沈圣云

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

田间工程是农业供水工程中的最末端工程，发挥着重要的农田灌溉作用。其具体是指末级固定渠道控制范围内的临时性或永久性灌排设施、土地平整工程、田间道路及防风林带等的总称[1]。研究表明，田间级工程的建设与管理是作物生产的关键，在已有骨干系统的灌区，规划、设计及建设田间工程是提高农业用水效率和灌溉效果最有效、最简便的途径之一[2]。近年来，我国农田水利事业进步巨大，先后发展、建设了农业节水灌溉、田间沟渠系统布置、地下灌溉排水等工程[3- 7]，促使田间工程也取得了较大成就。

然而，田间工程快速发展的同时，也出现了一些问题。其中较为突出的问题是，由于规划设计、建设及管理等阶段的不合理操作，导致田间工程水量损失严重。据统计，田间工程中的水量损失率达18%左右，且北方地区的灌溉用水效率低下，平均灌溉水利用率不到0.45，仅为发达国家的56.2%～64.3%[8- 9]。故提高田间工程的用水效率是现代农业及供水工程研究与发展的重中之重。其中，健全田间工程的规划设计与建设，并加强初期效益评估，从设计源头对田间工程质量加以预判和把控，对减少田间水量损失，充分发挥灌排工程效益，具有十分重要的意义。此外，田间工程的设计与建设还需因地制宜，不同地区、不同项目的田间工程设计与建设不尽相同，需综合考虑气候环境、地理因素、土壤状况及地质条件等因素。

本文以甘肃中部生态移民扶贫开发供水工程中的田间工程为例，依据实际情况对该典型案例的灌溉模式进行设计，并对其经济、社会及生态效益进行分析评估，以期为项目建设的具体实施、后期运行及相关研究等提供依据和参考。

2 工程概况

甘肃中部生态移民扶贫开发供水工程项目区位于甘肃省白银市，涉及靖远县、平川区，共计16个乡镇，138个行政村[10]。该工程新发展了30万亩灌区田间工程。本文综合考虑工程分布、地形地貌等特点，选定位于靖远县东升乡的王家庙典型片区为案例进行研究。该片区地形地貌较为复杂，地势起伏较大，地块被数道山梁分割呈鸡爪状，分为贺寨柯川、车路梁沟、路寨柯沟、上川、半川等支叉，各支叉宽约200～500m，长度约3～6km。地势南高北低，海拔1860～1760m，落差100m。土地类型主要为沟谷地，土层深厚大于1.5m，土壤类型为灰钙土。种植作物以小麦、玉米、枸杞及马铃薯等为主。

本文所选王家庙片区的面积约占发展总灌溉面积的2.50%，符合相关国家规范标准。并经计算分析，研究区在土地适灌性、地形地貌、灌溉模式及种植作物等方面均可较好地代表和反映新发展灌区的整体情况与特点。

3 田间工程设计

3.1 设计原则

(1)因地制宜、尊重现状。充分考虑地形地貌特点，采用相适应的灌溉模式，并充分考虑灌区实际，尽可能利用现有水利设施。

(2)节能优先、经济适用。“高水高用、低水低用”布置，并尽可能做到高压区布置微灌，低压区布置管灌。优化多方案比选，做到经济性好、运行便利，便于规模化经营。

3.2 典型案例区设计

研究区地形地貌条件复杂，在综合考虑各方因素下，确定采用多模式综合灌溉方案，系统中包含管灌、大田微灌和温室滴灌多种灌溉模式，并充分利用地形落差实现自压灌溉。

研究区靠近黄河主干河道，水源取自黄河。但黄河水泥沙含量较大，故在田间工程中设置沉沙池，具体采用：微灌工程“渠道+沉沙池+自流(或加压)+微灌系统”模式，管灌工程“渠道+自流(或加压)+管灌系统”模式。

3.2.1系统总体布置

结合支渠供水条件，王家庙典型片划分为3个系统，分别由3座沉砂池供水，如图1所示。

1#系统利用现有水池沉砂，高程1830m，灌溉上川、半川2763亩。1825m以上，压力不足布置加压管灌；1825～1800m之间，布置自压管灌；1800～1770m之间，布置自压微灌。

2#系统新建沉砂水池，高程1850m，灌溉贺寨柯川2266亩。1820m以上，布置自压管灌；1820m以下地形落差70m，采用分区自压微灌，分区地形落差20～30m，即分为1820～1790m、1790～1770m、1770～1750m三个分区，分区间采用“减压阀+减压池”方案隔断动静水压力。

3#系统新建水池沉砂，高程1850m，灌溉车路梁沟、路寨柯沟2458亩。1820m以上，布置自压管灌；1820m以下地形落差60m，采用分区自压微灌，分区地形落差10～30m，即分为1820～1790m、1790～1780m、1780～1760m三个分区，分区间减压方案同2#系统。

整个系统中输配水管均为PVC-U管，辅管采用低密度PE管。由于整个王家庙典型片仅布置1个面积300亩的温室滴灌系统，拟种植蔬菜，不参与文中的经济效益预估，因此对滴灌系统设计本文不做描述。

图1 研究区总体布置示意图

3.2.2管灌工程设计

(1)管道设计流量计算

(1)

式中，Q0—系统流量，m3/h；A—灌溉面积，亩；∂i—灌水高峰期第i种作物的种植比例，系统内种植作物单一，取值1；Ti—灌水高峰期第i种作物的灌水周期，取17d;mi—灌水高峰期第i种作物的灌水定额，取50m3/亩；t—日供水小时数，取12h/d；η—灌溉水利用系数，取0.85。

计算得，管灌工程系统的设计流量为49.00m3/h。

(2)管网水力计算

管道沿程水头损失计算：

(2)

式中，hf—管道沿程水头损失，m；f—摩阻系数，取0.464；Qg—管道流量，L/h；D—管道内径，mm；L—管道长度，m；m—流量指数，取1.770；b—管径指数，取4.770。

经计算，管网中干管的沿程损失为0.34m，支管的沿程损失共计5.09m。

管道局部水头损失计算：按沿程水头损失的10%估算，干管的局部损失为0.34m，支管的局部损失共计0.51m。

(3)管径计算

(3)

式中，D—计算管径，mm；Q—设计流量，m3/h；v—经济流速，m/s，参照塑料管流速(1.0～1.5m/s)选取。

经计算，管道设计直径为160mm、壁厚为4.0mm、内径为152mm；管道设计压力为0.4MPa。

3.2.3大田微灌设计

(1)设计参数。①设计耗水强度：枸杞取2.7mm/d，马铃薯取3.0mm/d；②土壤计划湿润层厚度：枸杞取70cm，马铃薯取35cm；③土壤湿润比：枸杞取50%，马铃薯取90%。④土壤适宜含水率：枸杞、马铃薯等均取田间持水率的60%～90%；⑤设计滴头流量偏差率取qv=20%。

(2)灌溉制度

最大灌水定额计算：

(4)

式中，mmax—最大灌水定额，mm；γ—土壤容重，取1.38g/cm3；z—土壤计划湿润层深度，枸杞取70cm、马铃薯取35cm；p—设计土壤湿润比，枸杞取50%、马铃薯取90%；θmax—适宜土壤含水率上限，取田间持水率的90%；θmax—适宜土壤含水率下限，取田间持水率的60%；θ—田间持水率，取23%(质量比)；η—灌溉水利用系数，取90%。

设计灌水周期计算：

(5)

式中，Tmax—最大灌水周期，d；Ia—设计供水强度，mm/d。

一次灌水延续时间计算：

(6)

式中，t—次灌水延续时间，h；Se—灌水器间距，枸杞取0.5m、马铃薯取0.3m；S1—毛管间距，枸杞取2m、马铃薯取0.8m；qd——灌水器设计流量，枸杞取3L/h、马铃薯取2.1L/h。

上述计算结果详见表1。

表1 微灌灌溉制度计算表

(3)系统流量计算

(7)

Ia=Ea

(8)

式中，Qs—水源可供水量，m3/h；Ia—设计供水强度，mm/d；A—灌溉面积，hm2；Ea—设计耗水强度，mm/d；td—水泵日供水小时数，取12h/d；η—灌溉水利用系数，取0.9。

(4)灌水小区水力计算

滴头允许工作水头偏差计算：

(9)

Δh=hvhd

(10)

式中，hv—灌水器水头偏差，%；x—灌水器流态指数，取0.5；Δh—允许水头偏差，m；hd—灌水器工作水头，取10m。

计算得，灌水器水头偏差为41%，允许水头偏差为4.12m。

毛管极限长度计算：

Lm=S(Nm-1)+S0

(11)

式中，Lm—毛管极限长度，m；Nm—毛管的极限分流孔数；S—分流孔间距，m；S0—毛管进口至首孔的距离，m。

辅管按双向布设毛管，对不同的毛、辅管分配比进行了试算，综合考虑田块规格，确定辅管布置长度取25m，毛管布置长度取70～75m。

(5)系统工作制度及轮灌组划分

最大轮灌组数计算：

(12)

式中，Nmax—最大轮灌组数；N—轮灌组数；C—设计日工作小时数，取12h。

经计算，枸杞最大轮灌组数12组，马铃薯最大轮灌组数31组。

(6)管径设计

大田微灌用管包括辅管和滴灌管，其直径分别为63、16mm。枸杞滴灌采用内径16mm、壁厚1.0mm的滴灌管，滴头间距为0.5m，设计流量为3.0L/h。马铃薯滴灌采用一次性滴灌带，内径16mm，壁厚0.2mm，滴头间距为0.3m，设计流量为2.1L/h。

4 工程效益分析

4.1 经济效益评估

该田间工程建成后，该地区农业生产条件将明显改善，水资源利用效率将有效提高，整体灌溉条件、作物产量等将得到改善和提高。灌溉与增产、增收密不可分，故将灌溉增产、增收效益作为经济效益的分析对象，并选择粮食作物总产量作为评价灌溉增产效益的计算指标。计算公式为[11]：

B1=(Q1-Q0)×pr×εa

(13)

式中，B1—供水工程建成后灌溉增产效益，元；Q0、Q1—建前和建后粮食作物的产量，kg；pr—粮食单价，元/kg；εa—增产效益分摊系数，取0.4[12]。

通过调研分析[13- 15]，研究区种植的小麦、玉米、马铃薯及枸杞等主要作物，在灌溉条件下的产量相对于旱地条件，可分别提高161.47%、116.02%、86.67%、142.78%。通过公式(13)计算得出灌溉增产、增收效益，见表2及图2。

图2 研究区主要作物增产、增收效益分析图

根据表2和图2结果，该工程实施后(灌溉面积0.7487万亩)，可使当地农户年经济收入总量增加约408.61万元，平均每亩年效益增加787.45元左右，且该工程80%以上实现了自压灌溉，极大节约了电力成本。

4.2 社会、生态效益评估

4.2.1社会效益评估

(1)粮食安全

粮食安全与社会的和谐、政治的稳定、经济的持续发展息息相关，在社会效益中占有举足轻重的地位。田间灌排工程、引水工程及渠道的整修能一定程度提高水资源利用效率，有利于种植结构的调整，能提高粮食产量，保证粮食产量安全。此外，修建的蓄水池、沉砂池等工程，可用于储蓄天然降水及灌溉退水等，可有效减少水资源废弃。

(2)脱贫致富

该工程的建设对当地农业新技术、新设备的引进与应用有促进作用，并可转变农户的传统耕作观念，促使当地土地形态产生巨大改变，农业用地从旱地靠天吃饭，转变为高效节水的灌溉土地。对合理运用现代农业经营管理方法，催生当地种植结构多元化、农产品多样化发展，可使项目区内的农户的生产条件得到相应改善，同时也可带动其他行业发展，进一步激发农村经济行业的发展势头，进而解决部分就业问题。此外，将有力改变当地农户的生产、生活条件，对农产品产量提高、农业高质量发展，提供了坚实的设施基础；有助于保障贫困地区饮水、灌溉安全，提高农民的年均纯收入，改善农民的生活和生产质量，逐步实现脱贫致富和区域经济可持续发展的目标。

表2 典型案例研究区主要作物增产和增收效益分析表

选取农民人均纯收入作为评价脱贫致富作用的计算指标。计算公式为[13]：

B2=(e1×P1-e0×P0)×β

(14)

式中，B2—建后农田水利工程对脱贫致富的影响，元；e0、e1—建前和建后的农民人均纯收入，元/人；P0、P1—建前和建后该片区人口，由于短期内人口增加不显著，故P0、P1取相同数值；β—农田水利工程对脱贫致富的贡献度，取53.15%[13]。

经计算，该农业田间工程实施后，可为当地农民脱贫致富增收542.94万元。

4.2.2生态效益评估

(1)水环境改善效益

水环境改善效益评估的任务是评价和分析工程建设对相应地区内地表水质及地下水环境、水体保护与修复等方面的影响状况。可选择农田灌溉量、排出水硝态氮浓度作为该评估的计算指标。计算时采用等效替代法，将水质改善的效益转化成为项目建后达到水质标准需增加的投资费用。计算公式为：

B3=W×αD×(cs×cm)×Pc

(15)

式中，B3—建后水环境改善效益，元；W—农田灌溉量，m3，经调研知，研究区农田亩均灌溉用水量538m3；αD—退水量与灌溉量的比值，有研究表明，退水量随灌溉量的增大而增大，在优化灌溉节水条件下退水量占灌溉量的35%，即αD=0.35；Cs、Cm—氮质量浓度的标准值及测量值，Cs取 2.0mg/L[16]，Cm取0.9mg/L[17]；Pc—氨氮处理成本价格，取2万元/t[18]。

经计算，该农业田间工程实施后，可对该地区水环境改善的效益达414.26万元。

(2)生物多样性与人居环境

该工程位于腾格里沙漠的南缘，荒漠化治理一直是人民重点关注的生态问题。该工程对这一问题的进一步解决也将发挥巨大作用。用水的保障，使树木、植被的生长也得到了保障，也将增加项目区的植被面积，使植被覆盖率大幅度提高；同时可美化农村人居环境。将更加有助于白银市生态防护林等绿色屏障的发展和建设，有利于腾格里沙漠南缘的风沙源综合治理，将有效减轻甘肃省及周边区域沙尘暴的发生频率和强度，对保护和改善国家生态安全、生物多样性具有重要的现实意义。

效益评估从田间工程建设经济、社会及生态环境3个方面进行了分析，并对分项效益进行了货币化计量，如图3所示。该工程建成运营后，经济效益约408.61万元，社会效益达542.94万元，生态效益为414.26万元。

图3 效益货币化计量图

5 结论

新时期扶贫脱贫是国家建设与发展的引领和号召。甘肃中部生态移民扶贫开发供水工程是对国家战略方针的积极响应。该工程田间供水工程新发展了30万亩灌溉用地，本文从中选取了王家庙典型片区作为研究案例，对其灌溉模式进行设计，并从田间工程建设经济、社会及生态环境3个方面进行了效益分析，对分项效益进行了货币化计量。该田间工程的相关设计充分结合了实际情况，采用管灌、大田微灌以及温室滴灌等高效节水措施，并利用地形优势，使80%以上区域实现自压灌溉，充分保证了节能。工程结构整体设计、布局合理。目前，该工程已开工建设，建成运行后，将大幅提高该地区的农产品产量，经济效益约408.61万元，可使当地农户年经济收入平均增加约787.45元/亩；同时，社会效益(当地农民脱贫致富增收)达542.94万元，生态效益(该地区水环境改善效益)达414.26万元。该工程对拉动当地经济、拓展农业结构、提升人民生活质量，以及改善生态环境具有十分重大的意义。