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摘要：节水灌溉工程是我国水利工程中的重点项目之一，其无论是对水资源的高效利用，还是对促进经济发展都有着重要作用。近年来，水资源日趋减少，而农业是水资源使用的主要对象，为缓解水资源供求间的矛盾，就要求用水对象节约用水。而有效途径就是发展和推广节水灌溉技术，提高农业灌溉水利用系数。目前，在节水灌溉工程建设中还存在若干问题，结合实践工作经验，针对这些问题进行探讨。
关键词：农田水利；高效节水；灌溉
中图分类号： TV 文献标识码： A
引言
我国是一个干旱缺水的国家，近年来随着水资源日趋减少用水量不断增大，使得用水矛盾日益突出。农业灌溉是用水大户，水资源紧缺与灌溉用水浪费直接关系着国家水安全。节水灌溉就是采取最有效的技术措施，提高水的利用效率，合理利用水资源，使有限的灌溉水量创造最佳的生产效益和经济效益。近年来，我国节水灌溉事业发展很快，节水灌溉技术的推广和应用范围也越来越广。虽然节水灌溉技术得到了广泛应用，但是在工程建设中还存在着一些问题。这些问题的出现，不仅影响着节水灌溉工程的有效使用，还对农业经济发展及水资源的有效利用产生重大影响。为了最大限度地实现节水灌溉工程作用，必須将其工程建设中存在的若干问题予以解决。
一、节水灌溉现状
据统计资料显示,截止2008年,全国总灌溉面积6411.97万hm2,节水型灌溉面积2443.55万h m2,占总灌溉面积38.1%,其中,渠道降渗灌溉面积1044.77h m2,占总灌溉面积的16.3%；喷灌、微灌、低压管灌等高效节水工程灌溉面积1398.78万h m2,占总灌溉面积的21.8%。2008年新疆地方系统总灌溉面积379.37万h m2,节水型灌溉面积178.53万hm2,占总灌溉面积的46.5%,其中,渠道降渗灌溉面积125.34h m2,占总灌溉面积的33.0%；喷灌、微灌、低压管灌等高效节水工程灌溉面积53.19万h m2,占总灌溉面积的14.0%。
在高效节水灌溉面积中,微灌比重65.73%,比全国8.93%高出56.77%；渠道防渗面积比重48.1%,比全国17.9%高出30.2%。而喷灌、低压管道灌及其他灌溉方式低于全国水平。可以看出,新疆农业节水灌溉发展规模,尤其是渠道防渗、各种微灌节水技术推广应用远高于全国平均水平。
二、节水灌溉系统模型
新疆是我国典型的“荒漠绿洲,灌溉农业”内陆干旱灌区,没有灌溉新疆农业发展无从谈起,大力推广应用高效节水灌溉新技术,扩大节水灌溉规模,是实施新疆节水型社会建设的重大战略举措。
2.1 节水灌溉系统结构模型选择
农业节水是一个系统工程,这一系统遵从于大农业与生态环境相适应的经济社会发展总体要求。其整体功能高低应表现为,既要不断地从环境中吸取有益的自然资源,又要抑制有害的输入,防止有害输出(如生态环境破坏)不断扩大势态,给经济社会发展积累更多的物质基础。
由上述思考,在考虑整数规划模型、多目标规划模型、非线性规划模型等多种系统工程研究方法时,基于“实用可行、运用广泛”的基本思想,采用系统工程线型规划优化模型,研究处理新疆农业节水规模问题。
2.2系统结构模型
2.2.1 灌溉方式变量分析
新疆农业灌区推广应用及研究示范的灌溉技术主要为以下3种类型。
(1)常规自流灌溉:畦灌、沟灌、格田灌溉。
(2)改进式地面灌:膜上灌、膜侧灌、膜沟灌、波涌灌、小白龙灌。
(3)高效节水灌溉:喷灌、膜上喷灌；微喷灌、膜下滴灌、滴灌；渗灌(地下灌溉)；低压管道输水灌；果树蓄流灌溉。
由灌溉技术看,改进式地面灌溉仍属于常规自流灌溉,因此,总体上分为常规灌溉和高效节水灌溉两种灌溉方式,而高效节水灌溉方式中可划分为喷灌、滴灌、地下渗灌、低压管灌4种形式。据灌区实际和规划应用需要,灌溉方式主要设置5种:常规灌溉、喷灌技术、滴灌技术、渗灌技术、低压管灌。因此,灌溉方式规模变量设置为:常规灌溉面积x1；喷灌技术面积x2；滴灌技术面积x3；渗灌技术面积x4；低压管灌面积x5。
2.2.2 约束条件分析
可以分为土地资源、水利资源、投入成本、农业气象4项约束条件。
设总灌区或某一灌区总灌溉面积(农田、园林、牧草)为A,则有以下数学规划模型:
x1-宜发展的常规灌溉面积,占A的百分比,%；
x2-宜发展的喷灌技术面积,占A的百分比,%；
x3-宜发展的滴灌技术面积,占A的百分比,%；
x4-宜发展的渗灌技术面积,占A的百分比,%；
x5-宜发展的低压管灌面积,占A的百分比,%。
(1)土地资源约束。由于总灌区或某一灌区灌溉面积为A,则有:
x1+x2+x3+x4+x5=A
于是不同灌溉方式占总灌溉面积结构比重为:
x1/A+x2/A+x3/A+x4/A+x5/A=1
(2)水利资源约束。适宜的节水经济型农业灌溉用水定额,有利于灌溉水资源节约和生态水利用的增加空间。基于灌区不同灌溉技术方法和作物种植结构面积加权综合灌溉定额m,以及灌区灌溉用水量ximi≤灌区可能引入的灌溉水资源总量ωZ平衡关系,则有:
m1x1+m2x2+m3x3+m4x4+m5x5≤ωZ
(3)投入成本约束。基于灌区不同灌溉技术方法单位面积综合投入成本T,及灌区灌溉技术投入量xiTi≤灌区可能提供投入总量TZ平衡关系,则有:
T1x1+T2x2+T3x3+T4x4+T5x5≤TZ
(4)灌区农业气象约束。常规地面自流灌溉方法除对地形坡度有一定要求外,可适用于灌区各种作物灌溉应用广泛；滴灌、膜下滴灌等微灌节水技术,近年随着新疆推广应用和实践,已由过去较单一的棉花、葡萄等宽行植作物应用,推广到小麦、蔬菜等多种作物,微灌节水技术对于新疆灌区不同作物和土壤地形以及农业气象条件,都可得以广泛应用且节水增产效果明显。
与常规灌溉和微灌方法相比,由于喷灌是一种田间喷洒“降雨”式灌水方式,喷灌强度、喷灌均匀度和喷灌水利用效率等受农田风速、气温、水汽蒸发等农业气象因素影响很大。因此,喷灌技术推广应用须考虑当地灌区气象因素问题,只有合适气象条件才适合于喷灌应用。
基于喷灌方法对风速(U)、气温(T)、蒸发量(W)的基本要求和适宜范围考虑,设风速(U)、气温(T)、蒸发量(W)3个综合影响因素表达式为PG=UTW。同时,喷灌对气象综合影响因素xiPGi应满足当地灌区农业气象条件PGZ平衡关系,则有:
PG2x2≤PGZ
三、敏感性分析
线性规划研究约束条件下技术系数、目标函数中的效果系数等参数,由于农业灌溉生产过程中各项参数在不同生产阶段是不断变化的,而这些变化将会影响规划目标最优解。据灌区不同灌溉条件下多年综合作物单产统计分析,随着不同水文年份情况变化,作物单产变化区间,常规灌溉一般减产幅度20%,增产幅度10%;而喷灌、滴灌、渗灌及低压管道灌溉,由于灌溉条件改善,减、增产幅度分别15%和20%,灌溉生产状况好于常规灌溉。由此对灌溉系统相关的作物单产变化区间、上、下限差距、相对数分析效果系数(即目标函数系数)的敏感性。喷灌、滴灌、渗灌及低压管道灌溉,相对数明显大于常规灌溉方法,对灌溉系统比较敏感,这说明高效节水灌溉的效果系数容易引起最优方案的变化。也恰恰反映出常规灌溉优化结果为零的原因,这一点在对多个方案进行优化都得到同样的结果中得到证实。
四、结束语
综上所述，随着我国新农村建设脚步的不断加快，节水灌溉工程所发挥的作用也必然会越来越明显，为了能够确保节水灌溉工程能够正常使用，并取得良好的效果，相关部门人员就必须在重视工程规划设计的基础上，提高对工程的日常管理。此外还要根据当地农村的情况合理安排种植结构。
参考文献：
[1]茆智.发展节水灌溉应注意的几个原则性技术问题[J].中国农村水利水电.2003(03)
[2]孙景生,康绍忠.我国水资源利用现状与节水灌溉发展对策[J].农业工程学报.2000(02)
关键词：农田水利；高效节水；灌溉
中图分类号： TV 文献标识码： A
引言
我国是一个干旱缺水的国家，近年来随着水资源日趋减少用水量不断增大，使得用水矛盾日益突出。农业灌溉是用水大户，水资源紧缺与灌溉用水浪费直接关系着国家水安全。节水灌溉就是采取最有效的技术措施，提高水的利用效率，合理利用水资源，使有限的灌溉水量创造最佳的生产效益和经济效益。近年来，我国节水灌溉事业发展很快，节水灌溉技术的推广和应用范围也越来越广。虽然节水灌溉技术得到了广泛应用，但是在工程建设中还存在着一些问题。这些问题的出现，不仅影响着节水灌溉工程的有效使用，还对农业经济发展及水资源的有效利用产生重大影响。为了最大限度地实现节水灌溉工程作用，必須将其工程建设中存在的若干问题予以解决。
一、节水灌溉现状
据统计资料显示,截止2008年,全国总灌溉面积6411.97万hm2,节水型灌溉面积2443.55万h m2,占总灌溉面积38.1%,其中,渠道降渗灌溉面积1044.77h m2,占总灌溉面积的16.3%；喷灌、微灌、低压管灌等高效节水工程灌溉面积1398.78万h m2,占总灌溉面积的21.8%。2008年新疆地方系统总灌溉面积379.37万h m2,节水型灌溉面积178.53万hm2,占总灌溉面积的46.5%,其中,渠道降渗灌溉面积125.34h m2,占总灌溉面积的33.0%；喷灌、微灌、低压管灌等高效节水工程灌溉面积53.19万h m2,占总灌溉面积的14.0%。
在高效节水灌溉面积中,微灌比重65.73%,比全国8.93%高出56.77%；渠道防渗面积比重48.1%,比全国17.9%高出30.2%。而喷灌、低压管道灌及其他灌溉方式低于全国水平。可以看出,新疆农业节水灌溉发展规模,尤其是渠道防渗、各种微灌节水技术推广应用远高于全国平均水平。
二、节水灌溉系统模型
新疆是我国典型的“荒漠绿洲,灌溉农业”内陆干旱灌区,没有灌溉新疆农业发展无从谈起,大力推广应用高效节水灌溉新技术,扩大节水灌溉规模,是实施新疆节水型社会建设的重大战略举措。
2.1 节水灌溉系统结构模型选择
农业节水是一个系统工程,这一系统遵从于大农业与生态环境相适应的经济社会发展总体要求。其整体功能高低应表现为,既要不断地从环境中吸取有益的自然资源,又要抑制有害的输入,防止有害输出(如生态环境破坏)不断扩大势态,给经济社会发展积累更多的物质基础。
由上述思考,在考虑整数规划模型、多目标规划模型、非线性规划模型等多种系统工程研究方法时,基于“实用可行、运用广泛”的基本思想,采用系统工程线型规划优化模型,研究处理新疆农业节水规模问题。
2.2系统结构模型
2.2.1 灌溉方式变量分析
新疆农业灌区推广应用及研究示范的灌溉技术主要为以下3种类型。
(1)常规自流灌溉:畦灌、沟灌、格田灌溉。
(2)改进式地面灌:膜上灌、膜侧灌、膜沟灌、波涌灌、小白龙灌。
(3)高效节水灌溉:喷灌、膜上喷灌；微喷灌、膜下滴灌、滴灌；渗灌(地下灌溉)；低压管道输水灌；果树蓄流灌溉。
由灌溉技术看,改进式地面灌溉仍属于常规自流灌溉,因此,总体上分为常规灌溉和高效节水灌溉两种灌溉方式,而高效节水灌溉方式中可划分为喷灌、滴灌、地下渗灌、低压管灌4种形式。据灌区实际和规划应用需要,灌溉方式主要设置5种:常规灌溉、喷灌技术、滴灌技术、渗灌技术、低压管灌。因此,灌溉方式规模变量设置为:常规灌溉面积x1；喷灌技术面积x2；滴灌技术面积x3；渗灌技术面积x4；低压管灌面积x5。
2.2.2 约束条件分析
可以分为土地资源、水利资源、投入成本、农业气象4项约束条件。
设总灌区或某一灌区总灌溉面积(农田、园林、牧草)为A,则有以下数学规划模型:
x1-宜发展的常规灌溉面积,占A的百分比,%；
x2-宜发展的喷灌技术面积,占A的百分比,%；
x3-宜发展的滴灌技术面积,占A的百分比,%；
x4-宜发展的渗灌技术面积,占A的百分比,%；
x5-宜发展的低压管灌面积,占A的百分比,%。
(1)土地资源约束。由于总灌区或某一灌区灌溉面积为A,则有:
x1+x2+x3+x4+x5=A
于是不同灌溉方式占总灌溉面积结构比重为:
x1/A+x2/A+x3/A+x4/A+x5/A=1
(2)水利资源约束。适宜的节水经济型农业灌溉用水定额,有利于灌溉水资源节约和生态水利用的增加空间。基于灌区不同灌溉技术方法和作物种植结构面积加权综合灌溉定额m,以及灌区灌溉用水量ximi≤灌区可能引入的灌溉水资源总量ωZ平衡关系,则有:
m1x1+m2x2+m3x3+m4x4+m5x5≤ωZ
(3)投入成本约束。基于灌区不同灌溉技术方法单位面积综合投入成本T,及灌区灌溉技术投入量xiTi≤灌区可能提供投入总量TZ平衡关系,则有:
T1x1+T2x2+T3x3+T4x4+T5x5≤TZ
(4)灌区农业气象约束。常规地面自流灌溉方法除对地形坡度有一定要求外,可适用于灌区各种作物灌溉应用广泛；滴灌、膜下滴灌等微灌节水技术,近年随着新疆推广应用和实践,已由过去较单一的棉花、葡萄等宽行植作物应用,推广到小麦、蔬菜等多种作物,微灌节水技术对于新疆灌区不同作物和土壤地形以及农业气象条件,都可得以广泛应用且节水增产效果明显。
与常规灌溉和微灌方法相比,由于喷灌是一种田间喷洒“降雨”式灌水方式,喷灌强度、喷灌均匀度和喷灌水利用效率等受农田风速、气温、水汽蒸发等农业气象因素影响很大。因此,喷灌技术推广应用须考虑当地灌区气象因素问题,只有合适气象条件才适合于喷灌应用。
基于喷灌方法对风速(U)、气温(T)、蒸发量(W)的基本要求和适宜范围考虑,设风速(U)、气温(T)、蒸发量(W)3个综合影响因素表达式为PG=UTW。同时,喷灌对气象综合影响因素xiPGi应满足当地灌区农业气象条件PGZ平衡关系,则有:
PG2x2≤PGZ
三、敏感性分析
线性规划研究约束条件下技术系数、目标函数中的效果系数等参数,由于农业灌溉生产过程中各项参数在不同生产阶段是不断变化的,而这些变化将会影响规划目标最优解。据灌区不同灌溉条件下多年综合作物单产统计分析,随着不同水文年份情况变化,作物单产变化区间,常规灌溉一般减产幅度20%,增产幅度10%;而喷灌、滴灌、渗灌及低压管道灌溉,由于灌溉条件改善,减、增产幅度分别15%和20%,灌溉生产状况好于常规灌溉。由此对灌溉系统相关的作物单产变化区间、上、下限差距、相对数分析效果系数(即目标函数系数)的敏感性。喷灌、滴灌、渗灌及低压管道灌溉,相对数明显大于常规灌溉方法,对灌溉系统比较敏感,这说明高效节水灌溉的效果系数容易引起最优方案的变化。也恰恰反映出常规灌溉优化结果为零的原因,这一点在对多个方案进行优化都得到同样的结果中得到证实。
四、结束语
综上所述，随着我国新农村建设脚步的不断加快，节水灌溉工程所发挥的作用也必然会越来越明显，为了能够确保节水灌溉工程能够正常使用，并取得良好的效果，相关部门人员就必须在重视工程规划设计的基础上，提高对工程的日常管理。此外还要根据当地农村的情况合理安排种植结构。
参考文献：
[1]茆智.发展节水灌溉应注意的几个原则性技术问题[J].中国农村水利水电.2003(03)
[2]孙景生,康绍忠.我国水资源利用现状与节水灌溉发展对策[J].农业工程学报.2000(02)