西藏高寒地区常见喷灌形式适宜性分析——以拉萨为例

杨 波，张位首，宋猛猛，张 钰，杨礼志，汤鹏程

(1.中国水利水电科学研究院，内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，北京 100038；2.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；3.西藏自治区水利电力规划勘测设计院，拉萨 850000；4.西藏自治区拉萨市曲水县水利局，拉萨 850699)

西藏自治区面积为122.84万km2(26°50′至36°53′N，78°25′至99°06′E)，约占我国总面积的1/8，是世界上面积最大、海拔最高的高原。独特的地理地势条件下，西藏地区的水资源较国内其他地区丰富，但是水利基础设施建设较内地落后，资金主要投入在渠道建设、维护等，对节水高效灌溉方式的认识不足，当地农牧民并不重视高效节水灌溉设备的引入和使用，牧草的种植仍依赖普通地面灌溉和天然降雨[1-4]。地面灌溉虽操作简单、无需耗能，但在西藏地区土壤层薄(30 cm左右)、田间地势不平、地块零碎，强辐射、低压低氧的土壤和气象条件下，所需劳动力较大、对土地平整程度要求高、极易造成土壤和肥料的流失，导致西藏地区灌溉水利用效率低、水资源浪费严重、牧草的实际产量不理想[5-7]。

在此背景下，西藏高寒地区开始在牧草种植中引入先进的高效节水灌溉设备。喷灌具有自动化程度高、节省人力、提高水资源利用效率的优点，是水资源条件较好、规模化经营的农牧场常用的灌溉方式。拉萨市作为西藏自治区首府，率先引入几种国内外常见的喷灌设备，且拉萨当地相关政府部门鼓励农牧民积极使用。但是，喷灌应用于西藏高寒地区的相关前期资料很少，同时缺少系统的分析，当地农牧民无法科学选择适宜的喷灌形式。针对以上问题，本文以拉萨市为例，通过资料收集并结合实测数据，展开西藏高寒地区几种常见喷灌形式的适用性分析(包括节水、增产和经济等技术指标)，研究结果以期为西藏地区农牧民就喷灌形式的选择提供参考。

1 研究区概括

1.1 地理位置

研究点位于西藏自治区拉萨市林周县亚麻乡的高效节水饲草生产示范基地和卡孜乡的西藏人工牧草灌溉试验与生态水文观测站。林周县地处拉萨中部，平均海拔为3 650 m，属高原温带季风半干旱气候区，年降水量为300～510 mm，集中在6—9月份，多夜雨，太阳辐射强，空气稀薄，昼夜温差大，冬春寒冷干燥且多风，年无霜期为100～120 d。该地区是拉萨市主要粮食生产基地之一，全县耕种面积1.2万hm2，约占全市耕地面积的1/3，农作物主要有饲草青稞、燕麦、黑麦等，牧业以饲养牦牛、黄牛、绵羊、山羊为主。

1.2 喷灌工程

林周县高效节水饲草生产示范基地喷灌灌溉面积为118.4 hm2，其中时针式喷灌面积为100.4 hm2(时针式喷灌机为8台，单设备为4跨，共计200 m)；固定式管道喷灌面积为18.0 hm2，(喷头为23个，单喷头喷洒半径为50 m)。西藏人工牧草灌溉试验与生态水文观测站是兼具科研和技术示范推广功能的试验站，站内建设了高效节水灌溉工程9.4 hm2，其中卷盘式喷灌面积为1.3 hm2(卷盘式喷灌机1台，喷洒范围为50 m×275 m)，时针式喷灌面积为7.1 hm2(时针式喷灌机为1台，单设备为3跨，共计150 m)，半固定式管道喷灌面积为1.0 hm2(单喷头喷洒半径为15 m)。

2 喷灌系统应用适宜性分析

2.1 土壤、地形与作物

喷灌一般适用于各种土壤结构，不同喷灌形式对土地平整程度、地块形状、作物高度的要求不一，土壤储水能力和作物需水量也限制着喷灌形式的选择[8-11]。受气候、土壤的影响，拉萨地区种植作物多为饲草作物(青稞、燕麦、黑麦等)。表1为几种常见喷灌形式的适用性范围。

表1 拉萨地区常用喷灌机适用范围

2.2 节水、节电效益

水、电是喷灌系统中的必备元素，是评价喷灌系统好坏的重要指标之一，对4种喷灌形式下的节水、节电效益进行分析，节水效益根据式(1)计算：

Wm=mA/η

(1)

式中：

Wm——喷洒总用水量，m3；

m——灌溉定额，m3/hm2；

A——喷洒面积，hm2；

η——灌溉水利用系数。

灌溉定额依据当地土壤墒情情况和当地经验选定。

地面灌溉下灌溉水利用系数测算采用田间实测法[12-13]。喷灌灌溉水利用系数计算根据式(2)计算：

η=ηpηg

(2)

式中：

η——灌溉水利用系数；

ηp——喷洒水利用系数，通过田间实测法得到；

ηg——管道系统水利用系数，取0.95。

拉萨地区地面灌溉多为渠灌，无需耗电；卷盘式、半固定、固定式喷灌所消耗电量为水源工程和流量压力调节系统所需电量和；时针式喷灌所消耗电量为水源工程、流量压力调节系统和喷灌机运转所需电量和，农业用电按照当地农业农村用电标准取0.65元/kW·h(喷灌工程水源皆为水源井)。4种喷灌系统下的节水、节电效益见表2。

表2 常见喷灌形式节水、节电效益

通过对节水效率进行计算，节水率排序为时针式(50.96%)>半固定式(47.94%)>固定式、卷盘式(43.60%)。时针式喷灌的耗电费用(711 元/(hm2·a))略高于其他几种喷灌形式。喷灌模式下的节水效率明显强于地面灌溉模式下，发展前景较大。

2.3 投资成本与人工效益

一次性投入费用为喷灌系统购置和运输到西藏高海拔地区的费用(见表3)。省工效益分析由林周县喷灌系统应用实例得出，当地实际雇工情况为150元/d，工时为8 h，喷灌系统所需人工费用为1次性安装和运行、维护等，通过表3计算得到最大使用年限下的所需人工费用，排序为时针式(18 元/(hm2·a))<固定式(25 元/(hm2·a))<卷盘式(246 元/(hm2·a))<半固定式(360 元/(hm2·a))。

表3 常见喷灌形式最大运行年限下所需一次性投入和人工运行费用

2.4 经济效益

通过对几种常见喷灌形式的一次性投入、人工费用和牧草增加收益对经济效益进行分析，得到计算结果见表4(根据实际播种情况，喷灌下种植作物为当地普遍种植的燕麦，燕麦干草价格按照当地的实际情况2 元/kg计算。根据实际测产数据，将喷灌前燕麦产量按4 500 元/hm2计算，喷灌后牧草产量按7 500 元/hm2计算)。

根据表4可知，最大使用年限下的喷灌年均经济效益排序为固定式(5 115 元/hm2)>半固定式(4 242 元/hm2)>时针式(4 043 元/hm2)>卷盘式(3 414 元/hm2)。

表4 常见喷灌形式最大运行年限下经济效益

从工程建设对国民经济指标的影响角度评价几种喷灌形式的经济效益，依据《水利建设项目经济评价规范》(SL 72—2013)，选取国民经济内部收益率(EIRR)、经济净现值(ENPV)、经济效益费用比(EBCR)来模拟几种喷灌系统的经济评价指标[10]，计算依据式(3)～式(5)，计算结果见表5～表8(为方便计算，将各喷灌形式下喷洒面积皆统一为33.3 hm2即500亩，使用年限皆统一为30 a)。

(3)

(4)

(5)

式中：

B——国民经济效益流入量；

C——国民经济费用流出量，

B-C——第t年国民经济净效益流量；

n——计算期，数值为30；

is——社会折现率，本研究取8%；年均运行成本(人工运行、维护)按总成本投资的5%计算。

根据表5对拉萨地区几种常见喷灌形式相同年限、相同面积下经济指标进行模拟分析，得到国民经济内部收益率(EIRR)、经济净现值(ENPV)、经济效益费用比(EBCR)排序皆为固定式(20.71；109.25；652.69)>半固定(17.32；91.21；518.46)>时针式(16.43；86.48；475.37)>卷盘式喷灌(13.59；71.41；393.24)，上述几种喷灌形式在拉萨地区长期应用后，经济效益皆增加明显，且固定式喷灌为拉萨地区经济效益最佳的喷灌形式，其次是半固定式和指针式，卷盘式喷灌的经济效益最小。

表5 半固定式喷灌经济效益模拟

表6 时针式喷灌经济效益模拟

表7 卷盘式喷灌经济效益模拟

表8 固定式喷灌经济效益模拟

3 结语

针对几种常见喷灌形式在拉萨高原地区的适用性展开评价，供当地在选择喷灌系统时进行参考，主要结论如下：

1)适用性评价

每种喷灌形式都有着独特的适用条件，若小面积局部灌溉，则选择半固定喷灌，需要人工布设、拆卸管道等，但可移动空间较大，适用于播种面积较小且不固定种植区域的农牧民使用，最大使用年限下年均效益可达4 242 元/hm2；若在固定区域灌溉，则可选择固定式喷灌，喷撒效果较理想，且经济效益最佳，最大使用年限下年均效益可达5 115 元/hm2；若大面积灌溉，则可选择自动化程度高的时针式和卷盘式喷灌，喷洒效果好，且机械化程度高，但前期投资、运行成本较高，且灌溉时保证足够的压力才能确保该系统的正常运行，最大使用年限下年均效益分别为4 043 元/hm2、3 414 元/hm2。

2)喷灌的重要性

由于拉萨地区水利基础设施尤为落后且当地水资源丰富，当地仍以地面灌溉为主。喷灌与当地传统灌溉模式相比，虽能源消耗大、一次性投资大，但在长期应用后经济效益、节水效益得到大幅提升(经济效益可提高3 414～5 115元/hm2，节水率约为40～50%)；且喷灌适用于各种复杂地形，便于实现水、肥、药一体化应用，还可改善地表局部小气候，有效控制水土流失，生态效益明显，因此，喷灌可在拉萨乃至西藏高寒地区大面积推广使用。