王林華

（石嘴山市惠農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)中心，寧夏 石嘴山 753000）

寧夏惠農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)中心科技人員，結(jié)合畦田灌溉，因地制宜地對(duì)田間末級(jí)渠道進(jìn)行了管道化改造。通過(guò)2021年冬季灌溉實(shí)踐，嘗試性地總結(jié)了一些值得推廣的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一些存在的問(wèn)題，為今后的研究工作指明了方向。

1.問(wèn)題提出背景和意義

1.1為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重要講話精神和指示批示精神，落實(shí)《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》《關(guān)于印發(fā)黃河流域水資源節(jié)約集約利用實(shí)施方案的通知》，打好黃河流域深度節(jié)水控水攻堅(jiān)戰(zhàn)，提升水資源集約利用水平。

1.2寧夏深處西北內(nèi)陸，位于中國(guó)版圖幾何正中心，西北側(cè)，西、北、東三面分別被騰格里、烏蘭布和、毛烏素三大沙漠所包圍，3/4的國(guó)土面積處于干旱半干旱地帶。降水量呈現(xiàn)出南多北少，且年內(nèi)年際變化極不均勻，汛期降水占到全年的70%以上，多以暴雨形式出現(xiàn)，難以利用。全區(qū)多年平均降雨量289毫米，是全國(guó)平均水平的45%、長(zhǎng)江流域的27%、黃河流域的65%，從南向北每推進(jìn)1公里，降水大約衰減1毫米；當(dāng)?shù)厮Y源量少質(zhì)差，總量11.63億立方米，其中礦化度大于2g/L的苦咸水占水資源總量的30%，不易灌溉和人畜飲用，可利用量?jī)H1.5億立方米，加上國(guó)家分配的40億立方米黃河水，人均可利用水資源量?jī)H603立方米，不足全國(guó)平均水平的1/12，黃河流域平均水平的1/3，遠(yuǎn)低于世界人均1700立方米缺水警戒線，是全國(guó)水資源最為匱乏的省區(qū)之一。多年平均水面蒸發(fā)量1250毫米，干旱指數(shù)達(dá)4.3。因此，探索干旱地區(qū)農(nóng)田渠道輸水過(guò)程中的蒸發(fā)損失問(wèn)題極為迫切。

1.3寧夏銀北灌區(qū)部分農(nóng)田位于灌區(qū)末梢，有些農(nóng)田灌溉因缺水而得不到實(shí)時(shí)灌溉。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料反映，近5年農(nóng)業(yè)平均取水量占全區(qū)總?cè)∷康?5.8%，平均耗水量占全區(qū)總耗水量的81.4%，農(nóng)業(yè)取耗水最多，田間輸配水渠道占線長(zhǎng)滲流損失也較大。因此，為提高農(nóng)業(yè)用水效率，必須減少田間輸水損失。

1.4在我國(guó)新疆地區(qū)自古就能夠看到地下暗渠（坎兒井）工程，另外在寧夏石嘴山潮湖灌區(qū)也有暗渠工程，人類(lèi)祖先采用這項(xiàng)技術(shù)，解決了干旱地帶的人類(lèi)生存繁衍問(wèn)題，為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)豐厚財(cái)富，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做強(qiáng)大支撐。因此，消化吸收古老灌區(qū)取用水技術(shù)及理念，結(jié)合自動(dòng)化控制灌溉技術(shù)，因地制宜地規(guī)劃布局現(xiàn)代農(nóng)業(yè)農(nóng)村新格局。

1.5寧夏銀北地區(qū)由于自然地理?xiàng)l件，有近56%的區(qū)域地處低洼鹽堿地區(qū)。灌區(qū)內(nèi)輸水渠道80%以上屬于挖方渠道，出現(xiàn)渠道滲漏和鹽堿，渠道砌護(hù)工程破壞比較嚴(yán)重等問(wèn)題。采用以管代渠技術(shù)，可以解決低洼鹽堿地區(qū)渠道砌護(hù)工程凍漲等破壞突出問(wèn)題。

1.6據(jù)資料可查銀北渠道占地3%-8%，可將這部分土地合理規(guī)劃為基本農(nóng)田。另外，結(jié)合渠道穩(wěn)定性處理措施，即能夠改善渠道輸水條件，又能夠?qū)⒌叵滤ㄟ^(guò)合理的滲透方式排出。以管代渠技術(shù)示范，能夠節(jié)約土地。

1.7寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田除15%左右的灌溉方式采用管道，實(shí)現(xiàn)微噴、滴灌技術(shù)以外，其他85%以上大田灌溉方式均采用渠道灌溉。在引黃灌區(qū)實(shí)現(xiàn)管道輸水為主的高效節(jié)水方式意義深遠(yuǎn)、前景可觀。

2.以管代渠技術(shù)實(shí)踐

2.1項(xiàng)目區(qū)選址。結(jié)合惠農(nóng)區(qū)2021年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃，惠農(nóng)區(qū)禮河鄉(xiāng)永平片區(qū)地處寧夏引黃灌區(qū)末稍段，屬惠農(nóng)區(qū)2021年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目區(qū)。南起永平電排溝，北至白漿灘渠，西靠第六排水溝，東以星火村中心路為界。

2.1.1項(xiàng)目區(qū)灌溉方式：為引黃自流灌溉區(qū)，屬于畦灌，分干渠-支渠-農(nóng)渠三級(jí)灌溉，分干渠為寧夏引黃灌區(qū)惠農(nóng)渠下游的一條分干渠昌渠，控制支渠是白漿灘渠灌溉，支渠直接控制農(nóng)渠。片區(qū)內(nèi)共有農(nóng)渠10條，總長(zhǎng)5.641km，其中砌護(hù)5.449km，未砌護(hù)0.192km。砌護(hù)率96.6%。農(nóng)渠為全U型斷面，采用R=200-250mm的U型混凝土預(yù)制板，農(nóng)渠凍脹損壞率較高。為此在該處選擇兩條凍脹損壞嚴(yán)重的農(nóng)渠作為本次以管代渠試驗(yàn)示范目標(biāo)。

2.1.2項(xiàng)目區(qū)排水方式：區(qū)內(nèi)為三級(jí)自流排水，由干溝、支溝、農(nóng)溝組成。干溝為第六排水溝，支溝為永平溝。干、支溝均在近年進(jìn)行系統(tǒng)的干砌石治理，斷面平順，現(xiàn)狀良好。片區(qū)內(nèi)共有10條農(nóng)溝，溝道總長(zhǎng)6.083km。雖然溝道體系基本建立完善，但部分農(nóng)溝溝道排水不暢的問(wèn)題，溝道建筑物凍漲損毀嚴(yán)重的問(wèn)題依然存在，需要清淤、翻建進(jìn)行解決溝道排水暢通的問(wèn)題。

2.1.3項(xiàng)目區(qū)灌溉水源：項(xiàng)目區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉水源是黃河水，依靠惠農(nóng)渠分干渠昌渠供水，農(nóng)業(yè)田間灌水主要為白漿灘渠控制灌溉，根據(jù)當(dāng)?shù)厮懿块T(mén)所提供資料計(jì)算，畝均用水量497m3/畝。片區(qū)總灌溉面積為823畝，總供水量為40.90萬(wàn)m3。

2.2規(guī)劃設(shè)計(jì)。本次規(guī)劃選擇片區(qū)內(nèi)兩條具有能夠代表惠農(nóng)區(qū)引黃灌區(qū)內(nèi)的兩條農(nóng)渠，總長(zhǎng)0.846km，每條農(nóng)渠均為雙向灌溉，設(shè)計(jì)灌溉面積152畝。兩條農(nóng)渠均直接接入白疆灘支渠。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，根據(jù)《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)通則》（GB/T30600）、《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288）、《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50363）、《管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T20203）、《農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范》（SL4-2013）、《自治區(qū)人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)寧夏回族自治區(qū)有關(guān)行業(yè)用水定額（修訂）的通知》（寧政辦規(guī)發(fā)[2020]20號(hào)）以及《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》《關(guān)于印發(fā)黃河流域水資源節(jié)約集約利用實(shí)施方案的通知》和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)質(zhì)量管理辦法》等規(guī)范文件，從灌溉水源水質(zhì)、灌溉面積、作物種植、灌溉制度、灌溉定額、管道流量、管道管徑、管道比降以及管材的選定和攔污柵選擇等方面進(jìn)行計(jì)算分析。

通過(guò)分析計(jì)算，本次試驗(yàn)示范“以管代渠”管材選用雙壁中空PE纏繞管兩條，每條長(zhǎng)為423m，每條控制灌溉面積為76畝，為雙向灌溉；種植作物為玉米，根據(jù)《自治區(qū)人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)寧夏回族自治區(qū)有關(guān)行業(yè)用水定額（修訂）的通知》中的“寧夏不同灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額表”確定，以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)算試驗(yàn)示范“以管帶渠”的灌溉制度、灌水率以及管道的管徑，管道管徑為φ400。根據(jù)《黃河泥沙研究》查閱黃河灌溉水源水質(zhì)中的泥沙粒徑級(jí)配和武漢水利電力學(xué)院河流動(dòng)力學(xué)教研組推導(dǎo)出的泥沙啟動(dòng)平均流速和泥沙止動(dòng)流速公式、計(jì)算出不同泥沙粒徑的泥沙啟動(dòng)平均流速（）和泥沙止動(dòng)流速（），以及通過(guò)對(duì)淤積情況分析如下：

（1）灌溉制度

規(guī)劃種植小麥、玉米，種植比例分別為20%，80%。根據(jù)《自治區(qū)人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)寧夏回族自治區(qū)有關(guān)行業(yè)用水定額（修訂）的通知》中的“寧夏不同灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額表”確定，本次試驗(yàn)示范區(qū)隸屬于寧夏青銅峽河西銀北灌區(qū)，春小麥畦灌灌溉定額為290m3/畝，玉米畦灌灌溉定額為270m3/畝。根據(jù)寧夏十四五水安全規(guī)劃，到“十四五”農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.56。

（2）設(shè)計(jì)灌溉制度及灌水率

灌水率按下述公式計(jì)算：

q=a*m/(8.64*T)（m3/s/萬(wàn)畝）

式中：q—某作物某次灌水的灌水率，m3/s/萬(wàn)畝

a—各作物種植面積與灌區(qū)總灌溉面積的比值；

m—某作物某次灌水定額，m3/s/萬(wàn)畝；

T—某作物一次灌水延續(xù)時(shí)間，d。

經(jīng)計(jì)算灌水制度及灌水率設(shè)計(jì)灌水率0.733（m3/s/萬(wàn)畝）。

（3）管道比降及流速的設(shè)計(jì)

a、灌溉水源水質(zhì)中的泥沙粒徑

通過(guò)查找資料，根據(jù)《黃河泥沙研究》渠道泥沙級(jí)配選用石嘴山水文站近年顆粒級(jí)配分析，黃河石嘴山段的懸移質(zhì)泥沙主要以粘粒、粉粒、中砂、粗砂、砂礫組成。

b、管道啟動(dòng)（臨界）和止動(dòng)流速不淤（臨界）流速的計(jì)算

根據(jù)武漢水利電力學(xué)院河流動(dòng)力學(xué)教研組考慮了細(xì)泥沙粘結(jié)力的影響，推導(dǎo)出的泥沙啟動(dòng)平均流速（）和泥沙止動(dòng)流速（）公式，計(jì)算出不同泥沙粒徑的泥沙啟動(dòng)平均流速（）和泥沙止動(dòng)流速（），公式如下。

c、淤積分析

灌溉引黃水泥沙顆粒組成：粘粒24.19%,粉粒34.46%,砂礫24.13%,中粗砂12.8%,砂礫4.42%。

由啟動(dòng)流速計(jì)算分析，管道淤積以粘粒的粘結(jié)力為主要因素。

當(dāng)以管代渠管道比降1/500運(yùn)行工況時(shí)，流量0.104m3/s，流速0.92m/s，大于粘粒的啟動(dòng)（臨界）流速0.83 m/s，管道不淤。

當(dāng)以管代渠管道比降1/700運(yùn)行工況時(shí)，流量0.092m3/s，流速0.81m/s，略小于粘粒的啟動(dòng)（臨界）流速0.83 m/s，管道基本不淤。

當(dāng)以管代渠管道比降1/1000運(yùn)行工況時(shí)，流量0.081m3/s，流速0.72m/s，小于粘粒的啟動(dòng)（臨界）流速0.83 m/s，管道淤積，但淤積量不大。

當(dāng)以管代渠管道比降1/1500運(yùn)行工況時(shí)，流量0.072m3/s，流速0.64m/s，小于粘粒的啟動(dòng)（臨界）流速0.83 m/s，管道淤積，淤積量較大。

由管道啟動(dòng)（臨界）和止動(dòng)流速計(jì)算成果可知：當(dāng)管道流速小于0.593m/s時(shí)，管道中粘粒開(kāi)始淤積；當(dāng)管道流速小于0.321m/s時(shí)，管道中粉粒開(kāi)始淤積；當(dāng)管道中流速小于0.241m/s時(shí)，管道中粉砂開(kāi)始淤積；當(dāng)管道流速小于0.198m/s時(shí)，管道中中粗砂開(kāi)始淤積；同時(shí)，當(dāng)管道流速小于0.284m/s時(shí)，管道中砂礫開(kāi)始淤積。

d、管道不同比降流速計(jì)算

根據(jù)分析，結(jié)合我們2021年在寧夏惠農(nóng)區(qū)禮和鄉(xiāng)永平村高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目中，建設(shè)的兩條實(shí)驗(yàn)渠道，渠道的比降分別為1/500、1/700，流速計(jì)算分別為0.92m/s、0.81m/s，通過(guò)冬灌運(yùn)行后，觀察管道內(nèi)無(wú)淤積現(xiàn)象。

管道流量0.081m3/s。管道比降設(shè)計(jì)管道比降分別為1/700、1/1500。管道運(yùn)行時(shí)可分為無(wú)壓力狀態(tài)和有壓力狀態(tài)，本次按不利條件無(wú)壓力狀態(tài)計(jì)算。分水口按照每20m設(shè)一座雙向分水，分水口采用四通流槽井外接異徑接頭，并安裝PVC馬門(mén)進(jìn)行控制灌溉。共設(shè)32座。

2.3初測(cè)實(shí)驗(yàn)效果。根據(jù)分析，結(jié)合我們2021年在寧夏惠農(nóng)區(qū)禮和鄉(xiāng)永平村高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目中，建設(shè)的兩條實(shí)驗(yàn)渠道，渠道的比降分別為1/500、1/700，流速計(jì)算分別為0.92m/s、0.81m/s，通過(guò)冬灌運(yùn)行后，觀察管道內(nèi)無(wú)淤積、管道無(wú)凍脹損壞現(xiàn)象。

表現(xiàn)出以下五個(gè)特點(diǎn)。一是節(jié)水效益明顯：可比混凝土渠道節(jié)水5%-10%,灌溉時(shí)間縮短近一半;二是節(jié)約土地：以管代渠相對(duì)R20-25混凝土預(yù)制板砌護(hù)渠道在渠灌區(qū)節(jié)約3%左右的土地,具有很大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益;三是解放勞動(dòng)力：以管代渠后，減少了原有渠道清淤、維護(hù)、歲修等工作量，節(jié)省田間分水灌溉的用工，節(jié)約了工費(fèi)和維修費(fèi);四是能夠有效解決現(xiàn)有混凝土渠道凍脹問(wèn)題，管道埋入地下，提高工程使用壽命;五是適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)與農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展的需要，管道輸水灌溉能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代化作業(yè)需求和現(xiàn)代化管理需求。

3.存在問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

3.1管道設(shè)計(jì)比降需進(jìn)一步優(yōu)化。建議通過(guò)水工模型實(shí)驗(yàn)及建立模型數(shù)據(jù)分析，對(duì)泥沙年淤積情況進(jìn)行科學(xué)分析與理論預(yù)測(cè)。

3.2在田塊出水口出現(xiàn)的沖坑現(xiàn)象。建議下一步通過(guò)水力計(jì)算，制定處比較合理的安裝高度和出水口規(guī)格。

3.3本次沒(méi)有在管道輸水口將智能計(jì)量設(shè)施進(jìn)行安裝試驗(yàn)示范。建議下一步對(duì)自動(dòng)化、智能化的設(shè)施積極引進(jìn)，探討農(nóng)田灌溉管理精準(zhǔn)計(jì)量和智能管理。

3.4工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)比數(shù)據(jù)不明顯。建議對(duì)原渠道砌護(hù)及以管代渠工程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)選價(jià)廉物美的管道工程材料。同時(shí)，對(duì)實(shí)踐過(guò)程中能夠定型模具及材料，及時(shí)形成專(zhuān)利產(chǎn)品。

總之，以管代渠技術(shù)，充分考慮干旱區(qū)水資源稟賦條件，尊重自然、順應(yīng)自然，按自然規(guī)律辦事為原則。以愛(ài)水、惜水、節(jié)水為前提，以建設(shè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)為理念，結(jié)合寧夏高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目，科學(xué)合理地逐步將田間明渠改變?yōu)楣艿垒斔绞?，以減少灌溉用水過(guò)程蒸發(fā)損失，實(shí)現(xiàn)田間節(jié)水，解決凍脹，提高田間輸水設(shè)施運(yùn)行年限，引進(jìn)智能計(jì)量管控設(shè)施，實(shí)現(xiàn)灌溉運(yùn)行自動(dòng)化、智能化，從而最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉管理現(xiàn)代化的目標(biāo)。