農業水利節水節能技術的應用研究

李耀基

（甘肅省張掖市民樂縣水務局，甘肅張掖 734500）

0 引言

甘肅地處西北旱區，農業干旱現象原本較為嚴重，人均自產水量不足1 500 m3，是典型的十年九旱地區。2023年以來，西北干旱受到極端氣候影響加劇，甘肅省受災最為嚴重，河西走廊部分區域降水量驟減達70%，多地出現土地干裂，作物死亡，土壤鹽堿化，給農業生產、人畜生活帶來了巨大的損失。因此，必須提升水資源利用率，節約農業用水，通過節水工程促進甘肅省生態可持續發展。作為灌溉水缺乏地區，為提高提水能力，能源消耗增加不可避免，比如在甘肅省很多地區是高揚程水泵站，能耗升高，效率低。在此背景之下，發展農業水利節水節能技術，通過科技水段調配農田用水，提升防災防害能力，保障糧食穩產，避免因為水資源短缺而造成生態環境陷入惡性循環，就顯得更為重要。

1 農業水利節水節能技術的效益分析

1.1 糧食安全效益

水利部的調查研究表明，在西北干旱地區，節水灌溉增產效益高達0.4%，同時增產效應可達水田3.2倍、旱田1.7倍。根據農業農村部《發展旱地農業》的報告，對甘肅慶陽等四區的調查顯示，以上四區增產明顯，最高增產高達101.72%。灌溉不僅能夠提升糧食產量，也能夠降低災害造成的減產。研究顯示，成災率增加1%，單產就會降低3%。2023年，甘肅旱災單截至8月中旬造成的損失就超過了21億元，特別是在河西走廊一帶，災害造成的減產效應嚴重。采用節水節能技術能夠有效抵御干旱，有研究顯示，在區域內降水每降低1mm，節水改造工程帶來的效益就增加1 000萬元。

1.2 農業經濟效益

節水工程的推進也能夠調整種植結構，增加經濟作物的種植，從而提高農業總產值。減少田間用水量，降低水費和能耗成本，水肥一體化和智能控制等技術也大大地減少了化肥農藥的使用，并且減少人工灌溉和管理成本，從而降低投入，特別是與智能化設備結合的節水節能技術能夠大大降低人工成本。

1.3 生態環境效益

節水節能技術大大地降低了水資源和能耗，改善了生態環境，遏制了環境污染，避免了地下水枯竭。節水改造增加了有效灌溉面積，提升了空氣凈化能力，對防治土壤鹽堿化作用非常明顯。采用渠道襯砌技術能夠避免對溝渠的沖刷剝蝕，節水灌溉流速較小也能降低對田面的沖蝕，從而減少泥沙淤積，也能避免水土流失，減少耕地占用，對地下水質改善較為明顯。

1.4 農業現代化效益

節水節能技術對農業現代化的推動力非常大。最典型的例子就是以色列，在沙漠中通過滴灌技術打造了一個現代化農業強國，農產品出口全球。西班牙農業受地中海氣候影響，灌溉量需求高，僅占耕地面積的20%，但是創造了60%的農業總產值，水資源消耗更是高達75%。龐大的農業用水消耗造成了地下水下降和河流干涸，因此西班牙啟動了節水改造工程，改明渠為管道，大量使用滴灌等技術，灌溉水效率提升到了87%，農業實現了質的飛躍。

2 甘肅省節水節能技術應用的現狀

2.1 甘肅省節水節能技術應用的成果

1）投入方面，甘肅省高度重視農田水利工程和節水節能技術，“十三五”期間，投入110億元資金，6.5億人次勞動力，并且發動廣大群眾出資出力，單雨水集流工程每年籌資額就超過一億元。

2）設施設備建設方面。大力發展節水節能設備，“121”雨水集流工程成果顯著，節灌面積超3.3萬hm2，集雨水窖300多萬眼，小型農田水利設施近6萬處。在全民參與的高漲熱情下，機電井、塘壩、小渠道的利用率大大提高，設備得到更好的維護。比如，張掖市有效灌溉面積超過2 900 km2，加大了襯砌防滲渠道建設，總長度超過1萬km，中小型水庫52座。

3）高標準農田建設成效顯著，節水梯田面積正在逼近200萬hm2，在將近9.33萬hm2農田有效灌溉面積中，節水灌溉面積有望突破6.67萬hm2大關，其中農藝節水面積超過64%。

4）農藝配套技術不斷創新，大力發展膜下壟溝滴灌、噴灌和微灌等技術，低壓管道灌溉面積已經超過6 666.67 hm2，其他節水灌溉面積將近5.33萬hm2，其中近4萬hm2為渠道防滲技術，累計節水已經超過0.37萬億hm2。

5）種植結構改善。種植等低耗水作物，根據本地氣候特點推廣蔬菜、葡萄、蜜瓜等高效節水作物，減小小麥種植，擴大玉米和馬鈴薯種植，玉米種植面積將近100hm2。

6）大力發展節水灌溉示范區建設，目前已經有100多個示范區，節水節能技術同時推進。

2.2 甘肅省節水節能技術應用的問題

2.2.1 水資源短缺和浪費

我國農業水資源浪費現象原本嚴重，新中國成立初期超過97%的用水為農業用水。近年來，盡管農業用水比例持續下降，但是水資源浪費現象依然存在。甘肅省降雨稀少，廣大農戶缺乏節水節能意識，在水權不明晰的狀況下，農民更關注的是產量和收入，這就造成了西北干旱地區農業用水嚴重緊張。

2.2.2 先進節水節能技術應用不足

在經濟欠發達地區，仍然以土質渠道灌溉，水土流失嚴重。節水措施仍然以渠道襯砌為主，節水效率不高，管道普及率較低。甘肅省梯級泵站灌區面積超過15萬hm2，極大地改善了西北旱區的農業生產條件，但是其水資源和能源消耗也非常大。這是由于梯級泵站需要逐級提水，而且管網復雜，節水灌溉一般需建設加壓泵站，消耗能源較大。節水措施與農藝技術不匹配，很多地區農民仍然采用粗放型管理方式，導致節水節能效果較差。比如，對甘肅某地進行調查發現，采用渠道襯砌節水方式種植玉米和花生，人工投入分別增加776元/667m2和1 233元/667m2，缺乏智能化的設備，導致農民必須通過人工的方式進行灌溉和施肥。

2.2.3 農業水利系統老舊較為嚴重

以景泰川電力提灌工程為例，作為跨省區的大型提灌工程，項目總揚程達470 m。但是由于建設于1969年，在規劃設計上生態理念和節水節能意識不足，而且存在較為嚴重的老化現象。當時的規定揚程受到客觀條件制約，高于實際需求，而且沒有根據實際條件選擇揚程，灌溉過程中“牛拉獨輪車”的能耗浪費現象較為嚴重，經常有60 m的揚程范圍采用80 m的額度揚程的現象產生。老舊水利工程設備往往是臨時拼湊投入使用，組件不配套，運行效率差。在大流量作業中，受到水流和雜物的持續沖擊，造成的磨損較大。一些區域維護保養不及時，各類設備存在不同程度的老化腐蝕，比如管道生銹、水泵密封圈腐蝕，設備內流水阻力增大等。甘肅省主要種植小麥和玉米，小麥需水量大，需要單次灌溉充足。因此，傳統灌溉設計一般是大流量，但是大流量不滿足經濟作物的灌溉，也浪費了水資源和能源。目前灌溉方式仍然以一次大量灌溉為主。

2.2.4 技術推廣有待加強

我國節水節能設備和技術已經取得了突破性的發展，制約節水節能技術應用的主要因素是推廣。節水節能灌溉需要的成本較高，單節水技術新建成本就在3 000元/667m2以上，改造成本也超過500元/667m2，梯田改造成本也需要2 000元/667m2以上。高標準農田建設的成本更高，使用先進節能技術的成本就不必說了。甘肅農民收入處于全國的中下水平，單靠農民自己是不足以實現先進技術推廣的，因此對技術推廣體系要求較高。

3 農業水利節水節能技術的應用對策

3.1 加大政策支持和統籌

進一步加大節水節能工程技術的資金投入，通過財政資金、發行地方債、PPP合作等方式強化地下管網和水利基礎設施建設。考慮到甘肅地區農民收入水平，地方政府要發揮主導作用，引入企業和社會組織積極籌集資金，重點進行節水節能工程建設。加大高標準農田建設，對宜耕坡地進行梯田化改造，降低農戶應用節水技術的成本。各地都要建設節水節能水利示范區，通過成功示范吸引企業和農戶積極投入其中。比如，張掖市滴灌制種玉米基地的成功經驗，還能夠吸引資金、技術和人才流入。針對梯級泵站能耗和水資源消耗較大的狀況，大力發展小型農田水利設施，落實管護責任制，讓農戶成為維護的主體，這樣也有利于培養他們的節水意識。做好統籌工作，因地制宜，在不同區域、不同氣候、根據不同作物采用不同灌溉技術。在干旱較為嚴重的地區，逐漸推廣耗水低的作物代替小麥等高耗水作物，除了當前推廣的玉米和馬鈴薯之外，還應該推廣適合本地氣候的經濟作物，比如大蒜、辣椒、洋蔥、豆科植物等。

3.2 優化灌區整體時空布局

目前，甘肅省很多灌區少雨干旱、植被稀疏，在農業節水節能技術的應用中，必須從生態全局進行考慮，堅持綠色發展思想，整體優化布局。由于風沙對農田水利危害較大，因此必須堅定不移地推動防護林建設工作。對灌區多級泵站進行優化，盡最大可能多利用自然降水的需水功能，發揮中小型水利工程的優勢，減少高程提水，以節約能源和水源。在揚程較大的提水中，設備要逐漸改用節能泵、光伏泵等新設備，在灌區內大力推廣光伏和風能設備，使之逐漸代替傳統能源，從根本上實現節能的目的。耗水量越高的作物越應該靠近水源的高區種植，利用其揚程高的優勢，提升節水技能效果。同樣，同種作物在高區可采用地面灌溉，在低區采用滴灌等技術。繼續加大降雨蓄水工程的建設力度，建設蓄水池、雨水花園、水窖等收集雨水，比如在道路兩側可以修建雨水收集溝渠，在田間建設雨水收集池塘，在蔬菜基地利用日光溫室膜面收集雨水。

3.3 逐步進行節水節能改造

逐漸淘汰老舊水泵，引入變頻調速技術，以實現對流速的精準調節。變頻器恒壓供水，根據壓力對流量進行調節，可以穩定電網運行，實現節約能源的目的。調整電動機運行效率，為節能降耗，改“△”法為“Y”法，電動機效率曲線一般在1.0～1.7為宜，建議采用繞組接線方法，電動機和機組配套效率保持在0.8。為提升水泵實際效率，需要對管路進行優化，避免葉片流道斷面突變，由于導葉不暢造成回流，以及進水室和出水室的問題造成水力損耗。根據水泵和管道曲線精確計算各類灌溉參數，合理確定管徑，并且適當降低管道長度，以降低能耗。降低流水阻力，控制流速，高頻少量灌溉作物的流速可以控制在1m/s以下。并且配合智能監測設備，一旦發現實際灌溉中不能滿足需求，就要予以調整。對進出水池進行優化，改善設計，及時清理雜物，調整水泵淹沒深度，避免漩渦情況發生。進一步完善設備維護保養制度，對葉輪、軸承、管道等關鍵部件和設施進行定位保養。大力推廣自動控制技術和智能化技術，除了傳統PID控制技術、PLC控制技術之外，還應該利用5G等新技術提高信息化水平，全面監測水情、雨情、墑情。依托示范基地、設施農業和高標準農田逐漸向周邊推廣，切實降低農民的勞動成本和投入。

3.4 建立高效技術推廣體系

建設高水平的技術研發體系，政府部門牽頭，科研院所、各大院校和龍頭企業參與，在農業水利一線進行技術研發和實驗。不斷推動技術創新，比如設施農業可以將光伏板和集水系統結合，同時實現節水節能。通過與農戶的廣泛連接讓他們看到節水節能技術所帶來的效益，讓他們了解渠道防滲可降低70%以上的損失，目前先進的混凝土外層加裝防水面技術降損率可達95%以上。噴灌最高可節水50%，滴灌最高可節水70%。根據各地經濟發展水平不同因地制宜推廣節能節水技術，比如偏遠地區推廣渠道防滲技術，在經濟發達地區推廣低壓管道壟溝覆膜滴灌技術，減少水分蒸發，最大程度上發揮節水效益。

4 結語

越是干旱的西北地區，節水灌溉的作用意義就越重大，實踐證明，使用灌溉的增產效應比東南沿海效益更加明顯。因此，在對甘肅省農業水利工程進行全面考察的基礎上，提出了一系列節水節能的技術措施，致力于達到用水系數0.8的目標。