农田水利规划设计与灌溉技术措施

前言

在当前全球气候变化和人口增长的背景下，保障农业可持续发展已成为各国面临的重要任务。我国作为农业大国，必须采取有效措施，提高水资源的利用效率，确保粮食安全。因此，推动农田水利工程的创新与升级，不仅是技术上的需求，更是生态环境保护和社会经济发展的迫切需要。在此背景下，我国亟需加快农田水利工程的技术革新，包括智能化灌溉系统的引入、雨水收集与利用技术的推广，以及节水型农业的普及。科技的进步为我们提供了前所未有的机遇，通过大数据分析、物联网技术和无人机监测等手段，我们能够实时掌握土壤湿度和作物生长状态，从而制定精准的灌溉方案。

1 农田水利工程规划设计方法

1.1 规划设计流程与核心步骤

1.1.1 基础数据调查与分析

水文气象数据：收集区域降水量、蒸发量、径流量、多年平均干旱频率等，明确水资源总量与时空分布特征。

土壤与地形数据：通过土壤采样分析质地、肥力、盐碱化程度；利用GIS 技术绘制地形高程图，识别坡度、坡向与低洼区。

作物需水规律：根据种植结构（如小麦、水稻、果树）与生育期需水要求，制定灌溉制度（灌水时间、次数、定额）。

1.1.2 需求评估与目标设定

灌溉需水量计算：采用作物系数法（Kc）或彭曼公式（FAO-56）计算参考蒸发蒸腾量（ET₀），结合种植面积与复种指数确定总需水量。

生态保护目标：设定地下水位控制阈值（如盐碱区≤1.5m）、水质标准（如农田灌溉水标准GB5084-2021）与生物多样性保护红线。

1.1.3 方案比选与优化

多水源联合调度：建立地表水-地下水-雨水联用模型，通过线性规划或遗传算法优化不同水源的配比与使用顺序。

技术经济评价：对比渠道防渗、管道输水、滴灌喷灌等技术的初期投资、运行成本与节水效益，筛选最优方案。

1.1.4 动态调整与监测反馈

实时监测系统：在灌区部署土壤湿度、气象、水位传感器，结合无人机遥感与GIS 技术，动态评估灌溉效果与生态影响。

适应性管理：根据监测数据调整灌溉制度（如干旱年份增加灌溉量）、优化取水方案（如限制地下水开采量）。

1.2 关键技术方法与实施要点

1.2.1 水源工程与取水设计方法

地下水提取：

打井选址：基于地质勘探与含水层分布图，选择富水性好的区域（如冲积扇、河谷阶地）。

开采量控制：采用数值模拟（如MODFLOW）预测水位下降速率，设定开采上限（如≤年补给量的 70% ）。

地表水取用：

泵站与渠道设计：根据引水流量与扬程选择水泵类型（离心泵、轴流泵），渠道断面按明渠均匀流公式（曼宁公式）计算。

水质保障：在取水口设置拦污栅、沉沙池，定期监测水质（如 COD、BOD、重金属含量）。

雨水收集利用：

集雨面设计：屋顶集雨效率按 80%-90% 计算，道路与田埂集雨需设置导流槽与过滤网。

蓄水池容量：基于多年平均降雨量与灌溉需水量，采用容积法计算（ V=a×A×P ，α 为径流系数，A 为集雨面积，P 为降雨量）。

1.2.2 输配水系统优化方法

渠道防渗与管道化：

防渗材料选择：混凝土防渗适用于大中型渠道（成本低、耐久性好），土工膜防渗适用于小型渠道（施工灵活、防渗率高）。

管道水力计算：根据流量与压力损失选择管径（达西公式），经济管径按最小年费用法确定。

智能化控制：

传感器布局：在干管、支管与田间设置电磁阀、流量计与土壤湿度传感器，间距按50-100m 布置。

自动化调控：基于模糊控制或神经网络算法，实现灌溉量与灌溉时间

的实时优化。

1.2.3 田间灌溉工程布局方法

畦灌与沟灌改良：

激光平地技术：通过激光接收器与液压系统控制平地机，将田面高差控制在±2cm 以内，提高灌水均匀性。

波涌灌溉参数：设定循环率（灌水时间与间歇时间比）为 1:3-1:5，减少深层渗漏与地表径流。

微灌与喷灌系统：

滴灌带布置：果树滴灌间距按树冠半径的 70% 布置，滴头流量 2⋅4L/h ，压力 0.1-0.2MPa。

喷灌机选型：中心支轴式喷灌机适用于圆形地块，平移式喷灌机适用于矩形地块，喷头组合间距按喷洒半径的1.2 倍设置。

1.2.4 排水与盐碱化防治方法

明沟排水设计：

排水沟间距：根据土壤透水性与地下水位要求，按经验公式（ (L=K×H/q ，K 为渗透系数，H 为地下水位降幅，q 为排水强度）计算。

沟深与坡度：主排水沟深度 ，坡度 20.1% ，确保排水畅通。

暗管排水设计：

管材与埋深：选用带孔PVC 管或波纹管，埋深 0.8–1.2m ，间距 8-15m ，坡度 20.2% 。

淋洗技术：结合暗管排水，在灌溉期增加淋洗水量（如每次灌溉量的20% ），降低土壤盐分。

2 高效灌溉技术措施

2.1 渠道防渗与管道输水技术

渠道防渗：采用混凝土、塑料薄膜或土工膜防渗，减少输水损失（防渗率可达 90% 以上）。

低压管道输水：通过 PVC 或 PE 管道替代明渠，降低蒸发与渗漏，适用于井灌区与小型灌区。

2.2 地面灌溉改良技术

激光平地技术：利用激光控制平地机，将田面高差控制在 ±2cm 以内，提高畦灌或沟灌均匀性。

波涌灌溉：通过间歇性供水，减少深层渗漏，提高灌溉效率（节水15%-30% ）。

2.3 微灌与喷灌技术

滴灌：通过毛管与滴头将水直接输送至作物根部，节水 50% 以上，适用于果树、蔬菜与经济作物。

微喷灌：结合滴灌与喷灌优点，在温室或大棚中实现局部湿润，减少病害传播。

喷灌：采用固定式、半固定式或移动式喷灌机，适应大田作物需求，节水 30‰ 。

2.4 水肥一体化技术

滴灌施肥：将肥料溶解于灌溉水中，通过滴头同步输送至作物根系，提高肥料利用率（达 70% 以上）。

智能控制系统：基于土壤湿度传感器与 EC 值传感器，自动调节灌溉与施肥量，实现精准农业。

2.5 集雨与微咸水利用技术

集雨窖灌：在半干旱区建设水窖或蓄水池，收集雨水用于旱季灌溉，缓解季节性缺水。

微咸水灌溉：通过合理配比微咸水（矿化度 2-3g/L ）与淡水，降低对作物的盐害影响，扩大灌溉水源。

结束语

保证农田水利工程设计的科学性和合理性是农业自动化、现代化、高质量、高效化发展的前提与基础。在农田水利工程设计中应用合理的灌溉技术十分重要，能够与农田水利工程设计相适配，实现有效灌溉、节约用水的目标。

参考文献：

[1]刘国恒.农田水利灌溉工程规划设计与灌溉技术分析[J].农业科技与信息，2022（11）：56-59.

[2]张雪，张松露.新时期农田水利工程灌溉规划设计分析[J].安徽农学通报，2023（2）：139-142.