盤山縣農(nóng)業(yè)灌溉工程節(jié)水技術(shù)效益分析與計(jì)算

王 迪

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

近年來，遼寧省水質(zhì)性、工程性、季節(jié)性和區(qū)域性缺水等問題日趨突出，特別是盤錦市面臨著更加嚴(yán)峻的干旱缺水形勢。全面建設(shè)節(jié)水型社會是應(yīng)對日趨嚴(yán)重的缺水形勢的最直接、最有效的方法，盤山縣作為遼寧省重要的糧食生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)灌溉用水基本消耗了全市總用水量的65%以上，水資源可持續(xù)利用與農(nóng)業(yè)用水密切相關(guān)[1]。因此，節(jié)水型社會建設(shè)的關(guān)鍵是抓住農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水工程。通過分析盤山縣農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)及其適用范圍，計(jì)算了不同節(jié)水措施的經(jīng)濟(jì)效益和投資成本，以期為促進(jìn)盤山縣農(nóng)業(yè)發(fā)展和節(jié)水工程方案設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

1 盤山縣農(nóng)業(yè)灌溉用水定額

用水定額是考核節(jié)水成效、挖掘節(jié)水潛力和衡量水資源利用水平的重要參數(shù)，可為實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用及建設(shè)節(jié)水型社會提供科學(xué)指導(dǎo)。根據(jù)相關(guān)資料可將用水定額概括為：人均生活所需或單位面積、單位產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)的用水量。隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步用水定額不斷發(fā)生改變，如科技的進(jìn)步逐漸降低了農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水定額，而文化水平的提高和社會的發(fā)展使得生活用水定額不斷提高；另外，季節(jié)的變化對生活和工農(nóng)業(yè)用水定額也可產(chǎn)生一定影響，特別是農(nóng)業(yè)用水定額受季節(jié)性影響更為顯著，即使同一地區(qū)的同一種作物，由于豐水年和干旱年的交替變換其灌溉定額也存在較大的差異；同一種作物在不同年份和不同地區(qū)，其灌溉定額因不同性質(zhì)的土壤和蒸發(fā)、降水等氣候上的差異也存在較大的不同；灌溉定額因灌水技術(shù)的不同也會發(fā)生改變[2]。

一般情況下，可將用水定額分為居民生活、工業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)用水定額3大方面。單農(nóng)業(yè)灌溉用水定額是指作物生長期及播種前的灌溉總水，其單位一般用m3/hm2表示。為適量適時(shí)的達(dá)到灌溉目的，根據(jù)土壤水分狀況和作物需水要求確定灌水次數(shù)及灌溉時(shí)間。灌溉用水定額不僅是編制灌區(qū)用水計(jì)劃、設(shè)計(jì)灌溉工程及制訂灌區(qū)水利規(guī)劃的重要依據(jù)，而且是指導(dǎo)農(nóng)田灌水工作的基本資料。

將盤山縣農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)按照兩種保證率P=75%、P=50%和灌溉用水定額，劃分為7個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)、12種農(nóng)作物灌溉定額和10種蔬菜灌溉用水定額。單位面積上的農(nóng)作物在整個(gè)生長期內(nèi)的總灌溉水量即為灌溉定額，而單次灌水量即為灌水定額。灌水定額與可利用灌水時(shí)間、灌溉面積、土壤持水量及農(nóng)作物類型等因素相關(guān)。不同類型的作物其根系活動(dòng)層深度存在一定差異，相應(yīng)的灌水量也可能存在差異[3]。一次灌水量大小與土壤持水量相關(guān)，灌水量過多不僅可減少作物根部空氣的孔隙，而且水資源無法被作物充分吸收，從而導(dǎo)致用水浪費(fèi)。盤錦市盤山縣主要農(nóng)作物，在兩種不同保證率下的灌溉用水定額見表1。

表1 盤山縣主要農(nóng)作物灌溉用水定額 m3/hm2

通常情況下，可將農(nóng)業(yè)節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)歸納為水管理、生物、農(nóng)藝和工程節(jié)水技術(shù)。根據(jù)各項(xiàng)技術(shù)的節(jié)水灌溉機(jī)理將其劃分為4個(gè)基本過程，具體如下：提高灌溉用水效率，降低輸水過程中灌溉渠系的滲漏損失水量與蒸散發(fā)；減少農(nóng)田灌溉時(shí)的地表流失和深層水分損失，在降低單位面積灌溉用水量的同事改善灌水質(zhì)量；有效利用灌溉水資源與天然降水，最大程度的降低土壤水分的蒸發(fā)損失；最大程度的降低奢侈性水分蒸騰消耗，提高作物水分生產(chǎn)效率、用水效益和作物產(chǎn)量。當(dāng)前，管道輸水、渠道防滲、微灌及噴灌技術(shù)為盤錦市盤山縣灌溉工程的主要技術(shù)措施。

2 低壓管道輸水節(jié)水技術(shù)

2.1 管道輸水系統(tǒng)構(gòu)成

管道輸水灌溉系統(tǒng)主要由取水與水源工程、田間灌水及輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)3部分構(gòu)成，各子系統(tǒng)的功能及類型如下：

1)取水與水管工程。水庫、河湖、塘壩、渠道、溝泉、水井等為管道輸水灌溉系統(tǒng)的水源，且灌溉水還要滿足農(nóng)田用水和不含過多雜草、泥沙等要求。按照揚(yáng)程和用水量多少，合理確定井灌區(qū)取水工程的水表、壓力表、配套動(dòng)力機(jī)和水泵等，同時(shí)建設(shè)管理房[4]。大中型提水灌區(qū)或自壓灌區(qū)的取水工程還應(yīng)改進(jìn)配套建筑物，如泵房、攔污柵、分水閘和進(jìn)水閘等。

2)輸水配水管網(wǎng)系統(tǒng)。管道輸水灌溉系統(tǒng)中的附屬設(shè)置、保護(hù)裝置、分水設(shè)置、各級管道等為組成輸配水管網(wǎng)的主要構(gòu)成，具有較大面積的灌區(qū)管網(wǎng)可由分支管、支管、分干管和干管等多級管道構(gòu)成。

3)田間灌水系統(tǒng)。田間灌水系統(tǒng)仍屬于地面灌水，為減少灌水定額和達(dá)到灌水均勻的目的有必要采取地面節(jié)水灌溉技術(shù)。

2.2 管道輸水特點(diǎn)

1)節(jié)能節(jié)水特點(diǎn)。管道輸水具有顯著的降低滲漏損失和蒸發(fā)損失的效應(yīng)，相對于土壟溝而言可降低5%的輸水損失，與土渠相比可提高30%-40%的用水效率，相對于混凝土襯砌節(jié)水50%-15%。節(jié)水相對于機(jī)井灌溉而言，代表能耗的降低。

2)省工、省地。田間土渠輸水渠道占地一般為灌溉的1%-2%，甚至高達(dá)3%-5%，而管道輸水可大大提升土地利用率，其占地僅有灌溉區(qū)域的0.5%左右。另外，管道輸水能夠有效處理漏水跑水的情況，且輸水速度較快，可節(jié)省清淤和巡渠的維修用工。

3)效益高、投資小。根據(jù)當(dāng)前市場用工和材料價(jià)格，灌溉投資費(fèi)用較低一般為500元/hm2。水源條件相同的情況下，因適時(shí)適量灌溉和滿足作物生長蓄水要求，管道輸水具有增產(chǎn)增收的顯著效應(yīng)。

4)適應(yīng)性強(qiáng)。壓力管道施工安全且不受地形條件影響，因此適用于跨路、爬坡和越溝等各種堤段，便于推廣和群眾掌握。通過配備移動(dòng)軟管可解決零散地塊較為問題，在當(dāng)前社會體制模式下具有較強(qiáng)的適用性。

3 農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)

3.1 渠道防滲技術(shù)

混凝土襯砌梯形渠或U型渠為渠道防滲的一般形式，混凝土防滲渠道有利于提高輸沙防淤能力，具有流速快和粗糙率小等特點(diǎn)。另外，采用混凝土渠道防滲有利于渠道管理和控制地下水位，在一定程度上改善土壤。原渠床土壤防滲性能可通過物理機(jī)械和化學(xué)法兩種方法而改變，其中化學(xué)法通過摻入化學(xué)材料改變其滲透性；而物理機(jī)械法一般采用抹光、淤淀和壓實(shí)等措施減少土壤空隙和滲漏率。

渠道襯砌即設(shè)置防滲層，可選用黏土、水泥土、混凝土、瀝青、塑料薄膜、砌磚、砌石及鋼筋混凝土等作為渠床材料，通過采取防滲措施可減少50%-90%的損失。目前該技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的形式為混凝土襯砌，具有投資大、耐久性和防沖效果好等特點(diǎn)，具體如下：

1)防滲效果好。渠道水利用系數(shù)在小型混凝土U型渠道中可達(dá)0.97-0.98，與梯形混凝土渠道相比U型渠道具有裂縫少、流速快、濕周段等特點(diǎn)，因此與梯形襯砌渠道相比具有較小的輸水損失。

2)流速快、水力條件好。下部為半圓曲線的U型渠道近似最佳水力斷面，符合水流的自然特性。在兩坡腳處U型渠道不存在傳統(tǒng)梯形斷面的死角，所以其濕周段、水力半徑大且不存在渦流及回流情況，流速均勻比較分布。與梯形斷面相比U型斷面具有較快的流速，不僅能夠縮短田間灌溉周期，而且可提高水流挾沙能力和渠道輸水能力，在引用含沙率較高的灌溉水時(shí)具有可行性。U型渠道不易產(chǎn)生淤積問題，在華北引黃灌區(qū)U型灌區(qū)具有明顯的適用性。

3)抗外力性能好。U型渠道的上部直線段土壤側(cè)壓力較小，下部半圓土槽處于穩(wěn)定狀態(tài)，下部混凝土襯砌為反拱具有較好的整體性。在地基土壤凍脹力作用下可充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能，適應(yīng)整體的抬升作用。因此，相對于梯形襯砌U型渠道具有較好的基礎(chǔ)凍脹適應(yīng)性，且相比梯形渠其裂縫破壞程度低。

4)渠道占地少。混凝土U型渠道的占地面積僅為梯形渠道1/2-1/4，其渠口較窄且隨著流量的增大，節(jié)省土地的程度越高。

5)省料省工。混凝土U型渠道的投資較少且襯砌材料用量少，相對于梯形渠道能夠節(jié)省25%-30%的襯砌材料。另外，U型渠道的濕周短且抗沖性能較好，在坡度較大渠段具有較好的實(shí)用性；減少銜接建筑物的修建，如減少陡坡、跌水等建筑物材料費(fèi)40%-50%。

6)管理方便。混凝土U型襯砌渠道不僅可大大降低裂縫修補(bǔ)、堤岸整修等渠道維護(hù)工作量，而且具有冬季兩岸不掛冰和渠系建筑物浮冰不壅塞等特征，相對于梯形渠道可節(jié)約60%-70%的勞力。

3.2 微灌節(jié)水技術(shù)

微灌是按照作物需求以較小的流量將作物生長所需水分和水量，通過灌水器準(zhǔn)確和均勻的輸送到作物根部。微灌與傳統(tǒng)的全面積濕潤的噴灌、地面灌技術(shù)相比，是一種將作物根區(qū)附近的部分土壤以較小的流量濕潤的灌水方法，因此也稱為局部灌溉技術(shù)。

根據(jù)不同的灌溉方式將微灌分為地表滴灌、地下滴灌、微噴灌及涌泉灌4種類型，具體如下：地表滴灌是以間斷或連續(xù)的水流形式，將壓力水通過末級管道上的灌水器灌到作物根部附近土壤的灌水方法；地下滴灌是一種將水直接灌到地表下作物根區(qū)的最為節(jié)水的灌水方式，其流量與地表滴灌相差不大，在降低地表蒸發(fā)時(shí)具有小豬的效應(yīng)；微噴灌是以噴灑狀的形式，將壓力水利用與毛管連接或直接安裝在毛管上的灌水器噴灑在作物根部附近土壤的灌水方法，因此簡稱為微噴。這種灌溉方式具有提升空氣濕度和改善小氣候的功能，對于草坪的微噴灌等某些情況，微噴灌屬于一種小流量灌溉技術(shù)并不屬于完全意義上的局部灌溉的范疇；涌泉灌通過灌水器將管道中的壓力水以小股水或泉水的形式輸送至土壤表面的方式。

微灌可將水灌到作物根部附近的土壤，從而滿足植物的生長要求，在實(shí)踐應(yīng)用中具有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如下：

1)省水、省工。微灌能夠顯著降低灌溉水損失，僅在作物根區(qū)附近的土壤適時(shí)適量的灌水市容，因此具有明顯的節(jié)水效益。另外，微灌具有管網(wǎng)供水系統(tǒng)，便于自動(dòng)控制且操作方便，勞動(dòng)效率高可大大節(jié)省勞力；微灌屬于一種局部灌溉方式，能夠保持大部分地表仍處于干燥狀態(tài)，在一定程度上抑制雜草的生長，從而降低用于除草劑和除草勞力的費(fèi)用；微灌系統(tǒng)可將藥劑、肥料等與水一起輸送至作物根部土壤，該過程無需投入人工作業(yè)。

2)節(jié)能、增產(chǎn)。相對于噴灌技術(shù)微灌的灌水器工作壓力較低，一般在50-150MPa之間，并且較地面灌水該技術(shù)具有明顯的省水效應(yīng)，因此對于提水灌溉而言也就代表能夠降低能耗。微灌能夠適時(shí)適量的供肥供水，從而創(chuàng)造良好的養(yǎng)分、熱、水、氣環(huán)境滿足作物的生長需要，因此有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)。

3)地形和土壤適應(yīng)性強(qiáng)。在各類復(fù)雜地形條件下微灌均可將壓力水輸送至作物根部，因此具有較強(qiáng)的地形與土壤適應(yīng)能力。

4)使用范圍局限性。微灌系統(tǒng)的灌水器出口較小且較地面灌的投資較高，出口處很容易被水中的有機(jī)物質(zhì)或礦物質(zhì)堵塞，若整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)管理不當(dāng)將無法正常工作。

3.3 噴灌節(jié)水技術(shù)

噴灌技術(shù)是一種適時(shí)適量灌溉技術(shù)，使灌溉水在水泵加壓作用下經(jīng)過噴頭、管道等專用設(shè)配噴射到空中，從而均勻的散落到田間的灌水方式。噴灌節(jié)水具有保持水土、灌溉均勻、省力、節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種土壤與地形。這種灌溉技術(shù)通常不會產(chǎn)生深層滲漏和地面徑流，可根據(jù)不同生長時(shí)期作物的需水量狀況適量的供水，地面濕度均勻適用于經(jīng)濟(jì)作物、果樹、蔬菜等以井灌為主的連片種植的地區(qū)。根據(jù)不同的移動(dòng)程度，可將管道式噴灌系統(tǒng)分為半固定式、全移動(dòng)式和全固定式3種方式。噴灌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍如下：

1)節(jié)約用水。由于噴灌管道輸水損失小且灌水比較均勻，一般條件下不會形成地面徑流與深層滲漏，因此這種灌溉方法較地面灌水可省水30%-50%，具有較高的灌溉用水效率。針對保水能力差、透水性能好的沙質(zhì)土地，這種灌水方式具有更加明顯的節(jié)水效果，保持水量相同時(shí)可灌溉的土地更多。

2)保持水土。根據(jù)土壤質(zhì)地和透水性大小可調(diào)節(jié)噴灌強(qiáng)度及其水滴直徑，從而達(dá)到避免水土流失、使水分都滲入土層內(nèi)、不產(chǎn)生土壤沖刷、保持土壤松散狀態(tài)及不破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的目的。采用噴灌技術(shù)可有效防止次生鹽堿化土地的形成和地下水位的上升，消除深層滲漏和嚴(yán)格控制濕潤程度。

3)節(jié)地、節(jié)力。噴灌技術(shù)能夠節(jié)約的3%-7%的溝渠占地，且可顯著降低土石方工程，顯著提升土地利用率；另外，噴灌的利用大大減輕了灌水勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了機(jī)械化程度。

4)適應(yīng)性強(qiáng)。噴灌屬于一種不受土壤透水性和地形坡度限制的噴灑式灌水技術(shù)，在難以實(shí)現(xiàn)地面灌水時(shí)可采用噴灌方法。

5)提高產(chǎn)量。為便于嚴(yán)格控制土壤水分和促進(jìn)作物根系在淺層的發(fā)育，可采用淺澆勤灌的方式灌水，不僅可保持土壤肥力，而且有助于充分利用土壤表層肥分和保護(hù)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不被破壞。另外，噴灌有助于增加近地表空氣濕度和調(diào)節(jié)田間小氣候，能夠發(fā)揮調(diào)節(jié)葉面溫度和沖洗葉面塵土的作用，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的目的。經(jīng)濟(jì)作物和大田作物可增產(chǎn)30%、20%，在改變產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)蔬菜增產(chǎn)1-2倍。同時(shí)，噴灌系統(tǒng)還可用于防暑降溫、防霜凍、噴灑農(nóng)藥等方面。

4 節(jié)水灌溉及其效益分析計(jì)算

通過對比有、無節(jié)水工程及其對作物增產(chǎn)的綜合作用，從節(jié)省勞力、節(jié)電、節(jié)地、節(jié)水和總增產(chǎn)值等方面計(jì)算節(jié)水灌溉效益。文章枯苦水年(P=75%)作為典型年計(jì)算分析節(jié)水效益分析及灌溉用水量，主要包括如下方面：

1)節(jié)水效益。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)政策沒有征收農(nóng)業(yè)用水水費(fèi)，但分析節(jié)水效益時(shí)應(yīng)將水資源價(jià)格體現(xiàn)效益，效益的主體為水資源，水價(jià)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為1.05元/m3。

2)節(jié)地效益。引入S、Yg為節(jié)水總面積及其灌溉后的產(chǎn)量大，單位為hm2、kg；Si為每條灌溉管道的節(jié)地面積，hm2；n、R分別為管道條數(shù)和農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格，其中R值為1.8元/kg。則節(jié)土地效益Pe的計(jì)算公式如下：

(1)

3)增產(chǎn)效益。引入Yn、Yg分別為節(jié)水措施實(shí)施前、后的農(nóng)作物產(chǎn)量，單位kg/hm2；R為農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格，元/kg。則農(nóng)作物增產(chǎn)效益Pa的計(jì)算方法如下：

Pa=R×(Yg-Yn)

(2)

4)節(jié)能效益。設(shè)η裝為裝量效率，文中取0.65；f為電價(jià)，按當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用電為0.5元/(kW·h)；H為水泵揚(yáng)程，盤山縣地區(qū)一般為30-40m；Wj1、Wj2分別為節(jié)水措施實(shí)施前、后的一次用水量，單位m3/hm2。則節(jié)水灌溉節(jié)能效益Pw的計(jì)算公式為：

(3)

5)省工效益。假定Ln、Lm分別為節(jié)水灌溉實(shí)施前、后的全年灌溉用工數(shù)，單位為工日/hm2；p為勞動(dòng)力日工資。則省工效益PL可按下式計(jì)算：

PL=p×(Lm-Ln)

(4)

根據(jù)以上勞動(dòng)力價(jià)值、電力價(jià)格、糧食市場價(jià)格以及省工節(jié)能效益計(jì)算結(jié)果，采用下式計(jì)算確定綜合效益，即：

P=Pj+Pe+Pa+PW+PL

(5)

結(jié)合當(dāng)前市場價(jià)格和盤山縣現(xiàn)有技術(shù)條件，以地面灌溉水位為基礎(chǔ)計(jì)算確定不同灌溉措施的年運(yùn)行費(fèi)、用水量及投資，見表2所示。

表2 盤山縣典型節(jié)水灌溉工程的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算值

根據(jù)目前人員工資現(xiàn)狀、農(nóng)業(yè)用電價(jià)格及糧食價(jià)格，分別對不同節(jié)水灌溉工程的節(jié)省勞動(dòng)力、節(jié)能、增產(chǎn)效益、節(jié)地及節(jié)水效益進(jìn)行計(jì)算，最終確定綜合效益，見表3所示。通過對比分析不同灌溉工程的投資和工程效益，確定總效益最高且投資較大的節(jié)水工程為微灌溉，即9450元/hm2。不同節(jié)水措施的選擇應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，綜合考慮各方面因素確定。

表3 盤山縣典型節(jié)水灌溉工程的綜合節(jié)水效益

5 結(jié) 論

通過對比分析盤錦市盤山縣農(nóng)業(yè)灌溉工程技術(shù)特點(diǎn)，確定低壓管道輸水技術(shù)適用于當(dāng)前自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會條件，具有投資小、增產(chǎn)、省地、節(jié)水等特點(diǎn)；微灌技術(shù)適用于花卉、蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物灌溉，具有投資大等特點(diǎn)；噴灌技術(shù)具有投資大、適用范圍廣等特點(diǎn)，因不受土壤透水性和地形坡度等條件限制適用于經(jīng)濟(jì)實(shí)例較大的大型農(nóng)場。