农田水利灌溉工程中节水技术的应用研究

［摘 要］ 我国不仅土地类型多样、灌溉条件差异大，而且农业用水相对较为紧张。为了满足农业生产用水需求，全国各地陆续兴建了一系列农田水利灌溉工程，并研发和推广了各种节水技术，以提高水资源利用率，减少水资源浪费。这对于农业健康、长远发展有着重要意义。基于此，对农田水利灌溉工程中节水技术的应用原则、应用要点、应用效果进行简要概述，为水利部门合理选择节水技术提供参考，以在切实保证农业生产效率和质量的同时达到节约水资源的目的。

［关键词］ 农田水利灌溉工程；节水技术；渠道防渗；低压管道；喷灌滴灌

［中图分类号］ S275 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1674-7909（2022）17--4

0 引言

根据农作物的需水情况、灌溉周期及地区水资源情况、地质条件、经济状况等，科学、合理选用节水技术，能够最大限度地发挥农田水利灌溉工程的作用和价值，降低水资源消耗，在切实保证农业生产效率和质量的同时达到节约水资源的目的，从而促进我国农业健康、可持续发展［1-2］。

1 农田水利灌溉工程中节水技术的应用原则

1.1 适时性

无论采用哪种节水技术，在实际应用过程中均需要遵循适时性原则。也就是说，灌水必须保证及时、合理。适时供水不仅能够达到提高作物生长质量的目的，也可以达到节约水资源的目的。

1.2 适量性

所选节水技术要保证农作物可以得到适量的水资源，避免灌水过多造成渗漏或者不必要的蒸发损失，也要避免灌水过少导致作物萎蔫或死亡。

1.3 均匀性

所选节水技术要保证水资源能够在各级输配管道中流量均匀，同时在田间分布上也要足够均匀。这样既能够达到节水效果，也能够保证灌溉效果良好［3］。

2 农田水利灌溉工程中节水技术的应用

2.1 渠道防渗技术

渠道防渗技术是指采取在渠道外侧修建保护层等多种措施，提高渠道的防渗效果。

2.1.1 技术类型。渠道防渗技术一般分为两大类型。一种是改变原渠道中床土的渗透性能。这种措施又可分为物理机械法、化学法2种。物理机械法一般是通过减少土壤孔隙的方式达到减少渗漏的目的，通常包括压实、淤淀、抹光等方式；化学法指的是通过掺入化学材料进一步增强渠道床土的不透水性。另一种是设置防渗层，也就是开展渠道衬砌作业。一般可以借助混凝土、黏土、水泥土或者砌砖、砌石等一系列不同材料有效衬砌渠床，以达到防渗漏的目的。

2.1.2 技术应用要点。

2.1.2.1 地基处理。根据设计好的断面完成开挖作业后，将土渠修削平整，同时夯实渠底、渠坡，以避免混凝土因为受力不均而出现开裂问题。一般可提前15 d进行修削平整处理，以使基土水分在自然状态下得到有效风干，有助于提升土基强度。同时，实际回填土干容重需要控制在1.55 g/cm3以上，以确保渠基、渠坡密实。

2.1.2.2 模板选择。在实际施工中，等厚板、楔形板、肋梁板等多种防渗渠道结构的施工通常都会借助活动模板进行浇筑。

2.1.2.3 混凝土拌制。混凝土拌制实际操作中，水灰比通常控制在0.7以下即可。对于水泥，需要结合水利工程相关强度要求合理选用相应标号，一般中小型渠道多数选用425普通水泥；石子粒径需要控制在0.5～1.5 cm；砂、石均必须保证干净、无杂质。借助机械开展混凝土拌和作业，实际拌和时间控制在2 min以上，如果添加掺和料、引气剂或者减水剂，需要适当延长拌和时间。在实际施工中，如果采用人工捣固，坍落度需要控制在2～3 cm；如果采用振捣器施工，坍落度需要控制在1～2 cm。

2.1.2.4 混凝土浇筑。首先，浇筑渠底板。如果为单数块，四侧全部需要立侧板，借助木桩进行固定；如果是浇双数块，需要纵向侧架立侧板，横向侧需要紧靠已浇块，并架立缝子板。板高需要与衬砌面保持齐平。其次，入仓振捣。可借助机械（表面式及小型插入式振捣器）开展振捣作业，具体施工中应注意以下3个方面：①在应用表面式振捣器过程中，振板行距需要重叠5～10 cm，开展边坡振捣时需要上行振动、下行不振动；②在使用小型插入式振捣器时，实际入仓厚度一般每层需要控制在25 cm以内，同时需要插入下层混凝土大约5 cm；③边角部位、钢筋预埋件附近需要人工振捣。

2.1.3 技术应用成效。采用渠道防渗技术，一般可使渠道减少50%～95%的水资源渗漏损失，同时可以降低地下水位，有效防止土壤出现次生盐碱化问题，并且可以节省占地，进一步减少工程建设费用及维修管理费用等［4］。例如，预制混凝土板具有强度高、使用寿命长等特点，其应用能够有效提升渠道输水能力，加之复合土工膜的有效应用，一般可以减少90%～95%的渗漏损失［5］。

2.2 低压管道输水灌溉技术

低压管道输水灌溉技术又被称为“管道输水灌溉技术”。从技术归类上来看，其仍然属于一种地面灌溉技术，主要是利用管道替代以往的明渠输水灌溉系统的一种农田水利节水灌溉技术。在实际灌溉过程中，借助较低的压力，将水从压力管道系统有效地输送至相应的农田灌溉区。通常压力需要控制在0.2 MPa以下，在克服管道方面的输水压力损失后，管道最远处的实际出口压力需要保证在0.002～0.003 MPa。部分情况下，受管材自身承压能力的影响，管道的实际输水压力需要适当降低［6］。

2.2.1 系统构成。结合各部分承担的功能不同，可以将低压管道灌溉系统划分为以下几个部分：水源、输水管道、给配水装置、安全保护设施和田间灌水设施等。

2.2.2 技术应用要点。

2.2.2.1 灌溉模数确定。灌溉模数主要指的是单位灌区所需灌溉流量，其是确定渠首引水流量、渠道设计流量、灌区用水计划的关键依据。如果灌溉模数取值过大，容易导致建设材料及资金浪费；如果灌溉模数取值过小，则无法满足灌溉需要。灌溉模数计算公式为

qin净（1）

式（1）中：qin净指的是第i种作物、第n次灌水实际所需的灌溉模数，单位为m3/（s·666.67 hm2）；σi指的是第i种作物实际种植面积占比，单位为%；min指的是第i种作物、第n次灌水实际定额，其单位为m3/hm2；Tin指的是第i种作物、第n次灌水实际持续时间，单位为h。

2.2.2.2 管网布置形式选择。现阶段应用较为广泛的管网布置形式可以分为树状网及环状网2种。前者呈树枝状分布，水流能够通过“树干”有效流向“树枝”，也就是从干管流向支管及分支管，通常只有分流、无汇流。后者指的是管网通过节点有效地将各管道连接成一个闭合环状网。结合给水栓位置及控制阀实际启闭情况，水流通常能进行正逆方向流动。例如：某地设置的低压管道输水管网主要采用的是树状网，其中干管主要布置在罐区边缘（与支管（渠道）垂直），实际长度控制在1.8～2.5 km；支管依照与作物种植走向保持平行这一原则进行布置，间距一般控制在60～150 m，支管的实际长度一般在350 m以内；干管间距同样如此。

2.2.2.3 管材选择。现阶段可选用的管材相对较多，如薄壁硬聚氯乙烯（PVC-U）管材、聚乙烯（PE）管材、无规共聚聚丙烯（PPR）塑料管和素混凝土管等。大多数管材均有良好的耐水压性及适用性。其中，素混凝土管造价低，但其对地形的适应性及耐水压性、连接可靠性相对较差。在实际选用时，需要优先考虑农田灌溉对管材压力的等级要求，避免因无谓提高管材压力等级而导致投资增加。

2.2.2.4 管径确定。结合经济流速法确定管径，计算公式为

（2）

式（2）中：D代表管径，单位为mm；Q代表管段设计流量，单位为m3/h；v代表管道设计流速，单位

为m/s。

2.2.2.5 机泵选配。在实际选配水泵时，需要满足以下要求：①必须满足流量及扬程方面的要求；

②水泵运行效率高、实际能耗少。其中，扬程的计算公式为

H=H净+h输（3）

式（3）中：H代表水泵的实际总扬程，单位为m；H净代表水泵的实际净扬程，一般指的是动水位到相应压力池或者出水口水面的实际垂直高度，单位

为m；h输代表井泵输水管的实际水头损失，单位为m，一般按照输水管长度的5%～9%进行估算。通常，如果管径小于100 mm，实际水头损失（h输）可以按照9%进行估算；如果管径大于100 mm，可以按照5%进行估算。

2.2.3 技术应用效果。低压管道输水灌溉技术的应用能够大幅度减少水资源渗漏及蒸发损失，使水资源利用率得到明显提高。相比土渠输水，此项技术通常节水30%左右，减少占地2%左右。同时，由于该技术是在一定压力下开展的输水作业，所以流速比土渠明显要大，供水较为及时，能够提高灌溉效率，保证适时供水。

2.3 喷灌技术

喷灌技术是把由水泵加压或自然落差形成的有压水通过压力管道送到田间，再经喷头喷射到空中，细小水滴均匀地洒落在农田的一种灌溉技术。与地面灌溉相比，大田作物喷灌可节省30%～50%的水资源，同时可以获取10%～30%的作物增产效果［7］。该技术对地形的适应性强、灌水均匀、少占耕地，但是受风影响大、设备投资高。

2.3.1 系统构成。喷灌系统主要由水源、水泵、动力机、管道系统、喷头、喷灌机和其他附属设备等构成。

2.3.2 技术应用要点。首先，收集资料。一般包括地形资料（包括灌区位置、边界、水源、道路等）、土壤及气象资料（包括光照、气温、蒸发量、降水，土壤类别、厚度、容重等）、农作物资料（包括各种作物的种植比例、轮作情况、耕作现状等）、水源资料（包括水源属性、位置、水质、含沙情况等）。其次，喷灌系统及管网选择。结合地形、作物、机械设备条件等，综合考虑不同喷灌系统的优缺点，选定最为适宜的喷灌系统。喷头的喷洒方式一般包括全园喷洒、扇形喷洒等，喷头的组合形式一般包括等腰三角形、矩形等，可根据具体需要选择喷头的喷洒方式和组合形式。另外，应根据作物及土壤特点、农业生产要求、喷头的水力性能等确定喷头型号。如在山丘斜坡地，一般喷灌系统中的压力会随着地形变化出现一定变化：高处往往压力小，可以选用低压喷头；中间位置可以选用中压喷头；低处可以选用高压喷头。如果实际压力过高，还需要加装减压器。对于管网的选择，应根据具体地形、水源条件等制订几种规划方案，最终择优选定。再次，支管轮灌方式需要本着就近、便于作业及节省管网投资等基本原则进行选定。最后，选择水泵时需要有配套动力，应先明确喷灌系统中的水泵设计流量及扬程，再根据确定的水泵型号匹配动力机。与水泵配套的动力机主要有电动机、柴油机和汽油机等。

2.3.3 技术应用效果。从技术应用实践来看，对于不同农作物往往需要选用不同的喷灌设备，最终取得的应用效果也会存在一定差异。例如，对于小麦种植区，如果选用大型指针式喷灌机，可以在麦田中进行旋转喷水，通常一次可有效浇灌田地约

80 hm2；对于玉米种植区，如果选用卷盘式喷灌机，相比大水漫灌可以使灌水效率提高十几倍，用水量仅为漫灌的1/3～2/3；对于蔬菜种植区，如果选用移动式喷罐车，能达到出水量251 m3/h的微喷灌效果，实际节水量能达到40%及以上，实际水资源利用率能超过90%［8］。

2.4 滴灌技术

滴灌是将具有一定压力的水过滤后经管网和出水管道（滴灌带）或滴头以水滴的形式缓慢、均匀地滴入植物根部土壤的一种灌水方法。滴灌技术是目前农田灌溉节水效果最好的灌溉技术之一，具有灌水深度、范围、灌水量控制良好以及灌水均匀、节水效益明显等特点，但其实际应用成本较高，所以被称为“昂贵的节水技术”，多应用于一些高附加值的经济作物生产。

2.4.1 系统构成。滴灌系统主要包括3个部分：①首部枢纽，一般包括水泵、过滤装置、施肥装置、测量控制装置等，具有抽取水资源、加压、加入肥料以及过滤后按时、按量将水肥资源输送到管路中的功能；②各级输配水管路，一般包括干管、支管、毛管和流量调节器等设备，发挥着将加压水均匀、有效地分配到需要灌溉区域的作用；③滴头，发挥着将水流有效地转变为小水滴，同时滴入相应区域的作用。