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河北省农业灌溉工程节水技术效益分析与计算

时间：2023-05-22 19:45:05 公文范文来源：网友投稿

摘要:农业用水占总用水量的70%以上,农业用水对水资源的可持续利用具有巨大的影响。通过对河北省常用的工程节水措施进行分析,低压管道输水技术投资小、适应性强,是目前节水工程中采用较多的一种;渠道防渗投资小,适用于长距离调水的灌渠;微灌具有省水、省工、节能、增产等优点,但投资较大,适用于蔬菜、花卉、药材等产值高、收益好的经济作物;喷灌具有节水、水保、节地、节省劳动力、适应性强的特点,但投资较大,适用于大型农场、果园等经济类作物。通过对不同节水灌溉措施投资和经济效益分析,为节水灌溉工程设计提供科学依据。

关键词:灌溉用水定额;节水灌溉技术;节水效益;河北省

中图分类号:S275文献标识码:A文章编号:1672-1683(2010)01-0099-05

Analysis on the Benefit of Water-Saving Technology of Agricultural Irrigation Engineering in Hebei Province

WANG Hua-liang

(Hydrology and Water Resource Survey Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang 050031, China)

Abstract:

Occupying 70% of total water use, agricultural water use has the dominant influence on sustainable utilization of water resources. This article analyzes the popular water-saving engineering technology in Hebei province. The low-pressure piping technology is the most popular water-saving technology of irrigation because of its lower investment and good applicability; the channel seepage-preventing technology has lower investment and applies to long distance water delivery; the micro irrigation technology has the advantage of water-saving, energy saving, laborsaving and increasing production, and it is suitable for valuable crops such as vegetable, flower and herbs, but it needs large investment; the sprinkling irrigation has the advantage of water-saving, soil conservation, land-saving, laborsaving and wide applicability with higher investment, so this method is suitable for those economic crops on the large sized farms and orchards. The article submits the scientific bases for the design of water-saving engineering by analyzing the input and output of the different water-saving irrigation technologies.

Key words: the norm of irrigation;water-saving irrigation technology;benefit of water-saving;Hebei province.

近年来,河北省干旱缺水的形势日益严峻,区域性缺水、季节性缺水、工程性缺水和水质性缺水等问题日益突出,水资源短缺已成为我国经济发展的制约因素和农业可持续发展的瓶颈。全面建设节水型社会,是应对日趋严重的缺水形势、解决水资源紧缺问题最根本、最有效的措施。河北省是一个农业大省,农业是第一用水大户,全省用水消耗总量中有70%以上是农业消耗掉的,农业用水对水资源的可持续利用具有巨大的影响[1]。因此,抓住农业节水是节水型社会建设的关键问题。本文通过对河北省不同节水灌溉工程效益分析,为农业节水灌溉工程的设计和方案的选择提供科学依据。

1 河北省农业灌溉用水定额用水定额是衡量用水户用水水平、挖掘节水潜力、考核节水成效的科学依据,同时对建立节水型社会,缓解水资源紧缺状况,实现以水资源的可持续利用支持国民经济可持续发展具有十分重要的现实意义。

用水定额根据《中国资源科学百科全书》的解释是指单位时间内,单位产品、单位面积或人均生活所需要的用水量。用水定额是随社会、科技进步和国民经济发展而逐渐变化的[2]。如工业用水定额和农业用水定额因科技进步而逐渐降低,生活用水定额随社会的发展、文化水平的提高而逐渐提高。并且因季节变换使工农业用水定额和生活用水定额产生季节性变化。尤其是农业用水定额,即使在同一地区,由于干旱年和丰水年的交替变换,同一种作物的灌溉定额也是不同的;在不同地区和不同年份,同一种作物也会因降水、蒸发等气候上的差异和不同性质的土壤使灌溉定额有很大的不同。因灌水技术的改变,如采用地面灌溉、喷灌、滴灌、地下灌溉等不同技术,灌溉定额也会随之而改变。

用水定额一般可分为农业用水定额、工业用水定额和居民生活用水定额三部分。农业灌溉用水定额指某一种作物在单位面积上,各次灌水定额的总和,即在播种前以及全生育期内单位面积的总灌水量,通常以m³/hm²(或立方米/亩)来表示。灌水时间和灌水次数根据作物需水要求和土壤水分状况来确定,以达到适时适量灌溉。灌溉用水定额是指导农田灌水工作的重要依据,也是制订灌区水利规划、设计灌溉工程、编制灌区用水计划的基本资料。

河北省农作物灌溉用水定额分为7个农业灌溉分区,按照P=50%和P=75%两种保证率及不同灌溉方式下12种农作物的灌水定额和灌溉定额,以及不同灌溉方式下10种蔬菜灌溉用水定额[3]。灌溉定额为作物整个生长期内单位面积上各次灌溉水量的总和。灌水定额实际上是一次灌水的水量。这是一个与作物、土壤持水量、灌溉面积和可利用的灌水时间有关的变量。作物不同,作物的根系活动层深度不同灌水量可能不一样。土壤持水量决定一次灌水不能太多,太多作物不能充分吸收,造成浪费,也可使作物根部空气的孔隙减少。河北省太行山前平原和燕山山前平原主要区作物灌溉用水定额见表1。

农业节水关键技术通常可归纳为工程节水技术、农艺节水技术、生物节水技术和水管理节水技术等四种类型[4],其应用范围可大致分布在四个基本环节中:一是减少灌溉渠系(管道)输水过程中的水量蒸发与渗漏损失,提高农田灌溉水利用率;二是减少田间灌溉过程中的水分深层渗漏和地表流失,在改善灌水质量的同时降低单位灌溉面积上的用水量;三是减少农田土壤水分蒸发损失,有效利用天然降水和灌溉水资源;四是提高作物水分生产效率,减少作物水分奢侈性蒸腾消耗,获得较高的作物产量和用水效益。目前,河北省农业节水灌溉工程技术主要措施有渠道防渗技术、管道输水技术、喷灌和微灌技术等。

2 低压管道输水节水技术

管道输水灌溉是以管道代替明渠输水灌溉的一种工程形式,水由分水设施输送到田间。直接由管道分水口分水进人田间沟、畦。管道输水有多种使用范围,大中型灌区可以采用明渠水与管道有压输水相结合,有专门为喷灌供水的压力输水管道,还有为田间沟畦灌的低压管道输水[4]。

2.1管道输水系统的组成

管道输水灌溉系统由水源与取水工程部分、输水配水管网系统和田间灌水系统三部分组成。

水源与取水工程:管道输水灌溉系统的水源有井、泉、沟、渠道、塘坝、河湖和水库等。水质应符合《农田灌溉用水标准》,且不含有大量杂草、泥沙等杂物。井灌区的取水工程应根据用水量和扬程大小,选择适宜的水泵和配套动力机、压力表及水表,并建有管理房。自压灌区或大中型提水灌区的取水工程还应改进水闸、分水闸、拦污栅及泵房等配套建筑物。

输水配水管网系统:输配水管网系统是指管道输水灌溉系统中的各级管道、分水设施、保护装置和其他附属设施。在面积较大灌区,管网可由干管、分干管、支管和分支管等多级管道组成。

田间灌水系统:田间灌水系统指出水口以下的田间部分,它仍属地面灌水,因而应采取地面节水灌溉技术,达到灌水均匀并减小灌水定额的目的。

2.2 管道输水特点

节水节能:管道输水可减少渗漏损失和蒸发损失,与土垄沟相比,管道输水损失可减少5%,水的利用率比土渠提高了30%～40%,比混凝土等衬砌方式节水5%～15%。对机井灌区,节水就意味着降低能耗。

省地、省工:用土渠输水,田间渠道用地一般占灌溉面积的1%～2%,有的多达3%～5%,而管道输水只占灌溉面积的0.5%,提高了土地利用率。同时管道输水速度快,避免了跑水漏水现象,缩短了灌水周期,节省了巡渠和清淤维修用工。

投资小、效益高:管灌投资较低,按照目前材料和用工市场价格,一般每公顷在400元左右。同等水源条件下,由于能适时适量灌溉,满足作物生长期需水要求,因而起到增产增收作用。

适应性强:压力管道输水,可以越沟、爬坡和跨路,不受地形限制,施工安装方便,便于群众掌握,便于推广。配上田间地面移动软管,可解决零散地块浇水问题,适合当前农业生产责任制形式。

3 渠道防渗节水技术

渠道防渗一般采用衬砌混凝土U型渠或梯形渠。混凝土防渗渠道粗糙率小,流速快,有利于提高渠道输沙防淤能力。同时,采用混凝土渠道防渗,有利于控制地下水位,改善土壤,便于渠道管理。

改变原渠床土壤渗透性能,又可分为物理机械法和化学法。前者是通过减少土壤空隙达到减少渗漏的目的,可用压实、淤淀、抹光等;后者是掺入化学材料以增强渠床土壤的不透水性。

设置防渗层,即进行渠道衬砌,可用混凝土和钢筋混凝土、塑料薄膜、砌石、砌砖、沥青、三合土、水泥土和黏土等各种不同材料衬砌渠床。采用防渗措施后,渠道渗漏损失可以减少50%～90%。混凝土衬砌是一种较普遍的渠道防渗形式,防渗防冲效果好、耐久,但投资较大。

防渗效果显著:小型混凝土 U型渠道的渠道水利用系数可达0.97～0.98,由于 U型渠道比梯形的混凝土渠道湿周短,流速快,裂缝少,因而输水损失比梯形衬砌渠道小[6]。

水力条件好,流速快:U型渠道下部为半圆曲线,符合水流的自然特性,近似最佳水力断面。由于没有传统梯形断面两坡脚的死角,流速分布较均匀,无涡流、回流现象,湿周短,水力半径大。因而U型断面较梯形断面流速快,不仅提高了渠道输水能力,有利于缩短灌溉周期,而且增大了水流挟沙能力,有利于引用高含沙水灌溉。渠道不易产生淤积现象,因此U型渠特别适合华北的引黄灌区采用。

抗外力性能好:U型渠道下部的半圆土槽处于稳定状态,上部直线段土壤侧压力较小,混凝土砌体下部为反拱,整体性好。在地基土壤冻胀力作用下,能适应整体上抬,可充分利用混凝土良好的抗压性能,因而,U型渠道适应基础冻胀的性能较梯形衬砌好,其裂缝破坏现象也比梯形渠少。

渠道占地少:混凝土 U型渠道的渠口窄,渠道占地面积仅为梯形渠道的1/2～1/4,而且流量愈大,相对梯形渠道来说节省的土地愈多。

省工省料:混凝土 U型渠道湿周短,衬砌材料用量相对少,投资也较少,一般比混凝土梯形渠道省料25%～30%。此外,由于 U形渠道具有较好的抗冲性能,可用于地面坡度较大的渠段;减少修建跌水、陡坡等衔接建筑物,一般可节省建筑物材料费用40%～50%。

便于管理:混凝土 U型衬砌渠道冬季行水两岸不挂冰,通过渠系建筑物浮冰不壅塞。另外整修堤岸、补修裂缝等维护渠道的工作量大为减少(一般中、小型渠道,每千米每年仅需要10～20个工日),较混凝土梯形渠节省管理劳动力60%～70%。

4 微灌节水技术

微灌是按照作物需求,通过管道系统与安装在末级管道上的灌水器,将水和作物生长所需的养分以较小的流量,均匀、准确地直接输送到作物根部附近土壤的一种灌水方法。与传统的全面积湿润的地面灌和喷灌相比,微灌只以较小的流量湿润作物根区附近的部分土壤,因此,又称为局部灌溉技术。

4.1 微灌的类型

微灌分为以下四种类型:地表滴灌,是通过末级管道(称为毛管)上的灌水器,即滴头,将压力水以间断或连续的水流形式灌到作物根区附近土壤表面的灌水形式。地下滴灌,是将水直接施到地表下的作物根区,其流量与地表滴灌相接近,可有效减少地表蒸发,是目前最为节水的一种灌水形式。微喷灌,是利用直接安装在毛管上,或与毛管连接的灌水器,即微喷头,将压力水以喷洒状的形式喷洒在作物根区附近的土壤表面的一种灌水形式,简称微喷。微喷灌还具有提高空气湿度,调节田间小气候的作用。但在某些情况下,例如草坪微喷灌,属于全面积灌溉,严格来讲,它不完全属于局部灌溉的范畴,而是一种小流量灌溉技术。涌泉灌,管道中的压力水通过灌水器,即涌水器,以小股水流或泉水的形式施到土壤表面的一种灌水形式。

4.2 微灌的优缺点

微灌可以非常方便的将水施灌到每一株植物附近的土壤,经常维持较低的水应力满足作物生长要求。微灌还具有以下诸多优点。

省水:微灌按作物需水要求适时适量地灌水,仅湿润根区附近的土壤,因而显著减少了灌溉水损失。

省工:微灌是管网供水,操作方便,劳动效率高,而且便于自动控制,因而可明显节省劳力;同时微灌是局部灌溉,大部分地表保持干燥,减少了杂草的生长,也就减少了用于除草的劳力和除草剂费用;肥料和药剂可通过微灌系统与灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中,不需人工作业。

节能:微灌灌水器的工作压力一般为50～150 kPa,比喷灌低得多,又因微灌比地面灌省水,对提水灌溉来说意味着减少了能耗。

灌水均匀:微灌系统能够做到有效的控制每个灌水器的出水流量,因而灌水均匀度高,一般可达85%以上。

增产:微灌能适时适量的向作物根区供水供肥,为作物根系活动层土壤创造良好的水、热、气、养分环境,因而可实现高产稳产,提高产品质量。

对土壤和地形的适应性强:微灌采用压力管道将水输送到每棵作物的根部附近,可以在任何复杂的地形条件下有效工作。

使用范围的局限性:微灌系统投资一般要远高于地面灌;灌水器出口很小,易被水中的矿物质或有机物质堵塞,如果使用维护不当,会使整个系统无法正常工作

5 喷灌节水技术

喷灌技术是通过水泵加压,使灌溉水流经管道、喷头等专用设备,射到空中并成雾状的雨滴,像降雨一样均匀地散落田间,对作物进行适时适量的灌溉。它适用于各种地形和土壤,具有节水、省力、灌水均匀、保持水土等优点[7]。采用这种技术,一般不会产生地面径流和深层渗漏,地面湿度均匀,可以根据作物在不同生长时期的需水状况适量地供水,宜在以井灌为主的蔬菜、果树、经济作物等连片种植的地区推广使用。管道式喷灌系统是指以各级管道为主体组成的喷灌系统,按照可移动的程度,可分成全固定式、全移动式和半固定式三种[8]。

5.1 喷灌系统的选择

固定式喷灌系统。除喷头外,所有管道都是固定的。其特点是:生产效率高,运行管理方便,运行成本低,工程占地少,有利于自动化控制和综合利用;但设备利用率低,单位面积投资高。适用于灌水频繁的蔬菜和经济作物及地面坡度陡、局部地形复杂的地区。

移动式喷灌系统。动力机、水泵、干管、支管、喷头都可移动。其特点是使用灵活方便,又能节省大量管材,单位面积投资较低。但工作条件差,劳动强度大,喷洒质量不够高。

半固定式喷灌系统。动力机、水泵、干管都是固定的,支管和喷头是移动的。其特点是既提高了设备利用率,降低了系统投资,又比移动喷灌操作运用简单、劳动强度低、生产率高,是目前应用最为广泛的一种喷灌系统。

5.2 喷灌技术的优点及适用范围

节约用水:增加灌溉面积由于喷灌基本上不产生深层渗漏和地面径流,灌水比较均匀,且管道输水损失少,所以灌水有效利用系数高。比地面灌水省水30%～50%,对于透水性强、保水能力差的沙质土地则节水效果更为明显,用同样的水能浇灌更多的土地。

保持水土:喷灌的水滴直径和喷灌强度可根据土壤质地和透水性大小进行调整,能达到不破坏土壤的团粒结构、保持土壤的疏松状态、不产生土壤冲刷、使水分都渗入土层内、避免水土流失的目的。对于可能产生次生盐碱化的地区,采用喷灌的方法,可严格控制湿润深度,消除深层渗漏,防止地下水位上升和次生盐碱化。

节地:采用喷灌不仅可大大减少土石方工程,而且还能腾出占总面积3%～7%的田间沟渠占地,用于种植作物,提高土地利用率。

节省劳动力:喷灌的利用提高了灌溉机械化程度,大大减轻灌水劳动强度,节省劳动力。

适应性强:喷灌是通过喷洒的方式灌水,不受地形坡度和土壤透水性的限制,在地面灌水方法难于实现的场合,都可以采用喷灌的方法。

提高产量:喷灌可以采用较小的灌水定额进行浅浇勤灌,便于严格控制土壤水分,保持土壤肥力,既不破坏土壤团粒结构,又可促进作物根系在浅层发育,有利于充分利用土壤表层的肥分。同时喷灌可以调节田间的小气候,增加近地表空气湿度,在空气炎热的季节起到调节叶面温度的作用,并能冲洗叶面尘土,有利于植物的呼吸和光合作用,达到增产的效果,大田作物可增产20%,经济作物可增产30%,蔬菜可增产1～2倍,并可同时改变产品品质。此外,喷灌系统还可喷洒农药、防霜冻、防暑降温等。

6 农业灌溉工程节水技术及效益分析计算

根据农业节水工程对作物增产的综合作用,按照有、无节水工程对比,将农作物的总增产值、节水、节地、节电、节省劳力等效益分别进行计算[9]。本次节水效益分析灌溉用水量以枯水年(P=75%)作为典型年进行分析计算。农业节水灌溉效益计算包括以下几个方面。

节水效益:水资源是粮食生产的重要物质条件,水资源经济价值核算是科学管理水资源、制定合理水价和形成灌溉有序水市场的基础。张秋萍等人[10]依据收益还原法基本原理,采用C-D生产函数理论构建了粮食生产中的农业水资源经济价值核算方法体系,并以黄淮海地区为例进行了实证分析。结果表明:黄淮海地区农业水资源的平均经济价值为1.02元/m³。根据国家农业生产产业政策,农业用水没有征收水资源费,但进行节水效益分析,水资源部分是效益的主题部分,水资源的价格体现效益,本次水价计算采用1.02元/m³作为计算依据。

节省土地效益:在田间使用管灌和微灌,可减少灌溉渠垄的面积,增加农作物种植面积,增加粮食产量。使用滴灌后,可充分利用边际土地,减少渠道对土地的占有面积,扩展可耕种土地的面积。计算公式为:

Pe=∑ni=1Si×R×Yg/S(1)

式中:Pe—节省土地效益(元/hm²);n—管道条数;Si—每条管道节省土地面积(hm²);R—农产品价格(kg/元),按1.6元/kg计;Yg—节水灌溉后产量(kg);S—总面积(hm²)。

农作物增产效益:节水灌溉工程实施后,农作物得到及时灌溉,提高了灌溉保证率,可增产粮食。增产增收是节水灌溉工程的主要效益,其计算公式为:

Pa=R×(Yg-Yn)(2)

式中:Pa—农作物增产效益(元/hm²);R—农产品价格(元/kg);Yg—节水措施后农作物产量(kg/hm²);Yn—节水措施前农作物产量(kg/hm²),按24 000 kg/hm²计。

节能效益:无论是地表水、地下水,从水源到灌溉过程都要消耗能源。通过节水工程,在减少水资源用量的同时,也减少了输水过程消耗的能源(电力)。计算公式为:

Pw=∑nj=1(Wj1-Wj2)×H×f102×η装

(3)

式中:Pw—节能效益(元/hm²);Wj1—无节水灌溉措施时一次用水量(m³/hm²);Wj2—实施节水灌溉措施后一次用水量(m³/hm²);H—水泵扬程(m),(按不同节水灌溉系统设计扬程确定,该区一般为30～40 m);f—电价,元/(kW•h),按目前农业用电0.4元/(kW•h)计;η装-装量效率,取值在0.61～0.68之间,按0.65计。

省工效益:实行节水灌溉工程后,可以减少灌溉过程中劳动力配置;滴灌通过局部湿润灌溉,田间土壤疏松,通透气性良好,易溶性肥料、植物生长调节剂、内吸杀虫剂等可随水滴入,可减少中耕、施肥、喷药、锄草等的作业次数和劳动力投入,节省了大量的人力物力。计算公式为:

PL=p×(Lm-Ln)(4)

式中:PL—节省劳动力效益(元/hm²);p—劳动力日工资(元);Lm—节水灌溉前全年灌溉用工数量(工日/hm²);Ln—节水灌溉后全年灌溉用工数量(工日/hm²);

总效益:按照当前粮食市场价格、电力价格(按农电价格计算)、劳动力价值分别计算。节水效益以节约水量乘以水资源经济价值计算,元/hm²;节地效益以节约土地所增产的粮食,按市场价计算(1.6元/kg);增产效益以采用节水措施所增产的粮食计算;节约能源是以常规灌溉用电量与采取措施后用电量之差,计算节约电力的数据(按农电价格计算);节省劳动日是以不同灌溉措施节省的劳动日,按日工资进行计算。(微灌技术一般用于水果、蔬菜等灌溉工程,为便于对比分析,本次效益分析按粮食作物计算。)总效益按下式计算[11]:

P=Pj+Pe+Pa+PW+PL(5)

式中:P—总效益(元/hm²);Pj—节水效益(元/hm²);Pe—节省土地效益(元/hm²);Pa—农作物增产效益(元/hm²);Pw—节能(节电)效益(元/hm²);PL—节省劳动力效益(元/hm²)。

根据河北省现有技术条件和目前市场价格,以地面灌溉用水量为基础,分别对不同灌溉措施的投资、用水量、年运行费等进行计算。计算结果见表2。

表2 典型区节水灌溉工程运行费估算结果

节水灌溉措施低压管道防渗渠道防渗微灌工程喷灌工程地面灌溉

投资/(元•hm-2)4 0506 00022 50018 0000

灌溉用水/(m³•hm-2)5 0555 4002 0253 3756 750

节水量/(m³•hm-2)1 6951 3504 7253 3750

用电量[(kW•h)•hm-2]2 2872 4439162 0363 054

电费/(元•hm-2)9159773678141 222

用工/(工日•hm-2)552410

人工费/(元•hm-2)15015060120300

年维修费/(元•hm-2)811204503600

年运行费(元/hm²)1 1461 2478771 2941 522

根据目前市场粮食价格、农业用电价格、人员工资现状,分别计算不同节水灌溉工程的节水效益、节地效益、增产效益、节能(节电)效益和节省劳动力效益,并计算其总效益[12]。通过对四种不同节水灌溉工程效益和投资进行对比分析,投资大则效益高,总效益最高的为微灌节水工程,达9 440元/hm²。在实际应用中应根据社会经济条件和环境,选择不同的节水措施。不同灌溉工程节水效益计算成果见表3。

7 结论

农业用水占总用水量的70%以上,农业节水潜力巨大。搞好农业节水,对水资源可持续利用有重要意义。

通过对河北省不同节水灌溉工程效益分析,低压管道输水技术具有节水、省地、增产、投资小的优点,适合于目前经济条件和环境条件下使用;微灌技术投资较大,适用于水果、蔬菜、花卉等经济作物灌溉;喷灌技术不受地形坡度和土壤透水性的限制,使用范围广、投资大,适用于有经济势力的大型农场使用。

表3 不同节水灌溉工程节水效益计算成果

节水灌溉措施低压管道防渗渠道防渗微灌工程喷灌工程

节水效益

节水量/(m³•hm-2)1 6391 3504 7253 375

节水效益/(元•hm-2)1 7291 3774 8203 443

节地效益

节地量/(m³•hm-2)15075300200

节地效益/(元•hm-2)4502251 5001 500

节地率(%)1.50.7555