西藏高寒地區(qū)常見噴灌形式適宜性分析
——以拉薩為例

楊 波，張位首，宋猛猛，張 鈺，楊禮志，湯鵬程

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 100038；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；3.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，拉薩 850000；4.西藏自治區(qū)拉薩市曲水縣水利局，拉薩 850699)

西藏自治區(qū)面積為122.84萬km2(26°50′至36°53′N，78°25′至99°06′E)，約占我國(guó)總面積的1/8，是世界上面積最大、海拔最高的高原。獨(dú)特的地理地勢(shì)條件下，西藏地區(qū)的水資源較國(guó)內(nèi)其他地區(qū)豐富，但是水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較內(nèi)地落后，資金主要投入在渠道建設(shè)、維護(hù)等，對(duì)節(jié)水高效灌溉方式的認(rèn)識(shí)不足，當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民并不重視高效節(jié)水灌溉設(shè)備的引入和使用，牧草的種植仍依賴普通地面灌溉和天然降雨[1-4]。地面灌溉雖操作簡(jiǎn)單、無需耗能，但在西藏地區(qū)土壤層薄(30 cm左右)、田間地勢(shì)不平、地塊零碎，強(qiáng)輻射、低壓低氧的土壤和氣象條件下，所需勞動(dòng)力較大、對(duì)土地平整程度要求高、極易造成土壤和肥料的流失，導(dǎo)致西藏地區(qū)灌溉水利用效率低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、牧草的實(shí)際產(chǎn)量不理想[5-7]。

在此背景下，西藏高寒地區(qū)開始在牧草種植中引入先進(jìn)的高效節(jié)水灌溉設(shè)備。噴灌具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、提高水資源利用效率的優(yōu)點(diǎn)，是水資源條件較好、規(guī)模化經(jīng)營(yíng)的農(nóng)牧場(chǎng)常用的灌溉方式。拉薩市作為西藏自治區(qū)首府，率先引入幾種國(guó)內(nèi)外常見的噴灌設(shè)備，且拉薩當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政府部門鼓勵(lì)農(nóng)牧民積極使用。但是，噴灌應(yīng)用于西藏高寒地區(qū)的相關(guān)前期資料很少，同時(shí)缺少系統(tǒng)的分析，當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民無法科學(xué)選擇適宜的噴灌形式。針對(duì)以上問題，本文以拉薩市為例，通過資料收集并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，展開西藏高寒地區(qū)幾種常見噴灌形式的適用性分析(包括節(jié)水、增產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)等技術(shù)指標(biāo))，研究結(jié)果以期為西藏地區(qū)農(nóng)牧民就噴灌形式的選擇提供參考。

1 研究區(qū)概括

1.1 地理位置

研究點(diǎn)位于西藏自治區(qū)拉薩市林周縣亞麻鄉(xiāng)的高效節(jié)水飼草生產(chǎn)示范基地和卡孜鄉(xiāng)的西藏人工牧草灌溉試驗(yàn)與生態(tài)水文觀測(cè)站。林周縣地處拉薩中部，平均海拔為3 650 m，屬高原溫帶季風(fēng)半干旱氣候區(qū)，年降水量為300～510 mm，集中在6—9月份，多夜雨，太陽輻射強(qiáng)，空氣稀薄，晝夜溫差大，冬春寒冷干燥且多風(fēng)，年無霜期為100～120 d。該地區(qū)是拉薩市主要糧食生產(chǎn)基地之一，全縣耕種面積1.2萬hm2，約占全市耕地面積的1/3，農(nóng)作物主要有飼草青稞、燕麥、黑麥等，牧業(yè)以飼養(yǎng)牦牛、黃牛、綿羊、山羊?yàn)橹鳌?/p>

1.2 噴灌工程

林周縣高效節(jié)水飼草生產(chǎn)示范基地噴灌灌溉面積為118.4 hm2，其中時(shí)針式噴灌面積為100.4 hm2(時(shí)針式噴灌機(jī)為8臺(tái)，單設(shè)備為4跨，共計(jì)200 m)；固定式管道噴灌面積為18.0 hm2，(噴頭為23個(gè)，單噴頭噴灑半徑為50 m)。西藏人工牧草灌溉試驗(yàn)與生態(tài)水文觀測(cè)站是兼具科研和技術(shù)示范推廣功能的試驗(yàn)站，站內(nèi)建設(shè)了高效節(jié)水灌溉工程9.4 hm2，其中卷盤式噴灌面積為1.3 hm2(卷盤式噴灌機(jī)1臺(tái)，噴灑范圍為50 m×275 m)，時(shí)針式噴灌面積為7.1 hm2(時(shí)針式噴灌機(jī)為1臺(tái)，單設(shè)備為3跨，共計(jì)150 m)，半固定式管道噴灌面積為1.0 hm2(單噴頭噴灑半徑為15 m)。

2 噴灌系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分析

2.1 土壤、地形與作物

噴灌一般適用于各種土壤結(jié)構(gòu)，不同噴灌形式對(duì)土地平整程度、地塊形狀、作物高度的要求不一，土壤儲(chǔ)水能力和作物需水量也限制著噴灌形式的選擇[8-11]。受氣候、土壤的影響，拉薩地區(qū)種植作物多為飼草作物(青稞、燕麥、黑麥等)。表1為幾種常見噴灌形式的適用性范圍。

表1 拉薩地區(qū)常用噴灌機(jī)適用范圍

2.2 節(jié)水、節(jié)電效益

水、電是噴灌系統(tǒng)中的必備元素，是評(píng)價(jià)噴灌系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)之一，對(duì)4種噴灌形式下的節(jié)水、節(jié)電效益進(jìn)行分析，節(jié)水效益根據(jù)式(1)計(jì)算：

Wm=mA/η

(1)

式中：

Wm——噴灑總用水量，m3；

m——灌溉定額，m3/hm2；

A——噴灑面積，hm2；

η——灌溉水利用系數(shù)。

灌溉定額依據(jù)當(dāng)?shù)赝寥缐勄榍闆r和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)選定。

地面灌溉下灌溉水利用系數(shù)測(cè)算采用田間實(shí)測(cè)法[12-13]。噴灌灌溉水利用系數(shù)計(jì)算根據(jù)式(2)計(jì)算：

η=ηpηg

(2)

式中：

η——灌溉水利用系數(shù)；

ηp——噴灑水利用系數(shù)，通過田間實(shí)測(cè)法得到；

ηg——管道系統(tǒng)水利用系數(shù)，取0.95。

拉薩地區(qū)地面灌溉多為渠灌，無需耗電；卷盤式、半固定、固定式噴灌所消耗電量為水源工程和流量壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需電量和；時(shí)針式噴灌所消耗電量為水源工程、流量壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和噴灌機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需電量和，農(nóng)業(yè)用電按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)農(nóng)村用電標(biāo)準(zhǔn)取0.65元/kW·h(噴灌工程水源皆為水源井)。4種噴灌系統(tǒng)下的節(jié)水、節(jié)電效益見表2。

表2 常見噴灌形式節(jié)水、節(jié)電效益

通過對(duì)節(jié)水效率進(jìn)行計(jì)算，節(jié)水率排序?yàn)闀r(shí)針式(50.96%)>半固定式(47.94%)>固定式、卷盤式(43.60%)。時(shí)針式噴灌的耗電費(fèi)用(711 元/(hm2·a))略高于其他幾種噴灌形式。噴灌模式下的節(jié)水效率明顯強(qiáng)于地面灌溉模式下，發(fā)展前景較大。

2.3 投資成本與人工效益

一次性投入費(fèi)用為噴灌系統(tǒng)購置和運(yùn)輸?shù)轿鞑馗吆０蔚貐^(qū)的費(fèi)用(見表3)。省工效益分析由林周縣噴灌系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例得出，當(dāng)?shù)貙?shí)際雇工情況為150元/d，工時(shí)為8 h，噴灌系統(tǒng)所需人工費(fèi)用為1次性安裝和運(yùn)行、維護(hù)等，通過表3計(jì)算得到最大使用年限下的所需人工費(fèi)用，排序?yàn)闀r(shí)針式(18 元/(hm2·a))<固定式(25 元/(hm2·a))<卷盤式(246 元/(hm2·a))<半固定式(360 元/(hm2·a))。

表3 常見噴灌形式最大運(yùn)行年限下所需一次性投入和人工運(yùn)行費(fèi)用

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

通過對(duì)幾種常見噴灌形式的一次性投入、人工費(fèi)用和牧草增加收益對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，得到計(jì)算結(jié)果見表4(根據(jù)實(shí)際播種情況，噴灌下種植作物為當(dāng)?shù)仄毡榉N植的燕麥，燕麥干草價(jià)格按照當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況2 元/kg計(jì)算。根據(jù)實(shí)際測(cè)產(chǎn)數(shù)據(jù)，將噴灌前燕麥產(chǎn)量按4 500 元/hm2計(jì)算，噴灌后牧草產(chǎn)量按7 500 元/hm2計(jì)算)。

根據(jù)表4可知，最大使用年限下的噴灌年均經(jīng)濟(jì)效益排序?yàn)楣潭ㄊ?5 115 元/hm2)>半固定式(4 242 元/hm2)>時(shí)針式(4 043 元/hm2)>卷盤式(3 414 元/hm2)。

表4 常見噴灌形式最大運(yùn)行年限下經(jīng)濟(jì)效益

從工程建設(shè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響角度評(píng)價(jià)幾種噴灌形式的經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范》(SL 72—2013)，選取國(guó)民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率(EIRR)、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值(ENPV)、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比(EBCR)來模擬幾種噴灌系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]，計(jì)算依據(jù)式(3)～式(5)，計(jì)算結(jié)果見表5～表8(為方便計(jì)算，將各噴灌形式下噴灑面積皆統(tǒng)一為33.3 hm2即500畝，使用年限皆統(tǒng)一為30 a)。

(3)

(4)

(5)

式中：

B——國(guó)民經(jīng)濟(jì)效益流入量；

C——國(guó)民經(jīng)濟(jì)費(fèi)用流出量，

B-C——第t年國(guó)民經(jīng)濟(jì)凈效益流量；

n——計(jì)算期，數(shù)值為30；

is——社會(huì)折現(xiàn)率，本研究取8%；年均運(yùn)行成本(人工運(yùn)行、維護(hù))按總成本投資的5%計(jì)算。

根據(jù)表5對(duì)拉薩地區(qū)幾種常見噴灌形式相同年限、相同面積下經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行模擬分析，得到國(guó)民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率(EIRR)、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值(ENPV)、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比(EBCR)排序皆為固定式(20.71；109.25；652.69)>半固定(17.32；91.21；518.46)>時(shí)針式(16.43；86.48；475.37)>卷盤式噴灌(13.59；71.41；393.24)，上述幾種噴灌形式在拉薩地區(qū)長(zhǎng)期應(yīng)用后，經(jīng)濟(jì)效益皆增加明顯，且固定式噴灌為拉薩地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益最佳的噴灌形式，其次是半固定式和指針式，卷盤式噴灌的經(jīng)濟(jì)效益最小。

表5 半固定式噴灌經(jīng)濟(jì)效益模擬

表6 時(shí)針式噴灌經(jīng)濟(jì)效益模擬

表7 卷盤式噴灌經(jīng)濟(jì)效益模擬

表8 固定式噴灌經(jīng)濟(jì)效益模擬

3 結(jié)語

針對(duì)幾種常見噴灌形式在拉薩高原地區(qū)的適用性展開評(píng)價(jià)，供當(dāng)?shù)卦谶x擇噴灌系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行參考，主要結(jié)論如下：

1)適用性評(píng)價(jià)

每種噴灌形式都有著獨(dú)特的適用條件，若小面積局部灌溉，則選擇半固定噴灌，需要人工布設(shè)、拆卸管道等，但可移動(dòng)空間較大，適用于播種面積較小且不固定種植區(qū)域的農(nóng)牧民使用，最大使用年限下年均效益可達(dá)4 242 元/hm2；若在固定區(qū)域灌溉，則可選擇固定式噴灌，噴撒效果較理想，且經(jīng)濟(jì)效益最佳，最大使用年限下年均效益可達(dá)5 115 元/hm2；若大面積灌溉，則可選擇自動(dòng)化程度高的時(shí)針式和卷盤式噴灌，噴灑效果好，且機(jī)械化程度高，但前期投資、運(yùn)行成本較高，且灌溉時(shí)保證足夠的壓力才能確保該系統(tǒng)的正常運(yùn)行，最大使用年限下年均效益分別為4 043 元/hm2、3 414 元/hm2。

2)噴灌的重要性

由于拉薩地區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施尤為落后且當(dāng)?shù)厮Y源豐富，當(dāng)?shù)厝砸缘孛婀喔葹橹鳌姽嗯c當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉模式相比，雖能源消耗大、一次性投資大，但在長(zhǎng)期應(yīng)用后經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)水效益得到大幅提升(經(jīng)濟(jì)效益可提高3 414～5 115元/hm2，節(jié)水率約為40～50%)；且噴灌適用于各種復(fù)雜地形，便于實(shí)現(xiàn)水、肥、藥一體化應(yīng)用，還可改善地表局部小氣候，有效控制水土流失，生態(tài)效益明顯，因此，噴灌可在拉薩乃至西藏高寒地區(qū)大面積推廣使用。