梯田水資源網絡化高效利用研究示范

田晉華， 高雅玉

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州730020)

水資源是人類生存和發展的基礎，水資源短缺已成為經濟社會可持續發展的重要制約因素［1］。甘肅省半干旱區面積約為11 ×104km2，約占甘肅省總面積的30%，區域生態環境脆弱，水土流失嚴重，水資源匱乏。流域水資源利用存在總量貧乏、年際年內分配不均，常規水資源量低、水污染問題日趨嚴重等問題［2］。半干旱區農業發展過程中，控制水土流失，改善生態環境，改變農業生產基礎的重要措施是梯田建設。截至2015 年末，甘肅省已經建設梯田15 880 km2，占甘肅省半干旱區面積的15%。梯田在充分利用雨水資源、促進農村經濟、改善生態環境等方面發揮了顯著作用。然而，甘肅省梯田建設仍存在水資源利用效率低的問題，成為社會經濟、農業生產等活動的較大限制性因素。

梯田是雨水資源化利用行之有效的途徑［3］，實現雨水集蓄利用與小流域生態治理技術的有機集成，進而達到雨水資源的合理、高效利用，對我國北方旱區農業高效用水和生態環境良性循環具有重要意義［4］。雨水集蓄利用是指采取工程措施對雨水進行收集、蓄存和調節利用的微型水利工程［5］。梯田雨水網絡化收集利用研究旨在有機集成水土保持、抗旱耕作、農藝保水以及雨水集蓄補灌四大措施，發揮梯田系統的總體功能，形成梯田抗旱增產技術體系，為調整土地利用結構、改善生態環境，實現農業經濟的可持續發展創造良好條件。

隴東地區屬旱作雨養農業區，近年來，全球氣候變暖，降水分布不均，干旱頻發，作物產量波動大［6］。因此，課題組在對隴東地區梯田系統雨洪資源可利用潛力評價的基礎之上，對隴東地區梯田系統路網+田面集水高效補灌技術模式和梯田系統+村莊經濟型雨水收集技術模式進行了設計及示范，建立了6.67 ha 標準化梯田水資源高效利用示范區。以期通過示范點的建成，對形成和推廣半干旱地區梯田雨水資源網絡化利用技術體系，解決半干旱地區梯田農作物補灌問題，為正在實施的以水土流失治理、發展旱作農業為目的坡改梯工程提供技術支撐。

1 梯田系統路網+田面集水高效補灌技術模式

1.1 示范點選取

梯田系統路網+田面集水高效補灌技術模式示范點位于隴東黃土殘塬溝壑區的慶陽市慶城縣馬嶺鎮安溝小流域，主要收集、利用梯田路網雨水，根據主要作物的生長需水特征，示范不同類型節水灌溉技術和補灌制度。

1.2 模式設計

安溝小流域梯田系統中的2 ha 梯田系統種植作物按玉米和蘋果進行設計，共分為5 個地塊，地塊尺寸為140.5 m×150 m。補灌方式選擇滴灌，在玉米生長的播種-拔節和抽雄-灌漿時期補充灌溉量為150 m3/ha，在蘋果萌芽期和二次生長期補充灌溉150 m3/ha。依據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》(GB/T 20203—2006)，參考隴東地區其它節水灌溉相關的資料，結合選定設計區域的土壤、氣候、地形等條件及種植作物灌溉需水特點，進行滴灌設計。

1.2.1 集流面積的確定

根據擬定的補灌制度，設計示范地點共需灌溉水量6 000 m3，而設計示范區內共有可利用的混凝土道路長140.5 m，寬4.5m;黃土道路長246.5 m，寬2 m，保證率為85%時的集流效率為0.80。隴東地區多年平均降雨量為521.4 mm，其中5—9 月的平均降雨量為421.0 mm，占年降雨量的80.1%，降雨集中期可收集到的雨水資源量按平均降雨量的70%計算，現有的路面可收集到的雨水資源量為230 m3。為滿足補灌要求，應修建人工集流面或在農閑期進行田面覆膜收集雨水資源。人工集流場和田面覆膜的集流效率分別為0.92 和0.85，計算得到需修建1 103 m2的人工集流場或1 194 m2的農閑期田面覆膜，如表1 所示。

表1 集流面積確定Tab.1 Determination of the collecting area

① 補充修建混凝土集流面

集流面的集流面積為1 103 m2，修建混凝土集流面的厚度宜取3 ～4 cm，采用C15 現澆混凝土，集流面橫向坡度宜取1/20 ～1/10，縱向坡度宜取1/100 ～1/50。混凝土澆筑前應對地基進行灑水翻夯，翻夯厚度以30 cm 為宜，夯實后的干密度不小于1.5 t/m3，也可采用砂礫石作墊層。澆筑分塊尺寸為1.5 m×1.5 m 至2.0 m ×2.0 m，每4 ～5m 設置縱橫向伸縮縫，縫寬2.5 m，縫間可填塞瀝青。伸縮縫深度應做到和混凝土的厚度相同。混凝土面初凝后，要覆蓋麥草、草袋等并灑水養護7 d 以上。夏天燥熱時，每天灑水不得少于4 次。

② 農閑期覆膜

農閑期田面覆膜面積為1 194 m2，塑料薄膜集流面可采用農地膜或棚膜，塑料薄膜鋪設接縫可采取焊接和搭接:焊接時，兩幅膜的堆疊寬度不宜小于10 cm;搭接可采取折疊止水，兩幅膜的堆疊寬度不得小于30 cm。裸露式塑料薄膜的四周和外表的適當部位宜用磚塊、石塊或木條壓實。

1.2.2 蓄水工程的設計

根據隴東地區的實際情況，蓄水工程采用該地區常用的薄壁水窖。依據所需的灌溉水量600 m3，確定水窖的蓄水容積和數量。

式中:V 為蓄水容積，m3;W 為設計保證率條件下的年供水量，600 m3;α 為蓄水工程蒸發、滲漏損失系數，可取0.05 ～0.1，研究中取0.1;K 為容積系數，0.75。

計算得到蓄水容積V=419 m3，根據《雨水集蓄利用工程技術規范》(GB/T 50596—2010)，新修水窖容積為30 m3，水窖個數為14 個，配套10 個沉砂池。

水窖中徑為3 m，底徑為2.6 m，穹頂高1.2 m，窖體深5.1 m，窖口直徑為1.0 m。窖體采用混凝土澆筑，厚15 cm;窖底夯實后，采用3 ∶7 灰土防滲，防滲厚度為30 cm。

修建沉沙池10 座，單個沉砂池尺寸為1.2 m ×1 m×0.8 m，磚砌結構，表層抹M10 水泥砂漿。

1.2.3 灌溉系統布設研究

根據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》(GB/T 20203—2006)，參考隴東地區相關的節水灌溉資料，結合所選地塊的土壤、氣候、地形等條件及種植作物灌溉需水特點，進行補灌參數的設定及灌溉系統的布設設計工作(見圖1)。設計地點共分為1#～5#地塊，其中1#、3#種植玉米，2#、4#和5#種植蘋果，玉米的株行距為0.4 m ×0.5 m，蘋果的株行距為5 m×4 m。

圖1 典型設計地點地塊示意Fig.1 Plot diagram of typical design site

1)補灌延續時間與設計補灌流量

經過計算，玉米和蘋果的灌溉時間分別為8.05和2.78 h。1#～5#地塊各水窖所接干管和支管的流量見表2。

2)干管和支管管徑

參照《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》(GB/T 20203—2006)，PVC 管管內經濟流速為1.0 ～1.5 m/s。根據管徑計算公式和管材規格以及表2，1#、3#和5#地塊干管和支管的管徑分別為63 和16 mm;2#和4#地塊干管和支管的管徑分別為60 和30 mm(除4#地塊干管管徑為70 mm)。根據計算結果，干管、支管均選用PVC 管，支管的形式為內貼片式滴灌帶。

3)管網水力計算

① 支管水力計算

支管的內徑(16 mm)＞8 mm，可認為管內流態為光滑紊流。支管沿程水頭損失按多孔管計算，局部損失按照沿程水頭損失的10%計，得到支管的水頭損失hf支見表2 第7 列。

再計算支管進口工作壓力h0支，例如1#地塊A泵連接的干管上支管的進口工作壓力為0.165 m，則A 泵干管上總共30 根支管的總進口工作壓力為4.96 m，所有支管的進口工作壓力見表2 第6 列。

② 干管的水頭損失計算

計算干管的水頭損失包括沿程水頭損失hf和局部水頭損失hj，分別列于表2 第6、第7 列。其中，局部水頭損失以沿程水頭損失的10%計算。

4)水泵動力選型

根據設計工況需要的揚程和流量確定水泵型號，由于部分梯田通電困難，所以在設計中選擇太陽能(光伏)潛水泵。

經過對A 至O 的管網總損失計算(見表2)，最后選定光伏水泵A 至O 的型號和參數:設計流量，40 ～60 m3/h;型號，SPA4750060 -2;設計揚程，8 ～15 m;出水口徑，50 mm;最大開路電壓，450 VDC;推薦工作電壓，150 ～350 VDC。

表2 典型地塊補灌設施水力計算Tab.2 Hydraulic calculation of filling irrigation facilities of typical land

5)其它輔助補灌設施

① 過濾器

因為補灌水源為水窖水，雜質主要為沙粒，選用LW-100(4”)離心+網式組合式過濾器即可滿足補充滴灌要求。

② 施肥罐

選擇壓差式施肥罐，根據滴灌工程設計圖集，補灌面積為2 ha，可選擇5 L 的施肥罐。

③ 控制測量設施與保護裝置

由于補灌系統較小，故不設置變頻調速設備。在篩網過濾器與離心過濾器之間設有施肥閥和相應的閘閥。篩網過濾器后設置水表，水泵與過濾器之間設逆止閥，規格與水泵的進出口直徑相同;過濾器進出口設置壓力表，在連接管最高處設置排氣閥。

1.3 梯田系統路網+田面集水高效補灌技術模式

1.3.1 建設面積

建設示范區面積為2 ha，其中推廣種植玉米0.9 ha，栽植果樹1.1 ha，共5 個田塊。

1.3.2 梯田雨水網絡化收集技術建設

參考《雨水集蓄利用工程技術規范》(GB/T 50596—2010)、《甘肅省雨水集蓄利用工程技術標準》，根據已有研究，計算得出玉米生育期內盈缺水量為27.7 m3/a。項目根據不同灌溉設施的最大補灌定額(小管出流，360 m3/ha)，計算得出玉米推廣區的最大需水量為720 m3。結合慶城縣實施的國家農業綜合開發水土保持項目——安溝小流域綜合治理工程，設計新修梯田配套建設的單個水窖容積為30 m3，共需24 口水窖。計劃利用梯田路網作為集雨面，路面為混凝土路面，路寬4.5 m。根據設計灌水量確定集雨面積，按照供水保證率P =50%、集流系數為0.8、推廣區多年平均降雨量536 mm、安全系數為1.2 的條件，需集雨面積2 325 m2(小管出流，1 162.5 m2/ha)，路長517 m。

推廣區內可供利用的水窖15 口(其中新建7口、老窖8 口)，并且至少每一田塊都有1 口水窖;可利用的混凝土道路長320 m，即集水面積1 440 m2。

1.3.3 灌溉設施布設

推廣示范4 種節水灌溉技術，分別為內鑲片式滴灌帶、壓力補償式滴頭、地插微噴和小管出流;針對玉米推廣內鑲片式滴灌帶，果樹主要推廣壓力補償式滴頭和小管出流，試驗地插微噴(考慮到果樹套種其他作物，例如大豆)。

1)玉米田塊布設

根據水窖數量和位置限制，管道按照分塊的原則布設，用主管道(PE 管、∮32 mm)將田塊劃分成2塊，通過閥門控制灌溉區域，將內鑲片式滴灌帶(16 m×0.3 m ×300 m，1.38 L/h)直接連接至主管道上，沿每行玉米根部布設。采用間距為30 cm 的滴灌帶，每3 ～4 個滴頭灌溉3 株玉米。

2)果樹田塊布設

管道沿每行果樹布設，將壓力補償式滴頭(4 L/h)、小管出流(8 L/ h)和地插微噴(R =4 ～4.3 m)根據植株的位置直接裝于管道上，通過閥門控制灌溉區域，根據不同的滴頭出水量控制灌溉數量(行數)和時間。經統計，小管出流布設面積為0.49 ha，壓力補償滴頭面積為0. 43 ha，地插微噴面積為0.13 ha。推廣區內用電便利，動力采用不銹鋼潛水泵，汽油水泵作為備用動力。不銹鋼潛水泵規格分2 種，分別為:口徑40.6 m/h，揚程32 m，功率1.5 kW;口徑40.8 m/h，揚程18 m，功率0.75 kW。

1.3.4 灌溉制度

根據當地種植作物的種類、降雨量、地形等多種因素的影響，同時參照國家《雨水集蓄利用工程技術規范》和《甘肅省雨水集蓄利用工程技術標準》，確定集雨設施的容積和灌溉制度(玉米):項目，高效補灌技術;水，30 m3;補水灌水方式，壓力補償式滴頭、小管出流、內鑲片式滴灌帶;灌水次數，3 次;灌水量，22.5 m3/ha。

2 梯田系統路網+人工集流高效補灌技術模式

2.1 示范點概況

梯田系統路網+人工集流高效補灌技術模式示范點位于慶陽市西峰區什社鄉蘭州大學慶陽黃土高原草地農業試驗站內，該試驗站是傳統的雨養農耕區，總土地面積為94.47 ha，其中寧縣瓦斜鄉東風溝有80 ha 天然草地。實驗用房面積為200 m2，實驗站海拔在1 500 m 左右，年均降雨量約為510 mm，30 ℃年積溫3446 ℃。項目組在農業試驗站內選擇一段道路:路面寬7 m，均為水泥路面，道路兩側設有路沿石，高10 cm，每隔10 m 兩側各設有一個排水口，用于排泄路面雨水，示范點共計灌溉果園面積4.67 ha。

2.2 示范點建設情況

利用路面坡度，在道路一端設置雨水收集口、沉沙池和雨水收集池，初期雨水通過道路兩側雨水排泄口和雨水收集口分水閘排棄，而后堵塞雨水排泄口，進行雨水收集。初期棄流從道路兩側進入綠化帶及耕地;在雨水收集池設置潛水泵，配備滴管設施及洗車管線。滴灌配套用于道路一側4.67 ha 蘋果園的節水灌溉，技術示范平面布局見圖2。

圖2 平面布置Fig.2 Plane layout

2.2.1 雨水收集口

收集口采用鋼筋焊制，尺寸為7 m ×0.25 m，網孔大小為3 cm×3 cm，在收集口兩端(一端連接沉砂池、另一端接路邊耕地)設置閘口。

2.2.2 沉砂池

修建1 座沉砂池，沉砂池尺寸為2 m ×1 m，深1m，磚砌結構，表層抹M10 水泥砂漿。

2.2.3 混凝土水窖

需新建1 眼水窖，根據《雨水集蓄利用工程技術規范》，新修建水窖1 眼，容積為60 m3。水窖中徑為3.8 m，底徑為3.3 m，穹頂高1.5 m，窖體深6.5 m，窖口直徑為1.0 m，窖體采用混凝土澆筑，厚15 cm，窖底夯實后采用紅膠泥防滲，防滲厚度為30 cm。

3 效益分析

根據《水土保持綜合治理效益計算方法》(GB/T 15774 ―2009)的規定和實地調查，對示范點建設的經濟效益、社會效益和生態效益進行分析。經調查測算，兩項技術模式的雨水收集效率達到70% ～80%，示范區內年雨水收集量為432 ～494 m3，配套布設節水灌溉措施后，雨水利用率提高5%。道路雨洪資源高效收集示范點每1 000 m2的高效集流面可收集雨水資源450 m3左右，再配以高效利用的灌溉措施，可以使雨洪資源的利用效率提高40%，蓄水效率提高40%，保土效率提高34%，水資源保障程度提高26%。將這些水資源用于灌溉，可使糧食產量增加40%，產值提升40%，取得較為顯著的經濟、社會、生態效益。

3.1 社會、經濟效益

梯田雨水網絡化收集利用技術試驗示范項目的實施和推廣應用，可顯著提高隴東地區雨水資源集蓄利用水平，增強雨洪水資源利用效率，減少約1/5 ～1/4 的集中常規灌溉工程投入，減輕城鎮防洪排洪壓力，提高水資源支撐能力。按照高標準梯田設施配備集水、蓄水、用水設施，隴東地區全年梯田系統產流量為1.3 ×108m3，地埂產流量為0.4 ×108m3，田面產流量1.0 ×108m3，道路產流量為0.03 ×108m3。對于改善區域內居民的生存環境，解決地區的水資源危機，促進區域社會經濟的健康穩定發展具有現實意義。

通過項目推廣的雨洪資源高效管理和利用技術模式，每年可增加區域供水量5 000 ×104m3以上，為區域提供安全、經濟的水資源，實現了天然雨洪徑流由排到蓄、由控制到利用、由溝坡防治到源頭治理和由分散小工程向集中大工程的重大轉變，保障了地區經濟社會的可持續發展，有效緩解了區域水資源危機，提高了區域的水、土資源利用效益和對經濟社會發展的支撐能力。

3.2 生態效益

示范項目的實施和推廣應用，加快了隴東地區梯田系統雨洪資源收集利用工程建設，提高了雨洪水資源的利用效率，防治了水土流失，為解決農業生產水資源供需矛盾和全面建設生態文明區域奠定了基礎。有利于改善區域內居民的生存環境，解決區域水資源危機，促進該地區經濟的健康穩定發展，為隴東地區雨洪資源高效利用提供了新途徑，同時為區域經濟發展的水資源保障提供了技術支撐。在顯著改善區域工農業生產條件的同時，提高了區域生態安全和可持續發展程度，帶動了隴東地區建立黃土高原區水資源持續利用的區域開發治理與管理模式，為我國北方黃土高原半干旱區梯田系統雨洪資源高效利用與管理、區域生態治理與開發方面提供了技術支撐。

4 結論

① 梯田系統路網+田面集水高效補灌技術模式示范點位于隴東黃土殘塬溝壑區的慶陽市慶城縣馬嶺鎮安溝小流域，通過收集、利用梯田路網雨水，根據主要作物的生長需水特征，對不同類型節水灌溉技術和補灌制度進行了示范。梯田系統路網+人工集流高效補灌技術模式示范點位于慶陽市西峰區什社鄉蘭州大學慶陽黃土高原草地農業試驗站內，示范點共計灌溉果園面積4.67 ha。兩項技術模式的雨水收集效率達到了70% ～80%，配套布設節水灌溉措施后，雨水利用率提高了5%，用于灌溉后可使糧食產量增加40%，產值提升40%，取得較為顯著的經濟、社會、生態效益。

② 示范項目的實施與應用推廣，可提高梯田雨水資源的利用效率，對防治水土流失和解決農業生產水資源供需矛盾和全面建設生態文明區域奠定了基礎，顯著提高了區域生態安全和可持續發展程度，為區域經濟發展的水資源保障提供了技術支撐。