商丘地區(qū)節(jié)水灌溉模式選擇性分析

張志業(yè)

（商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

1 引言

商丘市地處河南省最東部，豫魯蘇皖四省交界處，豫東平原區(qū)域，地理位置優(yōu)越。截至2017 年底，全市轄2 區(qū)6 縣，共144 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總土地面積0.87 萬(wàn)km2，全市人口752.53 萬(wàn)人，2017 年，全市生產(chǎn)總值1 382.13 億元，其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值564.17億元，農(nóng)村居民人均可支配收入8 885元。

商丘市氣候適宜，四季分明，年平均氣溫14.20℃，年平均相對(duì)濕度71%，年平均降水量623.00 mm，平均無(wú)霜期211d。主要地貌為黃河沖擊平原區(qū)，地勢(shì)平坦。商丘市多年平均水資源總量為22.84 億m3，畝均水資源量235.00 m3，為河南省畝均水資源量的48%，為全國(guó)畝均水資源量的13%。全市人均水資源372.70 m3，為全國(guó)人均水資源量的14%。商丘市年均用水量中農(nóng)業(yè)用水占用水總量的63%，全市仍存在60%以上的耕地處于傳統(tǒng)大水漫灌的灌溉模式，農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，水資源日益減少等問(wèn)題已日益突出。節(jié)約用水，使水資源可持續(xù)利用、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展已成為迫在眉睫的問(wèn)題，大力推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)成為水資源管理的首要任務(wù)。本次根據(jù)商丘地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，重點(diǎn)比較以下幾種節(jié)水灌溉技術(shù)，通過(guò)多層次分析選取適宜的節(jié)水灌溉模式。

2 節(jié)水灌溉技術(shù)介紹

2.1 渠道防滲技術(shù)

渠道防滲技術(shù)是目前商丘市大型灌區(qū)主要輸水方式，其具有節(jié)水潛力大、輸水能力高、運(yùn)用安全等特點(diǎn)，是目前商丘市發(fā)展節(jié)水灌溉不可缺少的措施之一；同時(shí)，在商丘地區(qū)灌溉渠道一般由天然河道組成，灌排兩用，渠道斷面大，防滲投資高且不利于河道的生態(tài)發(fā)展，新建渠道又存在占地問(wèn)題，防滲材料的抗凍性差也是渠道防滲技術(shù)需要解決的問(wèn)題，這也是困擾渠道防滲技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題。

2.2 低壓管道輸水灌溉技術(shù)

低壓管灌技術(shù)（系統(tǒng)）是利用自然地形落差，或低耗能機(jī)泵等所提供的壓力水頭將灌溉水加壓，然后再通過(guò)管網(wǎng)輸配水到農(nóng)田進(jìn)行灌溉，它是以低壓輸水管道來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)明渠輸水的一種灌溉模式。是目前商丘市發(fā)展節(jié)水灌溉的重要技術(shù)之一，是目前采用最為普遍的一種灌溉技術(shù)，其較傳統(tǒng)渠道輸水技術(shù)具有節(jié)水節(jié)地、省工省時(shí)等特點(diǎn)；同時(shí)也存在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、田間工程配套缺少標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的定型產(chǎn)品等問(wèn)題。

2.3 噴灌技術(shù)

噴灌是利用較大的自然地形落差或機(jī)械加壓把灌溉水通過(guò)管道系統(tǒng)輸送到田間，利用噴灑器（噴頭）將水噴射到空中，并使水分散成細(xì)小水滴后均勻地灑落在田間進(jìn)行灌溉的一種灌水方法［1］。噴灌也是今后實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化最有效的灌溉措施之一。其較傳統(tǒng)地面灌溉方式具有適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)水省工、利于實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化等特點(diǎn)；同時(shí)噴灌在風(fēng)的因素下，噴灑均勻度和水利用率受到的影響很大，噴灌系統(tǒng)除需要管道進(jìn)行輸水外，還需要一定的噴灑設(shè)備等，一次性投資和后期運(yùn)行費(fèi)用較高，目前主要適用于高附加值的大面積農(nóng)業(yè)灌溉或經(jīng)濟(jì)作物灌溉。

2.4 微灌技術(shù)

微灌是按照作物生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分，利用專業(yè)設(shè)備或自然水頭加壓，通過(guò)低壓管道系統(tǒng)輸水，再通過(guò)系統(tǒng)末級(jí)毛管上的孔口或灌水器，將有壓水流變成細(xì)小的水流或水滴，直接輸送到作物根部附近，均勻、精確地的施于根系所在部分土壤表面或土層中的灌水方法。其具有工、灌溉均勻等特點(diǎn)；同時(shí)，商丘市為糧食大市，種植作物以糧食為主，微灌精準(zhǔn)灌溉和施肥的優(yōu)勢(shì)得不到充分發(fā)揮，且灌水器易堵塞，投資較普通地面灌溉技術(shù)高等也制約其在商丘地區(qū)的發(fā)展。

3 節(jié)水灌溉模式選擇性分析

每種節(jié)水灌溉方式均有其優(yōu)越性和局限性，并且在商丘市均有不同規(guī)模的嘗試。具體哪些節(jié)水灌溉方式更適用于當(dāng)下商丘市的基本情況，應(yīng)當(dāng)從全市的地形、土壤、水源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益等多方面綜合分析，優(yōu)選出更適宜的節(jié)水灌溉方式。本次通過(guò)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)和社會(huì)指標(biāo)進(jìn)行多層次分析，選擇出經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)優(yōu)良、社會(huì)效果好的節(jié)水灌溉模式。

3.1 決策集

根據(jù)商丘市基本情況，項(xiàng)目決策方案共4 個(gè)，其優(yōu)選決策集構(gòu)建為

式中：P—灌溉方式的集合；Pj—決策集中第j個(gè)備選方案，其中p1為低壓管灌、p2為滴灌、p3為噴灌、p4為微噴灌。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)目前商丘市節(jié)水灌溉方式的選擇方式，主要考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、社會(huì)指標(biāo)等3 個(gè)影響因素。對(duì)應(yīng)3 個(gè)影響因素，節(jié)水灌溉評(píng)價(jià)系統(tǒng)也可以分為3 個(gè)方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其評(píng)價(jià)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 節(jié)水灌溉方式評(píng)價(jià)系統(tǒng)圖

評(píng)價(jià)指標(biāo)集為：

式中：V—評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合；vi—指標(biāo)集中第i個(gè)指標(biāo)，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，其中v1為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，本次用凈現(xiàn)值表示；v2為技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，用均勻度表示；v3為社會(huì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，用農(nóng)民歡迎度表示。

3.3 計(jì)算模型

利用模糊綜合評(píng)判法選擇備選方案優(yōu)屬度最大者作為最優(yōu)節(jié)水灌溉方式。

式中：Uj—第j個(gè)備選方案的優(yōu)屬度，j=1，2，3，4。

假設(shè)系統(tǒng)有i條評(píng)價(jià)指標(biāo)，決策集中有j個(gè)可行決策方案，若每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)每一方案用指標(biāo)特征xij表示，則系統(tǒng)有i×j階指標(biāo)特征量矩陣。本次分析備選方案共4個(gè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)有3個(gè)，即用3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)4個(gè)備選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到優(yōu)屬度向量U。

式中：w123—經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)評(píng)價(jià)的權(quán)重；xij—第j個(gè)備選方案中第i個(gè)指標(biāo)的優(yōu)屬度，其中j=1，2，3，4；i=1，2，3。

3.4 指標(biāo)優(yōu)屬度確定

3.4.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)屬度

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值、受益率、回收期、效益費(fèi)用比等，本次采用經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值（ENPV）表示，屬于越大越優(yōu)指標(biāo)，可定量，參考《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范》（SL72-2013），結(jié)合實(shí)際情況分析確定，可以用社會(huì)折現(xiàn)率將項(xiàng)目計(jì)算期內(nèi)各年的凈效益折算到計(jì)算期初的現(xiàn)值之和來(lái)表示，按公式5計(jì)算。

式中：B—年效益；C—年費(fèi)用；n—計(jì)算期，年；t—計(jì)算期各年的序號(hào)，基準(zhǔn)年為1；is—社會(huì)折現(xiàn)率。

其優(yōu)屬度可采用下式確定：

式中：x1j—第j個(gè)備選方案中經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)屬度；v1j—第j個(gè)備選方案的凈現(xiàn)值；v1max—各備選方案中最大凈現(xiàn)值。

3.4.2 技術(shù)指標(biāo)優(yōu)屬度

技術(shù)指標(biāo)包括灌溉均勻度、灌水強(qiáng)度、節(jié)水度、增產(chǎn)度等，采用灌溉均勻度來(lái)確定，屬于越大越優(yōu)指標(biāo)，可定量，該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)x2j可以直接采用灌溉均勻度的值。

3.4.3 社會(huì)指標(biāo)優(yōu)屬度

社會(huì)指標(biāo)采用農(nóng)民歡迎度來(lái)表示，只可定性分析。具體方法請(qǐng)6位節(jié)水行業(yè)的專家、基層服務(wù)人員、群眾代表等，對(duì)所給定的指標(biāo)按事先規(guī)定好的評(píng)語(yǔ)進(jìn)行評(píng)判，按各位代表對(duì)指標(biāo)所下的評(píng)定，進(jìn)行平均，取平均值，本次簡(jiǎn)化為3 個(gè)等級(jí)，分別為較好、一般、較差，對(duì)應(yīng)優(yōu)屬度x3j分別為0.75，0.50，0.25。

3.4.4 指標(biāo)權(quán)重確定

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重w 表示各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)屬度對(duì)各備選方案的重要性。同樣可邀請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)各指標(biāo)的重要性兩兩比對(duì)，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集合中的元素，重要的得1分，次要的得0分，最終確定各指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)重要性二元排比結(jié)果表

如表1，3 項(xiàng)指標(biāo)總分值共12 分，其中經(jīng)濟(jì)指標(biāo)4 分、技術(shù)指標(biāo)3分、社會(huì)指標(biāo)5分。進(jìn)而確定經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.33，0.25，0.42。

3.4.5 節(jié)水灌溉方式優(yōu)選算法

分析選取商丘市睢陽(yáng)區(qū)馮橋鎮(zhèn)安樓村46.70 hm2大田糧食作物為例，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)基本資料，該區(qū)域夏季主要種植小麥、秋季主要種植玉米，間歇種植花生等經(jīng)濟(jì)作物，地形為沖積平原，水源為淺井水，土壤為壤土，為此選擇合理的灌溉方式。決策方案共有低壓管灌、滴灌、噴灌、微噴灌4 種，按優(yōu)選算法計(jì)算得到各種灌溉方式的單指標(biāo)優(yōu)屬度。

各灌溉方式的凈現(xiàn)值、灌水均勻度及農(nóng)民歡迎度，詳見(jiàn)表2。

表2 各種灌溉方式對(duì)應(yīng)指標(biāo)值表

根據(jù)各指標(biāo)值計(jì)算得到各種灌溉方式的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)屬度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各種灌溉方式單因素指標(biāo)優(yōu)屬值表

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重，依據(jù)表3所列數(shù)據(jù)，利用公式4計(jì)算各備選方案的優(yōu)屬度：

式中字母含義同上。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，各方案的優(yōu)屬度順序?yàn)閡1＞u4＞u3＞u2，方案1優(yōu)屬度最大，即低壓管灌為最佳選擇。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)分析得到，目前低壓管道灌溉技術(shù)依然是商丘地區(qū)最佳的節(jié)水灌溉技術(shù)，同時(shí)也注意到滴灌這種高效節(jié)水灌溉模式在商丘市優(yōu)屬度最低，根據(jù)調(diào)查，滴灌的推廣面積在幾種節(jié)水灌溉模式中也是最低。除前面說(shuō)到的對(duì)于商丘市大部分大田糧食作物來(lái)講，精準(zhǔn)灌溉和施肥的優(yōu)勢(shì)得不到充分發(fā)揮之外，從評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析，其社會(huì)評(píng)價(jià)在四種灌溉模式中指標(biāo)是最低的。目前在商丘，節(jié)水灌溉工程大多為政府投資，幾種灌溉模式在灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)下的糧食增產(chǎn)程度也相差不多，歸根結(jié)底在于農(nóng)民群眾的認(rèn)可程度。同時(shí)，相關(guān)技術(shù)部門(mén)同樣對(duì)滴灌技術(shù)缺乏認(rèn)識(shí)，他們認(rèn)為滴灌技術(shù)施工安裝繁瑣、管理困難，因此也很少有機(jī)會(huì)向農(nóng)民群眾去宣傳和推廣這項(xiàng)灌水技術(shù)。

而事實(shí)上，從分析中可以看出，滴灌技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)在四種灌溉模式中均有很大優(yōu)勢(shì)，也就是說(shuō)這種灌溉模式對(duì)于決策者投資分析和使用者節(jié)水增產(chǎn)等實(shí)際效益上都有著極大的推廣價(jià)值，因此，隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，商丘市高附加值經(jīng)濟(jì)作物的種植面積不斷擴(kuò)大，相關(guān)部門(mén)對(duì)高效節(jié)水灌溉的宣傳和推廣力度加強(qiáng)，逐漸使農(nóng)民群眾接受這種高效的節(jié)水灌溉方式，這對(duì)提高灌溉水利用率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水進(jìn)程有著極其重要的意義。