高寒高海拔地区田间农业水利节水灌溉输水方式选择分析

娄忠秋,肖鹏,李逸

(1.四川水利职业技术学院,四川崇州,611231;2.兰州资源环境职业技术大学,兰州,730123)

1 灌区概况

米林县派镇索松村位于雅鲁藏布江左岸,是一个以农业为主、牧业为辅的半农半牧县。索松村现状取水口属人畜饮水共用水源地,并兼有灌溉作用。由于现有水源供水不足,水量过小,不能满足人畜用水和灌溉用水,年耕种面积仅为56.6hm2,如图1所示,现状取水口和灌溉主渠已经完全损坏。灌溉主渠采用素混凝土衬砌,未配置钢筋,渠道边墙出现垮塌、渗水现象,影响渠道沿线边坡稳定,因此急需对索松村居民饮水灌溉水源进行建设。

图1 现状已损坏的取水口和灌溉主渠

目前常用的农田水利工程节水灌溉技术主要为渠道防渗技术、低压管道输水灌溉技术、喷灌、滴管、微灌和渗灌等[1],并辅以现代信息化技术,逐步往智能化、自动化和精准化方向发展[2]。郭凯[3]分析了当前应用的渠道防渗新技术;张新贵[4]提出以低压农水管道传输解决输水过程中大量渗漏和蒸发问题;耿正峥[5]基于人工神经网络帮助农民解决节水灌溉中出现的问题,实现了智慧化灌溉。基于目前使用的节水灌溉技术,本文根据索松村自然条件,选取合适的灌溉制度,并分析和比选了节水灌溉技术方案。

2 灌溉方式选择

2.1 灌溉方式及灌溉制度确定

此次索松村灌溉工程不仅需要为农业灌溉提供用水需求,而且需要提高渠系水利用系数和灌溉保证率,改善生态环境,使灌溉水利工程达到安全运行、科学管理的目的。设计过程中,在确定合理的灌溉制度时,应根据灌区自然条件等因素,认真进行调查研究,听取受益群众、地方政府和有关部门的意见和建议,使设计方案更符合实际。

农作物的灌溉制度指播前及全生育期内的灌水次数、灌水时间、灌水定额和灌溉定额,它随作物种类、品种、自然条件、农业技术措施和灌水技术的不同而变化[6]。本次设计搜集了该地区及其他一些地区的灌溉实际资料,并根据当地的灌水经验,按水量平衡原理对灌区的灌溉制度进行了认真细致的分析计算,充分论证灌区渠系水利用系数、灌溉定额、灌水率的合理性。

本工程设计总灌溉面积185.1hm2,其中耕地灌溉面积118.2hm2,林草地灌溉面积66.9hm2。耕地内作物主要为冬小麦、青稞和油菜。根据灌区作物种植结构,借鉴已经实施的邻近节水改造的灌区及已建的其他工程灌溉制度,结合灌区实际情况,初步拟定渠道输水(续灌)和管道输水(轮灌)两种灌溉方式,下面对两种灌溉方式进行比较选择。

2.2 灌区灌水率

灌水率计算主要依据灌区内各作物的灌溉制度、种植比例及作物灌水延续时间进行计算[7]。根据在当地的实际调查,结合灌区规模和灌水条件综合分析,本次设计采用自流灌溉,主要作物的播前灌水延续时间取10d,生育期灌水延续时间取10d。灌水率计算公式为:

(1)

式中,mik、Tik、tik分别为第i种作物第k次灌水的灌溉定额、灌水持续时间、灌水一天的延续时间,单位分别为m3/hm2、d、h;αi为第i种作物的种植比例;其中,自流灌溉取tik=24h;轮灌取tik=8h。

2.3 灌溉水利用系数

对于混凝土渠道引水灌溉,干渠的水利用系数为:

(2)

Q净=Q毛-△Q

(3)

式中,Q净为渠道的出口净流量,m3/s;Q毛为入口的毛流量,m3/s;△Q为渠道的输水损失,与渠道的衬砌方式和渠道的长度有关,m3/s。经计算,采用渠道输水(续灌)的渠道水利用系数η干为0.95,η支为0.75。则渠系水利用系数为:

η渠系=η干×η支

(4)

这里取田间水利用系数η田间为0.90,水田的利用系数甚至可达0.95,因此灌溉水利用系数计算公式为:

η灌溉水=η渠系×η田间

(5)

综上,采用渠道输水(续灌)的渠道灌溉水利用系数η灌溉水为0.64。

同理,对于管道输水(轮灌)方式,同样取田间水利用系数为0.90,管系水利用系数为0.94,则管道灌溉用系数η灌溉水=0.90×0.94=0.85。

在渠道实际运行过程中,可能会出现超过设计工况威胁渠道安全和其他未及预料的情况,在设计时应加大渠道的输水量。因此本次设计渠道加大流量系数取1.3,进行渠道的校核工作。

2.4 灌溉需水量

渠道设计时应考虑灌溉实际的需水量,根据各作物规定的灌溉制度、渠道的灌水利用系数计算获得,包括各种农作物成长时所需的生长用水量、流经渠道的损失水量及田间灌溉时的损失水量。通常以每月的各时段内作物的灌水量乘以各作物的种植面积。而作物的需水量可通过试验资料获得。图2绘制了两种灌溉设计方式各月分时段的毛用水量。由图可知,管道输水(轮灌)的用水量明显小于渠道输水(续灌)方式,管道输水用水量基本稳定在2万m3,两种输水方式平均差值为4.12万m3,可以看出选择管道输水(轮灌)较合适。

2.5 水量供需平衡分析

水量供需平衡分析是指一定的用水地区在某些时期的可提供水量和需要水量之间的供求关系的分析,可深入理解该地区水资源总量的供需现状和存在的问题。对于水资源供给分析,在本次设计中工程取水口可提供水量计算时,由于该设计流域无水文资料,且本工程取水口控制流域面积均较小,因此拟采用两种方法来推求取水断面处河道径流,一为径流深等值线法,二为水文比拟法。

2.5.1 径流深等值线法

查阅该地区水文水资源勘测局绘制的多年平均径流深等值线图,可得到各工程取水口断面年平均径流深,根据如下计算公式:

(6)

根据公式(6)对现存的老取水口和拟建的新取水口进行供给平均流量计算,可得到工程取水口多年平均流量结果,如表1所示。可以看出,拟建的新取水口可提供的年平均流量为0.55m3/s,远大于现有老取水口的供水量。

表1 径流深等值线法和水文比拟法计算工程取水口多年平均流量成果

2.5.2 水文比拟法

水文比拟法计算供水量的公式为:

Q取水口=(F取水口/F更)×(P取水口/P更)×Q更

(7)

式中,Q更为上游国家基本控制站更张站水文测验资料中的多年平均流量,取480m3/s;F取水口为取水口以上流域面积,km2;F更为更张站的流域面积,取15600km2;P取水口为取水口以上流域的多年平均降水量,mm;P更为更张站以上流域的多年平均降水量,取1300mm。经计算,采用水文比拟法得到工程取水口处多年平均流量成果如表1所示。

2.5.3 径流成果合理性分析及选用

通过对以上两种方法计算成果的比较,发现各取水口处多年平均径流成果相差非常小,两种方法起到了相互印证、相互比较的作用,原则上都可被采用。考虑各取水口面积极小,与更张站面积相差太大,水文比拟法计算较为复杂,因此本次设计推荐采用径流深等值线法计算结果作为各取水口多年平均流量的成果。

参照尼洋河流域观测资料分析,结合地区经验,设计流域内径流参数确定为:年径流变差系数Cv值采用0.24,偏态系数Cs=2.0Cv。根据《灌溉与排水工程设计标准》[8],径流频率取P=50%、P=75%和P=95%,对应KP=50%=0.98,KP=75%=0.83和KP=95%=0.64。

根据本次灌溉工程需要,主要对P=50%和P=75%代表年进行年内分配。在更张站实测径流资料中,P=50%选择1993年、P=75%选择1982年分别作为平水年、较枯水年的代表年,采用同倍比缩放,计算出取水口径流年内分配,如图3所示。可以看出,新建的取水口大大增加了年内径流量,特别是夏季汛期的时候更为显著,可满足索松村农业灌溉需求。

图3 工程各取水口处设计频率径流年内分配

2.5.4 水量供需平衡分析

根据上述计算的两种灌溉方式需水量结果,以及新建取水口的年平均径流供水量,可计算选取的两种灌溉方式的水量供需平衡,图4展示了P=75%下的取水枢纽与设计引用流量的年内分布。可以看出,取水枢纽供水量在夏季汛期时远大于设计引用流量,而在冬季枯水期大致满足灌溉水需求,而且采用渠道输水和管道输水供需平衡差别不大。

图4 两种灌溉方式水量供需平衡结果

值得注意的是,索松村灌区采用渠道输水灌溉方式,二月中旬需水5184m3,三月中旬需水864m3,灌区二月中旬和三月中旬取水口来水量不能满足灌溉需求,供需水量差分别为-0.006m3/s和-0.001m3/s。采用管道输水灌溉方式各月取水口来水量均能满足灌溉需求。

通过以上数据分析,采用管道输水(轮灌)方式每年可节约用水61万m3,因此,为保证灌区各月用水量,提高水资源利用率,本阶段推荐采用管道输水(轮灌)方式进行灌溉。灌溉水利用系数为0.85,灌水模数为:Q轮灌=154.66(m3/s)/hm2。

3 结语

全面加强农业灌溉工程建设和发展水利是完善水利基础设施建设、提高居民生活水平必不可少的一项重要举措。本文针对索松村水资源供水不足问题,根据灌区自然条件和群众意见,确定了合理的灌溉制度,并初步拟定了两种灌溉方式,基于数个供需水量指标分析,最终推荐采用管道输水(轮灌)方式进行灌溉,有利于提高灌溉水利用率,解决项目区灌溉用水供需矛盾,为农业生产提供灌溉保障,对本地规模化发展节水灌溉工程起到示范带动作用。