城鎮(zhèn)化趨勢下的農(nóng)田水利規(guī)劃探討

郭志鵬

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系,上海 200208)

城鎮(zhèn)化趨勢下的農(nóng)田水利規(guī)劃探討

郭志鵬

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系,上海 200208)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展,農(nóng)村勞動力將向城市轉(zhuǎn)移,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也將由傳統(tǒng)的分散化、隨意化向規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式發(fā)展。新時(shí)期的農(nóng)田水利規(guī)劃需要配合這種發(fā)展趨勢,向著節(jié)水、高效、科學(xué)的方向發(fā)展。以浦東新區(qū)為例,探討城鎮(zhèn)化趨勢下經(jīng)濟(jì)作物及糧食作物的農(nóng)田水利規(guī)劃方法及實(shí)施要點(diǎn)。

城鎮(zhèn)化 經(jīng)濟(jì)作物 糧食作物 農(nóng)田水利規(guī)劃

1 研究背景

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。近年來我國頻繁發(fā)生的嚴(yán)重水旱災(zāi)害，暴露出農(nóng)田水利等基礎(chǔ)設(shè)施十分薄弱，必須大力加強(qiáng)水利建設(shè)。為了解決水資源面臨的問題，中共中央、國務(wù)院出臺了《中共中央 國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》。國務(wù)院進(jìn)一步提出了《國務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》以下簡稱(《意見》)，全面實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度。針對農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，《意見》提出了明確目標(biāo)，到2015年，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.53以上；到2020年，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上。并提出要加大農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，完善和落實(shí)節(jié)水灌溉的產(chǎn)業(yè)支持、技術(shù)服務(wù)、財(cái)政補(bǔ)貼等政策措施，大力發(fā)展管道輸水、噴灌、微灌等高效節(jié)水灌溉。

上海市作為全國首批試點(diǎn)省市之一，正在積極開展實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度的試點(diǎn)工作，到2014年基本建立最嚴(yán)格水資源管理制度體系框架。浦東新區(qū)各級水務(wù)行業(yè)管理部門出臺了一系列政策支持各鎮(zhèn)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，決定在全區(qū)進(jìn)行農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施高水平建設(shè)以及系統(tǒng)改造工程。針對集中連片、土地全部流轉(zhuǎn)、規(guī)模化管理的基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)的灌區(qū)進(jìn)行排灌設(shè)施改造、土地平整、機(jī)耕道路橋梁建設(shè)、泵站引水河整治、灌區(qū)自動化控制等高水平農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，對暫不能進(jìn)行高水平水利設(shè)施建設(shè)的灌區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)改造。并出臺一些了措施確保規(guī)劃科學(xué)有效、建設(shè)程序規(guī)范、資金使用到位。

2 工程現(xiàn)狀及預(yù)期目標(biāo)

2.1 工程現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我區(qū)使用的灌溉設(shè)施始建于上世紀(jì)六、七十年代，包括泵站、地下渠道、渡槽、倒虹吸等，主要針對水稻等糧食作物進(jìn)行灌溉。這些設(shè)施在很長一段時(shí)間內(nèi)發(fā)揮了良好效益，滿足了作物需水要求。隨著時(shí)間的增長，一些設(shè)施老化嚴(yán)重，近年來雖有不少應(yīng)急維修工程，但由于各種原因，管道滲漏的現(xiàn)象難以得到徹底解決。近年來也有不少鎮(zhèn)實(shí)施了現(xiàn)代農(nóng)田水利項(xiàng)目，建設(shè)了噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉設(shè)施，主要針對蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物，發(fā)揮了良好效益。現(xiàn)階段我區(qū)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施存在這以下幾個(gè)方面的問題：

(1)隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，一些土地使用性質(zhì)、規(guī)劃功能發(fā)生變化。一大批基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，一些農(nóng)業(yè)園區(qū)、工業(yè)園區(qū)的開發(fā)，一些城鎮(zhèn)重新規(guī)劃建設(shè)，使得不少原來種植作物的土地使用性質(zhì)發(fā)生改變，隨之而來使得原來土地上的農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施報(bào)廢，而原來并不是農(nóng)業(yè)用地的土地成為了農(nóng)業(yè)用地，這樣使得原來的灌區(qū)規(guī)劃與現(xiàn)土地要求不相適應(yīng)。

(2)土地種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一些原來種植水稻的田塊現(xiàn)在種植了果樹、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物，一些稻田改變成了魚塘等發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，使得原來為水稻灌溉設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)不能滿足要求。

(3)由于缺乏管理，上世紀(jì)建設(shè)的一些排灌設(shè)施，上方建造了民房、道路等設(shè)施，使得這些地下排灌設(shè)施難以維修。近年來一些灌區(qū)雖進(jìn)行了應(yīng)急維修等改造，但灌溉系統(tǒng)是一個(gè)整體工程，部分設(shè)施的維修難以解決整個(gè)系統(tǒng)的滲漏等問題。

(4)近年來我區(qū)農(nóng)業(yè)在經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)方面取得了不小的成績，出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的合作社，生產(chǎn)方式也向這專業(yè)化、現(xiàn)代化、科學(xué)化的方向發(fā)展。但水稻等經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)方式仍是以家庭等散戶方式為主，這種生產(chǎn)方式帶來的是種植結(jié)構(gòu)的隨意性以及水稻田塊的分散性。分散的田塊使得地下渠道長度延長，而隨意改變的種植結(jié)構(gòu)使得排灌設(shè)施難以得到良好的使用效益。

2.2 預(yù)期目標(biāo)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，越來越多的農(nóng)村勞動力將向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也將由傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式向規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式發(fā)展。根據(jù)2011年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全區(qū)糧食播種面積22081.6公頃，糧食總產(chǎn)量148599噸。蔬菜播種面積25185.3公頃，蔬菜總產(chǎn)量832818噸。未來我區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，未來的主要工作主要是大力促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，推進(jìn)浦東農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)力水平現(xiàn)代化進(jìn)程。農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)應(yīng)同農(nóng)業(yè)發(fā)展有機(jī)結(jié)合，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的方向來決定農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的方向。未來農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施主要向著科學(xué)化、節(jié)水化、自動化的方向發(fā)展。

3 經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)田水利規(guī)劃

經(jīng)濟(jì)作物的灌溉方式主要以噴灌、滴灌、膜下灌等節(jié)水灌溉為主，這類灌溉方法的特點(diǎn)是灌溉時(shí)只濕潤作物周圍的土壤，遠(yuǎn)離作物根部的土壤仍保持干燥。灌溉方式的選擇根據(jù)作物類型、地形、水源及土壤等因素，結(jié)合各種灌水方式的適應(yīng)條件及各種灌水方式的優(yōu)缺點(diǎn)選定。經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)田水利規(guī)劃主要是進(jìn)行灌溉方式的選擇以及灌溉設(shè)施的布置。

(1)噴灌：利用專門設(shè)備將有壓水送到灌溉低端，并噴射到空中散成細(xì)小的水滴，象天然降雨一樣進(jìn)行灌溉。

(2)滴灌：利用一套塑料管道系統(tǒng)將水直接輸送到作物根部，水由每個(gè)滴頭直接滴在根部上的地表，然后滲入土壤并浸潤作物根系最發(fā)達(dá)的區(qū)域。

(3)膜下灌：一種特殊形式的滴灌，把滴灌毛管布置在地膜下面，可基本上避免地面無效蒸發(fā)。

(4)滲灌：利用修筑在地下的專門設(shè)施將灌溉水引入田間耕作層借毛細(xì)管作用自下而上濕潤土壤進(jìn)行灌溉。

(5)微噴灌：又稱微型噴灌或者微噴灌溉，用很小的噴頭將水噴灑在土壤表面，較噴灌流量大一些，不易堵塞。

3.1 規(guī)劃原則

我區(qū)主要糧食作物是水稻，主要灌溉方式為地面灌溉，即由取水設(shè)施(泵站)從河道取地表水，通過輸配水系統(tǒng)(地下管道、渡槽及倒虹吸)進(jìn)入田間，水從地表面借重力和毛細(xì)管作用浸潤土壤。灌區(qū)規(guī)劃的主要任務(wù)是根據(jù)灌溉田地、作物情況、氣候條件、土壤條件等確定灌溉面積、灌溉水量等。

3.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.2.1 水稻需水量研究

水稻消耗水分的途徑主要有植株蒸騰、田間蒸發(fā)和深層滲漏，其中植株蒸騰和田間蒸發(fā)合稱為騰發(fā)，消耗的水量稱為騰發(fā)量，又稱為水稻需水量。水稻需水量的計(jì)算方法主要有兩類：一是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式直接計(jì)算，二是根據(jù)參照作物需水量計(jì)算實(shí)際需水量。在參照作物需水量計(jì)算方面，近30年來，基于能量平衡和微氣候?qū)W方法的Penman-Monteith方程被認(rèn)為是估算作物騰發(fā)量最具信賴和可用性的模型之一。其基本思想是：將作物蒸騰蒸發(fā)看作是能量消耗的過程，通過能量平衡計(jì)算出蒸騰蒸發(fā)所消耗的能量，然后再將能量折算為水量，即作物需水量[1]。

3.2.2 灌區(qū)水文模型研究

近年來，一些水文模型也被運(yùn)用到灌區(qū)水量研究中。崔遠(yuǎn)來等運(yùn)用土壤-水分-大氣-作物系統(tǒng)模型(SWAP)對不同灌溉制度下灌水水平、土壤水勢等試驗(yàn)資料對模擬早稻灌溉制度及作物生長適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證[2]。王建鵬等[3]則對SWAP模型進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，更合理地定量描述和研究分析南方丘陵水稻灌區(qū)水量及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，為灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化和節(jié)水潛力分析研究提供了有效手段。周玉桃等[4]借助SLURP模型模擬研究灌溉系統(tǒng)的水分循環(huán)以及水量平衡要素的變化規(guī)律，模擬不同地質(zhì)、土壤、植被以及不同管理措施下的灌區(qū)水分循環(huán)。

3.2.3 非充分灌溉研究

近年來中國的灌溉實(shí)踐表明，作物本身具有生理節(jié)水和抗旱能力，適當(dāng)進(jìn)行水分虧缺調(diào)控對于促進(jìn)群體的高產(chǎn)更為有效。已有試驗(yàn)資料表明，減少株間蒸發(fā)不會影響作物產(chǎn)量，一定條件下，適當(dāng)減少植株蒸騰量也不會導(dǎo)致減產(chǎn)。相反作物在某些生育階段水分虧缺，對作物生長發(fā)育與高產(chǎn)反而有利[5]。

3.3 規(guī)劃實(shí)施要點(diǎn)

3.3.1 作物需水量及灌溉制度擬定

本區(qū)作物需水量主要根據(jù)本市相關(guān)灌溉試驗(yàn)站試驗(yàn)成果確定，得到作物各生育期需水量后，按照水量平衡原理分析制定水稻的灌溉制度。泡田期的灌溉用水量可用下式確定。

式中M1為泡田期灌溉用水量，h0為插秧時(shí)田面所需的水層深度， S1為泡田期滲漏量，即開始泡田到插秧期間的總滲漏量， t1為泡田期的天數(shù)， e1為 t1時(shí)期水田田面平均蒸發(fā)強(qiáng)度，可用水面蒸發(fā)強(qiáng)度代替，1P為 t1時(shí)期內(nèi)的降雨量。

水稻生育期中任何一個(gè)時(shí)段內(nèi)農(nóng)田水分的變化用水量平衡方程表示。

式中 h1為時(shí)段初田面水層深度， h2為時(shí)段末田面水層深度，P為時(shí)段內(nèi)降雨量，d為時(shí)段內(nèi)排水量，m為時(shí)段內(nèi)的灌水量，WC為時(shí)段內(nèi)田間耗水量。如果時(shí)段初的農(nóng)田水分處于適宜水層上限(hmax)經(jīng)過一個(gè)時(shí)段的消耗田面水層降到適宜水層的下限(hmin)，這時(shí)如果沒有降雨，則需要進(jìn)行灌溉，灌水定額為

灌溉制度設(shè)計(jì)中的降雨量采用灌溉典型年的降雨量，即根據(jù)歷年降雨資料用頻率方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定幾種干旱程度的典型年份，如中等年、中等干旱年以及干旱年等，以這些年的降雨量作為設(shè)計(jì)灌溉制度和灌溉用水量的依據(jù)。

3.3.2 灌水模數(shù)確定

對于某一次灌水需供水到田間的凈灌溉用水量為

式中m為某次灌水的灌水定額(由灌溉制定確定)，A為灌溉面積。由凈灌溉用水量和灌溉水利用系數(shù)得到毛灌溉用水量。

得到每次灌溉定額以及毛灌溉用水量后，結(jié)合每次灌水延續(xù)時(shí)間得到每次灌水的灌水率和渠系引水流量。根據(jù)每次灌水的灌水率繪制初步灌水率圖，對該圖進(jìn)行修正后得到修正后的灌水率圖，得到渠系設(shè)計(jì)引水流量Q。

3.3.3 地下管道管徑計(jì)算

得到設(shè)計(jì)引水流量后，接下來需要確定管道的管徑。管道管徑的選擇一般是先根據(jù)各自不同管材的適宜流速及經(jīng)驗(yàn)選定，然后校核水頭損失是否合理。

3.3.4 渠系布置及泵站位置選定

地下渠道系統(tǒng)的布設(shè)應(yīng)結(jié)合水源、道路、需灌溉農(nóng)田等因素綜合考慮，輸水管網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)力求管線總長度最短，控制面積最大，管路平順，無過多彎轉(zhuǎn)和起伏。泵站位置選定應(yīng)結(jié)合規(guī)劃河道，主要是鎮(zhèn)管河道考慮。泵站位置選址應(yīng)該盡量布置在灌區(qū)中部，這樣渠系水頭損失較小，灌水時(shí)間也較短。

3.3.5 水泵揚(yáng)程確定

管道水頭損失包括沿程水頭損失及局部水頭損失，分別按以下公式計(jì)算：

沿程水頭損失計(jì)算：

式中hf為沿程水頭損失，f為摩擦系數(shù)，L為管道長度，Q為流量，d為管道內(nèi)徑，m為流量系數(shù)，b為管徑指數(shù)，管材的f、m及b數(shù)值按規(guī)范中的相關(guān)表格確定。

局部水頭損失計(jì)算：

式中 hj為局部水頭損失， ξ為局部阻力系數(shù)，υ為管道內(nèi)水流的流速， g為重力加速度。

管道內(nèi)總的水頭損失等于沿程水頭損失加上局部水頭損失的迭加，即

水泵揚(yáng)程根據(jù)首部設(shè)計(jì)工作壓力確定，首先在灌區(qū)內(nèi)選擇幾個(gè)能代表灌區(qū)的典型點(diǎn)，然后計(jì)算各自工作壓力，取最大或者次最大者為設(shè)計(jì)工作壓力。

式中H0為灌水器工作水頭，∑hf為首部到典型點(diǎn)之間管路沿程水頭損失之和，∑hj為首部到典型點(diǎn)之間管路局部水頭損失之和，△為典型點(diǎn)高程與水源水面的高差。

4 結(jié)論

(1)隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)將向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)需配合這種趨勢，向著更加節(jié)水、綠色環(huán)保、高效科學(xué)的方向發(fā)展；

(2)經(jīng)濟(jì)作物的灌溉方式主要采用噴灌、滴灌、滲灌、膜下灌等方式，灌區(qū)規(guī)劃以單個(gè)生產(chǎn)組織(比如一個(gè)合作社)開展，灌溉方式根據(jù)類型、地形、水源及土壤等因素選定；

(3)糧食作物的灌區(qū)規(guī)劃應(yīng)該以高效節(jié)水為目的開展，在灌區(qū)劃分上應(yīng)考慮節(jié)水、節(jié)能，方便管理；

(4)工程建設(shè)方面應(yīng)嚴(yán)格按照建設(shè)程序開展，嚴(yán)格實(shí)行項(xiàng)目法人責(zé)任制、招標(biāo)投標(biāo)制、建設(shè)監(jiān)理制，規(guī)范工程施工，確保工程質(zhì)量；

(5)建成后應(yīng)加強(qiáng)田間管理，注重日常維護(hù)保養(yǎng)，確保工程高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1]丁加麗,彭世彰,徐俊增,魏征.基于Penman-Monteith方程的節(jié)水灌溉稻田蒸散量模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(4):31～35.

[2]代俊峰,崔遠(yuǎn)來.SWAP模型及其在灌區(qū)管理中的應(yīng)用前景[J].中國農(nóng)村水利水電,2006,6:34～39.

[3]王建鵬,崔遠(yuǎn)來.水稻灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化模型及其模擬效率分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1):22～28.

[4]周玉桃,崔遠(yuǎn)來,謝先紅,代俊峰.SLURP模型及其在灌區(qū)水管理應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)村水利水電,2008,8:84～88

[5]彭世彰,朱成立.節(jié)水灌溉的作物需水量試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2003,22(2):21～25.