高效節水灌溉技術應用與技術要點分析

馬建華

（永昌縣農業農村局，737200，甘肅金昌）

根據2021 年《中國水資源公報》，我國水資源總量為29 638.2 億m3，全國用水總量為5 920.2 億m3，其中農業用水量為3 644.3 億m3，占比達61.5%。可見，農業在發展過程中對水資源的需求比較大，為了解決水資源時空分布不均勻的問題，建設農田水利工程是有效方法[1]。在水資源緊缺地區，采用工程和技術措施發展高效節水灌溉項目，以提高水資源的利用效率，目前高效節水灌溉技術得到了大力推廣。甘肅地區缺水干旱現象較為嚴重，人均水資源占有量嚴重不足，干旱荒漠區光照時間長，地表水蒸發量大，再加上工業用水和生活用水量增加，這些因素疊加在一起，進一步加劇了水資源短缺問題。在此背景下，引入高效節水灌溉技術勢在必行，以下結合實踐進行探討。

1 甘肅地區的環境氣候特點和節水農業現狀

1.1 地理環境特點

甘肅位于我國西北地區，總面積42.58 萬km2，下轄12 個地級市、2 個自治州。甘肅地形狹長，地貌復雜多樣，包括隴南山地、祁連山地、隴東中黃土高原、甘南高原、河西走廊等，山脈縱橫交錯，海拔相差懸殊。在氣候方面，甘肅氣候類型多樣，包括亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候、溫帶大陸性干旱氣候、高原高寒氣候四種類型，年平均氣溫0～15 ℃，年均降水量在36.6～734.9 mm。在水資源上，2021 年甘肅水資源總量為277.3 億m3，人均水資源量1 114 m3，比2020 年下降32.2%。綜合來看，在特殊的地理環境和氣候條件下，甘肅地區水資源缺乏，這對于農業發展而言是一個挑戰。

1.2 節水農業現狀

發達國家的實踐證實，即使在干旱的沙漠地區，采用高效節水灌溉技術，也能解決農作物的用水問題，從而推動農業生產的變革[2]。甘肅省經過多年探索，提出“3J”農田節水技術，包括灌區節水、旱區集水、高寒陰濕區截水。具體來看，灌區節水是采用壟膜溝灌、壟作溝灌、膜下滴灌、水肥一體化等技術，提高水資源利用率，促進產業發展。旱區集水是采用全膜雙壟集雨溝播、集雨補灌等技術，解決降雨少、時空分布不均問題。高寒陰濕區截水是采用注水補灌、移動滴灌、軟體水窖等技術，兼顧經濟效益和生態效益。“3J”農田節水技術的應用，實現了節地、節藥、節肥、節水、省工的目標，推動傳統農業向現代農業轉變。

2 甘肅地區高效節水灌溉技術應用情況及存在問題

2015 年國家出臺《全國農業可持續發展規劃》，重點解決水資源緊缺問題，提出在西北地區積極推進噴灌、管灌、微灌、滴灌等節水工程。結合甘肅地區實際情況，對噴灌、微灌、低壓管灌等技術的應用進行介紹，并且提出存在的問題。

2.1 噴灌技術

噴灌是使用專業設備，將壓力水輸送至目標地點，經噴射形成水滴滋潤農作物。與地面灌溉相比，噴灌技術的優勢包括：第一，灌溉均勻，保土保肥，不會造成徑流和滲漏，節水率達到30%～50%；第二，適用范圍廣，包括糧食作物、經濟作物、苗圃、蔬菜、果樹等，占地面積小，可節省土地7%～13%，用工量也有一定程度減少；第三，具有良好的增產效果，其中糧食作物增產率達到10%～20%，經濟作物增產率達到20%～30%；第四，對于鹽堿化土壤，采用噴灌技術是土壤改良的一種有效方式，不僅脫鹽效果好，而且能縮短治理周期。

依據《2020 甘肅水利發展統計公報》（以下簡稱《公報》），2020 年全省噴灌面積4.05 萬hm2，占比3.74%，其中本年新增噴灌面積370 hm2，占比0.85%。甘肅省噴灌技術的應用，受到地域、資金、設備等因素的制約，存在的問題有：第一，現有的噴灌形式單一，噴灌面積較小；第二，用于噴灌的設備性能有待提升，隨著使用年限增長老化較快，故障發生率提高，維修成本提高；第三，自動化管理程度低，尤其是計算機、智能化、3S 等技術的應用不到位，尚不滿足精準灌溉的要求。

2.2 微灌技術

微灌是結合作物的生長需求，利用管道系統和灌水器，將水和養分以小流量的方式均勻、準確輸送到作物根部，是水肥耦合的一項重要措施。其中，膜下滴灌是目前主推的一種微灌技術，它將局部浸潤滴灌、作物覆膜栽培兩種技術的優點結合起來。一方面能節水增產，減少地表水滲漏；另一方面能增墑保溫，避免水分無效蒸發。相關數據顯示，與地面灌溉、噴灌、普通滴灌技術相比，膜下滴灌分別節水80%、50%和30%[3]。而且，采用膜下滴灌技術，田間局部小氣候得以改善，能發揮出水、肥、氣、熱的協同作用；降低作物根部土壤的鹽分濃度，防止土壤發生次生鹽堿化。

《公報》 數據顯示，2020 年甘肅全省微灌面積30.05 萬hm2，占比27.75%，其中本年新增微灌面積28 550 hm2，占比65.72%。甘肅省微灌技術應用存在的問題主要有：第一，水肥耦合效應的研究不足，雖然可防止土壤次生鹽堿化，但鹽分并沒有排出土體，沒有從根本上消除鹽分積累問題；第二，作物種植需要覆膜，生產過程中有不少地膜殘留在土壤中，會破壞土壤結構，影響土壤中微生物的活性，甚至引發環境污染。

2.3 低壓管灌技術

低壓管灌是在田間鋪設低壓管道，來代替明渠輸水，顯著減少了輸水過程中的滲漏和蒸發量，輸水效率提高至95%以上。相較于土渠、石渠、混凝土襯砌渠輸水，低壓管灌技術分別節水30%、15%和7%[4]。總結低壓管灌技術優點，包括：第一，以管代渠，減小了輸水渠道占地面積，土地利用率相應提高；第二，在低壓管道內部輸水，省時省工，輸水速度快，且方便現場維護管理；第三，與噴灌、微灌技術相比，低壓管灌工程的一次性投資成本低，尤其適用于新建的井灌區，具有較高的推廣價值。

《公報》數據顯示，2020 年甘肅全省低壓管灌面積24.79 萬hm2，占比22.89%，其中本年新增低壓管灌面積12 530 hm2，占比28.84%。該技術在實際運用中，存在的問題主要有：第一，工程建設標準化程度不高，尤其是配套設施不完善，低壓管灌系統的設計、施工和運維管理缺少完善的、嚴格的規范標準，尤其存在盲目施工現象，導致低壓管道與電力、管井、水泵等系統不協調，沒有完全發揮出節水效益；第二，由于管理制度缺乏，存在重建設、輕管理的問題，農戶的節水意識不強，并沒有參與到低壓管灌的設計與運行管理中，導致后續使用中容易出現人為破壞等問題；第三，部分地區依然采用溝灌、畦灌方法，低壓管道的使用不足，雖然具有一定節水效果，但節水效益比較低。

2.4 其他技術

除了噴灌、微灌、低壓管灌等節水技術，其他常見的節水灌溉技術還有微潤灌、痕灌、分根交替灌溉等技術。以分根交替灌溉為例，它是利用作物自身的生長特性，通過氣孔調節來適應水分盈缺。分根交替灌溉時，作物的一部分根系得到充分灌溉，保證作物生長需水量；另一部分根系則處于缺水情況，產生水分脅迫的根源信號，調節植物氣孔開合度，在不影響光合作用下，減小水分蒸騰損耗。有學者在棉花田間進行試驗，結果顯示：采用隔壟交替灌溉的方法，灌水量減小30%的情況下，棉花產量僅僅降低了3%～5%；且棉花枝葉生長受到一定抑制，導致雙纖花增加，棉花品格提高，總體來看產值幾乎沒有變化[5]。

《公報》數據顯示，2020 年甘肅全省節水灌溉其他工程面積49.40 萬hm2，占比45.61%，其中本年新增面積1 990 hm2，占比4.58%。這些技術在推廣應用中，也存在一些問題。其中，微潤灌、痕灌技術屬于新型節水技術，尚未開展大面積田間實踐，技術本身還有一些問題需要解決，例如灌水量小能否滿足作物的實際需要，灌水器是否容易堵塞等。而分根交替灌溉技術，則需要解決以下問題：第一，針對不同土壤類型，所采取的分根交替灌溉方法也不同；第二，分根交替灌溉時，如何明確作物用氣孔調節水分的最優需水值。第三，分根交替灌溉與肥料使用、鹽分控制等技術相結合，進一步改善土壤性能。

3 節水農業中滴灌技術的實施要點

以甘肅省某地為例，該地區水資源較為豐富，但是分布不均勻。灌溉水源主要是河流湖泊，因水體周圍有豐富的植被，水中的含沙量很低，水質良好。然而，該地缺少大型水利工程，導致蓄水、調水功能不足，限制了高效節水灌溉技術的推廣應用。對此，通過分析當地實際情況，農作物以茶葉、甘蔗等經濟作物為主，對作物的品質要求高，對比不同節水灌溉技術的優缺點，最終選擇滴灌技術方案，實施要點介紹如下。

3.1 首部樞紐工程

滴灌技術的應用，首先要解決水源問題。本工程中采用提水泵站作為輸水動力，保證滴灌用水的穩定性。提水泵站選址于附近的一處水庫，水庫容積為580 萬m3，經測算能滿足實際滴灌用水需求。在泵站內，配置3 臺單級單吸立式離心泵，水泵流量為300 m3/h，最大揚程為55 m。泵房抗洪標準為10 年一遇，主要建筑物包括前處理池、進水池、主泵房、過濾器、施肥罐等。

3.2 滴灌系統設計

提水泵站建設完成后，下一步關鍵是滴灌系統設計。第一，確定關鍵技術參數，以滿足作物滴灌用水需求。結合當地實際情況，關鍵參數設置見表1。第二，灌水器選用單翼迷宮式滴灌帶，管道內徑為15 mm，滴頭流量為2.6 L/h，滴頭間隔30 cm 設置。在田間布置時，寬行種植的作物設置2 條滴灌帶，窄行種植的作物則設置1 條。第三，在運行制度上，因整片灌區面積較大，采用分組輪灌方式，單條滴灌帶的一次灌水時間為4 h，每天輪灌5 組，最大運行時間20 h，可滿足作物的灌溉用水需求。

表1 滴灌系統的關鍵參數設置表

3.3 施工技術要點

滴灌系統的施工建設工藝流程：測量放線→土方開挖→鋪設管網→管道測試。每一個環節的施工技術要點如下。

第一，測量放線。本工程中的測量放線作業，聯合使用GPS、全站儀和水準儀等設備，先確定每個灌區的邊界，根據圖紙確定主干管與分干管的位置、開挖深度與寬度，然后確定閥門等設備的位置，最后確定支管、毛管的位置。

第二，土方開挖。開挖作業以設計圖紙和測量數據為準，按照主干管、分干管、支管、毛管的順序進行開挖。開挖時采用機械加人工的方式，現場設置專人指揮監督；開挖完成后及時驗收，確保開挖位置、深度、寬度等指標滿足設計和規范要求[6]。

第三，鋪設管網。主干管和分干管的流量大、管徑大，選用PVC 材質；支管和毛管的流量小、管徑小，選用PE 材質。結合本工程實際，主干管總長約3.5 km，共計1條，設置在提水泵站到農田，控制11 條分干管。分干管總長約4.8 km，雙向布設在坡地上側。支管總長約120 m，直徑為90 mm，管壁厚度為3 mm，間隔1.1 m 設置1 個分流孔。毛管總長約75 m，設計流量為6.5 L/h。

第四，管道測試。所有管道鋪設完成后進行試壓運行，因地形起伏大，采用分段試壓方法。按照管道壓力設計的上限值，保壓時間為1 h，對出現漏水的部位進行處理，必要時重新安裝，直至符合壓力要求為止。

3.4 管道保護措施

管道保護主要包括兩個方面的內容。一是水錘保護。水錘現象的出現，會對閥門和管道造成損害，甚至威脅操作人員的安全。對此，采取的保護措施是：在管網重要節點處，安裝超壓泄壓閥或調壓塔；同時操作人員在開啟閥門時，要緩慢開啟。二是管網壓力保護。該地區因地形高差較大，加之水泵流量和揚程的影響，不同支管的進水壓力存在差異，影響灌溉均勻性。對此，采取的保護措施是：在支管或毛管的進水口處，安裝減壓閥調節進水口的壓力，保持壓力處于穩定狀態。本工程中，最終選用定比式減壓閥，一方面能調節靜壓和動壓，不會影響水流量；另一方面密封性良好，不易出現滲漏現象。

4 結語

高效節水灌溉技術的應用，是發展現代化農業的必然趨勢，也是解決干旱缺水地區農作物需水問題的有效途徑。文章結合甘肅地區的實際情況，詳細介紹了噴灌、微灌、低壓管灌等技術的應用情況和存在的問題，結合實際案例總結了滴灌工程的施工技術要點。希望為類似工程項目的建設提供參考，提高水資源利用率，加快現代農業發展步伐。