论喷灌是否节水

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“喷灌是否节水”的疑问早在80年代初即被提出，因为从水资源开发利用的角度看喷灌节水和从灌溉工程的角度看喷灌节水确实有不同的理解和依据。笔者当时初入喷灌之道，当然很想搞明白自己从事的事业到底有没有意义。遗憾的是在喷灌发展高潮之时，这种"灭自家威风"的讨论很难得到支持；到喷灌发展处于低谷时，更无人问津这种时过境迁的研究了。但笔者一直在搞喷灌，自然不能回避这个问题。时到今日喷灌是否节水的问题再次被提出，笔者也想谈谈自己的看法。实际上喷灌是否节水的问题比其字面的意思要复杂得多，因为喷灌还有耗能多的问题，还有投入大的问题，还有管理要求高的问题等等。本文论述的范围也尽可能扩大一些，以避片面之嫌。 1.从水资源的损耗看喷灌 任何一种灌溉方式不但会产生灌溉水的损失，而且会造成水资源的损耗。认为喷灌节水往往是指它节约了灌溉水；认为喷灌不节水往往是说喷灌存在飘移蒸发损失，造成水资源新的损耗。下面通过比较传统的地面灌溉与喷灌来分析这个问题。 传统的地面灌溉方法灌溉水利用率低，其损失主要是渠道渗漏损失和田间深层渗漏损失。喷灌尽管是将水直接喷洒到田面，但并非绝对均匀，按技术规范的要求，设计风速下喷洒均匀度应达到75％以上。喷洒均匀度在灌溉水的利用率上相当于地面灌溉的田间水利用率。但地面灌溉条件下的土壤水分一般在沟、畦首部多，尾部少，差别较大，而且依造水分在土壤中的扩散作用难以在这样大的范围内得到调节，故确定灌水定额时不计入因喷洒并非绝对均匀而产生的水量损失。另一方面，喷灌一般采用单行多喷头同时喷洒的作业方式，这些喷头一般通过同一条支管同时供水，故支管首部的喷头因实际工作压力高，其流量比支管尾部喷头的流量要大。技术上为保证同一支管上任意两个喷头的流量差不大于设计流量的10％，要求其工作压力差应在设计喷头工作压力的20％范围以内。尽管如此，这部分灌溉水的损失是存在的，同样相当于地面灌溉的田间渗漏损失。地面灌溉在土地平整很好，灌水要素确定合理的情况下，其田间水利用率可以达到0．9。粗略比较的话，可以认为喷灌水的田间损失大体与管理精细的地面灌溉的田间水量损失相当，故可以不必再从水资源开发利用的角度作进一步的分析。 喷灌采用管道输水，输水损失很小，目前的喷灌工程多用硬质PVC管材作为地埋管，用薄壁铝合金管材作为地面移动管，输水效率可达0．95－0．98。管理良好的土渠的渠系水利用率在井灌条件下可以达到0．6，显然仍远低于喷灌的水平。从水资源开发利用的角度看，渠道入渗的水量还可回归地下水，被再次利用，故不应全算水资源的损耗。问题是渠道损失水量中有多大比例的水量回补了地下水。据有关资料[1] ，在半干旱半湿润地区，地下水埋深小于4M，亚粘土岩性的未衬砌渠道，其渠系有效利用率为0．55左右（即损失率为0．45），但渠系渗漏补给系数仅为0．144。即渠系损失水量仅有1／3回补了地下水，其余部分或是直接蒸发了，或是形成了土壤水。形成的土壤水一般因位置所限无法被作物利用；即使处于作物种植范围内，这部分土壤水因超出了灌水定额的范围，故除非实行非充分灌溉，否则对作物产量并没有多大的贡献。考虑渠系渗漏的补给水量后，土渠输水的水资源损耗率估算值为0．28左右，而喷灌仅为0．02－0．05。 众所周知，喷灌存在飘移蒸发损失，在极端情况下这部分损失可占喷洒水量的7％－28％，大多数情况下在10％－20％之间。值得注意的是，喷灌作业并非总是在中午或有风的条件下作业，早、晚及夜间作业的蒸发损失就小得多，设计风速以下作业时飘移损失也会减少。喷灌工程设计上考虑的飘移蒸发损失是在一定条件下的高峰值，而喷灌作业中考虑的飘移蒸发损失则是长期作业的平均值，二者有很大的区别。另外，喷灌时一个作业点的喷洒时间长达4－5H，这期间蒸发的损失水量还抵消了作物的田间耗水量。所以实际的飘移蒸发损失仅为上述设计取值的1／2－1／3左右。 还有观点认为，喷灌灌水定额小，灌水次数多，表层土壤长期处于较高水分状态，株间蒸发量大。笔者认为，喷灌与传统地面灌溉方法相比，确实具有可以在不影响均匀度的条件下实现小定额灌水的优点，但亦可实行较大定额灌水。对于任何一种科学的灌溉制度，地面灌可以采用，喷灌也可采用；反之则不一定同样能做到。 根据以上四方面的分析可以得出：在比较典型的条件下，喷灌的水资源损耗率大约比传统地面灌小15％－20％。通常讲喷灌比传统地面灌省水30％－50％，是指灌溉水范畴内的节水，这里讲的15％－20％则是指在水资源范畴内的节水。顺便指出，即使将渠系水利用率提高到0．85，喷灌的水资源损耗仍小于传统的地面灌，因为这时的渠系渗漏补给系数将显著减少，绝大部分人渗水量最终形成无效蒸发。

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2.从水资源占用量看喷灌 水资源的开发利用具有排他性，即某一时间段（例如一次灌水）内可利用的水资源量如被某一灌溉工程占用，其他灌溉工程便无法正常使用。传统地面灌溉的灌水定额较喷灌大得多，尽管有一部分灌溉回归水可补给地下水，但入渗需要一定的时间，也可能发生空间上的错位，这部分水量往往不能及时被再次利用。天气越是干旱，这种现象越是明显，生产中往往造成干旱时部分耕地得不到及时灌溉。这就是说，同样规模的灌溉工程，采用喷灌时所占用的水资源量少，而传统地面灌溉则需占用较多的水资源量（尽管其中的一部分并没有损耗掉）。经常听到因为搞了节水灌溉而缓解了水资源短缺状况的说法，笔者认为这个廉洁是有道理的，它符合我国北方广大地区发展节水灌溉的实际情况，也符合广大农民的切身感受。 3.从降雨的有效利用看喷灌 喷灌的毛灌水定额一般是20－30m3 ，仅为传统地面灌的30％－50％。灌水定额小意味着封湿润深度小而且均匀，封上层（例如1M土层）的平均含水量低，故径流系数小，即在某一降雨过程中产生径流的可能性小，即使产生径流，径流量也小。这就是说，喷灌可较有效地利用降雨，而任何直接利用水资源的方法均可有效地减少水资源的损耗。 4.从增产效果看喷灌 一般认为喷灌比传统地面灌可增产10％－20％[2] ，其原因是多方面的。传统地面灌的渠系占地一般为2％－3％，畦埂占地一般为5％－10％，两项合计占地达7％－13％。喷灌无需这两项占地，实际的播种面积扩大，产量自然得到提高。这项增产因素对于原来单产比较高、进一步增产比较困难的地区具有特殊的意义。北京效区推行小麦、玉米两茬平播的增产效果是很明显的。 此外，北方冬小麦产区一般积温有限，为获得高产不得不压缩麦收到播种玉米之间的时间，茬口很紧。但玉米播前的土壤墒情往往不好，造成出苗率不高。传统的地面灌无法在麦收前小定额灌水，而在玉米播后灌水又造成封板结，玉米出苗困难。喷灌可以很容易地做到玉米的播后灌水。这一增产因素在北京郊区也已得到生产证实。 喷灌可以有效减轻干热风对小麦生长的危害，可以在冬小麦返青时保持较高的地温，可以保持土壤团粒结构，可以有效利用化肥（田间水的深层渗漏引起化肥的流失），有较高的灌溉保证率（喷灌的灌溉设计保证率不低于85％，而地面灌仅为50％－75％）等等也是实现作物高产、稳产的重要原因。 有研究资料[3] 表明，农田水分的生产效率与单产水平呈正相关，即高产条件下的农田水分生产效率远高于中低产水平下的农田水分生产效率。例如冬小麦单产3000kg/m2 时，农田水分生产效率仅为0．737 kg/m3 ，而单产7500 kg/m2 时，农田水分生产效率达到1．42 kg/m3 。 农业种植的根本目的是以最低的投入生产出较高数量的优质农产品，增产和节水的实际效果对于水资源开发利用而言是相同的。

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5.从田间作业的机械化看喷灌 改革开放以来，随着农村经济的快速发展，我国农业机械化水平有了显著的提高。据统计[4] ，到1997年全国机耕、机播、机械植保、机械铺膜、机收面积比例已分别达到37．6％、22．6％、18．6％、．1．8％和13．8％，相比这下灌溉作业采用机械作业的面积比例还不足1．5％，甚至低于历史仅10余年的铺膜的机械化水平。一般认为灌溉作业量占田间作业量的20％左右，比例不算低，灌溉作业的机械化、半机械化上不去，势必拖我国农业机械化、农业现代化的后腿。 喷灌在发达国家的迅速发展，其主要原因并不仅仅是为了节水，主要是为了提高农业劳动生产率，降低农业生产成本。这是一个大的发展趋势，中国也不会例外。我国正在积极银取加入世界贸易组织，其中最重大的举措就是最终开放中国农产品市场。据有关资料[5] 介绍，国家目前为保护农业，仅在小麦上的补贴每年高在300－400亿元。农产品市场开发后，如何面对从美国、欧洲、澳大利亚等国涌入的低成本、高质量的农产品，恐怕再靠"廉价农业劳动力"已经是于事无补了，再搞粮食收购倒挂牌价也不行。办法只有一个，那就是象其他国家那样把补贴用在农业基础设施、特别是先进的水利设施建设上，提高农业生产效率，降低农业生产成本。加入世界贸易组织后，我国的农业种植结构必然发生重大调整，采用喷灌、微灌等精细灌水技术的市场需求必须扩大。面对加入世界贸易组织给我国农业生产带来的机遇和挑战，我们不能不想得长远一些。 6.从能源消耗看喷灌 喷灌消耗能源较多是其主要缺点之一，但是也要分析一下到底多消耗多少。喷灌技术发展的一个主要方向是实现低压喷洒，但毕竟比传统地面灌还是需要额外的水压力。水泵的轴功率P表示为： （1） P＝ γQH/1000η 式中γ－水的重度； η－水泵效率； Q－流量； H－扬程。 如果以下标"P"和"d"分别表示喷灌的参数和地面灌的参数，则其能耗比I为： （2） I=Pp·tp/Pd·td = Qp·Hp·tp·ηd/Qd·Hd·td·ηp 式中tp、td －表示水泵的累计运转时间。 可以假定ηp ＝ηd ，并且以水量V代替流量Q与运转时间t的乖积，则有： （3） I= Vp·Hp/Vd·Hd 在比较典型的平原井灌条件下，如果喷灌的实际灌水量较传统地面灌小50％，地面灌的实际扬程为30M，喷灌的实际扬程为70M，则I＝1．16。 即多消耗16％的能源。一般而言，在地下水动水位浅的地区，I值可能高达1．5以上；而在地下水动水位更深的地区，I值可能小于1，即喷灌并不比传统地面灌多消耗能源。 我国正在采取措施降低农电价格，实行同网同价的原则，多消耗的能源完全可以从增产等效益中得到回报。至于在有条件的地区发展自压喷灌，其多耗能的问题便不复存在了。

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7.对发展节水灌溉的几点看法 7．1通过前面的分析可以看出，喷灌的节水效益无论从灌溉工程的角度看，还是从水资源开发利用的角度看都是没有疑问的，喷灌对促进农业生产的作用也是明显的。在井灌区、非井渠渠双灌的井渠结合灌区、高扬程提水灌区以及有水源条件的坡耕地上发展喷灌都是适宜的，制约因素主要是当地的经济条件和管理水平。 7．2节水灌溉的主攻方向是一个多层次的问题，这既和我国北方地区农业水资源普遍短缺有关，也与目前已经形成的农业生产格局有关，还与国家、地方、农民三结合的投入体制有关。从解决一个流域的水资源短缺的目的出发，节水的重点应该是其中上游的渠灌区（笔者另有文章论述）。但同时也应鼓励下游渠灌区以及所有的井灌区励行节约用水，因为不可能把一个省的奖金调到另一个省，也不可能把一个省的缺水问题完全捆绑到另一个省的节水规划上。节水灌溉的主攻方向应按国家、流域、省、市县分层次地考虑，这样才能调动全社会的力量来解决普遍存在的水资源短缺的严重问题。7．3当前我国北方经济较发达地区发展喷灌的呼声很高，不少省、市相继出台了喷灌发展规划。笔者认为就这些地区的经济实力（少盖点儿楼堂馆所，少上点儿重复建设项目，省下的资金就够了）和今后农业的发展需要看，问题并不在于发展规模的大小上。1978年前后我国曾经因为盲目发展喷灌而交了学费，但现在的情况已经有了很大的变化。首先是经过20多年的努力，我国已经初步形成了符合国情的喷灌技术体系，对喷灌的认识深刻多了；其次我国已经初步形成了一个喷灌材料设备的生产供应产业基础，喷灌所需各种专用设备均有正规企业生产；我们还摸索出一套发展喷灌的组织管理经验。今后的发展不应再重蹈过去的复辙。目前令人担心的问题有三点：一是前期工作普遍薄弱，总体规划或深度不够，或根本没有；二是专业技术人材断档，规划设计中出现极初极错误的现象屡见不鲜；三是材料设备市场混乱，施工队伍管理极不规范。希望各级领导在制定喷灌发展宏伟规划的同时，也抓一抓规划实施中必须解决的问题；也应考虑一下是否有必要从几十亿元的喷灌工程投入中拿出千分之几搞搞技术咨询、搞搞技术培训。 7．4随着喷灌的发展，其应用目的和应用条件变得越来越复杂，一些技术问题亟待研究解决。例如从农业水资源高效利用的目标评价喷灌的问题（包括节水效益的问题），喷灌在井渠结合灌区的发展模式问题，喷灌对渠灌渠系运行影响的问题，喷灌在干旱地区的土壤积盐控制问题，喷灌机的供水及田间配套规划问题等等。希望有关部门加大喷灌的科研投入，集中力量解决一批当前节水规划和喷灌设计中急需解决的问题。 8.结束语 喷灌经历了二十多年艰难曲折的发展历程，终于迎来了今天的机遇和挑战。我们应该严格按科学办事，不断总结经验，保证喷灌这一先进灌水技术在21世纪初有一个大的发展，为我国农业可持续发展和最终实现现代化贡献力量。

水动力

利弊共存，综合认识综合对待

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以前真的就认为喷灌节水，看了之后，学习了