農田水利灌溉工程中節水技術的應用研究

常萬元

（酒泉市肅州區水務局觀山河灌區水利管理所，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

根據農作物的需水情況、灌溉周期及地區水資源情況、地質條件、經濟狀況等，科學、合理選用節水技術，能夠最大限度地發揮農田水利灌溉工程的作用和價值，降低水資源消耗，在切實保證農業生產效率和質量的同時達到節約水資源的目的，從而促進我國農業健康、可持續發展。

1 農田水利灌溉工程中節水技術的應用原則

1.1 適時性

無論采用哪種節水技術，在實際應用過程中均需要遵循適時性原則。也就是說，灌水必須保證及時、合理。適時供水不僅能夠達到提高作物生長質量的目的，也可以達到節約水資源的目的。

1.2 適量性

所選節水技術要保證農作物可以得到適量的水資源，避免灌水過多造成滲漏或者不必要的蒸發損失，也要避免灌水過少導致作物萎蔫或死亡。

1.3 均勻性

所選節水技術要保證水資源能夠在各級輸配管道中流量均勻，同時在田間分布上也要足夠均勻。這樣既能夠達到節水效果，也能夠保證灌溉效果良好。

2 農田水利灌溉工程中節水技術的應用

2.1 渠道防滲技術

渠道防滲技術是指采取在渠道外側修建保護層等多種措施，提高渠道的防滲效果。

2.1.1 技術類型。渠道防滲技術一般分為兩大類型。一種是改變原渠道中床土的滲透性能。這種措施又可分為物理機械法、化學法2種。物理機械法一般是通過減少土壤孔隙的方式達到減少滲漏的目的，通常包括壓實、淤淀、抹光等方式；化學法指的是通過摻入化學材料進一步增強渠道床土的不透水性。另一種是設置防滲層，也就是開展渠道襯砌作業。一般可以借助混凝土、黏土、水泥土或者砌磚、砌石等一系列不同材料有效襯砌渠床，以達到防滲漏的目的。

2.1.2 技術應用要點。

2.1.2.1 地基處理。根據設計好的斷面完成開挖作業后，將土渠修削平整，同時夯實渠底、渠坡，以避免混凝土因為受力不均而出現開裂問題。一般可提前15 d進行修削平整處理，以使基土水分在自然狀態下得到有效風干，有助于提升土基強度。同時，實際回填土干容重需要控制在1.55 g/cm以上，以確保渠基、渠坡密實。

2.1.2.2 模板選擇。在實際施工中，等厚板、楔形板、肋梁板等多種防滲渠道結構的施工通常都會借助活動模板進行澆筑。

2.1.2.3 混凝土拌制。混凝土拌制實際操作中，水灰比通常控制在0.7以下即可。對于水泥，需要結合水利工程相關強度要求合理選用相應標號，一般中小型渠道多數選用425普通水泥；石子粒徑需要控制在0.5～1.5 cm；砂、石均必須保證干凈、無雜質。借助機械開展混凝土拌和作業，實際拌和時間控制在 2 min以上，如果添加摻和料、引氣劑或者減水劑，需要適當延長拌和時間。在實際施工中，如果采用人工搗固，坍落度需要控制在2～3 cm；如果采用振搗器施工，坍落度需要控制在1～2 cm。

2.1.2.4 混凝土澆筑。首先，澆筑渠底板。如果為單數塊，四側全部需要立側板，借助木樁進行固定；如果是澆雙數塊，需要縱向側架立側板，橫向側需要緊靠已澆塊，并架立縫子板。板高需要與襯砌面保持齊平。其次，入倉振搗。可借助機械（表面式及小型插入式振搗器）開展振搗作業，具體施工中應注意以下3個方面：①在應用表面式振搗器過程中，振板行距需要重疊5～10 cm，開展邊坡振搗時需要上行振動、下行不振動；②在使用小型插入式振搗器時，實際入倉厚度一般每層需要控制在25 cm以內，同時需要插入下層混凝土大約5 cm；③邊角部位、鋼筋預埋件附近需要人工振搗。

2.1.3 技術應用成效。采用渠道防滲技術，一般可使渠道減少50%～95%的水資源滲漏損失，同時可以降低地下水位，有效防止土壤出現次生鹽堿化問題，并且可以節省占地，進一步減少工程建設費用及維修管理費用等。例如，預制混凝土板具有強度高、使用壽命長等特點，其應用能夠有效提升渠道輸水能力，加之復合土工膜的有效應用，一般可以減少90%～95%的滲漏損失。

2.2 低壓管道輸水灌溉技術

低壓管道輸水灌溉技術又被稱為“管道輸水灌溉技術”。從技術歸類上來看，其仍然屬于一種地面灌溉技術，主要是利用管道替代以往的明渠輸水灌溉系統的一種農田水利節水灌溉技術。在實際灌溉過程中，借助較低的壓力，將水從壓力管道系統有效地輸送至相應的農田灌溉區。通常壓力需要控制在0.2 MPa以下，在克服管道方面的輸水壓力損失后，管道最遠處的實際出口壓力需要保證在0.002～ 0.003 MPa。部分情況下，受管材自身承壓能力的影響，管道的實際輸水壓力需要適當降低。

2.2.1 系統構成。結合各部分承擔的功能不同，可以將低壓管道灌溉系統劃分為以下幾個部分：水源、輸水管道、給配水裝置、安全保護設施和田間灌水設施等。

2.2.2 技術應用要點。

2.2.2.1 灌溉模數確定。灌溉模數主要指的是單位灌區所需灌溉流量，其是確定渠首引水流量、渠道設計流量、灌區用水計劃的關鍵依據。如果灌溉模數取值過大，容易導致建設材料及資金浪費；如果灌溉模數取值過小，則無法滿足灌溉需要。灌溉模數計算公式為

式（1）中：q指的是第種作物、第次灌水實際所需的灌溉模數，單位為m/（s·666.67 hm）；σ指的是第種作物實際種植面積占比，單位為%；m指的是第種作物、第次灌水實際定額，其單位為m/hm；T指的是第種作物、第次灌水實際持續時間，單位為h。

2.2.2.2 管網布置形式選擇。現階段應用較為廣泛的管網布置形式可以分為樹狀網及環狀網2種。前者呈樹枝狀分布，水流能夠通過“樹干”有效流向“樹枝”，也就是從干管流向支管及分支管，通常只有分流、無匯流。后者指的是管網通過節點有效地將各管道連接成一個閉合環狀網。結合給水栓位置及控制閥實際啟閉情況，水流通常能進行正逆方向流動。例如：某地設置的低壓管道輸水管網主要采用的是樹狀網，其中干管主要布置在罐區邊緣（與支管（渠道）垂直），實際長度控制在1.8～2.5 km；支管依照與作物種植走向保持平行這一原則進行布置，間距一般控制在60～150 m，支管的實際長度一般在350 m以內；干管間距同樣如此。

2.2.2.3 管材選擇。現階段可選用的管材相對較多，如薄壁硬聚氯乙烯（PVC-U）管材、聚乙烯（PE）管材、無規共聚聚丙烯（PPR）塑料管和素混凝土管等。大多數管材均有良好的耐水壓性及適用性。其中，素混凝土管造價低，但其對地形的適應性及耐水壓性、連接可靠性相對較差。在實際選用時，需要優先考慮農田灌溉對管材壓力的等級要求，避免因無謂提高管材壓力等級而導致投資增加。

2.2.2.4 管徑確定。結合經濟流速法確定管徑，計算公式為

式（2）中：代表管徑，單位為mm；代表管段設計流量，單位為m/h；代表管道設計流速，單位 為m/s。

2.2.2.5 機泵選配。在實際選配水泵時，需要滿足以下要求：①必須滿足流量及揚程方面的要求； ②水泵運行效率高、實際能耗少。其中，揚程的計算公式為

式（3）中：代表水泵的實際總揚程，單位為m；代表水泵的實際凈揚程，一般指的是動水位到相應壓力池或者出水口水面的實際垂直高度，單位 為m；代表井泵輸水管的實際水頭損失，單位為m，一般按照輸水管長度的5%～9%進行估算。通常，如果管徑小于100 mm，實際水頭損失（）可以按照9%進行估算；如果管徑大于100 mm，可以按照5%進行估算。

2.2.3 技術應用效果。低壓管道輸水灌溉技術的應用能夠大幅度減少水資源滲漏及蒸發損失，使水資源利用率得到明顯提高。相比土渠輸水，此項技術通常節水30%左右，減少占地2%左右。同時，由于該技術是在一定壓力下開展的輸水作業，所以流速比土渠明顯要大，供水較為及時，能夠提高灌溉效率，保證適時供水。

2.3 噴灌技術

噴灌技術是把由水泵加壓或自然落差形成的有壓水通過壓力管道送到田間，再經噴頭噴射到空中，細小水滴均勻地灑落在農田的一種灌溉技術。與地面灌溉相比，大田作物噴灌可節省30%～50%的水資源，同時可以獲取10%～30%的作物增產效果。該技術對地形的適應性強、灌水均勻、少占耕地，但是受風影響大、設備投資高。

2.3.1 系統構成。噴灌系統主要由水源、水泵、動力機、管道系統、噴頭、噴灌機和其他附屬設備等構成。

2.3.2 技術應用要點。首先，收集資料。一般包括地形資料（包括灌區位置、邊界、水源、道路等）、土壤及氣象資料（包括光照、氣溫、蒸發量、降水，土壤類別、厚度、容重等）、農作物資料（包括各種作物的種植比例、輪作情況、耕作現狀等）、水源資料（包括水源屬性、位置、水質、含沙情況等）。其次，噴灌系統及管網選擇。結合地形、作物、機械設備條件等，綜合考慮不同噴灌系統的優缺點，選定最為適宜的噴灌系統。噴頭的噴灑方式一般包括全園噴灑、扇形噴灑等，噴頭的組合形式一般包括等腰三角形、矩形等，可根據具體需要選擇噴頭的噴灑方式和組合形式。另外，應根據作物及土壤特點、農業生產要求、噴頭的水力性能等確定噴頭型號。如在山丘斜坡地，一般噴灌系統中的壓力會隨著地形變化出現一定變化：高處往往壓力小，可以選用低壓噴頭；中間位置可以選用中壓噴頭；低處可以選用高壓噴頭。如果實際壓力過高，還需要加裝減壓器。對于管網的選擇，應根據具體地形、水源條件等制訂幾種規劃方案，最終擇優選定。再次，支管輪灌方式需要本著就近、便于作業及節省管網投資等基本原則進行選定。最后，選擇水泵時需要有配套動力，應先明確噴灌系統中的水泵設計流量及揚程，再根據確定的水泵型號匹配動力機。與水泵配套的動力機主要有電動機、柴油機和汽油機等。

2.3.3 技術應用效果。從技術應用實踐來看，對于不同農作物往往需要選用不同的噴灌設備，最終取得的應用效果也會存在一定差異。例如，對于小麥種植區，如果選用大型指針式噴灌機，可以在麥田中進行旋轉噴水，通常一次可有效澆灌田地約 80 hm；對于玉米種植區，如果選用卷盤式噴灌機，相比大水漫灌可以使灌水效率提高十幾倍，用水量僅為漫灌的1/3～2/3；對于蔬菜種植區，如果選用移動式噴罐車，能達到出水量251 m/h的微噴灌效果，實際節水量能達到40%及以上，實際水資源利用率能超 過90%。

2.4 滴灌技術

滴灌是將具有一定壓力的水過濾后經管網和出水管道（滴灌帶）或滴頭以水滴的形式緩慢、均勻地滴入植物根部土壤的一種灌水方法。滴灌技術是目前農田灌溉節水效果最好的灌溉技術之一，具有灌水深度、范圍、灌水量控制良好以及灌水均勻、節水效益明顯等特點，但其實際應用成本較高，所以被稱為“昂貴的節水技術”，多應用于一些高附加值的經濟作物生產。

2.4.1 系統構成。滴灌系統主要包括3個部分：①首部樞紐，一般包括水泵、過濾裝置、施肥裝置、測量控制裝置等，具有抽取水資源、加壓、加入肥料以及過濾后按時、按量將水肥資源輸送到管路中的功能；②各級輸配水管路，一般包括干管、支管、毛管和流量調節器等設備，發揮著將加壓水均勻、有效地分配到需要灌溉區域的作用；③滴頭，發揮著將水流有效地轉變為小水滴，同時滴入相應區域的 作用。

2.4.2 技術應用要點。以某農田水利工程為例，對其滴灌技術應用要點做出分析。

首先，根據當地農田、農林及道路等實際分布情況，合理地開展管網布置工作。案例工程采用了梳狀單向管網布置形式，同時根據東高南低這一基本地勢分別設置了輸水干管、分干管、支管和毛管4級輸配水管網。其次，首部設計工程主要圍繞泵房設計開展。案例工程選用的泵房為彩鋼板房，主要裝配了閥門、管道、過濾器、施肥箱等設施。整體來看，該泵房設計較為簡單整潔，比較容易加裝各種設備以及方便日后維修。再次，該工程干管布置使用UPVC管材，埋設于地下，埋深 0.8 m左右，同時借助三通為分干管供水。最后，案例工程選用的滴頭是一種壓力補償式滴頭。這種滴頭具備壓力調節功能，實際水頭偏差能控制在10 m左右。

2.4.3 技術應用成效。某農場玉米種植區采用滴灌技術，不僅不破壞土層，保證土壤不板結，而且可以促進玉米根系生長發育，比當地常規地面灌溉有效節水30%～50%。同時，該農場借助滴灌系統將水溶性肥料隨水輸送至玉米根部，使肥料利用率從以往的30%～40%提高至50%～60%。

3 結語

在農田水利灌溉工程中應用節水技術，能有效提高水資源利用率，減少水資源浪費，推動我國農業實現可持續性發展。各地要根據當地農田水利灌溉工程特點、種植作物的生長特點、資金投入情況等，因地制宜地選擇節水技術，在實現節水目標的同時保證經濟效益。