沈圣云

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

田間工程是農(nóng)業(yè)供水工程中的最末端工程，發(fā)揮著重要的農(nóng)田灌溉作用。其具體是指末級固定渠道控制范圍內(nèi)的臨時性或永久性灌排設(shè)施、土地平整工程、田間道路及防風(fēng)林帶等的總稱[1]。研究表明，田間級工程的建設(shè)與管理是作物生產(chǎn)的關(guān)鍵，在已有骨干系統(tǒng)的灌區(qū)，規(guī)劃、設(shè)計及建設(shè)田間工程是提高農(nóng)業(yè)用水效率和灌溉效果最有效、最簡便的途徑之一[2]。近年來，我國農(nóng)田水利事業(yè)進(jìn)步巨大，先后發(fā)展、建設(shè)了農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、田間溝渠系統(tǒng)布置、地下灌溉排水等工程[3- 7]，促使田間工程也取得了較大成就。

然而，田間工程快速發(fā)展的同時，也出現(xiàn)了一些問題。其中較為突出的問題是，由于規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)及管理等階段的不合理操作，導(dǎo)致田間工程水量損失嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，田間工程中的水量損失率達(dá)18%左右，且北方地區(qū)的灌溉用水效率低下，平均灌溉水利用率不到0.45，僅為發(fā)達(dá)國家的56.2%～64.3%[8- 9]。故提高田間工程的用水效率是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及供水工程研究與發(fā)展的重中之重。其中，健全田間工程的規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)，并加強(qiáng)初期效益評估，從設(shè)計源頭對田間工程質(zhì)量加以預(yù)判和把控，對減少田間水量損失，充分發(fā)揮灌排工程效益，具有十分重要的意義。此外，田間工程的設(shè)計與建設(shè)還需因地制宜，不同地區(qū)、不同項目的田間工程設(shè)計與建設(shè)不盡相同，需綜合考慮氣候環(huán)境、地理因素、土壤狀況及地質(zhì)條件等因素。

本文以甘肅中部生態(tài)移民扶貧開發(fā)供水工程中的田間工程為例，依據(jù)實際情況對該典型案例的灌溉模式進(jìn)行設(shè)計，并對其經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)效益進(jìn)行分析評估，以期為項目建設(shè)的具體實施、后期運(yùn)行及相關(guān)研究等提供依據(jù)和參考。

2 工程概況

甘肅中部生態(tài)移民扶貧開發(fā)供水工程項目區(qū)位于甘肅省白銀市，涉及靖遠(yuǎn)縣、平川區(qū)，共計16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，138個行政村[10]。該工程新發(fā)展了30萬畝灌區(qū)田間工程。本文綜合考慮工程分布、地形地貌等特點，選定位于靖遠(yuǎn)縣東升鄉(xiāng)的王家廟典型片區(qū)為案例進(jìn)行研究。該片區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，地勢起伏較大，地塊被數(shù)道山梁分割呈雞爪狀，分為賀寨柯川、車路梁溝、路寨柯溝、上川、半川等支叉，各支叉寬約200～500m，長度約3～6km。地勢南高北低，海拔1860～1760m，落差100m。土地類型主要為溝谷地，土層深厚大于1.5m，土壤類型為灰鈣土。種植作物以小麥、玉米、枸杞及馬鈴薯等為主。

本文所選王家廟片區(qū)的面積約占發(fā)展總灌溉面積的2.50%，符合相關(guān)國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。并經(jīng)計算分析，研究區(qū)在土地適灌性、地形地貌、灌溉模式及種植作物等方面均可較好地代表和反映新發(fā)展灌區(qū)的整體情況與特點。

3 田間工程設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

(1)因地制宜、尊重現(xiàn)狀。充分考慮地形地貌特點，采用相適應(yīng)的灌溉模式，并充分考慮灌區(qū)實際，盡可能利用現(xiàn)有水利設(shè)施。

(2)節(jié)能優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)適用。“高水高用、低水低用”布置，并盡可能做到高壓區(qū)布置微灌，低壓區(qū)布置管灌。優(yōu)化多方案比選，做到經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行便利，便于規(guī)?；?jīng)營。

3.2 典型案例區(qū)設(shè)計

研究區(qū)地形地貌條件復(fù)雜，在綜合考慮各方因素下，確定采用多模式綜合灌溉方案，系統(tǒng)中包含管灌、大田微灌和溫室滴灌多種灌溉模式，并充分利用地形落差實現(xiàn)自壓灌溉。

研究區(qū)靠近黃河主干河道，水源取自黃河。但黃河水泥沙含量較大，故在田間工程中設(shè)置沉沙池，具體采用：微灌工程“渠道+沉沙池+自流(或加壓)+微灌系統(tǒng)”模式，管灌工程“渠道+自流(或加壓)+管灌系統(tǒng)”模式。

3.2.1系統(tǒng)總體布置

結(jié)合支渠供水條件，王家廟典型片劃分為3個系統(tǒng)，分別由3座沉砂池供水，如圖1所示。

1#系統(tǒng)利用現(xiàn)有水池沉砂，高程1830m，灌溉上川、半川2763畝。1825m以上，壓力不足布置加壓管灌；1825～1800m之間，布置自壓管灌；1800～1770m之間，布置自壓微灌。

2#系統(tǒng)新建沉砂水池，高程1850m，灌溉賀寨柯川2266畝。1820m以上，布置自壓管灌；1820m以下地形落差70m，采用分區(qū)自壓微灌，分區(qū)地形落差20～30m，即分為1820～1790m、1790～1770m、1770～1750m三個分區(qū)，分區(qū)間采用“減壓閥+減壓池”方案隔斷動靜水壓力。

3#系統(tǒng)新建水池沉砂，高程1850m，灌溉車路梁溝、路寨柯溝2458畝。1820m以上，布置自壓管灌；1820m以下地形落差60m，采用分區(qū)自壓微灌，分區(qū)地形落差10～30m，即分為1820～1790m、1790～1780m、1780～1760m三個分區(qū)，分區(qū)間減壓方案同2#系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)中輸配水管均為PVC-U管，輔管采用低密度PE管。由于整個王家廟典型片僅布置1個面積300畝的溫室滴灌系統(tǒng)，擬種植蔬菜，不參與文中的經(jīng)濟(jì)效益預(yù)估，因此對滴灌系統(tǒng)設(shè)計本文不做描述。

圖1 研究區(qū)總體布置示意圖

3.2.2管灌工程設(shè)計

(1)管道設(shè)計流量計算

(1)

式中，Q0—系統(tǒng)流量，m3/h；A—灌溉面積，畝；?i—灌水高峰期第i種作物的種植比例，系統(tǒng)內(nèi)種植作物單一，取值1；Ti—灌水高峰期第i種作物的灌水周期，取17d;mi—灌水高峰期第i種作物的灌水定額，取50m3/畝；t—日供水小時數(shù)，取12h/d；η—灌溉水利用系數(shù)，取0.85。

計算得，管灌工程系統(tǒng)的設(shè)計流量為49.00m3/h。

(2)管網(wǎng)水力計算

管道沿程水頭損失計算：

(2)

式中，hf—管道沿程水頭損失，m；f—摩阻系數(shù)，取0.464；Qg—管道流量，L/h；D—管道內(nèi)徑，mm；L—管道長度，m；m—流量指數(shù)，取1.770；b—管徑指數(shù)，取4.770。

經(jīng)計算，管網(wǎng)中干管的沿程損失為0.34m，支管的沿程損失共計5.09m。

管道局部水頭損失計算：按沿程水頭損失的10%估算，干管的局部損失為0.34m，支管的局部損失共計0.51m。

(3)管徑計算

(3)

式中，D—計算管徑，mm；Q—設(shè)計流量，m3/h；v—經(jīng)濟(jì)流速，m/s，參照塑料管流速(1.0～1.5m/s)選取。

經(jīng)計算，管道設(shè)計直徑為160mm、壁厚為4.0mm、內(nèi)徑為152mm；管道設(shè)計壓力為0.4MPa。

3.2.3大田微灌設(shè)計

(1)設(shè)計參數(shù)。①設(shè)計耗水強(qiáng)度：枸杞取2.7mm/d，馬鈴薯取3.0mm/d；②土壤計劃濕潤層厚度：枸杞取70cm，馬鈴薯取35cm；③土壤濕潤比：枸杞取50%，馬鈴薯取90%。④土壤適宜含水率：枸杞、馬鈴薯等均取田間持水率的60%～90%；⑤設(shè)計滴頭流量偏差率取qv=20%。

(2)灌溉制度

最大灌水定額計算：

(4)

式中，mmax—最大灌水定額，mm；γ—土壤容重，取1.38g/cm3；z—土壤計劃濕潤層深度，枸杞取70cm、馬鈴薯取35cm；p—設(shè)計土壤濕潤比，枸杞取50%、馬鈴薯取90%；θmax—適宜土壤含水率上限，取田間持水率的90%；θmax—適宜土壤含水率下限，取田間持水率的60%；θ—田間持水率，取23%(質(zhì)量比)；η—灌溉水利用系數(shù)，取90%。

設(shè)計灌水周期計算：

(5)

式中，Tmax—最大灌水周期，d；Ia—設(shè)計供水強(qiáng)度，mm/d。

一次灌水延續(xù)時間計算：

(6)

式中，t—次灌水延續(xù)時間，h；Se—灌水器間距，枸杞取0.5m、馬鈴薯取0.3m；S1—毛管間距，枸杞取2m、馬鈴薯取0.8m；qd——灌水器設(shè)計流量，枸杞取3L/h、馬鈴薯取2.1L/h。

上述計算結(jié)果詳見表1。

表1 微灌灌溉制度計算表

(3)系統(tǒng)流量計算

(7)

Ia=Ea

(8)

式中，Qs—水源可供水量，m3/h；Ia—設(shè)計供水強(qiáng)度，mm/d；A—灌溉面積，hm2；Ea—設(shè)計耗水強(qiáng)度，mm/d；td—水泵日供水小時數(shù)，取12h/d；η—灌溉水利用系數(shù)，取0.9。

(4)灌水小區(qū)水力計算

滴頭允許工作水頭偏差計算：

(9)

Δh=hvhd

(10)

式中，hv—灌水器水頭偏差，%；x—灌水器流態(tài)指數(shù)，取0.5；Δh—允許水頭偏差，m；hd—灌水器工作水頭，取10m。

計算得，灌水器水頭偏差為41%，允許水頭偏差為4.12m。

毛管極限長度計算：

Lm=S(Nm-1)+S0

(11)

式中，Lm—毛管極限長度，m；Nm—毛管的極限分流孔數(shù)；S—分流孔間距，m；S0—毛管進(jìn)口至首孔的距離，m。

輔管按雙向布設(shè)毛管，對不同的毛、輔管分配比進(jìn)行了試算，綜合考慮田塊規(guī)格，確定輔管布置長度取25m，毛管布置長度取70～75m。

(5)系統(tǒng)工作制度及輪灌組劃分

最大輪灌組數(shù)計算：

(12)

式中，Nmax—最大輪灌組數(shù)；N—輪灌組數(shù)；C—設(shè)計日工作小時數(shù)，取12h。

經(jīng)計算，枸杞最大輪灌組數(shù)12組，馬鈴薯最大輪灌組數(shù)31組。

(6)管徑設(shè)計

大田微灌用管包括輔管和滴灌管，其直徑分別為63、16mm。枸杞滴灌采用內(nèi)徑16mm、壁厚1.0mm的滴灌管，滴頭間距為0.5m，設(shè)計流量為3.0L/h。馬鈴薯滴灌采用一次性滴灌帶，內(nèi)徑16mm，壁厚0.2mm，滴頭間距為0.3m，設(shè)計流量為2.1L/h。

4 工程效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益評估

該田間工程建成后，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件將明顯改善，水資源利用效率將有效提高，整體灌溉條件、作物產(chǎn)量等將得到改善和提高。灌溉與增產(chǎn)、增收密不可分，故將灌溉增產(chǎn)、增收效益作為經(jīng)濟(jì)效益的分析對象，并選擇糧食作物總產(chǎn)量作為評價灌溉增產(chǎn)效益的計算指標(biāo)。計算公式為[11]：

B1=(Q1-Q0)×pr×εa

(13)

式中，B1—供水工程建成后灌溉增產(chǎn)效益，元；Q0、Q1—建前和建后糧食作物的產(chǎn)量，kg；pr—糧食單價，元/kg；εa—增產(chǎn)效益分?jǐn)傁禂?shù)，取0.4[12]。

通過調(diào)研分析[13- 15]，研究區(qū)種植的小麥、玉米、馬鈴薯及枸杞等主要作物，在灌溉條件下的產(chǎn)量相對于旱地條件，可分別提高161.47%、116.02%、86.67%、142.78%。通過公式(13)計算得出灌溉增產(chǎn)、增收效益，見表2及圖2。

圖2 研究區(qū)主要作物增產(chǎn)、增收效益分析圖

根據(jù)表2和圖2結(jié)果，該工程實施后(灌溉面積0.7487萬畝)，可使當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶年經(jīng)濟(jì)收入總量增加約408.61萬元，平均每畝年效益增加787.45元左右，且該工程80%以上實現(xiàn)了自壓灌溉，極大節(jié)約了電力成本。

4.2 社會、生態(tài)效益評估

4.2.1社會效益評估

(1)糧食安全

糧食安全與社會的和諧、政治的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)，在社會效益中占有舉足輕重的地位。田間灌排工程、引水工程及渠道的整修能一定程度提高水資源利用效率，有利于種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能提高糧食產(chǎn)量，保證糧食產(chǎn)量安全。此外，修建的蓄水池、沉砂池等工程，可用于儲蓄天然降水及灌溉退水等，可有效減少水資源廢棄。

(2)脫貧致富

該工程的建設(shè)對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)新技術(shù)、新設(shè)備的引進(jìn)與應(yīng)用有促進(jìn)作用，并可轉(zhuǎn)變農(nóng)戶的傳統(tǒng)耕作觀念，促使當(dāng)?shù)赝恋匦螒B(tài)產(chǎn)生巨大改變，農(nóng)業(yè)用地從旱地靠天吃飯，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝Ч?jié)水的灌溉土地。對合理運(yùn)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理方法，催生當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)多元化、農(nóng)產(chǎn)品多樣化發(fā)展，可使項目區(qū)內(nèi)的農(nóng)戶的生產(chǎn)條件得到相應(yīng)改善，同時也可帶動其他行業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步激發(fā)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)行業(yè)的發(fā)展勢頭，進(jìn)而解決部分就業(yè)問題。此外，將有力改變當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的生產(chǎn)、生活條件，對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量提高、農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，提供了堅實的設(shè)施基礎(chǔ)；有助于保障貧困地區(qū)飲水、灌溉安全，提高農(nóng)民的年均純收入，改善農(nóng)民的生活和生產(chǎn)質(zhì)量，逐步實現(xiàn)脫貧致富和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

表2 典型案例研究區(qū)主要作物增產(chǎn)和增收效益分析表

選取農(nóng)民人均純收入作為評價脫貧致富作用的計算指標(biāo)。計算公式為[13]：

B2=(e1×P1-e0×P0)×β

(14)

式中，B2—建后農(nóng)田水利工程對脫貧致富的影響，元；e0、e1—建前和建后的農(nóng)民人均純收入，元/人；P0、P1—建前和建后該片區(qū)人口，由于短期內(nèi)人口增加不顯著，故P0、P1取相同數(shù)值；β—農(nóng)田水利工程對脫貧致富的貢獻(xiàn)度，取53.15%[13]。

經(jīng)計算，該農(nóng)業(yè)田間工程實施后，可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富增收542.94萬元。

4.2.2生態(tài)效益評估

(1)水環(huán)境改善效益

水環(huán)境改善效益評估的任務(wù)是評價和分析工程建設(shè)對相應(yīng)地區(qū)內(nèi)地表水質(zhì)及地下水環(huán)境、水體保護(hù)與修復(fù)等方面的影響狀況?？蛇x擇農(nóng)田灌溉量、排出水硝態(tài)氮濃度作為該評估的計算指標(biāo)。計算時采用等效替代法，將水質(zhì)改善的效益轉(zhuǎn)化成為項目建后達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需增加的投資費用。計算公式為：

B3=W×αD×(cs×cm)×Pc

(15)

式中，B3—建后水環(huán)境改善效益，元；W—農(nóng)田灌溉量，m3，經(jīng)調(diào)研知，研究區(qū)農(nóng)田畝均灌溉用水量538m3；αD—退水量與灌溉量的比值，有研究表明，退水量隨灌溉量的增大而增大，在優(yōu)化灌溉節(jié)水條件下退水量占灌溉量的35%，即αD=0.35；Cs、Cm—氮質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)值及測量值，Cs取 2.0mg/L[16]，Cm取0.9mg/L[17]；Pc—氨氮處理成本價格，取2萬元/t[18]。

經(jīng)計算，該農(nóng)業(yè)田間工程實施后，可對該地區(qū)水環(huán)境改善的效益達(dá)414.26萬元。

(2)生物多樣性與人居環(huán)境

該工程位于騰格里沙漠的南緣，荒漠化治理一直是人民重點關(guān)注的生態(tài)問題。該工程對這一問題的進(jìn)一步解決也將發(fā)揮巨大作用。用水的保障，使樹木、植被的生長也得到了保障，也將增加項目區(qū)的植被面積，使植被覆蓋率大幅度提高；同時可美化農(nóng)村人居環(huán)境。將更加有助于白銀市生態(tài)防護(hù)林等綠色屏障的發(fā)展和建設(shè)，有利于騰格里沙漠南緣的風(fēng)沙源綜合治理，將有效減輕甘肅省及周邊區(qū)域沙塵暴的發(fā)生頻率和強(qiáng)度，對保護(hù)和改善國家生態(tài)安全、生物多樣性具有重要的現(xiàn)實意義。

效益評估從田間工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)環(huán)境3個方面進(jìn)行了分析，并對分項效益進(jìn)行了貨幣化計量，如圖3所示。該工程建成運(yùn)營后，經(jīng)濟(jì)效益約408.61萬元，社會效益達(dá)542.94萬元，生態(tài)效益為414.26萬元。

圖3 效益貨幣化計量圖

5 結(jié)論

新時期扶貧脫貧是國家建設(shè)與發(fā)展的引領(lǐng)和號召。甘肅中部生態(tài)移民扶貧開發(fā)供水工程是對國家戰(zhàn)略方針的積極響應(yīng)。該工程田間供水工程新發(fā)展了30萬畝灌溉用地，本文從中選取了王家廟典型片區(qū)作為研究案例，對其灌溉模式進(jìn)行設(shè)計，并從田間工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)環(huán)境3個方面進(jìn)行了效益分析，對分項效益進(jìn)行了貨幣化計量。該田間工程的相關(guān)設(shè)計充分結(jié)合了實際情況，采用管灌、大田微灌以及溫室滴灌等高效節(jié)水措施，并利用地形優(yōu)勢，使80%以上區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自壓灌溉，充分保證了節(jié)能。工程結(jié)構(gòu)整體設(shè)計、布局合理。目前，該工程已開工建設(shè)，建成運(yùn)行后，將大幅提高該地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益約408.61萬元，可使當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶年經(jīng)濟(jì)收入平均增加約787.45元/畝；同時，社會效益(當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富增收)達(dá)542.94萬元，生態(tài)效益(該地區(qū)水環(huán)境改善效益)達(dá)414.26萬元。該工程對拉動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、拓展農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升人民生活質(zhì)量，以及改善生態(tài)環(huán)境具有十分重大的意義。