李耀基

（甘肅省張掖市民樂縣水務局，甘肅張掖 734500）

0 引言

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。

1 農(nóng)業(yè)水利節(jié)水節(jié)能技術(shù)的效益分析

1.1 糧食安全效益

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。

1.2 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益

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。

1.3 生態(tài)環(huán)境效益

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。

1.4 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化效益

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。

2 甘肅省節(jié)水節(jié)能技術(shù)應用的現(xiàn)狀

2.1 甘肅省節(jié)水節(jié)能技術(shù)應用的成果

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 甘肅省節(jié)水節(jié)能技術(shù)應用的問題

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。

3 農(nóng)業(yè)水利節(jié)水節(jié)能技術(shù)的應用對策

3.1 加大政策支持和統(tǒng)籌

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。

3.2 優(yōu)化灌區(qū)整體時空布局

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。

3.3 逐步進行節(jié)水節(jié)能改造

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。

3.4 建立高效技術(shù)推廣體系

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。

4 結(jié)語

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。