自壓滴灌節水技術在灌區農田水利工程中的應用

張懷斌

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

我國幅員遼闊，對淡水資源的需求量十分巨大。但對于干旱地區而言，水資源匱乏，農業發展受到極大的阻礙，這是解決農業用水和提高水資源利用效率需要攻克的一個難題。我國既是人口大國，又是農業大國，灌溉所需的用水量在我國總供水量中占比高達62%。但在農業灌溉中，國內農田用水的利用率和水生產效率相對較低，農業用水存在浪費現象，而且目前國內地下水已嚴重開采過度[1]。因此，推廣高效率、低成本的灌溉技術是十分必要的，能為國內農業的發展提供重要保證。

自壓滴灌灌溉系統是一種利用天然地形的高差，將管道高度不同產生的重力差當作水資源的動力，經過濾后傳輸至農田各處，并且能夠做到均勻分配水資源，是一種高效、便捷、成本較低的灌溉方式，這種灌溉方式為干旱地區、丘陵山地的水資源高效利用提供了保證[2-3]。目前，自壓滴灌灌溉系統已在國內多地得到應用，積累了很多寶貴的經驗，并取得不錯的效果[4]。

2 自壓滴灌節水技術的特點

2.1 增加水肥的利用率

在開展農業灌溉工作時，自壓滴灌技術能大大提高灌溉效率。在水源和農田之間都鋪設上管道，通過管道來進行灌溉，這種技術手段與傳統的地面水渠灌溉方式相比，大大減少了水分在輸送過程中的蒸發量和滲漏量，提高了農業用水的利用率，防止了水資源不必要的浪費，達到節約用水的目的。

表1為農田不同種類灌溉方式對水資源利用系數的比較。

表1 農田不同灌溉方式水資源利用系數

從表1中可以看出，對于傳統的地面灌水，其水資源利用效率是最低的，也比較容易受到蒸發和滲漏的影響，灌溉效率不佳。而對于自壓滴灌技術來說，其水資源利用系數最高，大部分都達到98%，說明該種技術在保證灌溉的前提下，能有較好的節水率，達到節約用水的目的。

2.2 改善生態環境、節約電能

自壓滴灌系統不僅能提高農業用水的利用率，還能起到節約電能的作用。因為自壓滴灌系統可以提供較高的水頭壓力，不僅可以對管壁起到清潔作用，同時壓力還能將水資源從源頭輸送到農田，這個過程不需要消耗電能。所以，這種灌溉方式能夠大大減少水分運輸過程中能量的消耗，提高能量的利用率，有助于克服集中灌溉時，節水灌溉因電力供應不足而受到影響的問題，使農業灌溉得到保障，減少運營成本，同時有助于生態環境的改善。在國內，多處地區都采用了這種灌溉系統，大大減少了水泵加壓而帶來的電能消耗，節省了很多電力成本[5]。自壓滴灌系統可以將地表水充分利用起來，減少地表水浪費，做到盡量避免開采地下水，防止因過度使用地下水而出現地基塌陷等問題。滴灌也可以根據用水量，達到對農藥的精準使用，提高農藥的利用率，避免對地下水和農田造成污染，還能在較大程度上防止土體中的殘留化肥和農藥流到水庫與河流中，防止水環境受到農業生產的影響，避免破壞食物鏈，達到保護生態環境的作用。同時，滴灌在水土保持、改良荒漠環境、防止沙漠化等方面也能起到較好的作用[6]。

2.3 優化人工，便于管理

自壓滴灌系統的輸水管道都是鋪設在地下的，無需額外再修建毛渠，占用的耕地面積較小，大大提高了農田的耕種面積，增加了耕田的利用率，使農民的收入得到提升。使用期間穩定性比較高也是自壓灌溉系統的一大優點，它能夠減少后期的維護費用，同時減少農田里建筑物的面積，節約了渠道維修、開溝筑畦、平地、修渠的工程量和用工時間，與地面灌溉相比，用工量最高能節約40%～50%。流量計也可以安裝在自壓滴灌系統中使用，與施肥相配合，可以借助閥門來對澆水時長進行控制。管道輸水灌溉在實現系統化、規范化的同時，也推動了農業自動化、機械化的發展，為其快速發展提供了動力[7]。由于管道能夠快速將水輸送到農田各部位，在水壓下動力足，大大縮減了輸水時間，減少了灌期。如果灌溉相同面積的農田，灌溉的速率可以達到渠灌的一倍以上，大大提高了灌溉效率。降低農田灌溉管理的工作量，安裝和維護比較方便，技術操作難度不大，有助于提高流域水資源的利用率，減少了灌溉系統運行維護費用，有助于加速農村現代化和增加灌區的協調管理。

2.4 提高農產品效率和產出

自壓滴灌系統不會受到水源距離、地理地貌等因素的影響，該系統在保證農作物得到充足水分的同時，還能做到水分的均勻分配，可以保證每棵農作物的健康成長，大大提高農作物的品質和產量。我國新疆多處城市使用了自壓滴灌系統，農作物年收益提高了600萬元，推動了當地農業的快速發展。并且該系統適用于各種作物和植物，如國內某地區利用該系統灌溉玉米、萬壽菊以及長絨棉等，都取得了較大的豐收，體現了自壓滴灌系統的強大功效[8]。

3 自壓滴灌系統管徑的優化

以某工程為案例，對該工程項目滴管系統的管徑進行優化處理。管網的基本信息見表2，水源點的地面高程是1 085.8 m。在該滴灌系統中，所有管道均使用PE軟管；干支管選取PE63級塑料，其壓力等級為0.63 MPa；毛管的壓力等級為0.4 MPa。管道尺寸和價格見表3。

表2 管網的基本信息

表3 管道尺寸和價格

在工程中，經濟流速法是管徑最常用的計算方法，公式如下：

(1)

式中：V為經濟流速，其值根據經驗所得，本次計算中取1.2 m/s。

干管道水頭的損失量可以用下式計算：

(2)

式中：hg為干管頭的損失量，m；L為干管長度，m；d為管徑，mm；Q為流量，m3/h；其余各系數依據PE管材而定。

用經濟流速法對管道進行優化計算，結果見表4。

本文將從重力水頭利用率、可靠度、管網投資等多個角度對管網優化方法進行評價，分析其可行性。重力水頭利用率是指在自壓滴灌系統中，由天然地理因素造成的重力水頭被利用的程度。它的體現是借助總路徑與管段這兩個方面：管段的水頭損失與該段首個節點與最后一個節點間的高程之差的比值，就是管段水頭利用率，該比值越大，就代表該管段設計的越科學合理。重力水頭在從水源流到某一個位置的總路徑中的利用程度，就是指路徑水頭利用率。這個值越大，表明整個系統對地形地貌的利用率越高。表5為通過經濟流速法計算得到的管徑優化指標。

表4 管道優化結果

表5 經濟流速法計算的管徑優化指標

通過經濟流速算法，優化得到建設管網需要的總資金為31 623元，按照T=20年、i=6%的年資金回收系數進行計算，得出管理年費為9 082元,管網的可靠度達到0.881，路徑水頭、管段的利用率分別是12.9%和12.35%，用這種方法來優化管徑，快速簡便。

4 結 論

通過對自壓滴灌系統的特點和應用現狀的分析與總結可以得出，自壓滴灌系統有著非常大的優勢。與其他種類灌溉方式相比，自壓滴灌系

統水資源的利用系數最高，大部分都達到98%，表明該技術在保證灌溉的前提下，有較好的節水率，可達到節約用水的目的。這種灌溉方式能夠大大減少水分運輸過程中能量的消耗，提高能量的利用率，有助于克服集中灌溉時，節水灌溉因電力供應不足而受到影響的問題，使農業灌溉得到保障，可減少運營成本，有助于生態環境的改善。還可以提高人們節約用水的意識，能夠減少后期的維護費用，使農田里建筑物的面積大大減少，節約了渠道維修、開溝筑畦、平地、修渠的工程量和用工時間。管道輸水灌溉在實現系統化、規范化的同時，也推動了農業自動化、機械化的發展，為其快速發展提供了動力。另外，本文還對自壓滴灌系統的管道進行了優化處理。