農(nóng)田水利工程灌溉效果綜合評價(jià)研究

賀建宇

(大寧縣水利局，山西 大寧 042300)

現(xiàn)有灌區(qū)的農(nóng)田水利工程存在建設(shè)時(shí)間長、配套設(shè)施弱、質(zhì)量管理措施落后等缺點(diǎn)。20世紀(jì)90年代以來，國家開始出臺相關(guān)政策，大力推進(jìn)農(nóng)田水利工程的建設(shè)[1- 2]。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)田水利工程建設(shè)[3- 5]。對于農(nóng)田水利工程的設(shè)計(jì)，我們應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際需要，推廣最新的節(jié)水灌溉技術(shù)，發(fā)展綠色節(jié)水農(nóng)業(yè)，與國家可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)對接[6]。目前國內(nèi)研究尚未從灌溉效果角度，明確農(nóng)田水利工程建設(shè)的實(shí)際效益，本文以山西省大寧縣農(nóng)田水利工程為例，列出農(nóng)田水利工程的具體設(shè)計(jì)方案，以期為農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，通過綜合比較農(nóng)田水利工程建設(shè)前后的灌溉效果，更直觀地反映農(nóng)田水利工程建設(shè)的必要性。

1 農(nóng)田水利工程建設(shè)地基本情況

大寧縣總面積967.13km2，區(qū)內(nèi)氣候?qū)倥瘻貛О敫珊荡箨懶詺夂?，年均氣溫?1.1℃，極端最低氣溫-20℃，極端最高氣溫38.7℃，多年平均降水515mm，最高年降水794.7mm，最低年降水280.2mm，日照時(shí)數(shù)2466.7h，無霜期213d，多年平均水面蒸發(fā)量996.7mm，干旱指數(shù)1.9。灌區(qū)0.38萬畝，小型泵站灌區(qū)3.0471萬畝。全縣農(nóng)田水利工程運(yùn)行費(fèi)投入不足，農(nóng)民收入低，集體經(jīng)濟(jì)薄弱，加上農(nóng)村稅費(fèi)制度的改革，使得早年建設(shè)的小型自流工程老化失修，不能發(fā)揮灌溉效益。目前的管理辦法不能保證工程持續(xù)發(fā)展。

2 農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)

以山西省大寧縣滴灌工程為例，地塊總面積為400畝，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，400畝地塊分散為兩部分，分別為258畝及142畝(以下以系統(tǒng)A和系統(tǒng)B進(jìn)行區(qū)分)，種植作物為蔬菜。根據(jù)GB/T 50485—2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》，設(shè)計(jì)滴灌灌水定額mmax為：

mmax=0.001γzp(θmax-θmin)=0.001×45×36×(28-15)=21.049(mm)

(1)

式中，mmax—最大凈灌水定額，mm；γ—土壤容重，g/cm3；z—土壤計(jì)劃濕潤土層深度，m，取0.45m；p—微灌土壤濕潤比，根據(jù)實(shí)際情況，取35%；θmax—適宜土壤含水率上限(重量百分比)，%；θmin—適宜土壤含水率下限(重量百分比)，%。

根據(jù)灌水臨界期作物最大日需水量值，按式(1)計(jì)算理論灌水周期。因?yàn)?，?shí)際灌水中可能會出現(xiàn)停水、配水設(shè)備故障等原因，故設(shè)計(jì)灌水周期應(yīng)小于理論灌溉周期，根據(jù)式(2)可算得灌水周期為：

T理=mmax/ETc>T設(shè)=23.39∕4.5=5.20d

(2)

式中，T理—理論灌水周期，d；ETc—需水量，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗(yàn)，取4.5mm/d；T設(shè)—設(shè)計(jì)灌水周期，d。

系統(tǒng)A，系統(tǒng)B均按照地形條件分為10個(gè)大小相當(dāng)?shù)男^(qū)，每個(gè)小區(qū)分為1個(gè)輪灌組，共10個(gè)輪灌組。由于滴灌周期計(jì)算結(jié)果為5d，每2小區(qū)即可按照1d的時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃，每個(gè)輪灌組一次灌溉用時(shí)8h。根據(jù)地形和植被種植模式，將高程相近、地塊毗鄰、面積相似的小區(qū)劃作一個(gè)輪灌組，具體輪灌組劃分見表1。

表1 輪灌組分區(qū)表

綜合考慮不同材料管材的價(jià)格、脆塑性、購買和安裝便利性以及地方實(shí)際情況，本項(xiàng)目用于系統(tǒng)管網(wǎng)的管材干支管均選用PE管，壓力校核時(shí)，為了方便采購及安裝，所有干管所選用的壓力等級均一致，最終校核結(jié)果干管壓力采用1.0MPa，支管同樣的校核原理，校核結(jié)果為0.8MPa。

在干支管管徑計(jì)算上，采用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析計(jì)算：

當(dāng)Q>120m3/h時(shí)

D=11.5×Q1/2

(3)

當(dāng)Q≤120m3/h時(shí)

D=13×Q1/2

(4)

式中，D—計(jì)算管徑，mm；Q—管道設(shè)計(jì)流量，m3/h。

3 農(nóng)田水利工程灌溉效果評價(jià)

3.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及評價(jià)方法

本文選取農(nóng)田水利工程建成前后2年，即建成前2012、2013，建成后2016、2017年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)3個(gè)層面，綜合比較建成前后的灌溉效果，可較全面的反映農(nóng)田水利工程建設(shè)對當(dāng)?shù)氐挠绊憽Ｓ捎诰C合評價(jià)法存在主觀性和客觀性[7]，為使得評價(jià)方法兼顧事實(shí)的客觀性和專家的主觀性，本文基于反映主觀性的層次分析法[8]和反映客觀的熵權(quán)法[9]，并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析法[10]形成新型的綜合評價(jià)方法，對不同指標(biāo)進(jìn)行打分，最后形成不同年份灌溉效果的綜合得分情況，具體方法見文獻(xiàn)[10]。該方法可較全面地反映灌溉效果。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)3個(gè)方面，共選取12項(xiàng)指標(biāo)，綜合判定灌溉效果。綜合評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建如圖1所示。

圖1 農(nóng)田水利工程灌溉效果綜合評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

3.2 灌溉效果綜合評價(jià)結(jié)果分析

綜合分析農(nóng)田水利工程建成前后的2012、2013年和2016、2017年的實(shí)測數(shù)據(jù)，依據(jù)層次分析法的原理，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)、社會管理方面和生態(tài)效益方面不同指標(biāo)的重要性，得到第二層指標(biāo)的判斷矩陣，從而計(jì)算得出第二層指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表2。以經(jīng)濟(jì)方面指標(biāo)為例，算得其判斷矩陣見表3，可算出其所在第三層各指標(biāo)的權(quán)重，以此類推，可算出其余兩個(gè)方面各指標(biāo)的最終權(quán)重，結(jié)果見表4。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可得出第二層指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，可得出第三層指標(biāo)的初始權(quán)重，綜合兩方面數(shù)據(jù)，可得出第三層指標(biāo)的最終權(quán)重，得出了灌溉效果評價(jià)的主觀權(quán)重，結(jié)果見表5。

表2 第二層指標(biāo)層次分析法判斷矩陣

表3 經(jīng)濟(jì)方面指標(biāo)判斷矩陣

表4 第三層指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算不同指標(biāo)的相對隸屬度矩陣，從而可得出熵權(quán)法第三層指標(biāo)的客觀權(quán)重，根據(jù)表5中由層次分析法計(jì)算得出的主觀權(quán)重，最終可得出第三層指標(biāo)的最終權(quán)重，結(jié)果見表6。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]計(jì)算第三層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果見表6。根據(jù)表6中的最終綜合權(quán)重，對表7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合加權(quán)，得出每一年不同指標(biāo)的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果見表8。

根據(jù)表8中的結(jié)果，可知不同年份的灌溉效果綜合排名。表8顯示，不同年份綜合排名由高到低依次為2017、2016、2013、2012年。由此可知，在建設(shè)農(nóng)田水利工程前，當(dāng)?shù)毓喔刃Ч^差，但在建成工程之后的2016、2017年，灌溉效果有了明顯提高，這與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，也從數(shù)據(jù)角度反映了農(nóng)田水利工程的效果。

表8 不同年份灌溉效果綜合排名

4 結(jié)論

在驗(yàn)證不同年份內(nèi)，農(nóng)田水利工程的建設(shè)對當(dāng)?shù)毓喔刃Ч挠绊憰r(shí)，指出了不同年份灌溉效果綜合排名由高到低依次為2017、2016、2013和2012年，2017年的灌溉效果最佳。

表5 第三層指標(biāo)層次分析法主觀權(quán)重

表6 第三層指標(biāo)最終權(quán)重確定

表7 第三層指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)