自壓滴灌節(jié)水技術(shù)在灌區(qū)農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用

張懷斌

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

我國(guó)幅員遼闊，對(duì)淡水資源的需求量十分巨大。但對(duì)于干旱地區(qū)而言，水資源匱乏，農(nóng)業(yè)發(fā)展受到極大的阻礙，這是解決農(nóng)業(yè)用水和提高水資源利用效率需要攻克的一個(gè)難題。我國(guó)既是人口大國(guó)，又是農(nóng)業(yè)大國(guó)，灌溉所需的用水量在我國(guó)總供水量中占比高達(dá)62%。但在農(nóng)業(yè)灌溉中，國(guó)內(nèi)農(nóng)田用水的利用率和水生產(chǎn)效率相對(duì)較低，農(nóng)業(yè)用水存在浪費(fèi)現(xiàn)象，而且目前國(guó)內(nèi)地下水已嚴(yán)重開(kāi)采過(guò)度[1]。因此，推廣高效率、低成本的灌溉技術(shù)是十分必要的，能為國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供重要保證。

自壓滴灌灌溉系統(tǒng)是一種利用天然地形的高差，將管道高度不同產(chǎn)生的重力差當(dāng)作水資源的動(dòng)力，經(jīng)過(guò)濾后傳輸至農(nóng)田各處，并且能夠做到均勻分配水資源，是一種高效、便捷、成本較低的灌溉方式，這種灌溉方式為干旱地區(qū)、丘陵山地的水資源高效利用提供了保證[2-3]。目前，自壓滴灌灌溉系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多地得到應(yīng)用，積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并取得不錯(cuò)的效果[4]。

2 自壓滴灌節(jié)水技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 增加水肥的利用率

在開(kāi)展農(nóng)業(yè)灌溉工作時(shí)，自壓滴灌技術(shù)能大大提高灌溉效率。在水源和農(nóng)田之間都鋪設(shè)上管道，通過(guò)管道來(lái)進(jìn)行灌溉，這種技術(shù)手段與傳統(tǒng)的地面水渠灌溉方式相比，大大減少了水分在輸送過(guò)程中的蒸發(fā)量和滲漏量，提高了農(nóng)業(yè)用水的利用率，防止了水資源不必要的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)約用水的目的。

表1為農(nóng)田不同種類灌溉方式對(duì)水資源利用系數(shù)的比較。

表1 農(nóng)田不同灌溉方式水資源利用系數(shù)

從表1中可以看出，對(duì)于傳統(tǒng)的地面灌水，其水資源利用效率是最低的，也比較容易受到蒸發(fā)和滲漏的影響，灌溉效率不佳。而對(duì)于自壓滴灌技術(shù)來(lái)說(shuō)，其水資源利用系數(shù)最高，大部分都達(dá)到98%，說(shuō)明該種技術(shù)在保證灌溉的前提下，能有較好的節(jié)水率，達(dá)到節(jié)約用水的目的。

2.2 改善生態(tài)環(huán)境、節(jié)約電能

自壓滴灌系統(tǒng)不僅能提高農(nóng)業(yè)用水的利用率，還能起到節(jié)約電能的作用。因?yàn)樽詨旱喂嘞到y(tǒng)可以提供較高的水頭壓力，不僅可以對(duì)管壁起到清潔作用，同時(shí)壓力還能將水資源從源頭輸送到農(nóng)田，這個(gè)過(guò)程不需要消耗電能。所以，這種灌溉方式能夠大大減少水分運(yùn)輸過(guò)程中能量的消耗，提高能量的利用率，有助于克服集中灌溉時(shí)，節(jié)水灌溉因電力供應(yīng)不足而受到影響的問(wèn)題，使農(nóng)業(yè)灌溉得到保障，減少運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)有助于生態(tài)環(huán)境的改善。在國(guó)內(nèi)，多處地區(qū)都采用了這種灌溉系統(tǒng)，大大減少了水泵加壓而帶來(lái)的電能消耗，節(jié)省了很多電力成本[5]。自壓滴灌系統(tǒng)可以將地表水充分利用起來(lái)，減少地表水浪費(fèi)，做到盡量避免開(kāi)采地下水，防止因過(guò)度使用地下水而出現(xiàn)地基塌陷等問(wèn)題。滴灌也可以根據(jù)用水量，達(dá)到對(duì)農(nóng)藥的精準(zhǔn)使用，提高農(nóng)藥的利用率，避免對(duì)地下水和農(nóng)田造成污染，還能在較大程度上防止土體中的殘留化肥和農(nóng)藥流到水庫(kù)與河流中，防止水環(huán)境受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，避免破壞食物鏈，達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。同時(shí)，滴灌在水土保持、改良荒漠環(huán)境、防止沙漠化等方面也能起到較好的作用[6]。

2.3 優(yōu)化人工，便于管理

自壓滴灌系統(tǒng)的輸水管道都是鋪設(shè)在地下的，無(wú)需額外再修建毛渠，占用的耕地面積較小，大大提高了農(nóng)田的耕種面積，增加了耕田的利用率，使農(nóng)民的收入得到提升。使用期間穩(wěn)定性比較高也是自壓灌溉系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)，它能夠減少后期的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)減少農(nóng)田里建筑物的面積，節(jié)約了渠道維修、開(kāi)溝筑畦、平地、修渠的工程量和用工時(shí)間，與地面灌溉相比，用工量最高能節(jié)約40%～50%。流量計(jì)也可以安裝在自壓滴灌系統(tǒng)中使用，與施肥相配合，可以借助閥門(mén)來(lái)對(duì)澆水時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行控制。管道輸水灌溉在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、規(guī)范化的同時(shí)，也推動(dòng)了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械化的發(fā)展，為其快速發(fā)展提供了動(dòng)力[7]。由于管道能夠快速將水輸送到農(nóng)田各部位，在水壓下動(dòng)力足，大大縮減了輸水時(shí)間，減少了灌期。如果灌溉相同面積的農(nóng)田，灌溉的速率可以達(dá)到渠灌的一倍以上，大大提高了灌溉效率。降低農(nóng)田灌溉管理的工作量，安裝和維護(hù)比較方便，技術(shù)操作難度不大，有助于提高流域水資源的利用率，減少了灌溉系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，有助于加速農(nóng)村現(xiàn)代化和增加灌區(qū)的協(xié)調(diào)管理。

2.4 提高農(nóng)產(chǎn)品效率和產(chǎn)出

自壓滴灌系統(tǒng)不會(huì)受到水源距離、地理地貌等因素的影響，該系統(tǒng)在保證農(nóng)作物得到充足水分的同時(shí)，還能做到水分的均勻分配，可以保證每棵農(nóng)作物的健康成長(zhǎng)，大大提高農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。我國(guó)新疆多處城市使用了自壓滴灌系統(tǒng)，農(nóng)作物年收益提高了600萬(wàn)元，推動(dòng)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。并且該系統(tǒng)適用于各種作物和植物，如國(guó)內(nèi)某地區(qū)利用該系統(tǒng)灌溉玉米、萬(wàn)壽菊以及長(zhǎng)絨棉等，都取得了較大的豐收，體現(xiàn)了自壓滴灌系統(tǒng)的強(qiáng)大功效[8]。

3 自壓滴灌系統(tǒng)管徑的優(yōu)化

以某工程為案例，對(duì)該工程項(xiàng)目滴管系統(tǒng)的管徑進(jìn)行優(yōu)化處理。管網(wǎng)的基本信息見(jiàn)表2，水源點(diǎn)的地面高程是1 085.8 m。在該滴灌系統(tǒng)中，所有管道均使用PE軟管；干支管選取PE63級(jí)塑料，其壓力等級(jí)為0.63 MPa；毛管的壓力等級(jí)為0.4 MPa。管道尺寸和價(jià)格見(jiàn)表3。

表2 管網(wǎng)的基本信息

表3 管道尺寸和價(jià)格

在工程中，經(jīng)濟(jì)流速法是管徑最常用的計(jì)算方法，公式如下：

(1)

式中：V為經(jīng)濟(jì)流速，其值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得，本次計(jì)算中取1.2 m/s。

干管道水頭的損失量可以用下式計(jì)算：

(2)

式中：hg為干管頭的損失量，m；L為干管長(zhǎng)度，m；d為管徑，mm；Q為流量，m3/h；其余各系數(shù)依據(jù)PE管材而定。

用經(jīng)濟(jì)流速法對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

本文將從重力水頭利用率、可靠度、管網(wǎng)投資等多個(gè)角度對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其可行性。重力水頭利用率是指在自壓滴灌系統(tǒng)中，由天然地理因素造成的重力水頭被利用的程度。它的體現(xiàn)是借助總路徑與管段這兩個(gè)方面：管段的水頭損失與該段首個(gè)節(jié)點(diǎn)與最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)間的高程之差的比值，就是管段水頭利用率，該比值越大，就代表該管段設(shè)計(jì)的越科學(xué)合理。重力水頭在從水源流到某一個(gè)位置的總路徑中的利用程度，就是指路徑水頭利用率。這個(gè)值越大，表明整個(gè)系統(tǒng)對(duì)地形地貌的利用率越高。表5為通過(guò)經(jīng)濟(jì)流速法計(jì)算得到的管徑優(yōu)化指標(biāo)。

表4 管道優(yōu)化結(jié)果

表5 經(jīng)濟(jì)流速法計(jì)算的管徑優(yōu)化指標(biāo)

通過(guò)經(jīng)濟(jì)流速算法，優(yōu)化得到建設(shè)管網(wǎng)需要的總資金為31 623元，按照T=20年、i=6%的年資金回收系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出管理年費(fèi)為9 082元,管網(wǎng)的可靠度達(dá)到0.881，路徑水頭、管段的利用率分別是12.9%和12.35%，用這種方法來(lái)優(yōu)化管徑，快速簡(jiǎn)便。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)自壓滴灌系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀的分析與總結(jié)可以得出，自壓滴灌系統(tǒng)有著非常大的優(yōu)勢(shì)。與其他種類灌溉方式相比，自壓滴灌系

統(tǒng)水資源的利用系數(shù)最高，大部分都達(dá)到98%，表明該技術(shù)在保證灌溉的前提下，有較好的節(jié)水率，可達(dá)到節(jié)約用水的目的。這種灌溉方式能夠大大減少水分運(yùn)輸過(guò)程中能量的消耗，提高能量的利用率，有助于克服集中灌溉時(shí)，節(jié)水灌溉因電力供應(yīng)不足而受到影響的問(wèn)題，使農(nóng)業(yè)灌溉得到保障，可減少運(yùn)營(yíng)成本，有助于生態(tài)環(huán)境的改善。還可以提高人們節(jié)約用水的意識(shí)，能夠減少后期的維護(hù)費(fèi)用，使農(nóng)田里建筑物的面積大大減少，節(jié)約了渠道維修、開(kāi)溝筑畦、平地、修渠的工程量和用工時(shí)間。管道輸水灌溉在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、規(guī)范化的同時(shí)，也推動(dòng)了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械化的發(fā)展，為其快速發(fā)展提供了動(dòng)力。另外，本文還對(duì)自壓滴灌系統(tǒng)的管道進(jìn)行了優(yōu)化處理。