西藏高寒地區常見噴灌形式適宜性分析
——以拉薩為例

楊 波，張位首，宋猛猛，張 鈺，楊禮志，湯鵬程

(1.中國水利水電科學研究院，內蒙古陰山北麓草原生態水文國家野外科學觀測研究站，北京 100038；2.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；3.西藏自治區水利電力規劃勘測設計院，拉薩 850000；4.西藏自治區拉薩市曲水縣水利局，拉薩 850699)

西藏自治區面積為122.84萬km2(26°50′至36°53′N，78°25′至99°06′E)，約占我國總面積的1/8，是世界上面積最大、海拔最高的高原。獨特的地理地勢條件下，西藏地區的水資源較國內其他地區豐富，但是水利基礎設施建設較內地落后，資金主要投入在渠道建設、維護等，對節水高效灌溉方式的認識不足，當地農牧民并不重視高效節水灌溉設備的引入和使用，牧草的種植仍依賴普通地面灌溉和天然降雨[1-4]。地面灌溉雖操作簡單、無需耗能，但在西藏地區土壤層薄(30 cm左右)、田間地勢不平、地塊零碎，強輻射、低壓低氧的土壤和氣象條件下，所需勞動力較大、對土地平整程度要求高、極易造成土壤和肥料的流失，導致西藏地區灌溉水利用效率低、水資源浪費嚴重、牧草的實際產量不理想[5-7]。

在此背景下，西藏高寒地區開始在牧草種植中引入先進的高效節水灌溉設備。噴灌具有自動化程度高、節省人力、提高水資源利用效率的優點，是水資源條件較好、規模化經營的農牧場常用的灌溉方式。拉薩市作為西藏自治區首府，率先引入幾種國內外常見的噴灌設備，且拉薩當地相關政府部門鼓勵農牧民積極使用。但是，噴灌應用于西藏高寒地區的相關前期資料很少，同時缺少系統的分析，當地農牧民無法科學選擇適宜的噴灌形式。針對以上問題，本文以拉薩市為例，通過資料收集并結合實測數據，展開西藏高寒地區幾種常見噴灌形式的適用性分析(包括節水、增產和經濟等技術指標)，研究結果以期為西藏地區農牧民就噴灌形式的選擇提供參考。

1 研究區概括

1.1 地理位置

研究點位于西藏自治區拉薩市林周縣亞麻鄉的高效節水飼草生產示范基地和卡孜鄉的西藏人工牧草灌溉試驗與生態水文觀測站。林周縣地處拉薩中部，平均海拔為3 650 m，屬高原溫帶季風半干旱氣候區，年降水量為300～510 mm，集中在6—9月份，多夜雨，太陽輻射強，空氣稀薄，晝夜溫差大，冬春寒冷干燥且多風，年無霜期為100～120 d。該地區是拉薩市主要糧食生產基地之一，全縣耕種面積1.2萬hm2，約占全市耕地面積的1/3，農作物主要有飼草青稞、燕麥、黑麥等，牧業以飼養牦牛、黃牛、綿羊、山羊為主。

1.2 噴灌工程

林周縣高效節水飼草生產示范基地噴灌灌溉面積為118.4 hm2，其中時針式噴灌面積為100.4 hm2(時針式噴灌機為8臺，單設備為4跨，共計200 m)；固定式管道噴灌面積為18.0 hm2，(噴頭為23個，單噴頭噴灑半徑為50 m)。西藏人工牧草灌溉試驗與生態水文觀測站是兼具科研和技術示范推廣功能的試驗站，站內建設了高效節水灌溉工程9.4 hm2，其中卷盤式噴灌面積為1.3 hm2(卷盤式噴灌機1臺，噴灑范圍為50 m×275 m)，時針式噴灌面積為7.1 hm2(時針式噴灌機為1臺，單設備為3跨，共計150 m)，半固定式管道噴灌面積為1.0 hm2(單噴頭噴灑半徑為15 m)。

2 噴灌系統應用適宜性分析

2.1 土壤、地形與作物

噴灌一般適用于各種土壤結構，不同噴灌形式對土地平整程度、地塊形狀、作物高度的要求不一，土壤儲水能力和作物需水量也限制著噴灌形式的選擇[8-11]。受氣候、土壤的影響，拉薩地區種植作物多為飼草作物(青稞、燕麥、黑麥等)。表1為幾種常見噴灌形式的適用性范圍。

表1 拉薩地區常用噴灌機適用范圍

2.2 節水、節電效益

水、電是噴灌系統中的必備元素，是評價噴灌系統好壞的重要指標之一，對4種噴灌形式下的節水、節電效益進行分析，節水效益根據式(1)計算：

Wm=mA/η

(1)

式中：

Wm——噴灑總用水量，m3；

m——灌溉定額，m3/hm2；

A——噴灑面積，hm2；

η——灌溉水利用系數。

灌溉定額依據當地土壤墑情情況和當地經驗選定。

地面灌溉下灌溉水利用系數測算采用田間實測法[12-13]。噴灌灌溉水利用系數計算根據式(2)計算：

η=ηpηg

(2)

式中：

η——灌溉水利用系數；

ηp——噴灑水利用系數，通過田間實測法得到；

ηg——管道系統水利用系數，取0.95。

拉薩地區地面灌溉多為渠灌，無需耗電；卷盤式、半固定、固定式噴灌所消耗電量為水源工程和流量壓力調節系統所需電量和；時針式噴灌所消耗電量為水源工程、流量壓力調節系統和噴灌機運轉所需電量和，農業用電按照當地農業農村用電標準取0.65元/kW·h(噴灌工程水源皆為水源井)。4種噴灌系統下的節水、節電效益見表2。

表2 常見噴灌形式節水、節電效益

通過對節水效率進行計算，節水率排序為時針式(50.96%)>半固定式(47.94%)>固定式、卷盤式(43.60%)。時針式噴灌的耗電費用(711 元/(hm2·a))略高于其他幾種噴灌形式。噴灌模式下的節水效率明顯強于地面灌溉模式下，發展前景較大。

2.3 投資成本與人工效益

一次性投入費用為噴灌系統購置和運輸到西藏高海拔地區的費用(見表3)。省工效益分析由林周縣噴灌系統應用實例得出，當地實際雇工情況為150元/d，工時為8 h，噴灌系統所需人工費用為1次性安裝和運行、維護等，通過表3計算得到最大使用年限下的所需人工費用，排序為時針式(18 元/(hm2·a))<固定式(25 元/(hm2·a))<卷盤式(246 元/(hm2·a))<半固定式(360 元/(hm2·a))。

表3 常見噴灌形式最大運行年限下所需一次性投入和人工運行費用

2.4 經濟效益

通過對幾種常見噴灌形式的一次性投入、人工費用和牧草增加收益對經濟效益進行分析，得到計算結果見表4(根據實際播種情況，噴灌下種植作物為當地普遍種植的燕麥，燕麥干草價格按照當地的實際情況2 元/kg計算。根據實際測產數據，將噴灌前燕麥產量按4 500 元/hm2計算，噴灌后牧草產量按7 500 元/hm2計算)。

根據表4可知，最大使用年限下的噴灌年均經濟效益排序為固定式(5 115 元/hm2)>半固定式(4 242 元/hm2)>時針式(4 043 元/hm2)>卷盤式(3 414 元/hm2)。

表4 常見噴灌形式最大運行年限下經濟效益

從工程建設對國民經濟指標的影響角度評價幾種噴灌形式的經濟效益，依據《水利建設項目經濟評價規范》(SL 72—2013)，選取國民經濟內部收益率(EIRR)、經濟凈現值(ENPV)、經濟效益費用比(EBCR)來模擬幾種噴灌系統的經濟評價指標[10]，計算依據式(3)～式(5)，計算結果見表5～表8(為方便計算，將各噴灌形式下噴灑面積皆統一為33.3 hm2即500畝，使用年限皆統一為30 a)。

(3)

(4)

(5)

式中：

B——國民經濟效益流入量；

C——國民經濟費用流出量，

B-C——第t年國民經濟凈效益流量；

n——計算期，數值為30；

is——社會折現率，本研究取8%；年均運行成本(人工運行、維護)按總成本投資的5%計算。

根據表5對拉薩地區幾種常見噴灌形式相同年限、相同面積下經濟指標進行模擬分析，得到國民經濟內部收益率(EIRR)、經濟凈現值(ENPV)、經濟效益費用比(EBCR)排序皆為固定式(20.71；109.25；652.69)>半固定(17.32；91.21；518.46)>時針式(16.43；86.48；475.37)>卷盤式噴灌(13.59；71.41；393.24)，上述幾種噴灌形式在拉薩地區長期應用后，經濟效益皆增加明顯，且固定式噴灌為拉薩地區經濟效益最佳的噴灌形式，其次是半固定式和指針式，卷盤式噴灌的經濟效益最小。

表5 半固定式噴灌經濟效益模擬

表6 時針式噴灌經濟效益模擬

表7 卷盤式噴灌經濟效益模擬

表8 固定式噴灌經濟效益模擬

3 結語

針對幾種常見噴灌形式在拉薩高原地區的適用性展開評價，供當地在選擇噴灌系統時進行參考，主要結論如下：

1)適用性評價

每種噴灌形式都有著獨特的適用條件，若小面積局部灌溉，則選擇半固定噴灌，需要人工布設、拆卸管道等，但可移動空間較大，適用于播種面積較小且不固定種植區域的農牧民使用，最大使用年限下年均效益可達4 242 元/hm2；若在固定區域灌溉，則可選擇固定式噴灌，噴撒效果較理想，且經濟效益最佳，最大使用年限下年均效益可達5 115 元/hm2；若大面積灌溉，則可選擇自動化程度高的時針式和卷盤式噴灌，噴灑效果好，且機械化程度高，但前期投資、運行成本較高，且灌溉時保證足夠的壓力才能確保該系統的正常運行，最大使用年限下年均效益分別為4 043 元/hm2、3 414 元/hm2。

2)噴灌的重要性

由于拉薩地區水利基礎設施尤為落后且當地水資源豐富，當地仍以地面灌溉為主。噴灌與當地傳統灌溉模式相比，雖能源消耗大、一次性投資大，但在長期應用后經濟效益、節水效益得到大幅提升(經濟效益可提高3 414～5 115元/hm2，節水率約為40～50%)；且噴灌適用于各種復雜地形，便于實現水、肥、藥一體化應用，還可改善地表局部小氣候，有效控制水土流失，生態效益明顯，因此，噴灌可在拉薩乃至西藏高寒地區大面積推廣使用。