黑龙港平原区喷灌节能适用性分析研究

吴 美 刘晓亮 曹雪松

喷灌在河北已发展多年，2020 年喷灌面积已达415.10 万亩。喷灌具有省时、省工、省水、省地、增产等诸多优点，但需要靠水泵运转加压，使喷头保持一定的水压力，增加了能量消耗。黑龙港平原区处于深层地下水开采区，地下水位较深。水泵在黑龙港平原区提水与浅层地下水开采区相比，喷灌的水量相同但耗能较多，因此对喷灌在黑龙港平原区是否节能进行分析。

1.节能方程的建立

喷灌需要较高的压力使水喷洒作物，增加了单位水量的耗能，而喷灌节水，又减少了一部分能量消耗，两者之间存在一个平衡点。当喷灌节省灌溉水量降低的耗能，大于加压所增加的耗能时，喷灌才会节能。因此，我们通过建立节能方程寻找平衡点。以单位面积的耗能情况为比较条件，提出以机井临界动水位判断是否节能的观点。按照提水耗能的计算方法，地面灌和喷灌的单位面积耗能情况为：

式中：

Ed—地面灌耗能，kW·h；

表1 典型村基本情况

表2 喷灌临界动水位埋深

Ep—喷灌耗能，kW·h；

Hj—机井动水位，m；

Hp—喷灌系统工作压力，m；

Mp—喷灌灌溉定额，m3/亩；

Md—地面灌灌溉定额，m3/亩；

ηp—喷灌灌溉水利用系数；

ηd—地面灌灌溉水利用系数；

ηB—水泵效率。

由公式可得，在提水水源出水量相同的条件下，地面灌耗能由机井动水位、灌溉定额、灌灌溉水利用系数、水泵效率决定。喷灌耗能除以上因素决定外，还由喷灌系统工作压力决定。以喷灌系统工作压力、灌溉定额、喷灌灌溉水利用系数、水泵效率为参数，则机井动水位决定了喷灌的耗能，即机井动水位是喷灌是否节能的关键因素。

当喷灌耗能和地面灌耗能相等时，可以得出一个对应的机井临界动水位。即 ：0.00272（Hj + Hp） Mp/ηp/ηB=0.00272HjMd/ηd/ηB。

根据公式可以得出，当喷灌耗能小于地面灌耗能，即机井动水位大于临界动水位时，喷灌达到节能效果。

2.喷灌节能分析

在黑龙港平原区选取典型村进行喷灌节能分析，基本情况见表1。黑龙港平原区常用的喷灌形式包括管道式喷灌和机组式喷灌两种形式，其中管道式喷灌主要包括固定式喷灌、半固定式喷灌，系统工作压力水头大部分在35m～40m 之间。机组式喷灌主要包括中心支轴式喷灌、绞盘式喷灌，系统工作压力水头大部分在50m～60m 之间。因此，以35m～40m、50m～60m 两个喷灌压力范围为界限进行分析。因冀州区、南宫市典型地块目前是管灌，则发展喷灌的临界动水位喷灌灌溉水利用系数按设计要求0.85 代入，根据各个典型村的基础数据代入公式（3），喷灌压力为35m～40m、50m～60m 的临界动 水 位 埋深计算结果见表2。

表3 管灌改喷灌条件分析

由表2 可知，衡水市景县、冀州区，沧州市泊头市、献县、吴桥县，邯郸市大名县，邢台市南宫市为代表的深机井动水 位，比 喷 灌 工 作 水 头35～40m、50～60m 的临界动水位，分别高85～112m、80～105m、64～88m、27～61m、77～95m、119～153m、49～78m、50～75m，即机井动水位大于临界动水位。可见黑龙港平原区深井无论发展管道式喷灌（固定式、半固定式），还是机组式喷灌（绞盘式、中心支轴式），节能效益明显。

衡水市冀州区典型村为砂土土质，由于渗漏严重，灌溉水有效利用系数仅为0.6，喷灌工作水头35～40m、50～60m的临界动水位埋深仅为35～40m、50～60m，机井动水位明显高于临界动水位。故在砂土地区发展喷灌节能效益明显，同时喷灌能避免产生地面径流和深层渗漏损失，节水率达29%，节水效益明显。

3.现有管灌工程改建喷灌工程研究分析

衡水市冀州区、邢台市南宫市目前已建管灌工程，灌溉水利用系数较高为0.8，则发展喷灌的临界动水位喷灌系数按设计要求0.85 代入公式（3），喷灌压力为35～40m、50～60m 的临界动水位埋深计算结果见表3，管灌改喷灌的机井临界动水位显著增大，达269～470m，机井动水位远小于临界动水位，且节水量仅为6%。故对现有管灌工程改喷灌，节水节能效益不明显，应慎重考虑。

4.结论及建议

喷灌是一种先进的节水技术，但是影响喷灌发展和正常使用的因素很多，能耗增加是制约喷灌发展的因素之一。在水资源严重短缺的黑龙港平原区深井、砂土地区，喷灌具有显著节水节能效益，能最大限度地节约水资源和能源。对于黏土类地区，目前已采取节水措施地区，现状灌溉水利用率较高，计算出的临界动水位很大，改建喷灌能耗增大，经济效益降低，需慎重考虑。因此从节能角度，管道式喷灌和机组式喷灌在黑龙港平原区具有普遍适用性。