水是人类社会发展的基础性自然资源和战略性资源, 水资源的可持续利用是实现社会经济可持续发展的重要保证。我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4, 随着经济社会发展和人民生活水平的不断提高, 生活和工业用水量持续增长, 水资源短缺逐渐成为制约社会经济发展的瓶颈。由于可开发的水源点越来越少, 代价越来越大, 要保障供水安全, 必须加大节水步伐。根据统计, 各行业用水中, 农业用水占我国用水量的60%以上, 部分地区甚至可达80%以上[1]。目前, 我国大部分农业灌溉还是采取渠灌和大田漫灌等低效灌溉方式, 滴管、喷灌等高效节水灌溉发展滞后, 远远低于欧美发达国家。高效节水灌溉能够有效节约30%~50%的农业灌溉用水, 节水效果明显, 且具有节肥、节地、节工、增产之效, 是实现农业水资源集约利用的有效途径。节约农业用水是节约用水的重点, 推行高效节水灌溉是节约农业用水的有效途径, 也是建设节水型社会的必经之路。
高效节水灌溉是对除沟渠输水和地表漫灌外所有输、灌水方式的统称, 主要由微灌、喷灌和低压管道灌, 其中微灌有可分为滴灌、微喷灌、小管出流灌等。与常规灌溉相比, 高效节水灌溉具有省水、省工、节约土地资源、适应地形变化能力强、提高农作物品质等诸多优点[2]。目前从中央到地方各级政府都积极推广高效节水灌溉工程, 以保障水资源的可持续利用和社会经济的持续发展。但相比常规灌溉, 高效节水对于灌溉系统要求相对较多, 设备的前期投入及后期更新维护要求更高, 随之带来高效节水灌溉投资成本较高, 较高的资金投入在一定程度上制约了高效节水灌溉工程的推广。从云南省近期实施的高效节水灌溉工程来看, 每667 m2均投资一般达到3 500元左右。因此, 优化高效节水灌溉工程设计, 降低工程投资是高效节水工程推广的关键因素之一。
灌溉工程的“高效节水”主要体现在输水工程节水和田间工程节水。其中, 输水工程节水主要通过控制输水环节的蒸发渗漏以减少水量损失, 多以各级管材来实现;田间工程节水主要通过减少灌溉过程中的无效湿润范围和深层渗漏以达到节水目的, 主要通过管材和灌水器来实现。根据目前已实施的工程来看, 高效节水工程投资中管道投资占比最大, 优化各级管道布置、减小各级管道输水流量是降低工程投资最直接的途径, 而管道规模的优化又体现在规划设计中对系统工作制度、设计流量和管材的优化上[3]。
对于高效节水灌溉, 要想节省投资的成本, 需要轮灌分组, 轮灌组数据可根据公式 (1) 计算:
式中, N为轮灌组数;C指的是运行时间, 通常处于12~21 h, 运行的时间不能过长, 不能超过22 h;T指的是灌水周期, 一般处于5~16 d;t表示每一次灌水的延续时间。
对轮灌组进行划分时, 设计要合理, 不能过于复杂, 否则会增加额外的成本, 不利于发挥出节水灌溉工程效益。开展轮灌时, 要保证每次的灌溉周期内, 对作物灌溉一次。轮灌分组时, 应结合灌区分布, 以及灌区内田间道路、河流水系、其他建筑物的分布均匀划分轮灌区, 使每个轮灌系统的灌溉面积尽可能的相等, 这样有助于选择更合理的管径, 提高管道利用率, 从而节省工程投资。
在高效节水灌溉的过程中, 对于管道灌溉系统, 对实际流量进行设计时, 计算公式如下:
式 (2) 中, Q0为管灌系统的设计流量, 单位为m3/h;ai为灌水高峰期第i种作物种植比例;mi为灌水高峰期第i种作物的净灌水定额, 单位为m3/hm2;Ti为灌水高峰期第i种作物一次灌水延续时间, 单位为d;A为设计灌溉面积, 单位为hm2;t为系统工作小时数, 单位为h;δ为灌溉水利用系数;e为灌水高峰期同时灌水的作物种数。灌溉工作过程中, 上级管道的流量为下级管道中同时工作的管道流量之和。
在这个计算公式中, 重点是T与t取值的合理性。在选值时, 管道灌溉系统在管道输水至田间后配合出水口、给水栓进行灌溉, 系统工作时间t取值与灌溉方式有直接关系, 人工灌溉时间一般小于8 h/d, 自动灌溉一般小于22 h/d;由于考虑了轮灌, 因此必须保证在灌溉周期内灌区内所有作物均需完成一次灌溉, 在系统工作20~22 h/d的情况下, 1 d之内轮灌次数与一次灌水延续时间之积应小于等于系统工作时间。
管道投资占是规模化高效节水灌溉工程总投资的比重较大, 为了实现节水灌溉的优化设计, 不仅要完善工作制度、流量, 还要选择合适的管材, 以减少后期运行维护成本。目前, 市面上管道种类繁多, 价格差异较大, 因此选择合适的管材对于节约投资尤为重要。
目前国内的节水灌溉工程输水压力管主要有玻璃钢管、球墨铸铁管、无缝管、镀锌钢管、聚氯乙烯管 (PE) 、硬聚乙烯管 (UPVC) 等, 每种管材有着不同的优缺点。从整体上而言, 钢管 (含玻璃钢管、球墨铸铁管、无缝钢管、镀锌钢管等) 的承载能力较强, 不易损坏;缺点是价格昂贵、水损大且易锈蚀。在高效节水灌溉工程中, 钢管多用于主干管中。聚氯乙烯管 (PE) 优点是强度高、抗腐蚀性强, 连接方便, 被广泛用于给排水领域;硬聚乙烯管 (UPVC) 优点是质轻、耐腐蚀, 方便施工和安装方便, 但柔韧性相对较差, 大管径的造价相对较高。高效节水灌溉工程管道一般需埋设于地下, 以减少人为破坏的可能性, 还能节约土地资源, 因此在低级管道的管材选择上可选用PE管、UPVC管等。
以云南省中部某灌区的高效节水灌溉项目为例, 该灌区面积为1 680 hm2, 地形较为平整, 灌区内主要种植作物为葡萄, 水源工程为一中型水库。
经灌溉方式比选, 采用滴灌的方式进行灌溉。根据葡萄灌溉制度的计算, 作物最大净灌溉定额为27.4 mm;最大灌水周期为8 d, 一次灌水延续时间为7 h, 日最大运行时间为22 h, 最大轮灌组数为25组, 方案设计中取24组。
根据灌区的边界、地形条件、河流、高程、渠系、居民点、公路、铁路以及城镇化用地布局等因素, 将灌区的1680 hm2耕地划分为24个面积基本相等小灌溉系统, 各系统灌溉面积分布为5.58~7.27 hm2, 各系统设计流量为35.14~45.77 m3/h。按照每天运行3个系统进行轮灌, 8 d内每个系统均可完成一次灌水。
根据灌区及水源点相对位置, 本工程干管布置分为2级, 主干管和分干管, 每个灌水系统中布置支管, 支管下接给水栓。经管材比选和管道水力计算, 各级管道中主干管和分干管采用玻璃钢管, 其余管道采用U-PVC管;主干管管径为DN800, 分干管管径为DN500~DN700;其余管径为DN120~DN500。
根据2016年一季度价格水平估算, 本工程总投资6 898.5万元, 其中各级管道投资为4 433.96万元, 占总投资的64.2%。项目每667 m2均投资2 737.5万元, 低于云南省平均水平, 除本灌区土地相对集中且地形较为平整外, 系统工作制度、时间流量及管道优的化设计是其投资较低的主要因素。
我国人均水资源较为匮乏, 农业是用水大户, 推广高效节水灌溉是缓解我国水资源紧缺的重要途径, 也是建立节水型社会的必由之路。目前全国各地都在积极推广高效节水灌溉, 但由于每667 m2均投资较高, 大范围推广存在资金困难的问题。因此在高效节水灌溉工程设计中, 要在项目技术可行、经济合理的前提下, 不断优化系统的工作制度、设计流量、管径管材等, 以降低工程投资。只有经济合理, 高效节水才能广泛推广, 进而达到节约水资源、提高灌溉的效率、促进农业的发展的目的。
摘要：农业是用水是我国用水大户, 农业节水至关重要, 实施高效节水灌溉是建设节水型社会、缓解水资源供需矛盾有效途径。高效节水灌溉具有节约水土资源、降低人力成本等诸多优点, 但由于亩均投资较高, 大范围推广高效节水灌溉项目资金困难较大。只有降低亩均工程投资, 高效节水灌溉项目才能得到更好的推广。
关键词：高效节水,灌溉工程,优化设计
[1] 季春根.高效节水灌溉工程优化设计要点分析[J].广东科技, 2014 (18) :110-111.
[2] 李文斌.浅谈高效节水灌溉工程优化设计要点分析[J].文摘版:工程技术, 2015 (6) :98.
[3] 周翠清.浅谈高效节水灌溉工程设计优化及要点[J].大科技, 2014 (2) :138-139.
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