基于供需平衡理論下的高效能農田灌溉體系設計研究

溫天玉

(湛江市高遠工程咨詢有限公司，廣東 湛江 524000)

0 引 言

近年來，在典型的農業區，農業用水占用水總量的比例占絕大部分。隨著工業化的不斷加深，農業用水的空間不斷被壓縮，發展高效能的農業用水體系非常緊迫[1]。

目前比較高效的節水技術有微灌、噴灌和管道輸水灌溉。根據相關測算，微灌技術節水比例可高達35%、而噴灌和管道灌水的節水比較也相應有30%和20%.與傳統灌溉相比。可節省巨大的效益[2]。

文章以遂溪縣農業工程灌溉體系改造工程為背景，按照總量控制、定額管理總體思路[3]，采用供需平衡理論對灌區的農業用水供需平衡計算，并且對灌區的現有農業供水系統進行高效能改造設計，以為類似農業灌溉工程提供規劃設計參考。

1 灌區現狀和供需平衡分析

1.1 項目區概況

遂溪縣高效節水灌溉項目工程建設地點選址于界炮鎮、楊柑鎮、樂民鎮、烏塘鎮、草潭鎮、城月鎮、嶺北鎮、遂城鎮、北坡鎮9個鎮，共計28個片區，總建設灌溉面積867hm2。各片區的灌溉水源主要來自打井取水，

項目區屬亞熱帶海洋性氣候，全年氣溫較高，年雨量充足，干濕季比較明顯。項目區已初步形成能兼顧農業的社會效益、經濟效益和生態效益的生態農業模式。主要種植經濟作物番薯、甘蔗、香蕉、蘆竹等，成片化管理生產。

項目區孔隙裂隙水和承壓水等大量地下水資源可供開采，水位深度50m以上，水質較好，適宜人畜飲用和農業灌溉。該區域的潛水～微承壓水鉆孔出水量為100～800m3/d，中層承壓水成井砂層總厚度 36～160m，單井出水量269～8525m3/d，深層承壓水砂層總厚度52～265m，單井出水量1085～13917m3/d。

1.2 存在問題

目前水系主要存在以下問題：

1)水利基礎設施仍然薄弱，項目區現有水利工程標準低、質量差，工程老化嚴重，年久失修，帶病運行。自然災害和人為破壞不斷出現，造成水利工程的效益逐年下降。渠道淤積滲漏嚴重，渠系水利用系數僅為0.35～0.5，造成水浪費嚴重。

2)節水灌溉建設規模較小，無法形成高效效益, 遂溪縣的節水灌溉的針對性比較強，哪里干旱嚴重就在哪里實施。沒有經過系統的規劃，造成錯漏和混亂，且規模較小，無法形成高效益。

3)節水管理有待加強，項目區節水管理的有效機制尚未建立，節水管理處于被動狀態，未能形成一套適應市場經濟的積極運行模式；同時，節水定額標準現狀混亂，節水管理缺乏統一的管理制度。

2 項目區供需平衡分析

2.1 灌溉體系的必要性

節水灌溉是解決當地水資源供需矛盾的重大措施項目區水資源總量豐富，但時空分布不均勻，枯季降雨量不足全年降雨量的20%，枯水期與特枯水年缺水嚴重。實施高效節水灌溉增效項目，能夠極大提高單方水農業產出，使有限的水資源發揮更大的效益，促進農業種植結構調整，轉變農業灌溉發展方式，才能提高農業用水效率，在有限的水資源條件下，保障更大規模的農業現代化發展用水需求，提高當地抗旱減災能力，推進當地現代農業發展。

建設高效的節水灌溉工程，能夠改善農田水利基礎設施，保護和改善生態環境。

2.2 灌區水資源利用現狀和供需分析

本縣地表水、地下水的資源量和可利用量，確定縣域內的水資源總量和可利用總量。項目區水資源總量及可利用量匯總表，見表1。

表1 項目區水資源總量及可利用量匯總表

項目區現狀年用水總量45700萬m3，其中農業用水38470萬m3，占用水總量的84.18%。

根據本區經濟社會發展需求，參照縣域內相關專項規劃成果，按照工業、生活和灌溉等用水定額。分別預測到規劃水平年工業、生活、生態與環境、灌溉保證率50%、75%、90%時的灌溉蓄水量以及除灌溉 之外的林、牧、漁等蓄水量。各水平年用水需求預測表，見表2。

表2 各水平年用水需求預測表 萬m3

按照“先生活后生產，先節水后開源”水資源利用原則，根據本規劃對項目區的可供水量和需水量預測成果，進行項目區各鄉鎮水資源的供需平衡計算[4]。對項目區年均水資源供需平衡進行計算，各水平年水資源供需平衡分析表，見表3。

表3 各水平年水資源供需平衡分析表 萬m3

項目區各鄉鎮的水資源可利用量能滿足其社會發展的要求；從水資源利用狀況和發展預測來看，農田用水占全縣用水總量的比重大，在控制農業用水總量的情況下，增加灌溉面積，農業節水意義重大，盡快完成項目的節水灌溉工程建設。

目前，全縣節水灌溉技術推廣力度不夠，農業高效和產業化發展片區較小，尚未形成大范圍的實施。通過水資源供需平衡分析與評價，項目區水資源量可以滿足工程用水需求，水資源量可行。

遂溪縣區域平均地下水年補給量為65.8萬m3/km2，根據各片區當地已有的飲水安全項目打井經驗，機井深度80～250m之間時，本次規劃取為平均深度80～150m，單井出水量能達到20m3/h。本次規劃機井設計單井出水量為20m3/h，平均每天工作20h計，每年按250d計；每口機井灌溉面積按13.3hm2考慮。分別計算得各片區可供水量，根據農作物灌溉定額，綜合水利用系數取為0.95，可計算得各片區需水量，水量平衡計算成果，各片區水量平衡計算表，見表4。

表4 各片區水量平衡計算表

3 灌溉體系設計方案

遂溪縣高效節水灌溉項目建設共計28個片區，總建設灌溉面積867hm2。其中建設微噴灌面積806.7hm2，滴灌工程60hm2。綜合考慮遂溪縣的水文、氣象以及項目區的水源情況等，本次設計采用的灌溉設計保證率為90%。

3.1 小型水源工程設計

本項目共計建設工程首部水源75處，蓄水池3座，機井75處。機井安裝潛水泵76臺，配建泵房75座。

機井根據各片區的地形、地貌和水文地質條件等來確定，結合各片區的小區劃分來布置，遵循盡量布設在控制小區的中央，以使管道總長最短的原則。根據本次規劃的項目及項目區的地下水資源情況，初步確定本工程機井采用井深為80～150m，井直徑219mm。

3.1.1 機井設計

本工程設計機井共86眼，其中新建機井75眼，設計井深為80～150m，利用原有舊井11眼，井深為80～100m，機井靜水位30～60m，出水量為20t/h。

新建機井井孔的鉆孔直徑為500mm。上部井管選用ф273mm無縫鋼管，下部井管選用ф219mm無縫鋼管，上部和下部比例為7∶3。首部泵房為井房式，磚混結構，共75座，尺寸為2.82m×2.82m×3.2m，建筑面積約7.8m2，選用井用潛水泵，打井為深水井，考慮到枯季時井水位較低，根據水泵所需流量和揚程，通過咨詢查詢潛井泵參數，在高效區進行選泵，總共安裝水泵85臺。

3.1.2 蓄水池設計

規劃項目區蓄水池3座。新建500m2蓄水池1座，位于遂城鎮草塘村，蓄水池擴容防滲處理3座，對樂民鎮余村原蓄水池進行擴容防滲至500m2，對北坡鎮碑頭村原蓄水池進行擴容防滲至2000m2。蓄水池底部和邊坡澆筑C20混凝土，水池周邊設刺繩鐵絲圍欄。

3.2 輸配水工程設計

主要采用PVC-U管道和微噴帶進行輸配水，在布設時遵循輸水干管沿等高線布設，支管主要沿垂直等高線布設的原則[4]。蓄水池在水井至田頭輸配水中起到調蓄作用，在布設時遵循布設于其控制小區地勢最高處，以盡可能利用其實現自流灌溉的原則[5]。

3.2.1 管灌工程設計

項目區根據機井分布、區內道路及地界等情況，微噴灌面積將項目區分為81個灌溉分區，每個灌溉分區控制耕地面積4～19.4hm2，水泵抽水直接灌溉系統81個，水池灌溉系統3個。

每個灌溉分區配機井一眼。灌溉輸水管道分三級布置，干管、支管二級管道為固定管道，埋于地下，末級管道為移動軟管。根據機井在灌溉分區中所處的位置，管網布置型式有圭字形、王字型和梳齒型三種。支管間距約100m，出水口間距約50m，單個出水口控制面積約為0.5hm2。

3.2.2 灌溉制度

計算出需水流量大于水井設計流量20m3/h，不滿足灌溉要求。根據《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》(GB/T20203-2006)要求，當水源或已有水泵流量不能滿足需水流量要求時，取水源或水泵流量作為系統設計流量。因此取機井的設計出水量為系統設計流量，系統的設計流量為Q=20m3/h。

輪灌順序上，系統由機井抽水上水塔進行灌溉，分兩條干管進行灌溉。每一次灌溉時應只打開一條干管，兩條干管分別運行，分為2個輪灌組。每次先運行一條干管不相鄰的3條支管，每條支管同時開啟兩個出水栓，即每次同時開啟6個出水栓，每個出水栓設計流量8m3/h。

根據水源位置、控制范圍、地面坡度、作物種植方向等條件，水源位于田塊中央，控制面積較大，故布置成梳齒形。管網布置詳見低壓管灌平面布置圖。管道系統布置分二級，埋入地下0.8m。為方便管理使用，盡量沿田間路布置，支管間距100m左右，每隔50m留一出水口，用三通、豎管接出地面，豎管上端接給水栓。

3.3 田間工程設計

主要使用PVC-U管道和微噴帶的鋪設。田間工程主要結構為干管→支管→微噴帶。根據灌溉分區的地形、土壤性質、地下水埋深等。

3.3.1 微噴灌典型設計

微噴灌工程典型設計所選地塊長400m，寬190m，面積約6.7hm2。微噴灌灌溉系統布設結構如下：水源→水泵→100L施肥灌/施肥池→計量裝置(水表、壓力表)→干管→支管→微噴帶。灌溉范圍內從水源引出1條干管，干管長240m；干管對應有4條支管，每條支管長約130m，每條支管控制4個小區，共16個小區。微噴帶的噴灑寬度為2～3m，噴灑高度為0.1～0.5m，根據作物生長間距以及微噴帶噴水范圍，沿支管呈“豐字形”每隔1m布置一條微噴帶，每條微噴帶長50m，每個小區布置48條微噴帶，共有768條微噴帶。

3.3.2 輪灌制度

輪灌制度上進行首部樞紐和管網布設。對地塊進行分區，分為16個小區，設計灌水周期為5d，為提高管道利用率，降低工程投資，采用分組輪灌。根據方便運行管理的原則，本設計中將一個小區分為一個輪灌組。各輪灌組同時工作微噴帶數相同，以利于水泵始終工作在高效區[6]，從而使系統保持相對穩定。

4 高效能灌溉體系評價與后期追蹤

4.1 用水管理及節水技術模式

本次項目施行以總量控制、定額管理為核心的灌溉用水管理制度，建立項目區水資源管理和農業節水的長效機制。

采用低壓管灌和微噴帶進行灌溉的工程技術采用低壓管道輸水灌溉技術，可適應不同種類作物的灌溉要求[7]。并且在設計中考慮近期與遠期相結合，經過適當改造，可改為小管出流或滴灌模式。

4.2 后期跟蹤監測

本項目需提交項目監測數據搜集分析數據報告，反映項目建設效益。本項目通過技術支援工作小組進行灌溉試驗和監測分析，總結節水增產成果，完成項目監測數據分析報告[8]。針對本項目的特點，制定了以下試驗觀測方案：

1)選定1處具有代表性的打井提水灌溉區域作為實驗觀測小區，小區面積約60hm2，進行跟蹤監測。監測項目區主要作物的灌溉制度，全生長期內作物需水量以及作物灌溉效益等。

2)對未采取節水灌溉措施的區域，對相應作物的用水量和產量等情況進行調查，以獲得對比數據。

3)對采取節水灌溉措施和未采取節水灌溉措施兩種形式下的相應數據進行對比、分析，完成年度監測數據分析報告和總結評估報告，總結高效節水灌溉的節水增產效益和經驗。

5 結 論

文章主要圍繞遂溪縣農業灌溉區供水平衡不足，灌溉低效，用水浪費，體系不足等問題，采用供需平衡分析，進行灌區的高效能節水體系設計。有效解決當地農業生態環境以及干旱缺水的問題，促進了本地區土地資源的開發利用十分有利。改善了灌溉條件和農田小氣候，對作物生長有利。改善和新增了灌溉面積，提高了土地生產力，促進了糧食作物，增產增收。

農業灌溉區高效能體系的建設不僅需要科學的規劃建設和改造，更需要提升農民參與工程建設與管理，帶動農民群眾發展節水灌溉的積極性。文章在研究提升農民節水灌溉的積極性和制度建設方面有所不足，這也是協同建設高效能灌溉體系的重要組成部分。