北方节水灌溉系统的比较研究

北方节水灌溉系统的比较研究

0农业节水技术由于城市化和工业化进程的加快，生产和生活用水的持续增加，水资源的缺乏已成为中国经济可持续发展的瓶颈。农业是中国的用水大户,用水总量4000亿m3,占全国总用水量的70%,其中农田灌溉用水量3600~3800亿m3,占农业用水量的90%~95%。由于有效利用率低,水资源浪费严重,每m3水生产粮食不足1kg;而一些国家水的有效利用率可达80%,每m3水生产粮食可达2kg,其中以色列已达2.32kg。其依靠先进的喷灌、滴灌及其它农业节水技术,由粗放农业转变为精准农业,灌溉水分利用效率由1949年的1.6kg/m3增长到90年代初期的2.32kg/m3,单位用水所创外汇同期也由0.04美元/m3上升到0.42美元/m3。这充分说明,中国喷、滴灌节水技术的推广应用与发达国家相比还存在较大的差距。随着中国农业水资源的日益紧缺,农业现代化的要求日趋迫切,喷灌作为一种现代化的节水高效灌溉技术,将会对中国农业发展起到战略性的促进作用。1实现灌溉机械化、自动化喷灌与地面灌溉相比,节水30%~50%,且灌溉均匀,质量高;减少占地,能扩大播种面积10%~20%;不需平整土地,省时省工;粮食作物增产10%~20%,经济作物增产20%~30%,蔬菜增产1~2倍。实施喷灌技术能调节田间的小气候,提高农产品的品质,防治作物的病虫害,促进灌溉的机械化、自动化。喷灌也存在一定的局限性,从而影响喷灌技术快速发展,如一次性投资高,管理要求严格等因素。1.1喷灌技术的设计中国幅员辽阔,各地气候条件多样,长期小农经济经营模式限制了喷灌在中国的发展。20世纪70年代开始试点研究和推广应用,最初侧重于喷灌机具的研究,试制出一批各种规格的喷头与喷灌机,各地因地制宜地采用了各种形式的喷灌系统,如平原上的大型多支点自走式喷灌机、大型远程喷灌机;山区采用的固定式喷灌系统;粮豆产区的半固定式喷灌系统和轻小型移动式喷灌机;蔬菜区的固定式和轻型移动式喷灌系统等,并将其推广应用。中国喷灌技术的研究大体上可以分为基础理论研究和设备开发研究。1)开展了喷灌基础理论的研究。主要研究有:喷灌基础参数、喷灌的工作原理、喷灌的优缺点和效益、喷灌的灌溉制度、风对喷灌效果的影响及喷灌有关标准的制定。2)在借鉴国外喷灌设备的基础上进行消化吸收,研制出适应于中国的喷灌设备。主要表现在喷头的设计、喷灌专用管道系统的研制、喷灌专用泵及大、中、小、轻型喷灌机的开发等方面。1.2高效灌溉技术随着中国农业水资源的日益紧缺,农业现代化日趋迫切,喷灌作为一种现代化的节水高效灌溉技术,对中国农业的发展将起到重要的促进作用。但与喷灌先进国家还存在以下几个方面的差距1世界喷灌面积及面积变化情况喷灌是为作物正常生长提供必要水分条件的一种先进灌水方法。它诞生于19世纪末,20世纪初开始快速发展。据统计,1939-1960年世界喷灌面积增长了25倍。从20世纪70年代开始,世界喷灌面积以每年133~200万hm2的新增速度发展,到1992年世界喷灌面积已达2.4亿hm2。1971-1990年,美国喷灌占总灌溉面积比例从25%增加到42.7%。随着喷灌技术的发展,罗马尼亚、法国等国的喷灌面积已占全国耕地面积的80%以上,以色列、英国、瑞典等国有90%的土地实行了喷灌灌溉。中国的喷灌面积从20世纪70年代中期到90年代中期大约20a的时间一直维持在80~93万hm2之间,到1998年底,全国喷灌面积约160万hm2,仅占全国灌溉总面积的3.1%,与世界先进国家相比所占比例很小。2喷灌机的类型20世纪70年代,美国和欧洲许多国家就开始大量采用自动或半自动的喷灌机来代替人工移动的支管,到20世纪末,大部分灌区都采用不同形式的喷灌机进行作业。据1998年统计,美国约31.6%的耕地使用圆形喷灌机和平移喷灌机灌溉,在1978-1998年的20a期间,美国使用圆形喷灌机和平移喷灌机灌溉的面积平均每年增加25.3万hm2。这些大中型喷灌机的应用,减轻喷灌的劳动强度,提高效率,降低单位面积的投资(设备初期投资和维持费用比微灌要低),增加作物产量,成为这些发达国家灌溉发展的重要趋势。受灌溉面积的制约,中国与国外的喷灌形式有所不同,主要以轻、小型喷灌机为主。据统计,到1998年底,中国160万hm2的喷灌面积中,轻、小型喷灌机的灌溉面积约占75%,大中型喷灌机的灌溉面积约占10%,半固定式喷灌面积约占15%。3喷灌系统的计算机仿真及优化设计世界喷灌经过一个世纪的发展,目前向精确灌溉技术方向发展,包括低能耗精确灌溉法和变量施水精确灌溉两个方面。低能耗精确灌溉法主要应用于水资源日益紧缺和能源紧张的干旱半干旱地区,变量施水精确灌溉技术早期主要集中在肥料、养分、杀虫剂和杀草剂的喷施,随后发展到变量施水和精确灌溉。精确灌溉的核心技术是能够开发出根据作物或地块形状需要在不同位置灌溉不同水量的设备,不仅在喷灌机上配备有全球定位系统、地理信息系统和遥感系统的设备,还包括变量施水灌溉喷头、控制器和变流量泵。在计算机应用和自动化管理方面,发达国家信息化水平明显高于中国,表现在:采用计算机优化设计方法,在设计中综合考虑作物产量、喷洒质量、水源、能源、土壤及外界环境等各要素之间的关系;设计范围从喷灌系统零部件到整个系统的设计,最终实现整个喷灌系统性能最佳,效益最高的目标;应用水力控制的自动量水阀以及微电脑控制的喷灌自控装置,不断提高自动化水平,节省劳动力和水资源,改善灌水条件。中国基于GPS、GIS和RS的变量施水精确灌溉技术目前处于讨论阶段,喷灌系统中各种要素之间的定性定量关系的系统研究较少,计算机辅助均匀度分析和系统设计方法在实践中应用欠缺,系统成套与控制设备等关键技术也亟需研发。4喷灌技术的公共物品特性美国、以色列、澳大利亚等国家采用各种形式的政府扶持措施,鼓励农业用水更新用水技术和设备,如政府承担的对其他经济部门的关税补贴更多地向农民转移,以提高农业投资节水灌溉设备的能力。喷灌的一次性建设投入大,排它成本高,这决定了喷灌技术具有公共物品的一些特性。因此,在推广喷灌技术的过程中政府应从投入政策、保护政策、技术创新等多方面扶持农民发展喷灌,减小农户投资成本。5高发展喷灌技术的管理水平重建轻管是中国喷灌技术发展中存在的一个普遍问题,如果不采取有效措施提高发展喷灌技术的管理水平,则难以发挥喷灌节水增产的效益。目前,中国喷灌的管理人员大部分没有经过严格的技术培训,人员素质低不适应先进技术的要求,因此,要设立专门的管理机构做好人员培训工作,大力推进喷灌技术的发展。2发展节水灌溉型目前北方大部分地区仍以传统的沟灌、畦灌等方式为主。近年来,随着水资源日益短缺,干旱严重威胁着农业生产,因此,该地区需大力发展节水灌溉。喷灌是一种较为成熟、使用较多的节水灌溉方式,在北方地区发展有较大的优势和潜力。本文首先对畦灌和喷灌2种灌溉方式的经济效益进行分析,然后对固定式、优化固定式、半固定式3种喷灌系统进行投资分析。2.1灌草农食水资源量利用畦灌是在西北、华北旱作地区采用最多的地面灌水技术之一。畦灌管理粗放,规格不合理,田间水的浪费严重。如豫东平原井灌区的畦田,畦长小于50m的只占9.1%,超过100m的占45%,平均为100m;畦宽小于4m的只占14%,大于6m的占34%,平均为6m。田间灌溉水的利用率只有0.5~0.7左右。西北不少地区仍沿用大畦大水漫灌,水的浪费更为严重。喷灌与传统地面灌相比,其水分损失的差别在于从水源到田块以及由田块到作物根部的输水损失和田块内部深层渗漏损失。据李清湖、王建瑜的研究,小麦整个生长期一般需进行5次灌水,畦灌每次耗水量为675m3/hm2,喷灌耗水量为300m3/hm2,由此可推算出喷灌每公顷的省水率及单位面积节约水费,每公顷喷灌较畦灌节省56%的用水量,2010年水价按为0.25元/m3计算,将畦灌和喷灌2种灌溉方式的用水量、水费、劳动工日等进行比较,其投入比较见表1。从表1来看,畦灌投资(不包括基础设施和设备)为11512.5元,喷灌投资为2550元,较畦灌投资减少77.85%,每公顷地可节省水费468.75元。2.2工作螺钉喷点性能由于各种喷灌的效益基本相当,所以,本文只分析其投入的差异。灌溉面积为6.7hm2(360m×182.5m),种植作物为小麦,选用喷头为PY-40型(性能见表2),喷点布置为正方形组合(a=30m),圆形喷洒,这样,每喷点可灌面积为0.09hm2,计算喷点持续灌水时间需1.5h,按每天轮灌5次计,则单喷头每天可灌面积为0.45hm2,取灌水周期为16d,一年灌水5次,则单喷头每灌水周期可灌7.2hm2,因此本例6.7hm2灌区只需一个工作喷头。所讨论的3种田间管网布置形式,其干管AB、分干管CB和BD的材质相同,田间管道布置形式按参考文献,材料按2010年市场价格计算,投资计算见表3。1初支支架的固定固定式喷灌系统,水源、动力、管网及喷点的竖管支架等全部固定(喷头可拆卸移动),共计需要竖管、支架72套。为缩短喷洒轮灌换接时间,需喷头2个,田间管道布置如图1所示,投资计算见表4。2优化型卧式喷灌系统从固定式投资方案的工程计算可看出,投资较大的项目是Φ50塑料支管,减少这部分工程数量,也就减少了工程投资。优化型固定式喷灌系统如图2所示。它的运行方式是:通过快速弯插头,插到控制阀上取水,然后通过距离15m的涂塑软管,接到喷头支架上进行喷洒。喷头布置位置间距30m不变。这样的布置形式,支管和快速控制阀系统用量减少,但喷点换接的劳动强度增加不多。其投资计算见表5。3种喷灌系统投资及强度比较图3是半固定式喷灌系统布置图,它的移动管道最长为75m,劳动强度比优化固定式喷灌系统的方案有所增加,且移动管道易损伤作物。其投资计算分析见表6。将以上3种方案的每公顷喷灌系统投资与田间管网投资(管道、闸阀及其他相关费用)相加得工程总投资,总投资和劳动强度比较结果见表7。从表7可看出,半固定式喷灌系统的投资费用为3271.27元/hm2,较固定式喷灌系统和优化型固定式喷灌系统的费用分别减少70.62%、48.86%;从劳动强度来看,半固定式喷灌系统较固定式喷灌系统和优化型固定式喷灌系统劳动强度分别增加6.5倍、1.5倍。综合来看,半固定式喷灌系统较适合于北方地区的推广应用。3喷灌发展的战略意义通过上面的分析可看出,在中国北方缺水地区大力发展喷灌具有重要的战略意义,未来应从增加政府投入,强化喷灌工程统一管理,降低成本,加强喷灌技术研究及大型喷灌机的推广应用等方面积极推进。3.1加大金融支持力度建立政府与农民共同负担农业供水成本的机制和农业灌排设施运行管理财政补贴机制,促进喷灌的发展;综合运用财政和货币政策,引导金融机构增加农业高效节水灌溉信贷资金;加大农业高效节水灌溉财政贴息的规模、期限和贴息率;加快建立农业高效节水灌溉政策性贷款机制,积极推动政策性银行开展农业高效节水灌溉建设中长期贷款业务;支持符合条件的农业高效节水企业上市和发行债券,探索发展大型水利设备设施的融资租赁业务等。中央和省、市、县财政都应大幅增加专项补助资金,切实提高农业高效节水的投入力度;按照“政府规划、民办公助、以奖代补、农民受益”的方式,加大政府奖补力度;整合以工代赈、农机补贴、农业综合开发等资金集中支持发展喷灌;做好发展喷灌技术的管理工作,首先,调动农民的积极性,让他们参与喷灌工程的建设。其次,设立专门的管理机构做好人员培训工作,统一进行喷灌工程的运行管理。最后,制定鼓励发展喷灌的投资政策和水价政策,调动灌溉管理单位和农民发展喷灌技术的积极性。3.2喷灌系统的设备优化喷灌工程的投资成本是决定此项节水技术能否快速发展的关键。在保证工程质量的前提下,降低成本,扩大效益,要从3个方面入手:严把材料采购关,要选用优质设备,减少材料采购中间环节,使材料成本降低到最低水平;提高喷灌设备设计质量,与计算机技术和自动化管理技术相结合,实现研发自动化,降低喷灌系统的成本投资;相较于地面灌溉喷灌系统的基础投资较大,但其具有显著的节水、增产、节地,且不易产生地表径流和深层渗漏等优点,不受地形限制、灌水均匀和增产等效果,因此大面积推广喷灌技术,可降低投资成本。3.3喷灌技术的应用中国幅员辽阔,各地区自然条件、经济条件和管理水平都差别较大,必须按照喷灌技术的适宜范围,因地制宜地发展喷灌技术。1)低投入、低能耗、高效益的喷灌设备研制与开发;主要有节能多用途喷头,丘陵坡地喷灌专用设备,低投入、性能优良的喷灌管材,低能耗喷灌机,节能高效的自动化喷灌设备等。2)与喷灌技术配套的高效农业技术措施研究。包括不同喷灌形式下的耕作栽培模式、喷灌条件下的施肥技术、覆盖条件下的喷灌技术、不同作物的喷灌灌溉制度等。3)喷灌多目标技术的利用。包括利用喷灌喷洒农药及肥料、防霜冻、防干热风、降温、除尘、绿化等技术。4)喷灌智能化设计软件的研究与开发。利用CAD技术,研发在满足喷灌各项技术指标要求条件下,使系统投资费用和运转费用最低的喷灌系统智能化设计软件。3.4发展高效低碳经济农业适度规模经营已成为中国现代农业建设的战略方向,农业规模化、集约化、规范化生产为大型喷灌机发展创造了广阔的市场空间。陈雷部长对黑龙江齐齐哈