水利工程节水灌溉设计与规划的优化措施探讨

摘要：在我国经济平稳快速的增长过程中，要考虑经济增长的可持续性，水资源的污染、浪费、短缺等制约着我国农业发展和经济建设。水利工程的节水灌溉设计与规划可以解决水资源短缺问题，推进农业和社会经济稳定发展。基于此，本文首先介绍喷灌技术、微灌技术、滴灌技术等节水灌溉技术，然后阐明水利工程节水灌溉设计中的设计原则、设计规定和节水灌溉规划，最后提出解决措施，以期不断优化和完善水利工程节水灌溉作业，推动农业可持续发展。

关键词：水利工程；灌溉设计；规划

一、水利工程中对节水灌溉技术的认识

节水原则作为灌溉工程设计的首要原则，是通过各种高效的节水灌溉技术来实现的。随着技术的发展和国际上对农业节水的关注，出现了新的灌溉方式。现阶段，我国普遍采用的高效节水灌溉技术主要包括喷灌技术、微灌技术和滴灌技术。

（一）喷灌技术

喷灌技术作为一种高效、自动化的灌溉技术，使用高压穿孔管或喷嘴进行灌溉，比漫灌节水30%，已在世界范围内得到广泛应用。喷灌主要用于大田密植作物，到2022年底，我国喷灌总面积为4.6兆公顷，占全国灌溉面积的6.3%。当然，作为最早的节水灌溉技术，喷灌在冠层截水、能量平衡和喷灌作物小气候等方面还存在缺陷。

（二）微灌技术

微灌技术是继喷灌技术后诞生的一种节水灌溉技术，是在喷灌技术基础上的进一步优化，比喷灌节水50%。微灌技术基本原理与喷灌相同，只是水压、流量、水滴都比喷灌微小，故称为微喷灌，主要应用对象是菜地、花卉、草坪或大棚内作物。因为微灌只有一个喷微头，喷洒面积仅几平方米，可以实现局部灌溉，所以比喷灌更节水，比沟灌节水50%～70%。但微喷头出水口直径仅1mm，对水质的要求较高。

（三）滴灌技术

滴灌技术是目前较先进的节水灌溉技术，理论上，水的利用率达0.98，是一种使用低压润湿土壤离散部分的节水灌溉技术，变传统灌溉的“浇地”为“浇作物”，是灌溉理念上的创新和转变。相比喷灌和微灌，滴灌在速生林、葡萄园、果园和城市绿化的灌溉中更加适用。截至2022年底，我国滴灌总面积为628万公顷，占全国灌溉面积的0.085%。实际上，水质过滤对滴灌而言很重要，因为沉积物和藻类会堵塞滴灌器、起泡器和微喷头上的小开口，影响滴灌的流速，使得滴灌流量在2～7.5L/h?1之间。

二、水利工程节水灌溉设计

（一）设计规定

设计灌溉工程，需要考虑许多变量。灌溉工程要遵循住建部和质监局联合发布的《灌溉与排水工程设计标准 GB50288－2018》中，对水库建筑物（包括各种拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞等）以及泵站、水闸、隧洞等排洪建筑物的设计规定。现阶段，国内灌溉工程设计主要应用三种数学模型，即流体动力学模型、零惯性模型和运动波模型，在灌溉工程的渗透和径流方面，三种模型之间没有明显差异，模拟的准确性都较高，可以用来评估和改进灌溉工程性能。但在流入率方面，运动波模型不如零惯性模型准确，较低的误差为1.2%（恒定流入率），较高的误差为11.2%（增量流入率）。当然，模型的模拟精度取决于输入因素，尤其是入流率、入渗方程系数和曼宁粗糙度系数。

（二）设计原则

1.宏观理念

基于现阶段农业生产灌溉所需和节水农业的发展战略，应秉承节水原则、经济原则和统筹原则。其中，节水原则要求灌溉工程设计在水资源短缺的背景下，努力获得或维持水资源的科学利用，确保农业生产的可持续性，这也是灌溉工程设计的首要原则；经济原则要求降低灌溉工程的建设成本，避免农民利益受损，提高农民经济收益，这也是灌溉工程设计的基本原则；统筹原则要求灌溉工程的设计统筹灌溉基础设施以及更广泛的环境背景和外部参与者互动，在内部和外部挑战和冲突中集成灌溉工程的可持续性基础，这也是灌溉工程设计的核心原则。

2.细节操作

第一，安全设计。渠道工程或布置渠道过程中，应结合山地坡度、土壤条件、作物种植类型、梯田宽度、相邻梯田落差以及水源条件等实际情况进行选择，最大程度上保障险段、高填方、深挖方的安全。在设计山丘地形渠道时，要具备合理的泄洪设施和排洪设施，确保沿线干渠地质条件，沿渠修建泄水闸和溢洪堰，充分利用集中落差，提、引、蓄相结合，避开破裂带和风化岩层。

第二，下山渠道灌溉。渠道灌溉包括渠首工程、输配水工程和田间工程。从水源取水，通过渠道及附属建筑向农田供水、灌水，在高处布置浇灌渠道，在低处布置与之相对应的排水沟道，实现自流排水、自流浇灌，但灌区干渠渠线较长、弯曲多，深挖高填渠段多，沿渠交叉建筑物多。支渠渠道流量较小，多为垂直等高线布置，坡度陡，落差大（大于10m），由于跌水口单宽流量过大，对下游渠道的冲刷较重，上游的高速水流挟带泥沙容易造成下游渠道淤积，衔接处容易被冲毁。基于此，可通过渠、塘、库，连通地下水和地表水，布置渠道线路应确保整齐、直顺，避开建造物的交错，结合当地地貌、地形，对所有灌区的面积实现自流控制，在干渠一侧引出支渠，避免水土流失，拦截山洪。

（三）灌溉工程中节水技术的设计

1.渠道的防漏设计

由于渠道长期承受水流的冲刷和压力，难免出现渠道侧漏问题，不仅会影响灌溉工程的工作效率，还会造成水资源的浪费、生态破坏和经济损失。为此，必须采取有效的防护措施，在灌溉工程的设计初期，进行防漏设计。例如，外水内渗的涵洞（管）或沿渠道外壁纵向漏水时，做止水环或回填土壤材料，堆放在渠道顶部和下游斜坡上，修复渠道的设计轮廓，防止洪水期间渠道溢流的冲刷，提高渠道的可靠性和维护盈利能力。如果漏水范围大的涵洞，需套管（钢管或钢筋混凝土管）或内衬（用钢板、钢筋混凝土或预制钢筋混凝土块）；或用快凝桐油石灰胶剂勾缝、抹面，解决中小型砌石方涵灰浆脱落和砌缝不严的问题。

2.渠道防溢设计

与渠道侧漏相比，渠道溢渗水问题在水利工程节水灌溉工作中较为常见。在设计中，应以改善土体强度特性、提高土体稳定性、防止水流通过土体过滤为主。将溢洪道布设在水库右岸垭口位置，将渠进口被设置在河湾的上游位置，将放空隧道给设置在河岸溢洪道旁，控制在溢洪道渠下方45m左右的位置，在土渠内增加一层防渗水的内衬（由混凝土与砌石两种材料构成），经过这种技术处理的输水渠道在使用时可节约50%的水量，确保溢洪道设置的合理性与科学性，满足承载能力、抗滑稳定性、地基变形、渗流控制、抗冲及耐久性。

3.管道输水的设计

管道输水是指利用管道将水输送至农田的灌溉方式，管道输水的密闭性较强，可以降低水在输送过程中的渗漏量和蒸发量。它的设计可分为三类，按压力获取方式分为机压输水系统和自压输水系统，按管网形式分类分为树状网和环状网，按固定方式分类分为移动式、半固定式和固定式，如表1所示。在设计时应考虑管道的布局于水量的分配和取水方式问题，确保输水管道的密封性，避免松弛、泄漏现象的发生。该设计可以避免占用大量耕地，具有节水以及大流量的优点，适合在水源丰富的地区使用。

4.微喷的设计

灌溉用水资源不足是全球可持续粮食生产的主要挑战。利用滴灌和喷灌系统等微灌系统，不但可以提高作物种植中的灌溉效率，还可以提高作物产量、节约用水和能源，适用于边际土地。目前，采用微灌方法可以分别节省约50%～90%、31%和29%的水、能源和肥料，使农民收入水平提高42%。在设计方面，需要根据该地区的年平均降雨量、年潜在蒸散量、作物种类和数量以及土壤类型等，明确每种设备的具体参数。

三、水利工程节水灌溉规划

为确保水利工程节水灌溉系统的可靠运作，需要制定一套科学、完善且行之有效的施工规划，旨在为水利工程节水灌溉施工提供保障。为此，要做好水利工程节水灌溉施工准备工作、施工方案与技术措施确定工作，具体论述如下：

（一）准备工作

1.技术准备

主要包括组织人员的选取、施工图纸复审、施工方案制定和编制。其中，组织人员的选取主要是落实项目部成员和项目施工成员；施工图纸复审主要由项目部成员会审提交的图纸；施工方案制定和编制是在图纸复审结果基础上，基于施工图纸进行施工方案的确定和编制。

2.施工准备

主要包括全面检修进场施工的机械设备，以确保施工前设备运转正常。此外，编制施工计划，安排施工顺序，协调各工序及各专业间的配合工作。

3.现场准备

主要包括熟悉现场的地理位置、工地条件、供水供电状况以及出入口位置，做好施工现场“三通”，以此满足现场施工的需求。

（二）施工方案与技术措施确定

1.工艺流程

通常，水利工程节水灌溉工程施工包括水渠施工、蓄水池施工、泵站工程、灌溉工艺、工程质量检测与验收等不同环节，每个环节由不同的施工部分组成。

2.施工测量

进场后根据监理单位提供的工区范围内导线点及水准点的基本数据建立工程测量控制网，以保证施工放样、定位的准确性。每开挖一个单元前，进行边线及高程放样。

3.施工清理

对测量出的清理范围，用人工或机械清除该范围内的全部有碍物，范围外的清理按监理单位要求进行。

4.土方开挖

场地清理完成后，采用1.0m3反铲配5t自卸汽车开挖，运输至弃碴场。

5.质量检测与验收

施工完成后要进行质量检测与工程验收。具体标准为砌体坚实牢固，勾缝平顺，无脱落现象；泄水孔坡度向外，无堵塞现象。沉降缝整齐垂直，上下贯通。

四、解决措施

（一）选择更加标准的方案，规范节水技术使用，强化科学管理

水利工程节水灌溉在于储存和重新分配给植物的水量之间存在平衡，有助于实现恒定流量，提高灌溉的均匀性。为此，应选择更加标准的方案，规范节水技术使用，强化科学管理。在这一方面，设计考虑需要两个主要标准：第一，设计的水利工程节水灌溉足以进行每周灌溉；第二，设计的水利工程节水灌溉满足最低15mm/h的用水率。根据第一个标准，设计的水利工程节水灌溉必须每天灌溉285m2（2000m2/7d），灌溉量为57m2/h（285m2/5h）。为了满足第二个标准，设计的水利工程节水灌溉必须达到800L/h。据此计算，7.5m×7.5m地块单元微喷灌系统布置中，每个微喷头的设计出水量计算为35L/h。

（二）改进输水渠道，确保工程效果

在水利工程节水灌溉中，水被泵送到高出地面的临时蓄水池，在此过程中，获得相当于0.42kgf/cm2水压。蓄水池附有微喷灌系统，设计使水的施用量等于进入蓄水池的水量。因此，蓄水池中的水位可以保持平衡，并为连接的灌溉系统提供恒定的压力，确保连接灌溉系统的用水量均匀。在此基础上，基于流动条件的理论考虑，确定主管、支管和微喷头等各种部件的规格，如表2所示。

如表2所示，选择主管（直径50mm）、支管（直径25mm）和微喷头（30L/h）。计算的主干和支流水头损失分别为0.006m和0.662m。因此，3.5m的可用净水头足以操作选定的微喷头。

（三）明确设计主体，确保方案科学化、标准化

水利工程节水灌溉要求管段中的水流动条件保持一致。因此，基于雷诺数准则，为了保持管道输送水的层流，水利工程节水灌溉的雷诺数必须保持小于2100（层流条件下雷诺数的阈值）。其中，雷诺数定义为流动液体的惯性力与摩擦力之比，液体的惯性力和摩擦力分别用液体的密度和粘度表示。

五、结语

综上所述，做好水利工程节水灌溉设计与规划的优化对保障农田生产、增产增收具有十分重要的现实意义。在水利工程节水灌溉设计与规划中，选择更加标准的方案，改进输水渠道，确保方案科学化、标准化，有利于充分发挥水利工程节水灌溉效能，提高农田灌溉水平。

参考文献：

[1]黄莺音.水利工程规划设计与农田灌溉技术分析[J].农家参谋，2023（07）：182-184.

[2]赵艳伟.农业水利灌溉工程中的节水措施探讨[J].新农业，2023（01）：103-104.

[3]崔巍，李夏.农田水利工程节水灌溉技术探讨[J].长江技术经济，2022，06（03）：110-113.

[4]侯宇轩.节水灌溉技术在农田水利工程中的应用研究[J].农业灾害研究，2021，11（09）：166-167.

作者简介：耿静（1989），女，山东省临沂市沂水县人，本科学历，毕业于山东农业大学，中级工程师，主要研究方向为水利发展规划。