宿迁市河网圩区农田管道输水灌溉系统适宜规模研究

龚懿婧，余小鹏，房 凯，周明耀

(1.扬州大学 水利科学与工程学院， 江苏 扬州 225009； 2.宿迁市水务勘测设计研究院有限公司， 江苏 宿迁 223800)

目前农田管道输水灌溉技术已成为江苏省农业节水灌溉发展的重点，在推广应用该技术的过程中，如何确定管道灌溉系统适宜控制规模成为亟待解决的问题。以往对于管道灌溉的研究主要集中在灌溉技术参数、管网优化和经济管径方面，而管道输水灌溉系统控制规模的优化研究成果较少，尤其是针对河网圩区未见到研究成果[1-2]。有研究以灌区投资、年净现值为目标函数，运用遗传算法，对管径等参数进行优化设计，提出管道输水灌溉系统的最优规模确定理论和方法[3]，但其结果对于不同地区发展管道输水灌溉技术不具有普遍的指导意义。管道系统的适宜控制规模研究，需要通过分析影响系统控制规模的因素，结合实际应用和工程投资、能耗、维修及管理费用等寻求管道输水灌溉系统的适宜控制面积[4-5]。不同地区、不同作物条件下的管道灌溉适宜规模存在差异，本文以江苏省宿迁市作为研究对象，针对其河网圩区发展农田管道输水灌溉系统进行研究。

宿迁市境内分布于洪泽湖、骆马湖周边和新沂河沿岸的低洼圩区，地势平坦、水网密布、水源充沛，汛期地面高程通常低于河湖正常水位线以下，不具备自排和自流灌溉的条件。目前宿迁市圩区面积约有2 589 km2，圩区内多采用小型泵站提水灌溉，灌溉系统分布零散，灌溉单元规模较小，小则几百亩，大则几千亩，一般都在万亩以下。农田管道输水灌溉工程技术以其节水、省地、增效、保持水土、方便生产组织、减少工程投入等效果[6]，在小型提水灌区开始得到推广应用。

长期以来宿迁地区作为江苏省主要的商品粮生产基地，多以稻麦轮作的种植模式为主。近年来，为促进农业经济发展，提高农民的收入水平，当地实行了水稻和蔬菜轮作的种植制度，既保证粮食生产，又增加了农民收入，广受农户欢迎。本文综合考虑水稻灌溉水量大、蔬菜灌水频繁灌水量小的特点，提出适用于河网圩区不同轮作制度下的农田管道输水灌溉系统适宜布置模式、适宜的建设规模和建设定额标准，为该地区农田管道输水灌溉工程建设的规划和管理提供技术支持。

1 农田管道输水灌溉系统适宜布置模式

不同轮作制度下的农田管道输水灌溉系统适宜布置模式应综合考虑水源、作物、田块规格、灌溉排水等因素确定。宿迁市河网圩区稻麦轮作制度下，水稻格田长度一般为100 m～200 m，宽度为40 m～50 m；水稻蔬菜轮作制度下，格田长度约为50 m，宽度约为30 m。圩区地势低洼、且地下水位较高，应注重排涝降渍，适当增加控制地下水位排水沟的深度。

农田管道输水灌溉工程采用封闭式系统，系统由多级管道组成，管道工作制度采用轮灌方式。稻麦轮作制度下，为减少管道系统投资，直接从输水支管上的给水栓放水入田，不再另外布置配水管；对于兼顾粮食作物和经济作物的地区，采用水稻和露地(塑料大棚)蔬菜轮作的方式，水稻灌溉期通过输水支管上的给水栓直接灌水入田，蔬菜生长期则在给水栓处连接移动软管进行浇灌[7]，或连接装有滴灌带的配水管进行滴灌，该情况的提水灌溉泵站工程需设置直连管道和具有过滤、施肥及调控压力的两套首部系统[8]。

1.1 稻麦轮作区适宜布置模式

结合宿迁市圩区的地形、地下水位埋深条件，水稻与小麦轮作区采用单向灌排、沟-路-管的布置模式，管道埋于地下，便于农机下田和沟道排水。斗沟间距100 m左右，农沟间距40 m左右，机耕道间距约100 m，输水支管沿机耕道布置，农机由机耕路直接下田，支管间距100 m左右，支管上每40 m设置1个给水栓，灌溉水由给水栓直接流入格田进行灌溉。泵站为灌排两用，布置在中沟和外河交汇处，兼顾提水灌溉和排涝两个作用。稻麦轮作区农田管道输水灌溉系统适宜布置模式见图1。

图1圩区稻麦轮作区农田管道输水灌溉系统适宜布置模式

1.2 稻蔬轮作区适宜布置模式

水稻与蔬菜轮作区生产单元较小，可采用双向灌排的布置形式，满足田间配水的灌溉均匀度要求，减少管道的铺设长度，降低系统投资。水稻格田规格50 m×30 m，种植蔬菜时以标准大棚规格50 m×6 m作为每垄田块的尺寸，每个大棚之间布置浅明沟排地表水；4个大棚一组，每组宽约30 m，组间设置控制地下水位的排水明沟。排水斗沟与灌溉输水支管相间布置，斗沟间距100 m左右。灌溉输水支管沿机耕道布置，农机由机耕路直接进田，支管间距100 m左右，支管上每30 m设置一个给水栓，位于每组大棚中间位置处，直接灌溉水田或接移动软管浇灌蔬菜。泵站为灌排两用，布置在中沟和外河交汇处，兼顾提水灌溉和排涝两个作用。水稻与蔬菜轮作区农田管道输水灌溉系统适宜的布置模式见图2。

如前所述，宿迁市圩区雨水较多、地下水位埋深浅，蔬菜生产区对于土壤水分调控要求较高，在排水比较困难的地区可以采用农田塑料暗管排水技术，明沟排捞、暗管降渍，明暗结合，为蔬菜生产提供适宜的农田土壤水分状况。

图2圩区稻蔬轮作区农田管道输水灌溉系统适宜布置模式

2 农田管道输水灌溉系统适宜建设规模与定额标准

研究农田管道输水灌溉系统的适宜建设规模和定额标准，需要通过投资概算、效益分析和经济评价来确定。

2.1 工程投资与运行费用函数

首先根据提出的农田管道输水灌溉系统适宜布置模式进行水力计算，给出不同控制面积下的设计流量、管道设计、水泵选型等，本文研究过程中管径的设计采用传统的经济流速法进行计算，水泵选型参考当地常用泵型进行选取。然后进行工程的投资计算和工程年运行费用的计算。在计算投资时，农田管道输水灌溉系统的工程投资主要分为两大部分，即水源工程投资(泵站投资)、管网工程投资。水源工程(泵站)投资主要和水泵流量、扬程有关，函数公式为：

(1)

式中：C1为泵站投资，元；Kp为泵站投资参数，元/kW；Wp为泵站装机容量，kW；γ为水重度，N/m3；Q为水泵设计流量，m3/s；H为水泵扬程，m；η装为水泵机电效率。

灌溉管网工程投资可分为输水管道、配水管道、附件(阀门、给水栓等)投资。结合当地管材价格和各类管材的性能及优缺点，固定地埋管道采用PVC塑料管和PE塑料管为主[9-10]。管径选择时固定地埋塑料管的最大管径一般不超过630 mm，以控制单位面积工程投资，移动软管采用直径25 mm～50 mm的塑料软管。

在已知当地管道价格的情况下管网投资可用如下公式表示：

(2)

式中：C2为管网工程投资，元；Mi为第i类管道单价，元/m；Li为第i类管道长度，m；n为管道种类数目；χ为配套附件投资占管网总投资的百分数。

工程年运行费包括燃料动力费(电费)、维护费、管理费、管理人员工资、其它共5部分，对于维护费、管理费、管理人员工资会随着工程总投资的增加而增加，可用占工程总投资的比例计算[11]，动力费用一般为提水电费，可用下式计算：

(3)

式中：Y为动力费，元；E为电费单价，元/(kW·h)；T为水泵年运行时间，h；γ为水重度，N/m3；Q为水泵设计流量，m3/h；H为水泵扬程，m；η装为水泵机电效率。

2.2 效益与经济评价函数

在宿迁市河网圩区采用农田管道输水灌溉技术可以带来节水、节地、增产、省工等效益，节水效益[12]可按下式计算：

(4)

式中：ηi1为第i种作物使用管道灌溉时的灌溉水利用系数；ηi0为第i种作物未使用管道灌溉时的灌溉水利用系数；mi为第i种作物的灌溉定额，m3/hm2；Ai为第i种作物的灌溉面积，hm2；Ci为水价，元/m3。

根据调研情况和相关经验，使用农田管道输水灌溉工程技术后灌溉水利用系数可提高15%～30%，由于当地为提水灌区，按照原有灌溉方式计算，灌溉水利用系数仅为0.63，实施该工程后，农田管道输水灌溉水利用系数可达到0.80～0.85[13]。灌溉用水定额和水价根据当地实际情况取值。

节地效益可按下式计算：

(5)

式中：Si为第i段管道节省土地面积，hm2；Ri为节省土地的年综合效益，元/hm2。

增产效益可按下式计算：

(6)

式中：εi为第i种作物灌溉效益分摊系数；ai为第i种作物的种植系数；Yi为第i种作物使用管道灌溉时的平均产量，kg/hm2；Yi0为第i种作物未使用管道灌溉时的平均年产量，kg/hm2；Pi为第i种作物价格，元/kg。

根据宿迁市调查情况，可按水稻增产450 kg/hm2，小麦增产300 kg/hm2，蔬菜增产1 500 kg/hm2。粮食作物及蔬菜的单价根据当地目前市场价格进行取值。灌溉效益系数取0.4。

省工效益可按下式计算：

(7)

式中：Gi1为第i种作物现状灌溉单位面积用工，工日/hm2；Gi0为第i种作物使用管道输水灌溉单位面积用工，工日/hm2；Ai为第i种作物的灌溉面积，hm2；Fi为用工价格，元/工日。

管道输水灌溉有一定的压力，因此比一般明渠输水快、流速大、供水及时，能够有效的节约灌溉劳动力。实施农田管道灌溉方式供水后，与渠道灌溉相比，管道输水灌溉可省30工日/hm2，按每个工日50元计算。

实施农田管道输水灌溉技术供水后，可以采用管道施肥施药，提高水肥利用率，减少了人工以及肥料、农药用量，节省成本[14]，省工15工日/hm2，按每个工日50元计算；施肥及农药3 000元/hm2，肥料、农药省20%。

在农田灌溉项目经济评价中，主要采用净现值法、内部收益率、效益费用比3项指标，评价建设项目的经济效果，判断其经济合理性。本文采用内部收益率判断工程在经济上是否可行，其数学表达式为：

(8)

式中：B为年效益，万元；C为年费用，万元；t为计算期各年的序号。N为计算期(包括建设期、投产期和正常运行期)。一般取基准折现率8%进行比较。

在以上分析的基础上，进一步依据年费用进行不同方案的比较，为适宜规模确定提供意见。计算年费用时，工程的年费用考虑年运行费用和总投资的本利摊还两部分，其中年折算费用可由下式计算：

(9)

式中：C′为年折算费，元；C为灌溉工程总投资，元；i为年利率或折算率，%；n为年复利期数，机电灌排站取15 a～25 a。

2.3 确定适宜规模和建设定额标准

根据上述方法进行计算，得到两种轮作制度下农田管道输水灌溉系统不同控制规模的单位投资，管道输水灌溉控制面积与单位投资关系如图3所示。

图3农田管道输水灌溉系统控制面积与单位投资关系

工程的单位投资随着控制面积的增大呈上升趋势。主要因为控制面积增大，设计流量变大，所需要的农田灌溉输水管道管径变大，管材的价格通常随管径增大呈指数上升趋势，导致管网投资增长幅度加大。由于计算中只考虑水源工程投资和管网工程投资，因此，两种轮作制度下单位面积投资差异不大。

农田管道输水灌溉系统建设中以管道投资为主，管径大小是影响系统单位面积投资以及系统控制面积的重要因素。有研究通过管径和投资作为约束确定管道灌溉系统控制面积的上、下限[15]，考虑宿迁河网圩区以小型提灌溉泵站为主，所以本文固定管道采用塑料管材的管径均为630 mm以下，作为模拟中控制面积的上限参考因素。两种不同种植模式下，得到的不同方案的内部收益率均在15%以上，大于基准折现率，故工程在经济上可行。在此基础上，比较不同系统控制规模下的年费用大小，对应年费用最小的系统控制规模即为适宜控制规模，模拟分析结果见图4。

图4管道输水灌溉控制面积与单位年费用关系图

由图4可知，随着管道输水灌溉系统控制面积的增大，年费用呈现先小后大的趋势，这主要是受动力费用和年折算费用两部分控制，动力费用随着控制面积的增大逐渐减小，而管网投资随着控制面积增大不断增加，且增长幅度较大，导致年折算费用逐渐增大。

通过年费用比较得到，宿迁市河网圩区稻麦轮作制度下，农田管道输水灌溉系统适宜规模范围在40～50 hm2，水稻蔬菜轮作制度下，适宜规模为45～55 hm2。

通过计算可得到宿迁市河网圩区农田管道输水灌溉系统以适宜控制规模下的系统建设定额标准。稻麦轮作区，采用塑料管材、并对应单向灌排布置模式，农田管道输水灌溉系统单位面积投资在2.10～2.25万元/hm2，管长105～120 m/hm2；水稻与蔬菜轮作区，采用塑料管材、并对应双向灌排布置形式，农田管道输水灌溉系统单位面积投资在2.25～2.40万元/hm2，管长在105～120 m/hm2。

3 结 论

宿迁市河网圩区小型提水灌溉工程在应用农田管道输水灌溉技术时，应因地制宜，采用适用于不同作物轮作制度下灌溉排水要求的农田管道输水灌溉系统适宜的布置模式。稻麦轮作区农田管道输水灌溉系统宜采用单向灌排、沟-路-管的布置模式，系统控制规模为40～50 hm2，埋设管道105～120 m/hm2，管道投资约2.10～2.25万元/hm2；水稻蔬菜轮作区，农田管道输水灌溉系统宜采用双向灌排、灌排相间布置模式，系统控制规模为45～55 hm2，埋设管道105～120 m/hm2，管道投资约2.25～2.40万元/hm2。上述指标可为该地区制订农田管道输水灌溉工程发展规划和进行项目技术审查提供参考，以保证兴建项目技术合理、发挥应有的效益。