盘山县农业灌溉工程节水技术效益分析与计算

王 迪

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124000)

0 引 言

近年来，辽宁省水质性、工程性、季节性和区域性缺水等问题日趋突出，特别是盘锦市面临着更加严峻的干旱缺水形势。全面建设节水型社会是应对日趋严重的缺水形势的最直接、最有效的方法，盘山县作为辽宁省重要的粮食生产基地，农业灌溉用水基本消耗了全市总用水量的65%以上，水资源可持续利用与农业用水密切相关[1]。因此，节水型社会建设的关键是抓住农业灌溉节水工程。通过分析盘山县农业灌溉节水技术及其适用范围，计算了不同节水措施的经济效益和投资成本，以期为促进盘山县农业发展和节水工程方案设计提供决策依据。

1 盘山县农业灌溉用水定额

用水定额是考核节水成效、挖掘节水潜力和衡量水资源利用水平的重要参数，可为实现水资源可持续利用及建设节水型社会提供科学指导。根据相关资料可将用水定额概括为：人均生活所需或单位面积、单位产品在一定时间内的用水量。随经济的发展和科技的进步用水定额不断发生改变，如科技的进步逐渐降低了农业和工业用水定额，而文化水平的提高和社会的发展使得生活用水定额不断提高；另外，季节的变化对生活和工农业用水定额也可产生一定影响，特别是农业用水定额受季节性影响更为显著，即使同一地区的同一种作物，由于丰水年和干旱年的交替变换其灌溉定额也存在较大的差异；同一种作物在不同年份和不同地区，其灌溉定额因不同性质的土壤和蒸发、降水等气候上的差异也存在较大的不同；灌溉定额因灌水技术的不同也会发生改变[2]。

一般情况下，可将用水定额分为居民生活、工业发展及农业用水定额3大方面。单农业灌溉用水定额是指作物生长期及播种前的灌溉总水，其单位一般用m3/hm2表示。为适量适时的达到灌溉目的，根据土壤水分状况和作物需水要求确定灌水次数及灌溉时间。灌溉用水定额不仅是编制灌区用水计划、设计灌溉工程及制订灌区水利规划的重要依据，而且是指导农田灌水工作的基本资料。

将盘山县农业灌溉区按照两种保证率P=75%、P=50%和灌溉用水定额，划分为7个农业灌溉分区、12种农作物灌溉定额和10种蔬菜灌溉用水定额。单位面积上的农作物在整个生长期内的总灌溉水量即为灌溉定额，而单次灌水量即为灌水定额。灌水定额与可利用灌水时间、灌溉面积、土壤持水量及农作物类型等因素相关。不同类型的作物其根系活动层深度存在一定差异，相应的灌水量也可能存在差异[3]。一次灌水量大小与土壤持水量相关，灌水量过多不仅可减少作物根部空气的孔隙，而且水资源无法被作物充分吸收，从而导致用水浪费。盘锦市盘山县主要农作物，在两种不同保证率下的灌溉用水定额见表1。

表1 盘山县主要农作物灌溉用水定额 m3/hm2

通常情况下，可将农业节水关键技术归纳为水管理、生物、农艺和工程节水技术。根据各项技术的节水灌溉机理将其划分为4个基本过程，具体如下：提高灌溉用水效率，降低输水过程中灌溉渠系的渗漏损失水量与蒸散发；减少农田灌溉时的地表流失和深层水分损失，在降低单位面积灌溉用水量的同事改善灌水质量；有效利用灌溉水资源与天然降水，最大程度的降低土壤水分的蒸发损失；最大程度的降低奢侈性水分蒸腾消耗，提高作物水分生产效率、用水效益和作物产量。当前，管道输水、渠道防渗、微灌及喷灌技术为盘锦市盘山县灌溉工程的主要技术措施。

2 低压管道输水节水技术

2.1 管道输水系统构成

管道输水灌溉系统主要由取水与水源工程、田间灌水及输配水管网系统3部分构成，各子系统的功能及类型如下：

1)取水与水管工程。水库、河湖、塘坝、渠道、沟泉、水井等为管道输水灌溉系统的水源，且灌溉水还要满足农田用水和不含过多杂草、泥沙等要求。按照扬程和用水量多少，合理确定井灌区取水工程的水表、压力表、配套动力机和水泵等，同时建设管理房[4]。大中型提水灌区或自压灌区的取水工程还应改进配套建筑物，如泵房、拦污栅、分水闸和进水闸等。

2)输水配水管网系统。管道输水灌溉系统中的附属设置、保护装置、分水设置、各级管道等为组成输配水管网的主要构成，具有较大面积的灌区管网可由分支管、支管、分干管和干管等多级管道构成。

3)田间灌水系统。田间灌水系统仍属于地面灌水，为减少灌水定额和达到灌水均匀的目的有必要采取地面节水灌溉技术。

2.2 管道输水特点

1)节能节水特点。管道输水具有显著的降低渗漏损失和蒸发损失的效应，相对于土垄沟而言可降低5%的输水损失，与土渠相比可提高30%-40%的用水效率，相对于混凝土衬砌节水50%-15%。节水相对于机井灌溉而言，代表能耗的降低。

2)省工、省地。田间土渠输水渠道占地一般为灌溉的1%-2%，甚至高达3%-5%，而管道输水可大大提升土地利用率，其占地仅有灌溉区域的0.5%左右。另外，管道输水能够有效处理漏水跑水的情况，且输水速度较快，可节省清淤和巡渠的维修用工。

3)效益高、投资小。根据当前市场用工和材料价格，灌溉投资费用较低一般为500元/hm2。水源条件相同的情况下，因适时适量灌溉和满足作物生长蓄水要求，管道输水具有增产增收的显著效应。

4)适应性强。压力管道施工安全且不受地形条件影响，因此适用于跨路、爬坡和越沟等各种堤段，便于推广和群众掌握。通过配备移动软管可解决零散地块较为问题，在当前社会体制模式下具有较强的适用性。

3 农业灌溉技术

3.1 渠道防渗技术

混凝土衬砌梯形渠或U型渠为渠道防渗的一般形式，混凝土防渗渠道有利于提高输沙防淤能力，具有流速快和粗糙率小等特点。另外，采用混凝土渠道防渗有利于渠道管理和控制地下水位，在一定程度上改善土壤。原渠床土壤防渗性能可通过物理机械和化学法两种方法而改变，其中化学法通过掺入化学材料改变其渗透性；而物理机械法一般采用抹光、淤淀和压实等措施减少土壤空隙和渗漏率。

渠道衬砌即设置防渗层，可选用黏土、水泥土、混凝土、沥青、塑料薄膜、砌砖、砌石及钢筋混凝土等作为渠床材料，通过采取防渗措施可减少50%-90%的损失。目前该技术应用最为广泛的形式为混凝土衬砌，具有投资大、耐久性和防冲效果好等特点，具体如下：

1)防渗效果好。渠道水利用系数在小型混凝土U型渠道中可达0.97-0.98，与梯形混凝土渠道相比U型渠道具有裂缝少、流速快、湿周段等特点，因此与梯形衬砌渠道相比具有较小的输水损失。

2)流速快、水力条件好。下部为半圆曲线的U型渠道近似最佳水力断面，符合水流的自然特性。在两坡脚处U型渠道不存在传统梯形断面的死角，所以其湿周段、水力半径大且不存在涡流及回流情况，流速均匀比较分布。与梯形断面相比U型断面具有较快的流速，不仅能够缩短田间灌溉周期，而且可提高水流挟沙能力和渠道输水能力，在引用含沙率较高的灌溉水时具有可行性。U型渠道不易产生淤积问题，在华北引黄灌区U型灌区具有明显的适用性。

3)抗外力性能好。U型渠道的上部直线段土壤侧压力较小，下部半圆土槽处于稳定状态，下部混凝土衬砌为反拱具有较好的整体性。在地基土壤冻胀力作用下可充分发挥混凝土的抗压性能，适应整体的抬升作用。因此，相对于梯形衬砌U型渠道具有较好的基础冻胀适应性，且相比梯形渠其裂缝破坏程度低。

4)渠道占地少。混凝土U型渠道的占地面积仅为梯形渠道1/2-1/4，其渠口较窄且随着流量的增大，节省土地的程度越高。

5)省料省工。混凝土U型渠道的投资较少且衬砌材料用量少，相对于梯形渠道能够节省25%-30%的衬砌材料。另外，U型渠道的湿周短且抗冲性能较好，在坡度较大渠段具有较好的实用性；减少衔接建筑物的修建，如减少陡坡、跌水等建筑物材料费40%-50%。

6)管理方便。混凝土U型衬砌渠道不仅可大大降低裂缝修补、堤岸整修等渠道维护工作量，而且具有冬季两岸不挂冰和渠系建筑物浮冰不壅塞等特征，相对于梯形渠道可节约60%-70%的劳力。

3.2 微灌节水技术

微灌是按照作物需求以较小的流量将作物生长所需水分和水量，通过灌水器准确和均匀的输送到作物根部。微灌与传统的全面积湿润的喷灌、地面灌技术相比，是一种将作物根区附近的部分土壤以较小的流量湿润的灌水方法，因此也称为局部灌溉技术。

根据不同的灌溉方式将微灌分为地表滴灌、地下滴灌、微喷灌及涌泉灌4种类型，具体如下：地表滴灌是以间断或连续的水流形式，将压力水通过末级管道上的灌水器灌到作物根部附近土壤的灌水方法；地下滴灌是一种将水直接灌到地表下作物根区的最为节水的灌水方式，其流量与地表滴灌相差不大，在降低地表蒸发时具有小猪的效应；微喷灌是以喷洒状的形式，将压力水利用与毛管连接或直接安装在毛管上的灌水器喷洒在作物根部附近土壤的灌水方法，因此简称为微喷。这种灌溉方式具有提升空气湿度和改善小气候的功能，对于草坪的微喷灌等某些情况，微喷灌属于一种小流量灌溉技术并不属于完全意义上的局部灌溉的范畴；涌泉灌通过灌水器将管道中的压力水以小股水或泉水的形式输送至土壤表面的方式。

微灌可将水灌到作物根部附近的土壤，从而满足植物的生长要求，在实践应用中具有的优点和缺点如下：

1)省水、省工。微灌能够显著降低灌溉水损失，仅在作物根区附近的土壤适时适量的灌水市容，因此具有明显的节水效益。另外，微灌具有管网供水系统，便于自动控制且操作方便，劳动效率高可大大节省劳力；微灌属于一种局部灌溉方式，能够保持大部分地表仍处于干燥状态，在一定程度上抑制杂草的生长，从而降低用于除草剂和除草劳力的费用；微灌系统可将药剂、肥料等与水一起输送至作物根部土壤，该过程无需投入人工作业。

2)节能、增产。相对于喷灌技术微灌的灌水器工作压力较低，一般在50-150MPa之间，并且较地面灌水该技术具有明显的省水效应，因此对于提水灌溉而言也就代表能够降低能耗。微灌能够适时适量的供肥供水，从而创造良好的养分、热、水、气环境满足作物的生长需要，因此有助于提高产品质量和实现高产稳产目标。

3)地形和土壤适应性强。在各类复杂地形条件下微灌均可将压力水输送至作物根部，因此具有较强的地形与土壤适应能力。

4)使用范围局限性。微灌系统的灌水器出口较小且较地面灌的投资较高，出口处很容易被水中的有机物质或矿物质堵塞，若整个系统维护管理不当将无法正常工作。

3.3 喷灌节水技术

喷灌技术是一种适时适量灌溉技术，使灌溉水在水泵加压作用下经过喷头、管道等专用设配喷射到空中，从而均匀的散落到田间的灌水方式。喷灌节水具有保持水土、灌溉均匀、省力、节水等优点，适用于各种土壤与地形。这种灌溉技术通常不会产生深层渗漏和地面径流，可根据不同生长时期作物的需水量状况适量的供水，地面湿度均匀适用于经济作物、果树、蔬菜等以井灌为主的连片种植的地区。根据不同的移动程度，可将管道式喷灌系统分为半固定式、全移动式和全固定式3种方式。喷灌技术的优点及适用范围如下：

1)节约用水。由于喷灌管道输水损失小且灌水比较均匀，一般条件下不会形成地面径流与深层渗漏，因此这种灌溉方法较地面灌水可省水30%-50%，具有较高的灌溉用水效率。针对保水能力差、透水性能好的沙质土地，这种灌水方式具有更加明显的节水效果，保持水量相同时可灌溉的土地更多。

2)保持水土。根据土壤质地和透水性大小可调节喷灌强度及其水滴直径，从而达到避免水土流失、使水分都渗入土层内、不产生土壤冲刷、保持土壤松散状态及不破坏土壤团粒结构的目的。采用喷灌技术可有效防止次生盐碱化土地的形成和地下水位的上升，消除深层渗漏和严格控制湿润程度。

3)节地、节力。喷灌技术能够节约的3%-7%的沟渠占地，且可显著降低土石方工程，显著提升土地利用率；另外，喷灌的利用大大减轻了灌水劳动强度，显著提高了机械化程度。

4)适应性强。喷灌属于一种不受土壤透水性和地形坡度限制的喷洒式灌水技术，在难以实现地面灌水时可采用喷灌方法。

5)提高产量。为便于严格控制土壤水分和促进作物根系在浅层的发育，可采用浅浇勤灌的方式灌水，不仅可保持土壤肥力，而且有助于充分利用土壤表层肥分和保护土壤团粒结构不被破坏。另外，喷灌有助于增加近地表空气湿度和调节田间小气候，能够发挥调节叶面温度和冲洗叶面尘土的作用，从而实现增产的目的。经济作物和大田作物可增产30%、20%，在改变产品品质的同时实现蔬菜增产1-2倍。同时，喷灌系统还可用于防暑降温、防霜冻、喷洒农药等方面。

4 节水灌溉及其效益分析计算

通过对比有、无节水工程及其对作物增产的综合作用，从节省劳力、节电、节地、节水和总增产值等方面计算节水灌溉效益。文章枯苦水年(P=75%)作为典型年计算分析节水效益分析及灌溉用水量，主要包括如下方面：

1)节水效益。根据农业生产相关政策没有征收农业用水水费，但分析节水效益时应将水资源价格体现效益，效益的主体为水资源，水价计算标准为1.05元/m3。

2)节地效益。引入S、Yg为节水总面积及其灌溉后的产量大，单位为hm2、kg；Si为每条灌溉管道的节地面积，hm2；n、R分别为管道条数和农产品价格，其中R值为1.8元/kg。则节土地效益Pe的计算公式如下：

(1)

3)增产效益。引入Yn、Yg分别为节水措施实施前、后的农作物产量，单位kg/hm2；R为农产品价格，元/kg。则农作物增产效益Pa的计算方法如下：

Pa=R×(Yg-Yn)

(2)

4)节能效益。设η装为装量效率，文中取0.65；f为电价，按当地农业用电为0.5元/(kW·h)；H为水泵扬程，盘山县地区一般为30-40m；Wj1、Wj2分别为节水措施实施前、后的一次用水量，单位m3/hm2。则节水灌溉节能效益Pw的计算公式为：

(3)

5)省工效益。假定Ln、Lm分别为节水灌溉实施前、后的全年灌溉用工数，单位为工日/hm2；p为劳动力日工资。则省工效益PL可按下式计算：

PL=p×(Lm-Ln)

(4)

根据以上劳动力价值、电力价格、粮食市场价格以及省工节能效益计算结果，采用下式计算确定综合效益，即：

P=Pj+Pe+Pa+PW+PL

(5)

结合当前市场价格和盘山县现有技术条件，以地面灌溉水位为基础计算确定不同灌溉措施的年运行费、用水量及投资，见表2所示。

表2 盘山县典型节水灌溉工程的运行费用计算值

根据目前人员工资现状、农业用电价格及粮食价格，分别对不同节水灌溉工程的节省劳动力、节能、增产效益、节地及节水效益进行计算，最终确定综合效益，见表3所示。通过对比分析不同灌溉工程的投资和工程效益，确定总效益最高且投资较大的节水工程为微灌溉，即9450元/hm2。不同节水措施的选择应结合当地自然环境和经济条件，综合考虑各方面因素确定。

表3 盘山县典型节水灌溉工程的综合节水效益

5 结 论

通过对比分析盘锦市盘山县农业灌溉工程技术特点，确定低压管道输水技术适用于当前自然环境和经济社会条件，具有投资小、增产、省地、节水等特点；微灌技术适用于花卉、蔬菜、水果等经济作物灌溉，具有投资大等特点；喷灌技术具有投资大、适用范围广等特点，因不受土壤透水性和地形坡度等条件限制适用于经济实例较大的大型农场。