甘肅中部生態移民扶貧開發供水田間工程規劃設計與效益分析

沈圣云

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

田間工程是農業供水工程中的最末端工程，發揮著重要的農田灌溉作用。其具體是指末級固定渠道控制范圍內的臨時性或永久性灌排設施、土地平整工程、田間道路及防風林帶等的總稱[1]。研究表明，田間級工程的建設與管理是作物生產的關鍵，在已有骨干系統的灌區，規劃、設計及建設田間工程是提高農業用水效率和灌溉效果最有效、最簡便的途徑之一[2]。近年來，我國農田水利事業進步巨大，先后發展、建設了農業節水灌溉、田間溝渠系統布置、地下灌溉排水等工程[3- 7]，促使田間工程也取得了較大成就。

然而，田間工程快速發展的同時，也出現了一些問題。其中較為突出的問題是，由于規劃設計、建設及管理等階段的不合理操作，導致田間工程水量損失嚴重。據統計，田間工程中的水量損失率達18%左右，且北方地區的灌溉用水效率低下，平均灌溉水利用率不到0.45，僅為發達國家的56.2%～64.3%[8- 9]。故提高田間工程的用水效率是現代農業及供水工程研究與發展的重中之重。其中，健全田間工程的規劃設計與建設，并加強初期效益評估，從設計源頭對田間工程質量加以預判和把控，對減少田間水量損失，充分發揮灌排工程效益，具有十分重要的意義。此外，田間工程的設計與建設還需因地制宜，不同地區、不同項目的田間工程設計與建設不盡相同，需綜合考慮氣候環境、地理因素、土壤狀況及地質條件等因素。

本文以甘肅中部生態移民扶貧開發供水工程中的田間工程為例，依據實際情況對該典型案例的灌溉模式進行設計，并對其經濟、社會及生態效益進行分析評估，以期為項目建設的具體實施、后期運行及相關研究等提供依據和參考。

2 工程概況

甘肅中部生態移民扶貧開發供水工程項目區位于甘肅省白銀市，涉及靖遠縣、平川區，共計16個鄉鎮，138個行政村[10]。該工程新發展了30萬畝灌區田間工程。本文綜合考慮工程分布、地形地貌等特點，選定位于靖遠縣東升鄉的王家廟典型片區為案例進行研究。該片區地形地貌較為復雜，地勢起伏較大，地塊被數道山梁分割呈雞爪狀，分為賀寨柯川、車路梁溝、路寨柯溝、上川、半川等支叉，各支叉寬約200～500m，長度約3～6km。地勢南高北低，海拔1860～1760m，落差100m。土地類型主要為溝谷地，土層深厚大于1.5m，土壤類型為灰鈣土。種植作物以小麥、玉米、枸杞及馬鈴薯等為主。

本文所選王家廟片區的面積約占發展總灌溉面積的2.50%，符合相關國家規范標準。并經計算分析，研究區在土地適灌性、地形地貌、灌溉模式及種植作物等方面均可較好地代表和反映新發展灌區的整體情況與特點。

3 田間工程設計

3.1 設計原則

(1)因地制宜、尊重現狀。充分考慮地形地貌特點，采用相適應的灌溉模式，并充分考慮灌區實際，盡可能利用現有水利設施。

(2)節能優先、經濟適用?！案咚哂?、低水低用”布置，并盡可能做到高壓區布置微灌，低壓區布置管灌。優化多方案比選，做到經濟性好、運行便利，便于規?；洜I。

3.2 典型案例區設計

研究區地形地貌條件復雜，在綜合考慮各方因素下，確定采用多模式綜合灌溉方案，系統中包含管灌、大田微灌和溫室滴灌多種灌溉模式，并充分利用地形落差實現自壓灌溉。

研究區靠近黃河主干河道，水源取自黃河。但黃河水泥沙含量較大，故在田間工程中設置沉沙池，具體采用：微灌工程“渠道+沉沙池+自流(或加壓)+微灌系統”模式，管灌工程“渠道+自流(或加壓)+管灌系統”模式。

3.2.1系統總體布置

結合支渠供水條件，王家廟典型片劃分為3個系統，分別由3座沉砂池供水，如圖1所示。

1#系統利用現有水池沉砂，高程1830m，灌溉上川、半川2763畝。1825m以上，壓力不足布置加壓管灌；1825～1800m之間，布置自壓管灌；1800～1770m之間，布置自壓微灌。

2#系統新建沉砂水池，高程1850m，灌溉賀寨柯川2266畝。1820m以上，布置自壓管灌；1820m以下地形落差70m，采用分區自壓微灌，分區地形落差20～30m，即分為1820～1790m、1790～1770m、1770～1750m三個分區，分區間采用“減壓閥+減壓池”方案隔斷動靜水壓力。

3#系統新建水池沉砂，高程1850m，灌溉車路梁溝、路寨柯溝2458畝。1820m以上，布置自壓管灌；1820m以下地形落差60m，采用分區自壓微灌，分區地形落差10～30m，即分為1820～1790m、1790～1780m、1780～1760m三個分區，分區間減壓方案同2#系統。

整個系統中輸配水管均為PVC-U管，輔管采用低密度PE管。由于整個王家廟典型片僅布置1個面積300畝的溫室滴灌系統，擬種植蔬菜，不參與文中的經濟效益預估，因此對滴灌系統設計本文不做描述。

圖1 研究區總體布置示意圖

3.2.2管灌工程設計

(1)管道設計流量計算

(1)

式中，Q0—系統流量，m3/h；A—灌溉面積，畝；?i—灌水高峰期第i種作物的種植比例，系統內種植作物單一，取值1；Ti—灌水高峰期第i種作物的灌水周期，取17d;mi—灌水高峰期第i種作物的灌水定額，取50m3/畝；t—日供水小時數，取12h/d；η—灌溉水利用系數，取0.85。

計算得，管灌工程系統的設計流量為49.00m3/h。

(2)管網水力計算

管道沿程水頭損失計算：

(2)

式中，hf—管道沿程水頭損失，m；f—摩阻系數，取0.464；Qg—管道流量，L/h；D—管道內徑，mm；L—管道長度，m；m—流量指數，取1.770；b—管徑指數，取4.770。

經計算，管網中干管的沿程損失為0.34m，支管的沿程損失共計5.09m。

管道局部水頭損失計算：按沿程水頭損失的10%估算，干管的局部損失為0.34m，支管的局部損失共計0.51m。

(3)管徑計算

(3)

式中，D—計算管徑，mm；Q—設計流量，m3/h；v—經濟流速，m/s，參照塑料管流速(1.0～1.5m/s)選取。

經計算，管道設計直徑為160mm、壁厚為4.0mm、內徑為152mm；管道設計壓力為0.4MPa。

3.2.3大田微灌設計

(1)設計參數。①設計耗水強度：枸杞取2.7mm/d，馬鈴薯取3.0mm/d；②土壤計劃濕潤層厚度：枸杞取70cm，馬鈴薯取35cm；③土壤濕潤比：枸杞取50%，馬鈴薯取90%。④土壤適宜含水率：枸杞、馬鈴薯等均取田間持水率的60%～90%；⑤設計滴頭流量偏差率取qv=20%。

(2)灌溉制度

最大灌水定額計算：

(4)

式中，mmax—最大灌水定額，mm；γ—土壤容重，取1.38g/cm3；z—土壤計劃濕潤層深度，枸杞取70cm、馬鈴薯取35cm；p—設計土壤濕潤比，枸杞取50%、馬鈴薯取90%；θmax—適宜土壤含水率上限，取田間持水率的90%；θmax—適宜土壤含水率下限，取田間持水率的60%；θ—田間持水率，取23%(質量比)；η—灌溉水利用系數，取90%。

設計灌水周期計算：

(5)

式中，Tmax—最大灌水周期，d；Ia—設計供水強度，mm/d。

一次灌水延續時間計算：

(6)

式中，t—次灌水延續時間，h；Se—灌水器間距，枸杞取0.5m、馬鈴薯取0.3m；S1—毛管間距，枸杞取2m、馬鈴薯取0.8m；qd——灌水器設計流量，枸杞取3L/h、馬鈴薯取2.1L/h。

上述計算結果詳見表1。

表1 微灌灌溉制度計算表

(3)系統流量計算

(7)

Ia=Ea

(8)

式中，Qs—水源可供水量，m3/h；Ia—設計供水強度，mm/d；A—灌溉面積，hm2；Ea—設計耗水強度，mm/d；td—水泵日供水小時數，取12h/d；η—灌溉水利用系數，取0.9。

(4)灌水小區水力計算

滴頭允許工作水頭偏差計算：

(9)

Δh=hvhd

(10)

式中，hv—灌水器水頭偏差，%；x—灌水器流態指數，取0.5；Δh—允許水頭偏差，m；hd—灌水器工作水頭，取10m。

計算得，灌水器水頭偏差為41%，允許水頭偏差為4.12m。

毛管極限長度計算：

Lm=S(Nm-1)+S0

(11)

式中，Lm—毛管極限長度，m；Nm—毛管的極限分流孔數；S—分流孔間距，m；S0—毛管進口至首孔的距離，m。

輔管按雙向布設毛管，對不同的毛、輔管分配比進行了試算，綜合考慮田塊規格，確定輔管布置長度取25m，毛管布置長度取70～75m。

(5)系統工作制度及輪灌組劃分

最大輪灌組數計算：

(12)

式中，Nmax—最大輪灌組數；N—輪灌組數；C—設計日工作小時數，取12h。

經計算，枸杞最大輪灌組數12組，馬鈴薯最大輪灌組數31組。

(6)管徑設計

大田微灌用管包括輔管和滴灌管，其直徑分別為63、16mm。枸杞滴灌采用內徑16mm、壁厚1.0mm的滴灌管，滴頭間距為0.5m，設計流量為3.0L/h。馬鈴薯滴灌采用一次性滴灌帶，內徑16mm，壁厚0.2mm，滴頭間距為0.3m，設計流量為2.1L/h。

4 工程效益分析

4.1 經濟效益評估

該田間工程建成后，該地區農業生產條件將明顯改善，水資源利用效率將有效提高，整體灌溉條件、作物產量等將得到改善和提高。灌溉與增產、增收密不可分，故將灌溉增產、增收效益作為經濟效益的分析對象，并選擇糧食作物總產量作為評價灌溉增產效益的計算指標。計算公式為[11]：

B1=(Q1-Q0)×pr×εa

(13)

式中，B1—供水工程建成后灌溉增產效益，元；Q0、Q1—建前和建后糧食作物的產量，kg；pr—糧食單價，元/kg；εa—增產效益分攤系數，取0.4[12]。

通過調研分析[13- 15]，研究區種植的小麥、玉米、馬鈴薯及枸杞等主要作物，在灌溉條件下的產量相對于旱地條件，可分別提高161.47%、116.02%、86.67%、142.78%。通過公式(13)計算得出灌溉增產、增收效益，見表2及圖2。

圖2 研究區主要作物增產、增收效益分析圖

根據表2和圖2結果，該工程實施后(灌溉面積0.7487萬畝)，可使當地農戶年經濟收入總量增加約408.61萬元，平均每畝年效益增加787.45元左右，且該工程80%以上實現了自壓灌溉，極大節約了電力成本。

4.2 社會、生態效益評估

4.2.1社會效益評估

(1)糧食安全

糧食安全與社會的和諧、政治的穩定、經濟的持續發展息息相關，在社會效益中占有舉足輕重的地位。田間灌排工程、引水工程及渠道的整修能一定程度提高水資源利用效率，有利于種植結構的調整，能提高糧食產量，保證糧食產量安全。此外，修建的蓄水池、沉砂池等工程，可用于儲蓄天然降水及灌溉退水等，可有效減少水資源廢棄。

(2)脫貧致富

該工程的建設對當地農業新技術、新設備的引進與應用有促進作用，并可轉變農戶的傳統耕作觀念，促使當地土地形態產生巨大改變，農業用地從旱地靠天吃飯，轉變為高效節水的灌溉土地。對合理運用現代農業經營管理方法，催生當地種植結構多元化、農產品多樣化發展，可使項目區內的農戶的生產條件得到相應改善，同時也可帶動其他行業發展，進一步激發農村經濟行業的發展勢頭，進而解決部分就業問題。此外，將有力改變當地農戶的生產、生活條件，對農產品產量提高、農業高質量發展，提供了堅實的設施基礎；有助于保障貧困地區飲水、灌溉安全，提高農民的年均純收入，改善農民的生活和生產質量，逐步實現脫貧致富和區域經濟可持續發展的目標。

表2 典型案例研究區主要作物增產和增收效益分析表

選取農民人均純收入作為評價脫貧致富作用的計算指標。計算公式為[13]：

B2=(e1×P1-e0×P0)×β

(14)

式中，B2—建后農田水利工程對脫貧致富的影響，元；e0、e1—建前和建后的農民人均純收入，元/人；P0、P1—建前和建后該片區人口，由于短期內人口增加不顯著，故P0、P1取相同數值；β—農田水利工程對脫貧致富的貢獻度，取53.15%[13]。

經計算，該農業田間工程實施后，可為當地農民脫貧致富增收542.94萬元。

4.2.2生態效益評估

(1)水環境改善效益

水環境改善效益評估的任務是評價和分析工程建設對相應地區內地表水質及地下水環境、水體保護與修復等方面的影響狀況?？蛇x擇農田灌溉量、排出水硝態氮濃度作為該評估的計算指標。計算時采用等效替代法，將水質改善的效益轉化成為項目建后達到水質標準需增加的投資費用。計算公式為：

B3=W×αD×(cs×cm)×Pc

(15)

式中，B3—建后水環境改善效益，元；W—農田灌溉量，m3，經調研知，研究區農田畝均灌溉用水量538m3；αD—退水量與灌溉量的比值，有研究表明，退水量隨灌溉量的增大而增大，在優化灌溉節水條件下退水量占灌溉量的35%，即αD=0.35；Cs、Cm—氮質量濃度的標準值及測量值，Cs取 2.0mg/L[16]，Cm取0.9mg/L[17]；Pc—氨氮處理成本價格，取2萬元/t[18]。

經計算，該農業田間工程實施后，可對該地區水環境改善的效益達414.26萬元。

(2)生物多樣性與人居環境

該工程位于騰格里沙漠的南緣，荒漠化治理一直是人民重點關注的生態問題。該工程對這一問題的進一步解決也將發揮巨大作用。用水的保障，使樹木、植被的生長也得到了保障，也將增加項目區的植被面積，使植被覆蓋率大幅度提高；同時可美化農村人居環境。將更加有助于白銀市生態防護林等綠色屏障的發展和建設，有利于騰格里沙漠南緣的風沙源綜合治理，將有效減輕甘肅省及周邊區域沙塵暴的發生頻率和強度，對保護和改善國家生態安全、生物多樣性具有重要的現實意義。

效益評估從田間工程建設經濟、社會及生態環境3個方面進行了分析，并對分項效益進行了貨幣化計量，如圖3所示。該工程建成運營后，經濟效益約408.61萬元，社會效益達542.94萬元，生態效益為414.26萬元。

圖3 效益貨幣化計量圖

5 結論

新時期扶貧脫貧是國家建設與發展的引領和號召。甘肅中部生態移民扶貧開發供水工程是對國家戰略方針的積極響應。該工程田間供水工程新發展了30萬畝灌溉用地，本文從中選取了王家廟典型片區作為研究案例，對其灌溉模式進行設計，并從田間工程建設經濟、社會及生態環境3個方面進行了效益分析，對分項效益進行了貨幣化計量。該田間工程的相關設計充分結合了實際情況，采用管灌、大田微灌以及溫室滴灌等高效節水措施，并利用地形優勢，使80%以上區域實現自壓灌溉，充分保證了節能。工程結構整體設計、布局合理。目前，該工程已開工建設，建成運行后，將大幅提高該地區的農產品產量，經濟效益約408.61萬元，可使當地農戶年經濟收入平均增加約787.45元/畝；同時，社會效益(當地農民脫貧致富增收)達542.94萬元，生態效益(該地區水環境改善效益)達414.26萬元。該工程對拉動當地經濟、拓展農業結構、提升人民生活質量，以及改善生態環境具有十分重大的意義。