高效節水灌溉工程優化設計要點解析

胡賢群+楊操靜

摘 要 農業是用水是我國用水大戶，農業節水至關重要，實施高效節水灌溉是建設節水型社會、緩解水資源供需矛盾有效途徑。高效節水灌溉具有節約水土資源、降低人力成本等諸多優點，但由于畝均投資較高，大范圍推廣高效節水灌溉項目資金困難較大。只有降低畝均工程投資，高效節水灌溉項目才能得到更好的推廣。

關鍵詞 高效節水；灌溉工程；優化設計

中圖分類號：S275 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.36.047

水是人類社會發展的基礎性自然資源和戰略性資源，水資源的可持續利用是實現社會經濟可持續發展的重要保證。我國人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，隨著經濟社會發展和人民生活水平的不斷提高，生活和工業用水量持續增長，水資源短缺逐漸成為制約社會經濟發展的瓶頸。由于可開發的水源點越來越少，代價越來越大，要保障供水安全，必須加大節水步伐。根據統計，各行業用水中，農業用水占我國用水量的60%以上，部分地區甚至可達80%以上[1]。目前，我國大部分農業灌溉還是采取渠灌和大田漫灌等低效灌溉方式，滴管、噴灌等高效節水灌溉發展滯后，遠遠低于歐美發達國家。高效節水灌溉能夠有效節約30%～50%的農業灌溉用水，節水效果明顯，且具有節肥、節地、節工、增產之效，是實現農業水資源集約利用的有效途徑。節約農業用水是節約用水的重點，推行高效節水灌溉是節約農業用水的有效途徑，也是建設節水型社會的必經之路。

高效節水灌溉是對除溝渠輸水和地表漫灌外所有輸、灌水方式的統稱，主要由微灌、噴灌和低壓管道灌，其中微灌有可分為滴灌、微噴灌、小管出流灌等。與常規灌溉相比，高效節水灌溉具有省水、省工、節約土地資源、適應地形變化能力強、提高農作物品質等諸多優點[2]。目前從中央到地方各級政府都積極推廣高效節水灌溉工程，以保障水資源的可持續利用和社會經濟的持續發展。但相比常規灌溉，高效節水對于灌溉系統要求相對較多，設備的前期投入及后期更新維護要求更高，隨之帶來高效節水灌溉投資成本較高，較高的資金投入在一定程度上制約了高效節水灌溉工程的推廣。從云南省近期實施的高效節水灌溉工程來看，每667 m2均投資一般達到3 500元左右。因此，優化高效節水灌溉工程設計，降低工程投資是高效節水工程推廣的關鍵因素之一。

1 高效節水灌溉工程優化設計要點

灌溉工程的“高效節水”主要體現在輸水工程節水和田間工程節水。其中，輸水工程節水主要通過控制輸水環節的蒸發滲漏以減少水量損失，多以各級管材來實現；田間工程節水主要通過減少灌溉過程中的無效濕潤范圍和深層滲漏以達到節水目的，主要通過管材和灌水器來實現。根據目前已實施的工程來看，高效節水工程投資中管道投資占比最大，優化各級管道布置、減小各級管道輸水流量是降低工程投資最直接的途徑，而管道規模的優化又體現在規劃設計中對系統工作制度、設計流量和管材的優化上[3]。

1.1 制定合理的輪灌工作制度

對于高效節水灌溉，要想節省投資的成本，需要輪灌分組，輪灌組數據可根據公式（1）計算：

N≤CT/t（1）

式中，N為輪灌組數；C指的是運行時間，通常處于12～21 h，運行的時間不能過長，不能超過22 h；T指的是灌水周期，一般處于5～16 d；t表示每一次灌水的延續時間。

對輪灌組進行劃分時，設計要合理，不能過于復雜，否則會增加額外的成本，不利于發揮出節水灌溉工程效益。開展輪灌時，要保證每次的灌溉周期內，對作物灌溉一次。輪灌分組時，應結合灌區分布，以及灌區內田間道路、河流水系、其他建筑物的分布均勻劃分輪灌區，使每個輪灌系統的灌溉面積盡可能的相等，這樣有助于選擇更合理的管徑，提高管道利用率，從而節省工程投資。

1.2 優化管道設計流量

在高效節水灌溉的過程中，對于管道灌溉系統，對實際流量進行設計時，計算公式如下：

式（2）中，Q0為管灌系統的設計流量，單位為m3/h；ai為灌水高峰期第i種作物種植比例；mi為灌水高峰期第i種作物的凈灌水定額，單位為m3/hm2；Ti為灌水高峰期第i種作物一次灌水延續時間，單位為d；A為設計灌溉面積，單位為hm2；t為系統工作小時數，單位為h；δ為灌溉水利用系數；e為灌水高峰期同時灌水的作物種數。灌溉工作過程中，上級管道的流量為下級管道中同時工作的管道流量之和。

在這個計算公式中，重點是T與t取值的合理性。在選值時，管道灌溉系統在管道輸水至田間后配合出水口、給水栓進行灌溉，系統工作時間t取值與灌溉方式有直接關系，人工灌溉時間一般小于8 h/d，自動灌溉一般小于22 h/d；由于考慮了輪灌，因此必須保證在灌溉周期內灌區內所有作物均需完成一次灌溉，在系統工作20～22 h/d的情況下，1 d之內輪灌次數與一次灌水延續時間之積應小于等于系統工作時間。

1.3 合理選擇輸水管材

管道投資占是規模化高效節水灌溉工程總投資的比重較大，為了實現節水灌溉的優化設計，不僅要完善工作制度、流量，還要選擇合適的管材，以減少后期運行維護成本。目前，市面上管道種類繁多，價格差異較大，因此選擇合適的管材對于節約投資尤為重要。

目前國內的節水灌溉工程輸水壓力管主要有玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、無縫管、鍍鋅鋼管、聚氯乙烯管（PE）、硬聚乙烯管（UPVC）等，每種管材有著不同的優缺點。從整體上而言，鋼管（含玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、無縫鋼管、鍍鋅鋼管等）的承載能力較強，不易損壞；缺點是價格昂貴、水損大且易銹蝕。在高效節水灌溉工程中，鋼管多用于主干管中。聚氯乙烯管（PE）優點是強度高、抗腐蝕性強，連接方便，被廣泛用于給排水領域；硬聚乙烯管（UPVC）優點是質輕、耐腐蝕，方便施工和安裝方便，但柔韌性相對較差，大管徑的造價相對較高。高效節水灌溉工程管道一般需埋設于地下，以減少人為破壞的可能性，還能節約土地資源，因此在低級管道的管材選擇上可選用PE管、UPVC管等。endprint

2 工程實例

以云南省中部某灌區的高效節水灌溉項目為例，該灌區面積為1 680 hm2，地形較為平整，灌區內主要種植作物為葡萄，水源工程為一中型水庫。

經灌溉方式比選，采用滴灌的方式進行灌溉。根據葡萄灌溉制度的計算，作物最大凈灌溉定額為27.4 mm；最大灌水周期為8 d，一次灌水延續時間為7 h，日最大運行時間為22 h，最大輪灌組數為25組，方案設計中取24組。

根據灌區的邊界、地形條件、河流、高程、渠系、居民點、公路、鐵路以及城鎮化用地布局等因素，將灌區的1680 hm2耕地劃分為24個面積基本相等小灌溉系統，各系統灌溉面積分布為5.58～7.27 hm2，各系統設計流量為35.14～45.77 m3/h。按照每天運行3個系統進行輪灌，8 d內每個系統均可完成一次灌水。

根據灌區及水源點相對位置，本工程干管布置分為2級，主干管和分干管，每個灌水系統中布置支管，支管下接給水栓。經管材比選和管道水力計算，各級管道中主干管和分干管采用玻璃鋼管，其余管道采用U-PVC管；主干管管徑為DN800，分干管管徑為DN500～DN700；其余管徑為DN120～DN500。

根據2016年一季度價格水平估算，本工程總投資6 898.5萬元，其中各級管道投資為4 433.96萬元，占總投資的64.2%。項目每667 m2均投資2 737.5萬元，低于云南省平均水平，除本灌區土地相對集中且地形較為平整外，系統工作制度、時間流量及管道優的化設計是其投資較低的主要因素。

3 結語

我國人均水資源較為匱乏，農業是用水大戶，推廣高效節水灌溉是緩解我國水資源緊缺的重要途徑，也是建立節水型社會的必由之路。目前全國各地都在積極推廣高效節水灌溉，但由于每667 m2均投資較高，大范圍推廣存在資金困難的問題。因此在高效節水灌溉工程設計中，要在項目技術可行、經濟合理的前提下，不斷優化系統的工作制度、設計流量、管徑管材等，以降低工程投資。只有經濟合理，高效節水才能廣泛推廣，進而達到節約水資源、提高灌溉的效率、促進農業的發展的目的。

參考文獻

[1]季春根.高效節水灌溉工程優化設計要點分析[J].廣東科技，2014（18）：110-111.

[2]李文斌.淺談高效節水灌溉工程優化設計要點分析[J].文摘版：工程技術，2015（6）：98.

[3]周翠清.淺談高效節水灌溉工程設計優化及要點[J].大科技，2014（2）：138-139.

（責任編輯：趙中正）endprint