云南建水县自然资源局云南建水
摘要：本文结合西南山丘区水资源分布特点和灌溉用水特征分析，以集水节灌、蓄水调控技术和循环利用理念为基础，结合梯田建设和农艺措施等，提出山丘区田间微域“集-蓄-灌”一体化高效用水技术，将田间特定区域的集水、蓄水、灌溉三大系统融为一体，通过区域设施的一体化设计，对时空分布不均衡的天然降水进行有效调控，缓解山丘区土地整治中面临的季节性缺水、工程性缺水等灌溉水资源缺乏问题。案例应用证明，该技术的应用大幅提升了田间微域的水分利用效率、改善了农田灌溉条件，强化了山丘区土地整治的效益。
关键字：山丘区；灌溉水资源；设施一体化；循环系统；高效利用
引言
西南地区属典型的多山丘区域，耕地面积2313万公顷，占农用地面积的20%，主要分布于山间盆地、山沟两旁和山区、半山区等地域，总体上地力质量差，生产水平较低。中低产田约占区域农田总面积的75%。坡耕地比重较大（大于15度的坡耕地约占耕地总面积的36%）。区域降雨量丰富，但时空分布不均，导致水土流失、季节性缺水、区域性缺水现象严重，而光热资源充足，水分蒸发量大，农业灌溉、排水等配套设施不足，又导致工程性缺水现象严重，很有必要通过高效用水发展旱农生产。
当前，在高效集蓄利用灌溉水资源方面也有较多尝试，如渠道衬砌防渗、低压管道输水，以及小水窖、小水池、小泵站、小塘坝、小水渠等五小水利工程等等，但多以单项技术为主，并没有形成系统的东西。以集水节灌技术为基础，结合梯田建设和农艺措施等技术的山丘区田间微域“集-蓄-灌”一体化高效用水技术，将集水、蓄水、灌溉三大系统融为一体，是对时空分布不均衡的天然降水进行有效调控，解决季节性缺水、工程性缺水、雨养旱田灌溉水资源缺乏的有效途径之一。
1研究原则与方法
1.1研究原则
（1）节约、集约原则
面对我国水资源短缺、水土资源配置失衡等严峻形势，发展农业生产，必须坚持节约、集约原则，节约、集约水资源、土地资源等各种资源，减少浪费。
（2）系统性原则
田间微域集、蓄、灌一体化高效用水工程技术应形成一个完整体系，各技术之间相互关联、相互补充，使各技术有机融合，满足作物各个生长阶段对用水工程技术的需求。
（3）高效用水原则
农业用水资源短缺，要努力提高用水的效率，实现高效用水，还能显著提高增产效益、节地节能效益、经济效益等。
（4）可持续发展原则
以水土资源承载能力为基础制定农业节水发展目标，合理开发利用水资源，努力做到与人口、资源、生态环境的相互协调，保障水资源可持续利用和农业可持续发展。
（5）因地制宜原则
我国各地自然条件和社会条件差异很大，农业节水发展模式不可能相同，更不能盲目照搬国外模式。在总结当地高效用水经验和找准主要矛盾的基础上，讲求实效，因地制宜的走适合自己的农业节水发展道路。
（6）科学性原则
根据各地的具体情况，科学的统筹规划，合理布局，优化配置，科学施工，科学管理，高效利用，有效保护。
1.2研究方法
（1）系统论方法
农业高效用水技术体系是贯穿农业生产全过程的技术系统，必须坚持系统的整体性、综合性，而系统性又包括下面三个方面：
1）农业生产是一个系统
农业生产是涉及气候、地形、土壤、水源等自然条件和市场需求、交通运输、科技、国家政策、措施、人口和劳动力等社会经济条件，是一个集多因素、多条件的复杂的系统。
2）节水措施是一个系统
节水措施涉及农业用水结构与农业生产布局、资源优化配置、工程节水技术、农艺节水技术、生物节水技术、用水管理节水技术等方面，是一个完整的系统工程。工程节水技术为农艺节水技术、管理节水技术效益的发挥提供了必要的条件，而农艺节水技术、用水管理节水技术又激发了工程节水技术的作用。
3）工程技术措施是一个系统
工程技术措施包括集水、蓄水、灌溉等三大系统，具有较高的技术密集程度，每个环节的技术选择应以系统理论为指导，坚持技术体系的宏观结构优化和微观技术领先，使各技术有机融合，充分发挥工程技术的设定性能。
（2）理论与实际相结合方法
在农田水量平衡原理、降雨-径流理论、高效用水工程技术典型设计等理论的基础上，根据当地具体的地理位置、气候状况等自然条件，社会经济状况等情况和特定的灌溉对象，因地制宜的发展节水农业，选择合适的节水工程技术体系，理论与实际相结合，更好的利用当地水资源，更好的提高农业生产水平。
2工程设计
田间微域集、蓄、灌一体化高效用水工程技术对自然降雨具有较强的时空调节和利用能力，其技术原理是：根据自然地形条件，在田间设计和修建微小型雨水集流工程系统（包括集流面、沉淀池、储水设施等），在雨季时把自然降水汇集和存贮起来，并在作物生长发育需要水分的时候，提供及时的灌溉（如当年秋季集存的雨水，翌年春夏季使用）。
2.1典型设计图
图1田间微域集-蓄-灌一体化高效用水工程技术的典型设计图
2.2组成及施工
田间微域集、蓄、灌一体化高效用水工程技术一般由集水、蓄水、灌溉三大系统组成。
2.2.1集水系统
包括集流面、沉淀池、截（汇）流沟、输水管路等。
集流面包括梯田田间集流面、混凝土路面集流面、未利用地或暂未利用地塑料薄膜防渗集流面，分别汇集各级梯田、路面和未利用地或暂未利用地的径流。沉沙池包括连环水窖群的沉沙池和高位水池群的沉沙池，在连环水窖群和高位水池群进水口的前端分别修建一定规格的沉沙池，并在水窖和水池的进水口设置拦污栅。截（汇）流沟修建在各集流面径流较大而有冲刷可能的区域，拦截径流、汇集径流，使径流流向输水管路或直接流向蓄水系统。输水管路包括水池与水窖之间的输水管路、水窖与水窖之间的连环输水管路、各集流面与水窖之间的输水管路。
路面为混凝土路面，路面坡降i=1/500-1/1000，路面修建为两边高中间低的弧形路面，两边比中间低洼处高5cm，包括2-3cm的安全超高，路面中间形成集流面，并在路面上修建小型引水沟，分别连接至较近的水窖，雨水通过小引水沟送入沉沙池中进行沉淀，进而送入水窖中储存，集蓄来自路面的降水径流。小引水沟设置的间距根据路面坡度、引水沟入口大小、降水保证率等因素确定。
2.2.2蓄水系统
包括连环水窖群、高位水池群等。
连环水窖群按高差落势、水窖水量控制灌溉面积等因素确定修建，水窖包括进水口、窖体、出水口、进出口控制闸和水窖盖板等。高位水池群修建于地势较高的地方，水池主要由进水口、池体、出水口、进出口控制闸和水池安全防护网等组成。
（1）水窖储水技术
在梯田的各层修建连环水窖群，将梯田、路面等上的超渗产流的降水集蓄在窖内，干旱时进行补灌，提高窖内雨水利用效率。调蓄水窖具有调蓄作用，保证进入管道的含沙量不会产生管道淤积；连环水窖的容积根据灌溉期水源可供流量、降水保证率、灌溉周期、控制灌溉面积、灌水定额、日供水时间、日田间灌溉时间等，经调节平衡计算确定，要求水量在时空上满足补灌用水量的要求。水窖为混凝土盖碗窖，配套的净化设施有沉沙池、拦污栅及进出水管和溢洪管等。水窖修建个数按地形坡度、降水保证率、水窖控制灌溉面积等实际情况而定。尽量使窖低底满足一定的高程要求，使灌溉地块与窖底存在一定高差，满足自流灌溉或各种灌水方式下的压力要求，以减少能耗。
（2）水池储水技术
在坡地较高的合适位置修建配套的高位水池群，接纳雨水，拦蓄地表径流，作为灌溉水源，利用山坡地的自然落差，对连环水窖群进行水量补充或直接配以灌溉设备进行滴灌。水池为混凝土水池，容积根据控制灌溉面积、灌水周期、日灌溉时间、灌溉定额、水源管道供水流量、日最大拉水量等确定。一般在每个丘陵山上修建1-2个水池，并用暗管将水池与蓄水水窖相连，方便控制管理的同时，又可减少水量输水渗漏损失。
2.2.3灌溉系统
包括（软管）滴灌、轻小型移动喷灌等节水灌溉。
灌溉输水方式采用高差自压流灌溉和动力提灌相结合的方式。
滴灌系统由首部枢纽、输水管道和滴头等部分组成。首部枢纽包括水泵、化肥施加器，过滤器等．输水管道由支管和毛管组成。软管采用经久耐用、耐腐蚀、耐磨损、轻便的软管。滴头多采用聚氯乙烯和聚乙烯材料。轻小型移动喷灌系统首部枢纽、输水管道和喷头等部分组成，组成类似于滴灌系统。
（1）软管滴灌技术
软管滴灌是按照作物需水要求、通过低压管道系统与安装在末级管道上的特制滴头，将水和作物所需的养分以较小的流量均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中的灌水方法。高位水池群和连环水窖群都连接管道系统，并通过管道系统连接末级软管，利用坡地的自然落差进行滴灌。
（2）轻小型移动喷灌技术
喷灌是利用一套专门设备将各个水加高压（或利用地形高差自压），并通过官网输水至喷头，喷射到空中，分散成细小水滴，降落到田间，而后渗入到土壤内的灌溉方法。轻小型移动喷灌系统的水泵、动力设备、输水管道和喷头等可以拆装移动，通过灌溉桩与水窖相连，根据田块作物需要，实行移动灌溉。
3实例应用
3.1研究区自然概况
研究区以云南省红河州建水县南庄镇南庄铺等4个村土地整理项目为依托。区域位于红河中游北岸，属南亚热带季风气候，年降雨量为650～850mm，年平均降雨量805毫米，降雨集中在5～10月，降雨量为全年的81.6％。项目区位于南庄镇南边，选取西片坡地为典型研究区域，地理位置为东经102°47′55″～102°50′16″，北纬：23°40′42″～23°44′37″。其海拔高度在1330～1460米之间，总体地貌类型为平原，地形趋势为北高南低，地形坡度在0°～8°之间，地形地势起伏较平缓，坡度均匀，地块整体上完整连片。
3.2方案设计
要高效利用降水，首先要了解、掌握相关区域的降水特征和规律，然后根据相应的特征和规律，进行方案设计。根据云南省红河州建水县南庄镇南庄铺等4个村土地整理项目的相关资料和实际调查的数据，布设田间微域“集-蓄-灌”一体化高效用水工程。项目区规划后耕地面积为1000.5791公顷，研究所在的微型区域耕地面积为76.4119公顷，主要种植作物为水稻、小麦、玉米。根据水文气象、水土资源、作物组成、灌区规模、灌水方法和经济效益等因素确定灌溉设计保证率取80%。
3.2.2集雨路面修建
将坡面田间道路横断面设计成为中间低两边高的形态，坡比1%-3%，路面宽3-4米。在不影响道路正常通行的情况下，利用其面层的凹形态规范降水时的水流途径，将水汇集后集蓄到系统中连接的水窖等蓄水设施中。项目区西北山丘处共设置4条集水路面，控制本研究所在微型区域的整个坡面。
3.2.3水池修建
水池布设在项目区西北山丘，水池采用圆形钢筋混凝土结构，容积1000立方米，直径18.7米,深4米；池内设钢爬梯，池顶加盖。阀门井采用矩形砖砌结构型式。
3.2.4水窖修建
水窖采用典型水窖模式，水窖设计容量20立方米，窖体采用C20砼浇筑。出水口处设拦污栅，采用DN75管与水窖连接。水窖间距大致为30米，共修建18座水窖。
3.2.5灌溉系统
项目采用PE63级聚乙烯管道输水灌溉，输水管道设支管、毛管二级，在项目区内地势较高处布置蓄水池蓄水，支管由项目区外跃进水库主干渠取水引致项目区内蓄水池；毛管由水池取水，向蓄水池或向田块供水灌溉。在灌溉末段铺设滴灌软管，基本平行等高线布置，延伸到各个田块，使整个灌溉系统呈网状覆盖整个项目区，形成田间自流灌溉体系，农渠末端接排水沟或集流面汇集下端蓄水设施或沿原有河道排泄多余水量。农渠间距主要依据地形设置，农渠间距大致为200米。
3.3数据分析
根据P=75%和P=90%的灌溉用水定额，采用内插法计算出P=80%的灌溉用水定额：
中稻：8400m3/公顷（560m3/亩）；
玉米：2400m3/公顷（160m3/亩）；
小麦：3250m3/公顷（217m3/亩）；
根据农田灌溉需水量计算，最大净灌水率为1.51立方米/（秒·万亩），研究所在的微型区域每年毛灌溉需水量47.22万立方米，紧靠项目区所建引水设施集中供水不能满足需求，需要大量拦截降水作为补充水源。
工程设计系统2013年3月竣工投入使用，直至目前已发挥效益，分析安装的小型农业气象站收集的数据及现场观察实测得到的数据，研究区域该时间段内的降水量为826mm（最大单点暴雨4mm/h），总降水量63.12万立方米，按径流系数0.47计算，可产生净流量为29.66万立方米。经综合拦截后，微型区域出口过水量（即径流外出量）实测值为4.29万立方米，入渗和拦截水量达到了25.37万立方米，约占总降水量的85.54%，降水利用效率较高，效益明显。
4结语
本文通过集成设计，分析了农业灌溉水资源的高效拦截利用，具有农民易于掌握，投资少、见效快，工程量小，便于推广，有利于维持大范围和小范围的水分平衡等特点，其本身运用的灵活性也较为优越。
（1）本文从工程技术角度设计了一种以集雨、蓄水、节灌为核心的田间微域集、蓄、灌一体化高效用水工程技术系统，通过雨水的收集、贮存、时空调控利用，使严重缺水的地区有了发展农业生产的基础，解决了半干旱区降水少、变率大、有效性差，与作物间供需错位的矛盾，显著提高了作物生产力和水分利用效率，达到稳产高产，提高雨水利用效率的目的，对保证粮食安全具有重要意义。
（2）通过实例应用，田间微域集、蓄、灌一体化高效用水工程技术系统能有效的进行集水、蓄水、节水灌溉，有效的缓解了降水时空分布不均衡，灌溉水资源缺乏的问题，控制水土流失，社会、生态、经济效益明显，具有良好的推广价值。
（3）田间微域集、蓄、灌一体化高效用水工程技术，可形成一定区域特色的农业集水高效利用模式，具有广阔的前景。随着土地整治技术的科技进步，可以将生物、信息、计算机、新材料等高新技术融入农业用水技术，提升农业高效用水技术的科技含量，建立适合区域特征的农业高效用水工程技术体系。