城鎮化趨勢下的農田水利規劃探討

郭志鵬

(同濟大學土木工程學院水利工程系,上海 200208)

城鎮化趨勢下的農田水利規劃探討

郭志鵬

(同濟大學土木工程學院水利工程系,上海 200208)

隨著城鎮化進程的發展,農村勞動力將向城市轉移,農業生產模式也將由傳統的分散化、隨意化向規模化、產業化、現代化的生態農業模式發展。新時期的農田水利規劃需要配合這種發展趨勢,向著節水、高效、科學的方向發展。以浦東新區為例,探討城鎮化趨勢下經濟作物及糧食作物的農田水利規劃方法及實施要點。

城鎮化 經濟作物 糧食作物 農田水利規劃

1 研究背景

水是生命之源、生產之要、生態之基。近年來我國頻繁發生的嚴重水旱災害，暴露出農田水利等基礎設施十分薄弱，必須大力加強水利建設。為了解決水資源面臨的問題，中共中央、國務院出臺了《中共中央 國務院關于加快水利改革發展的決定》。國務院進一步提出了《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》以下簡稱(《意見》)，全面實施最嚴格的水資源管理制度。針對農田水利基礎設施建設，《意見》提出了明確目標，到2015年，農田灌溉水有效利用系數提高到0.53以上；到2020年，農田灌溉水有效利用系數提高到0.55以上。并提出要加大農業節水力度，完善和落實節水灌溉的產業支持、技術服務、財政補貼等政策措施，大力發展管道輸水、噴灌、微灌等高效節水灌溉。

上海市作為全國首批試點省市之一，正在積極開展實施最嚴格水資源管理制度的試點工作，到2014年基本建立最嚴格水資源管理制度體系框架。浦東新區各級水務行業管理部門出臺了一系列政策支持各鎮農田水利基礎設施建設，決定在全區進行農田水利基礎設施高水平建設以及系統改造工程。針對集中連片、土地全部流轉、規模化管理的基本農田保護區的灌區進行排灌設施改造、土地平整、機耕道路橋梁建設、泵站引水河整治、灌區自動化控制等高水平農田水利設施建設，對暫不能進行高水平水利設施建設的灌區進行系統改造。并出臺一些了措施確保規劃科學有效、建設程序規范、資金使用到位。

2 工程現狀及預期目標

2.1 工程現狀

現階段我區使用的灌溉設施始建于上世紀六、七十年代，包括泵站、地下渠道、渡槽、倒虹吸等，主要針對水稻等糧食作物進行灌溉。這些設施在很長一段時間內發揮了良好效益，滿足了作物需水要求。隨著時間的增長，一些設施老化嚴重，近年來雖有不少應急維修工程，但由于各種原因，管道滲漏的現象難以得到徹底解決。近年來也有不少鎮實施了現代農田水利項目，建設了噴灌、滴灌等節水灌溉設施，主要針對蔬菜等經濟作物，發揮了良好效益。現階段我區農田水利基礎設施存在這以下幾個方面的問題：

(1)隨著經濟社會的發展，一些土地使用性質、規劃功能發生變化。一大批基礎設施的建設，一些農業園區、工業園區的開發，一些城鎮重新規劃建設，使得不少原來種植作物的土地使用性質發生改變，隨之而來使得原來土地上的農田水利基礎設施報廢，而原來并不是農業用地的土地成為了農業用地，這樣使得原來的灌區規劃與現土地要求不相適應。

(2)土地種植結構發生變化，一些原來種植水稻的田塊現在種植了果樹、蔬菜等經濟作物，一些稻田改變成了魚塘等發展養殖業，使得原來為水稻灌溉設計的灌溉系統不能滿足要求。

(3)由于缺乏管理，上世紀建設的一些排灌設施，上方建造了民房、道路等設施，使得這些地下排灌設施難以維修。近年來一些灌區雖進行了應急維修等改造，但灌溉系統是一個整體工程，部分設施的維修難以解決整個系統的滲漏等問題。

(4)近年來我區農業在經濟作物生產方面取得了不小的成績，出現了一批優秀的合作社，生產方式也向這專業化、現代化、科學化的方向發展。但水稻等經濟作物生產方式仍是以家庭等散戶方式為主，這種生產方式帶來的是種植結構的隨意性以及水稻田塊的分散性。分散的田塊使得地下渠道長度延長，而隨意改變的種植結構使得排灌設施難以得到良好的使用效益。

2.2 預期目標

隨著城鎮化進程的發展，越來越多的農村勞動力將向城市轉移，農業生產模式也將由傳統的農業生產模式向規模化、產業化、現代化的生態農業模式發展。根據2011年統計數據，全區糧食播種面積22081.6公頃，糧食總產量148599噸。蔬菜播種面積25185.3公頃，蔬菜總產量832818噸。未來我區農業發展的方向是農業現代化，未來的主要工作主要是大力促進農業轉型發展，推進浦東農業生產方式和生產力水平現代化進程。農田水利基礎設施的建設應同農業發展有機結合，根據農業生產發展的方向來決定農田水利基礎設施建設的方向。未來農田水利基礎設施主要向著科學化、節水化、自動化的方向發展。

3 經濟作物農田水利規劃

經濟作物的灌溉方式主要以噴灌、滴灌、膜下灌等節水灌溉為主，這類灌溉方法的特點是灌溉時只濕潤作物周圍的土壤，遠離作物根部的土壤仍保持干燥。灌溉方式的選擇根據作物類型、地形、水源及土壤等因素，結合各種灌水方式的適應條件及各種灌水方式的優缺點選定。經濟作物農田水利規劃主要是進行灌溉方式的選擇以及灌溉設施的布置。

(1)噴灌：利用專門設備將有壓水送到灌溉低端，并噴射到空中散成細小的水滴，象天然降雨一樣進行灌溉。

(2)滴灌：利用一套塑料管道系統將水直接輸送到作物根部，水由每個滴頭直接滴在根部上的地表，然后滲入土壤并浸潤作物根系最發達的區域。

(3)膜下灌：一種特殊形式的滴灌，把滴灌毛管布置在地膜下面，可基本上避免地面無效蒸發。

(4)滲灌：利用修筑在地下的專門設施將灌溉水引入田間耕作層借毛細管作用自下而上濕潤土壤進行灌溉。

(5)微噴灌：又稱微型噴灌或者微噴灌溉，用很小的噴頭將水噴灑在土壤表面，較噴灌流量大一些，不易堵塞。

3.1 規劃原則

我區主要糧食作物是水稻，主要灌溉方式為地面灌溉，即由取水設施(泵站)從河道取地表水，通過輸配水系統(地下管道、渡槽及倒虹吸)進入田間，水從地表面借重力和毛細管作用浸潤土壤。灌區規劃的主要任務是根據灌溉田地、作物情況、氣候條件、土壤條件等確定灌溉面積、灌溉水量等。

3.2 國內外研究現狀

3.2.1 水稻需水量研究

水稻消耗水分的途徑主要有植株蒸騰、田間蒸發和深層滲漏，其中植株蒸騰和田間蒸發合稱為騰發，消耗的水量稱為騰發量，又稱為水稻需水量。水稻需水量的計算方法主要有兩類：一是根據經驗公式直接計算，二是根據參照作物需水量計算實際需水量。在參照作物需水量計算方面，近30年來，基于能量平衡和微氣候學方法的Penman-Monteith方程被認為是估算作物騰發量最具信賴和可用性的模型之一。其基本思想是：將作物蒸騰蒸發看作是能量消耗的過程，通過能量平衡計算出蒸騰蒸發所消耗的能量，然后再將能量折算為水量，即作物需水量[1]。

3.2.2 灌區水文模型研究

近年來，一些水文模型也被運用到灌區水量研究中。崔遠來等運用土壤-水分-大氣-作物系統模型(SWAP)對不同灌溉制度下灌水水平、土壤水勢等試驗資料對模擬早稻灌溉制度及作物生長適應性進行了驗證[2]。王建鵬等[3]則對SWAP模型進行了進一步改進，更合理地定量描述和研究分析南方丘陵水稻灌區水量及其轉化關系，為灌區水量轉化和節水潛力分析研究提供了有效手段。周玉桃等[4]借助SLURP模型模擬研究灌溉系統的水分循環以及水量平衡要素的變化規律，模擬不同地質、土壤、植被以及不同管理措施下的灌區水分循環。

3.2.3 非充分灌溉研究

近年來中國的灌溉實踐表明，作物本身具有生理節水和抗旱能力，適當進行水分虧缺調控對于促進群體的高產更為有效。已有試驗資料表明，減少株間蒸發不會影響作物產量，一定條件下，適當減少植株蒸騰量也不會導致減產。相反作物在某些生育階段水分虧缺，對作物生長發育與高產反而有利[5]。

3.3 規劃實施要點

3.3.1 作物需水量及灌溉制度擬定

本區作物需水量主要根據本市相關灌溉試驗站試驗成果確定，得到作物各生育期需水量后，按照水量平衡原理分析制定水稻的灌溉制度。泡田期的灌溉用水量可用下式確定。

式中M1為泡田期灌溉用水量，h0為插秧時田面所需的水層深度， S1為泡田期滲漏量，即開始泡田到插秧期間的總滲漏量， t1為泡田期的天數， e1為 t1時期水田田面平均蒸發強度，可用水面蒸發強度代替，1P為 t1時期內的降雨量。

水稻生育期中任何一個時段內農田水分的變化用水量平衡方程表示。

式中 h1為時段初田面水層深度， h2為時段末田面水層深度，P為時段內降雨量，d為時段內排水量，m為時段內的灌水量，WC為時段內田間耗水量。如果時段初的農田水分處于適宜水層上限(hmax)經過一個時段的消耗田面水層降到適宜水層的下限(hmin)，這時如果沒有降雨，則需要進行灌溉，灌水定額為

灌溉制度設計中的降雨量采用灌溉典型年的降雨量，即根據歷年降雨資料用頻率方法進行統計分析，確定幾種干旱程度的典型年份，如中等年、中等干旱年以及干旱年等，以這些年的降雨量作為設計灌溉制度和灌溉用水量的依據。

3.3.2 灌水模數確定

對于某一次灌水需供水到田間的凈灌溉用水量為

式中m為某次灌水的灌水定額(由灌溉制定確定)，A為灌溉面積。由凈灌溉用水量和灌溉水利用系數得到毛灌溉用水量。

得到每次灌溉定額以及毛灌溉用水量后，結合每次灌水延續時間得到每次灌水的灌水率和渠系引水流量。根據每次灌水的灌水率繪制初步灌水率圖，對該圖進行修正后得到修正后的灌水率圖，得到渠系設計引水流量Q。

3.3.3 地下管道管徑計算

得到設計引水流量后，接下來需要確定管道的管徑。管道管徑的選擇一般是先根據各自不同管材的適宜流速及經驗選定，然后校核水頭損失是否合理。

3.3.4 渠系布置及泵站位置選定

地下渠道系統的布設應結合水源、道路、需灌溉農田等因素綜合考慮，輸水管網的布設應力求管線總長度最短，控制面積最大，管路平順，無過多彎轉和起伏。泵站位置選定應結合規劃河道，主要是鎮管河道考慮。泵站位置選址應該盡量布置在灌區中部，這樣渠系水頭損失較小，灌水時間也較短。

3.3.5 水泵揚程確定

管道水頭損失包括沿程水頭損失及局部水頭損失，分別按以下公式計算：

沿程水頭損失計算：

式中hf為沿程水頭損失，f為摩擦系數，L為管道長度，Q為流量，d為管道內徑，m為流量系數，b為管徑指數，管材的f、m及b數值按規范中的相關表格確定。

局部水頭損失計算：

式中 hj為局部水頭損失， ξ為局部阻力系數，υ為管道內水流的流速， g為重力加速度。

管道內總的水頭損失等于沿程水頭損失加上局部水頭損失的迭加，即

水泵揚程根據首部設計工作壓力確定，首先在灌區內選擇幾個能代表灌區的典型點，然后計算各自工作壓力，取最大或者次最大者為設計工作壓力。

式中H0為灌水器工作水頭，∑hf為首部到典型點之間管路沿程水頭損失之和，∑hj為首部到典型點之間管路局部水頭損失之和，△為典型點高程與水源水面的高差。

4 結論

(1)隨著城鎮化進程的發展，傳統農業將向現代農業發展。農田水利基礎設施規劃建設需配合這種趨勢，向著更加節水、綠色環保、高效科學的方向發展；

(2)經濟作物的灌溉方式主要采用噴灌、滴灌、滲灌、膜下灌等方式，灌區規劃以單個生產組織(比如一個合作社)開展，灌溉方式根據類型、地形、水源及土壤等因素選定；

(3)糧食作物的灌區規劃應該以高效節水為目的開展，在灌區劃分上應考慮節水、節能，方便管理；

(4)工程建設方面應嚴格按照建設程序開展，嚴格實行項目法人責任制、招標投標制、建設監理制，規范工程施工，確保工程質量；

(5)建成后應加強田間管理，注重日常維護保養，確保工程高效運轉。

[1]丁加麗,彭世彰,徐俊增,魏征.基于Penman-Monteith方程的節水灌溉稻田蒸散量模型[J].農業工程學報,2010,26(4):31～35.

[2]代俊峰,崔遠來.SWAP模型及其在灌區管理中的應用前景[J].中國農村水利水電,2006,6:34～39.

[3]王建鵬,崔遠來.水稻灌區水量轉化模型及其模擬效率分析[J].農業工程學報,2011,27(1):22～28.

[4]周玉桃,崔遠來,謝先紅,代俊峰.SLURP模型及其在灌區水管理應用中的研究進展[J].中國農村水利水電,2008,8:84～88

[5]彭世彰,朱成立.節水灌溉的作物需水量試驗研究[J].灌溉排水學報,2003,22(2):21～25.