李耀基
(甘肅省張掖市民樂縣水務局,甘肅張掖 734500)
甘肅地處西北旱區(qū),農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象原本較為嚴重,人均自產(chǎn)水量不足1 500 m3,是典型的十年九旱地區(qū)。2023年以來,西北干旱受到極端氣候影響加劇,甘肅省受災最為嚴重,河西走廊部分區(qū)域降水量驟減達70%,多地出現(xiàn)土地干裂,作物死亡,土壤鹽堿化,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人畜生活帶來了巨大的損失。因此,必須提升水資源利用率,節(jié)約農(nóng)業(yè)用水,通過節(jié)水工程促進甘肅省生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。作為灌溉水缺乏地區(qū),為提高提水能力,能源消耗增加不可避免,比如在甘肅省很多地區(qū)是高揚程水泵站,能耗升高,效率低。在此背景之下,發(fā)展農(nóng)業(yè)水利節(jié)水節(jié)能技術(shù),通過科技水段調(diào)配農(nóng)田用水,提升防災防害能力,保障糧食穩(wěn)產(chǎn),避免因為水資源短缺而造成生態(tài)環(huán)境陷入惡性循環(huán),就顯得更為重要。
水利部的調(diào)查研究表明,在西北干旱地區(qū),節(jié)水灌溉增產(chǎn)效益高達0.4%,同時增產(chǎn)效應可達水田3.2倍、旱田1.7倍。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《發(fā)展旱地農(nóng)業(yè)》的報告,對甘肅慶陽等四區(qū)的調(diào)查顯示,以上四區(qū)增產(chǎn)明顯,最高增產(chǎn)高達101.72%。灌溉不僅能夠提升糧食產(chǎn)量,也能夠降低災害造成的減產(chǎn)。研究顯示,成災率增加1%,單產(chǎn)就會降低3%。2023年,甘肅旱災單截至8月中旬造成的損失就超過了21億元,特別是在河西走廊一帶,災害造成的減產(chǎn)效應嚴重。采用節(jié)水節(jié)能技術(shù)能夠有效抵御干旱,有研究顯示,在區(qū)域內(nèi)降水每降低1mm,節(jié)水改造工程帶來的效益就增加1 000萬元。
節(jié)水工程的推進也能夠調(diào)整種植結(jié)構(gòu),增加經(jīng)濟作物的種植,從而提高農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值。減少田間用水量,降低水費和能耗成本,水肥一體化和智能控制等技術(shù)也大大地減少了化肥農(nóng)藥的使用,并且減少人工灌溉和管理成本,從而降低投入,特別是與智能化設備結(jié)合的節(jié)水節(jié)能技術(shù)能夠大大降低人工成本。
節(jié)水節(jié)能技術(shù)大大地降低了水資源和能耗,改善了生態(tài)環(huán)境,遏制了環(huán)境污染,避免了地下水枯竭。節(jié)水改造增加了有效灌溉面積,提升了空氣凈化能力,對防治土壤鹽堿化作用非常明顯。采用渠道襯砌技術(shù)能夠避免對溝渠的沖刷剝蝕,節(jié)水灌溉流速較小也能降低對田面的沖蝕,從而減少泥沙淤積,也能避免水土流失,減少耕地占用,對地下水質(zhì)改善較為明顯。
節(jié)水節(jié)能技術(shù)對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推動力非常大。最典型的例子就是以色列,在沙漠中通過滴灌技術(shù)打造了一個現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)強國,農(nóng)產(chǎn)品出口全球。西班牙農(nóng)業(yè)受地中海氣候影響,灌溉量需求高,僅占耕地面積的20%,但是創(chuàng)造了60%的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,水資源消耗更是高達75%。龐大的農(nóng)業(yè)用水消耗造成了地下水下降和河流干涸,因此西班牙啟動了節(jié)水改造工程,改明渠為管道,大量使用滴灌等技術(shù),灌溉水效率提升到了87%,農(nóng)業(yè)實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
1)投入方面,甘肅省高度重視農(nóng)田水利工程和節(jié)水節(jié)能技術(shù),“十三五”期間,投入110億元資金,6.5億人次勞動力,并且發(fā)動廣大群眾出資出力,單雨水集流工程每年籌資額就超過一億元。
2)設施設備建設方面。大力發(fā)展節(jié)水節(jié)能設備,“121”雨水集流工程成果顯著,節(jié)灌面積超3.3萬hm2,集雨水窖300多萬眼,小型農(nóng)田水利設施近6萬處。在全民參與的高漲熱情下,機電井、塘壩、小渠道的利用率大大提高,設備得到更好的維護。比如,張掖市有效灌溉面積超過2 900 km2,加大了襯砌防滲渠道建設,總長度超過1萬km,中小型水庫52座。
3)高標準農(nóng)田建設成效顯著,節(jié)水梯田面積正在逼近200萬hm2,在將近9.33萬hm2農(nóng)田有效灌溉面積中,節(jié)水灌溉面積有望突破6.67萬hm2大關,其中農(nóng)藝節(jié)水面積超過64%。
4)農(nóng)藝配套技術(shù)不斷創(chuàng)新,大力發(fā)展膜下壟溝滴灌、噴灌和微灌等技術(shù),低壓管道灌溉面積已經(jīng)超過6 666.67 hm2,其他節(jié)水灌溉面積將近5.33萬hm2,其中近4萬hm2為渠道防滲技術(shù),累計節(jié)水已經(jīng)超過0.37萬億hm2。
5)種植結(jié)構(gòu)改善。種植等低耗水作物,根據(jù)本地氣候特點推廣蔬菜、葡萄、蜜瓜等高效節(jié)水作物,減小小麥種植,擴大玉米和馬鈴薯種植,玉米種植面積將近100hm2。
6)大力發(fā)展節(jié)水灌溉示范區(qū)建設,目前已經(jīng)有100多個示范區(qū),節(jié)水節(jié)能技術(shù)同時推進。
2.2.1 水資源短缺和浪費
我國農(nóng)業(yè)水資源浪費現(xiàn)象原本嚴重,新中國成立初期超過97%的用水為農(nóng)業(yè)用水。近年來,盡管農(nóng)業(yè)用水比例持續(xù)下降,但是水資源浪費現(xiàn)象依然存在。甘肅省降雨稀少,廣大農(nóng)戶缺乏節(jié)水節(jié)能意識,在水權(quán)不明晰的狀況下,農(nóng)民更關注的是產(chǎn)量和收入,這就造成了西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用水嚴重緊張。
2.2.2 先進節(jié)水節(jié)能技術(shù)應用不足
在經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū),仍然以土質(zhì)渠道灌溉,水土流失嚴重。節(jié)水措施仍然以渠道襯砌為主,節(jié)水效率不高,管道普及率較低。甘肅省梯級泵站灌區(qū)面積超過15萬hm2,極大地改善了西北旱區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,但是其水資源和能源消耗也非常大。這是由于梯級泵站需要逐級提水,而且管網(wǎng)復雜,節(jié)水灌溉一般需建設加壓泵站,消耗能源較大。節(jié)水措施與農(nóng)藝技術(shù)不匹配,很多地區(qū)農(nóng)民仍然采用粗放型管理方式,導致節(jié)水節(jié)能效果較差。比如,對甘肅某地進行調(diào)查發(fā)現(xiàn),采用渠道襯砌節(jié)水方式種植玉米和花生,人工投入分別增加776元/667m2和1 233元/667m2,缺乏智能化的設備,導致農(nóng)民必須通過人工的方式進行灌溉和施肥。
2.2.3 農(nóng)業(yè)水利系統(tǒng)老舊較為嚴重
以景泰川電力提灌工程為例,作為跨省區(qū)的大型提灌工程,項目總揚程達470 m。但是由于建設于1969年,在規(guī)劃設計上生態(tài)理念和節(jié)水節(jié)能意識不足,而且存在較為嚴重的老化現(xiàn)象。當時的規(guī)定揚程受到客觀條件制約,高于實際需求,而且沒有根據(jù)實際條件選擇揚程,灌溉過程中“牛拉獨輪車”的能耗浪費現(xiàn)象較為嚴重,經(jīng)常有60 m的揚程范圍采用80 m的額度揚程的現(xiàn)象產(chǎn)生。老舊水利工程設備往往是臨時拼湊投入使用,組件不配套,運行效率差。在大流量作業(yè)中,受到水流和雜物的持續(xù)沖擊,造成的磨損較大。一些區(qū)域維護保養(yǎng)不及時,各類設備存在不同程度的老化腐蝕,比如管道生銹、水泵密封圈腐蝕,設備內(nèi)流水阻力增大等。甘肅省主要種植小麥和玉米,小麥需水量大,需要單次灌溉充足。因此,傳統(tǒng)灌溉設計一般是大流量,但是大流量不滿足經(jīng)濟作物的灌溉,也浪費了水資源和能源。目前灌溉方式仍然以一次大量灌溉為主。
2.2.4 技術(shù)推廣有待加強
我國節(jié)水節(jié)能設備和技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的發(fā)展,制約節(jié)水節(jié)能技術(shù)應用的主要因素是推廣。節(jié)水節(jié)能灌溉需要的成本較高,單節(jié)水技術(shù)新建成本就在3 000元/667m2以上,改造成本也超過500元/667m2,梯田改造成本也需要2 000元/667m2以上。高標準農(nóng)田建設的成本更高,使用先進節(jié)能技術(shù)的成本就不必說了。甘肅農(nóng)民收入處于全國的中下水平,單靠農(nóng)民自己是不足以實現(xiàn)先進技術(shù)推廣的,因此對技術(shù)推廣體系要求較高。
進一步加大節(jié)水節(jié)能工程技術(shù)的資金投入,通過財政資金、發(fā)行地方債、PPP合作等方式強化地下管網(wǎng)和水利基礎設施建設??紤]到甘肅地區(qū)農(nóng)民收入水平,地方政府要發(fā)揮主導作用,引入企業(yè)和社會組織積極籌集資金,重點進行節(jié)水節(jié)能工程建設。加大高標準農(nóng)田建設,對宜耕坡地進行梯田化改造,降低農(nóng)戶應用節(jié)水技術(shù)的成本。各地都要建設節(jié)水節(jié)能水利示范區(qū),通過成功示范吸引企業(yè)和農(nóng)戶積極投入其中。比如,張掖市滴灌制種玉米基地的成功經(jīng)驗,還能夠吸引資金、技術(shù)和人才流入。針對梯級泵站能耗和水資源消耗較大的狀況,大力發(fā)展小型農(nóng)田水利設施,落實管護責任制,讓農(nóng)戶成為維護的主體,這樣也有利于培養(yǎng)他們的節(jié)水意識。做好統(tǒng)籌工作,因地制宜,在不同區(qū)域、不同氣候、根據(jù)不同作物采用不同灌溉技術(shù)。在干旱較為嚴重的地區(qū),逐漸推廣耗水低的作物代替小麥等高耗水作物,除了當前推廣的玉米和馬鈴薯之外,還應該推廣適合本地氣候的經(jīng)濟作物,比如大蒜、辣椒、洋蔥、豆科植物等。
目前,甘肅省很多灌區(qū)少雨干旱、植被稀疏,在農(nóng)業(yè)節(jié)水節(jié)能技術(shù)的應用中,必須從生態(tài)全局進行考慮,堅持綠色發(fā)展思想,整體優(yōu)化布局。由于風沙對農(nóng)田水利危害較大,因此必須堅定不移地推動防護林建設工作。對灌區(qū)多級泵站進行優(yōu)化,盡最大可能多利用自然降水的需水功能,發(fā)揮中小型水利工程的優(yōu)勢,減少高程提水,以節(jié)約能源和水源。在揚程較大的提水中,設備要逐漸改用節(jié)能泵、光伏泵等新設備,在灌區(qū)內(nèi)大力推廣光伏和風能設備,使之逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源,從根本上實現(xiàn)節(jié)能的目的。耗水量越高的作物越應該靠近水源的高區(qū)種植,利用其揚程高的優(yōu)勢,提升節(jié)水技能效果。同樣,同種作物在高區(qū)可采用地面灌溉,在低區(qū)采用滴灌等技術(shù)。繼續(xù)加大降雨蓄水工程的建設力度,建設蓄水池、雨水花園、水窖等收集雨水,比如在道路兩側(cè)可以修建雨水收集溝渠,在田間建設雨水收集池塘,在蔬菜基地利用日光溫室膜面收集雨水。
逐漸淘汰老舊水泵,引入變頻調(diào)速技術(shù),以實現(xiàn)對流速的精準調(diào)節(jié)。變頻器恒壓供水,根據(jù)壓力對流量進行調(diào)節(jié),可以穩(wěn)定電網(wǎng)運行,實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。調(diào)整電動機運行效率,為節(jié)能降耗,改“△”法為“Y”法,電動機效率曲線一般在1.0~1.7為宜,建議采用繞組接線方法,電動機和機組配套效率保持在0.8。為提升水泵實際效率,需要對管路進行優(yōu)化,避免葉片流道斷面突變,由于導葉不暢造成回流,以及進水室和出水室的問題造成水力損耗。根據(jù)水泵和管道曲線精確計算各類灌溉參數(shù),合理確定管徑,并且適當降低管道長度,以降低能耗。降低流水阻力,控制流速,高頻少量灌溉作物的流速可以控制在1m/s以下。并且配合智能監(jiān)測設備,一旦發(fā)現(xiàn)實際灌溉中不能滿足需求,就要予以調(diào)整。對進出水池進行優(yōu)化,改善設計,及時清理雜物,調(diào)整水泵淹沒深度,避免漩渦情況發(fā)生。進一步完善設備維護保養(yǎng)制度,對葉輪、軸承、管道等關鍵部件和設施進行定位保養(yǎng)。大力推廣自動控制技術(shù)和智能化技術(shù),除了傳統(tǒng)PID控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)之外,還應該利用5G等新技術(shù)提高信息化水平,全面監(jiān)測水情、雨情、墑情。依托示范基地、設施農(nóng)業(yè)和高標準農(nóng)田逐漸向周邊推廣,切實降低農(nóng)民的勞動成本和投入。
建設高水平的技術(shù)研發(fā)體系,政府部門牽頭,科研院所、各大院校和龍頭企業(yè)參與,在農(nóng)業(yè)水利一線進行技術(shù)研發(fā)和實驗。不斷推動技術(shù)創(chuàng)新,比如設施農(nóng)業(yè)可以將光伏板和集水系統(tǒng)結(jié)合,同時實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能。通過與農(nóng)戶的廣泛連接讓他們看到節(jié)水節(jié)能技術(shù)所帶來的效益,讓他們了解渠道防滲可降低70%以上的損失,目前先進的混凝土外層加裝防水面技術(shù)降損率可達95%以上。噴灌最高可節(jié)水50%,滴灌最高可節(jié)水70%。根據(jù)各地經(jīng)濟發(fā)展水平不同因地制宜推廣節(jié)能節(jié)水技術(shù),比如偏遠地區(qū)推廣渠道防滲技術(shù),在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)推廣低壓管道壟溝覆膜滴灌技術(shù),減少水分蒸發(fā),最大程度上發(fā)揮節(jié)水效益。
越是干旱的西北地區(qū),節(jié)水灌溉的作用意義就越重大,實踐證明,使用灌溉的增產(chǎn)效應比東南沿海效益更加明顯。因此,在對甘肅省農(nóng)業(yè)水利工程進行全面考察的基礎上,提出了一系列節(jié)水節(jié)能的技術(shù)措施,致力于達到用水系數(shù)0.8的目標。