4 cm，采用C15 现浇混凝土，集流面横向坡度宜取1/20 ～1/10，纵向坡度宜取1/100 ～1/50。混凝土浇筑前应对地基进行洒水翻夯，翻夯厚度以30 cm 为宜，夯实后的干密度不小于1.5 t/m3，也可采用砂砾石作垫层。浇筑分块尺寸为1.5 m×1.5 m 至2.0 m ×2.0 m，每4 ～5m 设置纵横向伸缩缝，缝宽2.5 m，缝间可填塞沥青。伸缩缝深度应做到和混凝土的厚度相同。混凝土面初凝后，要覆盖麦草、草袋等并洒水养护7 d 以上。夏天燥热时，每天洒水不得少于4 次。

② 农闲期覆膜

农闲期田面覆膜面积为1 194 m2，塑料薄膜集流面可采用农地膜或棚膜，塑料薄膜铺设接缝可采取焊接和搭接:焊接时，两幅膜的堆叠宽度不宜小于10 cm;搭接可采取折叠止水，两幅膜的堆叠宽度不得小于30 cm。裸露式塑料薄膜的四周和外表的适当部位宜用砖块、石块或木条压实。

1.2.2 蓄水工程的设计

根据陇东地区的实际情况，蓄水工程采用该地区常用的薄壁水窖。依据所需的灌溉水量600 m3，确定水窖的蓄水容积和数量。

式中:V 为蓄水容积，m3;W 为设计保证率条件下的年供水量，600 m3;α 为蓄水工程蒸发、渗漏损失系数，可取0.05 ～0.1，研究中取0.1;K 为容积系数，0.75。

计算得到蓄水容积V=419 m3，根据《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB/T 50596—2010)，新修水窖容积为30 m3，水窖个数为14 个，配套10 个沉砂池。

水窖中径为3 m，底径为2.6 m，穹顶高1.2 m，窖体深5.1 m，窖口直径为1.0 m。窖体采用混凝土浇筑，厚15 cm;窖底夯实后，采用3 ∶7 灰土防渗，防渗厚度为30 cm。

修建沉沙池10 座，单个沉砂池尺寸为1.2 m ×1 m×0.8 m，砖砌结构，表层抹M10 水泥砂浆。

1.2.3 灌溉系统布设研究

根据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T 20203—2006)，参考陇东地区相关的节水灌溉资料，结合所选地块的土壤、气候、地形等条件及种植作物灌溉需水特点，进行补灌参数的设定及灌溉系统的布设设计工作(见图1)。设计地点共分为1#～5#地块，其中1#、3#种植玉米，2#、4#和5#种植苹果，玉米的株行距为0.4 m ×0.5 m，苹果的株行距为5 m×4 m。

图1 典型设计地点地块示意Fig.1 Plot diagram of typical design site

1)补灌延续时间与设计补灌流量

经过计算，玉米和苹果的灌溉时间分别为8.05和2.78 h。1#～5#地块各水窖所接干管和支管的流量见表2。

2)干管和支管管径

参照《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T 20203—2006)，PVC 管管内经济流速为1.0 ～1.5 m/s。根据管径计算公式和管材规格以及表2，1#、3#和5#地块干管和支管的管径分别为63 和16 mm;2#和4#地块干管和支管的管径分别为60 和30 mm(除4#地块干管管径为70 mm)。根据计算结果，干管、支管均选用PVC 管，支管的形式为内贴片式滴灌带。

3)管网水力计算

① 支管水力计算

支管的内径(16 mm)＞8 mm，可认为管内流态为光滑紊流。支管沿程水头损失按多孔管计算，局部损失按照沿程水头损失的10%计，得到支管的水头损失hf支见表2 第7 列。

再计算支管进口工作压力h0支，例如1#地块A泵连接的干管上支管的进口工作压力为0.165 m，则A 泵干管上总共30 根支管的总进口工作压力为4.96 m，所有支管的进口工作压力见表2 第6 列。

② 干管的水头损失计算

计算干管的水头损失包括沿程水头损失hf和局部水头损失hj，分别列于表2 第6、第7 列。其中，局部水头损失以沿程水头损失的10%计算。

4)水泵动力选型

根据设计工况需要的扬程和流量确定水泵型号，由于部分梯田通电困难，所以在设计中选择太阳能(光伏)潜水泵。

经过对A 至O 的管网总损失计算(见表2)，最后选定光伏水泵A 至O 的型号和参数:设计流量，40 ～60 m3/h;型号，SPA4750060 -2;设计扬程，8 ～15 m;出水口径，50 mm;最大开路电压，450 VDC;推荐工作电压，150 ～350 VDC。

表2 典型地块补灌设施水力计算Tab.2 Hydraulic calculation of filling irrigation facilities of typical land

5)其它辅助补灌设施

① 过滤器

因为补灌水源为水窖水，杂质主要为沙粒，选用LW-100(4”)离心+网式组合式过滤器即可满足补充滴灌要求。

② 施肥罐

选择压差式施肥罐，根据滴灌工程设计图集，补灌面积为2 ha，可选择5 L 的施肥罐。

③ 控制测量设施与保护装置

由于补灌系统较小，故不设置变频调速设备。在筛网过滤器与离心过滤器之间设有施肥阀和相应的闸阀。筛网过滤器后设置水表，水泵与过滤器之间设逆止阀，规格与水泵的进出口直径相同;过滤器进出口设置压力表，在连接管最高处设置排气阀。

1.3 梯田系统路网+田面集水高效补灌技术模式

1.3.1 建设面积

建设示范区面积为2 ha，其中推广种植玉米0.9 ha，栽植果树1.1 ha，共5 个田块。

1.3.2 梯田雨水网络化收集技术建设

参考《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB/T 50596—2010)、《甘肃省雨水集蓄利用工程技术标准》，根据已有研究，计算得出玉米生育期内盈缺水量为27.7 m3/a。项目根据不同灌溉设施的最大补灌定额(小管出流，360 m3/ha)，计算得出玉米推广区的最大需水量为720 m3。结合庆城县实施的国家农业综合开发水土保持项目——安沟小流域综合治理工程，设计新修梯田配套建设的单个水窖容积为30 m3，共需24 口水窖。计划利用梯田路网作为集雨面，路面为混凝土路面，路宽4.5 m。根据设计灌水量确定集雨面积，按照供水保证率P =50%、集流系数为0.8、推广区多年平均降雨量536 mm、安全系数为1.2 的条件，需集雨面积2 325 m2(小管出流，1 162.5 m2/ha)，路长517 m。

推广区内可供利用的水窖15 口(其中新建7口、老窖8 口)，并且至少每一田块都有1 口水窖;可利用的混凝土道路长320 m，即集水面积1 440 m2。

1.3.3 灌溉设施布设

推广示范4 种节水灌溉技术，分别为内镶片式滴灌带、压力补偿式滴头、地插微喷和小管出流;针对玉米推广内镶片式滴灌带，果树主要推广压力补偿式滴头和小管出流，试验地插微喷(考虑到果树套种其他作物，例如大豆)。

1)玉米田块布设

根据水窖数量和位置限制，管道按照分块的原则布设，用主管道(PE 管、∮32 mm)将田块划分成2块，通过阀门控制灌溉区域，将内镶片式滴灌带(16 m×0.3 m ×300 m，1.38 L/h)直接连接至主管道上，沿每行玉米根部布设。采用间距为30 cm 的滴灌带，每3 ～4 个滴头灌溉3 株玉米。

2)果树田块布设

管道沿每行果树布设，将压力补偿式滴头(4 L/h)、小管出流(8 L/ h)和地插微喷(R =4 ～4.3 m)根据植株的位置直接装于管道上，通过阀门控制灌溉区域，根据不同的滴头出水量控制灌溉数量(行数)和时间。经统计，小管出流布设面积为0.49 ha，压力补偿滴头面积为0. 43 ha，地插微喷面积为0.13 ha。推广区内用电便利，动力采用不锈钢潜水泵，汽油水泵作为备用动力。不锈钢潜水泵规格分2 种，分别为:口径40.6 m/h，扬程32 m，功率1.5 kW;口径40.8 m/h，扬程18 m，功率0.75 kW。

1.3.4 灌溉制度

根据当地种植作物的种类、降雨量、地形等多种因素的影响，同时参照国家《雨水集蓄利用工程技术规范》和《甘肃省雨水集蓄利用工程技术标准》，确定集雨设施的容积和灌溉制度(玉米):项目，高效补灌技术;水，30 m3;补水灌水方式，压力补偿式滴头、小管出流、内镶片式滴灌带;灌水次数，3 次;灌水量，22.5 m3/ha。

2 梯田系统路网+人工集流高效补灌技术模式

2.1 示范点概况

梯田系统路网+人工集流高效补灌技术模式示范点位于庆阳市西峰区什社乡兰州大学庆阳黄土高原草地农业试验站内，该试验站是传统的雨养农耕区，总土地面积为94.47 ha，其中宁县瓦斜乡东风沟有80 ha 天然草地。实验用房面积为200 m2，实验站海拔在1 500 m 左右，年均降雨量约为510 mm，30 ℃年积温3446 ℃。项目组在农业试验站内选择一段道路:路面宽7 m，均为水泥路面，道路两侧设有路沿石，高10 cm，每隔10 m 两侧各设有一个排水口，用于排泄路面雨水，示范点共计灌溉果园面积4.67 ha。

2.2 示范点建设情况

利用路面坡度，在道路一端设置雨水收集口、沉沙池和雨水收集池，初期雨水通过道路两侧雨水排泄口和雨水收集口分水闸排弃，而后堵塞雨水排泄口，进行雨水收集。初期弃流从道路两侧进入绿化带及耕地;在雨水收集池设置潜水泵，配备滴管设施及洗车管线。滴灌配套用于道路一侧4.67 ha 苹果园的节水灌溉，技术示范平面布局见图2。

图2 平面布置Fig.2 Plane layout

2.2.1 雨水收集口

收集口采用钢筋焊制，尺寸为7 m ×0.25 m，网孔大小为3 cm×3 cm，在收集口两端(一端连接沉砂池、另一端接路边耕地)设置闸口。

2.2.2 沉砂池

修建1 座沉砂池，沉砂池尺寸为2 m ×1 m，深1m，砖砌结构，表层抹M10 水泥砂浆。

2.2.3 混凝土水窖

需新建1 眼水窖，根据《雨水集蓄利用工程技术规范》，新修建水窖1 眼，容积为60 m3。水窖中径为3.8 m，底径为3.3 m，穹顶高1.5 m，窖体深6.5 m，窖口直径为1.0 m，窖体采用混凝土浇筑，厚15 cm，窖底夯实后采用红胶泥防渗，防渗厚度为30 cm。

3 效益分析

根据《水土保持综合治理效益计算方法》(GB/T 15774 ―2009)的规定和实地调查，对示范点建设的经济效益、社会效益和生态效益进行分析。经调查测算，两项技术模式的雨水收集效率达到70% ～80%，示范区内年雨水收集量为432 ～494 m3，配套布设节水灌溉措施后，雨水利用率提高5%。道路雨洪资源高效收集示范点每1 000 m2的高效集流面可收集雨水资源450 m3左右，再配以高效利用的灌溉措施，可以使雨洪资源的利用效率提高40%，蓄水效率提高40%，保土效率提高34%，水资源保障程度提高26%。将这些水资源用于灌溉，可使粮食产量增加40%，产值提升40%，取得较为显著的经济、社会、生态效益。

3.1 社会、经济效益

梯田雨水网络化收集利用技术试验示范项目的实施和推广应用，可显著提高陇东地区雨水资源集蓄利用水平，增强雨洪水资源利用效率，减少约1/5 ～1/4 的集中常规灌溉工程投入，减轻城镇防洪排洪压力，提高水资源支撑能力。按照高标准梯田设施配备集水、蓄水、用水设施，陇东地区全年梯田系统产流量为1.3 ×108m3，地埂产流量为0.4 ×108m3，田面产流量1.0 ×108m3，道路产流量为0.03 ×108m3。对于改善区域内居民的生存环境，解决地区的水资源危机，促进区域社会经济的健康稳定发展具有现实意义。

通过项目推广的雨洪资源高效管理和利用技术模式，每年可增加区域供水量5 000 ×104m3以上，为区域提供安全、经济的水资源，实现了天然雨洪径流由排到蓄、由控制到利用、由沟坡防治到源头治理和由分散小工程向集中大工程的重大转变，保障了地区经济社会的可持续发展，有效缓解了区域水资源危机，提高了区域的水、土资源利用效益和对经济社会发展的支撑能力。

3.2 生态效益

示范项目的实施和推广应用，加快了陇东地区梯田系统雨洪资源收集利用工程建设，提高了雨洪水资源的利用效率，防治了水土流失，为解决农业生产水资源供需矛盾和全面建设生态文明区域奠定了基础。有利于改善区域内居民的生存环境，解决区域水资源危机，促进该地区经济的健康稳定发展，为陇东地区雨洪资源高效利用提供了新途径，同时为区域经济发展的水资源保障提供了技术支撑。在显著改善区域工农业生产条件的同时，提高了区域生态安全和可持续发展程度，带动了陇东地区建立黄土高原区水资源持续利用的区域开发治理与管理模式，为我国北方黄土高原半干旱区梯田系统雨洪资源高效利用与管理、区域生态治理与开发方面提供了技术支撑。

4 结论

① 梯田系统路网+田面集水高效补灌技术模式示范点位于陇东黄土残塬沟壑区的庆阳市庆城县马岭镇安沟小流域，通过收集、利用梯田路网雨水，根据主要作物的生长需水特征，对不同类型节水灌溉技术和补灌制度进行了示范。梯田系统路网+人工集流高效补灌技术模式示范点位于庆阳市西峰区什社乡兰州大学庆阳黄土高原草地农业试验站内，示范点共计灌溉果园面积4.67 ha。两项技术模式的雨水收集效率达到了70% ～80%，配套布设节水灌溉措施后，雨水利用率提高了5%，用于灌溉后可使粮食产量增加40%，产值提升40%，取得较为显著的经济、社会、生态效益。

② 示范项目的实施与应用推广，可提高梯田雨水资源的利用效率，对防治水土流失和解决农业生产水资源供需矛盾和全面建设生态文明区域奠定了基础，显著提高了区域生态安全和可持续发展程度，为区域经济发展的水资源保障提供了技术支撑。