农业水利节水节能技术的应用研究

2024-01-26李耀基

农业开发与装备 2023年11期

李耀基

（甘肃省张掖市民乐县水务局，甘肃张掖 734500）

0 引言

甘肃地处西北旱区，农业干旱现象原本较为严重，人均自产水量不足1 500 m3，是典型的十年九旱地区。2023年以来，西北干旱受到极端气候影响加剧，甘肃省受灾最为严重，河西走廊部分区域降水量骤减达70%，多地出现土地干裂，作物死亡，土壤盐碱化，给农业生产、人畜生活带来了巨大的损失。因此，必须提升水资源利用率，节约农业用水，通过节水工程促进甘肃省生态可持续发展。作为灌溉水缺乏地区，为提高提水能力，能源消耗增加不可避免，比如在甘肃省很多地区是高扬程水泵站，能耗升高，效率低。在此背景之下，发展农业水利节水节能技术，通过科技水段调配农田用水，提升防灾防害能力，保障粮食稳产，避免因为水资源短缺而造成生态环境陷入恶性循环，就显得更为重要。

1 农业水利节水节能技术的效益分析

1.1 粮食安全效益

水利部的调查研究表明，在西北干旱地区，节水灌溉增产效益高达0.4%，同时增产效应可达水田3.2倍、旱田1.7倍。根据农业农村部《发展旱地农业》的报告，对甘肃庆阳等四区的调查显示，以上四区增产明显，最高增产高达101.72%。灌溉不仅能够提升粮食产量，也能够降低灾害造成的减产。研究显示，成灾率增加1%，单产就会降低3%。2023年，甘肃旱灾单截至8月中旬造成的损失就超过了21亿元，特别是在河西走廊一带，灾害造成的减产效应严重。采用节水节能技术能够有效抵御干旱，有研究显示，在区域内降水每降低1mm，节水改造工程带来的效益就增加1 000万元。

1.2 农业经济效益

节水工程的推进也能够调整种植结构，增加经济作物的种植，从而提高农业总产值。减少田间用水量，降低水费和能耗成本，水肥一体化和智能控制等技术也大大地减少了化肥农药的使用，并且减少人工灌溉和管理成本，从而降低投入，特别是与智能化设备结合的节水节能技术能够大大降低人工成本。

1.3 生态环境效益

节水节能技术大大地降低了水资源和能耗，改善了生态环境，遏制了环境污染，避免了地下水枯竭。节水改造增加了有效灌溉面积，提升了空气净化能力，对防治土壤盐碱化作用非常明显。采用渠道衬砌技术能够避免对沟渠的冲刷剥蚀，节水灌溉流速较小也能降低对田面的冲蚀，从而减少泥沙淤积，也能避免水土流失，减少耕地占用，对地下水质改善较为明显。

1.4 农业现代化效益

节水节能技术对农业现代化的推动力非常大。最典型的例子就是以色列，在沙漠中通过滴灌技术打造了一个现代化农业强国，农产品出口全球。西班牙农业受地中海气候影响，灌溉量需求高，仅占耕地面积的20%，但是创造了60%的农业总产值，水资源消耗更是高达75%。庞大的农业用水消耗造成了地下水下降和河流干涸，因此西班牙启动了节水改造工程，改明渠为管道，大量使用滴灌等技术，灌溉水效率提升到了87%，农业实现了质的飞跃。

2 甘肃省节水节能技术应用的现状

2.1 甘肃省节水节能技术应用的成果

1）投入方面，甘肃省高度重视农田水利工程和节水节能技术，“十三五”期间，投入110亿元资金，6.5亿人次劳动力，并且发动广大群众出资出力，单雨水集流工程每年筹资额就超过一亿元。

2）设施设备建设方面。大力发展节水节能设备，“121”雨水集流工程成果显著，节灌面积超3.3万hm2，集雨水窖300多万眼，小型农田水利设施近6万处。在全民参与的高涨热情下，机电井、塘坝、小渠道的利用率大大提高，设备得到更好的维护。比如，张掖市有效灌溉面积超过2 900 km2，加大了衬砌防渗渠道建设，总长度超过1万km，中小型水库52座。

3）高标准农田建设成效显著，节水梯田面积正在逼近200万hm2，在将近9.33万hm2农田有效灌溉面积中，节水灌溉面积有望突破6.67万hm2大关，其中农艺节水面积超过64%。

4）农艺配套技术不断创新，大力发展膜下垄沟滴灌、喷灌和微灌等技术，低压管道灌溉面积已经超过6 666.67 hm2，其他节水灌溉面积将近5.33万hm2，其中近4万hm2为渠道防渗技术，累计节水已经超过0.37万亿hm2。

5）种植结构改善。种植等低耗水作物，根据本地气候特点推广蔬菜、葡萄、蜜瓜等高效节水作物，减小小麦种植，扩大玉米和马铃薯种植，玉米种植面积将近100hm2。

6）大力发展节水灌溉示范区建设，目前已经有100多个示范区，节水节能技术同时推进。

2.2 甘肃省节水节能技术应用的问题

2.2.1 水资源短缺和浪费

我国农业水资源浪费现象原本严重，新中国成立初期超过97%的用水为农业用水。近年来，尽管农业用水比例持续下降，但是水资源浪费现象依然存在。甘肃省降雨稀少，广大农户缺乏节水节能意识，在水权不明晰的状况下，农民更关注的是产量和收入，这就造成了西北干旱地区农业用水严重紧张。

2.2.2 先进节水节能技术应用不足

在经济欠发达地区，仍然以土质渠道灌溉，水土流失严重。节水措施仍然以渠道衬砌为主，节水效率不高，管道普及率较低。甘肃省梯级泵站灌区面积超过15万hm2，极大地改善了西北旱区的农业生产条件，但是其水资源和能源消耗也非常大。这是由于梯级泵站需要逐级提水，而且管网复杂，节水灌溉一般需建设加压泵站，消耗能源较大。节水措施与农艺技术不匹配，很多地区农民仍然采用粗放型管理方式，导致节水节能效果较差。比如，对甘肃某地进行调查发现，采用渠道衬砌节水方式种植玉米和花生，人工投入分别增加776元/667m2和1 233元/667m2，缺乏智能化的设备，导致农民必须通过人工的方式进行灌溉和施肥。

2.2.3 农业水利系统老旧较为严重

以景泰川电力提灌工程为例，作为跨省区的大型提灌工程，项目总扬程达470 m。但是由于建设于1969年，在规划设计上生态理念和节水节能意识不足，而且存在较为严重的老化现象。当时的规定扬程受到客观条件制约，高于实际需求，而且没有根据实际条件选择扬程，灌溉过程中“牛拉独轮车”的能耗浪费现象较为严重，经常有60 m的扬程范围采用80 m的额度扬程的现象产生。老旧水利工程设备往往是临时拼凑投入使用，组件不配套，运行效率差。在大流量作业中，受到水流和杂物的持续冲击，造成的磨损较大。一些区域维护保养不及时，各类设备存在不同程度的老化腐蚀，比如管道生锈、水泵密封圈腐蚀，设备内流水阻力增大等。甘肃省主要种植小麦和玉米，小麦需水量大，需要单次灌溉充足。因此，传统灌溉设计一般是大流量，但是大流量不满足经济作物的灌溉，也浪费了水资源和能源。目前灌溉方式仍然以一次大量灌溉为主。

2.2.4 技术推广有待加强

我国节水节能设备和技术已经取得了突破性的发展，制约节水节能技术应用的主要因素是推广。节水节能灌溉需要的成本较高，单节水技术新建成本就在3 000元/667m2以上，改造成本也超过500元/667m2，梯田改造成本也需要2 000元/667m2以上。高标准农田建设的成本更高，使用先进节能技术的成本就不必说了。甘肃农民收入处于全国的中下水平，单靠农民自己是不足以实现先进技术推广的，因此对技术推广体系要求较高。

3 农业水利节水节能技术的应用对策

3.1 加大政策支持和统筹

进一步加大节水节能工程技术的资金投入，通过财政资金、发行地方债、PPP合作等方式强化地下管网和水利基础设施建设。考虑到甘肃地区农民收入水平，地方政府要发挥主导作用，引入企业和社会组织积极筹集资金，重点进行节水节能工程建设。加大高标准农田建设，对宜耕坡地进行梯田化改造，降低农户应用节水技术的成本。各地都要建设节水节能水利示范区，通过成功示范吸引企业和农户积极投入其中。比如，张掖市滴灌制种玉米基地的成功经验，还能够吸引资金、技术和人才流入。针对梯级泵站能耗和水资源消耗较大的状况，大力发展小型农田水利设施，落实管护责任制，让农户成为维护的主体，这样也有利于培养他们的节水意识。做好统筹工作，因地制宜，在不同区域、不同气候、根据不同作物采用不同灌溉技术。在干旱较为严重的地区，逐渐推广耗水低的作物代替小麦等高耗水作物，除了当前推广的玉米和马铃薯之外，还应该推广适合本地气候的经济作物，比如大蒜、辣椒、洋葱、豆科植物等。

3.2 优化灌区整体时空布局

目前，甘肃省很多灌区少雨干旱、植被稀疏，在农业节水节能技术的应用中，必须从生态全局进行考虑，坚持绿色发展思想，整体优化布局。由于风沙对农田水利危害较大，因此必须坚定不移地推动防护林建设工作。对灌区多级泵站进行优化，尽最大可能多利用自然降水的需水功能，发挥中小型水利工程的优势，减少高程提水，以节约能源和水源。在扬程较大的提水中，设备要逐渐改用节能泵、光伏泵等新设备，在灌区内大力推广光伏和风能设备，使之逐渐代替传统能源，从根本上实现节能的目的。耗水量越高的作物越应该靠近水源的高区种植，利用其扬程高的优势，提升节水技能效果。同样，同种作物在高区可采用地面灌溉，在低区采用滴灌等技术。继续加大降雨蓄水工程的建设力度，建设蓄水池、雨水花园、水窖等收集雨水，比如在道路两侧可以修建雨水收集沟渠，在田间建设雨水收集池塘，在蔬菜基地利用日光温室膜面收集雨水。

3.3 逐步进行节水节能改造

逐渐淘汰老旧水泵，引入变频调速技术，以实现对流速的精准调节。变频器恒压供水，根据压力对流量进行调节，可以稳定电网运行，实现节约能源的目的。调整电动机运行效率，为节能降耗，改“△”法为“Y”法，电动机效率曲线一般在1.0～1.7为宜，建议采用绕组接线方法，电动机和机组配套效率保持在0.8。为提升水泵实际效率，需要对管路进行优化，避免叶片流道断面突变，由于导叶不畅造成回流，以及进水室和出水室的问题造成水力损耗。根据水泵和管道曲线精确计算各类灌溉参数，合理确定管径，并且适当降低管道长度，以降低能耗。降低流水阻力，控制流速，高频少量灌溉作物的流速可以控制在1m/s以下。并且配合智能监测设备，一旦发现实际灌溉中不能满足需求，就要予以调整。对进出水池进行优化，改善设计，及时清理杂物，调整水泵淹没深度，避免漩涡情况发生。进一步完善设备维护保养制度，对叶轮、轴承、管道等关键部件和设施进行定位保养。大力推广自动控制技术和智能化技术，除了传统PID控制技术、PLC控制技术之外，还应该利用5G等新技术提高信息化水平，全面监测水情、雨情、墒情。依托示范基地、设施农业和高标准农田逐渐向周边推广，切实降低农民的劳动成本和投入。

3.4 建立高效技术推广体系

建设高水平的技术研发体系，政府部门牵头，科研院所、各大院校和龙头企业参与，在农业水利一线进行技术研发和实验。不断推动技术创新，比如设施农业可以将光伏板和集水系统结合，同时实现节水节能。通过与农户的广泛连接让他们看到节水节能技术所带来的效益，让他们了解渠道防渗可降低70%以上的损失，目前先进的混凝土外层加装防水面技术降损率可达95%以上。喷灌最高可节水50%，滴灌最高可节水70%。根据各地经济发展水平不同因地制宜推广节能节水技术，比如偏远地区推广渠道防渗技术，在经济发达地区推广低压管道垄沟覆膜滴灌技术，减少水分蒸发，最大程度上发挥节水效益。