节水灌溉系统工程的技术路线

节水灌溉系统工程的技术路线

开源节流技术改良种子、化肥和农药已成为粮食生产的基本条件，但农业灌溉仍对提高粮食产量起到了重要作用。在全世界范围内农业灌溉面积仅占世界耕地面积的20%,而生产出的粮食却占世界粮食总产量的40%。可是,世界粮食的产量虽然是过去的2倍,而种植这些粮食所用的水却是过去的3倍多。目前约有4.5万座大坝横亘在全球的河流上,拦阻了15%本该从陆地汇入海洋的水量,水库几乎覆盖了陆地面积的1%,造成世界上500多条大河流超过半数严重枯竭,自然生态系统遭到破坏。当农场主用井泵无节制抽取地下水的速度远远超过补水速度时,就造成了地层下陷、海水倒灌。据英国《科学家》周刊报道,仅印度、巴基斯坦和中国3国一年抽取的地下水总量达400亿m3,占世界农业用地下水总量的50%以上,是该地区雨水所能补充的2倍多。水量无法补偿,水位也无法恢复,只会加速有限地下水资源的消耗。人们清醒地认识到,再也不能以耗竭水资源和破坏生态环境为代价来换取粮食安全。而是走水资源合理配置的可持续发展道路,即实行开源节流的技术路线。所谓开源就是除跨流域调水技术外,主要是发展污水处理、海水淡化、雨洪利用、人工催雨和新能源等技术。所谓节流就是发展节水节能新技术,建设节约型社会,即发展节水农业、调整产业布局、降低工业耗水、建设节水城镇、制定相关水法和降低能耗等技术。1节水灌溉系统工程从广义上讲,农田水利工程是农业工程的重要组成部分,而节水灌溉工程又是农田水利工程中的重中之重。它是由规划设计、产品制造、农艺知识、使用维护、服务管理等技术进行综合、集成、组装而成的农业高效用水系统工程;是减少旱涝灾害,用少量的水获取更多农作物产量、最好经济效益和最佳生态环境的节水灌溉系统工程。节水灌溉系统工程是由水源供水、中途输水、田间配水3部分组成,而设备质量是保障工程质量的首要条件。在本世纪里,节水灌溉工程新技术与设备正在日新月异地迅猛发展,主要表现在:1.1按泵的化合物类型分类供水设备即泵站(固定或移动式泵站),是从水源(地表水、地下水、处理水)提水或排水的成套机电设备。主要由水源、水泵、动力机、电气设备、阀门等组成,其中水泵是供水工程中的关键设备。但是,泵也是一种耗能比较高的机械设备。在美国农业生产内部耗能比例中,田间作业(整地、播种、中耕施肥、收获)仅占20%,而农业灌溉就占12%。因此,全世界的泵制造商都致力于提高泵效率和降低运行功率损失。到20世纪后期有关专家认为泵产品理论和技术成熟度较高,泵产品类型基本齐全,已能够满足各种需求。所以,单纯从设计上提高泵效率的空间较小,应该从提高泵产品可靠性和泵装置或泵站的经济运行上来降低供水系统的能耗。随着全球对生态环境保护及水资源综合利用的高度重视,促进各种排污泵的发展和自动控制技术的广泛应用,将导致新结构、新工艺、新材料在泵产品上的应用,这将是21世纪泵业新技术发展的总趋势。1.1.1复合材料水润滑材料从开发各种新材料入手,将不锈钢、钛钨合金、陶瓷、工程塑料等金属和非金属材料组合成高强度、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗汽蚀的复合材料,再加工成新型水润滑轴承、新型机械密封、光滑的叶片和泵壳,从而降低了泵内流道阻力损失,提高了泵效率,也满足了特殊介质对耐高温、高压、强腐蚀的要求,提高了泵的使用寿命。1.1.2机械切削加工方式以数控技术CAM为代表的计算机辅助制造技术已深入泵的生产中,逐步替代了传统的机械加工。尽量减少铸锻及机械切削加工方式,而是采用板材挤压焊接成形加工泵的零件,并对相关表面进行化学处理、喷涂或镶内衬,达到防腐耐磨的目的。有些泵业公司已提出面向对象设计(OOD)方法,甚至将计算机集成制造系统CIMS、柔性制造FMC和FMS技术集成化,协调处理设计、模具制造、泵零件加工等流程,大大缩短了泵产品的生产周期。1.1.3cfd集成设计模型计算流体动力学CFD技术正在改变传统的水泵设计理念和分析方法,越来越得到广泛应用。在泵产品设计方面,CFD技术通过构造泵的物理模型,应用流体动力学计算模型和专用软件分析泵内部三维流动特性,对泵水力与结构设计进行优化,并预测泵的工作性能等。目前CFD前处理器、求解器、后处理器及CAD、FEM和CAM等模块,正朝着集成化方向发展,并构建成水泵集成设计系统,不但运算速度快,精度高,而且适应性广。能及时准确地对泵产品性能、强度及局部结构装配性等不合理因素做提前防范,不但缩短了产品开发与生产周期,也降低了成本。1.1.4ronuss公司0.75kW以下的小型潜水电泵、自吸泵、微型离心泵、管道泵、增压泵等,用于发展中国家农业灌溉及城镇供水市场前景广阔。而且,这种量大面广、劳动密集型产品的生产企业也多在发展中国家。进入21世纪后小型泵产品发展的主要趋势是供水系统集成化,如美国Watertronics公司将水泵、动力、压力罐、控制器、阀门和连接附件组成板块或集成泵站,可自走,可牵引,可抬移,结构紧凑,移动方便。其次是井用泵趋向潜水化,可省去传动轴,减少噪声,安装简便。第三是采用变频调速技术调节流量、扬程,使泵按需供水,达到节能运行效果。泵产品大型化是调水工程、电力、石化等产业发展的需要,也是一个国家泵行业生产技术综合水平和实力的具体体现。20世纪美国、俄罗斯等国的大型调水工程用泵口径达6m、单机流量100m3/s、功率1万kW。德国Sufer公司制造的汽轮机驱动的锅炉供水泵,压力达32.5MPa,功率达3.6万kW。据有关专家预测进入21世纪后将有大泵口径15m、功率150万kW的锅炉循环给水泵用于火力发电的设备上。对于输送腐蚀、贵重、有毒或食用的液体时,不允许有泄露的用泵市场需求量很大。多用途、无泄露的磁力泵也将向更广阔的领域扩展。1.2按水泵流量计算的分输水设备与器材是指渠道和管道组成的输水网络所用的设备与器材,包括不同断面形状的预制混凝土或玻璃钢防渗渠道构件、防渗土工膜、闸门、阀门及不同材质的管道等。全世界灌溉农业用水量占总用水量的70%。所以,水从泵站一出来在输往田间地头的途中就要考虑节水,即提高渠系水的利用系数。在美国该系数为0.78、俄罗斯为0.6～0.7、日本为0.61,而在欠发达国家多数不足0.5。也就是说,50%的农业用水在未被作物吸收以前已白白浪费。目前,世界输水形式主要是渠道和管道输水。由干、支、斗、农渠组成的开式灌溉输水网络,因渗漏或决口跑水所造成的损失量约占输水总损失量的70%,而采用闭式管道组成的输水网络如滴灌技术损失不足5%。因此,各国都将渠道防渗技术和管道输水技术作为21世纪输水新技术加以推广应用。1.2.1材料、混凝土等驳岸材料美国和日本等国都把渠道防渗工程作为水利工程节水挖潜的重要措施,并把措施的重点放在防渗材料研发和施工工艺的改进上。随着塑料工业的发展,国外加大了对渠道防渗材料的研发和推广。目前得到广泛应用的有薄膜材料(聚氯乙烯膜、聚乙烯膜、聚烯烃膜、沥青膜、合成橡胶膜、膨润土膜等)、沥青混凝土防渗材料、伸缩缝止水材料(弹性人造橡胶、弹性玛蒂脂、聚氯乙烯止水带等)、防冻害保温材料(钢筋混凝土、膨胀珍珠岩板等)。在施工工艺上,为了防止膜料被外力破坏和老化,采用复合材料防渗结构,即在膜料防渗层上再用混凝土等刚性材料作保护层,延长工程寿命;为了渠中水流速度快、输水输沙能力强、抗冻害性能好,改进了渠道断面形式为U形或弧形渠底梯形断面;为了防止渠道冻害,改素混凝土为钢筋混凝土,并大量采用砂砾料换垫层,增设排水等设施;为了确保施工质量和进度,美、日等国基本上采用机械化施工。实践证明采取渠道防渗措施,可减少渗漏损失70%～90%,减少管理养护费用70%,并防止了土地的盐碱化和沼泽化。1.2.2系统按水泵、管网的要求分布管道输水是以管道代替明渠输水灌溉的一种工程形式。具有输水快、输水效率高,施工简便、占地少,操作容易、维护成本低等优点,目前已成为世界上农业节水的一项关键技术。2000年美国利用管道输水灌溉面积占地面灌溉的34.67%,以色列有97%以上的灌溉面积实现了管道输水。从输水压力上来看,高压网系统和低压网系统共存的趋势不会改变。高压网系统一般输水压力在0.4～1.0MPa,管道级数多,控制面积大,田间灌溉方式多以喷灌技术为主。低压网系统一般输水压力在0.002～0.03MPa,管道级数少,可直接从机井、泵站等水源取水,与干、支明渠配套,或到斗渠时改用管道输水,多以地面灌溉技术浇田。从输水管网设计上来看,树状网、环状网、树状网和环状网混用的形式均有应用。农业灌溉系统多以树状网为主。从输水管材来看,在材料配方、制造工艺等方面取得了突破性进展,管材的耐老化、抗冷融性、抗腐蚀、机械强度等性能指标明显提高。美国、日本等国将各种材质的塑料管、钢筋水泥管、石棉水泥管等耐腐蚀、抗冷融性能好的输入管材埋入地下,而将抗老化、机械性能好的铸铁管、球墨铸铁管、铝合金管、热浸镀锌焊缝钢管等裸露地面,这也是管道输水技术的发展趋势。1.3国外农业灌溉的发展现状田间配水设备也称田间灌水设备,即将输送到田间的灌溉水均匀地分配到农作物生长最需要的根系或叶面上的设备。在美国每生产1kg粮食平均需要补充灌溉0.93m3的水,而在发展中国家生产同样的粮食需要补充灌溉1.23m3的水。说明单位体积水所生产的粮食产量与输水和配水技术模式息息相关。不同的模式,灌溉水的利用系数也不同。传统落后的灌水模式其水的利用系数只有0.3～0.4,先进的灌水模式可达0.8以上。因此,各国都根据本国国情,因地制宜地选择节水灌溉技术模式。美国国土面积大、人口少,是世界上农业生产现代化程度最高的国家。其发展农业灌溉的特点是:在1970～2000年间,全美的灌溉面积占耕地面积的比例持续稳定在11%～12%,而喷灌面积占灌溉面积比例却由25%增加到49.9%,即1271.7万hm2。微灌面积占灌溉面积的4.9%,即125.6万hm2。在设备选型上,为了适应美国农业高度集约化体制和现代农业机械化水平,喷灌设备朝着自动化和宽幅喷洒作业的方向发展。30年间圆形和平移式喷灌机所控制的喷灌面积由19%上升到66.94%。而微灌设备是果农、菜农、棉农所喜欢选购的设备,其中微喷面积占全美微灌面积的52.8%,滴灌面积占微灌面积的45.86%。地面灌溉设备逐渐走向精细化,全美利用衬砌渠道灌溉面积占地面灌溉的46.3%,利用管道输水灌、闸管灌、波涌灌的灌溉面积占地面灌溉面积的37.33%。以色列一半国土属于干旱半干旱地区,年降雨量不足180mm,因此政府出资兴修了“北水南调”工程,并把国家主要水源连成了管网,全国实现了对水资源的宏观监测与调控。全国灌溉面积占耕地面积的44.3%,其中微灌面积占全国灌溉面积的53.9%,即10.45万hm2;喷灌面积占全国灌溉面积的45%以上。30年间农业用水总量一直稳定在13亿m3,而农业产量却增加了5倍。瑞典、丹麦、法国等发达国家,国土小、人口少,平均年降雨量在550mm左右,是典型的无灌溉农业国。政府为了节省劳动力和土地平整费,多推广使用一个收获季节移动一次的管道式喷灌系统或绞盘式喷灌机作为补充灌溉。同时还大力推广温室的微灌技术。综上所述,不同国家根据不同国土面积、不同自然地理条件、不同水资源和能源状况、不同国力、不同人口和文化背景等因素,从本国国情出发因地制宜地选择了符合自己国家的节水灌溉技术模式,值得我们借鉴。1.3.1喷灌系统的展望喷灌技术是农业灌溉中水利用系数可达0.8以上的先进灌水技术之一,将得到大力推广应用。随着世界人口的增长和水源能源危机的加剧,喷灌技术与设备发展方向是:低压喷洒、降低能耗;机型变种、系列成套;智能技术、“傻瓜”控制;综合利用、精准灌溉;生产率高、可靠性强。大、中、小型移动式喷灌机组与管道式喷灌系统长期共存的局面不会改变。高、中、低压喷头产品均着眼于多用途、多种类、短系列的方向发展,其零部件的通用性强,标准化程度与可靠性高,早已成为喷头产品设计的首要理念。1.3.2微灌设备的发展微灌技术是一种最为节水的精细灌溉技术,灌溉水利用系数高达0.9以上。不但灌水自动化程度高、田间管理工作量少,而且对于农田污染、沙漠化治理、水土保持等方面发挥巨大作用。到2000年全世界微灌面积已达到376.72hm2,其中以色列、约旦、塞浦路斯、南非、西班牙、澳大利亚、法国等国家微灌面积已占到全国灌溉面积的5%以上。各国微灌厂商都准备投放最先进适用的微灌设备。目前,低压非旋转微喷头已成为微喷头的主流。研发抗堵塞、有补偿能力和滴水均匀的滴头;研发自清洗过滤器和自动计量的施肥器是微灌技术的攻关目标,也是微灌设备产业化的发展方向。随着智能控制的多工位机械加工中心的发展,塑料模具加工精度越来越高,促使加工成本费用降低,微灌设备更新换代的速度会更快。2国外节水灌溉技术的应用2.1俄北水南调工程20世纪为了解决供水不足,一些国家实施了大型跨流域的调水工程。如美国的北水南调工程总投资1000多亿美元,灌溉面积达0.28亿hm2。俄罗斯的北水南调工程总投资416亿美元,灌溉面积0.33～0.4亿hm2。这些大规模的河水改造工程,虽然取得了一些辉煌成就,但是由于投资巨大,耗时较长,不能解燃眉之急,一些国家不是没有经济实力就是暂缓实施。2.2提高水污染效率美国马萨诸塞州阿姆斯特市的全球水资源政策项目主任桑得拉·波斯特尔的研究成果表明,应用高效用水灌溉技术可以使水有效利用效率提高到95%,将使全球需水量降低10%。先进的节水灌溉技术在世界农牧业灌溉生产实践中已经得到大力推广应用,而且经济效益显著。在改善输水系统方面,美国加州对“全美大运河”(ALL-American)和“科切拉运河”(CoachellaCanal)投资2亿美元进行运河加衬,使科罗拉多河每年减少因泄漏造成流失的水量达1.23亿m3。实施高效用水灌溉的例子更是举不胜数。在南澳大利亚的海恩斯苗圃,每年用水量达3.5万m3。自从投资7.35万澳元,安装了一套带有ET感应器的自动化喷灌系统后,每年减少用水量达30%,用水效率达83%,年运行费节省2.1万澳元。美国得克萨斯农业技术推广站将他们的棉花地由沟灌改为滴灌和浅耕方式,提高产量27%。在得克萨斯州格兰德河谷一个柚子果园,使用了一套压力补偿式滴灌系统,不但果实质量好,而且比原大水漫灌节水35%～40%。在印度马哈拉施特拉邦一所大学试验地,将甘蔗种植由传统的漫灌改为滴灌,节水达30%～60%。2.3损害了土地被长期生产的物质荒漠化是全球的环境问题,目前有100多个国家、10多亿人口、1/3陆地面积受到荒漠化的威胁。荒漠化肆虐,所生成的沙尘暴,摧毁畜牧业、破坏植被,迫使人类离开家园迁徙到其他地区。所以,尽快遏制荒漠化的扩展已是当务之急。国外相关国家依靠科学技术进步,种植适宜沙区生长的作物、推广生物和机械措施固沙的模式、使用节水灌溉技术与清洁能源,来改造生态环境,并已被国内外的实践经验所证实。阿联酋是个发展中国家,国土绝大部分是沙漠和洼地,可耕地面积只占国土面积的0.15%。沙漠气候使年平均降雨量几乎为零,恶劣的自然条件严重制约了阿联酋农业的发展,食品主要依靠进口。为了生存,政府根据缺水、高温、沙漠化、没有灌溉就没有农业的国情,提出了大力开发水源,向沙漠要耕地的计划。经过多年的艰苦努力,全国共建成35座水库、18个海水淡化厂、4座污水处理厂,使农业灌溉供水量每年达6.25亿m3。政府积极推广以滴灌和喷灌技术相结合的现代化节水灌溉设备,尤其是应用圆形喷灌机来改造沙漠,扩大耕地面积。目前,阿联酋全国自给率蔬菜达60%,饲料达80%,肉类达30%,鲜奶达90%,粮食产量也在逐渐上升。在美国堪萨斯州一家农场45人使用180台圆形喷灌