水利工程節(jié)水灌溉設計與規(guī)劃的優(yōu)化措施探討

摘要：在我國經濟平穩(wěn)快速的增長過程中，要考慮經濟增長的可持續(xù)性，水資源的污染、浪費、短缺等制約著我國農業(yè)發(fā)展和經濟建設。水利工程的節(jié)水灌溉設計與規(guī)劃可以解決水資源短缺問題，推進農業(yè)和社會經濟穩(wěn)定發(fā)展?；诖?，本文首先介紹噴灌技術、微灌技術、滴灌技術等節(jié)水灌溉技術，然后闡明水利工程節(jié)水灌溉設計中的設計原則、設計規(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)，推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：水利工程；灌溉設計；規(guī)劃

一、水利工程中對節(jié)水灌溉技術的認識

節(jié)水原則作為灌溉工程設計的首要原則，是通過各種高效的節(jié)水灌溉技術來實現的。隨著技術的發(fā)展和國際上對農業(yè)節(jié)水的關注，出現了新的灌溉方式?，F階段，我國普遍采用的高效節(jié)水灌溉技術主要包括噴灌技術、微灌技術和滴灌技術。

（一）噴灌技術

噴灌技術作為一種高效、自動化的灌溉技術，使用高壓穿孔管或噴嘴進行灌溉，比漫灌節(jié)水30%，已在世界范圍內得到廣泛應用。噴灌主要用于大田密植作物，到2022年底，我國噴灌總面積為4.6兆公頃，占全國灌溉面積的6.3%。當然，作為最早的節(jié)水灌溉技術，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

微灌技術是繼噴灌技術后誕生的一種節(jié)水灌溉技術，是在噴灌技術基礎上的進一步優(yōu)化，比噴灌節(jié)水50%。微灌技術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，主要應用對象是菜地、花卉、草坪或大棚內作物。因為微灌只有一個噴微頭，噴灑面積僅幾平方米，可以實現局部灌溉，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，對水質的要求較高。

（三）滴灌技術

滴灌技術是目前較先進的節(jié)水灌溉技術，理論上，水的利用率達0.98，是一種使用低壓潤濕土壤離散部分的節(jié)水灌溉技術，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，我國滴灌總面積為628萬公頃，占全國灌溉面積的0.085%。實際上，水質過濾對滴灌而言很重要，因為沉積物和藻類會堵塞滴灌器、起泡器和微噴頭上的小開口，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)水灌溉設計

（一）設計規(guī)定

設計灌溉工程，需要考慮許多變量。灌溉工程要遵循住建部和質監(jiān)局聯合發(fā)布的《灌溉與排水工程設計標準 GB50288－2018》中，對水庫建筑物（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計規(guī)定?，F階段，國內灌溉工程設計主要應用三種數學模型，即流體動力學模型、零慣性模型和運動波模型，在灌溉工程的滲透和徑流方面，三種模型之間沒有明顯差異，模擬的準確性都較高，可以用來評估和改進灌溉工程性能。但在流入率方面，運動波模型不如零慣性模型準確，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、入滲方程系數和曼寧粗糙度系數。

（二）設計原則

1.宏觀理念

基于現階段農業(yè)生產灌溉所需和節(jié)水農業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，應秉承節(jié)水原則、經濟原則和統(tǒng)籌原則。其中，節(jié)水原則要求灌溉工程設計在水資源短缺的背景下，努力獲得或維持水資源的科學利用，確保農業(yè)生產的可持續(xù)性，這也是灌溉工程設計的首要原則；經濟原則要求降低灌溉工程的建設成本，避免農民利益受損，提高農民經濟收益，這也是灌溉工程設計的基本原則；統(tǒng)籌原則要求灌溉工程的設計統(tǒng)籌灌溉基礎設施以及更廣泛的環(huán)境背景和外部參與者互動，在內部和外部挑戰(zhàn)和沖突中集成灌溉工程的可持續(xù)性基礎，這也是灌溉工程設計的核心原則。

2.細節(jié)操作

第一，安全設計。渠道工程或布置渠道過程中，應結合山地坡度、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際情況進行選擇，最大程度上保障險段、高填方、深挖方的安全。在設計山丘地形渠道時，要具備合理的泄洪設施和排洪設施，確保沿線干渠地質條件，沿渠修建泄水閘和溢洪堰，充分利用集中落差，提、引、蓄相結合，避開破裂帶和風化巖層。

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，通過渠道及附屬建筑向農田供水、灌水，在高處布置澆灌渠道，在低處布置與之相對應的排水溝道，實現自流排水、自流澆灌，但灌區(qū)干渠渠線較長、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大，對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?；诖耍赏ㄟ^渠、塘、庫，連通地下水和地表水，布置渠道線路應確保整齊、直順，避開建造物的交錯，結合當地地貌、地形，對所有灌區(qū)的面積實現自流控制，在干渠一側引出支渠，避免水土流失，攔截山洪。

（三）灌溉工程中節(jié)水技術的設計

1.渠道的防漏設計

由于渠道長期承受水流的沖刷和壓力，難免出現渠道側漏問題，不僅會影響灌溉工程的工作效率，還會造成水資源的浪費、生態(tài)破壞和經濟損失。為此，必須采取有效的防護措施，在灌溉工程的設計初期，進行防漏設計。例如，外水內滲的涵洞（管）或沿渠道外壁縱向漏水時，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，修復渠道的設計輪廓，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）或內襯（用鋼板、鋼筋混凝土或預制鋼筋混凝土塊）；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的問題。

2.渠道防溢設計

與渠道側漏相比，渠道溢滲水問題在水利工程節(jié)水灌溉工作中較為常見。在設計中，應以改善土體強度特性、提高土體穩(wěn)定性、防止水流通過土體過濾為主。將溢洪道布設在水庫右岸埡口位置，將渠進口被設置在河灣的上游位置，將放空隧道給設置在河岸溢洪道旁，控制在溢洪道渠下方45m左右的位置，在土渠內增加一層防滲水的內襯（由混凝土與砌石兩種材料構成），經過這種技術處理的輸水渠道在使用時可節(jié)約50%的水量，確保溢洪道設置的合理性與科學性，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.管道輸水的設計

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

4.微噴的設計

灌溉用水資源不足是全球可持續(xù)糧食生產的主要挑戰(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，使農民收入水平提高42%。在設計方面，需要根據該地區(qū)的年平均降雨量、年潛在蒸散量、作物種類和數量以及土壤類型等，明確每種設備的具體參數。

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)的可靠運作，需要制定一套科學、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)水灌溉施工準備工作、施工方案與技術措施確定工作，具體論述如下：

（一）準備工作

1.技術準備

主要包括組織人員的選取、施工圖紙復審、施工方案制定和編制。其中，組織人員的選取主要是落實項目部成員和項目施工成員；施工圖紙復審主要由項目部成員會審提交的圖紙；施工方案制定和編制是在圖紙復審結果基礎上，基于施工圖紙進行施工方案的確定和編制。

2.施工準備

主要包括全面檢修進場施工的機械設備，以確保施工前設備運轉正常。此外，編制施工計劃，安排施工順序，協調各工序及各專業(yè)間的配合工作。

3.現場準備

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

（二）施工方案與技術措施確定

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、工程質量檢測與驗收等不同環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)由不同的施工部分組成。

2.施工測量

進場后根據監(jiān)理單位提供的工區(qū)范圍內導線點及水準點的基本數據建立工程測量控制網，以保證施工放樣、定位的準確性。每開挖一個單元前，進行邊線及高程放樣。

3.施工清理

對測量出的清理范圍，用人工或機械清除該范圍內的全部有礙物，范圍外的清理按監(jiān)理單位要求進行。

4.土方開挖

場地清理完成后，采用1.0m3反鏟配5t自卸汽車開挖，運輸至棄碴場。

5.質量檢測與驗收

施工完成后要進行質量檢測與工程驗收。具體標準為砌體堅實牢固，勾縫平順，無脫落現象；泄水孔坡度向外，無堵塞現象。沉降縫整齊垂直，上下貫通。

四、解決措施

（一）選擇更加標準的方案，規(guī)范節(jié)水技術使用，強化科學管理

水利工程節(jié)水灌溉在于儲存和重新分配給植物的水量之間存在平衡，有助于實現恒定流量，提高灌溉的均勻性。為此，應選擇更加標準的方案，規(guī)范節(jié)水技術使用，強化科學管理。在這一方面，設計考慮需要兩個主要標準：第一，設計的水利工程節(jié)水灌溉足以進行每周灌溉；第二，設計的水利工程節(jié)水灌溉滿足最低15mm/h的用水率。根據第一個標準，設計的水利工程節(jié)水灌溉必須每天灌溉285m2（2000m2/7d），灌溉量為57m2/h（285m2/5h）。為了滿足第二個標準，設計的水利工程節(jié)水灌溉必須達到800L/h。據此計算，7.5m×7.5m地塊單元微噴灌系統(tǒng)布置中，每個微噴頭的設計出水量計算為35L/h。

（二）改進輸水渠道，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蓄水池，在此過程中，獲得相當于0.42kgf/cm2水壓。蓄水池附有微噴灌系統(tǒng)，設計使水的施用量等于進入蓄水池的水量。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。在此基礎上，基于流動條件的理論考慮，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）明確設計主體，確保方案科學化、標準化

水利工程節(jié)水灌溉要求管段中的水流動條件保持一致。因此，基于雷諾數準則，為了保持管道輸送水的層流，水利工程節(jié)水灌溉的雷諾數必須保持小于2100（層流條件下雷諾數的閾值）。其中，雷諾數定義為流動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、結語

綜上所述，做好水利工程節(jié)水灌溉設計與規(guī)劃的優(yōu)化對保障農田生產、增產增收具有十分重要的現實意義。在水利工程節(jié)水灌溉設計與規(guī)劃中，選擇更加標準的方案，改進輸水渠道，確保方案科學化、標準化，有利于充分發(fā)揮水利工程節(jié)水灌溉效能，提高農田灌溉水平。

參考文獻：

[1]黃鶯音.水利工程規(guī)劃設計與農田灌溉技術分析[J].農家參謀，2023（07）：182-184.

[2]趙艷偉.農業(yè)水利灌溉工程中的節(jié)水措施探討[J].新農業(yè)，2023（01）：103-104.

[3]崔巍，李夏.農田水利工程節(jié)水灌溉技術探討[J].長江技術經濟，2022，06（03）：110-113.

[4]侯宇軒.節(jié)水灌溉技術在農田水利工程中的應用研究[J].農業(yè)災害研究，2021，11（09）：166-167.

作者簡介：耿靜（1989），女，山東省臨沂市沂水縣人，本科學歷，畢業(yè)于山東農業(yè)大學，中級工程師，主要研究方向為水利發(fā)展規(guī)劃。