北方節(jié)水灌溉系統(tǒng)的比較研究

北方節(jié)水灌溉系統(tǒng)的比較研究

0農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)由于城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，生產(chǎn)和生活用水的持續(xù)增加，水資源的缺乏已成為中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。農(nóng)業(yè)是中國的用水大戶,用水總量4000億m3,占全國總用水量的70%,其中農(nóng)田灌溉用水量3600~3800億m3,占農(nóng)業(yè)用水量的90%~95%。由于有效利用率低,水資源浪費嚴(yán)重,每m3水生產(chǎn)糧食不足1kg;而一些國家水的有效利用率可達(dá)80%,每m3水生產(chǎn)糧食可達(dá)2kg,其中以色列已達(dá)2.32kg。其依靠先進(jìn)的噴灌、滴灌及其它農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù),由粗放農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)農(nóng)業(yè),灌溉水分利用效率由1949年的1.6kg/m3增長到90年代初期的2.32kg/m3,單位用水所創(chuàng)外匯同期也由0.04美元/m3上升到0.42美元/m3。這充分說明,中國噴、滴灌節(jié)水技術(shù)的推廣應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距。隨著中國農(nóng)業(yè)水資源的日益緊缺,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的要求日趨迫切,噴灌作為一種現(xiàn)代化的節(jié)水高效灌溉技術(shù),將會對中國農(nóng)業(yè)發(fā)展起到戰(zhàn)略性的促進(jìn)作用。1實現(xiàn)灌溉機(jī)械化、自動化噴灌與地面灌溉相比,節(jié)水30%~50%,且灌溉均勻,質(zhì)量高;減少占地,能擴(kuò)大播種面積10%~20%;不需平整土地,省時省工;糧食作物增產(chǎn)10%~20%,經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)20%~30%,蔬菜增產(chǎn)1~2倍。實施噴灌技術(shù)能調(diào)節(jié)田間的小氣候,提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì),防治作物的病蟲害,促進(jìn)灌溉的機(jī)械化、自動化。噴灌也存在一定的局限性,從而影響噴灌技術(shù)快速發(fā)展,如一次性投資高,管理要求嚴(yán)格等因素。1.1噴灌技術(shù)的設(shè)計中國幅員遼闊,各地氣候條件多樣,長期小農(nóng)經(jīng)濟(jì)經(jīng)營模式限制了噴灌在中國的發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始試點研究和推廣應(yīng)用,最初側(cè)重于噴灌機(jī)具的研究,試制出一批各種規(guī)格的噴頭與噴灌機(jī),各地因地制宜地采用了各種形式的噴灌系統(tǒng),如平原上的大型多支點自走式噴灌機(jī)、大型遠(yuǎn)程噴灌機(jī);山區(qū)采用的固定式噴灌系統(tǒng);糧豆產(chǎn)區(qū)的半固定式噴灌系統(tǒng)和輕小型移動式噴灌機(jī);蔬菜區(qū)的固定式和輕型移動式噴灌系統(tǒng)等,并將其推廣應(yīng)用。中國噴灌技術(shù)的研究大體上可以分為基礎(chǔ)理論研究和設(shè)備開發(fā)研究。1)開展了噴灌基礎(chǔ)理論的研究。主要研究有:噴灌基礎(chǔ)參數(shù)、噴灌的工作原理、噴灌的優(yōu)缺點和效益、噴灌的灌溉制度、風(fēng)對噴灌效果的影響及噴灌有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。2)在借鑒國外噴灌設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行消化吸收,研制出適應(yīng)于中國的噴灌設(shè)備。主要表現(xiàn)在噴頭的設(shè)計、噴灌專用管道系統(tǒng)的研制、噴灌專用泵及大、中、小、輕型噴灌機(jī)的開發(fā)等方面。1.2高效灌溉技術(shù)隨著中國農(nóng)業(yè)水資源的日益緊缺,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化日趨迫切,噴灌作為一種現(xiàn)代化的節(jié)水高效灌溉技術(shù),對中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展將起到重要的促進(jìn)作用。但與噴灌先進(jìn)國家還存在以下幾個方面的差距1世界噴灌面積及面積變化情況噴灌是為作物正常生長提供必要水分條件的一種先進(jìn)灌水方法。它誕生于19世紀(jì)末,20世紀(jì)初開始快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,1939-1960年世界噴灌面積增長了25倍。從20世紀(jì)70年代開始,世界噴灌面積以每年133~200萬hm2的新增速度發(fā)展,到1992年世界噴灌面積已達(dá)2.4億hm2。1971-1990年,美國噴灌占總灌溉面積比例從25%增加到42.7%。隨著噴灌技術(shù)的發(fā)展,羅馬尼亞、法國等國的噴灌面積已占全國耕地面積的80%以上,以色列、英國、瑞典等國有90%的土地實行了噴灌灌溉。中國的噴灌面積從20世紀(jì)70年代中期到90年代中期大約20a的時間一直維持在80~93萬hm2之間,到1998年底,全國噴灌面積約160萬hm2,僅占全國灌溉總面積的3.1%,與世界先進(jìn)國家相比所占比例很小。2噴灌機(jī)的類型20世紀(jì)70年代,美國和歐洲許多國家就開始大量采用自動或半自動的噴灌機(jī)來代替人工移動的支管,到20世紀(jì)末,大部分灌區(qū)都采用不同形式的噴灌機(jī)進(jìn)行作業(yè)。據(jù)1998年統(tǒng)計,美國約31.6%的耕地使用圓形噴灌機(jī)和平移噴灌機(jī)灌溉,在1978-1998年的20a期間,美國使用圓形噴灌機(jī)和平移噴灌機(jī)灌溉的面積平均每年增加25.3萬hm2。這些大中型噴灌機(jī)的應(yīng)用,減輕噴灌的勞動強(qiáng)度,提高效率,降低單位面積的投資(設(shè)備初期投資和維持費用比微灌要低),增加作物產(chǎn)量,成為這些發(fā)達(dá)國家灌溉發(fā)展的重要趨勢。受灌溉面積的制約,中國與國外的噴灌形式有所不同,主要以輕、小型噴灌機(jī)為主。據(jù)統(tǒng)計,到1998年底,中國160萬hm2的噴灌面積中,輕、小型噴灌機(jī)的灌溉面積約占75%,大中型噴灌機(jī)的灌溉面積約占10%,半固定式噴灌面積約占15%。3噴灌系統(tǒng)的計算機(jī)仿真及優(yōu)化設(shè)計世界噴灌經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展,目前向精確灌溉技術(shù)方向發(fā)展,包括低能耗精確灌溉法和變量施水精確灌溉兩個方面。低能耗精確灌溉法主要應(yīng)用于水資源日益緊缺和能源緊張的干旱半干旱地區(qū),變量施水精確灌溉技術(shù)早期主要集中在肥料、養(yǎng)分、殺蟲劑和殺草劑的噴施,隨后發(fā)展到變量施水和精確灌溉。精確灌溉的核心技術(shù)是能夠開發(fā)出根據(jù)作物或地塊形狀需要在不同位置灌溉不同水量的設(shè)備,不僅在噴灌機(jī)上配備有全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)的設(shè)備,還包括變量施水灌溉噴頭、控制器和變流量泵。在計算機(jī)應(yīng)用和自動化管理方面,發(fā)達(dá)國家信息化水平明顯高于中國,表現(xiàn)在:采用計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計方法,在設(shè)計中綜合考慮作物產(chǎn)量、噴灑質(zhì)量、水源、能源、土壤及外界環(huán)境等各要素之間的關(guān)系;設(shè)計范圍從噴灌系統(tǒng)零部件到整個系統(tǒng)的設(shè)計,最終實現(xiàn)整個噴灌系統(tǒng)性能最佳,效益最高的目標(biāo);應(yīng)用水力控制的自動量水閥以及微電腦控制的噴灌自控裝置,不斷提高自動化水平,節(jié)省勞動力和水資源,改善灌水條件。中國基于GPS、GIS和RS的變量施水精確灌溉技術(shù)目前處于討論階段,噴灌系統(tǒng)中各種要素之間的定性定量關(guān)系的系統(tǒng)研究較少,計算機(jī)輔助均勻度分析和系統(tǒng)設(shè)計方法在實踐中應(yīng)用欠缺,系統(tǒng)成套與控制設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)也亟需研發(fā)。4噴灌技術(shù)的公共物品特性美國、以色列、澳大利亞等國家采用各種形式的政府扶持措施,鼓勵農(nóng)業(yè)用水更新用水技術(shù)和設(shè)備,如政府承擔(dān)的對其他經(jīng)濟(jì)部門的關(guān)稅補(bǔ)貼更多地向農(nóng)民轉(zhuǎn)移,以提高農(nóng)業(yè)投資節(jié)水灌溉設(shè)備的能力。噴灌的一次性建設(shè)投入大,排它成本高,這決定了噴灌技術(shù)具有公共物品的一些特性。因此,在推廣噴灌技術(shù)的過程中政府應(yīng)從投入政策、保護(hù)政策、技術(shù)創(chuàng)新等多方面扶持農(nóng)民發(fā)展噴灌,減小農(nóng)戶投資成本。5高發(fā)展噴灌技術(shù)的管理水平重建輕管是中國噴灌技術(shù)發(fā)展中存在的一個普遍問題,如果不采取有效措施提高發(fā)展噴灌技術(shù)的管理水平,則難以發(fā)揮噴灌節(jié)水增產(chǎn)的效益。目前,中國噴灌的管理人員大部分沒有經(jīng)過嚴(yán)格的技術(shù)培訓(xùn),人員素質(zhì)低不適應(yīng)先進(jìn)技術(shù)的要求,因此,要設(shè)立專門的管理機(jī)構(gòu)做好人員培訓(xùn)工作,大力推進(jìn)噴灌技術(shù)的發(fā)展。2發(fā)展節(jié)水灌溉型目前北方大部分地區(qū)仍以傳統(tǒng)的溝灌、畦灌等方式為主。近年來,隨著水資源日益短缺,干旱嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn),因此,該地區(qū)需大力發(fā)展節(jié)水灌溉。噴灌是一種較為成熟、使用較多的節(jié)水灌溉方式,在北方地區(qū)發(fā)展有較大的優(yōu)勢和潛力。本文首先對畦灌和噴灌2種灌溉方式的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析,然后對固定式、優(yōu)化固定式、半固定式3種噴灌系統(tǒng)進(jìn)行投資分析。2.1灌草農(nóng)食水資源量利用畦灌是在西北、華北旱作地區(qū)采用最多的地面灌水技術(shù)之一。畦灌管理粗放,規(guī)格不合理,田間水的浪費嚴(yán)重。如豫東平原井灌區(qū)的畦田,畦長小于50m的只占9.1%,超過100m的占45%,平均為100m;畦寬小于4m的只占14%,大于6m的占34%,平均為6m。田間灌溉水的利用率只有0.5~0.7左右。西北不少地區(qū)仍沿用大畦大水漫灌,水的浪費更為嚴(yán)重。噴灌與傳統(tǒng)地面灌相比,其水分損失的差別在于從水源到田塊以及由田塊到作物根部的輸水損失和田塊內(nèi)部深層滲漏損失。據(jù)李清湖、王建瑜的研究,小麥整個生長期一般需進(jìn)行5次灌水,畦灌每次耗水量為675m3/hm2,噴灌耗水量為300m3/hm2,由此可推算出噴灌每公頃的省水率及單位面積節(jié)約水費,每公頃噴灌較畦灌節(jié)省56%的用水量,2010年水價按為0.25元/m3計算,將畦灌和噴灌2種灌溉方式的用水量、水費、勞動工日等進(jìn)行比較,其投入比較見表1。從表1來看,畦灌投資(不包括基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備)為11512.5元,噴灌投資為2550元,較畦灌投資減少77.85%,每公頃地可節(jié)省水費468.75元。2.2工作螺釘噴點性能由于各種噴灌的效益基本相當(dāng),所以,本文只分析其投入的差異。灌溉面積為6.7hm2(360m×182.5m),種植作物為小麥,選用噴頭為PY-40型(性能見表2),噴點布置為正方形組合(a=30m),圓形噴灑,這樣,每噴點可灌面積為0.09hm2,計算噴點持續(xù)灌水時間需1.5h,按每天輪灌5次計,則單噴頭每天可灌面積為0.45hm2,取灌水周期為16d,一年灌水5次,則單噴頭每灌水周期可灌7.2hm2,因此本例6.7hm2灌區(qū)只需一個工作噴頭。所討論的3種田間管網(wǎng)布置形式,其干管AB、分干管CB和BD的材質(zhì)相同,田間管道布置形式按參考文獻(xiàn),材料按2010年市場價格計算,投資計算見表3。1初支支架的固定固定式噴灌系統(tǒng),水源、動力、管網(wǎng)及噴點的豎管支架等全部固定(噴頭可拆卸移動),共計需要豎管、支架72套。為縮短噴灑輪灌換接時間,需噴頭2個,田間管道布置如圖1所示,投資計算見表4。2優(yōu)化型臥式噴灌系統(tǒng)從固定式投資方案的工程計算可看出,投資較大的項目是Φ50塑料支管,減少這部分工程數(shù)量,也就減少了工程投資。優(yōu)化型固定式噴灌系統(tǒng)如圖2所示。它的運(yùn)行方式是:通過快速彎插頭,插到控制閥上取水,然后通過距離15m的涂塑軟管,接到噴頭支架上進(jìn)行噴灑。噴頭布置位置間距30m不變。這樣的布置形式,支管和快速控制閥系統(tǒng)用量減少,但噴點換接的勞動強(qiáng)度增加不多。其投資計算見表5。3種噴灌系統(tǒng)投資及強(qiáng)度比較圖3是半固定式噴灌系統(tǒng)布置圖,它的移動管道最長為75m,勞動強(qiáng)度比優(yōu)化固定式噴灌系統(tǒng)的方案有所增加,且移動管道易損傷作物。其投資計算分析見表6。將以上3種方案的每公頃噴灌系統(tǒng)投資與田間管網(wǎng)投資(管道、閘閥及其他相關(guān)費用)相加得工程總投資,總投資和勞動強(qiáng)度比較結(jié)果見表7。從表7可看出,半固定式噴灌系統(tǒng)的投資費用為3271.27元/hm2,較固定式噴灌系統(tǒng)和優(yōu)化型固定式噴灌系統(tǒng)的費用分別減少70.62%、48.86%;從勞動強(qiáng)度來看,半固定式噴灌系統(tǒng)較固定式噴灌系統(tǒng)和優(yōu)化型固定式噴灌系統(tǒng)勞動強(qiáng)度分別增加6.5倍、1.5倍。綜合來看,半固定式噴灌系統(tǒng)較適合于北方地區(qū)的推廣應(yīng)用。3噴灌發(fā)展的戰(zhàn)略意義通過上面的分析可看出,在中國北方缺水地區(qū)大力發(fā)展噴灌具有重要的戰(zhàn)略意義,未來應(yīng)從增加政府投入,強(qiáng)化噴灌工程統(tǒng)一管理,降低成本,加強(qiáng)噴灌技術(shù)研究及大型噴灌機(jī)的推廣應(yīng)用等方面積極推進(jìn)。3.1加大金融支持力度建立政府與農(nóng)民共同負(fù)擔(dān)農(nóng)業(yè)供水成本的機(jī)制和農(nóng)業(yè)灌排設(shè)施運(yùn)行管理財政補(bǔ)貼機(jī)制,促進(jìn)噴灌的發(fā)展;綜合運(yùn)用財政和貨幣政策,引導(dǎo)金融機(jī)構(gòu)增加農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉信貸資金;加大農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉財政貼息的規(guī)模、期限和貼息率;加快建立農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉政策性貸款機(jī)制,積極推動政策性銀行開展農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉建設(shè)中長期貸款業(yè)務(wù);支持符合條件的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水企業(yè)上市和發(fā)行債券,探索發(fā)展大型水利設(shè)備設(shè)施的融資租賃業(yè)務(wù)等。中央和省、市、縣財政都應(yīng)大幅增加專項補(bǔ)助資金,切實提高農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的投入力度;按照“政府規(guī)劃、民辦公助、以獎代補(bǔ)、農(nóng)民受益”的方式,加大政府獎補(bǔ)力度;整合以工代賑、農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)等資金集中支持發(fā)展噴灌;做好發(fā)展噴灌技術(shù)的管理工作,首先,調(diào)動農(nóng)民的積極性,讓他們參與噴灌工程的建設(shè)。其次,設(shè)立專門的管理機(jī)構(gòu)做好人員培訓(xùn)工作,統(tǒng)一進(jìn)行噴灌工程的運(yùn)行管理。最后,制定鼓勵發(fā)展噴灌的投資政策和水價政策,調(diào)動灌溉管理單位和農(nóng)民發(fā)展噴灌技術(shù)的積極性。3.2噴灌系統(tǒng)的設(shè)備優(yōu)化噴灌工程的投資成本是決定此項節(jié)水技術(shù)能否快速發(fā)展的關(guān)鍵。在保證工程質(zhì)量的前提下,降低成本,擴(kuò)大效益,要從3個方面入手:嚴(yán)把材料采購關(guān),要選用優(yōu)質(zhì)設(shè)備,減少材料采購中間環(huán)節(jié),使材料成本降低到最低水平;提高噴灌設(shè)備設(shè)計質(zhì)量,與計算機(jī)技術(shù)和自動化管理技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)研發(fā)自動化,降低噴灌系統(tǒng)的成本投資;相較于地面灌溉噴灌系統(tǒng)的基礎(chǔ)投資較大,但其具有顯著的節(jié)水、增產(chǎn)、節(jié)地,且不易產(chǎn)生地表徑流和深層滲漏等優(yōu)點,不受地形限制、灌水均勻和增產(chǎn)等效果,因此大面積推廣噴灌技術(shù),可降低投資成本。3.3噴灌技術(shù)的應(yīng)用中國幅員遼闊,各地區(qū)自然條件、經(jīng)濟(jì)條件和管理水平都差別較大,必須按照噴灌技術(shù)的適宜范圍,因地制宜地發(fā)展噴灌技術(shù)。1)低投入、低能耗、高效益的噴灌設(shè)備研制與開發(fā);主要有節(jié)能多用途噴頭,丘陵坡地噴灌專用設(shè)備,低投入、性能優(yōu)良的噴灌管材,低能耗噴灌機(jī),節(jié)能高效的自動化噴灌設(shè)備等。2)與噴灌技術(shù)配套的高效農(nóng)業(yè)技術(shù)措施研究。包括不同噴灌形式下的耕作栽培模式、噴灌條件下的施肥技術(shù)、覆蓋條件下的噴灌技術(shù)、不同作物的噴灌灌溉制度等。3)噴灌多目標(biāo)技術(shù)的利用。包括利用噴灌噴灑農(nóng)藥及肥料、防霜凍、防干熱風(fēng)、降溫、除塵、綠化等技術(shù)。4)噴灌智能化設(shè)計軟件的研究與開發(fā)。利用CAD技術(shù),研發(fā)在滿足噴灌各項技術(shù)指標(biāo)要求條件下,使系統(tǒng)投資費用和運(yùn)轉(zhuǎn)費用最低的噴灌系統(tǒng)智能化設(shè)計軟件。3.4發(fā)展高效低碳經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營已成為中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的戰(zhàn)略方向,農(nóng)業(yè)規(guī)?；⒓s化、規(guī)范化生產(chǎn)為大型噴灌機(jī)發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的市場空間。陳雷部長對黑龍江齊齊哈