摘要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)快速的增長(zhǎng)過(guò)程中，要考慮經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的可持續(xù)性，水資源的污染、浪費(fèi)、短缺等制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。水利工程的節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)與規(guī)劃可以解決水資源短缺問(wèn)題，推進(jìn)農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展?；诖耍疚氖紫冉榻B噴灌技術(shù)、微灌技術(shù)、滴灌技術(shù)等節(jié)水灌溉技術(shù)，然后闡明水利工程節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)規(guī)定和節(jié)水灌溉規(guī)劃，最后提出解決措施，以期不斷優(yōu)化和完善水利工程節(jié)水灌溉作業(yè)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水利工程；灌溉設(shè)計(jì)；規(guī)劃

一、水利工程中對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)的認(rèn)識(shí)

節(jié)水原則作為灌溉工程設(shè)計(jì)的首要原則，是通過(guò)各種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著技術(shù)的發(fā)展和國(guó)際上對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的關(guān)注，出現(xiàn)了新的灌溉方式?，F(xiàn)階段，我國(guó)普遍采用的高效節(jié)水灌溉技術(shù)主要包括噴灌技術(shù)、微灌技術(shù)和滴灌技術(shù)。

（一）噴灌技術(shù)

噴灌技術(shù)作為一種高效、自動(dòng)化的灌溉技術(shù)，使用高壓穿孔管或噴嘴進(jìn)行灌溉，比漫灌節(jié)水30%，已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。噴灌主要用于大田密植作物，到2022年底，我國(guó)噴灌總面積為4.6兆公頃，占全國(guó)灌溉面積的6.3%。當(dāng)然，作為最早的節(jié)水灌溉技術(shù)，噴灌在冠層截水、能量平衡和噴灌作物小氣候等方面還存在缺陷。

（二）微灌技術(shù)

微灌技術(shù)是繼噴灌技術(shù)后誕生的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，是在噴灌技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化，比噴灌節(jié)水50%。微灌技術(shù)基本原理與噴灌相同，只是水壓、流量、水滴都比噴灌微小，故稱為微噴灌，主要應(yīng)用對(duì)象是菜地、花卉、草坪或大棚內(nèi)作物。因?yàn)槲⒐嘀挥幸粋€(gè)噴微頭，噴灑面積僅幾平方米，可以實(shí)現(xiàn)局部灌溉，所以比噴灌更節(jié)水，比溝灌節(jié)水50%～70%。但微噴頭出水口直徑僅1mm，對(duì)水質(zhì)的要求較高。

（三）滴灌技術(shù)

滴灌技術(shù)是目前較先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，理論上，水的利用率達(dá)0.98，是一種使用低壓潤(rùn)濕土壤離散部分的節(jié)水灌溉技術(shù)，變傳統(tǒng)灌溉的“澆地”為“澆作物”，是灌溉理念上的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變。相比噴灌和微灌，滴灌在速生林、葡萄園、果園和城市綠化的灌溉中更加適用。截至2022年底，我國(guó)滴灌總面積為628萬(wàn)公頃，占全國(guó)灌溉面積的0.085%。實(shí)際上，水質(zhì)過(guò)濾對(duì)滴灌而言很重要，因?yàn)槌练e物和藻類會(huì)堵塞滴灌器、起泡器和微噴頭上的小開(kāi)口，影響滴灌的流速，使得滴灌流量在2～7.5L/h?1之間。

二、水利工程節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)規(guī)定

設(shè)計(jì)灌溉工程，需要考慮許多變量。灌溉工程要遵循住建部和質(zhì)監(jiān)局聯(lián)合發(fā)布的《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB50288－2018》中，對(duì)水庫(kù)建筑物（包括各種攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞等）以及泵站、水閘、隧洞等排洪建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)定。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)灌溉工程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用三種數(shù)學(xué)模型，即流體動(dòng)力學(xué)模型、零慣性模型和運(yùn)動(dòng)波模型，在灌溉工程的滲透和徑流方面，三種模型之間沒(méi)有明顯差異，模擬的準(zhǔn)確性都較高，可以用來(lái)評(píng)估和改進(jìn)灌溉工程性能。但在流入率方面，運(yùn)動(dòng)波模型不如零慣性模型準(zhǔn)確，較低的誤差為1.2%（恒定流入率），較高的誤差為11.2%（增量流入率）。當(dāng)然，模型的模擬精度取決于輸入因素，尤其是入流率、入滲方程系數(shù)和曼寧粗糙度系數(shù)。

（二）設(shè)計(jì)原則

1.宏觀理念

基于現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉所需和節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)秉承節(jié)水原則、經(jīng)濟(jì)原則和統(tǒng)籌原則。其中，節(jié)水原則要求灌溉工程設(shè)計(jì)在水資源短缺的背景下，努力獲得或維持水資源的科學(xué)利用，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，這也是灌溉工程設(shè)計(jì)的首要原則；經(jīng)濟(jì)原則要求降低灌溉工程的建設(shè)成本，避免農(nóng)民利益受損，提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收益，這也是灌溉工程設(shè)計(jì)的基本原則；統(tǒng)籌原則要求灌溉工程的設(shè)計(jì)統(tǒng)籌灌溉基礎(chǔ)設(shè)施以及更廣泛的環(huán)境背景和外部參與者互動(dòng)，在內(nèi)部和外部挑戰(zhàn)和沖突中集成灌溉工程的可持續(xù)性基礎(chǔ)，這也是灌溉工程設(shè)計(jì)的核心原則。

2.細(xì)節(jié)操作

第一，安全設(shè)計(jì)。渠道工程或布置渠道過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合山地坡度、土壤條件、作物種植類型、梯田寬度、相鄰梯田落差以及水源條件等實(shí)際情況進(jìn)行選擇，最大程度上保障險(xiǎn)段、高填方、深挖方的安全。在設(shè)計(jì)山丘地形渠道時(shí)，要具備合理的泄洪設(shè)施和排洪設(shè)施，確保沿線干渠地質(zhì)條件，沿渠修建泄水閘和溢洪堰，充分利用集中落差，提、引、蓄相結(jié)合，避開(kāi)破裂帶和風(fēng)化巖層。

第二，下山渠道灌溉。渠道灌溉包括渠首工程、輸配水工程和田間工程。從水源取水，通過(guò)渠道及附屬建筑向農(nóng)田供水、灌水，在高處布置澆灌渠道，在低處布置與之相對(duì)應(yīng)的排水溝道，實(shí)現(xiàn)自流排水、自流澆灌，但灌區(qū)干渠渠線較長(zhǎng)、彎曲多，深挖高填渠段多，沿渠交叉建筑物多。支渠渠道流量較小，多為垂直等高線布置，坡度陡，落差大（大于10m），由于跌水口單寬流量過(guò)大，對(duì)下游渠道的沖刷較重，上游的高速水流挾帶泥沙容易造成下游渠道淤積，銜接處容易被沖毀?；诖?，可通過(guò)渠、塘、庫(kù)，連通地下水和地表水，布置渠道線路應(yīng)確保整齊、直順，避開(kāi)建造物的交錯(cuò)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐孛?、地形，?duì)所有灌區(qū)的面積實(shí)現(xiàn)自流控制，在干渠一側(cè)引出支渠，避免水土流失，攔截山洪。

（三）灌溉工程中節(jié)水技術(shù)的設(shè)計(jì)

1.渠道的防漏設(shè)計(jì)

由于渠道長(zhǎng)期承受水流的沖刷和壓力，難免出現(xiàn)渠道側(cè)漏問(wèn)題，不僅會(huì)影響灌溉工程的工作效率，還會(huì)造成水資源的浪費(fèi)、生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失。為此，必須采取有效的防護(hù)措施，在灌溉工程的設(shè)計(jì)初期，進(jìn)行防漏設(shè)計(jì)。例如，外水內(nèi)滲的涵洞（管）或沿渠道外壁縱向漏水時(shí)，做止水環(huán)或回填土壤材料，堆放在渠道頂部和下游斜坡上，修復(fù)渠道的設(shè)計(jì)輪廓，防止洪水期間渠道溢流的沖刷，提高渠道的可靠性和維護(hù)盈利能力。如果漏水范圍大的涵洞，需套管（鋼管或鋼筋混凝土管）或內(nèi)襯（用鋼板、鋼筋混凝土或預(yù)制鋼筋混凝土塊）；或用快凝桐油石灰膠劑勾縫、抹面，解決中小型砌石方涵灰漿脫落和砌縫不嚴(yán)的問(wèn)題。

2.渠道防溢設(shè)計(jì)

與渠道側(cè)漏相比，渠道溢滲水問(wèn)題在水利工程節(jié)水灌溉工作中較為常見(jiàn)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)以改善土體強(qiáng)度特性、提高土體穩(wěn)定性、防止水流通過(guò)土體過(guò)濾為主。將溢洪道布設(shè)在水庫(kù)右岸埡口位置，將渠進(jìn)口被設(shè)置在河灣的上游位置，將放空隧道給設(shè)置在河岸溢洪道旁，控制在溢洪道渠下方45m左右的位置，在土渠內(nèi)增加一層防滲水的內(nèi)襯（由混凝土與砌石兩種材料構(gòu)成），經(jīng)過(guò)這種技術(shù)處理的輸水渠道在使用時(shí)可節(jié)約50%的水量，確保溢洪道設(shè)置的合理性與科學(xué)性，滿足承載能力、抗滑穩(wěn)定性、地基變形、滲流控制、抗沖及耐久性。

3.管道輸水的設(shè)計(jì)

管道輸水是指利用管道將水輸送至農(nóng)田的灌溉方式，管道輸水的密閉性較強(qiáng)，可以降低水在輸送過(guò)程中的滲漏量和蒸發(fā)量。它的設(shè)計(jì)可分為三類，按壓力獲取方式分為機(jī)壓輸水系統(tǒng)和自壓輸水系統(tǒng)，按管網(wǎng)形式分類分為樹(shù)狀網(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng)，按固定方式分類分為移動(dòng)式、半固定式和固定式，如表1所示。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮管道的布局于水量的分配和取水方式問(wèn)題，確保輸水管道的密封性，避免松弛、泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。該設(shè)計(jì)可以避免占用大量耕地，具有節(jié)水以及大流量的優(yōu)點(diǎn)，適合在水源豐富的地區(qū)使用。

4.微噴的設(shè)計(jì)

灌溉用水資源不足是全球可持續(xù)糧食生產(chǎn)的主要挑戰(zhàn)。利用滴灌和噴灌系統(tǒng)等微灌系統(tǒng)，不但可以提高作物種植中的灌溉效率，還可以提高作物產(chǎn)量、節(jié)約用水和能源，適用于邊際土地。目前，采用微灌方法可以分別節(jié)省約50%～90%、31%和29%的水、能源和肥料，使農(nóng)民收入水平提高42%。在設(shè)計(jì)方面，需要根據(jù)該地區(qū)的年平均降雨量、年潛在蒸散量、作物種類和數(shù)量以及土壤類型等，明確每種設(shè)備的具體參數(shù)。

三、水利工程節(jié)水灌溉規(guī)劃

為確保水利工程節(jié)水灌溉系統(tǒng)的可靠運(yùn)作，需要制定一套科學(xué)、完善且行之有效的施工規(guī)劃，旨在為水利工程節(jié)水灌溉施工提供保障。為此，要做好水利工程節(jié)水灌溉施工準(zhǔn)備工作、施工方案與技術(shù)措施確定工作，具體論述如下：

（一）準(zhǔn)備工作

1.技術(shù)準(zhǔn)備

主要包括組織人員的選取、施工圖紙復(fù)審、施工方案制定和編制。其中，組織人員的選取主要是落實(shí)項(xiàng)目部成員和項(xiàng)目施工成員；施工圖紙復(fù)審主要由項(xiàng)目部成員會(huì)審提交的圖紙；施工方案制定和編制是在圖紙復(fù)審結(jié)果基礎(chǔ)上，基于施工圖紙進(jìn)行施工方案的確定和編制。

2.施工準(zhǔn)備

主要包括全面檢修進(jìn)場(chǎng)施工的機(jī)械設(shè)備，以確保施工前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。此外，編制施工計(jì)劃，安排施工順序，協(xié)調(diào)各工序及各專業(yè)間的配合工作。

3.現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

主要包括熟悉現(xiàn)場(chǎng)的地理位置、工地條件、供水供電狀況以及出入口位置，做好施工現(xiàn)場(chǎng)“三通”，以此滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的需求。

（二）施工方案與技術(shù)措施確定

1.工藝流程

通常，水利工程節(jié)水灌溉工程施工包括水渠施工、蓄水池施工、泵站工程、灌溉工藝、工程質(zhì)量檢測(cè)與驗(yàn)收等不同環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)由不同的施工部分組成。

2.施工測(cè)量

進(jìn)場(chǎng)后根據(jù)監(jiān)理單位提供的工區(qū)范圍內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)建立工程測(cè)量控制網(wǎng)，以保證施工放樣、定位的準(zhǔn)確性。每開(kāi)挖一個(gè)單元前，進(jìn)行邊線及高程放樣。

3.施工清理

對(duì)測(cè)量出的清理范圍，用人工或機(jī)械清除該范圍內(nèi)的全部有礙物，范圍外的清理按監(jiān)理單位要求進(jìn)行。

4.土方開(kāi)挖

場(chǎng)地清理完成后，采用1.0m3反鏟配5t自卸汽車(chē)開(kāi)挖，運(yùn)輸至棄碴場(chǎng)。

5.質(zhì)量檢測(cè)與驗(yàn)收

施工完成后要進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與工程驗(yàn)收。具體標(biāo)準(zhǔn)為砌體堅(jiān)實(shí)牢固，勾縫平順，無(wú)脫落現(xiàn)象；泄水孔坡度向外，無(wú)堵塞現(xiàn)象。沉降縫整齊垂直，上下貫通。

四、解決措施

（一）選擇更加標(biāo)準(zhǔn)的方案，規(guī)范節(jié)水技術(shù)使用，強(qiáng)化科學(xué)管理

水利工程節(jié)水灌溉在于儲(chǔ)存和重新分配給植物的水量之間存在平衡，有助于實(shí)現(xiàn)恒定流量，提高灌溉的均勻性。為此，應(yīng)選擇更加標(biāo)準(zhǔn)的方案，規(guī)范節(jié)水技術(shù)使用，強(qiáng)化科學(xué)管理。在這一方面，設(shè)計(jì)考慮需要兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：第一，設(shè)計(jì)的水利工程節(jié)水灌溉足以進(jìn)行每周灌溉；第二，設(shè)計(jì)的水利工程節(jié)水灌溉滿足最低15mm/h的用水率。根據(jù)第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的水利工程節(jié)水灌溉必須每天灌溉285m2（2000m2/7d），灌溉量為57m2/h（285m2/5h）。為了滿足第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的水利工程節(jié)水灌溉必須達(dá)到800L/h。據(jù)此計(jì)算，7.5m×7.5m地塊單元微噴灌系統(tǒng)布置中，每個(gè)微噴頭的設(shè)計(jì)出水量計(jì)算為35L/h。

（二）改進(jìn)輸水渠道，確保工程效果

在水利工程節(jié)水灌溉中，水被泵送到高出地面的臨時(shí)蓄水池，在此過(guò)程中，獲得相當(dāng)于0.42kgf/cm2水壓。蓄水池附有微噴灌系統(tǒng)，設(shè)計(jì)使水的施用量等于進(jìn)入蓄水池的水量。因此，蓄水池中的水位可以保持平衡，并為連接的灌溉系統(tǒng)提供恒定的壓力，確保連接灌溉系統(tǒng)的用水量均勻。在此基礎(chǔ)上，基于流動(dòng)條件的理論考慮，確定主管、支管和微噴頭等各種部件的規(guī)格，如表2所示。

如表2所示，選擇主管（直徑50mm）、支管（直徑25mm）和微噴頭（30L/h）。計(jì)算的主干和支流水頭損失分別為0.006m和0.662m。因此，3.5m的可用凈水頭足以操作選定的微噴頭。

（三）明確設(shè)計(jì)主體，確保方案科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化

水利工程節(jié)水灌溉要求管段中的水流動(dòng)條件保持一致。因此，基于雷諾數(shù)準(zhǔn)則，為了保持管道輸送水的層流，水利工程節(jié)水灌溉的雷諾數(shù)必須保持小于2100（層流條件下雷諾數(shù)的閾值）。其中，雷諾數(shù)定義為流動(dòng)液體的慣性力與摩擦力之比，液體的慣性力和摩擦力分別用液體的密度和粘度表示。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，做好水利工程節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)與規(guī)劃的優(yōu)化對(duì)保障農(nóng)田生產(chǎn)、增產(chǎn)增收具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在水利工程節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)與規(guī)劃中，選擇更加標(biāo)準(zhǔn)的方案，改進(jìn)輸水渠道，確保方案科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化，有利于充分發(fā)揮水利工程節(jié)水灌溉效能，提高農(nóng)田灌溉水平。

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作者簡(jiǎn)介：耿靜（1989），女，山東省臨沂市沂水縣人，本科學(xué)歷，畢業(yè)于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗l(fā)展規(guī)劃。