呂寧江,杜貞棟,孫 力,黃 乾,于曉蕾
(1.山東省水利科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南250013;2.山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南250013)
山東省濱海地區(qū)包括青島、威海、煙臺(tái)、濰坊、日照、東營等地,該區(qū)域工業(yè)發(fā)展迅速,城市集中,人口密集,而且氣候適宜,土壤肥沃,物產(chǎn)豐富,是我國糧食、蔬菜、水果的主要產(chǎn)地。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工業(yè)用水劇增,原來向農(nóng)業(yè)供水的水源地大部分轉(zhuǎn)向城市供水,加劇了該地區(qū)水資源供需的矛盾,農(nóng)業(yè)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅,制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。針對(duì)山東省濱海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展遇到的制約瓶頸問題,研究提出了與山東省濱海地區(qū)自然和社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)的綜合的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)體系,作為該地區(qū)發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)節(jié)水的技術(shù)支撐,以實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
該成果將項(xiàng)目區(qū)供水與用水系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)整體,采用大系統(tǒng)優(yōu)化理論,確定以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo),建立地表水、地下水聯(lián)合調(diào)控模型,采用非線性規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化求解,提出地表水、地下水優(yōu)化調(diào)控方案。
根據(jù)項(xiàng)目區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總體要求,在地表水、地下水聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)大系統(tǒng)遞階管理模型中,選擇經(jīng)濟(jì)效益作為目標(biāo)函數(shù),確定了決策變量、約束條件。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)算確定了各用水單元不同作物的種植面積,使有限的水資源得到了科學(xué)合理配置利用。
數(shù)學(xué)模型[1]:
1)目標(biāo)函數(shù):
本區(qū)經(jīng)濟(jì)作物種植量大,以區(qū)域凈效益最大化作為目標(biāo)函數(shù),可表達(dá)為:
即:maxf(x)=供水效益減去地表水、地下水的供水成本
其中:
式中:f(x)為灌溉工程的年綜合供水凈效益;i為項(xiàng)目區(qū)作物種植類型的序號(hào);n為項(xiàng)目區(qū)種植作物種類的總數(shù);nt為管理時(shí)段數(shù);ε為灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù);γi為第i種作物考慮副產(chǎn)品收入后的產(chǎn)量擴(kuò)大系數(shù);yi為第i種作物單位面積產(chǎn)量;A”i為第i種作物的優(yōu)化種植面積;Vi為第i種作物的價(jià)格;Cm為地下水的單方提水成本;Wtm為第t時(shí)段地下水的開采量;Cqm為地表水的供水單價(jià);Wtqm為第t時(shí)段地表水的供水量;Cgm為抽取地下水的動(dòng)力費(fèi)用;Cwm為抽取地下水的維修費(fèi)用;Ctm為井灌工程的投資折算費(fèi)用;Cqsm為引用地表水的動(dòng)力和管理費(fèi)用;Cqwm為引用地表水灌溉的維修費(fèi)用;Cqtm為引用地表水灌溉的投資。
2)決策變量:
決策變量包括各水源各時(shí)段優(yōu)化配水量和農(nóng)作物的優(yōu)化種植面積,地表水各時(shí)段的引水量和地下水各時(shí)段的提水量。
本部分包括多水源聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與調(diào)度技術(shù)兩部分。由于灌溉水源的不規(guī)則性,各水源的水量差別大,區(qū)域地下水較少,因此將分散水源聯(lián)網(wǎng)調(diào)度,是實(shí)現(xiàn)地表水地下水優(yōu)化配置的關(guān)鍵。
建立的大區(qū)域多水源聯(lián)網(wǎng)調(diào)度工程,將各水源的子管網(wǎng)相互連接起來,形成各水源之間調(diào)度自如的樹狀、環(huán)狀混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
1.2.1 多水源聯(lián)網(wǎng)工程形式[1]
考慮目前農(nóng)村生產(chǎn)承包責(zé)任制及行政劃分的特點(diǎn),示范區(qū)多水源聯(lián)網(wǎng)首先做到各村自成一個(gè)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),然后各村之間逐漸相互連接。多水源聯(lián)網(wǎng)的形式基本上可分為三種,即樹狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)和混合管網(wǎng)。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各村聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以彼此連通,形成一個(gè)四通八達(dá)的工程網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域水資源優(yōu)化配置,提高區(qū)域水資源的利用效率。
1.2.2 多水源聯(lián)網(wǎng)調(diào)度技術(shù)
以多水源聯(lián)網(wǎng)工程為基礎(chǔ),每個(gè)水源既可單獨(dú)運(yùn)行又可相互調(diào)度。以輸水費(fèi)用最小為目標(biāo),建立各水源間的水量調(diào)配模型。
數(shù)學(xué)模型[1]:
1)目標(biāo)函數(shù):
多灌溉水源聯(lián)網(wǎng)后,水源之間可互相調(diào)水,某個(gè)水源可向任意一個(gè)或多個(gè)用水區(qū)域供水,聯(lián)網(wǎng)水源供水應(yīng)以輸水費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù),即
式中:z為多水源聯(lián)網(wǎng)工程的總輸水費(fèi)用;cijt為第t時(shí)段第i水源向第j用水區(qū)域供水的單位輸水費(fèi)用;xijt為第t時(shí)段第i水源向第j用水區(qū)域的供水量;m為聯(lián)網(wǎng)水源的總數(shù);n為劃分的用水區(qū)域總數(shù)。
2)決策變量:
時(shí)段內(nèi)第i水源向第j用水區(qū)域的供水量xij為決策變量。
2.1.1 河道攔蓄工程
針對(duì)濱海地區(qū)汛期大量地表徑流直接入海的情況,為充分利用雨洪水,在濱海地區(qū)河流上建設(shè)攔河壩、閘等攔蓄工程,蓄攔河川徑流,增加對(duì)地下水的補(bǔ)給。
2.1.2 地下截流壩工程
在河道上建設(shè)各種形式的地下截流壩,河流靠近入??谙掠谓ㄔ斓牡叵陆亓鲏尾坏乐沽撕K肭郑铱梢詳r蓄很多雨洪水。
2.1.3 滲井補(bǔ)源工程[2]
滲井補(bǔ)源工程是回灌補(bǔ)源的主要工程措施,在濱海地區(qū)河流的河床中布置人工滲井、機(jī)鉆滲井。滲井與地下含水層溝通,增加了地下水入滲量。
2.1.4 滲溝補(bǔ)源工程[2]
利用排水溝渠作為地下水回灌工程使用,為了增加其滲補(bǔ)地下水量,在排水溝適當(dāng)位置建造一些控制水流的小型簡易建筑物(如土坎等),使排水溝變?yōu)榕潘⒒毓鄡捎脺稀?/p>
根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的水位、地質(zhì)條件等,在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)布設(shè)地下水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站,建設(shè)地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),各自動(dòng)監(jiān)測(cè)站通過GSM通訊系統(tǒng)可完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回收和監(jiān)測(cè)設(shè)備的管理。
自動(dòng)監(jiān)測(cè)站功能:按照設(shè)定的工作方式和采樣模式自動(dòng)采集信息,并分析處理、存儲(chǔ)和控制通訊單元,向中心站發(fā)送最新監(jiān)測(cè)信息。
中心站功能:能夠?qū)?shù)據(jù)采集、處理,實(shí)時(shí)接收自動(dòng)監(jiān)測(cè)站發(fā)來的數(shù)據(jù),自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)的幀格式,并進(jìn)行合理性判斷,分類自動(dòng)存貯,以立即數(shù)的形式實(shí)時(shí)顯示。
3.1.1 精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的設(shè)計(jì)原理
利用氣象資料、土壤條件、作物不同生長期的需水參數(shù)等資料建立專家系統(tǒng)知識(shí)庫,再由推理機(jī)形成灌水決策方案。系統(tǒng)能夠精確可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度、溫度、降雨量、蒸發(fā)量、土壤水分含量及作物生長因子的自動(dòng)采集、傳輸、分析,并作出綜合判斷;根據(jù)不同作物不同生育階段的適宜土壤含水量及其他因素實(shí)時(shí)發(fā)出控制機(jī)泵開啟的指令,并根據(jù)預(yù)置的灌水計(jì)劃有序的啟閉閘閥,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)灌溉。
3.1.2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)設(shè)備主要包括主控中心、灌溉自動(dòng)氣象觀測(cè)站、田間測(cè)控設(shè)備及遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊設(shè)備等。
根據(jù)濱海地區(qū)種植結(jié)構(gòu)特點(diǎn),大田作物主要采用管道輸水配套田間軟管灌溉、噴灌,果樹和露地花卉、蔬菜、苗圃等經(jīng)濟(jì)作物主要采用噴灌、微噴、滴灌、噴水帶噴灌、小管出流灌溉,大棚蔬菜、花卉、果樹等主要采用膜下滴灌、微噴、噴水帶噴灌、小管出流灌溉等灌溉技術(shù),并且較常規(guī)的噴、微灌技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。
3.2.1 噴微灌與地面精細(xì)灌溉技術(shù)改進(jìn)
1)噴灌技術(shù)改進(jìn)
在目前農(nóng)村生產(chǎn)體制情況下,由于傳統(tǒng)噴灌工程投資較大、管理要求標(biāo)準(zhǔn)較高、設(shè)備配套不完善、使用不方便等因素,影響了這些高效節(jié)水措施的推廣。進(jìn)一步完善改進(jìn)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的噴灌技術(shù)和成套設(shè)備,并進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。
(1)管道固定式噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法改進(jìn)
采用了“垂直于作物種植行方向布置支管,每條支管單噴頭工作”的設(shè)計(jì)方法。其工作制度是順作物行向的支管上的噴頭同時(shí)工作,一般一條支管上只有一個(gè)噴頭工作,只承擔(dān)一個(gè)噴頭的流量。設(shè)計(jì)時(shí)一般將一個(gè)系統(tǒng)劃分為兩片以上,每一片設(shè)一條分干管來控制該片的所有支管,分干管設(shè)閥門控制,以解決系統(tǒng)輪灌問題。
(2)半固定式噴水帶噴灌節(jié)水技術(shù)
灌水器選用噴水帶,工作壓力可用范圍較大,噴水帶組合后的噴水灌溉均勻度也較高。在作物有改善小氣候和除塵要求時(shí),可按額定工作壓力進(jìn)行噴灌;在作物(如果樹、葡萄等)怕水淋濕時(shí),可調(diào)節(jié)壓力進(jìn)行低壓噴灌或滴灌,因而噴水帶可根據(jù)灌溉需要作為噴灌灌水器或微灌灌水器使用,擴(kuò)大了噴水帶噴灌系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
2)微灌技術(shù)集成與改進(jìn)
(1)大棚膜下滴灌與棚內(nèi)懸防滴式微噴灌模式
項(xiàng)目區(qū)大棚蔬菜主要以高標(biāo)準(zhǔn)無公害蔬菜生產(chǎn)為主。大棚膜下滴灌主要供給冬季作物灌溉,棚內(nèi)懸掛微噴主要配合葉面沖洗和降溫。
工程模式為:以地下固定管網(wǎng)向棚內(nèi)供水,棚內(nèi)設(shè)水表、施肥設(shè)備、過濾器等棚內(nèi)首部樞紐一套,棚內(nèi)懸掛微噴系統(tǒng),地面設(shè)膜下滴灌系統(tǒng);棚上微噴采用防滴漏式微噴頭,地面滴灌系統(tǒng)采用∮8內(nèi)鑲管式滴灌管。
(2)滴灌和噴水帶聯(lián)合灌溉模式
針對(duì)大棚蔬菜定植問題,在棚內(nèi)地面膜下滴灌的基礎(chǔ)上,增加一套地面移動(dòng)式的噴水帶噴灌系統(tǒng)。
工程模式為:以地下固定管網(wǎng)向棚內(nèi)供水,棚內(nèi)設(shè)水表、施肥設(shè)備、過濾器等棚內(nèi)首部樞紐一套,棚內(nèi)首部樞紐后設(shè)一控制閥和噴水帶活接頭;地面設(shè)膜下滴灌系統(tǒng);噴水帶活接頭后可根據(jù)灌溉需要隨時(shí)安裝可移動(dòng)的噴水帶系統(tǒng),地面滴灌系統(tǒng)采用∮8滴灌管。
3)改進(jìn)地面灌水技術(shù)
(1)地面灌水田間溝畦規(guī)格[3]
利用SRFR軟件,模擬灌水時(shí)的水流推進(jìn)過程,并與試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試資料和SRFR軟件模擬分析結(jié)果,在灌水定額一定的條件下,地面坡降較大的畦田的灌水均勻度較低,同一坡降的畦田在坡降較大時(shí),入畦單寬流量較小的灌水均勻度較好;同樣情況下,短畦的灌水均勻度高于長畦的灌水均勻度;對(duì)于地面坡降小于1‰的畦田,在按一定的停水成數(shù)灌水時(shí),在保證灌水均勻度不小于90%的前提下,畦田的長度不大于100m,入畦單寬流量控制在3~6 L/(s·m)比較適宜。
(2)地面灌溉田間工程技術(shù)[3]
田間閘管灌溉技術(shù)是一種先進(jìn)的地面灌水技術(shù),其主要特點(diǎn)是通過渠道或管道輸水與田間閘管的配套,實(shí)現(xiàn)無損輸水與田間節(jié)水技術(shù)相結(jié)合。田間閘管灌溉系統(tǒng)主要由移動(dòng)管道和管道上配置的多個(gè)閘門組成,移動(dòng)管道代替田間毛渠成為一條“移動(dòng)毛渠”,其上閘門間距及規(guī)格可根據(jù)田間溝(畦)間距及所需流量配置。該系統(tǒng)可替代毛渠完成田間配水,通過啟閉閘門及調(diào)節(jié)閘門開度來控制進(jìn)入溝(畦)的流量。
根據(jù)濱海地區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu),研究的作物及灌溉方式主要有:主要糧食作物(冬小麥、夏玉米)噴灌、地面灌;主要果樹(蘋果、黃金梨、葡萄)微噴、滴灌。
在山東省濱海地區(qū)小麥麥田底墑充足的情況下,在一般氣候年份灌2~3水即可獲得500 kg/畝以上的高產(chǎn),其關(guān)鍵是確定小麥最佳灌溉期和灌水量。
考慮降雨、地下水利用,多年平均地面畦灌條件下冬小麥節(jié)水高效灌溉制度見表1。
表1 地面畦灌條件下冬小麥節(jié)水高效灌溉制度
噴灌條件下,冬小麥生育期內(nèi)拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期共噴灌4水,噴灌灌水定額40 mm左右,灌溉定額160 mm左右。見表2。
表2 噴灌條件下冬小麥節(jié)水高效灌溉制度
根據(jù)高產(chǎn)玉米需水規(guī)律、不同生育時(shí)期對(duì)水分的要求和山東省濱海地區(qū)的降水特點(diǎn),制定了玉米節(jié)水高效灌溉制度。
地面灌溉條件下夏玉米節(jié)水高效灌溉制度見表3。
表3 地面灌溉條件下夏玉米灌溉制度
微灌條件下黃金梨節(jié)水高效灌溉制度見表4。
表4 微灌條件下黃金梨節(jié)水高效灌溉制度
根據(jù)葡萄需水規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果,提出葡萄的灌溉制度:滴灌條件下葡萄節(jié)水高效灌溉制度見表5。
表5 滴灌條件下葡萄節(jié)水高效灌溉制度
根據(jù)山東省濱海地區(qū)氣候和土壤特點(diǎn),篩選和應(yīng)用節(jié)水抗旱農(nóng)作物品種,篩選原則:以豐產(chǎn)性為主,兼顧抗病性、抗倒性等,選用大田和干旱條件下產(chǎn)量均高的品種。
篩選與應(yīng)用品種:花生品種:“魯花11號(hào)”和“濰花6號(hào)”兩個(gè)品種;玉米品種:“鄭單958”一個(gè)品種;小麥品種:“煙農(nóng)475”一個(gè)品種。
5.2.1 小麥溝壟輪換、深耕秸稈還田節(jié)水增效技術(shù)
深耕秸稈還田和溝壟輪換還田種植方式能夠保持土壤水分,減少從播種到拔節(jié)前各生育階段麥田耗水量,進(jìn)而提高水分生產(chǎn)率,達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。
5.2.2 小麥秸稈還田和氮肥耦合節(jié)水增效技術(shù)
秸稈還田和氮肥耦合對(duì)抑制冬前和早春麥田蒸發(fā)效果明顯,提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,大幅度提高了水分生產(chǎn)率。試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)增加施肥對(duì)小麥光合速率產(chǎn)量增加等影響較大。
5.3.1 梨樹樹下覆草技術(shù)
以麥草、花生秸、玉米秸等為覆蓋材料。4月中旬覆蓋,厚度為20cm左右。
覆草減少了梨樹棵間蒸發(fā),在灌水次數(shù)和灌水量均較少的情況下,覆草可顯著提高土壤含水量,提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。在較干旱的時(shí)期,可保證梨樹的正常營養(yǎng)生長,提高產(chǎn)量和質(zhì)量。
5.3.2 梨樹使用保水劑技術(shù)
保水劑用量分別為每株使用100g,將保水劑均勻的撒在樹盤上,然后翻入土中,與土混勻。
梨園使用保水劑,在灌水量較少的情況下,干旱時(shí)期可保證梨樹正長生理功能代謝進(jìn)行,提高土壤含水量,特別是20~40 cm土壤含水量;保證正常的營養(yǎng)生長;可明顯提高梨的產(chǎn)量和質(zhì)量。
由于農(nóng)業(yè)節(jié)水工程產(chǎn)權(quán)不同,管理模式也各不相同,對(duì)中小型節(jié)水灌溉工程,目前主要有以下幾種模式:
農(nóng)民用水協(xié)會(huì)(WUA)是指由灌(排)區(qū)范圍內(nèi)受益農(nóng)民在自愿的原則下,依法成立的非盈利性的農(nóng)民用水合作組織,屬社會(huì)團(tuán)體范疇。它由協(xié)會(huì)及協(xié)會(huì)下若干用水組,每個(gè)用水組由若干用水戶組成完整的管水、用水組織系統(tǒng),其最高權(quán)利機(jī)構(gòu)是會(huì)員代表大會(huì),協(xié)會(huì)執(zhí)行委員會(huì)是會(huì)員代表大會(huì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
農(nóng)民用水協(xié)會(huì)與原有的農(nóng)村基層管水組織不同,最主要的區(qū)別在于:原有農(nóng)村基層管水組織具有一定的行政色彩,而農(nóng)民用水協(xié)會(huì)沒有行政色彩,實(shí)行自主管理。農(nóng)民用水協(xié)會(huì)的管理人員完全由農(nóng)民用水戶民主選舉產(chǎn)生,真正代表用水戶自己的利益,不受其他因素干擾。
這是一種在全民或集體所有權(quán)不變的基礎(chǔ)上,按照所有權(quán)和經(jīng)營權(quán)相分離的原則,以承包經(jīng)營合同的形式,明確所有者和承包者之間的關(guān)系,該種管理方式的實(shí)施,改變了工程無人負(fù)責(zé)或責(zé)任不明確的狀態(tài),降低了對(duì)工程管護(hù)的監(jiān)督成本,這種模式,刺激了承包者的積極性。
租賃是兩個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)權(quán)實(shí)體,通過簽定租賃合同,將工程經(jīng)營權(quán)在一定的期限內(nèi)讓給經(jīng)營者的一種模式。租金由租賃市場的供求關(guān)系來確定,可退租、轉(zhuǎn)租,但轉(zhuǎn)租的工程不能隨意改變其用途。
通過上述綜合技術(shù)研究,提出了山東省濱海地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)模式[5]。在單獨(dú)水源形成管網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立分散多水源聯(lián)網(wǎng),水源之間相互調(diào)配,地表水、地下水聯(lián)合調(diào)控。采用先使用地表水,后用地下水的方案,前期可減少地表水蒸發(fā),汛前騰空地下庫容,模擬結(jié)果證明了其正確性。興建攔蓄回灌補(bǔ)源工程,充分利用多余供水回補(bǔ)地下水。多水源聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)促進(jìn)了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè),多水源聯(lián)網(wǎng)工程加自動(dòng)化控制系統(tǒng),使聯(lián)網(wǎng)工程真正實(shí)現(xiàn)集中控制,遠(yuǎn)距離操作水資源集中管理,達(dá)到優(yōu)化配置的目的,而這種集中管理的形式又產(chǎn)生了新的運(yùn)行管理機(jī)制—農(nóng)民用水協(xié)會(huì)。山東省濱海地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)模式。
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