基于供需平衡理论下的高效能农田灌溉体系设计研究

温天玉

(湛江市高远工程咨询有限公司，广东 湛江 524000)

0 引 言

近年来，在典型的农业区，农业用水占用水总量的比例占绝大部分。随着工业化的不断加深，农业用水的空间不断被压缩，发展高效能的农业用水体系非常紧迫[1]。

目前比较高效的节水技术有微灌、喷灌和管道输水灌溉。根据相关测算，微灌技术节水比例可高达35%、而喷灌和管道灌水的节水比较也相应有30%和20%.与传统灌溉相比。可节省巨大的效益[2]。

文章以遂溪县农业工程灌溉体系改造工程为背景，按照总量控制、定额管理总体思路[3]，采用供需平衡理论对灌区的农业用水供需平衡计算，并且对灌区的现有农业供水系统进行高效能改造设计，以为类似农业灌溉工程提供规划设计参考。

1 灌区现状和供需平衡分析

1.1 项目区概况

遂溪县高效节水灌溉项目工程建设地点选址于界炮镇、杨柑镇、乐民镇、乌塘镇、草潭镇、城月镇、岭北镇、遂城镇、北坡镇9个镇，共计28个片区，总建设灌溉面积867hm2。各片区的灌溉水源主要来自打井取水，

项目区属亚热带海洋性气候，全年气温较高，年雨量充足，干湿季比较明显。项目区已初步形成能兼顾农业的社会效益、经济效益和生态效益的生态农业模式。主要种植经济作物番薯、甘蔗、香蕉、芦竹等，成片化管理生产。

项目区孔隙裂隙水和承压水等大量地下水资源可供开采，水位深度50m以上，水质较好，适宜人畜饮用和农业灌溉。该区域的潜水～微承压水钻孔出水量为100～800m3/d，中层承压水成井砂层总厚度 36～160m，单井出水量269～8525m3/d，深层承压水砂层总厚度52～265m，单井出水量1085～13917m3/d。

1.2 存在问题

目前水系主要存在以下问题：

1)水利基础设施仍然薄弱，项目区现有水利工程标准低、质量差，工程老化严重，年久失修，带病运行。自然灾害和人为破坏不断出现，造成水利工程的效益逐年下降。渠道淤积渗漏严重，渠系水利用系数仅为0.35～0.5，造成水浪费严重。

2)节水灌溉建设规模较小，无法形成高效效益, 遂溪县的节水灌溉的针对性比较强，哪里干旱严重就在哪里实施。没有经过系统的规划，造成错漏和混乱，且规模较小，无法形成高效益。

3)节水管理有待加强，项目区节水管理的有效机制尚未建立，节水管理处于被动状态，未能形成一套适应市场经济的积极运行模式；同时，节水定额标准现状混乱，节水管理缺乏统一的管理制度。

2 项目区供需平衡分析

2.1 灌溉体系的必要性

节水灌溉是解决当地水资源供需矛盾的重大措施项目区水资源总量丰富，但时空分布不均匀，枯季降雨量不足全年降雨量的20%，枯水期与特枯水年缺水严重。实施高效节水灌溉增效项目，能够极大提高单方水农业产出，使有限的水资源发挥更大的效益，促进农业种植结构调整，转变农业灌溉发展方式，才能提高农业用水效率，在有限的水资源条件下，保障更大规模的农业现代化发展用水需求，提高当地抗旱减灾能力，推进当地现代农业发展。

建设高效的节水灌溉工程，能够改善农田水利基础设施，保护和改善生态环境。

2.2 灌区水资源利用现状和供需分析

本县地表水、地下水的资源量和可利用量，确定县域内的水资源总量和可利用总量。项目区水资源总量及可利用量汇总表，见表1。

表1 项目区水资源总量及可利用量汇总表

项目区现状年用水总量45700万m3，其中农业用水38470万m3，占用水总量的84.18%。

根据本区经济社会发展需求，参照县域内相关专项规划成果，按照工业、生活和灌溉等用水定额。分别预测到规划水平年工业、生活、生态与环境、灌溉保证率50%、75%、90%时的灌溉蓄水量以及除灌溉 之外的林、牧、渔等蓄水量。各水平年用水需求预测表，见表2。

表2 各水平年用水需求预测表 万m3

按照“先生活后生产，先节水后开源”水资源利用原则，根据本规划对项目区的可供水量和需水量预测成果，进行项目区各乡镇水资源的供需平衡计算[4]。对项目区年均水资源供需平衡进行计算，各水平年水资源供需平衡分析表，见表3。

表3 各水平年水资源供需平衡分析表 万m3

项目区各乡镇的水资源可利用量能满足其社会发展的要求；从水资源利用状况和发展预测来看，农田用水占全县用水总量的比重大，在控制农业用水总量的情况下，增加灌溉面积，农业节水意义重大，尽快完成项目的节水灌溉工程建设。

目前，全县节水灌溉技术推广力度不够，农业高效和产业化发展片区较小，尚未形成大范围的实施。通过水资源供需平衡分析与评价，项目区水资源量可以满足工程用水需求，水资源量可行。

遂溪县区域平均地下水年补给量为65.8万m3/km2，根据各片区当地已有的饮水安全项目打井经验，机井深度80～250m之间时，本次规划取为平均深度80～150m，单井出水量能达到20m3/h。本次规划机井设计单井出水量为20m3/h，平均每天工作20h计，每年按250d计；每口机井灌溉面积按13.3hm2考虑。分别计算得各片区可供水量，根据农作物灌溉定额，综合水利用系数取为0.95，可计算得各片区需水量，水量平衡计算成果，各片区水量平衡计算表，见表4。

表4 各片区水量平衡计算表

3 灌溉体系设计方案

遂溪县高效节水灌溉项目建设共计28个片区，总建设灌溉面积867hm2。其中建设微喷灌面积806.7hm2，滴灌工程60hm2。综合考虑遂溪县的水文、气象以及项目区的水源情况等，本次设计采用的灌溉设计保证率为90%。

3.1 小型水源工程设计

本项目共计建设工程首部水源75处，蓄水池3座，机井75处。机井安装潜水泵76台，配建泵房75座。

机井根据各片区的地形、地貌和水文地质条件等来确定，结合各片区的小区划分来布置，遵循尽量布设在控制小区的中央，以使管道总长最短的原则。根据本次规划的项目及项目区的地下水资源情况，初步确定本工程机井采用井深为80～150m，井直径219mm。

3.1.1 机井设计

本工程设计机井共86眼，其中新建机井75眼，设计井深为80～150m，利用原有旧井11眼，井深为80～100m，机井静水位30～60m，出水量为20t/h。

新建机井井孔的钻孔直径为500mm。上部井管选用ф273mm无缝钢管，下部井管选用ф219mm无缝钢管，上部和下部比例为7∶3。首部泵房为井房式，砖混结构，共75座，尺寸为2.82m×2.82m×3.2m，建筑面积约7.8m2，选用井用潜水泵，打井为深水井，考虑到枯季时井水位较低，根据水泵所需流量和扬程，通过咨询查询潜井泵参数，在高效区进行选泵，总共安装水泵85台。

3.1.2 蓄水池设计

规划项目区蓄水池3座。新建500m2蓄水池1座，位于遂城镇草塘村，蓄水池扩容防渗处理3座，对乐民镇余村原蓄水池进行扩容防渗至500m2，对北坡镇碑头村原蓄水池进行扩容防渗至2000m2。蓄水池底部和边坡浇筑C20混凝土，水池周边设刺绳铁丝围栏。

3.2 输配水工程设计

主要采用PVC-U管道和微喷带进行输配水，在布设时遵循输水干管沿等高线布设，支管主要沿垂直等高线布设的原则[4]。蓄水池在水井至田头输配水中起到调蓄作用，在布设时遵循布设于其控制小区地势最高处，以尽可能利用其实现自流灌溉的原则[5]。

3.2.1 管灌工程设计

项目区根据机井分布、区内道路及地界等情况，微喷灌面积将项目区分为81个灌溉分区，每个灌溉分区控制耕地面积4～19.4hm2，水泵抽水直接灌溉系统81个，水池灌溉系统3个。

每个灌溉分区配机井一眼。灌溉输水管道分三级布置，干管、支管二级管道为固定管道，埋于地下，末级管道为移动软管。根据机井在灌溉分区中所处的位置，管网布置型式有圭字形、王字型和梳齿型三种。支管间距约100m，出水口间距约50m，单个出水口控制面积约为0.5hm2。

3.2.2 灌溉制度

计算出需水流量大于水井设计流量20m3/h，不满足灌溉要求。根据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T20203-2006)要求，当水源或已有水泵流量不能满足需水流量要求时，取水源或水泵流量作为系统设计流量。因此取机井的设计出水量为系统设计流量，系统的设计流量为Q=20m3/h。

轮灌顺序上，系统由机井抽水上水塔进行灌溉，分两条干管进行灌溉。每一次灌溉时应只打开一条干管，两条干管分别运行，分为2个轮灌组。每次先运行一条干管不相邻的3条支管，每条支管同时开启两个出水栓，即每次同时开启6个出水栓，每个出水栓设计流量8m3/h。

根据水源位置、控制范围、地面坡度、作物种植方向等条件，水源位于田块中央，控制面积较大，故布置成梳齿形。管网布置详见低压管灌平面布置图。管道系统布置分二级，埋入地下0.8m。为方便管理使用，尽量沿田间路布置，支管间距100m左右，每隔50m留一出水口，用三通、竖管接出地面，竖管上端接给水栓。

3.3 田间工程设计

主要使用PVC-U管道和微喷带的铺设。田间工程主要结构为干管→支管→微喷带。根据灌溉分区的地形、土壤性质、地下水埋深等。

3.3.1 微喷灌典型设计

微喷灌工程典型设计所选地块长400m，宽190m，面积约6.7hm2。微喷灌灌溉系统布设结构如下：水源→水泵→100L施肥灌/施肥池→计量装置(水表、压力表)→干管→支管→微喷带。灌溉范围内从水源引出1条干管，干管长240m；干管对应有4条支管，每条支管长约130m，每条支管控制4个小区，共16个小区。微喷带的喷洒宽度为2～3m，喷洒高度为0.1～0.5m，根据作物生长间距以及微喷带喷水范围，沿支管呈“丰字形”每隔1m布置一条微喷带，每条微喷带长50m，每个小区布置48条微喷带，共有768条微喷带。

3.3.2 轮灌制度

轮灌制度上进行首部枢纽和管网布设。对地块进行分区，分为16个小区，设计灌水周期为5d，为提高管道利用率，降低工程投资，采用分组轮灌。根据方便运行管理的原则，本设计中将一个小区分为一个轮灌组。各轮灌组同时工作微喷带数相同，以利于水泵始终工作在高效区[6]，从而使系统保持相对稳定。

4 高效能灌溉体系评价与后期追踪

4.1 用水管理及节水技术模式

本次项目施行以总量控制、定额管理为核心的灌溉用水管理制度，建立项目区水资源管理和农业节水的长效机制。

采用低压管灌和微喷带进行灌溉的工程技术采用低压管道输水灌溉技术，可适应不同种类作物的灌溉要求[7]。并且在设计中考虑近期与远期相结合，经过适当改造，可改为小管出流或滴灌模式。

4.2 后期跟踪监测

本项目需提交项目监测数据搜集分析数据报告，反映项目建设效益。本项目通过技术支援工作小组进行灌溉试验和监测分析，总结节水增产成果，完成项目监测数据分析报告[8]。针对本项目的特点，制定了以下试验观测方案：

1)选定1处具有代表性的打井提水灌溉区域作为实验观测小区，小区面积约60hm2，进行跟踪监测。监测项目区主要作物的灌溉制度，全生长期内作物需水量以及作物灌溉效益等。

2)对未采取节水灌溉措施的区域，对相应作物的用水量和产量等情况进行调查，以获得对比数据。

3)对采取节水灌溉措施和未采取节水灌溉措施两种形式下的相应数据进行对比、分析，完成年度监测数据分析报告和总结评估报告，总结高效节水灌溉的节水增产效益和经验。

5 结 论

文章主要围绕遂溪县农业灌溉区供水平衡不足，灌溉低效，用水浪费，体系不足等问题，采用供需平衡分析，进行灌区的高效能节水体系设计。有效解决当地农业生态环境以及干旱缺水的问题，促进了本地区土地资源的开发利用十分有利。改善了灌溉条件和农田小气候，对作物生长有利。改善和新增了灌溉面积，提高了土地生产力，促进了粮食作物，增产增收。

农业灌溉区高效能体系的建设不仅需要科学的规划建设和改造，更需要提升农民参与工程建设与管理，带动农民群众发展节水灌溉的积极性。文章在研究提升农民节水灌溉的积极性和制度建设方面有所不足，这也是协同建设高效能灌溉体系的重要组成部分。