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序言
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前言
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节水灌溉农业
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（一）节水灌溉发展综述
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试论提高农业用水效率
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1.提高农业用水效率必要性
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1.1 用水效率过低，有潜力可挖
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我国是世界上13个贫水国之一，同时也是水资源浪费大国。我国农业用水量占总用水量的73.4%（若考虑农村生活用水则占81.7%）。当前我国灌溉用水的利用系数只有0.3～0.4，与发达国家0.7～0.9相比，相差0.4～0.5；农作物水分生产率平均1kg/m3左右，与以色列2.32kg/m3相比，相差1倍以上。从GDP用水效益上来看，美国1990年GDP用水效益为10.3美元/m3，1989年日本为32.4美元/m3，我国1995年用水效益为10.7元/m3，只有美国1990年的1/8，日本1989年的1/25（汇率按1995年1.32美元计算），说明我国节水潜力很大。
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1.2 解决16亿人口粮食安全的需要
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所谓的粮食安全是指“保证任何人在任何地方都能得到为了生存和健康所需要的足够食品”，根据有关粮食安全评价，目前我国粮食安全低于美国、加拿大、澳大利亚和法国，高于俄国、日本、印度和世界平均水平。如果考虑我国庞大的人口群和水土资源供给状况，未来我国粮食安全水平同现在相比有可能下降。据预测，在2030年左右，我国人口将达到16亿高峰，届时，需要粮食增长到6.4亿～7.2亿t。为了满足这种粮食需求，灌溉面积需要发展到0.6亿hm2，此时，用水量将从现状的4000亿m3增长到6650亿m3。从目前我国水资源供需状况来看，如此大量的农业水资源供给是不可能的，必须通过节水来实现。据估算，如果科学地发展节水农业，到2030年我国灌溉水的利用系数达到0.65，水分生产率达到1.5kg/m3以上，加上0.67多亿hm2旱地农业增产的潜力，可以基本满足我国未来粮食的安全。
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1.3 生态环境的需要
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农业节水与生态环境密切相关。目前，我国的生态环境从整体上来看，还处于不断恶化阶段，因河流断流而带来的生态环境问题引人注目。黄河是我们的母亲河，由于多年不断的断流，有人将之戏称为“干娘河”。黄河断流不仅对三角洲生态造成重要影响，而且对全流域生态环境产生极大不利影响。如黄河断流导致河道淤积萎缩，增加高水位威胁的风险。解决黄河断流的对策有多种，其中最主要的根本性战略措施是农业节水，提高农业用水效率。目前黄河流域农业用水占总用水量的92%，大约有4/5灌溉水量是大水漫灌，节水灌溉面积仅151.7万hm2，仅占总灌溉面积的20%。另外，西北干旱、半干旱地区降水少，生态环境脆弱，首先应满足生态用水，当前尚未遵循这一原则，农业用水浪费，过量开荒超载放牧，造成沙化面积不断扩大，沙尘暴增加，需要大面退耕还林还草，耕地减少需要提高单产，因此，只有不断提高农业用水效率才能有效地解决生态环境用水问题。
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1.4 工农业发展的需要
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1972—1993年，我国工业和城市生活用水量从19.1亿m3增加到1403亿m3，净增加了1384亿m3。近30年来，工业和生活用水基本上引自于农村或灌溉水源地，其中相当一部分是农业节水的支持。在全国范围出现干旱，农业用水源大量支持工业和城市建设的条件下，粮食总产量由1970年2400亿kg增至1996年4900亿kg，增加了1倍多，这充分地说明了我国农业用水效率的提高和农业综合能力的增长，在21世纪我国将成为世界中等发达国家，为了工农业的进一步发展，必需进一步提高工业和农业的用水效率。
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2.提高农业用水效率需要变革
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2.1 转变水资源供需观念，由供水管理演变为需水管理
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传统的水资源管理可以统称为供水管理，其主要的特征是根据工农业用水需求，建立大中型水利工程来实现水资源供需平衡，它为缓解甚至彻底解决水资源供需矛盾发挥了重要作用。随着水利工程不断兴建，工程难度愈来愈大，成本也不断增加，而且随着径流开发加大，带来了系列的生态环境问题，水资源供需矛盾也不断加剧，完全依靠增加工程解决水资源问题已经成为不可能，运用综合手段缓解水资源供需矛盾成为一种必然。供水管理的最大缺陷是忽略了用水者节水的可能性，它将水资源供需矛盾的解决，寄托在水源供给上，其结果是水资源浪费的增加和低效。必须改变供水管理为需水管理。所谓的水资源需水管理，就是综合运用行政的、法律的和经济的手段来规范水资源开发利用中的人类行为，从而实现对有限水资源优化配置和合理利用，它强调把水资源作为一种稀缺的经济资源，对水资源的优化利用，应着眼于现存的水资源供给，而不是自发的向新的供水能力投资以满足未来的水的需求。在今后相当长的一段时间内，农业水资源供给量不可能增加，我们必须依靠现在的4000亿m3左右水实现农业的可持续发展，通过需水管理是实现这一目标的关键所在。
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2.2 改变单项技术为综合技术
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提高农业用水效率决非一项或几项工程措施所能实现，而要形成一套节水农业技术体系。首先是充分利用当地水资源，包括降水、地表水、地下水、土壤水和劣质水资源化。在此基础上引水、调水。在工程措施方面，前两年给人以误导，以为节水农业就是喷灌滴灌。现在国家将节水的重点，放在以节水为中心的大中型灌区改造上是正确的，但有的灌区把渠道防渗视为节水的惟一措施，各级渠道防渗到底，不但投资巨大，水的有效利用系数不高，如7级渠道水的利用系数达到0.9，也不过只有0.48，若为0.95也就是0.7。大中型灌区改造应以骨干渠道防渗、井渠结合，渠系配套和平整土地为节水灌溉的基础，再加上灌溉技术的改进，提高水的利用率。在农艺措施方面，首先是结合当地自然、资源和经济条件，进行农业生产结构的调整，推行节水灌溉制度和节水栽培措施，减少农作物蒸发蒸腾，增加产量，提高水的利用效率。在节水管理方面，按流域统一管理地表水和地下水，改革管理体制和机制，建立科学的水价政策。山东桓台县是个老井灌区，年降水量550mm，采取以转变耗水观念为突破口，充分利用降水、开发利用土壤水，合理调控地下水，达到采补平衡，农水措施紧密结合实现节水“吨粮县”。在管理上，建立全县、乡、村三级管水体系，加强技术培训，3年（1997—2000）来办班1035期次培训班，发放节水明白纸28万份，培训25万人次，使当地水的利用系数达到0.9，水的利用效率达到2.0kg/m3，成为我国农业高效用水的典范。
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2.3 提高农业用水效率需要多部门联合
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节水农业是一个系统工程，涉及到众多部门，如农业、水利、科技、气象、城建、环保、宣传、计划和行政等部门，所以，提高用水效率单靠某一部门是难以实现，必然通过有关部门的大力协作来完成。提高农业用水效率就需要农业和水利部门联合，目前，有关部门缺乏有效的合作机制，各自为战，难以形成合力发挥最大效益。所以，我们应该①设立综合协调机构，从组织上为部门的联合创造条件；②按项目管理的办法联合有关部门组织实施；③制订多部门参与的可行的节水农业规划，为多部门联合提供实现的基础；④充分重视发挥地方部门的联合效益，地方是节水的真正主力，只有充分发挥地方各部门的积极性，才能事半功倍。如上所述，桓台县组织水利、农业、农家宣传和乡、村行政部门联合共建节水吨粮县。
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十五届三中全会决定要把推广节水灌溉当作一项革命措施来抓，即将现代化灌溉带动农业现代化，如北京发展喷管13.34万hm2，改变两年三熟为一年两熟，小麦玉米可以平播，减少田埂和渠系，扩大了耕地10%～15%，增产增收，促进了农业现代化。但对小麦后期喷灌易倒状和灌浆不饱满，需要农业部门联合，采用矮秆抗倒伏和灌浆效率高的品种及栽培技术，只有农水部门联合，才能达到节水增产的目的。又如河南唐河县为砂姜黑土，有水不敢灌溉，因渠水灌了，湿黏干裂，农田灌溉研究所帮助发展喷管、滴灌种菜，每公顷产收入120000元，深受群众欢迎，节水灌溉推动了当地农业的发展。
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2.4 提高农业用水效率，需要充分发挥农民的节水积极性
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提高农业用水效率，离不开农民的参与，一切技术和措施最终通过农民的实践来实现，农民是节水提高效率的主体，其行为和素质在某种程度上决定节水效率的提高。因此，建立农民参与管理决策的民主管理机制是节水环节不可缺少的重要因素之一。
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目前，一种新型的经济自立灌排区的水管理机制值得关注和探讨。它是世界银行推荐的水管理体制改革的模式，已在我国江苏、山东、安徽、河南和河北等5省进行了试点，效果较好。所谓的经济自立灌排区，是指在水利界限清晰、相对独立的灌排区上建立的，旨在逐步减少并最终消除对政府财政依赖、按照市场经济体制自主经营、独立核算、经济上自负盈亏、管理与服务相结合的、强调民众参与的、非赢利的经济实体，其主要模式是供水公司+用水者协会。江苏试点表明，自流灌区可节水量3000～4500m3/hm2（无工程投入）或4500～7500m3/hm2（预计有工程投入），安徽畀史杭灌区1997年试点也表明，基本实现了支渠以下的自我管理、自动维修、自主供水、自发交费、按方结算的有效管理机制，充分调动了农户参与管理的积极性，无论是在供水管理、工程管理还是水费计收方面都取得了较好的成绩。
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2.5 提高农业用水效率，需要节水设备和服务产业化
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节水效率的提高，要依靠灌溉工具和设备的提高，就要通过节水灌溉的产业化形式来实现。节水灌溉产业化包括节水设备的产业化和服务产业化。
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目前，我国生产节水灌溉设备企业已初具规模，但从巨大的需求和产品质量来看，尚处于幼龄期，企业小而分散，产品品种单一，质量得不到保证，由于一些节水灌溉设备不过关，造成不少已建节水灌溉工程不能发挥效益，甚至报废，生产国产优质的节水灌溉设备，是提高水资源利用效率的重要环节，我们必须将其当作一件大事来抓，从多角度来促进节水灌溉设备的产业化。从国家角度来看，国家采取有利措施，制订和尽快实施节水灌溉设备产业化计划，同时加强产品质量监控，规范市场行为；从企业的角度来看，实施创名牌的战略，有关企业通过加强联合，在国家有关部门的协调下，组织优势科技力量，创出一批名牌产品和若干龙头企业。
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节水灌溉服务产业化是节水效率提高的另一重要途径，也是节水农业发展的必然趋势。20世纪80年代中后期，我国一些地方出现了以喷灌机为手段的服务专业户，受到农民的欢迎。农民不需购置设备，设备产权明确，由熟练人员操作，设备周转使用率高，减轻了农民繁重的体力劳动，其运行符合市场经济规律，在抗旱节水中发挥重要作用。当前，小型水利设施的管理和经营机制正在改革，对小水源，小渠道，小泵站采取服务合作制、拍卖，承包，租赁等改革方式，我们应充分利用灌区改革的机会，促进节水灌溉服务产业化。服务产业化向综合性的技术转化，包括发展以科、工、贸相结合，产、学、研一体化的服务公司，使之具有咨询、规划、设计、营销与培训相结合为一体的经济实体，通过多种形式的综合性的服务，使节水灌溉服务产业化走上健康之路。
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3.提高农业用水效率的主要技术途径
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3.1 减少无效蒸发
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降低无效蒸发是提高农业用水效率的重要技术途径，具体是减少土壤蒸发和作物奢侈蒸腾。据估算，半干旱区蒸发量占降水量的55%～65%，相当于作物总耗水量的1/4～1/2，所以，减少土壤蒸发成为提高农业用水效率的重要途径。为了减少土壤蒸发，目前比较成熟的技术采用地膜覆盖和秸秆覆盖。实践表明，地膜覆盖不仅具有增温保湿、保墒提墒、改善土壤理化性质的作用，而且可以促进种子萌发，促进作物早出苗、出壮苗且早熟高产。地膜覆盖的作物与不覆盖相比，一般增产20%～50%左右，而且产品的质量也有一定的提高。秸秆覆盖是一种资源丰富、发展前景广阔、效益明显的节水技术，它具有改土培肥、保持水土和增产效果明显的特点，据有关实验，砂壤质和中壤质土连续覆盖后，土壤有机质由0.88%、0.94%逐渐增至1.06%和1.17%，农田冬闲期秸秆覆盖减少土壤蒸发48%，冬小麦夏闲期秸秆覆盖一般增产10%～20%，干旱年份达50%以上，水分利用效率提高0.48～0.85kg/m3。减少奢侈蒸腾在干旱时叶面喷洒黄腐酸可使小麦水分生产率提高15.5%。
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3.2 调整种植结构，开发培育节水高产品种
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由于品种的差异，作物水分利用效率（WUEkg/m3）存在较大的差别，如冬小麦WUE为1.03（山西屯留，1989）、春玉米为1.61（山西屯留，1988），春谷子为0.75（山西屯留，1989）、春小麦为0.45（内蒙古武川，1989）、马铃薯为0.79（内蒙古武川，1987）。有关资料表明，通过调整作物布局，建立适应抗逆型种植制度，一般可使农田整体WUE提高0.15～0.26kg/m3，增产15%～30%。从总的情况来看，玉米等碳4植物比小麦等碳3植物水分利用效率高，根据区域和种植区的实际情况，调整和优化种植结构，对提高农田整体水分利用效率是非常有利的。
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值得说明的是，水分利用效率的提高，并不一定意味着经济效益的提高，在布局调整时，还必须充分考虑市场的调节作用，将水分利用效率和市场有机地结合起来，达到增效增收的目的。
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节水高产品种的培育是提高作物产量的重要途径，培育抗旱增产品种是现代作物育种的一个新方向，也是提高农业用水效率的不可缺的举措。目前已经初步完成了小麦、水稻、玉米等作物品种染色体基因图的绘制，使人类按照自己的意愿实现作物基因的重组成为可能。一些品种没有将抗旱和增产有效地结合起来，出现了抗旱不增产或者增产不抗旱的情况。所以，开发培育节水高产品种，还有一段相当长的路，我们必须利用现代技术，如生物技术、基因工程技术等克隆或者发现抗旱增产基因，为提高水分利用效率作出更大的贡献。
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3.3 节水高产施肥、培肥技术
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“以肥调水”技术是提高水资源利用效率的重要手段。研究结果表明，作物的产量与温度、光照、水分、肥料等因素有密切关系，在其他因素不变的条件下，作物的需水量与肥力相互耦合，呈现出规律性变化关系。表1是不同施肥水平作物产量（Y）及水分利用效率（WUE）。
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表1 不同施肥水平作物产量（Y）及水分利用效率（武川）（kg/hm2，kg/m3）
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从表1可以看出，在一定的阈值范围内，作物的产量与肥料水平呈现正相关关系，水分利用效率却表现出倒U型，最大的WUE值并非出现在超高肥阶段，而是出现在高肥区。尽管不同实验区所得结果略有差异，但所表现出的通过调肥可以获得较高的WUE结论是一致的。
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此实验给我们的启示是，通过调节土壤肥力可以获得较大的WUE。由于在一些地区，特别是干旱或半干旱地区，水分是影响作物生长主导限制因子，因此，可以通过以肥调水，提高农业用水利用效率。各地区应该根据各地的实际情况，寻求以肥调水的最佳方案，在实践中大力提高水资源利用效率。
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3.4 大力推进节水灌溉制度
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节水灌溉制度是农业高效用水的基础，它针对农作物的生理特点，通过灌溉和农艺措施，调节土壤水分，对农作物的生长发育实施促、控结合，以获得最佳经济产量的灌溉方式。
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实践表明，各种农作物不同发育阶段对水分的需求有很大差异，并非全生长期都要求土壤湿润才能稳产高产。一般而言，在作物营养生长盛期和授粉、受精期需水量较多，而在苗期和营养生长结束，生殖生长开始阶段，可以适度水分亏损而不减产。许多旱作物苗期保持较低土壤含水量，可以促进根系深扎，为充分利用土壤水奠定坚实的根基；成熟期为了防止倒伏，保持较低土壤含水量是非常必要的。这是开展节水灌溉的理论基础。此外，节水灌溉具有投入低、见效快、适合我国国情的特点。
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以冬麦为例，如冬前生长旺盛，分蘖已达到产量要求的成穗数，则在春季返青的拔节前期不应灌水，以抑止无效分蘖，减少水分和养分的无效消耗。中国农业科学院农田灌溉所在山西夏县的试验结果表明，冬小麦浇3水（1905m3/hm2）处理，公顷产3846.15kg，浇5水（3300m3/hm2）处理，公顷处理4086kg，仅低5.9%，但节水1395m3/hm2，水分利用效率提高0.24～0.28kg/m3。河北省的试验也说明了类似规律，过去小麦要灌水5～7次，实施节水灌溉以后，现在仅灌2～3次，产量有增无减。近年来许多地方水稻栽培实行“浅湿晒”的灌溉方式，或“控制灌溉”方式，都达到高产省水效果，证明科学的节水灌溉制度是高效用水的基础。
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3.5 积极发展研究农业节水高新技术
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节水农业的发展和效益的提高最终依靠科学进步来实现，特别是高新技术，它代表了节水农业发展方向，是中国农业能够在21世纪跨入世界前列的重要支撑力之一。它包括分子生物学技术、信息技术、精准农业技术、化学节水技术、新材料技术、自动化管理技术、灌溉新技术以及低水耗高产农业的综合技术等。
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以化学节水中黄腐酸（FA）为例，它是一种理想的抗旱剂，它以黄腐酸为主要原料，并配以植物所需的30多种元素生产出的旱地龙，已经在全国推广66.67多万hm2，使用此产品可使作物增产10%～15%，节水20%～30%，投入产出比为1∶15，经济作物则达1∶20以上。依靠科学技术，减少农田蒸发和作物奢侈蒸腾及增加产量，提高农业用水效率是我们长远的奋斗目标。
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4.结束语
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提高农业用水效率是关系到21世纪中国人能否养活、养好16亿人口的重大问题，我们必须站在战略和政治高度认识这个问题。我们的目标是利用农业4000亿m3左右的水，生产出16亿人口所需要的富裕的食物，为了实现这个宏伟的目标，掀起一场提高农业用水效率的革命势在必行。
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参考文献
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[1] 贾大林.农业用水危机与粮食安全对策.农业技术经济，1999（2）
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[2] 贾大林.节水农业是缓解我国21世纪水危机途径.见：陈万金等主编，21世纪中国农业，南昌：江西科技出版社，1998
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[3] 贾大林.节水农业是提高用水有效性的农业.农田水利与小水电.1995（1）
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[4] 姜文来.水资源价值论.北京：科学出版社，1998
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[5] 姜文来.中国21世纪水资源安全对策研究.水科学进展.2000
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[6] 姜文来.农业水资源管理机制研究.农业现代化研究.2000（2）
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[7] 罗其友，姜文来，宫连英，陶陶编著.旱地农业决策基础研究.北京：气象出版社，1999
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[8] 罗其友.21世纪节水农业持续推进的战略思考.农业技术经济.1999（3）
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[9] 罗其友.北方旱区农业资源可持续利用决策模型研究.干旱地区农业研究.1999（1）
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[10] 薛志士，罗其友，宫连英，陶陶编著.节水农业宏观决策基础研究.北京：气象出版社，1998
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[11] 冯国斌，阮本青.黄河流域节水灌溉的探讨.中国水利.1999（5）
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[12] 李应能.我国节水农业发展模式研究.节水灌溉.1998（2）
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[13] 山仑，黄占斌.旱地农业建设途径.中国可持续发展水资源战略研究专题报告.1999年8月
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积极引进国外先进节水灌溉设备与技术推动我国节水灌溉事业快速健康发展
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1.对几次研讨班的回顾
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由水利部农水司举办全国喷灌或节水研讨班，这是第四次。前两次主要研讨喷灌技术，后两次是以节水灌溉技术为研讨主题。第一次于1979年11月20日至12月10日在武汉市召开。参加研讨班的有37个单位的60多位同志，提交了喷灌科学技术论文、译文综述和总结报告共34篇。这次研讨班分7个问题，对喷灌机具、喷灌系统规划设计、推广引进、信息交流等进行研讨，其成果为1980年11月5日至13日水利部召开的全国喷灌调查研究会会议提出了决策依据；第二次于1982年10月21日至11月10日在湖南省邵阳市召开。参加研讨班的有80余名代表，其中有25个单位提交了26份喷灌工程规划实例及技术总结材料，代表们结合这些实例，围绕喷灌系统规划设计指导思想、设计方法、设计参数、管道结构、经济计算等问题，进行了比较深入细致的讨论研究，其成果为编制我国第一部喷灌国家标准《喷灌工程技术规范》（GBJ85—85）和编写第一本《喷灌工程设计手册》打下了基础；第三次于1997年6月10日至10月14日在北京召开。来自全国水利、农业、农机等系统有关科研院所、高等院校、水利水电厅（局）、节水灌溉设备生产厂家和经销公司等39个单位，长期从事节水灌溉工作的50多名专家、教授和科技人员参加了研讨班。研讨班共收到重点专题论文44篇，配合重点专题的典型报告18个，其成果为指导“九五”期间300个节水增产重点县的建设，推动节水灌溉事业健康持续发展，为各地制定节水灌溉技术路线、制定行业标准《节水灌溉技术规范》（SL207—98）提供了科学依据。
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现在第四次研讨班开始了，深信通过大家共同努力，一定会全面、系统地总结好我国引进节水灌溉设备和技术的经验，借鉴和推广国外的先进技术，加快先进设备的国产化步伐，进一步推动我国节水灌溉事业的发展。
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2.我国水利系统引进节水灌溉设备（主要是喷灌设备）的特点
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2.1 引进类别多
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既有设备、机组，也有技术，还有少量生产线。例如，河南省水利厅引进奥地利B82，B90型摇臂式喷头生产线，南京轧钢厂从奥地利引进HK型Φ50、Φ76、Φ89、Φ108、Φ133等直径薄壁钢管及管件生产线，从意大利引进垂直热浸镀锌设备生产线，太原铝厂从奥地利引进薄壁铝管生产线等。
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2.2 引进机型多、引进国家多
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既有管道式喷灌设备，例如早在1974年宁夏水利科学研究所就从原西德佩罗特公司引进了KSKR和GSKR人工移动焊接薄壁钢管；也有喷头，例如原西德佩罗特喷头、美国雨鸟喷头等；还有各种类型喷灌机组，例如从美国引进电动圆形喷灌机，平移式喷灌机，从德国、澳大利亚、南斯拉夫以及法国、意大利与奥地利引进卷管式绞盘喷灌机和从澳大利亚引进钢索牵引绞盘式喷灌机；从南斯拉夫、美国引进滚移式喷灌机以及从南斯拉夫引进转臂式喷灌机。可以说，国外有什么喷灌设备或喷灌机组，我国基本上都引进了样机。
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2.3 引进途径多
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一是在我国举办展览后留下其展品，例如1978年10月在北京举办的十二国农机展览会就留下了一批喷灌机；二是通过和友好国家开展经济科技双边合作引进，例如南斯拉夫将“台风”和“布姆”两种喷灌机援助了我国西部干旱地区，并于1979年6月派专家到甘肃参加运行试验；三是国际组织与我国在干旱区建立示范工程，例如1980年3月国家经贸部与欧洲经济共同体签定协议，由欧洲经济共同体提出358欧洲货币单位援助（相当于429.6万美元），国内配套资金约为560万元，择优引进国外先进灌溉设备，并由欧洲经济共同体派专家来现场指导施工安装；四是各省从地方财政中拨款购买国外先进灌溉设备；五是中国灌排技术开发公司从1985年开始，组织国内有关灌溉设备生产企业使用喷灌设备技术改造贴息、贷款6300多万元，水利部安排外汇额度707万美元，从奥地利引进了具有20世纪80年代国际先进水平的三条生产线，1990年工商银行和农业银行又为节水灌溉设备的技术改造发放了2400万元技术改造贷款，用于12个节水灌溉设备生产企业的技术改造和国外先进技术的引进。
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2.4 引进效果好
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例1.由河南省水利厅机械厂引进的奥地利鲍尔公司喷头生产线，由于选择的水平标准（1984年标准）对头，原材料（锌基铝合金）供应充足，两个型号喷头性能覆盖面广（共16种规格、5个压力档次，其性能相当于我国PY115、PY120、PY130三种喷头），机械化生产线较先进，生产规模恰当（年产喷头12万只），因而在国内市场获得很高评价，占有量居首位，销售形势一直看好。不仅如此，而且在1991年9月，该喷头还参加了巴西农垦区喷灌系统投标。投标前，曾经随机抽检5个样品，送到美国喷头权威检测机构——弗雷斯诺加州大学灌溉技术中心检测，各项性能指标均属上乘，只因当时还不太熟悉投标、招标中的一些技巧、奥妙，才在众多投标者中屈居次席，未能扩大海外影响。
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例2.河北省大曹庄农场20多年来使用大型喷灌机经历了一个引进、发展、巩固和提高的过程。1977年6月从美国凡尔蒙特公司引进7台电动、1台水动圆形喷灌机。其中水动圆形喷灌机因行走速度不可调，于1990年淘汰，其余的圆形喷灌机和以后从国内购买的圆形喷灌机共23台，1999年尚存20台，仍在继续使用。目前采用的作业方式是一台机组负责灌溉一个地块。20年运行证明，具有6个优点。即：节水。比传统畦灌平均节水31%。省工。圆形喷灌机控制面积32hm2左右，灌水10～15次（含除草、除虫、治病和施肥作业等），小麦全生产期平均用工0.1个，而畦灌用工1.2～1.5个，节省了大量农业工人，劳动力转移到第二、三产业，有效地促进了工、副业的发展。省地。由于喷灌机采用管道输水，省去了占地15%的垄沟和畦背，而喷灌机轮辙、中心支座仅占实际控制面积的4%。喷灌比畦灌的土地利用率节省11%。省时。由于喷灌机自动化程度较高，几天内即可完成出苗水灌溉，保证出全苗，苗齐，可比畦灌提前十几天。节省了时间、抢了季节。一机多用。利用其可以实行定额灌溉的特点，可完成施肥、除草、除虫、治病、降温防小麦干热风及麦茬灭火等。增产增收。以小麦为例，喷灌比畦灌增产1200kg/hm2，增收1770元。
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例3.卷管式绞盘喷灌机，是我国目前引进量最大的一种喷灌机。早在1978年10月12国农机展览会，我国就留用了3台机子，随后在1980—1984年青海、内蒙古、山西等地先后又引进了20多台，到1998年随着建设300个农业增产重点县的迫切需要，再次引进2000台。主要集中在新疆（500台）、山东（500台）、辽宁（300台），其余分布在全国各地。在首批绞盘式喷灌机引进后，中国农业机械化科学研究院、内蒙古农牧学院、水利水电科学研究院、广东省水利科学研究所等单位进行了水力性能测试和生产考核。认为其特点是：采用水力驱动，自走行喷，工作稳定可靠，便于入夜连续运行，操作简单，管理方便，效率较高，节省劳力；整机结构紧凑，转移方便，灵活机动，可以喷灌各种形状地块，便于在有树林、电杆等地的农田运行，并能适应起伏不平的地形；喷洒均匀度较高，挡风速度在1m/s，行喷条带宽采用单幅喷洒宽度85%～90%（即相邻喷幅重叠宽10%～15%）时喷洒均匀系数在0.9左右；配套动力可以是电动机、柴油机也可以是拖拉机，水源可以是机井、泵站或通过输水管给水栓供水；构造简单，耗钢材少，每公顷仅30～60kg。
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另一方面，也存在一些缺点。主要是：采用喷头车、单喷头喷洒时，喷洒强度和雨滴直径较大，不利于喷灌黏重土质，幼嫩、软秆作物；要求入机水压较高，常为喷头工作压力的50%～90%，耗能大，运行费用较高；PE输水软管要在地面上拖行，影响使用寿命；机行道要占用一定土地。
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总之，各类喷灌设备、技术以及生产线的引进和应用，为研制和发展我国喷灌机的品种，实现喷灌设备国产化，提供了有益的借鉴，对解决北方部分干旱地区的灌溉问题，起到了一定的示范作用。
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3.对今后引进工作的几点建议
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3.1 坚持有目的地引进
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我国幅员辽阔，气候、地形、作物、土壤均具有多样性。因此，引进必将是多方面的。从我国现有经济体制和使用人素质以及灌溉运行机制出发，最急需引进的还是适合农村适度规模经营的“适用、成套、高效、可靠”的中、小型喷灌设备。这里指出的是，对于电动圆形平移喷灌机，跨长、跨数应视为基本单位。短跨、少跨，可看作中型或小型。在法国生产量的统计，也是以跨数多少作为根据的。
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3.2 坚持引进设备与引进技术并重
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引进设备固然重要，但引进技术确不可少。只有技术配套了，才能充分发挥设备效益。例如，PE管的修补技术，电动圆形喷灌机低压抗拉喷头的配置软件，喷灌设备的先进测试技术以及各种技术标准等。
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3.3 坚持引进、消化、吸收、改革与创新相结合
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引进不是目的，目的在于借鉴国外的先进经验、推进设备国产化，服务于生产。因此，要有组织地对引进设备的性能、适应性和经济效果进行全面考核，在此基础上实行改革和创新，以此为不竭动力，提高我国的喷灌设备的制造水平。
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3.4 继续争取国家给予的优惠政策，解决资金来源，加大引进力度
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目前正在执行的国务院办公室实施的“948”农林水引进计划，每年分配给水利的金额是400万美元。据说2001年后还要延续，这是一个资金不小的途径，应当组织力量摸清情况、进行论证，及时申报。
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3.5 做好引进的前期准备工作，提高引进有效性、避免重复性
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继续组织事业心强、业务精通、外语熟练的专业技术人员出国考察、访问或信息交流，积极参加或在中国举办外国先进节水灌溉设备展览以及与外国人员进行技术交流，及时了解、掌握和跟踪国外节水灌溉设备和技术发展动向，开展先导性、基础性、全局性项目研究，把自身的理论和技术水平推向一个新的高度。
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3.6 规范专业术语，促进国内外学术交流
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无论在引进工作中，还是在国内外技术交流活动中，都要用到许多喷灌技术术语。我国已发布的喷灌术语标准有国家标准《喷灌机械名词术语》（GB6956-86）；行业标准《水利水电工程技术术语标准》（SL26-92）和《农田水利技术术语》（SL56-93）等，要认真执行以上标准，规范行业术语，避免出现微灌、滴灌并列以及臂梁式喷灌机、灌机等错误和不习惯的说法。
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参考文献
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[30] 叶才.国营农场喷灌机械化技术的应用和发展.喷灌技术.1990.4
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国外发展节水灌溉经验简介
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1.农业灌溉用水紧缺状况将进一步加剧
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世界上的淡水资源是有限的，然而对这一有限资源的需求量却在不断地增加。粮食生产在很大程度上依赖于水，城镇生活用水和工业用水量也在不断增加。如图1所示，世界的人口仍将快速增长，为了保障粮食供给，全世界的灌溉面积由1980年的2.07亿hm2增加到1995年的2.55亿hm2，在这15年中增加了20.6%，灌溉用水量增加了29%。灌溉面积还将持续增加，在未来的15年内世界的灌溉面积将增加19%，灌溉用水量需要增加17%。
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图1 世界人口发展趋势
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1995年全世界的工业用水量为7450亿m3，预计在21世纪初期工业用水量可能增加到12000亿m3，约增加62%。由于人口的增加，生活用水量也将有较大的增加，但生活用水量约有60%的部分以污水的形式排放出来。据估计，目前世界上引用的地表水量有69%用于农田灌溉，有23%用于工业，8%用于生活供水。表1列出了15个国家的人均水资源占有量、人均GNP以及灌溉、工业和生活用水所占比例。从表1可以看出，虽然各个国家的水资源状况相差很大，但随着人均GNP的增加，农业灌溉用水量在总用水量中所占的比例呈逐步下降趋势，而工业和生活用水量则呈增加趋势。工业和生活用水量的增加需要依靠农业节水来加以解决。因此，除非实行可持续灌溉农业新政策、依靠和采用科学的灌溉方法和节水灌溉技术降低灌溉用水量，否则世界的大部分地区将面临严重的水危机问题。
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从总的情况来看，世界上的水资源紧缺状况日益严重。但由于各国的自然、经济和环境状况差异很大，所面临的问题和采取的措施也不尽相同。联合国于1997年对世界的水资源进行了综合评估，将世界各国分为4大类，即：
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高收入、水资源不紧缺国家 这类国家面临的主要问题是水污染，但他们有充足的财政资源解决其问题；
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高收入、水资源紧缺国家 这类国家面临的主要问题是过量用水、水污染和地下水超采，但他们也有充足的财政资源解决他们的问题；
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低收入、水资源不紧缺国家 这类国家主要分布于热带，有充足的水资源。但由于降雨量集中在较短的雨季，他们会遭受洪灾，由于贫因不能修建供水设施；
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低收入、水资源紧缺国家 这类国家包括地处非洲和亚洲干旱和半干旱地区的许多国家。这类国家用水量大，他们也无法避免水污染的问题。
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2.现代灌溉面积的发展概况
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现代灌溉包括喷灌、滴灌和微喷等节水灌溉技术。表2列出了16个国家的灌溉状况。这16个国家的灌溉面积占全世界总灌溉面积73.7%，各国水资源、经济和人口等状况差别很大，具有很强的代表性。按照现代灌溉面积占总灌溉面积的比例，将这16个国家分为4组。
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第一组：现代灌溉面积占总灌溉面积的比例在61%～100%之间，包括以色列、德国、奥地利和塞浦路斯4个国家，其中以色列和塞浦路斯为水资源严重紧缺国家。这4个国家的共同特点是人均GNP高、灌溉水价高（0.1～0.19美元/m3），农业劳动力占总人口的比例较低（1.3%～2.3%，只有塞浦路斯为8.2%）。
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第二组：现代灌溉面积占总灌溉面积的比例在31%～60%之间，包括南非、法国和西班牙3个国家。从人均水资源占有量来看，这3个国家既包括水资源严重紧缺的南非，也包括水资源相对紧缺的法国和西班牙，这3个国家的共同特点是人均GNP高（南非为中上等）、农业劳动力占总人口的比例较低（2.0%～4.3%）。
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第三组：现代灌溉面积占总灌溉面积的比例在11%～30%之间，包括美国、埃及和意大利3个国家。从人均水资源占有量来看，这3个国家既包括水资源严重紧缺的埃及，也包括水资源相对紧缺的意大利，以及水资源丰富的美国。埃及的人均GNP为中低水平，美国和意大利的人均GNP都为高水平，灌溉水价比第一组和第二组低，农业劳动力占总人口的比例较低（0.9%～2.5%，埃及为8.2%）。
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第四组：现代灌溉面积占总灌溉面积的比例在0～10%之间，包括中国、土耳其、澳大利亚、印度、韩国和巴基斯坦6个国家。从人均水资源占有量来看，这6个国家中有5个为水资源紧缺的国家，只有澳大利亚为水资源丰富的国家。其中有4个国家人均GNP低，韩国和澳大利亚的人均GNP分别为中上等和高水平。这6个国家的共同特点是灌溉水价很低，其中有4个国家的灌溉水费不是按水量记取，而是按灌溉面积或其他方式收取；农业劳动力占总人口的比例较高（为9.6%～36.5%，只有澳大利亚为2.5%）。
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表1 1995年15个国家灌溉及工业和生活用水比例及人均GNP
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表2 灌溉面积及分类（1995年）
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从上述对比分析可以得出如下结论：
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①影响现代灌溉（喷灌、滴灌、微喷等）面积发展的主要因素有人均水资源占有量、人均GNP、农业劳动力占总人口的比例和灌溉水价格；
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②现代灌溉面积占总灌溉面积比例较大（25%以上）的国家均为经济发达的国家；
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③人均水资源占有量丰富的国家，如美国，也大面积发展现代灌溉，除了节水之外，也是为了节省劳动力、提高灌溉农业效益；
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④经济发展水平低、农业劳动力占人口比例较高的国家，虽然水资源紧缺问题非常严重，但现代灌溉面积所占的比例都很低（1.9%以下）；
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⑤灌溉水价是影响发展现代灌溉面积非常重要的因素。
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从这16个国家的现代灌溉面积统计可以看出，喷灌技术的应用范围，远大于滴灌技术的应用范围（以色列除外）。从全世界总的情况来看，喷灌的面积为滴灌面积的10倍。现代灌溉方法可持续地减少灌溉用水量，小于5000m3/hm2，而传统的灌溉方法农田灌溉用水量为10000m3/hm2以上。
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3.节水灌溉的发展模式
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3.1 以色列模式
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以色列是一个水资源严重紧缺的国家，人均水资源占有量只有365m3。1997年以色列的淡水供水量为16.2亿m3，另外，有2.75亿m3城镇污水、1.25亿m3微咸水、0.1亿m3淡化海水得以利用。预计污水再利用量将每年增加10%，海水淡化量每年增加5%。为了利用好有限的水资源，以色列采取了明智的措施，制定并严格地执行有关政策。
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以色列的灌溉面积为22万hm2，农业用水量为12.58亿m3，占总供水量的62%。为了提高灌溉水效率，所有的灌溉农田都采用了喷灌和滴灌现代灌溉技术和自动控制技术，使灌溉水平均利用率达到90%。以色列的滴灌面积占其全部灌溉面积的2/3。为提高灌溉水利用率采取的其他措施还有：水量计量、水价政策、灌溉过程的计算机管理和遥控、水肥同步施用（fertigation）。这些措施使单位面积的平均灌溉水量由1975年的8700m3/hm2降为1995年的5500m3/hm2，同时在农业总用水量不增加的情况下农业产出增长了12倍。
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由国家供水公司计算的平均供水成本为31美分/m3，不同的用户水价也各不相同。国家为供水提供一定的补贴，但补贴比例在逐渐降低。在国家供水公司重组后，水价逐渐增力口，国家对供水的补贴已由1992年占成本的50%降低为1996年的20%。近年来推广的灌溉水分段计价的办法使灌溉水量节省10%～15%。灌溉水价如表3所列。
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以色列以每年人均不足300m3的供水量而成为一个富裕国家，人均GNP达到14400美元，维持了相当高的生活水平。这依赖于以色列所采用的管理体制、法规、经济和技术等综合措施，对水的需求进行管理，提高农业和工业用水效率，重复利用其有限的水资源。以色列以仅仅5500m3/hm2的灌溉用水量在干旱地区获得了成功的灌溉农业，实现92%的农产品自给。但是，从经济的角度来看，占总用水量62%的农业部门对国内生产总值的贡献率仅为2%。因此，以色列的农业生产发展也到了一个转折点，农业向更先进的生产方式转变，提高农业与工业和其他经济部门竞争可供水量的能力。将对农业生产结构进行调整，现正在对新的农业结构进行研究，使农业具备：
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与其他经济部门竞争水量的能力；
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作物经济价值高、用水量少；
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与进口的农产品相比有竞争能力。
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表3 以色列灌溉水分段计价标准（1996年）
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3.2 法国模式
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法国的水资源总量为1010亿m3，人均水资源占有量为3300m3。目前利用的水量为114亿m3，人均年引水量665m3，另有36亿m3城镇生活污水和40亿m3工业废水得以再利用。农业用水量为24亿m3，占总供水量的21%。虽然法国的水资源较为丰富，但时空分布及其不均匀，在地域和时域上存在水资源紧缺的问题，法国的南部水资源比较紧缺。法国采取了许多措施，以提高需水量管理水平，尽最大可能平等地对待每个农场；提高水的利用效率；改善农业耕作方法，尽量减少对自然环境的影响。
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法国水管理的特点是由国家、流域管理委员会、水协会和地方水管理公司共同参与管理。为了管理好水务，近年来法国修改了水法和农业法两部法规。水法强调了水资源（包括地表水、地下水等）统一性，建立了以流域为单位的水资源管理体系。法国6个流域有关水政策的制定是由参加流域管理委员会的所有用户的代表（包括政治家、农民、工业、环境部门、消费协会和国家的代表）共同协商确定。水法还强调了水是公共资源，因此，必须采取综合和平衡的管理措施协调用水户的需求和环境保护需求。农业的政策框架基于欧盟的农业政策（CAP），这一政策限定了每个成员国的农业发展及灌溉需水量。
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法国建立了良好的灌溉设施，有完善的灌溉服务体系和管理体制。在现有238万hm2灌溉面积中，111万hm2为现代灌溉面积，占总灌溉面积的47%。现代灌溉面积以喷灌为主，有喷灌面积89万hm2，占现代灌溉面积的80%。平均灌溉水价为0.15美元/m3。
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法国灌溉用水管理模式分为三种，分别为协作管理、区域开发公司管理和单个灌溉工程管理模式。
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协作管理模式 是由参加用水户协会的农场主和其他用户共同拥有和使用灌溉设备，协会负责需集体开展的工作、统一管理设备和维护工程设施。协会的平均规模是每个协会有75个成员和250hm2灌溉农田。协作管理模式在法国南部得到了大面积推广应用，有1/3灌溉农田采用了这种管理模式。协作管理模式的成功归功于协会内成员之间的紧密联系，农民负责履行协会集体作出的决定，水费收取和管理到位。水费至少可以支付运行和维护费用，有时还可以支付部分工程建设投资。
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区域开发公司管理模式 区域开发公司是为开发法国南部而成立的，法国现有5个区域开发公司，其中3个公司直接管理了27.5万hm2灌溉农田的设备，并为由用水协会和单个农场管理的9万hm2灌溉农田供水。区域开发公司的运行管理规则是：平等（所有用水户平等）、高质量（以与用户签订合同的方式确定服务）、可持续发展（经常维护和完善工程设施）、透明和负责（农民选举代表参加区域开发公司管理委员会）。
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单个灌溉工程管理模式 用于农户依靠建立在自己的农场内的水库或地下水为灌溉水源，或直接从河流引水灌溉的情形。法国有120万hm2灌溉农田采用这种管理模式，可见它是法国主要的灌溉管理模式。这种管理模式的问题是如何搞好多个用水户的整体供水管理，特别是在夏季，作物的需水量达到最高峰，而同时地表河流也正处在枯水期。为了保护水环境，需要计划和控制对地下水的开采和从河流的引水量。因此，单个灌溉工程管理模式在20世纪80年代受到了严重的挑战，特别是在法国西南部这样严重缺水的地区。为了解决这些问题，需探索新的方法，如统一管理水资源，并配合采取经济手段（如限量供水，提高水费等）。
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3.3 美国模式
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美国的灌溉面积为1999万hm2，其中1111万hm2为沟灌，占灌溉面积的55.6%，喷灌和滴灌面积占灌溉面积的27%，地下灌溉技术也得到了应用。美国有很好的现代灌溉技术研究和开发支撑条件，有许多研究中心，这些中心经常深入农场与用水户保持密切联系，技术推广不但速度快且面也很广，现代灌溉面积发展速度很快。美国垦务局和其他机构遍布美国各地，根据当地的气候和水源条件为灌溉农业提供良好的技术支持。美国的灌溉水价基于平均成本价，水价不但包括运行和管理成本，也包括政府为保护水资源而附加的费用，按用水量收取水费。为了促进现代灌溉农业技术的应用，美国引入了如下几项措施。
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研究将用虹吸管引水灌溉的灌区改为喷灌、滴灌等现代灌溉的限制条件。研究发现，为初次购买喷灌设备的用户提供低息软贷款，并进行支持性的示范，可促进现代灌溉技术的应用。
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美国垦务局将自动控制技术用于灌区配水调度，配水效率可由过去的80%增加到96%。
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在加州开展的为期10年的非充分灌溉研究示范表明，非充分灌溉可使单位水量的产出提高，而单位面积土地的产出降低了。研究发现，在考虑所有投入后，应用非充分灌溉农场的净收入比较低，但他们所使用单位水量的收益较高。对于那些可供水量有限的地区，推广应用非充分灌溉是一项有益的长期战略。
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开展了为期5年的城镇生活污水灌溉研究。在灌溉前，生活污水用过滤、沉淀等办法处理。研究发现，用处理后的生活污水灌溉的作物与用井水灌溉的作物，在长势和品质上没有明显区别，也没有发现土壤和地下水产生退化。用处理后的生活污水灌溉食用作物的风险在可承受的范围内。
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进行灌溉农业结构调整，将灌溉农业由水资源紧缺的地区转移到水资源丰富的地区。在20世纪80年代美国有85%的灌溉面积在西部，15%在东部；而在20世纪90年代有77%的灌溉面积在西部，23%在东部。
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4.结束语
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发展节水灌溉的目的是提高农业用水利用率和效益，这既依赖于现代灌溉技术研究、成果转化、产业化生产、推广应用和技术培训等环节，也涉及到水土资源的合理利用、农业种植结构的调整、用水管理体制的改革、水价政策的制定和生态环境保护等领域。微咸水、咸水和海水的利用以及生活和工业废水的再利用也是解决农业灌溉缺水的重要途径。节水灌溉事业发达的国家都是根据各自的国情，综合考虑社会、经济、资源、环境和技术因素，采取适合本国特点的农业高效灌溉措施。
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我国发展节水灌溉应当借鉴国外先进经验，利用适当的管理体制、经济政策将节水灌溉带给国家、地方和农民的利益及相应的责任有机地结合起来，利用现代技术将流域、灌区和田间的管理、工程和农艺节水措施很好地结合起来，使我国的节水灌溉事业获得可持续发展，取得更好的节水效果、更大的经济效益、社会效益和环境效益。
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参考文献
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[1] Dr.M.A Chitale，The Watsave Scenario，International Commission on Irrigation and Drainage，December 1997
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[2] David Seckler，World Water Demand and Supply，1990 to 2025：Scenarios and Issues，International Water Management Institute，Research Report 19
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[3] ICID Strategy for Implementing Sector Vision，Water for Food and Rural Development，International Commission on Irrigation and Drainage.March 2000
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浅论我国喷灌设备技术创新
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1.我国喷灌设备研制和生产回顾
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1.1 喷头
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摇臂式喷头是我国生产批量最大、应用最广的喷灌设备。20世纪80年代最主要的摇臂式喷头有PY1系列、PY2系列和PYS系列喷头。PY1系列是金属摇臂式喷头，有不同进水口径的5个型号喷头；PY2系列喷头也是金属摇臂式喷头，有不同进水口径的6个型号，因喷嘴数目和喷射仰角的不同又分为48种变型，每种变型可配5～10种不同口径的喷嘴，每种喷头又可适用于4～5种压力级差，这样该系列就具有1060种不同的水力性能；PYS系列是塑料摇臂式喷头，有2种口径共4种型号。另有一种全射流喷头，是我国特有喷头，但因水力性能不够稳定，没有得到推广。20世纪90年代以来，以ZY系列金属摇臂式喷头为主，共有ZY1和ZY2两种型号。
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1.2 喷灌管材及管件
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我国常用的喷灌固定（地埋）管材有石棉水泥管、聚氯乙烯（PVC）管和聚乙烯（PE）管、预应力和自应力钢筋混凝土管、铸铁管、钢管。常用的喷灌移动管材有麻布水龙带、锦塑管和维塑管等软管；胶管、高压聚乙烯管、筋塑管等半软管；硬塑料管、薄壁铝管和镀锌薄壁钢管等硬管。当前使用最广泛的地埋管材是聚氯乙烯管和聚乙烯管，地面移动管材是薄壁铝管，我国均能大批生产供应市场。喷灌管道附件包括阀门、压力与流量调节器、安全保护装置等控制件和弯头、三通、四通、异位管和堵头等连接件两大类。我国喷灌管道附件除薄壁铝管附件属专门生产外，大多数是借用现有市场出售的管道附件。
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1.3 喷灌泵
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喷灌专用泵按结构型式分为自吸离心泵（BPZ型）和普通离心泵（BP型）两种，自吸泵按水气混合的位置又分为内混式和外混式两种。我国目前生产的BPZ型泵有8种，BP型泵有两种。我国的喷灌专用泵一般是与喷灌机配套生产，年产能力达20万台左右。
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1.4 喷灌机
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常用的喷灌机可分为单喷头喷灌机、人工移管式喷灌机、绞盘式、双悬臂式、纵拖式、滚移式、中心支轴式和平移式喷灌机。单喷头喷灌机和人工移管式喷灌机是我国目前生产量最大、应用最广泛的喷灌机。绞盘式喷灌机最近国内已有不少厂家生产。双悬臂式、纵拖式、滚移式、中心支轴式和平移式喷灌机我国都能制造，除中心支轴式和平移式喷灌机有小批量生产供应市场外，其他喷灌机应用得很少。
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1.5 自动调压泵站
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又称恒压泵站，由水泵机组、调压罐、压气供应系统、压力水位传感器、水泵运行程序控制器组成。可根据灌区不断变化的实际灌溉用水量，自动调节泵站内泵的运行台数，使泵站供水量始终与实际喷水量相适应，因此具有节能、节水、管道设备不易破坏和喷洒质量好等优点。目前在此基础上，又研制生产变频调压泵站，体积更小且投资低。调压喷灌泵站国内应用得还不普遍。
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2.我国喷灌设备研制与生产存在的主要问题
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2.1 质量不稳定，性能较差，品种较少，与国际先进水平还有较大差距
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喷头转动不均匀，轴套易磨损，弹簧易损坏，扇形转动机构耐久性差，缺少节能低仰角喷头品种；镀锌薄壁钢管镀锌技术不过关，移动管道快速接头密封性差，漏水严重，球形挂勾易损坏；流量、压力调节阀品种少且不过关；喷灌泵站的自动调压系统规格型号少，系列化程度低；大型喷灌机转动驱动部分漏水较严重，小型喷灌机效率低，性能不够稳定；喷灌用地埋塑料管的接头和管件不规范，配套性差。
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2.2 喷灌设备生产企业生产规模小而分散，缺乏产业化能力
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目前我国已有的上百家喷灌设备生产企业，大多数是由原来的乡镇企业发展起来的，规模小而分散。据对46家喷灌设备生产企业的调查表明，固定资产没有超过亿元的，一般只有几千万元，少的仅几百万元甚至几十万元。生产ZY型喷头的厂家全国就有二三十家，有的只是手工式生产作坊。由于生产规模小制约企业的发展，也严重制约喷灌设备产品的更新和质量的提高。更由于企业小而分散，大多数企业缺乏自身发展的能力，没有力量进行技术改造，生产条件落后，难以接受新技术，不但导致生产工艺落后，专业化程度低，产品陈旧、价格高且质量难以保证，而且也使我国现有许多喷灌新技术成果难以迅速转化为产品进入市场。另外，企业规模小，经济实力弱，难以建立强有力的售后服务体系，也制约了农民采用新的喷灌设备的积极性。
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2.3 引进国外先进技术和设备还存在一定的盲目性
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喷灌设备和生产技术是前一阶段我国为了发展节水灌溉引进得最多的设备和技术，据不完全统计，1974年宁夏引进德国人工移动镀锌薄壁钢管喷灌设备2套；1978年河北、吉林、黑龙江和山西等省的农垦、农机部门引进美国中心支轴喷灌机16台；北京外国农业机械展览会及以后，水利部、农机部和农业部以及内蒙古、青海、甘肃、辽宁、陕西等省、自治区引进了绞盘式喷灌机约26台，其中原西德生产的半软管牵引喷灌机23台、澳大利亚生产的钢索牵引喷灌机2台；1979年青海、甘肃、陕西、宁夏、辽宁、黑龙江、北京和内蒙古等省、自治区、直辖市又引进美国中心支轴式喷灌机14台，平移式喷灌机3台；黑龙江省友谊农场从南斯拉夫引进滚移式喷灌机5台；甘肃省引进法国台风型绞盘牵引卷管式喷灌机；1987年水利部从奥地利引进金属摇臂式喷头、薄壁铝管、薄壁热浸镀锌钢管3条生产线；最近几年水利部又从西欧大量引进绞盘卷管式喷灌机。从引进效果来看，最成功的是引进金属摇臂式喷头和薄壁铝管的生产技术，经过消化吸收国外的先进生产技术，很快形成国内大批量的生产能力，国产同类设备迅速占领了市场。带有一定盲目性的是成批购买国外喷灌设备，特别是绞盘卷管式喷灌机，由于不太适合我国国情，导致不能发挥应有的效益。
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3.国外喷灌设备技术创新的动向
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3.1 国外喷灌设备应用情况
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目前世界喷灌面积已超过0.2亿hm2，其中美国和前苏联的喷灌面积均超过0.067亿hm2，占其全部灌溉面积的40%左右。英国、德国、奥地利、丹麦、瑞典、日本等国的旱地灌溉面积中的90%以上采用喷灌。各种喷灌设备应用的大致情况是：（1）固定式喷灌系统或机组：许多国家都在应用，但所占比例均很小，如美国1977年只占喷灌面积的4.5%。（2）人工移管式喷灌装置：应用的国家最多，如美国1976年占喷灌面积的27%，1977年占21%，但由于自动化喷灌机的迅速发展，1987年只占总喷灌面积的7.3%。前苏联1975年占总喷灌面积的11.7%，原东德1976年占30%，原西德1977年占70%～80%，英国、瑞典、原捷克、奥地利、罗马尼亚等国也在大量使用。（3）双悬臂式喷灌机：前苏联使用得最多，1975年占总喷灌面积的20.7%，共有15900台，灌溉着约133.34万hm2土地。意大利、美国、澳大利亚也有应用。法国的双悬臂式喷灌机型式很多，但近年销路不畅。（4）滚移式喷灌机：原东德用得最多，1976年约占总喷灌面积的70%。前苏联占喷灌面积的12.3%。其他如美国、印度、加拿大、南斯拉夫、匈牙利等国均有应用。（5）绞盘式喷灌机：应用的国家较为普遍，用得较多的有美国、德国、奥地利、澳大利亚、英国、法国、南斯拉夫。美国1978年占总喷灌面积的7.8%，有10余家工厂制造。西欧和澳大利亚很重视这种机型的发展，品种很多。德国有几家公司生产，占喷灌面积20%。欧洲用绞盘卷管式喷灌机较多，而美国、澳大利亚用钢索牵引绞盘式喷灌机较多。（6）中心支轴式喷灌机：已有30多个国家应用，其中美国、前苏联应用得最多。美国共有70多万台，全国有20余家公司生产，1978年喷灌面积286.6万hm2，占总喷灌面积的37.6%；前苏联1980年喷灌84万hm2，占总喷灌面积的10.2%。（7）平移式喷灌机：因研制投产较晚，应用的国家还较少，约有18个国家在应用。
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3.2 国外喷灌设备技术创新趋势
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目前在一些发达国家的喷灌系统中广泛使用多功能压力流量控制设备，以保持各支管压力均匀和控制水量，如法国和日本均开发使用集给水栓、压力控制、流量显示、水量控制等功能于一体的多功能压力流量控制给水栓。随着能源的日益紧张，世界各国均注意喷灌系统的节能问题，重点开发节能高效产品，如美国生产的“雨鸟”异型喷嘴喷头，其动能转化效率达91.3%。节能效果良好的恒压喷灌技术及设备也得到迅速发展，如日本和保加利亚、罗马尼亚等国大规模发展用气水分离式调压罐控制的加压泵站，而德国却发展体积小的内部带有气囊或隔膜的调压罐，不仅节省能耗，同时也实现了喷灌泵站的自动控制。当前发达国家喷灌设备技术创新的总趋势是：（1）朝低压节能型发展：用低压喷头取代高、中压喷头，减小喷头仰角，减少传动装置能耗。采用太阳能和风能做替代能源。将中心支轴或平移式大型号喷灌机的喷头放低并改为低压孔口出流装置，用很低的压力将水注入作物根部，灌溉效率可高达98%，节能20%～30%。（2）喷、微灌相互融合：既发挥了喷灌射程远、效率高和微灌节能节水的优点，同时又克服了喷灌能耗大、微灌的灌水器易堵塞的缺点。如俄罗斯研制的远程脉冲喷灌机，射程可达数百米，雾化性能好，水滴直径仅为0.1～0.6mm，比一般喷灌省水50%以上。（3）喷灌设备多目标利用：对喷灌设备进行改装或增添附属设备后，可施化肥或除草剂、喷洒粪水、甚至播种以及防干热风、防霜冻等。（4）改进设备，提高性能，并使产品日趋标准化、系列化、通用化。（5）实行管理自动化：应用水力控制的自动量水阀以及微电脑控制的喷灌自控装置。
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4.对我国喷灌设备技术创新的几点看法
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4.1 加速我国传统喷灌设备的更新换代
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当前我国喷灌设备用量最大的仍是20多年来变化不大的轻小型移动式喷灌机组、带快速接头的薄壁铝管、地埋用聚氯乙烯和聚乙烯管。据1992年统计，我国喷灌面积81.53万hm2，其中固定式8.267万hm2，半固定式13.13万hm2，移动式60.13万hm2。移动式主要是轻小型喷灌机组，其喷灌面积约占到总喷灌面积的74%。这些传统的喷灌设备由于多年来改进很少，性能落后，如轻小型喷灌机组不但能耗大而且笨重；薄壁铝管使用中漏水、脱钩、伤口、压扁等问题经常出现；地埋用塑料管耐压和抗老化性能较差，管件不配套，施工仍感不方便等等，已不能适应现今发展喷灌新的要求。因此，加速这些传统喷灌设备的更新换代，是我国喷灌设备技术创新的首要任务。对于轻小型喷灌机组应注重提高装置效率减少能耗，采用轻质量材料，减轻整机重量，提高机动性能，研制开发出既可用作喷灌又可用作管道输水的轻小型喷灌机组，以适应农村生产责任制的要求。对于薄壁铝管应重点改进材质和加工工艺，在满足强度要求的前提下减薄壁厚，以降低价格，并改进快速接头，克服漏水、易脱钩和挂钩困难的问题。对于地埋用塑料管应开发诸如筋塑管等新型管材，并加快管道附件的“三化”水平。
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4.2 开发适合我国国情的新型喷灌设备
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当前，喷灌技术已在我国农业、环保、绿化等领域大规模推广应用，获得了显著效益。但应该看到，我国喷灌设备与国外先进设备相比，存在较大差距，而且在推广应用中已出现不少技术问题亟待解决，必须进一步重视喷灌设备的研究与开发，特别是急需在既适合我国国情，而在我国又比较落后的领域开展深入研究，以便逐步达到世界先进水平。面向21世纪，我国喷灌设备应加强以下项目研究：（1）节能多用途喷头研制：包括扇形转动喷头、异形喷嘴喷头、抗风喷头、喷灌孔管、与绞盘式喷灌机配套的双摇臂喷头、与大型喷灌机配套的低压雾化喷头、环保绿化用的升降式喷头等。（2）丘陵坡地喷灌专用设备研制：包括调压设备、水锤防护和安全保护设备、专用阀门等。（3）低投入性能优良的喷灌管材及配套设备研制和开发：包括薄壁铝合金管、镀锌薄壁钢管及管道附件的改进提高、新型地埋喷灌塑料管及管件、特质PE管等。（4）低能耗喷灌机的研制与改进：包括平移式、中心支轴式、滚移式、绞盘式、轻小型移动式喷灌机，提高其可靠性、耐久性和降低能耗。（5）节能高效的自动化喷灌设备研制：包括调频调压泵站、自动化控制仪表和设备，压力和流量自动控制阀门等。
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4.3 加快喷灌设备的产业化
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我国现阶段已能生产供应包括喷头、管材、管件、阀门、喷灌机组等喷灌设备，在数量上基本能满足我国喷灌发展的需要。但在产品质量的可靠性和稳定性方面存在较大问题。据水利部两个节水灌溉设备质量检测中心，2000年上半年对我国16个省、直辖市的35家企业的50种节水灌溉产品随机抽样检测结果，尽管对喷灌产品检测项目较少，特别是在没有考核耐久性的情况下，仍发现不少质量问题。如铝合金管道壁厚减小超标太多不合格，接头密封性和自泄性能差，管件耐压低且结构落后；塑料喷头耐水压低、喷嘴互换性差、技术参数与实测值相差较大；PVC管材耐压性能差，管道连接密封性也较差。这次抽检的企业大多是国内比较知名、生产规模较大的企业，质量仍存在不少问题，至于面上那些这几年冒出来的小企业，质量问题更大。我国喷灌发展的历程一个很重要的经验教训就是：因采用了质量不过关的设备，导致大批喷灌工程不能正常发挥效益，甚至报废，不但浪费了国家和农民的资财，而且极大地挫伤了农民发展喷灌的积极性。因此，必须改革现有这种以小生产方式制造和供应喷灌设备的模式，而代之采用工业化的方式，即实行规模化生产，将喷灌设备生产销售服务全过程纳入产业化轨道，按市场经济规律发展，促进我国喷灌设备上档次、上规模、增产效益。为加快我国喷灌设备的产业化，主管部门可在全国范围内公开招标，选择生产企业，安排一定的启动资金和低息贷款进行扶持，促进科研与生产紧密结合，联合攻关，使喷灌设备实现生产的规模化、工艺操作的规范化、技术产品的标准化，创出一批名牌产品。与此同时，各级主管部门应强化喷灌设备产品的质量监控工作，按质量标准对产品定期进行检测，取得合格证书的产品才准许进入市场。要从投资或贷款渠道制定政策，打破地方保护主义，促进各地采用优质产品，保护名牌。应大力发展以科、工、贸相结合，产、学、研一体化的股份公司，具有咨询、规划、设计为一体的技术服务公司、营销与培训相结合的经济实体等多种形式组成的喷灌产业化咨询服务体系。
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4.4 积极稳妥地引进国外先进的喷灌技术和设备
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我国喷灌技术和设备的提高和发展是与学习、借鉴及引进国外先进技术分不开的。20世纪70年代以来，我国主要从欧美引进先进的喷灌技术和设备，使我国喷灌技术有了突飞猛进的发展，喷灌产品设备的水平有了很大提高，对我国农业生产起到了显著的促进作用。因此，引进、消化、吸收国外先进技术和设备，应继续成为我国今后发展喷灌技术的一项国策。吸取以往的经验教训，为克服引进工作中存在的盲目性，避免浪费宝贵的外汇，应首先经过充分论证，有目的、有重点地引进。当前要重点引进有利于提高我国喷灌产品设备质量水平的国外先进技术，如提高人工移管式喷灌设备和轻小型移动式喷灌机的可靠性和耐久性的技术；摇臂式喷头的弹簧材质和生产制造技术，扇形转动喷头的设计生产技术，塑料喷头材质及生产技术；薄壁铝管、镀锌薄壁钢管及快速接头生产技术；喷灌特质PE管生产技术；大型喷灌机自动化喷灌技术等。其次要将引进技术与引进设备相结合，以引进技术为主。为了迅速提高我国喷灌产品设备水平并转化为生产力，以及为进行示范的需要，适当引进国外先进设备是需要的，但绝不能把我国变为一个单纯推销国外产品的市场，必须将重点放在引进技术上，并结合我国国情进行改进，研制和开发出适合我国应用的优质喷灌机具，才能从根本上提高我国喷灌产品设备的水平。最近一个时期，我国大量从国外引进卷管式喷灌机，对国内市场冲击很大，而且各地使用效果并不理想，造成一定的盲目性。实际上只要引进水涡轮和特质PE管生产技术即可大大提高我国生产这种喷灌机的质量。纵观我国研制生产喷灌用量最大的喷头和薄壁铝管，并没有大规模引进销售国外产品，只是从引进样机和生产技术开始，通过测定、仿制，联合攻关形成我国自己的产品，而且以绝对优势占领了国内市场，即是一个很好的例子。再者要加强技术信息工作，避免重复引进。多部门重复引进国外技术和设备的作法，既浪费了宝贵的外汇，又易造成部门之间互相封锁，妨碍先进技术的吸收转化。今后应由主管部门统筹技术和设备引进，组织科研单位、生产厂家和应用部门共同开展引进、消化和资源共享。同时要抓好引进的先进技术设备的培训工作，使其能充分发挥效益。
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参考文献
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[1] 科学技术部农村与社会发展司，水利部国际合作与科技司编.中国节水农业问题论文集.北京：中国水利水电出版社，1999年5月
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[2] 中国农业科学院，水利部农水司、国科司等.农业高效用水与可持续发展研讨会论文集.灌溉排水.1999年增刊
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[3] 水利部农村水利司.节水灌溉.北京：中国农业出版社，1998年7月
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[4] 徐茂云等.我国喷微灌器材（设备）现状及原因分析.中国农村水利水电.1999年第9期
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[5] 李英能.对我国喷灌技术发展的若干问题探讨.节水灌溉.2000年第1期
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对我国节水灌溉技术发展的几点思考
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1.进一步提高推广节水灌溉技术对我国经济持续发展重要意义的认识
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我国是一个水资源相对短缺的国家，水资源总量约为2.8万亿m3，人均占有量仅2200m3，不足世界人均占有量的1/4，每公顷平均占有量仅12000m3，只有世界的1/2。进入20世纪90年代以来，我国农业年均受旱面积达3000多万hm2以上，全国有300个城市用水紧张，其中严重缺水城市110多个，每年因缺水而影响的经济损失约达1200多亿元，干旱缺水已成为国民经济和社会发展的主要制约因素。
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农业灌溉是用水大户，目前我国每年用水总量约5000亿m3，其中农业用水占87%，工业水占7%，生活用水占6%。随着工业和城市的发展，工业和城市生活用水将大幅度增加，估计到2000年将达1387亿m3，占预估的同期总用水量7000亿m3的20%，将进一步加剧水的供需矛盾。
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目前我国灌溉水的利用系数只有0.4左右，也就是说每年经过水利工程引、蓄的5000多亿m3水量，有60%左右是在输水、配水和田间灌水过程中被白白浪费掉。而发达国家的灌溉水利用系数可达0.8～0.9。如果采用先进的节水灌溉技术，将我国灌溉水利用系数提高0.1～0.2，按全国农业年用水总量4000亿m3估算，则每年可节约水量约400亿～800亿m3。这将对缓解我国水资源供需矛盾有很大作用。
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喷灌、滴灌、微喷灌、管道灌溉和渠道防渗等节水灌溉技术，不仅具有节水、增产、节地、省工等优点，而且能改善作物产品质量，提高产品附加值，同时对促进农业现代化，扩大内需、开拓国内市场、带动节水灌溉设备的产业化具有显著的作用。发展节水灌溉可以带来种植结构和耕作技术的重大变革，可以促进农田灌溉的现代化、生产的集约化和管理的科学化。因此，党的十五届三中全会提出，把节水灌溉作为一项革命措施来抓，大力发展节水灌溉，大幅度节约农业农水，提高水的有效利用率。
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2.正确理解节水灌溉的内涵，因地制宜的发展节水灌溉技术
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节水灌溉是根据作物需水规律，有效地利用当地水资源，获取农业的最佳经济效益、社会效益、生态环境效益而采取多种措施的总称。其目的是以尽可能少的水量消耗获取尽可能多的农作物产量、最高的经济效益和生态环境效益。
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节水灌溉是一个系统工程，包含以下几部分内容：一是水源开发与优化利用技术。如雨水集流技术、劣质水利用技术、灌溉回归水利用技术、井渠结合——地表水与地下水互补技术、储水灌溉技术等。二是输配水节水技术，如管道输水、渠道防渗技术等。三是田间节水技术，如先进的喷灌、滴灌、微喷灌等先进技术，先进的地面灌水技术，注水灌抗旱保苗技术。四是灌区水的优化调配、量测和自动监控技术，如土壤墒情监测与灌水预报技术、灌区水系量测及优化调配技术等。五是农业耕作栽培节水技术。如耕作保墒、覆盖保墒技术，调整种植结构。优选抗旱作物品种等。六是节水管理技术。
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在我国，人们习惯用“节水”这一提法，更确切的提法应当是“高效用水”国外同行多用后者。节水是相对概念，不同的水资源条件，不同的气候、土壤、地形条件和社会经济发展水平，对节水有不同的要求。因此，不同的国家和地区，一个国家的不同历史发展阶段，节水的标准也不相同。所以，一个国家、一个地区发展节水灌溉技术，必须根据自己的国情、地域自然和经济状况，因地制宜，选择经济、实用的先进节水灌溉模式，不能盲目照搬国外或其他地区的经验，切忌不顾客观条件，贪大求洋，甚至搞“花架子”。
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3.加快节水灌溉设备的产业化
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我国节水灌溉设备真正发展的时间不过20来年的历史，随着节水灌溉技术在我国的推广应用。我国的节水灌溉设备的发展从无到有，经历了从引进仿制到研究创新，从自发研制到国家有组织、有计划的攻关，从品种繁杂到系列化、标准化的各个过程。这期间有高潮，也有低谷，有成功的经验，也有失败的教训。目前我国具有中国特色的轻小型喷灌机和移动管道式喷灌系统生产能力较大，卷盘式喷灌机、圆形和平移式等大中型喷灌机达到国外较为先进的水平；开发出了第四代滴灌、微喷灌、脉冲微灌设备和渗灌管，各种机、泵、管、带、阀和首部控制系统设备也逐步完善齐全。
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然而，我们必须看到，我国的节水灌溉设备与先进国家产品相比，还有较大差距，还不能完全满足当前形势和今后发展的需要，目前我国节水灌溉设备存在的主要问题。一是产品的质量的可靠性和稳定性存在较大问题，二是设备系统配套不全；三是服务体系不健全。
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据有关部门统计，全国生产节水灌溉设备的企业有200多家，除少数几家是引进国外成套生产设备外，绝大多数企业生产规模小，技术水平低、加工设备和工艺落后，甚至还有部分是作坊式生产。很难设想这样的企业能生产出与国际市场竞争的高质量产品。2000年水利部曾对我国16个省、直辖市的35家企业的50种节水灌溉产品，进行随机抽样检测，发现质量问题不少。因此，必须改变现有这种以小生产方式制造和供应节水灌溉设备的状况，而采用工业化方式，即生产专业化、规模化，并将节水灌溉设备的生产、销售及服务全过程纳入产业化轨道，按市场经济规律发展，促进我国节水灌溉设备上水平、上规模、上效益。建议国家有关部门在全国公开招标，选择生产企业，采取优惠政策进行扶持，促进科研与生产的紧密结合，走“科、工、贸”或“产、学、研”道路，加强对节水灌溉产品的质量监督检测工作。只有这样，我国的节水灌溉设备才能满足我国节水灌溉技术发展的需要，才能与加入世贸组织后与国外产品竞争。
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4.积极稳妥地引进国外先进的节水灌溉技术与设备
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我国节水灌溉技术的发展与提高，是和借鉴及引进国外先进技术分不开的。因此，引进、消化、吸收国外先进技术和设备，进行研制创新出适合我国国情的技术和设备，应当是今后我国发展节水灌溉技术的国策。过去的教训应当吸取，引进不能盲目，重复，引进应以关键技术和关键设备为主，进行消化吸收，创造适合我国的技术与设备，不应让外国产品完全占领我国市场。国内有的，或暂时不够完善，尚存在一定的质量问题的产品，应组织攻关，而不应拿国外产品取代。否则我国节水灌溉设备产业将面临消亡。另外，主管部门应统筹节水灌溉设备和技术的引进，避免多部门重复引进。引进的技术和设备应组织科研单位、生产厂家共同进行消化吸收和创新。只有这样才能把有限的资金、转化为最大的经济效益。
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5.进一步加强对节水灌溉技术的科学研究
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当前我国节水灌溉技术的推广应用，已取得了显著效益。但与国外先进技术相比，存在着较大的差距，同时在推广应用过程中也出现了一些亟待解决的技术问题，因此，必须进一步加强对节水灌溉技术的科学研究，以便适应我国节水灌溉技术的进一步发展和赶超世界先进水平。
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面向21世纪，我国节水灌溉技术应加强下列项目的研究：
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（1）节水灌溉设备的研制与开发
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①灌水器——扇形喷洒喷头的换向机构、异形喷嘴和低仰角抗风喷头、垂直摇臂式喷头、配大型机的雾化喷头、环保园林和工业用喷头等；压力补偿式滴灌管（带）、滴头；折射、漫射式微喷头；
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②新型管材和管件及配套件研制与提高；
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③大中型和轻小型喷灌机的改进与提高；
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④大中型喷灌机和微灌系统配套自吸泵研制；
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⑤脉冲喷灌和波涌灌成套设备研制；
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⑥灌区泵站自动调控、量测设备，压力调节器、过滤装置、施肥（药）装置、专用电磁阀和灌溉控制器等研制；
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⑦节水灌溉设备专用材质的研究、开发。
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（2）高效节水农业技术的研究
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①不同节水灌溉技术下的耕作模式；
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②不同作物、不同灌溉模式下的灌溉制度；
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③抗旱、高产、优质作物品种选育；
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④劣质水利用及对作物品质的影响。
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（3）节水灌溉管理制度和法规的研究制度。
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参考文献
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[1] 陈雷.大力普及推广节水灌溉技术.农业机械.1999第9期
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[2] 冯广志.节水灌溉体系和正确处理节水灌溉工作中的几个关系.节水灌溉（水利部农村水利司主编）.北京：中国农业出版社，1998.7
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[3] 李世英.我国节水灌溉设备综述.节水灌溉.北京：中国农业出版社，1998.7
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[4] 兰才有等.我国节水灌溉设备的现状及发展.农业机械.1999第9期
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[5] 李英能.对我国喷灌技术发展的若干问题探讨.中国喷灌科技情报网第十次学术交流会议.1999.11
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发展节水灌溉要讲因地制宜
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深刻的教训
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我国水资源短缺，工业、生活排放的污水再利用率很低，大型跨流域调水工程久议不决，农业灌溉用水浪费严重，增加灌溉面积深感供水不足，已迫使我们走上了发展节水灌溉技术之路。虽然我国已在灌溉制度、装备制造、科研创新、引进示范等方面取得了很大成绩，使目前全国节水灌溉工程面积达1566万hm2（其中防渗渠道控制灌溉面积870万hm2，输水管道灌溉面积520万hm2，喷灌和微灌面积176万hm2），但面对五花八门的节水灌溉技术，有不少人眼花缭乱，选择茫然。在推广节水灌溉技术中，有过不少沉痛的教训，其中不讲因地制宜的教训最为深刻。
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1979年山西省把一台美国电动圆形喷灌机安装在太原市郊区一个有房有树的田里，当时只考虑“参观学习”，没有考虑到大型喷灌机要求田间没有障碍物的特点，引起了扒房砍树的事情，所以当地百姓认为这种大型喷灌机不好。1986年杭州市大观山在26.7hm2的果园内，安装了奥地利半固定管道式喷灌系统。由于管道拆装、搬移频繁，不但花费工时多，而且实在麻烦，当地用户反映不好。不喜欢这种喷灌模式的根本原因是杭州这一带劳动力相对较贵，带来运行成本增加。1984年福建省南靖友谊果场花了10.5万美元，从美国引进全套太阳能电脑控制的自动化微灌系统，安装在漳州市郊26.7hm2的果园里。由于技术非常先进、超前，而果场又没有相应的技术人员，在施工中深感安装复杂，再加运行管理跟不上，有时束手无策，2～3年后，整个工程报废。这是一个盲目追求先进，不讲因地制宜导致失败的典型例证，教训沉痛而深刻。
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进入20世纪90年代，不讲因地制宜的形式主义节水灌溉工程也屡见不鲜，如坑农害农的喷灌工程，造成有人对喷灌技术的深恶痛绝；个别的节水灌溉示范项目的失败，导致有人提出发展传统的地表灌溉才符合国情；还有人提出用滴灌一种技术来滋润西北、甚至要滋润全球的误导宣传；也有人张口闭口称以色列的模式最适合中国等。笔者认为都有片面性，外国人也讲因地制宜。
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国外的经验
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国外发展节水灌溉技术最大的特点是从本国国情出发，因地制宜有序地进行推广。
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美国的国土面积937万km2，人口2.7亿人，耕地面积21234万hm2，农业劳力占全国人口的3%，是世界上农业生产现代化程度最高的国家之一。政府出资1000多亿美元兴修北水南调等跨流域水利工程，并大力推广喷灌技术。
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在1971—1999年间，美国农业灌溉发展的一个突出特点是灌溉面积占耕地面积比例持续稳定在11%～12%，而喷灌面积却急剧增长。近30年间，喷灌面积占灌溉面积的比例由25.22%增加到48.50%，喷灌面积由404.80万hm2增加到1235.86万hm2，增长305.3%。据1999年美国《灌溉杂志》年灌溉评述中统计，1999年圆形和平移式大型喷灌机喷灌面积占美国喷灌面积的65.3%，绞盘式喷灌机喷灌面积占6.17%，移动管道式喷灌系统（一个收获季节移动一次的管道式喷灌系统）占13.14%，而美国微灌面积仅占美国灌溉面积的4.6%，为1758.3万hm2。这就是与以色列在节水灌溉设备选型方面的不同。
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以色列国土面积很少，南北长470km，东西最宽处有135km。全国耕地面积43.6万hm2，农业劳力占全国就业劳力的3.7%，平均月收入1250美元。针对国土一半以上属于干旱半干旱地区，其降雨平均值不足180mm的国情，政府出巨资，有计划地兴建水利工程，把国家主要水源连成了网。如1952年耗资1.5亿美元，用11年时间建成了145km长的“北水南调”输水管路，使全国大部分可利用水资源都被连接到这一系统中，形成了从东到西，从南到北的全国性网络系统，为宏观监测与调控全国用水提供了可靠基础，使以色列农产品自给率达到95%以上。
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以色列目前灌溉面积19.3万hm2，占全国耕地面积的44.3%，其中微灌面积高达10.45万hm2，占全国灌溉面积的53.9%，其余为喷灌面积。这就是以色列发展节水灌溉技术的特点，它使以色列30年间农业用水总量一直稳定在13亿m3，而农业产出却翻了5番。农产品不但自给有余，还能出口创汇。符合国情的引水工程和节水灌溉技术，使以色列南部沙漠变成了绿洲。
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阿拉伯联合酋长国是个发展中的小国家，位于阿拉伯半岛东部，国土绝大部分是沙漠和洼地，可耕地只有国土面积的0.15%，沙漠气候使年份平均降雨量几乎为零，恶劣的自然条件严重地制约了阿拉伯联合酋长国农业的发展，人民的食品主要依靠进口。为了生存，政府用开发石油致富的钱，根据缺水、高温、沙漠化的没有灌溉就没有农业的国情，提出大力开发水源，向沙漠要耕地的计划，经过多年艰苦努力，全国建成35座水库、18个海水淡化厂、4座污水处理厂，使年农业灌溉供水总量达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，尤其是应用大型喷灌机来改造沙漠，扩大耕地面积。目前，阿拉伯联合酋长国全国蔬菜自给率达60%，饲料达80%，肉类达30%，鲜奶达90%，粮食产量也在逐年上升。
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欧洲的瑞典、丹麦、法国等发达国家，国土面积小，人口少。由于西临大西洋，平均年降雨量在550mm以上，是典型的无灌溉就有农业的国家。针对工业发达、劳力价格很贵的特点，政府为了节省劳力，节省平整土地费用，多推荐使用一个收获季节移动一次的管道式喷灌系统或中小型绞盘式喷灌机做补充灌溉。同时，还大力发展温室里的微灌技术。
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综上所述，不同国家根据不同国土面积、不同自然地理条件、不同水资源状况、不同国力、不同人口和文化素质等因素，从本国国情出发因地制宜地选择自己国家发展节水灌溉技术的模式，应该值得我们借鉴。
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我们的选择
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我国国土面积960万km2，人口12.3亿，是个发展中的大国。东西南北的自然地理条件差异很大，全国耕地面积1.24亿hm2，农业人口占全国人口的71.1%。同时，也是一个水旱灾害频繁，水资源短缺的国家，已被联合国列为世界上13个贫水国家之一。目前，灌溉面积0.52亿hm2，约占全国耕地面积的41.9%。另一方面，我国也是荒漠化比较严重的国家，目前荒漠化面积已达262.2万km2，占国土面积的27.3%，其中八大沙漠区面积55万km2。虽然新中国成立以来，政府带领人民兴修水利工程，大力发展粮食生产，用占世界7%左右的耕地，养活了占世界22%的人口，充分体现了一个古老农业大国的特点。但也付出了巨大代价：地下水位下降，河湖干枯，季节性缺水，江河污染、水土流失和生态环境恶化，严重地制约了我国农业可持续发展。
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在推广应用节水灌溉技术方面，我国的用水总量是不断增加的，而应用先进的喷灌和滴灌节水灌溉面积却占全国灌溉面积比例很小，增长缓慢。据有关部门统计，1949—1997年间农业用水总量从1001亿m3增加到3920亿m3。另据预测，到2010年我国农业、工业、生活用水将缺少318亿m3，到2030年缺水会高达400～500亿m3。可是，目前我国的喷灌面积仅占全国灌溉面积的2.5%，微灌面积占0.3%，致使我国的灌溉水利用率很低。在开源方面，南水北调工程久议不决，海水西送缺乏科学论证；工业和生活用水排放量的80%是污水和废水，但得不到很好的治理和利用。在节水灌溉设备上，虽然国外有的机型我国几乎全有，但在整体技术水平上仍然存在着一定差距。这些问题都是我们进入21世纪后，农业灌溉所面临的严峻挑战。为此，我们必须清醒地认清我们的国情，从国情出发，搞一个切实可行的节水灌溉长远发展规划，各专业专家要站在一个系统工程的高度上去观察问题、分析问题、解决问题，切不可因各专业之间的相互制约性争论不休，久拖不决，这是强我中华的历史要求。为此，笔者提出如下几点建议。
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（1）鉴于我国水资源短缺的严重性，需要开辟新水源。应着手启动跨流域的南水北调工程；加快处理工业、生活排放污水和废水的工程设备研制；开展全国性的推广集雨技术，尤其是西北部地区，用以回补地下水或解决牲畜饮水及农业灌溉，做到以丰补歉；在有条件的地方搞好海水或苦咸水淡化的开发与示范。
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（2）近期不要再盲目增加全国灌溉面积总量，要稳定我国农业灌溉用水总量相对不变，扩大以喷灌、微灌等先进节水灌溉技术的灌溉面积占全国灌溉面积的比例。
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（3）做好退耕还林、退耕还草，保护生态环境；改坡地修梯田，防止水土流失；不开荒地，向沙漠要耕地。
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（4）广阔的地域、千差万别的自然地貌其本身就决定了我国发展节水灌溉设备的多样化。种类、规格、型号繁多的节水灌溉设备均有自身的适应范围、使用条件和技术性能指标，它们只有相互补充，没有相互排斥；只有适应范围大小，没有“全能冠军”。只有让用户根据自己的自然条件、经济条件、经营规模和体制，并仔细了解该项技术的成熟度和产品质量，再按照工程规划设计，就可自行选择。
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（5）我国有71.1%的农业人口，总体上文化程度较低，所以提供给他们的农业节水灌溉设备首先应讲实用。只有坚持“实用、先进、成套、可靠”的方针，我国的节水灌溉设备才会有长足发展。
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（6）节水灌溉设备只有在科学的灌溉制度指导下与农艺相结合，与其他农机具相结合，才能真正发挥出综合经济效益优势。只要有了经济效益，我们才可以说：今天的灌溉是为了明天的丰收。
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（7）要正确处理引进与国产化的关系。引进国外的节水灌溉技术，已经推动了我国节水灌溉事业的发展，但也存在不少问题。今后应本着谁引进、谁出钱、谁受益、谁承担风险的原则来调节或制约有关引进中所存在的问题。
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（8）目前，我国西部地区多数农户还处于经济欠富裕状态，再加上工农业产品剪刀差较大，需要政府在政策上和财力上予以扶持，并建立社会化的服务体系，培训指导农户，积极稳妥地推广节水灌溉技术。
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我国农村水利在新形势下的变化与要求
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1.新时期农村需水的变化与要求
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（1）人口增长与水资源短缺的矛盾对农业节水提出了更高的要求。据有关部门预测，到2030年我国人口将达到16亿人，按年人均粮食占有量400～450kg计算，粮食年总需求量为6.4亿～7.2亿t。要实现这一粮食增产目标，需在保证耕地面积稳定在1.2亿hm2左右，平均复种指数1.65的基础上，农田灌溉面积扩大到6000万hm2。从我国水资源供需状况分析，农业总用水量只能维持在4000亿m3左右，近于零增长。这就要求农田水分生产率要达到1.5～1.8kg/m3，农业灌溉水利用系数提高到0.65。为实现这一目标，我国农村水利今后必须由过去的以外延发展为主，转变为以内涵发展为主，走节水高效农业的道路，因地制宜地推广节水灌溉技术。
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①灌区节水改造与续建配套工程建设。灌区节水改造的重点在黄河中上游地区、西北内陆地区及黄淮海平原。灌区改造的关键是做好规划。
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②井灌区节水工程建设。全国已有农用机井372万眼，井灌面积1466万hm2。在有条件的地区（如华北地区），发展灌溉尽量以井灌为主，河水补源，这样节水效果好、投资省，便于发展喷灌和微灌。井灌区发展的关键是保持采补平衡，才能可持续发展。
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③现代化农田水利园区建设。在我国不同类型的经济发达地区，如东部沿海以及大中城市郊区，利用自身优势，采用与设施农业、创汇农业相适应的农村水利先进设备、技术和方法，率先建成高标准的农田水利示范区，提高水土资源利用率和劳动生产率，为农业现代化发展奠定基础。
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④集雨节灌工程建设。西北、西南、华北等地的山丘地区，要重点开发雨水资源，大力发展水池、水窖等集雨工程，发展抗旱灌溉结合旱地农业增产技术，建设“保水、保肥、保土”基本农田。
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⑤牧区水利基础设施建设。牧区水利的重点在黑龙江、吉林、内蒙古、甘肃、青海、四川、新疆等地。要大力开发供水、排水和草场灌溉等水利基础设施建设，发展人工饲草料基地、家庭草库伦和天然草场灌溉，提高草场产羊率和载畜能力。推广应用适合牧草灌溉的节水灌溉技术和设备。
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（2）农村城镇化对乡镇供水和农村饮水提出了更高的要求。我国现有4.4万个乡镇，大多数乡镇是当地的政治、经济和文化中心，是小城镇建设的重点。目前约有一半的乡镇供水不足，影响当地经济和社会的发展及小城镇建设的进程。据统计，到1999年底，全国农村供水的普及率约为42%，全国有2400万农村人口饮水困难。因此，发展乡镇供水，为县、乡、村提供生产和生活用水，是农村水利的重要任务。其目标是：到2005年全部解决现有2400万人的饮水困难，使乡镇供水普及率达到80%，到2015年普及率达到100%，并建立与乡镇供水发展需求相适应的乡镇供水管理体制和经营机制，乡镇所在地90%以上的供水工程实现良性运行。解决乡镇用水要遵循“节水优先、治污为本，多渠道开源”的战略。
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①节水优先。我国城市用水浪费惊人，工业万元产值取水量是发达国家的5～10倍，乡镇企业更低。因此，应大力提倡节约用水，开发工业节水技术，推广节水器具，杜绝水的漏失。据估算到2010年城镇供水的单位投资约为8元/m3，污水处理约为10元/m3，而节水投资仅为3元/m3。因此应把节水放在优先地位。
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②治污为本。我国许多重污染的加工业在乡镇企业。节水和治污有密切关系，用水少，必然排水少，治污负担轻。必须加大污染防治力度，增加投入，提高城镇污废水处理率。必须重视在防治点源污染的同时控制农田面源污染。
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③多渠道开源。在加强节水防污的同时，多渠道开发水资源。应提倡开发利用处理后的污水、雨水和海水等非传统的水资源。经处理的城市废水资源可用于非食用作物灌溉、工业冷却水和城镇绿化用水、环境用水等。
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（3）农业可持续发展对优先满足生态用水提出了更高的要求。保障生态环境用水是保证流域水循环的可再生性维持，实现水资源可持续利用的重要基础。生态环境用水从广义上讲是维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等。我国降水资源6.2万亿m3，其中相当部分（56%）是用于植被蒸腾，土壤、地下水和地表水的蒸发，以及为维持水沙平衡及水盐平衡而必需的入海水量。这部分用水在水资源丰富的湿润地区并不构成问题，而在水资源紧缺的干旱、半干旱地区及季节性干旱的半湿润地区就成了问题。在经济发展中往往城市和工业用水挤占农业用水，农业用水又挤占生态用水，导致生态环境的恶化。狭义的生态环境用水是指为维持生态环境不再恶化并逐渐改善所需消耗的水资源总量。据估计全国生态环境用水总量，除天然降水外尚需地表水补充约800亿～1000亿m3，其中黄淮海流域约需400亿m3，内陆河流域400亿m3，其他地区补偿超采的地下水50亿～80亿m3。
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过去我国农村水利几乎没有考虑生态环境用水，在西部开发中出现一些河流上游过量引水，盲目发展灌溉，减少下游地区地下水的补给，造成下游植被退化，土地形成荒漠。在一些发展农田喷灌的地区，造成周边防护林和草地干枯。今后在干旱、半干旱地区以及季节性干旱的半湿润地区，灌区规划一定要优先满足生态用水，随着水土流失加剧和水资源日益紧张，必须大力开展以山、水、田、林（草）、路为中心的农田水利基本建设，遏制水环境恶化，改善生态环境，保证水资源可持续利用和农业与社会经济的可持续发展。
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2.新时期对农村水质和水污染防治的要求
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（1）我国水污染日益严重。据不完全统计，全国废污水排放总量约为624亿m3，绝大部分废污水未经处理或尚未达标就排入江河或直接用于农田灌溉。据国家环保公报数据，1998年在全国约10万km的评价河长中，Ⅳ类以上的污染河长占47%。北方辽河劣于Ⅴ类占61.4%，黄河Ⅳ类占74%，淮河劣于Ⅴ类占48%，海河Ⅴ类、劣于Ⅴ类占62%。全国湖泊约有75%以上水域水质受到严重污染。全国118座城市的饮用水调查显示，64%的城市地下水受到严重污染，33%的城市地下水受到轻度污染，仅3%的城市水质清洁。
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（2）造成水污染严重的原因及治污对策。造成水污染严重的原因是：人口增加、经济增长的压力；工业结构及粗放型的发展模式；对面污染源未加任何控制；污水处理率太低，大量污水直接排放；环境管理薄弱、环境执法力度不够；水价过低，没有形成节约用水和重复利用的约束；排污收费等经济政策未能起到积极治污的刺激作用；治污资金投入严重不足等。
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我国治理水污染的目标是：在2010年基本控制水污染，到2030年使我国水环境质量有所改善，到2050年有较大改善。完成上述目标的对策：一是提高城镇废水处理率；二是推行节水减污的清洁生产，使乡镇企业用水量、废水量和污染负荷进一步降低。
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（3）农村生活水平的提高对水质提出了更高的要求。我国地域辽阔，东部沿海经济发达地区城乡差别不大，如珠江和长江三角洲地区，农村与城市界限不明显，农村水利与城市水利差别不大，如东莞、顺德已不从事常规农业，蔬菜、水果地也不多。而西南、西北农村变化很少，仍以传统农业为主。因此要分不同类型地区对待。在生活用水上应按卫生标准供水。除生活用水外，农业生产用水的水质要求也应提高。随着农业产业结构的调整，由粮食作物和经济作物为主的二元结构发展为三元结构，饲料作物的种植比例到2030年将占农作物总面积的40%～50%，养殖业的发展对农村水质提出了更高的要求。
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3.新时期农村水利科技发展的变化与要求
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（1）科技认识的转变促进农村水利的发展
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①转变水资源供需观念，由供水管理转变为需水管理。传统的水资源管理是供水管理，其主要特征是以需定供，通过修建水利工程提高供水能力，最大限度地满足需水要求。随着水资源供需矛盾的加剧和生产实践，人们认识到必须改变供水管理为需水管理，遵循以供定需的原则，在4000亿m3农业用水的制约条件下，通过提高用水效率，实现农业的可持续发展。
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②从以引水为主转变为首先充分利用当地水资源。水资源优化配置和高效利用的关键是充分利用当地水资源，包括当地的降水、地表水、地下水、土壤水和劣质水资源化，在此基础上适量引水、调水。井渠结合是充分利用当地水资源、提高灌溉保证率和灌溉水利用效率的有效措施。其作用表现在：提高灌区水资源的重复利用率；控制地下水埋深，减少潜水蒸发，防治土壤盐碱化；减少地面径流，提高降雨入渗率。尽管井渠结合比只用渠灌增加了打井和提水费用，但降低了渠道防渗的要求，还可以提高灌溉保证率，扩大灌溉面积，总体计算其经济效益是比较高的。
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③农业节水措施从单一型转变为综合型。实践证明仅采用单一节水措施往往不能取得真正节水的效果。只有工程措施与非工程措施相配套，水利措施与农业措施和管理措施相结合，形成完整的技术体系，才能取得良好的效果。如山东省桓台县是老井灌区，年降水量550mm，采取充分利用降水，开发利用土壤水，合理调控地下水，工程、农艺和管理节水措施紧密结合，实现了节水吨粮县，并使井灌达到采补平衡，水的利用率达到90%，水的利用效率达到2.0kg/m3，成为我国农业高效用水的典范。
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④抗旱灌溉日益得到重视和发展。旱地农业在我国农业中占有相当大的比重，随着抗旱灌溉技术的兴起，旱地农业成为我国北方水资源紧缺地区农业发展的重要组成部分。抗旱灌溉技术包括坐水种、吊管井、“小白龙”以及窑窖集雨节灌技术等，此类灌溉不需要完善的灌溉工程，作物生长主要依靠天然降雨，只在需水关键期实施抗旱灌溉，追求尽可能高的水分生产效率。这种低投入、高效益的灌溉模式在我国西北、华北和东北雨养农业区具有广阔的推广应用前景。
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（2）依靠科技进步促进农村水利的发展。今后我国节水灌溉科技发展的重点是：一方面加强新型地面灌水技术的研究与推广，如激光平地、渠系配套、渠道防渗和防冻胀、管道输水以及先进的灌溉控制设备。随着我国经济实力的增强，喷、微灌技术作为农业现代化的一部分，应得到稳步发展，研制适合我国国情的新型、节能、多功能节水灌溉成套设备，并实现产业化，是农村水利科技的重要任务。另一方面要加强信息技术与生物技术在节水农业中的应用研究，应用“3S”技术建立田间墒情监测系统和农田灌溉决策支持系统；研究应用通过控制作物叶气孔启闭抑制腾发的保水剂，以及调动作物生理潜力的调亏灌溉技术；开发节水高产品种选用、水肥耦合、田间覆盖等农业综合技术。在大型国有农场、城市郊区和东部经济发达地区，开展精准农业和精确灌溉技术的实验和示范；选择不同类型的井灌区和渠灌区，实施灌溉自动化管理技术的研究与示范；在华北、西北及大中城市郊区，研究应用污水资源化和微咸水、半咸水的处理利用技术。
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4.新时期农村水利政策法规的改革
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（1）农村水利管理体制的改革。目前我国农村水利的管理体制基本上是事业型的，以灌区管理部门与县、乡行政管理相结合为主。这种管理体制的优点在于水利工程属国有资产，灌区工程的重大举措能够及时得到上级领导支持，动员群众完成任务。但其弊端表现在：①灌区管理单位对灌区工程建设和水量调度缺乏自主权，行政干预过多；②经营不能自主，导致经费难以自给，缺少工程维修能力，致使工程老化失修，难以维持简单再生产；③管理单位隶属行政系统，冗员多，素质不高，技术人员少。农村水利这种事业型的管理体制已明显不能适应节水农业新形势的要求，对其进行改革势在必行。
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农村水利管理体制改革的方向是由事业型向企业型转变，成立供水公司和用水者协会是一种切实可行的灌溉工程管理模式，在我国湖北、江苏、山东、河南等地都有比较成功的经验。农村小型水利工程可通过股份合作、承包经营、租赁、有偿转让或拍卖的形式，变国家所有和经营为法人所有或经营，经营者有独立管理水利工程的权利，自负盈亏，以水养水。同时，由供水公司和用水者协会共同制定用水计划，实现供需平衡、协调和可持续利用。
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当前我国的水资源管理存在多部门管水、各自为政的现象，造成流域上下游、河流左右岸以及不同行业之间的水权之争。解决这一问题的方法是成立地区水资源的统一管理的权威机构——水务局，实现“一龙管水”。
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（2）农村水利建设投资机制的改革。农村水利建设投资的主要受益者并不仅仅是农民，更重要的是水利投资的环境和社会效益，是保证整个社会经济的可持续发展。因此，发展节水灌溉和其他农村水利建设应属公益性事业，只有国家加大投入，才能有效推动这一事业的发展。但是，国家对农村水利的投入强度受到总体经济发展水平和国家财力制约，必须拓宽投资渠道，改革投资机制，使国家投资不仅能够解决农业发展急需解决的关键问题，取得经济效益，还应具有引导和带动地方政府、企业和农民多方投资的作用。调动农民参与农村水利工程的投资、建设和管理，是提高投资效益的关键。
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农田水利建设的投资要讲求整体性，在工程统一规划的基础上，从骨干工程到田间工程同步实施，国家、地方和农民按比例投入，才能取得良好的投资效益。在过去的一些灌区建设中，由于国家投资只用于骨干工程，地方投资不配套，造成许多“半截子工程”，使工程效益得不到充分发挥。吸取这样的经验教训，国家投资应遵循骨干工程与田间工程同时规划、同步实施的原则，对配套完善、效益好的工程给予奖励，对没有配套工程规划的设计不予审批。
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（3）建立科学的水价政策和水费计收体系。建立科学的水价政策和水费计收体系，可对提高节水意识、加强用水管理、提高水的利用效率起到经济杠杆作用。目前我国水价政策的基本依据仍然是1985年国务院颁布的《水利工程水费核订、计收和管理办法》，10多年来社会经济发生了很大变化，水资源开发利用状况也在改变，而水价政策变化不大，大部分地区水价过低，起不到有效的经济调节作用，造成农民节水意识不强。鉴于我国水资源的紧缺状况，调整水价势在必行。
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科学的水价政策首先应能保证供水成本的回收，这是维持工程简单再生产所必需的。在向社会筹集工程建设资金的情况下，水价还必须包括平均利润。另外，水价政策应遵循超额用水累进加价的原则，以经济手段限制多用水。这就要求各地水行政管理部门根据水资源供需状况制定科学用水配额制度和节水奖励政策。
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多年来水价问题一直难以解决的关键问题有两个：一是渠系配套不完善，量水设施缺乏，水量不能控制，配水不能计量，难以按量收费。二是担心提高水价会增加农民负担。解决这些问题的办法：一是加快输配水系统的工程配套，完善量水系统。二是把提价和其他节水措施结合起来，减少用水量，增加收益，农民就容易接受。
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21世纪我国农村水利的主要目标是，在有限的水资源条件下，解决16亿人口的粮食安全问题，主要任务包括三个方面，即节水农业建设、农村水污染防治和解决乡镇供水和农村饮水。要完成上述目标和任务，一是依靠先进的科学技术，二是依靠农村水利政策法规的改革。
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我国节水灌溉材料设备的生产状况及对策
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1.节水灌溉材料设备的生产状况
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1.1 企业发展概况
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节水灌溉材料设备，主要包括喷灌设备（喷灌机具、喷头等）、管材及管件（金属管和塑料管）、微灌设备（灌水器、管材及连接件、过滤器等）、防渗塑膜等。近年来，特别是1996年以来，从中央到地方各级政府加大了节水灌溉投资力度，使全国节水灌溉得到了空前的发展，节水灌溉材料设备市场越来越大，生产企业迅速增加。如喷头生产企业由原来的几家，发展到现在的80余家，铝合金喷灌管生产厂由原来只有2家，到现在估计已超过50家，微灌设备生产企业也有很大的发展，目前已有20多家，农用塑料管材生产企业估计已有几百家，但多是兼业生产。据统计初步分析，全国节水灌溉设备专业生产企业约有200余家，其中80%分布在华北、华东和华中地区，东北、西北及西南地区较少。节水灌溉设备主要是金属制品（如金属喷头、铝合金管、过滤器等）、塑料制品（如塑料喷头、塑料管材及管件、微喷头、滴灌管（带）、过滤器等）和喷灌机具等。生产企业隶属于机械、轻工、水利、农业等部门。企业的性质有国有、集体、私营、合资、股份制企业，其中以合资和股份制企业居多。企业规模以中、小型企业为主，小型企业占大多数。
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1.2 产品质量状况
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1.2.1 铝合金喷灌管质量问题较为突出
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本次抽查了铝合金喷灌管生产（销售）企业9家11种产品，产品合格率为72.7%。不合格产品存在的突出问题是：①部分产品由于密封圈结构不合理、三通用来密封竖管的橡胶球硬度不够等原因，其耐压和连接密封性能达不到要求；②管件（堵头、挂钩等）制造粗糙、强度不够，试验时拉断或破裂；③有些企业对产品质量把关不严，如管子与管件粘接处粘接不牢，造成漏水；④用异型铝管切割成挂钩座的管子，安装挂钩拧紧时铝管产生变形而导致破坏，个别焊接管的压扁性能不符合要求。
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此外，铝合金喷灌管壁厚普遍达不到标准要求。本次抽查虽然没有列入检测项目，为了把握行业状况，两家检测中心均对抽样铝管壁厚进行了测量。结果在11种产品中只有1种符合标准要求。有关标准规定：Φ76铝管的壁厚应为1.5±0.18mm，本次抽样的产品，壁厚值一般在1.0mm左右，个别的只有0.7mm。问题的主要原因是：由于市场价格竞争，企业为了降低造价、占领市场，都在壁厚上做文章，管材壁厚一减再减。尽管大部分铝管的耐压性能符合标准要求，但由于壁厚减少，刚度降低，在使用搬动过程中管口易碰瘪，造成连接时漏水，影响使用。
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1.2.2 PVC管材及管件质量问题比较多
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本次抽查的塑料管材及管件包括PVC管材及管件、LDPE管、软管。其中，抽查了PVC管材及管件生产企业10家11种产品，合格率为63.6%；抽查了LDPE管材生产企业2家2种产品，合格率为100%；抽查了软管生产企业4家4种产品，合格率为100%。
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PVC管不合格产品的主要问题是：①有些企业为了降低成本，减小壁厚或在原料配方上多加再生料，致使耐压性能不合格；②有些企业加工工艺落后，加工精度差，造成管材壁厚不均匀，偏差过大，在实际使用中往往因管材局部薄弱而破坏，致使整个系统无法正常运行；③有些企业的产品，虽然管材本身没问题，但在管端扩口处，因扩口造成壁厚减小，耐压性能达不到要求。
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本次抽查的LDPE管材和软管的合格率为100%，一方面反映了此种产品的原材料质量、生产设备以及加工工艺的提高，另一方面，由于本次抽查的产品种数较少，缺乏代表性。
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1.2.3 喷头产品质量总体水平有所提高，但存在问题不可忽视
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本次抽查了喷头生产（销售）企业14家15种产品，合格率为100%。但有关专家认为：本次抽检结果不能整体反映目前实际水平。根据下述情况，并根据水利部灌排设备检测中心多年检测结果，目前我国喷头产品合格率在80%左右。
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由于20世纪80年代末以来，我国一些企业引进国外生产线生产的ZY型系列和DY型系列喷头投放市场，新型喷头以锌基合金和铜为主要原料制造，性能好，技术含量高，总体上提高了喷头产品质量。但喷头产品普遍存在有：①耐久性差，主要反映在弹簧不耐久，摇臂易断裂；②喷洒均匀度低，近处水量分布较少；③大部分塑料喷头的密封性能指标不过关等质量问题，没有得到根本解决。由于本次抽查中考虑到抽查的时效性和经费等问题，未将喷头的射程、喷洒均匀度及耐久性等重要指标列入检测项目，使喷头本身存在的上述问题没有暴露出来。另外现行标准（JB/T7867-1997）要求低也抬高了产品合格率。如现行标准对喷头密封性能、转动均匀性等要求是针对20世纪80年代国产喷头技术水平制定的，而目前生产销售的喷头多是引进国外技术生产的，明显高于标准要求。再如喷头的耐久性能试验一直是企业和质检中心最薄弱的环节，由于时间和经费问题（一组喷头需进行2000h，费用需要4万～5万元）一直没能进行，需要采取相应措施。
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1.2.4 微灌设备产品质量有待提高
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本次抽查的微灌设备包括微喷头及滴头、微灌管（带）、过滤器。其中，抽查了微喷头及滴头生产企业3家3种产品，合格率为33.3%；抽查了微灌管（带）生产企业2家2种产品，合格率为100%；抽查了过滤器生产企业2家2种产品，均不合格。由于微灌技术在我国发展起步较晚，与之配套的微灌设备生产企业尚处于起步发展阶段，尽管本次抽查的企业及产品数较少，但抽查结果仍较好地反映了目前国内微灌设备产品质量状况。
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目前我国微灌设备存在的主要质量问题是：①微喷头及滴头产品的制造偏差比较大，有些样品甚至不出水。主要原因在于模具的加工精度差。②微灌管（带）易堵塞，使用寿命短。此次抽查的微灌管（带）均为引进国外生产线的产品，质量有保证，但不能由此认为微灌管（带）就没有问题了。③此次抽查的2种过滤器均不合格，主要问题是因密封结构不合理、密封性能差。过滤器是微灌系统防堵塞、保证正常运行的关键设备，过滤器质量不合格必将影响微灌系统的正常运行，今后应加强抽查。
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2.影响和制约产品质量提高的主要问题
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2.1 企业规模小，技术水平低，生产工艺落后，质检体系不健全
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一些小企业由于没有技术人才、设备老化，只知道模仿别人的产品，甚至不懂得产品的工作原理。如微灌产品制造偏差大的问题早已存在，近年通过引进技术与设备有所改善，但在一些企业中因模具精度质量差，产品制造精度不能提高。此外，一些企业产品质量和技术保证体系不健全，有些企业即使有，但也形同虚设，不能按标生产，影响了产品质量。
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2.2 行业管理薄弱
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节水灌溉设备企业分属不同的行业，如机械、轻工、水利、农业等部门，没有统一的发展规划，再加上地方保护主义的存在，低水平重复建设制约了规模化生产、质量好、技术含量高的产品推广。另外，目前一些节水灌溉材料设备的生产线（如滴灌管（带）生产线），主要靠从国外高价引进。由于此类生产线的技术含量高、投资大，单靠企业研制生产的难度很大，需要纳入国家高新技术发展规划，给与技术和资金的支持。
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2.3 产品质量监督体系不健全
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近几年节水灌溉设备生产厂家迅速增加，但由于没有建立有效的产品质量监督体系，劣质产品低价销售，挤占市场，使节水灌溉工程和国家投资不能发挥应有效益。今年水利部会同国家技术质量监督局组织了第一次全国节水灌溉设备产品质量国家监督抽查。在此之前，产品检验，只是企业送检，无法保证市场销售的产品质量，企业产品质量意识也很薄弱。
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2.4 产研脱节，新产品、新技术的总体开发能力不足
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2.5 有关标准问题
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如执行的旋转式喷头标准（JB/T7867-1997），由于某些技术指标偏低，不利于提高产品质量。另外，目前执行的塑料管材标准，多是建筑用给水用标准，对于农用塑料管材的技术要求偏高，应根据农用管材的实际，制定低一级的技术标准，避免不必要的浪费。
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3.提高企业技术水平、加强行业规划管理的对策与建议
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根据上述情况和问题，提出如下对策和建议：
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①建议国家尽快起动实施节水灌溉材料设备的产业化工程。一是制定发展规划，明确发展目标和重点；二是在资金和政策上择优支持骨干、龙头企业，促进规模化、标准化生产；三是推动产研结合，联合攻关；四是建立不同层次的节水灌溉工程建设的技术服务体系和工程质量监督体系，确保施工质量和工程的科学管理。
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②建立健全全国节水灌溉材料设备质量监督体系，定期开展产品质量抽查，提高企业产品质量意识。
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③国家和地方政府投资兴建的节水灌溉工程，一定要打破地方保护主义，优先选用国家法定机构检测合格的产品。目前水利部设有两个国家技术监督部门认可的节水灌溉设备检测中心：水利部灌排设备检测中心和水利部灌排设备质量检测中心，可为企业、用户提供产品质量鉴定和技术咨询服务。
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④大力推进科研单位、大专院校与企业的一体化，产研结合，优势互补，联合开发新产品，加快科研成果转化速度，尽快提高企业技术水平。
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⑤根据节水灌溉材料设备的实际需要，并针对现行标准存在的问题，有关部门尽快组织制订和修订相关标准，以适应行业技术进步和企业产品质量提高的需要。
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参考文献
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[1] 科学技术部农村与社会发展司，水利部国际合作与科技司.中国节水农业问题论文集.北京：中国水利水电出版社，1999
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[2] 水利部农村水利司.节水灌溉.北京：中国农业出版社，1998
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研究开发普及型的节水灌溉技术和设备
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1.为什么要提“普及型”及普及节水灌溉的原则
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1.1 为什么要提“普及型”
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在这里举喷、微灌技术和设备进行说明。我国多年来投入了大量的人力、财力和物力对于喷灌和微灌技术和设备进行了研究开发。在设备方面，很大程度上是参照或仿制国外产品，如圆形、平移大型喷灌机，卷盘式喷灌机，滚移喷灌机，移管式喷灌设备等等。现在这些设备国内已有供货能力，虽然产品性能和工艺水平与国外相比较还有差距，但门类基本齐全可用，售价也较进口便宜。目前除了移管式喷灌设备在国内得到较好的推广应用外，其他喷灌机型在国内只能应用于局部地区，称不上是“普及型”的喷灌设备，特别是卷盘式喷灌机，虽经过大力推广，但目前使用的并不多。但如能巧妙地利用国外成熟高效的喷灌技术，结合国情研制开发适用机型，跨出简单模仿圈子，将有利于这类机型的普及。
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中小型喷灌机组是20世纪70年代后期研制出来的，不是仿制而是自主开发研制的。该产品市场销售一直很好，现在每年销售量可达到30万台，市场保有量估计在百万台以上，可以认定为是“普及型”的。其原因是它符合市场多用途的需求并适应市场购置能力。然而，中小型喷灌机组结构很简单，并非完美，存在着较大的提高改进余地。
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微灌是一项从国外引进的技术，国产微灌设备在很大程度上是仿制的。20余年来微灌推广是一个波浪起伏的过程，长期以来微灌面积增长缓慢。由于微灌技术要求较高且投入较大，因此主要用于小面积的经济作物和果园。但近些年滴灌应用有不少新的突破，例如快速发展的温室大棚滴灌；新疆大量采用膜下薄壁滴灌管，用于大规模种植的棉花、番茄、甜瓜等作物；用于干旱地区窑窖集雨种植业，量大面宽，具有一家一户分散的滴灌特点。滴灌有从试点示范走向较大规模推广的趋势。上述不同使用条件，需要的技术和设备是不同的，应针对不同的需求研究开发出适合多样使用条件的设备，以利普及。
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1.2 普及型节水灌溉技术的基本原则
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（1）“普及型”的节水灌溉技术和设备应是易于推广实用的技术和设备。具有节水、增产、增收、低投入、低耗能、省劳力、少占地等优点。国家投入和农民集资都不致成为沉重负担，农民喜欢接受且从中得到好处。
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（2）“普及型”绝不是因陋就简，也不是低标准。我们追求的是物美价廉的实用性，科学合理性和一定的先进性。
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（3）“普及型”应有较好的使用效果，降低单位灌溉面积的耗材和能耗，从而降低单位面积的资金投入和运行费用，做到物尽其用。
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（4）“普及型”在其使用价值上应体现物有所值，投入和产出比应保持在合理水平上。低产出的大田作物只能采用低投入的技术和设备才有推广前景。在大田作物地块上搞固定式喷灌，投入产出明显不合理，不仅起不到应有的示范作用，相反地还会引发对喷灌技术的误解和不利推广喷灌的负面影响。
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2.关于普及型节水灌溉技术和设备的思考及实现普及的途径
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喷灌和微灌一向被认为是高标准先进节水灌溉技术，但在我国经过20余年的科研示范，大力倡导，至今喷微灌面积有173.4万hm2，占全国灌溉面积0.517亿hm2的3.4%。但这不意味着在我国的应用市场黯淡，只能说明目前我们的技术和设备不太符合普及的要求。国内多年推广喷微灌的实践，一方面使我们对这类技术的特点、优势获得了深刻的了解，另一方面也深感其不合国情之处，以及可改进的潜力所在。时至今日，我们应在既往的工作基础上，逐步开展适宜普及的高标准先进节水技术和设备，从简单模仿国外先进技术设备逐步走向拥有自主知识权的研究开发阶段。
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为了进一步阐明上述观点，试例举说明一些节水技术的潜在改进可能性。先从目前国内很多卷盘式喷灌机都在趴窝不用说起。
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（1）喷灌以卷盘机的改进为例。在常用的喷灌设备中移管式喷灌的资金投入与运行费用比较适中，推广面积较大，但人工搬管和设备利用率低也是公认的缺陷。中小型喷灌机组各地已普及使用，但移动性能不好，管材寿命短是其缺点。卷盘式喷灌机的机型结构紧凑，具有自动化收管功能，可连续运行，设备利用率高，但卷盘式喷灌机存在两大突出缺点：一是入机压力高（0.6～0.8MPa），其中约40%的能量消耗在输水及涡轮驱动；二是采用远射程喷头，抗风能力差，雨点降落打击力强。这两个致命的缺点限制了在国内的推广。取中小型喷灌机组和卷盘式喷灌机两种喷灌设备各自的优点，进行组合，提出纵向多喷头低压卷盘式喷灌机概念，以下简称纵喷卷盘机。
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纵喷卷盘喷灌机的工作原理：①利用半柔性PE管代替半固定喷灌系统的移动金属管；②改变现有卷盘式喷灌机配置的高压远射程单喷头为中压多喷头的喷洒模式，降低能耗改进喷洒质量；③把目前移管式喷灌系统的竖管稳定采用三角形支架改为竖管两侧利用滑撬结构稳定支撑，且滑撬与竖杆为整体结构可快速安装在PE管上或拆卸；④卷盘机上安装现有轻小型喷灌机配置的柴油机或水泵，作为驱动卷盘回收PE管和水泵动力，如配套动力采用小型拖拉机也可由拖拉机输出轴提供；⑤停喷后利用柴油机驱动卷盘回收PE管，竖管和支撑滑撬在行进至卷盘前进行快速拆卸。
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该机型的突出优点：①停机后回收PE管，省去了涡轮驱动装置；采用中压多喷头，大大降低了无效能耗和水头损失。②用PE管代替轻小型喷灌机组易损坏的涂塑软管；③采用目前已成熟的动力和水泵合理配套，保证整机工作效率高。
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从表1可以看出纵喷卷盘机与现有卷盘机的技术指标的比较。本例选用轻型喷灌机组为浙江萧山生产的4.4CP45型的柴油机和水泵，柴油机动力4.4kW（相当于6马力），水泵流量20m3/h，水泵扬程45m，卷盘机构选用江苏七州集团或其他厂家生产的JP-50型的相应部件，其PE管直径为50mm，PE管长度108m。
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表1 主要技术指标比较
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该机型配置合理，通过研究开发需解决好驱动和竖杆快速拆装和滑撬稳定滑行问题，与现有卷盘机相比有价格、性能竞争优势，因此可能成为换代普及型产品。
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（2）关于普及滴灌的探讨。针对不同滴灌使用条件，研究开发多种形式滴灌管，降低材耗和资金投入，有利加快滴灌的普及。
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如针对日光温室大棚的使用条件，生产供应细管径，适应低水头运行水力性能好的专用滴灌管，并能简化联接管件，使日光温室大棚的滴灌设备投入降下一个台阶。
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再如，现在薄壁滴灌管（0.2mm壁厚）市场上畅销，已引进安装的国外生产线正在加紧生产还赶不上供应，旺销的主要原因是购置设备投入低。但这种消耗性短寿命的滴灌管即便能回收，也会带来一系列问题。因此，如何延长薄壁管的使用寿命，或从材料配方解决，或采用浅埋、覆盖办法来解决。如果走地下滴灌的路子，不仅免除了大量回收带来的麻烦，而且还会进一步降低设备年费用投入，更有利于普及。
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此外，窑窖滴灌一家一户使用面积分散，很难做到集中的水质净化处理，而个体农民也无力购置高标准的过滤设备。因此，需要研究解决适合当地条件的过滤技术和设备，研究开发具有较高抗堵塞性能的滴头，或是具有较高输送细颗粒泥砂（黄河悬移质泥砂）的能力。
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目前，我国采用的滴头多数是按照国外产品仿制，还没有很好地开展滴头水力学的研究。根据不同用途的需要，应尽快研究开发出有良好水力性能，有自主知识产权的适用的滴头。
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薄壁滴灌管国内产品都不具有补偿功能，16mm毛管的最大铺设长度均在70m左右。但美国雨鸟公司生产的滴灌带可铺设200m长，从而减少像新疆等地的长地块布设支管数量及投资。研究开发有补偿功能的滴灌管产品在新疆、东北等地会有较好的市场前景。
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（3）普及管灌和输水防渗的可能途径。管灌的发展速度较快，1999年底达到520万hm2，可称的上是“普及型”技术。但管灌也有改进提高的余地，如地上管采用薄壁小白龙易损坏寿命短，灌溉水进入沟畦还要通过土垄沟。利用闸管解决了小白龙末级管道直接送水进入沟畦是个新进展。而目前使用柔性闸管虽有低成本的优点，但卷管转移还不方便。如能使用薄壁铝管作为闸管与柔性盲管成套使用，不仅方便使用，延长闸管使用的寿命，而且这种组合成套使用还适用于间歇性的波涌灌溉。
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管灌从井灌区逐渐往渠灌区扩展。由于渠灌区使用管径较大，开展合理选材、制作工艺技术与系统部件组成的研究工作是应时之举。如能解决塑料大口径管材的防老化和快速拆装等问题，将有利于采用移动式大口径管材的普及应用。大口径水泥地埋管最好能解决就地浇筑技术，在这方面国外成熟技术可以借鉴或引进。大口径管材的普及应用，大大减少渠道输水防渗工程的负担，因为渠道防渗的资金投入和耗材都比较高，特别是在北方地区抗冻措施投入也比较高。
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（二）灌区技术改造
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黄河上游引黄灌区节水灌溉现状调查分析
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1.前言
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1999年10月，根据水利部农田水利司的安排，组织有关单位共同进行了黄河流域引黄灌区灌溉定额的调研工作。分别对黄河上游（甘肃、宁夏、内蒙古）、中游（陕西、山西）以及下游（河南、山东）的21个大中型灌区的灌溉定额进行现场调查，同时，对各灌区的节水灌溉现状及存在问题也进行一些调查了解。现就黄河流域上游有代表性的几处大型引黄灌区节水灌溉情况作介绍分析。
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2.黄河上游引黄灌溉概况
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自河源至内蒙古的托克托（头道拐水文站为代表）为黄河上游。河道长3475km，落差3464m，流域面积38.6万km2，沿途有白河、黑河、洮河、湟水、祖厉河、清水河、大黑河等支流加入。黄河上游灌区集中分布在湟水干流河谷，甘、宁沿黄高台塬地和宁、蒙河套平原，以引提干流水灌溉为主，也有引黄河支流发展灌溉的地区，如近年建成的甘肃引大入秦灌区。黄河流域大部分为干旱、半干旱地区，个别地方为干旱荒漠区，农业灌溉效益十分显著，如甘肃陇中干旱高台塬地，发展了高扬程提水灌溉后，昔日的不毛之地变成了公顷产3750kg以上的粮田；宁夏引黄灌区，也称前套，得引黄之便，在占全区总耕地面积约1/3的土地上生产了占全区总量80%以上的粮食，工农业总产值占全区工农业总产值的97%和87%，成为有名的“塞上江南”；内蒙古河套，亦称后套，干旱少雨，没有灌溉就没有农业，发展了引黄灌溉后，农业生产连上台阶，历史上被誉为“黄河百害，唯富河套”。
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3.黄河上游引黄灌区节水灌溉定额
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灌溉定额有三种类型。一是灌区提供的各主要作物灌溉定额，二是根据1991年完成的全国主要农作物需水量等值线图导出的灌溉定额，三是本次调查的典型区（通常为斗渠范围）的实际灌溉定额。限于本次调查取得的数据很有限，精度也不一致，难以直接对灌区提出的灌溉定额作出评价，故首先用典型区的调查数据分析作物实际净耗水量，并与等值线图的数据进行比较，掌握当地主要作物的实际耗水情况，然后再对灌区提出的灌溉定额调整确定。为使拟定的灌溉定额既符合节水的要求，同时也具有大面积实施的可行性，选择的典型区一般均具有较大的规模，要求工程措施基本配套，管理较好，农业生产水平较高。分析对比均按净耗水量进行，降低了因灌溉方式不同、降雨量不同而造成的差异。
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（1）主要作物净灌溉定额。根据调查结果，黄河上游引黄灌区春小麦净灌溉定额的加权平均值为4620m3/hm2，春玉米为3735m3/hm2，水稻为9450m3/hm2，蚕豆为3150m3/hm2，向日葵和油料为3150m3/hm2，甜菜为3750m3/hm2，其他经济作物2250m3/hm2。
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（2）种植结构。现状粮经作物比的加权平均值为6.8∶3.2。种植面积的34%为小麦和玉米，或小麦和其他作物套种，水稻种植面积占11%。经济作物长32%，其中以甜菜、向日葵等油料作物为主。考虑到今后的种植结构调整应压缩高耗水作物（如水稻）的种植面积，故按目前种植结构计算综合灌溉定额是留有一定余地的。
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（3）净综合灌溉定额。作物复种部分按春小麦套种春玉米占85%，套种豆类占10%，套种向日葵占5%考虑，其余粮食作物按春小麦、春玉米各占1/2考虑，经济作物中，豆类占30%，向日葵、油料占50%，其他经济作物占20%。计算结果表明黄河上游引黄灌区净综合灌溉定额为4830m3/hm2。其中包括了秋浇、冬灌等附加用水定额。
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（4）毛综合灌溉定额。现状渠系水利用系数的加权平均值为0.446，田间水利用系数的加权平均值为0.86，灌溉水利用系数为0.384。根据现有节水灌溉的技术水平和实际应用效果，可以预测经全面节水技术改造后，大型灌区渠系水利用系数可以提高到0.6，中型灌区可以提高到0.7，小型灌区可以提高到0.8，加权平均的渠系水利用系数可以达到0.656。田间水利用系数可取0.9。据此灌溉水利用系数为0.59，毛综合灌溉定额为8190m3/hm2。
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因此，根据调查分析，黄河上游引黄灌区平均毛综合灌溉定额可以取值为8250m3/hm2。实施这一定额要求做到农业种植结构调整上应限制高耗水作物的种植，且复种指数维持目前的水平；充分利用耕地上的降雨，能够适时灌溉；较好的一般性农业措施；渠系水利用系数达到0.65以上，田间水利用系数达到0.9以上，灌溉水利用系数达到0.6以上。有关种植结构、灌溉定额、灌溉水利用系数、主要作物种植比例试验，如表3、表4所示。
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表1 种植结构
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表2 灌溉水利用系数
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表3 主要作物灌溉定额 单位：m3/hm2
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表4 主要作物种植比例
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4.灌溉定额分析
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主要作物净灌溉定额的对比分析表明，上游灌区提供的净灌溉定额一般偏大。灌溉水利用系数低是引黄灌区普遍存在的问题。如黄河上游4个灌区的灌溉水利用系数的加权平均值仅0.384（渠系水利用系数0.446，田间水利用系数0.86），低于黄河中游灌区0.458（渠系水利用系数0.52，田间水利用系数0.88），和黄河下游灌区0.407（渠系水利用系数0.476，田间水利用系数0.86）。表明灌溉水的利用效率较低、浪费水较为严重。引黄灌区一方面存在着严重的水的浪费现象，一方面因水源不足、设施老化、工程不配套等原因，造成部分耕地得不到有效灌溉。故按节水灌溉定额框算引黄水量，要满足目前不能正常灌溉耕地的用水，故引黄水量的减少不仅仅意味着节约用水，而且意味着改善了部分耕地的灌溉条件。
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（1）作物需水量。作物需水量主要是指作物正常生长发育条件下，植株叶面蒸腾与棵间蒸发消耗的水分之和。作物需水量会因气候、土壤和作物品种等因素的变化而有所变化，因此年际间有所差异。棵间蒸发量也会因气候条件的变化及灌溉方式、农业措施的不同而不同。但从本次调查的情况看，春小麦、玉米等主要作物的实际耗水量略高于1993年完成的“中国主要农作物需水量等值线图”给出的数值，但在编制和审查大型灌区节水技术改造规划时，仍可参照上述成果。
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（2）作物净耗水量指标。作物净耗水量指标是制定作物净灌溉定额的依据。作物净耗水量指标应通过综合技术经济分析合理确定，其上限是作物需水量。结果有3种情况：一是水源相对有保证且运行成本不高的自流灌区（如宁夏青铜峡灌区、内蒙古河套灌区），作物实际净耗水量接近作物需水量，可以做到充分灌溉，但大部分地方由于大水漫灌淋洗压盐的需要，渗漏损失很大，作物毛耗水量大大高于作物需水量；二是水资源短缺或运行成本偏高的自流灌区或提水灌区（如甘肃引大入秦自流及景泰川提灌灌区有一部分），只能灌2～3次水，作物实际净耗水量小于作物需水量，属于非充分灌溉，对单产没有较大的影响。三是水资源严重短缺或运行成本较高的自流灌区或高扬程灌区（如甘肃引大入秦自流及景泰川提灌灌区的一部分），由于所处的地理位置（如灌区的尾端），浇水不方便，或因为农产品价格低，土地多，农民不愿多投入，农作物只灌1～2次水，因此作物实际耗水量仅达到作物需水量的70%～80%，作物产量较低。
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鉴于黄河流域水资源严重短缺，未来部分地区推行非充分灌溉势在必行。因目前多数灌区的灌溉试验站实际上已基本停止了灌溉试验运作，调查中只有内蒙古河套灌区尚在开展非充分灌溉试验工作。建议在各灌区应恢复灌溉试验站的工作，开展节水灌溉与非充分灌溉的试验研究，以因地制宜的确定各地的节水灌溉定额及作物净耗水量指标。
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（3）节水灌溉净灌溉定额。黄河上游引黄灌区多年平均降雨量130～290mm，有效利用降雨量是这一地区发展节水灌溉的关键措施。从调查情况看，目前作物种植模式与降雨的有效利用是相吻合的。由于降雨量小、降雨强度不大，通常不产生农田径流，因此降雨利用率很高。甘肃引黄灌区地下水位普遍较深，作物无法直接利用地下水，而宁夏青铜峡灌区和内蒙古河套灌区因渠道渗漏和灌水定额过大造成一部分地方地下水位过高，作物可利用一部分地下水。这部分地区应适当发展井渠结合灌溉面积，以降低地下水位，减少引黄水量和排水负担。综上所述，黄河上游引黄灌区节水灌溉净灌溉定额可以按作物净耗水量指标扣除作物生育期平均降雨量来确定。
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（4）关于附加用水定额。附加用水定额系指淋洗土壤盐分、进行土壤储水、回补地下水等超出作物净灌溉定额的用水量。从调查情况看，黄河上游引黄灌区如宁夏、内蒙古平原引黄灌区历来有秋浇的习惯，秋浇的目的，一是压盐，二是为来年春播作物储存足够的土壤水分。目前，灌区的秋浇毛定额为3750～4500m3/hm2，约占全年总灌水量的1/3，这样大定额的秋浇，既大幅度抬高了地下水位，又不利于脱盐。宁夏青铜峡和内蒙古河套灌区淋洗土壤盐分主要靠引黄水大水漫灌，其用水量占灌溉水量的1/4～1/5。
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5.黄河上游引黄灌区节水灌溉存在问题
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（1）田间部分节水潜力大。西北引黄灌区的田间工程部分比较粗放，灌水效率低下。表现在地面灌溉中灌水田块尺寸大，管理粗放。一般田块尺寸在0.067～0.2hm2，甚至在0.2～0.34hm2，大的可达0.54～0.67hm2。由于田块大，土壤质地轻，地面不平整，及一次多灌超灌等心理因素，势必造成大水漫灌，形成大量的田间渗漏损失，造成田间水利用效率低下，使引进的水量在最后的环节浪费掉。出现大引大排，且加重了盐碱与排水问题。
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（2）必须同时提高输水系统、田间部分的水利用系数，才能真正达到节水的目的。灌区管理部门只负责灌区的骨干工程（一般为渠首、泵站、干支渠及其建筑物）。灌区改造多集中于这一部分，如渠道防渗、建筑物更新、泵站改造等。这只能减少输水损失，提高渠系水的利用系数。这只能说明在同样的渠首引水量条件下，灌区可卖出的水量增加了，如果田间部分灌溉面积不变，反而会使整个灌区的水分利用效率（WUE）降低。从提高灌溉水利用系数，减少灌区引水量和提高水分利用效率来看节水，这并不一定等于节水，由于现行灌区管理体制上的原因，灌区管理部门对斗渠以下田间部分的节水无法真正控制和予以重视。同输水系统节水相比，田间部分的节水涉及的方面更多也更复杂，如适宜灌溉技术的选择、管理机构与机制、水价政策、投资机制、农民参与、示范推广体制、测水量水等。在调查的灌区中，地面灌溉的田间水利用系数大部分灌区估计为0.7～0.9，但对田间水利用系数的确定一般缺乏试验资料依据，直接影响到实际的毛灌水定额大小及节水改造的实际节水效果。
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（3）应十分重视并因地制宜地大力推广适宜的田间节水技术。推广平地技术、小畦灌溉技术、隔沟灌溉技术、沟床灌或细流沟灌技术、涌流灌溉技术和田间闸管灌水技术；由选择地采用喷滴灌技术，主要用于设施农业、高产值农业和集约化管理农业；推广减少土面无效蒸发技术。如采用地膜覆盖、秸秆覆盖、深耕免耕技术、保水剂技术等。
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（4）水费与节水问题。由于灌区管理机构负责收取水费，并拥有使用权，如果节水减少了引水量，就意味着减少了水费收入，这对节水不利。加上水费偏低，尤其是自流灌区，水价很低，客观上造成了农民对用水量的多少不在乎，对节水亦不利。
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（5）种植结构与节水。种水稻耗水量大。从节水角度看应逐步改变其种植结构。如宁夏青铜峡灌区，当地农民有种水稻的习惯，实行稻旱轮作，水稻面积8万hm2，占总面积的26%，灌水量平均达到每公顷24000m3，高的达30000m3以上，而旱田为9000m3。可见节水的潜力。
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（6）盐碱问题突出。宁夏青铜峡灌区、内蒙古河套灌区、内蒙古镫口灌区存在严重的排水改良盐碱地问题。甘肃引大入秦灌区为新建灌区，原规划设计没有考虑排水问题，目前已出现土地盐渍化现象，据预测，将来会有扩大趋势。内蒙古镫口灌区存在有灌无排，灌区内盐碱化非常严重，威胁到灌区内土地质量的下降和持续发展。甘肃景泰川提水灌区也已出现了0.067万hm2以上的次生盐碱化及几万亩土地需要排水的问题。因此，在灌区节水改造的同时，应该考虑排水与盐碱地防治问题。
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（7）引黄灌区不同节水灌溉措施及推广中存在的问题。
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井渠结合：从技术上讲，可以起到灌排结合，减少渠水用量，降低地下水位的作用。但利用井灌的运行费是影响推广应用的一个主要问题。宁夏认为在干支渠末端控制地区，推广井渠结合的形式是必然的事，也比较容易推广。据了解，已有0.34万～0.4万hm2的井灌区。但运行费用一直是本地区灌排机井能否生存的关键。从鼓励部分地区发展井灌的角度看，可采用不同的渠灌与井灌水价标准，甚至以渠补井的政策加以扶持。
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水稻控制灌溉：对存在盐碱地区，对盐分的影响尚不明确，仍处于试验阶段，需作进一步的观测，推广尚无结论。
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喷灌：由于灌区客观自然条件（宁夏、内蒙古、甘肃等），土壤盐碱化的防治对灌溉具有特殊要求，即需要足够的灌水强度来冲洗土壤盐分，同时，由于大风天气多，喷灌漂移损失大，引黄水含沙量大，地面坡度缓，需要二次加压，能耗高，实施喷、滴灌等技术有一定的局限。喷灌及滴灌等高新节水技术，一次性投入较高、维护使用费用较高、回收期长、农民还不富裕等因素，存在经费缺乏的实际问题，如甘肃景电灌区的喷灌造价达42000元/hm2。加上管理跟不上，造成已建喷灌工程不能正常运行。从产量上看，一些地方喷灌的产量比其他地面灌溉方式的低（甘肃引大入秦及景泰灌区）。总之，喷滴灌节水灌溉技术要在西北引黄灌区大面积的在大田作物上应用，目前还存在许多经济、技术、管理、农业体制及配套措施上的限制。喷滴灌技术可在有条件的地区，如供水特别紧张的地区、种植蔬菜、果树、药材等经济作物地区、井灌及井渠结合地区、城镇郊区发展。
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小畦块灌溉：平地缩块，节水效益明显，投入少，农民易接受，易推广。对西北引黄灌区，灌水田块的尺寸应降低为0.02～0.03hm2。这属于田间节水范围，应结合农业耕作与种植方式和习惯的改变，大力推行。
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低压管道输水灌溉：利用自然地形采用低压管道输水灌溉形式较好，而要求二次加压的低压管道输水灌溉，由于投资及运行费较大，田间节水效益不明显，出水量不如渠灌大，田间水流推进慢等。推广起来有难度。
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渠道防渗：自流引水灌区的渠道衬砌率很低，尤其是骨干大型渠道。提水灌区渠道衬砌率较高。对气候较寒冷的西北地区，渠道衬砌中存在的主要问题是防冻涨破坏，有必要对抗冻涨的新形式、新材料开展研究，以保证节水改造投资能持续发挥效益。
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灌区节水改造重要性及指导思想
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1.灌区在中国经济发展中的重要地位
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1.1 中国是一个农业大国，12.5亿人口中的80%是农民，农业既是国家稳定的基础，又是社会经济发展的先决条件。历朝历代均对农业发展给予足够重视，都非常深刻地明白“无粮则乱”这一道理。然而，我国因受季风气候和自然地理条件的影响，水旱灾害频繁，水资源短缺，灌溉在农业生产中就有着特别重要的地位和作用。历代名君均以“治国者先治水”为指导方针，把发展农田灌溉水利做为安邦兴国的重要举措。远在两千多年前我国就相继修建了都江堰、郑国渠、秦汉渠、灵渠、河套灌区、漳河十二渠等一批著名的水利灌溉工程。这些灌区不仅为中华民族的繁衍生息作出了应有的贡献，而且对国家稳定和发展产生了具大的推动作用。
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1.2 新中国成立以后，我国灌溉事业发展更是突飞猛进，在毛主席“水利是农业的命脉”的方针指引下，全国各地都曾掀起过兴修水利的高潮，灌溉面积得到了迅速发展。截止到1999年，灌溉面积已由新中国成立初期的0.16亿hm2，发展到0.534亿hm2。在占全国总耕地面积不到50%的灌溉面积上，生产出73%的粮食，90%以上的棉花和蔬菜。使我国能在占世界7%的耕地上，解决了22%人口的吃饭问题，而且为国民经济各部门的发展打下了良好的基础。
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2.灌区改造的必要性
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2.1 灌区所面临的问题
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灌区曾为我国社会稳定和经济发展做出过具大贡献，但由于没有受到各个方面应有的重视，灌区目前的现状令人担忧。50%工程老化失修，带病运行；30%的建筑物尚未配套；60%以上的灌区灌溉技术落后，灌溉水利用系数低；加之管理体制和运行机制不适应社会主义市场经济发展的要求，远低于成本水价的水费制度使各灌区管理单位入不抵出。许多灌区已出现了灌溉效益衰减的现象，而且有日趋严重的趋势。究其原因，主要有以下几个方面：
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2.1.1 我国灌区的发展历史比较长，许多古老的灌溉工程得不到及时维护，长期带病运行。由于90%以上的灌区均修建于20世纪70年代以前，不少工程及机电设备均已需要更新改造。由于特定的历史原因，当时灌区工程配套不完善，许多工程设计标准偏低。
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鉴于当时的经济和施工水平，“土法上马”和群众运动建设起来的项目占居了相当的部分，使得工程质量达不到原有设计要求，许多灌区从工程竣工之日起就带病运行。
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2.1.2 落后的工程管理体制使得现状的灌区工程雪上加霜 由于过去我国存在重建设轻管理、重开源轻节流、重骨干轻田间的倾向，工程基本建设资金容易到位，而正常的工程配套、维修、管理等资金难以落实，小缺陷逐渐变成大隐患。
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计划经济体制下的管理单位靠事业费运行，水费仅是一项象征性的收费，甚至部分灌区没有水费收入，工程管理人员的工资由国家发给。工程维修资金无法解决，正常的维护也难开展，加剧了灌区工程的老化。
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由于灌区地处农村，生活条件较艰苦，难以吸引较优秀的管理人才，许多灌区的人员素质不高，文化水平偏低，难以胜任管理工作。
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2.2 灌区发展的新挑战
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2.2.1 我国是一个水资源相对短缺的国家，人均水资源占有量为2300m3，只有世界人均水平的1/4，每公顷均水资源占有量为27000m3，不足世界公顷平均水平的2/3。加之水资源在时间和空间分布不均，占国土面积50%以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国水资源总量的20%左右。随着国民经济高速增长，灌溉面积不断发展，用水量增加，农业的季节性和区域性干旱缺水将日益严重，黄河已连续十几年断流，并且断流的长度和时间呈增长趋势，生态、环境日益恶化，部分地区的人畜用水都发生了困难。然而另一方面占我国用水量约72%的农业灌溉用水由于工程、管理、技术等诸多原因又普遍存在着严重的浪费现象。
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2.2.2 随着我国的改革开放不断深入，工作重点向经济建设的转移，我国的经济得到了持续高速的发展，国民经济各部门生产总值在逐年增长的同时，用水量也逐年增加。中小城镇的大量发展、城市化率的提高和城镇人民生活水平的提高，也将使城镇生活用水和环境用水量逐年增加。目前已有300多座城市成为缺水城市。而水是不可再生资源，除部分有条件的地区实行开源节流外，城乡争水、工农争水、挤占农业用水的现象不但很普遍，而且已越来越严重。
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2.2.3 经济的高速发展，使得人们生活水平不断提高。然而近几年，由于农村缺少新的经济增长点，以粮食作为灌区主要收入的农村人均经济增长，远低于城市人均收入的增长，城市与农村的收入差距在逐渐拉大，影响社会安定团结。
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2.2.4 随着我国加入世界关贸组织进程的推进，开放中国的粮食市场势在必行，这对目前我国粮食实行保护价格来说是一个巨大的冲击。国家明补已不适应市场经济发展的要求，为不降低农民的实际收入，加大农业基本建设投资力度，降低农业成本以参于国际经济竞争，将是一项重要的举措。
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2.2.5 西部大开发，水利要先行。这是西部各省政府和当地人民共同的心愿。在资源性缺水的西北地区，没有灌溉就没有农业，并且生态环境又十分脆弱。只有开源节流同时并举，加快灌区节水改造，发展高效农业，才能使农业生产、农村经济和农民生活上一个新的台阶，带动整个地区经济的发展，缩小东西部差距，改善生态环境，促进各民族的大团结，增强我国的综合实力。因此，西部不少省份已将灌区改造列为西部大开发的重要举措。
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综上所述，目前我国灌区已不能适应我国经济发展的新形势，不能满足社会发展对灌区的总体要求，如不尽快采取相应措施，势必对解决我国21世纪人口高峰时对粮食和农产品的需求，以及国民经济发展产生严重影响，甚至还会影响到我国安定团结的大好局面。因此对灌区进行续建配套与节水改造是十分必要和迫切的。
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3.灌区改造的基本要求
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3.1 灌区节水改造规划的指导思想
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3.1.1 灌区节水改造规划应以节水为中心，作到水资源高效利用，提高灌溉水的利用率和水分生产效率。
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3.1.2 灌区节水改造规划要与所在区域的国民经济发展规划、土地利用规划、流域综合利用规划、农业区域规划等规划相协调。
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3.1.3 灌区节水改造规划要适应“高产优质高效”农业和现代化农业发展对灌区的要求，统筹考虑灌溉与农业措施的协调发展，优化农业种植结构，推进灌区农业现代化进程。
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3.1.4 灌区节水改造规划要于本地区长远发展规划相结合。
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3.1.5 灌区节水改造规划要在满足经济实用原则的基础上，注意采用先进的新技术、新工艺、新材料及新方法，提高灌区的现代化水平。
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3.1.6 灌区节水改造规划要从总体角度优化配置灌区的水土资源，充分挖掘资源潜力，实现水资源的可持续利用，为农业和国民经济可持续发展提供条件，改善灌区所在地区的生态环境。
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3.1.7 灌区节水改造规划要按社会主义市场经济规律和自然条件，因地制宜的确定改造的方向、重点、内容和措施，用较少的投资取得尽可能大的经济效益、社会效益和生态环境效益。
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3.1.8 灌区节水改造规划要在进行灌区工程建设的同时，研究提出灌区新的管理体制、运行机制改革等配套措施，提高灌区管理水平，实现灌区良性运行和可持续发展。
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3.2 灌区节水改造的主要措施
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灌区节水改造措施较多，目前采用的措施主要有水利工程技术措施，农艺措施和管理措施。各灌区应根据其自身的特点，在有所侧重的同时，加强采用综合措施，使其通过最少的投资，得到最佳的经济效果和社会效果。
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3.2.1 工程措施 目前，由于工程存在老化失修不配套问题，许多灌区输水渠道渗漏相当严重，加之建筑物配套不完善，田间灌水技术落后，全国灌区的灌溉水利用系数仅0.4左右，如对各灌区进行节水改造续建配套，使灌溉水利用系数达到0.5，在充分考虑到水资源转化等因素的前提下，灌区节约的水量将达到200亿～300亿m3。
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水利工程技术措施主要包括对各级渠道进行防渗衬砌，完善各级渠系及配套建筑物。平整土地，规范田间沟畦规格，采用先进的灌水技术和先进的节水措施，逐步推广如喷灌、微灌、管灌等高效节水技术。缺水地区实行窑灌、膜上灌，推广扩大雨水集蓄利用技术和控制灌溉技术。旱作实行非充分灌溉等形式，水稻宜根据各灌区自身的特点推广，薄、浅、湿、晒等先进灌水方式。
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3.2.2 农艺措施 通过政府和市场宏观调空手段，逐步调整传统的农业种植结构，适当扩大高效优质节水作物种植比例，选用抗旱优质品种，合理改土施肥，改进机作制度，不断完善秸秆还田、地膜覆盖等保墒措施，科学灌水，推进高效农业的发展。
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3.2.3 管理措施 积极开展节水高产灌溉制度的研究，进行灌溉需水测报及预报，对缺水地区采用非充分灌溉，推行科学计划用水制度，提高水分生产率，实行地表水和地下水联合调度，通过现代化的管理手段，使有限的水资源发挥更大效益。
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另外，应不断完善水费制度，使过去按亩（667m2）计收水费的灌区逐步过度到按方计费。对水费较低的灌区，应逐步提高水价，运用市场经济的杠杆增强农民的节水意识，使灌区逐步达到良性循环和可持续发展。
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3.2.4 由于我国目前各灌区以地面灌溉为主，地面灌溉面积占总灌溉面积的97%，并且地面灌溉技术要求低、耗能少、投资省、农民易掌握，符合国情、农情和民情。因此，灌区改造应根据新的水土资源平衡成果，在进一步确定现有灌区规模的基础上，以地面灌溉为主，针对现有地面灌溉工程存在的主要问题进行维修改造配套，充分应用新技术、新材料对渠道进行防渗和渠系配套，提高渠系水的有效利用系数。同时，加强田间工程配套，采取防渗和管道输水，平整土地，规范田间沟畦规格，提高地面灌溉技术水平，从而提高田间水的有效利用系数。这是我国农业节水的重点，在有自然条件和经济条件许可的地区适当发展喷灌、微灌。
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4.结束语
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灌区是我国农业和农村经济发展的重要基础设施，担负着城市和农业灌溉供水的重任，作好灌区节水改造是落实中央关于“把节水灌溉作为一项革命性措施来抓”的具体体现，是落实“西部大开发”战略，实现水资源可持续利用和国民经济可持续发展的重要战略部署。
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井渠结合——实现以节水为中心的灌区改造
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1.井渠结合的必要性
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1.1 充分利用灌区水资源
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大中型灌区经过续建配套可以较大幅度地减少灌溉渗漏损失和浪费，但对改建后的渗漏损失仍不可低估。原因之一是大中型灌区输水渠线长且渠道级数多，设想一个灌区由6级渠系组成，全部进行防渗处理，每级渠道水的利用率即便能达到0.94，则渠系水的利用系数还不到0.7。二是对田间灌溉水的利用系数也不能预期过高，一般田间灌溉水的利用率在0.6左右，要达到0.8应该说是偏高的。若二者均取高限值，则灌溉水的利用率也只能达到0.56。换句话说渗漏损失将达到灌溉总引水量的44%。若按现行的节水规范要求，大型灌区的灌溉水利用系数不低于0.5，中型灌区不低于0.6来考虑，则灌溉引水量的50%～40%为无益的损耗。这部分无益损耗中如果有一半左右为渗漏损失补充地下水，即25%～20%的灌溉引水量将补入地下水。
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这部分渠道和田间渗漏损失水量补入地下水，经过回归再利用，对于提高灌溉水利用率的作用是很显著的。如果井灌提地下水量为灌溉补入地下水量的一半，即自渠首引入总水量的1/8，则全灌区水利用率在原有基础上可提高0.1左右。据有关文献报导，河北省临西县由卫河引水的堤下灌区1986—1987年，灌溉面积0.534万hm2，实测灌溉水利用系数为0.48，若入井灌提取的灌溉回归水量后，灌水利用系数则为0.69，提高了0.21。
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井渠结合为灌区水资源的水文循环创造了必要条件，使降水得以蓄存和再利用。以灌代排，季节性的调控地下水位，汛前腾空地下水库容，最大限度承纳降雨，减轻涝渍灾害。在北方地区，地下水位汛前控制到5m，在日降雨量150mm的条件下，已有多处基本上不出现地表径流的观测记录。充分利用当地降水，削减引用客水是节水灌溉的重要组成方面。
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蓄水于地下可为作物提供良好的生长条件和减少蒸发损失。在作物生育期内，通过提水和蓄水合理调控地下水位，为作物生长发育提供良好的土壤水分环境。根据季节需要调控地下水位，可起到抑制潜水蒸发效果。现有的地中渗透仪实测潜水蒸发成果表明，随地下水位下降，潜水蒸发系数锐减，如石家庄和德州试验站观测资料所示，地下水从1m降到4m，潜水蒸发系数减少了8倍至22倍之多。如山东茬平和禹城北京廖公庄，太原等地试验站资料显示，当地下水位从1m降到3m，潜水蒸发系数减少到5倍至15倍之多。在蒸发强烈的北方地区，把蓄水藏于地下较之裸空暴露于大气，损失要小几十倍到上百倍，单从蓄水角度来看，这比北方地区修建水库蓄水既经济又损失少。
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在北方地区，依靠井渠结合这种方式实现水资源的水文循环和重复利用，高效充分利用当地灌区地表水、地下水、降雨和土壤水资源，削减引水，达到最大限度地提高水分生产率的目的。
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1.2 防治土壤盐渍化
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引水灌溉不可避免地要抬高地下水位，在干旱半干旱地区，如不能有效地控制地下水位，将引起土壤盐渍化，严重时致使土壤弃耕。如果灌区排水条件较差，就不得不采取加大灌水定额，淋洗土壤盐分来维持农业生产。例如，内蒙古河套灌区秋浇洗盐的灌水定额为1500m3/hm2，相当于正常灌水定额的2倍，这个定额还兼有着冬季蓄墒的作用。由于大量灌水带来的负面影响是灌水后地下水位迅速上升，引起排水沟塌坡，影响排水效果，加重灌区水工建筑物和防渗设施的抗冻涨负担。秋浇洗盐蓄墒是该灌区多年形成的经验，年复一年的洗盐，不仅耗水量大，而且无法摆脱由此造成的负面影响。为补救该灌区排水能力的不足，还需利用灌区现有盐荒地和水域进行蒸发消耗。管区内总面积为111.93万hm2，灌溉面积为57.4万hm2，占总面积的51.2%，需利用的非耕地占总土地面积的48.8%，用来蒸发积盐，以此来保护灌溉土地的盐分年际间平衡。从而加重非耕地的土壤盐渍化，形成严重的土地资源的环境污染。
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为防治灌区土壤盐渍化，建设有效的排水设施是灌区改造中的重要组成部分。可选用不同的排水措施，如排水沟渠或利用井灌排水。但从管理使用和回归水利用条件来比较，井灌排水优于水平排水，这在我国不少灌区证明井渠结合是防治盐渍化的切实可行的有效措施。
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1.3 发展高效农业的需要
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目前全国正在进行农业生产结构的调整，推动种植结构的调整，当地的优势农业和名优产品将得到发展。灌溉也要为高效农业和提高产品质量服务，在灌区实行轮灌条件下，轮灌期一般较长，无法保证作物适时供水和勤浇浅灌。
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在灌区内部正在兴起的设施农业，种植反季节的蔬菜、瓜果等作物，对适时适量供水要求高，而北方一些灌区冬季停水。因此，在渠灌区内发展井灌，井渠结合也是开展多种经营发展高效农业，增加农民经济收入所必需的。
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2.井渠结合的成功经验
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黄河下游河南、山东境内的引黄灌区在20世纪50年代末随着灌溉面积的迅速扩展，大量引用黄河水，而忽视了排水，结果引发了大面积盐渍化，导致引黄灌区大面积停灌。经过此次挫折，摸索出井渠结合地表水、地下水联合运用的道路。山东省引黄灌区的经验是“以井保渠，以河补源”适度发展井灌，利用黄河水补井水之源，合理调控地下水位，防涝防盐，高效利用灌区水资源，以保证农业稳产高产。多年的实践经验表明，在黄淮海地区采用井渠结合是综合治理旱涝碱的成功经验。
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另一类井渠结合的灌区为陕西关中地区的泾、洛、渭等灌区，由于灌溉面积增大和灌区供水不足，在灌区内打井，形成井渠双灌。如泾惠渠灌区9万hm2耕地每年引泾河水约4亿m3，提取地下水1.2亿～2亿m3。多年的实践证明井渠双灌是实现灌区水资源良性循环，合理利用水资源的必由之路。但实践中还存在一些问题有待解决，如井灌管理环节少，成本低；而渠灌区管理层次多，工程的建设维修成本高，因而渠灌要比井灌水费高，这成为地下水超采的重要原因。目前，计划采取措施做到“以井补渠，以渠养井”采补平衡。类似的情况还有河北省的石津灌区。
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国外井渠结合的成功例子如巴基斯坦的印度河平原，其面积为34万km2，略大于我国的黄淮海平原。年降雨量不足300mm，大部分地区高温干燥，属于热带草原和沙漠气候。1860年从印度河及其支流引水发展灌溉，数千公里长的运河及干支渠渗漏引起地下水的大幅度上升。20世纪60年代约有一半地下水埋深小于3m，有1/6地区地下水埋深小于1.5m。到1980年灌溉面积达到0.165亿hm2，其中0.086亿hm2受到沼泽和盐碱危害。在20世纪上半页，采取了部分停灌、水平排水、渠道衬砌和渠旁植树等多种措施均无明显效果。1980年以后开展打井，形成井渠结合的农田灌溉和排水体系，实现了地表水与地下水的联合运用。每年从印度河引水1000亿m3，每年灌区提用地下水400亿m3，最终寻找到了彻底摆脱沼泽和盐害的井渠结合的成功模式。
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国内外的灌溉实践表明，井渠结合是高效利用灌区水资源防治涝碱的成功经验。地表水、地下水联合运用也是灌排行业国际交流的重要议题。在我国干旱半干旱地区井渠结合有普遍的推广应用意义。当前正在开展的以节水灌溉为中心的灌区续建改造，应考虑采用灌区水资源的循环再利用与其他节水工程技术相结合的技术路线，以充分挖掘灌区节水潜力和合理利用灌区水土资源，促进灌区农业生产持续发展。
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3.发展井渠结合需要解决的问题
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3.1 存在的问题
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发展井渠结合在不同地区有不同问题需要解决。一般常遇到的突出问题有投资渠道与管理体制和水费等方面的问题等。
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大中型灌区建设列为国家基建项目，以国家财政投入为主。灌区建成后由灌区管理部门行使对国有资产进行管理职能。对于流量小于1m3的工程设施，包括井灌投入，则不列入国家基建项目，井灌不归灌区管理部门管理。灌区的地表水、地下水、降水、土壤水本是可以相互转化且是不可分割的，但却被人为地分为渠灌用水和井灌用水两部分，无法实现可利用水资源的统一管理。
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其次是渠灌、井灌水费不同的影响，对不同灌区其水费影响不同。如水源宽余引水方便的灌区，渠灌水费低廉，农民不愿用井水。而有的灌区渠水水费高于井水水费，加上用井水方便适时，甚至出现舍渠用井形成地下水超采现象。
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3.2 问题的解决要依靠水资源的统一管理与灌区工程统一规划
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（1）灌区水资源的统一管理。水利工作从过去对水资源开发、利用、治理为主转移到对水资源的合理开发利用治理、配置、节水、保护上来，从工程水利到资源水利这一变化，有利于实现对水资源的统一管理和水资源的优化配置。在这种新形势下，须扭转过去单纯追求工程节水，而忽视水资源的优化配置所产生的节水效果。形势要求对灌溉引水，降雨存蓄，地表水、地下水联合运用进行统筹安排，全面利用一切可利用水资源，抓好减少损耗的各项措施，包括一系列非工程性的措施，这些转变都为发展井渠结合创造了前提条件。
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利用民主管理体制实现灌区水资源的统一管理，扩大原有渠灌区的管理范围，增加井灌的管理内容。吸收地方水利有关部门和井灌区的代表参与管理，把地表水、地下水联合运用列入议事日程。在灌区的干渠以下成立农民用水协会，实行用水户参与地表水和地下水的联、合运用并落到实处。对井灌工程设施放开建设权，搞活经营权，吸引广大农民参与井灌的建设和管理。
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（2）灌区续建改造的规划要统筹安排井渠结合的灌排合理配置。在灌区改造规划中应进行渠灌与井灌结合的多种方案比较论证。比较引用流量，灌溉水利用率，水分生产率等节水指标，工程规模和投资概算等项目。在此基础上选用优势井渠结合方案。
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在规划工作中对引水灌溉，拦蓄雨水，地下水的补给及地下水的开采利用等因素进行全面定量分析。通过优化选择进行引水灌溉渠系、地面排水系统和井灌的合理配置，以保证各项工程设施和节水措施的有机衔接。
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3.3 政策导向与制约
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发展井渠结合，减少灌区从河道引用水量，从客观上来说是为流域内上下游间水资源供需矛盾的缓解作贡献，或为缓解本地区的供需矛盾作贡献。在一个流域内要求上游地区发展井灌，少引河水需要政策的导向与制约，限定引用水量。对主动节省引水作出贡献者，应给予一定的奖励。我国还没有用水者水权的法律规定，也无从谈水权转让。但对减少引用水量的灌区上游用水户应给予补偿，以利居上游优势的灌区节水潜力的深入挖掘，上下游同享节水效益。
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水价是项政策性极强的问题，应执行国家有关规定。但在市场经济条件下，面对井渠结合的复杂引蓄提的特殊情况，需要制定相应的水价政策，以体现利用经济杠杆来引导节水灌溉行为。
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在井渠结合条件下，地下水来自灌溉、降雨和排水沟的补给，是通过一定的工程设施补入地下水，应具有商品水的属性，并不是无“本”之源，用井水也应缴纳水费。在不同井渠结合灌区条件下，要制定渠灌区、井灌区公平合理的水费政策，由灌区管理部门统一收缴。
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4.依靠科技进步提高井渠结合的技术水平
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4.1 井渠结合的合理规划布局的研究
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针对有代表性的灌区水文地质条件、气候特点、灌排需求、河道来水特点及上下游关系等因素，进行地下水采补平衡与其他防渗节水等技术措施相结合的合理性研究，寻求最佳的节水措施组合方案。
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4.2 灌区资源的统一管理的研究
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由于降雨的随机不确定性，与此有关连的引用河水、地下水、土壤水的因素都具有不确定性，而灌溉用水一般是有时段性要求，因而水资源管理要根据用水要求及时作出引水、配水、蓄水、提水等行为决策。对于一个井渠结合的大中型灌区来说是一项复杂的系统工程，需要采用计算机管理，为此需要建立数学模型，确定有关参数并开发相应软件。
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4.3 适用调控地下水位井型的应用研究
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采用辐射井代替传统管井，可大幅度减少井眼数量。辐射井的结构是由竖井和水平集水管组成，在含水层内沿水平方向可打进多层水管，每层可打多条集水管。其特点是调控浅层地下水位能力强，降低地下水位速度快；调控范围大，出水量大，具有成井成本和管理运行费用低，便于集中管理等优点，应积极开展辐射井的适用性研究。
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4.4 先进节水灌溉技术的研究
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灌区田间工程配套工程量大面宽，需要大量的资金和物资投入。长期以来，田间工程不配套是个难以解决的老大难问题。结合此次续建配套工程应开展多种田间节水地面灌溉技术的应用研究，如移动式低压输水管道系统，闸管灌溉，波涌灌的应用研究。这类技术由于管道的可移动性，节约投资，节约占地并减少田间工程的维护工作量。在有条件的灌区，采用精细激光平地可以实行格田灌，简化地表工程。
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在井灌区内采用辐射井时，其出流量每小时在200m3左右，可考虑应用大型自走喷灌机进行低压喷灌。喷灌系统末端的工作压力仅为0.1～0.2MPa，运行费用低，同时喷头距地表为700mm，增强了抗风能力，减少了漂移损失，改善喷灌雾化指标。一般667m2面积的投资费用大体与半固定式喷灌相当。在节约投资，节省平田整地用工和灌水用工等方面，圆形喷灌机都有着突出的优点。它适用大规模机械化规模的农场，采用大型自走喷灌机简化了田间工程配套和地表灌水工程，可达到适时适量灌溉，充分体现高效自动化的优点。这已在我国黑龙江、河北、新疆等农场中的多年应用经验所证实。
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在我国的灌区续建改造工作中应具有一定的前瞻性发展眼光，考虑采用先进的节水灌溉技术，以期灌区改造在不远的未来不致于落后，而需再次进行改造。
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大型灌区技术改造主要技术措施与问题
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1.以节水为中心的灌区技术改造
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水是不可替代的资源，是国民经济和社会发展的重要基础。有效利用有限的水资源，是关系着人口、环境和社会可持续发展的战略措施。我国人均占有水资源量约2400m3，相当于世界人均的1/4，居世界第109位，公顷平均水资源占有量27000m3，只有世界公顷平均水平的2/3。由于我国的自然特点，有限的水资源量在地域和时空上分布很不均匀，南多北少，东多西少，夏秋多，冬春少。占全国国土一半的华北、东北、西北地区，水资源量仅占全国水资源总量的1%，南方局部一些地区也存在着季节性水资源紧张问题。在中等干旱年全国灌区缺水约300亿m3，由于缺水，严重影响农业的产量和生态环境，干旱缺水已制约国民经济发展和人民生活水平的提高。同时，全国灌溉水的有效利用率还很低，灌溉水有效利用系数仅为0.4，相当于发达国家一半左右，水分生产率仅为0.84kg/m3，这低于世界发达国家水平，水资源浪费现象十分严重。
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到21世纪中期，我国国民经济将达到中等发达国家水平，人口的增加，城市和工业对水的需求，将进一步激化水资源紧缺的矛盾。北方地区水资源开发利用程度已很高，开源潜力不大，华北地下水超采十分严重，地下水降落漏斗面积不断扩大。黄河断流日益突出，全流域可供水资源量约为500亿m3，按规划到2010年全流域缺水40亿m3，到2030年缺水150亿m3，到2050年缺水230亿m3。从全国角度来看，有潜力可扩大水资源量的地区主要分布在西南，开源的潜力也十分有限。按全国水资源中长期规划，新增加水资源量主要用于工业和城市发展和改善人民生活水平，农业用水比重今后不但不会增加，反而将会继续下降，新增加灌溉面积所需水量，将主要通过节约用水，从农业总用水量挖潜解决。发展节水农业和推广节水灌溉是我国国情所决定的。
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到2010年，我国节水农业的主要发展目标是：在不扩大农业灌溉总用水量的情况下，使全国有效灌溉面积由目前的0.53亿hm2发展到0.567亿hm2；节水灌溉面积由目前的0.15亿hm2发展到0.34亿hm2；灌溉水的利用率由现在的0.4提高到0.55以上。扩大灌溉面积和提高灌溉保证率需要的水量，要通过节水灌溉来实现。
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发展节水灌溉，首先要抓好大型灌区的技术改造，全国248个大型灌区，有效灌溉面积约为0.113亿hm2，占全国耕地面积的8%，生产的粮食和棉花却占全国总产量的20%，这些灌区大多数建于20世纪50～70年代，由于多种原因，很多灌区工程不配套，老化失修十分严重。据初步统计，21%的渠系建筑物至今没有配套，田间工程配套不完善的占60%～80%，很多工程带病运行，输水能力下降，灌溉水利用率很低，水资源浪费十分严重。灌区技术改造规划原则是：以节水为中心，依靠科技进步，采取工程、农业、管理等综合措施大幅度提高灌区水的有效利用率；规划要考虑灌区内人口、资源（水土）、环境、社会和经济可持续发展的需要和上下游的关系，统筹确定灌区的合理用水量、规模和改造方案。规划要为农业种植结构调整和发展“高产优质高效”农业服务；规划要对区内山、水、田、林、路进行综合规划、综合治理，使灌水成为现代化农业园区。
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2.节水灌溉技术措施
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2.1 水资源的合理开发利用技术
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其内容包括：地上水和地下水合理开发利用技术，进行优化调度，选取优化方案。进行水资源合理开发利用：井渠结合地区，实现地面水和地下水联合运用，提高渠灌区水的重复利用率，以提高灌溉水有效利用系数。对工业、生活废污水进行净化处理，使其达到灌溉水质标准；对地下咸水采取淡水混合或咸淡轮灌的方式进行灌溉等。
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2.2 输配水过程中的节水技术
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包括渠道防渗和管道输水技术等节水工程措施。大量资料表明，从水源到田间的输水过程中的损失约占总损失70%～80%，渠系节水潜力最大。以节水为中心的灌区技术改造重点是采取各种措施，提高渠系水的利用系数。但并不等于要求全部渠道实现所谓“三面”光或衬砌化，节水应是多项综合技术措施。
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2.3 田间灌水过程的节水
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田间灌水过程中损失水量约占总水量损失的1/4左右，田间节水灌溉要结合农业耕作栽培技术以及实现现代化的要求进行。地面灌溉仍是田间灌水技术的主体，地面灌溉并不等于“大水漫灌”，对这一问题必须正确对待，要提高、改进地面灌溉技术，如平田整地，大畦改小畦，长沟改短等措施，都可达到节水和增产的效果。喷、微（含微喷、滴灌）灌和渗灌等是先进的节水灌溉新技术，随着国民经济的发展，在有条件的地区将逐步推广应用，其节水效果十分显著。
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2.4 节水农业技术
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（1）耕作保墒技术。采用松耕、疏松深度在20cm以上，耕作层有效水分可增加4%～5.6%，渗透系数提高13%～14%。伏雨前深松40～100mm土体蓄水量增加73%。
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（2）覆盖保墒技术。秸秆覆盖可抑制蒸发率60%，小麦节水20%，玉米节水15%。覆盖地膜可提高地温2～4℃，增加耕层土壤水分1%～4%，在干旱地区作物全生育期每公顷可节水1500～2250m3。
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还有适雨种植充分利用降雨，培肥改土技术，选用抗旱品种等各种农业节水技术措施。
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2.5 节水管理技术
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包括建立各种管水组织、制定工程管理和经营管理制度，计划用水、优化配水、合理征收水费，制定节水灌溉制度，提高水的利用率，进行作物需水预测预报等措施。不论采用何种节水技术措施都应十分重视加强用水管理。
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3.节水灌溉技术指标
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3.1 灌溉水利用系数（节水指标）
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（1）渠系水利用系数，大型灌区不应低于0.55；中型灌区不应低于0.65；小型灌区不应低于0.75；井灌区采用渠道防渗不应低于0.9；采用管道输水不应低于0.95。
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（2）田间水利用系数，水稻灌区不宜低于0.95；旱作物灌区不宜低于0.90。
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（3）灌溉水利用系数，大型灌区不应低于0.50；中型灌区不应低于0.60；小型灌区不应低于0.7，井灌区不应低于0.8；喷灌、微喷灌区不应低于0.85；滴灌区不应低于0.90。
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（4）井渠结合灌区灌溉水利用系数可根据井、渠用水量加权平均计算确定。
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3.2 工程指标
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（1）渠道防渗率，大型灌区不应低于40%，中型灌区不应低于50%；小型灌区不应低于70%；井灌区如采用固定渠道输水，应全部进行防渗处理。
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（2）井灌区低压管道输水工程，田间固定管道用量不应低于90m/hm2，支管间距单向布置时不应大于75m，双向布置时不应大于150m。出水口（给水栓）间距不应大于100m，宜用软管与之连接进行灌溉。
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（3）地面灌溉的田间工程，水稻灌区应格田化，不得串灌。格田规格：平原区以长60～120m，宽20～40m为宜；山丘区可根据地形作适当调整。
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旱作区应平整土地，其畦田长度不宜超过75m，畦宽不宜大于3m，并应与农机具作业要求相适应。灌区沟长不宜超过100m。
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3.3 效益指标
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（1）实现节水灌溉后，粮、棉总产量应增加15%以上，水分生产率应提高20%以上，且不应低于1.2kg/m3。
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（2）节水灌溉项目效益费用比应大于1.2。
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4.渠道防渗的主要技术问题
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4.1 关于防渗材料
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防渗材料及技术措施主要有：混凝土、沥青混凝土、膜料、石料以及水泥土等。采用什么材料及其技术措施要因地制宜，进行科学论证，如条件允许的话，要进行必要的科学试验，依据灌区具体条件，确定本灌区续建配套选用的方案。这一点非常必要，否则浪费极大，又达不到预期防渗效果，对此近年已有不少教训。
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各种防渗材料及其防渗效果和适用条件列于表1。
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4.2 关于渠道防冻胀问题
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这是我国“三北”地区渠道防渗工程的重大技术问题之一，直接关系到防渗效果和工程造价。
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冻胀破坏主要是水泥混凝土衬砌与砌石衬砌，其破坏形式为裂缝，隆起架空和滑坡等现象，招致防渗效果降低，甚至使渠道输水难以运行。防治冻胀技术措施主要有：
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（1）渠系规划设计方面。渠系规划时，应尽量避开产生较大冻胀量的自然条件，如黏性土类和地下水位较高地段，应尽可能选在透水性较好容易产生冻胀地段，或地下水埋藏较深的地段。以填方代替挖方渠道，并改善渠道两侧排水条件。
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（2）渠道断面型式选择。中小型渠道采用抗冻性能较好的“U”型断面，大中型渠道采用弧形坡脚梯形断面和弧形底梯形断面代替原传统的梯形断面。这是由于这些渠道断面形式具有一定的反拱作用，较梯形结构冻胀变形分布均匀，消融后残余变形较小。
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（3）架空渠槽。随着田间渠系以管代渠的管道输水的发展，有条件的地区可以采用架空渠槽代替原地面渠道，这样可回避衬砌渠道的冻胀问题，又为田间下级渠道提供了低压水头，一些发达国家推广管道化输水很多是采用这种布置形式。
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（4）铺设砂砾石垫层。在混凝土衬砌板下，铺设一层砂砾石垫层，减少了原土渠基土冻胀，并可排除地下水和渠道水渗过渠床的水可有效的防止基于冻胀对衬砌混凝土板的破坏。这种措施可适用于有砂石料的地区，对缺少砂石地区，该种措施垫层工程量大，工程投资也大，应慎重选择。
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（5）垫层选采用具有性能良好的保温材料。这些隔热保温材料主要有：聚苯乙烯、玻璃纤维、炉渣、泡沫水泥等。采用隔热保温材料做垫层，可以减轻或部分消除渠床基土冻胀。1988年山东引黄济青工程全部采用聚苯乙烯板垫层，取得防冻胀良好效果。今年北京颐和园到市内玉渊潭公园的昆玉引水工程也是采用这种垫层，施工期间受到沿途群众的关注。
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当前聚苯乙烯泡沫塑料等化工材料造价较高，现只能在大城市引输水工程使用，推广到农田水利工程，尚须一个过程。但随着经济的发展和科技的进步，这种保温隔热材料，在节水灌溉方面的推广应用前景，将会大有前途。
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表1 各种防渗材料的防渗效果和适用条件
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（6）推广膜料或沥青混凝土防渗技术。这两种防渗材料不但防渗性能良好，且都具有一定适应或减轻抗冻性能。膜料可以基本切断渠道渗水和雨水对渠床基土的补给，从而减轻冻胀。沥青混凝土不但具有较高的抗渗性，其材料极限拉伸值又高，在低温下，仍具有一定柔性。产生的裂缝有一定自愈能力可以适应冻胀变形。
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（7）排水设施。渠床基土、土壤含水量以及温度是产生冻害三要素，不论采用何种材料和技术措施都要十分注意排水问题，因此要防止渠水渗漏及渠堤上地面径流入渗，排除地下水降低地下水位，都是防止渠床基土冻胀的根本措施。
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（8）地埋管道输水。管道埋在地下以管道代替地面渠道的管道输水，可以避免地面混凝土衬砌冻胀问题，已开始引起人们的关注，很可能是解决华北地区冻害重要途径之一，冻结深度超过1.0m以上的强冻胀地区有些技术问题尚须进一步探讨。
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大中型灌区更新改造需研究的几个课题
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1.水资源的综合评价及水价政策的确定
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从三四十年前建设时到现在，大中型灌区的水资源状况发生了很大的变化，有些灌区因水资源短缺有效灌溉面积难以达到设计灌溉面积。此外，许多灌区没有对可开采的地下水资源进行全面的评价和利用，造成大量引用紧缺的地表水资源，另一方面因地下水位上升而导致土壤次生盐碱化。在灌区更新改造时，需对灌区所能获得的地表水和地下水资源进行综合评价。在此基础上，研究确定合理的地表水和地下水综合利用方案，制定合理的水价政策，解决因引用地表水的成本远低于提取地下水的成本，而导致的农民不愿意用井水灌溉的问题。发展井渠结合的灌溉模式，实现地表水和地下水联合调度。
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2.渠系的合理配置
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我国大中型灌区在建设时期主要完成了骨干工程和干支渠的建设任务，许多灌区的田间配套渠系工程至今仍未完成或未达到设计的标准，造成了输配水量损失过大。此外，当初灌区设计、建设时农村是集体经济时代，而现在农村实行的是责任承包制，有些配套渠系工程不能适应现行体制的需要，造成水量损失大、水费回收难、运行管理困难等问题。因此，在灌区更新改造时需研究田间渠系的合理配套，以提高灌溉水的利用率，便于灌区的运行管理和维护。
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3.渠道防渗新材料、新技术
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渠道衬砌是大中型灌区的主要节水措施之一，过去我国曾经开展过多项渠道衬砌技术研究，但渠道衬砌的技术还有待于进一步提高，经济实用的衬砌新材料和新技术有待于进一步开发，特别是北方灌区衬砌渠道的防冻胀问题还有待于进一步研究解决，以提高衬砌渠道的防渗效果和使用寿命，降低工程造价。
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4.适宜的田间节水灌溉技术
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近年来，我国对节水灌溉技术的研究和推广工作高度重视，发展节水灌溉已成为全社会的共识，节水灌溉技术和设备生产得以快速发展。但我国幅员辽阔，各地的自然、经济和社会条件千差万别，节水灌溉技术的研究和推广必须因地制宜，在大中型灌区更新改造时，需在已取得的发展节水灌溉技术的经验和教训的基础上，根据各灌区的气象、土壤、作物、水源、经济等条件和群众的接受能力制定出适宜的节水灌溉技术发展规划，选择适宜的田间节水灌溉技术，逐步提高大中型灌区的灌溉水利用率。
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5.灌区管理模式
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灌区的管理体制不仅关系到灌溉工程效益的发挥，也关系到灌区能否得以持续发展。我国大中型灌区管理体制改革在不断的探索中得以深化和发展，体现出了因地制宜和多样化。如有些灌区成立农民用水协会试点，鼓励用户参与灌溉用水管理，将斗渠或支渠以下的管理及维护工作交由农民用水协会管理，取得了较好的效果。有效的灌区管理模式不但可以提高工程的经济效益和社会效益，还有利于水费的回收和工程的管理维护。大中型灌区更新改造时，需对灌区的管理模式进行研究，根据灌区的条件，选定适当的管理模式。
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6.灌区现代化管理调度技术
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计算机、地理信息系统、半自动和自动化测控技术在灌区调度运行管理中的应用，已成为当今灌区运行管理现代化的发展趋势。这些技术的应用不但可以提高工作效率、水的利用率和生产效率，还可以根据用水户的需求、气象条件的变化和工程状况随时调整灌溉系统的运行工况。灌区现代化管理调度技术的应用可提高我国大中型灌区的管理水平和灌溉水利用率，在灌区更新改造规划中应当得以体现。
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以上6个课题的研究和成果推广应用将有利于提高我国大中型灌区更新改造、续建配套资金的使用效率和效益，有利于提高我国大中型灌区更新改造的技术水平，有利于大中型灌区在更新改造后的效益发挥和可持续发展。
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关于大型灌区技术改造规划中的几个问题
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1.编制好以节水为中心的灌区整体规划
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这次大型灌区技术改造，绝非是原有灌区简单的进行修修补补。应依据中央制定的节水农业发展规划和近期实施方案，按照以节水为中心进行灌区全面整体规划。对原有的渠系布局，灌溉方法、耕作方式，灌溉制度和种植结构进行重新规划和调整。即以节水为中心，其规划就应紧紧围绕节水为出发点，提高灌溉水的利用率和水分生产率，实现水资源的可持续利用和灌区的可持续发展。要有利于保护和改善灌区的生态环境，要与所在地区的社会经济可持续发展、国土规划、流域综合利用规划、农业区划等协调。要与所在地区山、水、田、林、路整治相协调，进行旱、涝、渍、碱综合治理，以实现灌区的良性运行和可持续发展。
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搞好面向21世纪的中国水利，必须实现从工程水利向资源水利的重大转变和过渡，这次以节水为中心的灌区技术改造，其实质也是从工程水利向资源水利转变的过程。灌区规划也必须认真贯彻这一转变，以适应灌区的新发展。在灌区整体规划中要把降水、地表水、地下水、主水、客水等进行统筹安排，以实现灌溉水资源的优化配置，充分利用当地水资源量，以提高水的有效利用率。这一规划工作，最好由流域机构统一组织并协调。
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2.关于灌溉标准问题
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灌溉标准包括：灌溉设计保证率，作物灌溉制度，灌溉用水量，以及灌溉水利用系数等内容，这些灌溉参数是灌区规划设计的基础和首要条件。以节水为中心的灌区技术改造规划设计中不能不涉及到以上各项技术参数。正确选用以上各设计参数，将全面体现以节水为中心的灌区改造，而不是对原有灌区简单的修复和修修补补，以实现灌区技术改造节水增效和增产增收的要求。使我国灌区建设与管理进入新阶段。国家标准《灌溉与排水工程设计规范》（简称规范），所列各项技术要求和设计参数，是建立在每次灌水都要满足“及时足量”传统的充分灌溉理论基础上的。随着我国水资源日益紧缺程度的加重，在这次灌区改建规划设计中如何对待这一问题，值得探讨。以往所谓正常需水量，是指适应的土壤含水量所能达到的予期的产量所必需的供水量。现行节水技术措施只是减少输配水过程中不应有的浪费损失（如无效排水，深层渗漏等），而对作物生长过程中的有效用水，挖掘作物生长过程中节水研究的还很不够，在这次灌区规划中，也没引起人们的关注。近年大量非充分灌溉研究成果表明，通过掌握作物生长环节的生育规律，把有限的灌溉水量，最优化的分配到作物生育的各个阶段，并认为作物生育期，水分有时亏缺，并不总是降低产量，生育早期适度缺水，有时反而有利于作物增产。非充分灌溉理论，对指导当前节水灌溉，实现真正的节水灌溉，有着重要的指导意义。
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非充分灌溉理论，在原《规范》中反映的很不充分，以节水为中心的灌区技术改造，如完全按着《规范》各项技术指标和参数，很可能是原工程的修复和修修补补，不大可能实现大的节水技术措施。新的非充分灌溉理论，目前仍处于试验研究阶段，短期还难以纳入国家标准。建议有关部门在这次灌区规划中采取应急措施，以防只按原设计规范行事，对新的节水灌溉技术重视不够，就很难制定出一个附合实际要求的灌区改造总体规划。例如，对严重缺水地区，为了扩大灌溉面积，可否适当降低现行灌溉设计保证率，以取得最好的经济和生态效益等。
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3.关于井渠结合问题
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井渠结合技术在北方一些渠灌区已得到了一定的发展，是提高灌溉水有效利用重要措施。它是充分利用降水、地上水、地下水联合运用当地水资源的一种灌溉方式。所谓当地水资源是指降水，而产生的地表径流，降水入渗蓄存于地下水位以下地层中的土壤水及其渗入深层而形成的地下水。
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井渠结合灌溉可以适时适量供水灌溉。大型灌区工程层次多，轮灌周期长，有时难以实现适时适量灌溉的要求。井渠结合，机井可适时提取地下水灌溉，将集中供水变为分散供水，单井控制面积不大，可以根据农作物需水要求，适时开闸灌溉，这是近年各灌区内，农民群众自行打井提取地下水灌溉重要原因之一。
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井灌有利于控制地下水位，并能实现以井代排。提取地下水降低地下水位，腾空地下库容，可以增加地下库容，提高降水的土壤入渗量。据观测，在黄河下游一些地区，汛前地下水位控制5m左右，日降水量150～200mm，基本不产生地表径流。起到防洪除涝，防治土壤盐渍化发生和发展。这一点在黄河中下游引黄灌区尤为重要。井渠结合是治理黄淮海平原旱、涝、盐碱的综合措施之一。
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井渠结合还是提高水资源利用率的有效措施。灌区内机井提取地下水，相应的也减少了对灌区渠水的要求，缓解了地面水资源量供需矛盾紧张情况。我国北方，降水集中在7～9月份，期间利用沟、渠、坑、塘、洼地，尽可能地将降水存蓄下来，补地下水，形成地下水库。将地面水、地下水联合运用，以提高当地水资源的有效利用。我国北方大型渠灌区，大都分布在平原地区，灌溉来水和需水在季节上存在着矛盾，井渠结合可以充分利用地下含水层所形成的地下水库的调蓄作用，对渗入地下的灌溉水进行调蓄。有学者认为，我国北方地区1500亿m3地表水灌溉用水量中，约有300亿～450亿m3可以通过地下水库进行调蓄，这可极大地缓解灌溉用水高峰时渠水供不应求的矛盾。井渠结合技术是提高了水资源利用率的有效措施之一。
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4.关于渠道防渗问题
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灌溉渠道防渗是节水灌溉重要工程措施之一，节水效益显著，也是灌区技术改造的重要内容。渠道防渗工程面大量多，其工程投资约占灌区总工程投资60%～70%，其成效是灌区技术改造重要标志。但绝不能说所有渠道都必须进行衬砌防渗。既使经济发达国家，目前也不是全部渠道都衬砌化（有的地方称硬化渠道）。我国经济条件目前尚不富裕，灌区工程投资十分有限，更应严格进行科学论证，哪些渠道（或渠段）必须进行防渗工程处理，哪些渠段防渗工程可以拖后一个时段，使有限的工程投资用在最需要的地方，以取得最大的经济和社会效益。具体采取什么样工程措施进行防渗，更应进行科学试验。根据当地具体条件，是采用混凝土衬砌或是塑料薄膜防渗或是浆砌块石等防渗工程措施，都必须进行试验对比。切忌灌区工程改造项目立项后，不加分析的进行渠道衬砌，以混凝土防渗代替一切的作法。
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一般来说，当渠道通过强透水性的砂土地段，填方地段，不宜开采利用地下水的地带，往往需要衬砌，以减少渠道渗漏损失并保护渠坡的安全。对地下水位较高，为防止地下水位提高也要进行防渗，以治理灌区土壤盐碱化发生和发展。地下水质较好并具有良好含水层，适于井渠结合灌溉的地区，在这类地区渠道渗漏的水量，可以在地下含水层中存蓄，通过渠道渗漏补充地下水资源，可以有效调节地表水和地下水的联合运用，提高水资源的有效利用率，所有的渠道就不一定要全部衬砌，如要进行防渗处理要进行技术经济论证。对通过渠道地段土质较黏重，又运行多年，渗漏损失又不十分严重的渠道，进行防渗处理要慎重考虑。如有的灌区渠道渗漏损失并不十分严重，渠床土质黏重地下水位又高，又位于高地区，为了学习外地灌区工程配套的所谓先进经验也进行混凝土板防渗处理，运行两年来混凝土板冻胀破损严重，原已很规正的渠道弄得破乱不堪。这一“引狼入室”的教训，极其深刻。总之并不能说，渠道衬砌一定比不衬砌的好。哪个地区是否要衬砌，采用何种结构型式的防渗措施，都必须进行科学论证。
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5.要有一支稳定的灌排科技队伍
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为适应21世纪灌区改造和节水灌溉技术发展的需要，从中央到地方必须有一支相对稳定的科技队伍，担负起灌区建设和管理以及节水灌溉的规划、设计和科学试验任务。
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（三）农田防洪减灾
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开展松嫩平原洪涝旱碱综合治理和水土资源可持续利用研究的建议
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1.概述
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松嫩平原，涉及黑龙江、吉林和内蒙古三省（自治区）为嫩江中下游、松花江上游干流两岸的平原地区，总面积24.77万km2。该平原土地辽阔、土壤肥沃，有世界著名的黑土资源，有广阔的耕地和草原，是我国重要的粮食和畜牧基地之一，著名的大庆油田位于此处，是1998年松嫩流域特大洪水的主要受灾区。
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松嫩平原是一群山环抱的陷落盆地，沉积着中生代至新生代河湖相巨厚物质。松嫩平原分为高平原和低平原，高平原呈漫岗漫川、波状起伏，而低平原地势低平。松嫩平原的骨干河流为嫩江、第二松花江、松花江；支流众多，主要有霍林河、洮儿河、绰尔河、雅鲁河、音河、诺敏河、乌裕尔河、双阳河、呼兰河。江河进入松嫩平原后，河谷开阔，河道纵坡较缓，多在0.02‰～0.05‰之间，洪水时水流漫溢，成为嫩江、松花江流域的主要洪泛区。支流与干流汇合处，受干流水位顶托排水受阻，洪水汇集成众多湖泡，形成闭流区。有些支流，如霍林河、音河、乌裕尔河、双阳河等，进入平原后，水流漫散成为无尾河、汇聚成湖泡湿地，以致低平原湖泡、沼泽星罗棋布，形成我国重要的湿地区，著名的札龙自然保护区就在其中。
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该地区属寒温带大陆性季风气候，冬季严寒少雨，夏季高温多雨，春秋两季短，升降温快，干燥多风，具有雨热同季的特点，多年平均降水量380～550mm，温度适合春小麦、玉米、大豆、水稻等一季作物生长。
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2.开展松嫩平原洪涝旱碱综合治理、水土资源可持续利用研究的必要性
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2.1 洪涝旱碱多种自然灾害与人为不合理的生产活动并存
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该地区降雨主要集中在7、8两个月，占全年降水量的50%以上，多以暴雨出现。降雨时空分布不均，年际变化较大，存在连续数年多雨与少雨的交替现象，干旱和洪涝交替并见，春旱则十年有九年发生。
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低平原区由于其地势低平、干流顶托排水不畅和特殊的水文地质条件，产生大面积湖泡湿地和苏打盐化土壤。湖泡湿地占该平原土地面积的比例很大，是该平原的天然滞洪区和滞涝区。由于缺少综合治理，多雨年份湿地范围扩大，使周围大片农田牧场受淹，甚至危及城市和工业设施；干旱年份面积缩小，鱼苇生产水源无保障；有些湖泡则形成咸水湖或碱水湖。这些湖泡湿地和盐渍化土壤，大部分尚属自然状态，有待开发利用。农田和草原不仅有大面积盐碱化土壤，由于不合理的灌溉方式造成次生盐碱化现象也很严重。
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岗地和坡地以水土流失和干旱为主，川地以洪涝和土壤沼泽化、盐碱化为主。严重的风蚀、水蚀，使黑土资源流失严重，草原退化、沙化、碱化的面积不断增加。水土流失成为我国发展速度最快的地区之一，经几十年治理，不合理的人为生产活动造成水土流失的面积不但没有减少，反而增加，造成生态环境的恶化和多种灾害的发生。
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另外嫩江齐齐哈尔以下和松花江干流水质污染越来越重，湖泡水质污染导致地下水污染。地下水不合理的开采在大庆和哈尔滨已形成地下漏斗。
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2.2 防洪体系不完善
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嫩江、松花江流域的水利建设尚处于初期阶段，目前除主要支流第二松花江流域有大型水库控制，水能资源得到较高程度的利用外，干流和其他支流上大部分尚未修筑控制性较强的大型水库，水能水利资源利用程度低，每逢汛期洪涝灾害对平原区威胁严重。
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1998年嫩江、松花江发生特大洪水，虽保住了重要堤防和城市，但损失仍然很大，受灾最严重的是松嫩平原。客观上讲洪灾形成的原因是暴雨强度大，洪水持续时间长，超历史记录。而主观原因是防洪体系不尽完善，归纳起来包括：河道堤防标准低、质量差，较多的是沙基沙堤，再加上该平原段河道蜿蜒曲折，抗冲刷能力低，易出现渗漏管涌和坝基不稳的问题；人与水争地，造成河道阻水、行洪能力降低；水土流失严重，洪水含沙量逐年增大，泥沙淤积在平原河道、湖泊、水库，使河床抬高，湖泊缩小，河道行洪和湖泊蓄滞洪能力逐年减少；工程布局不尽合理，老化失修严重；控制性工程少、滞蓄洪区建设及运行管理科技含量低、投入少等等，这些问题都是造成该平原洪灾严重的重要原因。
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2.3 在该平原开展科学研究的目的和必要性
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松嫩平原水土资源丰富，但利用率较低，还有巨大的开发潜力。洪、涝、旱、碱、风沙多种自然灾害并存，相互关联，制约着该地区工农业生产的稳步发展，需综合治理。松嫩平原部分地区农村经济落后，国家级贫困县就有好几个，科技扶贫、充分利用水土资源优势、研究发展高效农业是脱贫致富的关键。1998年洪水后国家和地方非常重视灾后的重建工作，人力、物力、财力全力以赴灾后重建，加大水利建设力度。恢复重建应以可持续发展为目标，加大科研力度、提高防洪抢险的技术含量、变被动抗洪为主动防洪，研究如何提高水毁工程恢复重建的技术水平是非常必要的。水利建设应按照国务院要求“水利建设要坚持全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理的原则，实行兴利除害结合，开源节流并重，防洪抗旱并举，重大水利工程建设，应从长计议，全面考虑，科学选比，周密计划”。虽然过去作了不少工作、取得了不少好成果，但还没有从根本上达到综合治理和合理利用水土资源的目的，从生产需要和今后的发展看，还有艰巨的任务待完成。特别是一些方向性问题必须有针对性的开展科学研究，主要表现为：完善防洪体系，湖泡湿地在防洪除涝中的作用及其开发利用，地下水资源合理开发与地表水资源的联合调度，合理的农林牧区划与灌溉排水区划及其与水土保持的关系，高效农业模式，污水处理及利用。这些问题都是相互关联的，只有通过研究解决了这些方向性的问题，该地区的基本建设才能少走弯路。
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3.建议在该平原开展以下几方面的研究
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3.1 完善防洪体系
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防洪体系一般包括控制性水库、行洪河道、滞蓄洪区、洪水预报与调度。1998年洪水告诉我们，应增强忧患意识，保证和加大水利投入，以防治洪水为根本，才能减轻抗洪的任务和风险，进一步完善防洪体系势在必行，尤其是对洪水高风险区的治理是当前的主要任务。
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松嫩平原是松嫩1998年洪水的受灾区，是松嫩流域最大和最重要的洪水高风险区。其上游除支流第二松花江有大型水库控制外尚未建设控制性水库，造成下游防洪任务严重；河道堤防防洪标准低，一般不超过防御20年一遇洪水的标准，堤防质量差，较多的是沙基沙堤，渗漏、坝基不稳、冲刷的问题突出；湖泡湿地是这里的滞蓄洪区，控制性工程少，欠综合治理和规划，滞蓄洪水的能力没有充分发挥。排水系统不健全，1998年洪水后当年都无法排尽积水；洪水预报和调度高科技含量低、系统不尽完善，给管理和决策带来困难。另据了解，规划中的嫩江尼尔基水库和第二松花江哈达山水库计划上马，建成后将大大减轻下游的防洪任务，但建成前后的防洪体系有较大差别，需认真研究。
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要实现防洪体系的完整和科学管理，有必要开展以下几方面的研究：（1）1998年洪水后防洪标准的重新研究审定；（2）研究大堤的防冲和防渗工程技术问题；（3）滞洪区合理规划和建设，滞洪区与江河堤防的关系，即防洪体系中点、线、面的关系研究；（4）干流及主要支流上大型水库建成前后的防洪工程体系及其关系；（5）高新技术应用于暴雨洪水的实时预报与洪水调度决策系统中的研究；（6）建立防洪基金及洪水保险的研究。
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3.2 湖泡湿地在防洪除涝中的作用及保护性开发利用
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松嫩低平原有上千个大小湖泡和大面积的湿地，与整个平原的关系密切。湖泡湿地首先是调节洪沥水的天然场地，为整个平原的容泄区，是防洪体系中的一个重要组成部分，在防洪除涝中起着尤为关键的作用。
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湖泡湿地是一种非常重要的水土资源，利用湖泡湿地拦蓄地表径流可供灌溉和城市用水、补给地下水；湖泡湿地部分可用于农业和鱼苇生产；湖泡湿地对该地区的生态环境起着调节气候、净化水质的重要作用，同时也是生物多样性保证的基础。
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我国1994年加入湿地保护国际公约，有义务保护好有限的湿地资源。因此，对湖泡湿地的开发利用须从有利于保护和改善湿地生态环境出发，不能单纯着眼于生产。
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目前该地区的湖泡湿地虽作了一些工程措施，利用了一部分湖泡作为平原水库，而大多数处于自然状态，工程控制少、缺乏经营管理和有效保护，存在不少问题。因此有必要从保护和开发利用、整体利益和长远利益的角度入手，全方位综合研究湖泡湿地的功能和作用，为可能采取的措施提供科学的依据和明确的方向。
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湖泡湿地的研究应包括：解决好湖泡湿地水源问题、污染问题、引水和排水问题，做到干旱年保持有一定引水条件，多雨年有畅通的排水出路，以控制适当水位和淹没范围。抗旱、防洪除涝并举，改善水质，有效保护湿地资源；研究湖泡湿地与整个平原的关系，理顺防洪除涝、工农业生产用水、补给地下水、农业和鱼苇生产之间的关系。而这些方面都是相互关联的，既要整体考虑，又需研究弄清相关的一系列问题，如湖泡湿地要从事鱼苇生产，就需保持一定的水深和水位，鱼苇生产的控制面积与防洪除涝的关系；湿地区农业开发与湿地保护的关系；盐碱地与地下水、排涝、滞蓄回灌的关系；湖泡和湖泡之间、湖泡和湿地之间的关系，研究确定滞洪湖泡的容量和防洪水位，供水湖泡的兴利库容及控制水位；确定设计保证率，洪水的流量和过程线，确定泄水流量等。
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3.3 提高水毁灌排工程恢复重建技术水平、发展高效用水农业
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该平原是水旱灾害频繁发生区，农业对灌排工程的依赖程度大。1998年洪水对该平原灌排工程毁坏严重，使本已老化失修设施的使用功能丧失殆尽，水毁灌排工程恢复重建是灾区重建家园的主要内容。恢复重建应在认真分析水毁原因的基础上进行，以提高其技术水平。
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灌排工程的水毁，主要表现为挡水堤坝的水毁、引水和排水建筑物水毁。水毁的主要原因是由于工程设计标准低、设计与流域防洪规划不协调、管理不善、老化失修严重，抗洪除涝能力低。灌区的恢复重建应研究如何结合灌区的完善、配套改造一起进行规划，既要尽快恢复生产，又要提高灌区的灌溉能力和灌溉水平。
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江河上的闸坝、灌排泵站，工程建成伊始就面临着洪水的威胁。因此，应与流域、河道的防洪规划协调起来，采取合理引水、排水方式及建筑物形式。建议开展充气式橡胶坝在该地区的应用研究，在河道上用橡胶坝控制水流和抬高水位。其优点是控制灵活、造价低，且洪水时放平坝袋不影响河道的水势，尤其适用于平原河道上。但是该地区冬季气温可降到-30℃以下，春灌开始时河道流冰，都可能破坏坝袋。为此须研究橡胶坝的防冻和防冰的保护措施。
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灌溉渠道防渗是提高灌溉水有效利用率的重要措施。在松嫩平原由于冬季严寒，冻土深达1.5～2.0m，冻胀对防渗渠道的破坏作用很强。因此，研究适应该地区气候条件的渠道防渗抗冻措施、材料和结构形式，有特殊意义。建议研制刚柔护砌结构型式（中国水利水电科学研究院水利研究所正在开展这方面的工作），结构具有刚柔并存、防渗、适应冻胀变形而结构完整的特点。
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引江水灌区的改造还应研究灌排渠系结构，建议利用排水系统的骨干沟道作为灌溉输水渠，在排水沟上分散设置扬水站提水灌溉。该型式具有以下优点：简化渠道结构；有利于回归水的重复利用；水位低，减少渗漏和次生盐碱化；断面大，有一定调蓄能力；提高了利用率，保养管理水平也能相应提高。
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松嫩平原的灌区建设，无论是新开发的灌区，还是1998年洪水毁坏灌区的修复重建，都应当建成节水型灌溉工程。今后，农田水利建设方面要从提高综合治理洪、涝、旱、碱角度出发，加强灌排设施建设、适当提高灌排保证率、充分利用地表水资源和合理开采地下水资源；提高灌溉水利用系数、提高灌排设备效率，以实现节约用水、降低能耗和成本。另外还应研究喷灌、管灌等节水工程技术的有效利用。管理技术不容忽视，是农田水利建设创造效益的保证。用水管理应从制定合理的节水灌溉制度、灌溉预报、灌水计划、有效计量、征收水费、灌区维护等方面，研究提高管理质量、提高灌溉水的有效利用系数、保持灌区的可持续发展。
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发展农村经济、脱贫致富的根本是发展高效用水农业。该平原的灌区普遍存在灌排工程老化失修、不配套、设计不合理、流域防洪规划不协调等问题，甚至20世纪40年代的机电设备还在运行，生产效率低下、抗御水旱灾害的能力低，农田水利建设上欠账多、吃老本的问题十分严重。提高灌区建设技术含量、建立高效用水农业模式成为必须研究的课题。应从技术集成的角度研究，分析研究农田水利基本建设、用水管理、农业耕作三方面适宜该平原发展的成熟实用先进技术，并合理组装配套，按不同的地区、不同的灌水方式为灌区改造提供一整套技术。
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3.4 合理利用水土资源、综合治理旱、涝、盐、碱、水土流失
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松嫩平原水土资源丰富，人口密度较小，发展农业生产受劳力、资金和技术设备的制约，垦殖土地的能力有一定的限度。因此，该平原农业生产，应立足现有条件，充分利用水、土、热等资源为背景，合理调整作物结构，搞好农业布局，宜林则林，宜农则农，农、林、牧相互依存，全面规划，因地制宜适当配置。建立用地养地、多种经营相结合的农业模式，稳定农业生态大局。农业应以改造中低产田、发展经济作物为主，尤其在易涝地区发展水稻，以稻治涝、治碱，在干旱区开展节水灌溉农业模式的研究。同时必须在摸清草原生态环境的基础上提高草原的生产能力，加速草原的培育和改良，防止草原退化、沙化，改善草原生态系统，大力发展畜牧业。在该平原合理规划营造水土保持林和防风林，是改善小气候、防止土壤侵蚀的重要措施。
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松嫩平原由于地势低洼平缓和降雨在时空年际间的分布不均，具有易旱、易涝、易碱的特点。旱、涝、盐碱的发生和发展，不是孤立的，而是有联系的。盐碱是随水而来随水而去，而每年的盐碱发生期则是在干旱季节。涝、碱的生成、发展与地下水密切相关，地上水和地下水在一定的条件下可以互相转化，因此治水必须做到地表水与地下水联合调节利用，其实质是对地下水的有效调控，严格地将地下水位控制在临界深度以下，以防治土壤盐碱化。因此该平原节水型灌区建设的基本原则应是以开发利用地下水灌溉为基础，地下水不足时，引河水补源。松嫩平原虽然黑土层厚，肥力高，具有得天独厚的自然条件，但如不注意保护，老本是经不起长期损耗的。水土流失不仅引起当地的干旱和土壤瘠薄，也引起下游河床的淤垫、洪水泛滥和内涝加重。因此，旱、涝、盐、碱要和治理水土流失结合起来，把这些灾害的发生和发展看作相互联系的整体、进行综合治理、不可孤立地分而治之，要从整体和发展变化上考虑问题，同时又要有重点的进行安排。
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松嫩平原水资源丰富，但不合理的开发利用方式会造成水环境的恶化，地下水开采要以多年平均补给量为限，否则将引起地下水位的持续下降，产生一系列的破坏性环境问题。哈尔滨、大庆开采地下水已经形成大范围的地下漏斗，引起地面沉降；有些涝区群众打小井（深10m左右的插管井）种稻，以稻治涝，最初两年虽取得成绩，但地下水位下降后，井泵的吸程变大，抽水困难，遭受挫折。说明地下水开发利用必须有科学规划，应从水资源平衡、可持续利用的角度研究地下水的开发利用；研究浅层地下水埋深与土壤盐碱化及渍涝发生的关系；开发浅层地下水灌溉的水质适宜性及水量平衡问题；地下水资源养护，即开采量控制、人工补给和水质保护；还应研究适宜的井型结构。
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3.5 污废水处理及利用研究
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松嫩平原随着工农业发展、城镇人口增长，尤其是齐齐哈尔、大庆、长春、哈尔滨，污废水排放量骤增，由于缺乏有效处理和排放管理，致使许多水域受到污染。近年来半数以上的湖泡已受到严重污染，嫩江齐齐哈尔以下和松花江干流水质越来越差。由于用水环境恶化，对当地和下游的工农业生产和人民生活造成了严重危害。然而在我国受经济条件的限制，污废水的处理是一大难题，需研究适合我国当前社会经济条件的污水处理和利用办法。
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把污水的工厂内净化处理与农田灌溉适当结合，是当前经济可行的办法。污废水也是水资源，其中的无害有机物和氮、磷、钾等物质是植物的营养物，如果污废水中难以降解和不能降解的有害杂质含量能在工厂内有效控制，利用净水冲淡可用于农田灌溉。利用土壤的自净能力、湖泡湿地净化水质的功能处理污废水将有应用前景，但这些需要进行相关的研究。污水灌溉是有季节性的，灌溉什么作物、每次灌多少、总灌水量都是有度的，对水质也应有严格的要求。而且污染物的成分和含量在不同的地点、不同的时间都在变化，都必须在研究清楚后，配以严格的管理措施才能进行污水灌溉，以防止出现严重的污染后果。还应进行污水灌溉的水费等相关管理措施的研究。根据松嫩平原湖泡湿地面积大、分布也很广，以及春旱、夏涝、冬季漫长的特点，建议开展在秋冬季节漫灌污水的可行性研究，研究其净化效果、抗春旱效果。
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城市污废水的利用还应防止带来面源污染的危害。1998年洪水期间，监测表明松花江水质比非汛期污染指数还高，说明该地区面源污染严重，洪水把农田中的残留农药、化肥以及湖泡湿地中的污染水带到了江河中。研究面源污染的防治，应从水土保持、合理施肥、防治污染湖泡水质和土壤等着手。
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4.结论
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松嫩平原水土资源潜力很大，进一步做好开发利用工作，该地区可建成农、林、牧、渔国家综合商品基地。在该平原洪、涝、旱、碱问题突出，并相互关联，需综合治理。要做好这些工作必须提高技术含量、加大科研力度，从保护生态环境、可持续开发利用资源、综合治理灾害的角度进行研究，为大灾后的恢复重建和今后的生产和减灾提供技术方面的帮助。
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中国主要产粮区洪涝灾害与粮食增产潜力
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1.主要产粮区农业资源与生产现状
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东北、黄淮海和长江中下游是我国农业及粮食生产的主要产区和国家重点开发建设的商品粮基地，其中东北的三江平原、松嫩平原和黄淮海的黄河、海河、淮河冲积平原以及长江中下游区的两江平原（江汉、江淮）、三湖平原（鄱阳湖、洞庭湖、太湖）又是三大粮食产区的最主要的地区。
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东北地区包括黑龙江、吉林、辽宁三省和内蒙古的东北部，土地面积95.8万km2，占全国9.98%，平原面积占全区土地总面积的48%。1996年全区人口10241万，其中农业人口占55.7%，耕地面积1651.7万hm2，占全国耕地的17.3%，人均耕地0.16hm2。
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全区人少地多，劳动力平均耕地1.01hm2。耕地土层深厚，自然肥力高，广阔连片，适合农业大型机械化作业。农业人口比重小，劳动生产率高，农作物以玉米、大豆、水稻为主，由于该地区冬季寒冷且时间长，农作物不能过冬，生长期短，只能一年一熟。1996年粮食总量7033.3万t，占全国总产量的13.9%，农业总产值2294.1亿元。全区人均粮食拥有量686.8kg，高出全国平均值276.8kg。其中黑龙江省是本区产粮大省，粮食产量3046.5万t，人均粮食拥有量845kg，是我国人均粮食拥有量的2倍多。
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黄淮海地区主要包括北京、天津、山东和河北、河南大部分及安徽与江苏的淮河以北地区，土地面积44.4万km2，占全国4.6%，平原面积32万km2，是我国最大的平原。人口密度为710人/km2，是我国人口密度最大的地区。1996年全区人口31521万，其中农业人口占79.6%，耕地面积2487.6万hm2，占全国26.1%。1996年全区粮食、棉花、油料产量分别为14362.2万t、185.3万t和808.3万t，分别占全国总产量的28.5%、44.1%和36.6%，农业总产值6802.1亿元，占全国总产值的29%，均居于全国首位。
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本区北部地势低洼排水不畅；中部受黄河泛滥影响，常有风沙危害；南部淮河平原砂姜土面积较多，土壤耕作条件差；东部滨海地区盐碱地分布广泛。由于本区工业发达、城市集中，农业用水受到限制，夏季易受黄河、海河、淮河洪涝威胁，春季河道水少，又经常发生旱灾，是我国遭受洪涝、干旱灾害面积最大的地区。
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长江中下游地区，主要包括上海、浙江、江西和湖南、湖北大部、河南南部、江苏、安徽淮河以南地区以及闽、粤、桂北部部分地区，土地面积97.9万km2，占全国10.1%。平原面积占1/3，主要分布在沿江地带，是本区农业生产的主要地区。1996年全区人口29703万，其中农业人口占73.2%，耕地面积1541.7万hm2，占全国16.1%，人均耕地0.052hm2。1996年全区粮食、棉花、油料产量分别为11900.2万t、114.4万t和700.1万t，分别占全国总产量的23.6%、27.2%和31.7%。农业总产值5839.1亿元，占全国总产值的24.9%。其中稻谷产量10451.8万t，占全国53.6%，是我国稻谷的主要产区。粮食和农副产品、水产品生产一直在我国有着重要地位，粮食和经济作物仅次于黄淮海区，居全国第二，农副产品、水产品居全国首位。
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1996年三大粮食产区粮食总产量占全国粮食总产量的66%，农业总产值占全国的63.7%，在我国农业发展和国民经济建设中起着举足轻重的作用。
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2.洪涝灾害制约粮食发展
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改革开放以来，我国农业在1978—1994年期间以平均5.69%的速度增长。1995、1996两年又连续获得丰收，1996年粮食产量50452.8万t，棉花420.3万t，油料2210.6万t，人均粮食拥有量突破400kg。然而，农业和粮食生产也受到许多因素的影响，其中洪涝灾害是影响我国农业和粮食生产的主要因素之一。
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三大产粮区地处我国江、河中下游，是我国洪涝灾害发生最频繁、受灾面积最广和经济损失最严重的地区（见表1）。1998年长江、嫩江、松花江发生全流域洪水，处在中下游的三大产粮区遭受到非常严重的洪涝灾害，损失尤其惨重，据有关部门统计，此次洪涝灾害受灾面积2100多万hm2，成灾1300多万hm2，绝收面积300多万hm2。
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表1 1993—1997年三大产粮区洪涝灾害损失基本情况
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除洪涝灾害的直接影响外，还存在北方涝碱相随、南方涝渍相伴的灾害特点；降雨的时空分布不均，往往造成旱涝的交潜出现。洪、涝、渍、碱、旱使耕地遭到破坏，形成大面积的中低产田，影响农业和粮食生产，对三大产粮区乃至全国的农业发展和国民经济建设产生巨大影响，尤其是对农业危害更为严重。
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3.粮食增产的潜力广阔
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三大产粮区农业发展优势明显、潜力巨大，其主要表现在以下几方面：
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（1）耕地多，土地综合生产力高。在全国24.7%土地面积上拥有全国59.5%的耕地，同时还有大面积的宜农荒地、洼地、河滩地和盐碱地可供改造开发；三大区粮食、棉花、油料产量分别占全国的66%、71.6%和70.7%，平均每个劳动力分别生产1864kg、16.8kg和87.6kg，比其他地区分别高出672kg、8.5kg和42.7kg，农业总产值占全国63.7%，是我国土地综合生产力和劳动力生产率最高的地区。
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（2）资源丰富，组合条件优越，适宜农作物的生长。长江、淮河平原是稻麦两熟或三熟地区，平均复种指数2.17，是我国复种指数最高的地区。东北区是水稻、大豆、玉米的盛产区，其中水稻、玉米是国际上质量最好的产品。黄淮海区处于之间，适宜多种作物生长，粮食、棉花、油料等产量均居全国前列。
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（3）地理位置优越。三大产区地处国民经济最发达的地区，交通、文化、科学技术的发达，有利于农业专业化商品生产的发展，资金、物资的投入有保证。同时，城市集中，人口多，粮食、油料等农产品的大量需求对发挥资源优势和农业、粮食生产有着巨大的推动作用。
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（4）发展不平衡，中低产田增产幅度大。在气候相似地区，农业发展极不平衡。如以粮食播种面积计算，东北区的吉林省每公顷平均粮食产量6419kg，而黑龙江省只有3916kg，相差2500kg；黄淮海区的北京、山东每公顷平均粮食产量为5559kg和5259kg，而河南、河北只有4283kg和3908kg，平均相差1000多kg；长江中下游地区的江西、安徽也比本区发达地方每公顷粮食产量相差1300～1900kg，比本区最高单产相差2200多kg。这主要是由于资金、技术、物资投入不足和农田水利基础设施建设跟不上，抵御自然灾害能力低，使各地区产生大量的中低产田。三大产粮区中低产田增产幅度大，如江苏淮北1996—1998年3年间改造中低产田20多万hm2，粮食生产能力增加了69万t，平均每公顷增加粮食生产能力3450kg。
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我国中低产田占全国耕地面积2/3，约6000万hm2，其中三大产粮区约占60%。根据经验，改造的中低产田每公顷可增产1500～3000kg。如果三大产粮区现有中低产田全部得到治理，粮食最低可望增产8800万t左右。其中三大产粮区未治理和中、低标准治理的低洼易涝、盐碱中低产田面积2000多万hm2，粮食最低可望增产5000万t左右，占全区粮食增产量的56.8%。通过防洪除涝工程的建设，一方面提高了易涝、渍、碱中低产田的粮食生产能力，同时使粮食避免或减少因洪涝灾害的损失。因此，三大产粮区防洪除涝工程设施建设的综合粮食增产量可望达到21世纪粮食增产1.4亿t的46.4%，是21世纪粮食生产再上新台阶的重要保证，它不仅对农业，而且对整个国民经济和社会发展都有着巨大的社会效益、环境效益和经济效益。
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参考文献
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[1] 孙颔等主编.中国农业自然资源与区域发展.南京：江苏科学技术出版社，1994.10
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[2] 中国农业科学院农业自然资源和农业区划研究所.中国耕地.北京：中国农业科技出版社，1995.8
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[3] 沈振荣、苏人琼主编.中国农业水危机对策研究.北京：中国农业科技出版社，1998.12
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[4] 国家计委国土地区司、国家计委国土开发与地区经济研究所.97中国地区经济发展报告.北京：改革出版社，1998.3
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[5] 吴方卫.增长的关键与关键的增长——也谈农业增长方式的转变.农业经济问题.1998年第1期，p42～p46
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[6] 张岳编著.中国水利发展战略文集（1979—1995）.北京：中国水利水电出版社，1995
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论21世纪主要产粮区防洪除涝减灾示范区建设模式
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1.示范区建设的必要性
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随着经济的发展，社会的进步，人民生活水平的不断提高，洪涝灾害对人身和财产安全的威胁也与日俱增，对防洪除涝体系的要求必将越来越高。近50年来，大规模的水利建设对于抵御洪涝灾害发挥了巨大的作用，但工业发展的同时，也使得人类赖以生存的资源环境日趋恶化，洪涝灾害日益加重。
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21世纪，在人口增加对粮食需求增长与洪涝灾害风险增长的双重压力下，如何保障粮食随人口的增加而相应增长，将是我国面临的巨大难题。为增补巨额的粮食差缺，解决日趋尖锐的人地矛盾，必须有步骤的建设持续稳定发展并能抵御相当程度灾害的农业生产体系，加强农业地区防洪除涝安全保障体系的建设，联合建立测、报、防、抗和救援的综合一体型减灾示范区，将是21世纪防洪除涝减灾的战略对策。
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我国东部粮食主产区的东北、黄淮海及长江中下游地区基本覆盖了从北至南不同的地域特点，这些地区位于江河的中下游，是我国农业生产的主产地，也是人口和经济密度较高的地区。据产粮区的潜力分析[1]，通过防洪除涝工程的建设，三大产粮区未治理和中低标准治理的低洼易涝、盐碱中低产田粮食每年最低可望增产0.5亿t左右，按现行粮价估算，相当于增加收入500亿元。另据历年洪涝灾害的统计，我国每年因洪涝灾害造成的粮食减产率约为5%，按示范区抗御洪涝灾害能力25%计算，相当于每年避免减少1.25%的粮食损失，如按目前粮食年产量5.0亿t计算，每年少减产粮食62.5亿kg，等于每年增加收入62.5亿元。以三大产粮区洪涝灾害损失占全国60%计，则三大产粮区每年因减少洪涝灾害损失所增加的粮食收入约为38亿元。如果再计入因洪涝灾害造成的人员伤亡、房屋倒塌和社会救济等一系列社会经济问题，经济效益将十分可观。其中东北的三江平原、黄淮海的淮河中下游平原和长江流域的中下游平原又是三大粮食产区的精华所在，在这些区内选择优势潜力大、洪涝灾害严重、且具有一定代表性的地区建成防洪除涝示范区，对于推动21世纪防洪除涝减灾事业的全面发展有着重要的意义。
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2.建立防洪除涝多维减灾模式
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2.1 加强超前期洪涝灾害的理论研究
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洪涝灾害具有明显的地域性规律，其危险程度则是自然因素和社会因素统一作用的结果。通过对洪涝灾害类型、成因、发生频率与强度、减灾过程与特点、发展趋势预测等的分析，并结合社会经济发展的致灾作用与对策，研究在现状工程条件下不同频率洪水可能造成的经济损失以及随工程条件变化的适时修正。
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2.2 建设现代化的高效的农村防洪除涝组合工程
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目前的防洪除涝工程效益衰减，抗灾能力减弱，已不能完全适应21世纪农业持续发展的需要，建设高效的防洪除涝工程示范样板，以适应持续的生态农业发展需要，并带动促进其他地区减灾的发展，实属必然。示范区工程建设应以综合治理为原则，减除洪涝灾害为目的，将立足于以下几个环节：
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（1）调查及评价示范区或邻近地区的洪涝灾害治理措施、经验及存在问题，为工程建设或完善现有工程提供指导，以便少走弯路。
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（2）结合示范区洪涝灾害风险分析，制定地区土地规划，确定防洪除涝工程标准和适宜的工程形式与规模。
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（3）根据洪涝渍害相伴相随的特点，研究满足洪涝渍兼治、连续控制排涝标准要求的设计新技术。
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（4）建立桥、涵、闸、站全面配套，田、林、路、村综合治理的工程体系，使田块平整成方，路林沟渠成网，泵、站、闸、函达标，搞好村级绿色覆盖面积，保持一个良好的生态环境。
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（5）塘坝沟渠相结合，达到“排蓄用”相结合的目的。因地制宜调整农业种植结构，低洼易涝地区种植耐淹作物，搞渔农结合，以鱼塘调节涝水，挖塘垫田。
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图1 示范区防洪除涝的多维减灾模式
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2.3 防洪除涝安全保障体系建设管理的决策支持系统
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针对农村洪涝渍危害持续时间长、影响面积大以及防洪除涝工程多、小、散的特点，为了既减少农田洪涝灾害损失，又避免人为增大河道洪峰流量，抬高河道水位的趋向，需对防洪除涝体系进行统一调度和管理，制定工程运用管理操作规则和控制运用管理模式，并达到预测和评价的目的。
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2.4 预警预报系统是防洪除涝的先导性措施
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目前，遥感等空间技术、水情自动监控技术和信息技术的发展，在现代化的农村防洪除涝安全保障体系的建设中，已愈来愈发挥着应有的作用。利用现代化的空间技术和信息技术，可以对洪涝灾害进行动态监测，从而进行预警和预报，帮助指挥部门作出辅助决策，并及时有效地组织抗灾行动。
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2.5 加强洪涝灾害风险管理的政策法规研究
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除预警预报，决策支持系统和风险管理外，洪涝灾害政策法规研究对防洪安全、社会安全和减轻国家负担有着重大意义。洪水保险是减轻农业损失的有效措施，它是一种社会共济形式，是保障灾区及时获得必要经济补偿的有效途径，它可以使灾区尽快恢复农业生产，同时减轻国家救济负担。以示范区为对象，探索一套适合我国国情、易于为群众接受的洪水保险形式和方法，并建立一套灾后救济政策、减灾技术开发与推广政策、灾害教育与宣传政策、投资与费用分摊政策、灾害系统管理与组织的规章和政策等，结合国情，与已经行之有效的农村政策相呼应，形成较完善的农村防洪涝减灾政策体系。
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2.6 发挥示范工程的整体效能，加快各项技术的推广
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示范区应建立一套规范的科学管理体制及一支完善的技术管理队伍，从地区规划、示范区建设实施、工程运行调度管理、各项技术措施的联合运用等都要有明确的责任分工。加强已建工程的定期检查和维护，协调地区“排蓄用”水的矛盾，强化地方人员的技术培训，从根本上提高人们的减灾意识。示范区建设要体现两个结合，即点和面、科研和生产的结合，对于已成熟的实用技术和典型经验，要抓好面上推广工作；对于未成熟的技术应巩固提高，使其不断深化完善。各项技术研究以实用性、易于操作及推广为原则，逐步建立预测、评估、决策、调控为一体的农村防洪除涝减灾保障体系，为农业生产提供信息、技术、保障一条龙服务。
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2.7 提高江河防洪能力，确保农村防洪除涝体系的安全建设
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我国近年大量的防洪建设，包括大规模加高加固堤防，蓄洪垦殖和加强电气排灌，促使上中游洪水能更迅速从中游下泄，而古代赖以调蓄江河水量的湖泊却日益被泥水淤寒，如长江中下游湖泊面积比新中国成立初期减少50%，与新中国成立初期相比，湖泊调蓄洪水容积减少300亿m3，造成汛期长江中下游干流水位抬高，使中下游湖泊区洪水及平原区支流洪水下泄困难。支流湖泊日减的调蓄能力，应付本水系的洪水已感吃力，更难以调蓄干流洪水，导致区域性涝灾频繁。湖泊的日益淤积，使得围湖造田成为必然，造成持续的恶性循环。21世纪的防洪除涝减灾是一个统观全局的综合防洪涝体系，提高江河的总体防洪能力，是确保农村防洪除涝体系安全建设的基础。
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江河防洪建设既要考虑经济增长的迫切性，又要实现可持续发展这一战略，任重而道远，当务之急应抓好几方面的工作：一是加大对水土流失的治理力度，防治新的水土流失；二是加快防洪设施建设速度，使防洪标准与经济发展需要相协调；三是加大依法治水的力度，以法律为依据，加强政府宏观调控，健全法规和政策，规范防洪减灾活动；四是加强管理，提高防洪减灾的管理水平和质量，最大限度地减轻洪水灾害造成的损失，保障社会进步，促进经济发展，使人民安居乐业。
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3.分区减灾特点和对策
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3.1 三江平原
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三江平原由黑龙江、松花江和乌苏里江冲积而成。该区地势低平，透水性差，多碟形浅洼地，广泛分布着沼泽化湿地，素有十年九涝之说。一年秋涝两年成灾，涝灾不仅影响农作物生长，而且机具下不了地，使庄稼收不回来，秋雨封冻又导致翌年春涝。
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该区主要土壤类型有沼泽土、沼泽化草甸土、泥炭土、水稻土和白浆土等。土壤特点之一是有机质含量高，一般2%～5%，最高可达30%以上，超过全国其他地区。地表水和地下水资源都比较丰富，但开采利用率并不高。河川径流年际变化十分显著，最大、最小一般相差20余倍，这是造成年际间旱涝不均的重要原因。夏季汛期积水易涝，积水退除之后，由于地下水位高，比降缓，自然降落缓慢，易出现渍害，同样给农作物带来威胁。因此，涝渍是形成该区的主要农业灾害，遇丰水年和枯水年，也有洪水和旱灾的威胁。
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针对旱涝不均的特点，又要在涝渍治理基础上，发展灌溉。因此，示范区模式应侧重以排为主，提高现有工程的排涝标准，搞好骨干、田间明暗排水系统和灌溉工程系统的配套；同时以排蓄灌相结合，优化农业种植结构，将低洼易涝地发展为水田，利用机井提取浅层地下水，灌溉水稻和部分旱作物，达到井灌井排、以稻治涝目的，利用水稻适应低洼易涝的沼泽化生态环境。
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3.2 淮河中下游平原
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淮河中下游平原易受洪涝危害，同时存在洪、涝、渍、碱、旱等多种危害。该区低产的主要原因有自然环境条件因素，也包括土壤本身的因素。河间平原区地势平缓，地下水位浅，分布着大量砂姜黑土。砂姜黑土的主要特性是僵、瘦、易涝、易渍、易碱、易旱，因此治理洪涝渍的同时，也要增肥改良土壤，实行农林牧结合，才能促进农业综合生产能力的提高。在治水指导方针上，可采取多种措施，如提高淮河干支流的防洪排涝能力，完善田间排水系统；以水治水、排蓄并重；适应种植，促进土地涵养，协调土壤水肥状况等。
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3.3 长江中下游平原
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长江中下游平原雨量充足，膏壤沃野，田畴纵横，作物种类繁多；而且江河交织，湖泊众多，水产丰富。该区汛期6～9月来水峰高量大，延续时间长，积水排泄困难，是我国洪水、内涝最严重的地区。
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长期以来人们筑堤围垦，形成水网圩区。圩区一般地势低洼平坦，汛期江湖水位高出两岸农田，农业生产和人民生命财产完全依赖堤防保护。当地暴雨径流因河道纵坡平缓，排水能力有限，加之受外江（湖）洪水顶托，不能及时外排，往往形成涝渍灾害。大水年份，常因洪水超过河道宣泄能力而破堤，造成洪灾。由于圩垸的过度发展，也带来新的水利问题。随着农田耕地扩展和建设占用土地，湖区面积逐渐缩小，湖泊对洪水的调节作用下降，蓄滞洪涝作用衰减，降低了排泄能力。造成这一被动局面，除江河来沙的自然淤积外，人为促淤围垦也是重要原因。因此，改垦湖成田为退田还湖是今后治理水患的根本方向。与此同时，完善圩田的排灌水利措施，提高水量的优化调配和安全调度运用，也势在必行。在以往的洪涝渍治理中，该区积累了丰富的经验，如采取等高截流，分片排涝，力争自排，辅以抽排，留湖蓄涝，排蓄结合等排灌措施。今后治水的侧重点是加强地区的综合规划，协调各水系关系，并以层层治水为突破口。
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另外，滨海圩区受咸水影响的农田土壤含盐量高，在这些地区，一方面要求防止咸水危害，控制土壤返盐；一方面需要拒咸引淡，淡化地下水，同时解决农田灌溉和人畜饮水问题，实现圩区综合治理。
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参考文献
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[1] 李福祥、王少丽.中国主要产粮区洪涝灾害与粮食增产潜力.中国减灾，2000年第10卷第2期，22～24
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[2] 张岳编著.中国水利发展战略文集（1979—1995）.北京：中国水利水电出版社，1995
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[3] 孙颔等主编.中国农业自然资源与区域发展.南京：江苏科学技术出版社，1994.10
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[4] 施雅风等主编.中国自然灾害灾情分析与减灾对策.武汉：湖北科学技术出版社，1992.10
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[5] 范文涛著.江汉平原湿地农业生态经济发展研究.武汉：湖北科学技术出版社，1995
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田间灌排技术
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（一）地面灌溉
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地面灌水技术的评价与节水潜力
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1.我国地面灌水技术现状
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我国现有灌溉面积0.497亿hm2。据1992年统计，全国共有节水灌溉工程面积0.133亿hm2，其中喷灌面积80万hm2，微灌面积3.33万hm2，低压管道输水灌溉面积266.7万hm2，渠道防渗长度约55万km，控制灌溉面积980万hm2。可见有田间控制灌溉设施的仅为83.33万hm2，占灌溉总面积的1.7%，也就是说，我国98%以上的灌溉面积仍采用地面灌溉方式。
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地面灌水技术在旱作地区大多采用畦灌和沟灌的形式，在西北、华北地区，采用传统的大畦、长畦地面灌溉方式还相当普遍，管理粗放，沟渠规格不合理，田间水的浪费十分严重。如豫东平原井灌区的畦田，畦长小于50m的只占9.1%，超过100m的占45%，平均为100m；畦宽小于4m的只占14%，大于6m的占34%，平均为6m。田间水的利用率只有0.5～0.7左右。西北不少地区仍沿用大畦大水漫灌的旧习，水的浪费更为严重，节水潜力很大。
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沟灌适用于宽行距中耕作物，如棉花、玉米等。目前我国各地灌水沟长度在砂壤土时为30～50m，黏土时为50～100m。入沟流量一般为0.5～1.5L/s，沟距50～80cm，应土壤质地而异。因此，沟灌使地面灌溉中较好的一种方法，能控制较小的灌水定额，沟灌一般比畦灌省水30%左右。目前在井灌区，还采用细流沟灌，一般每条沟流量控制在0.1～0.5L/s以下，沟长20～50m，沟的深度为15～20cm，宽度30～40cm。
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综上所述，无论是沟灌或畦灌，为了能实现定额灌水，都必须正确控制进入沟、畦的流量和灌水时间。我国目前多采用人工开口放水入畦（沟），入畦（沟）流量难以控制，常因水流冲大放水口造成漫灌，浪费水量。当前我国地面灌溉存在的主要问题是：
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（1）灌溉均匀度低。畦灌进地流量过小，畦块过长过宽，比例不当，造成水流推进缓慢。
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（2）田块地面高低不平，水流推进慢；有的地尾反坡较大，造成壅水，影响了灌溉效果。
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（3）灌溉管理粗放，田间跑水、漏水现象严重。
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由于这些问题的存在，使得地面灌田间水的利用系数只有0.5～0.7，也就是说，我们通过防渗渠道或管道引来浇到畦田里的水有一半左右是白白浪费掉了。田间水利用率低，深层渗漏损失严重，造成肥料和农药的流失，地下水污染日趋严重；并导致地下水位上升，渍涝盐碱加重，水环境日趋恶化。
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地面灌溉不仅是发展中国家广泛应用的灌水技术，在发达国家也是主要的灌水方法。如美国，1997年地面灌溉面积仍占总灌溉面积的50.7%。随着土地集约化规模经营的发展，大型农业机具的使用以及激光平地技术的应用，使得地面灌溉在灌溉均匀度和灌溉效率两方面都有很大提高。计算机技术在地面灌溉管理和设计中的应用，为改进地面灌溉提供了更有力的工具。同时一些先进的地面灌水技术，如波涌灌溉技术、水平畦田灌溉技术和田间闸管系统等，在发达国家得到广泛应用，取得了显著的节水效益。
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我国对改进地面灌溉技术的研究近年来已受到有关部门的重视。20世纪80年代开始进行了波涌灌溉技术的田间和室内实验研究，取得了丰硕成果；“九五”攻关计划“节水农业技术研究与示范”项目列有改进地面灌水技术研究专题，在波涌灌控制设备、土地平整技术等方面取得了可喜的进展；中国水利水电科学研究院与欧洲经济共同体合作项目“华北平原农业持续发展水土资源管理研究”对改进地面灌水技术进行了系统研究，本文资料即来源于此研究。
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2.地面灌溉系统的评价方法
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2.1 基本参数测定
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2.1.1 畦田几何尺寸
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包括畦块的长度、宽度以及畦田微地形。其中畦块的长度和宽度一般由农民根据农业生产条件确定；畦块内微地形的变化，反映地面的起伏状况，可采用畦块内数个测点的相对地面高程来描述。图1给出了畦田微地形的两种典型情况。
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图1 两种典型微地形情况
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2.1.2 入畦流量
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入畦流量采用便携式改进宽顶堰测量。流量观测从畦块进水开始，直到停水。
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2.1.3 推进时间和消退时间
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推进时间反映水流从畦首到畦尾的运动特征，而消退时间则反映水流在畦块内聚集和入渗，直到从地面消失的过程。图2给出了对应两种典型微地形条件下的水流推进和消退曲线。
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2.1.4 土壤含水量
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灌前土壤含水量反映土壤中可被作物利用的水量，根据此值可确定灌溉时作物需水量。灌后24h土壤含水量可用来确认灌水量是否过大，进行灌溉效果的评价。
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2.1.5 入渗试验
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根据田间入渗试验求得土壤入渗参数。田间入渗实验采用双环实验法及池田入渗法。土壤入渗特性由Kostiakov公式描述：
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Z=Kατ （1）
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其中：Z为累计入渗深度（mm）；α为经验参数；K为经验参数（mm/hα）；τ为入渗受水时间（h）。表1中的结果反映田间入渗参数的变化范围，可以作为反求法推算入渗参数的初始值。
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图2 两种典型微地形条件下的水流推进（）和消退曲线（·-·-·）
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表1 根据田间入渗实验求得入渗参数
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2.2 评价指标的确定
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地面灌溉特性的评价指标为灌溉均匀度DU和灌溉效率E。灌溉均匀度反映了地面灌溉系统的特性，它取决于所采用的灌溉系统的自然特性；灌溉效率则体现了地面灌溉过程中的管理特性。定义如下：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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其中：Z为畦田1/4面积上的平均入渗水深，这部分畦田的入渗水深值小于畦田其他部分的入渗水深值（mm）；Z为畦田中平均入渗水深值（mm）；Z为灌溉时作物需水量（mm），根据灌溉制度确定，参见表2。
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表2 冬小麦生长期内4次灌溉的平均评价结果
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2.3 地面畦灌特性评价
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根据上述田间基本参数测量要求，对冬小麦3个生长期进行了田间评价，取得了大量实测资料。在此基础上，应用地面灌溉模拟模型SRFR进行了资料分析，并按照式（2）和（3）对地面灌溉特性进行了评价。表2给出了冬小麦生长期内4次灌溉的平均评价结果。
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由表2可得到以下看法：
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（1）灌溉均匀度可达到较高值，4次灌溉的变化范围在84.4%～89.7%，稳定性较好。
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（2）灌溉效率除灌浆水外，其余3次灌溉均较低。冬灌为小麦生长期内头次灌溉，播种前土地耕翻使得土壤入渗能力加大，若田间灌溉管理较差，很容易造成灌水量浪费。返青水时的Z和Z值与冬灌相比，表明田间管理有所改善，但与Z值相比，仍大大超出。孕穗水的情况与返青水类似，虽然此时Z值较高，但由于Z值最大，仍造成较低的灌溉效率。灌浆水期间的灌水质量较高，原因在于相对较低的土壤入渗性能和较高的Z值。
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（3）小麦全生长期灌水量为545mm，而需水量为330mm，总灌溉效率仅为60%，可见改进地面灌溉具有较大的节水潜力。
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3.地面灌水技术的改进
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3.1 影响地面灌溉特性的技术要素
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灌溉均匀度DU和灌溉效率E可表达为如下技术要素的函数：
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DU=f1（q，L，n，S0，Ic，F，tco
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E=f2（q，L，n，S0，Ic，F，tco，SMD） （4）
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其中：SMD=（θ-θ）RD （5）
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式中：q为入畦单宽流量：L为畦长；n为曼宁系数；S0为畦田微地形条件；Ic为土壤入渗参数；F为畦田横断面参数；tco为灌溉供水时间；SMD为灌溉时土壤水分亏缺值；θ为土壤田间持水量；θ为灌溉时土壤含水量；RD为根区深度。
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上述众多因素中，有些与灌溉系统设计有关，有些则与田间管理活动相连。通过对田间实测资料的分析，得到影响灌溉特性的主要因素如下：
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（1）入畦单宽流量q：较大的q值意味着较快的推进过程，有助于获得较好的灌溉特性。畦田宽度是控制q值大小的主要因素。
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（2）畦田长度L：畦田较长时，微地形条件的影响更为显著。
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（3）微地形条件：畦田的平整度对提高灌溉效率影响极大，较高的地面平整条件，将获得较高DU和E低。
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（4）入渗参数：入渗参数对DU和E都有影响。入渗参数值较大时，需要的灌溉供水时间t也较长，在田间管理水平较低的情况下，极易造成DU和E。值的降低。
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3.2 地面灌水技术的改进
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3.2.1 畦田微地形的改进
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改进前后的微地形条件见图3。
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图3 NSD畦田改进前后的微地形条件
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由图3知，改进的要点是消除畦田尾部存在的地面反坡。地尾反坡消除后的节水效果非常显著，对入畦单宽流量不大的井灌区尤为重要。在入畦单宽流量约为3L/（s·m）的情况下，仅消除地尾反坡，冬小麦全生长期可减少灌水260mm，节水50%左右。
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3.2.2 畦田长度与入畦流量的影响
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对应畦田长度为40m、55m、70m，选择4种不同的微地形条件进行评价，取得了大量不同畦长、不同单宽流量、不同微地形条件下的灌溉特性资料。上述不同条件对DU和E影响的分析表明，当地面平整度难以改善时，地面畦灌的灌溉特性可通过缩短畦田长度（如L=40m）和增大入畦单宽流量（如q=4L/（s·m））得到提高。在同样微地形条件下，当q=2L/（s·m）时，如果畦田长度为70m、55m、40m，则整个生长期内总灌水量分别为530mm、489mm、429mm；而当q=4.5L/（s·m）时，则整个生长期内总灌水量降低到455mm、404mm、381mm。
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3.3 改进地面灌水技术的建议
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3.3.1 畦田长度
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田间评价和模拟计算均表明，畦田长度对灌溉特性和整个生长期内的总灌水量都有影响。当地面平整度为一般时，推荐的畦田长度为50m；当地面平整度很差时，推荐的畦田长度为40m；超过70m的畦田长度不予推荐。
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3.3.2 畦田宽度和入畦流量
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单宽流量为4L/（s·m）时可获得较好的灌溉效果，对应华北井灌区机井出水量一般在10L/（s·m）左右这一条件，推荐的畦田宽度为2～2.5m。
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3.3.3 微地形条件
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应尽可能的减小畦田内地面起伏，消除地尾反坡，创造良好的水流推进条件。在经济条件较好的地区，应考虑应用高精度的激光平地技术。
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3.3.4 提高田间管理水平
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在田间这一层次，要按照每次灌溉的需水量，根据系统特性，控制田间灌溉供水时间t，避免过量灌水。
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表3 改进后的灌溉特性及节水量
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上述改善措施的应用，将大大提高现有灌溉系统的灌溉特性。对改善后的条件进行了模拟，采用的模拟参数为：畦田长度L=55m；入畦单宽流量q=4L/（s·m）；畦田宽度W=2.2m；微地形条件为较平整。表3给出了模拟结果，并与现有条件下的平均结果进行了对比。结果表明：整个生长期内总灌水量得到降低，可节水138mm，整个生长期内的总灌溉效率高达81%。
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参考文献
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间歇供水条件下考虑土壤水滞后作用的水分入渗数值模拟
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1.数值模型及定解条件
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在以畦灌为地表边界条件模拟土壤水分入渗过程中，考虑到灌水对表层土壤的入渗在一定面积内均匀分布，故可视入渗为一维垂向水分运动，忽略土壤水分在水平方向上的交换。数值模型的水流控制方程为Richard′s公式：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 h——压力水头；
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C——比水容量；
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K——非饱和导水率。
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间歇供水条件下，模型的定解形式如下：
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初始条件：h（Z，0）=h0（Z）t=0，≥0
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上边界条件：间歇供水期内h（0，t）=0 t＞0，Z=0
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间歇断水期内
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t＞0，Z=0
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下边界条件：
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t＞0，Z=L→∞
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2.土壤的水力特性参数
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数值模拟的准确性取决于土壤的水力特性参数，包括土壤水分特征曲线θ（h）和非饱和导水率函数K（θ），目前，普遍采用由土壤持水试验结果来估算参数的方法，该法建立在统计孔隙尺寸分布假设上（Mualem，1976），其中VG模型（Van Genuchter，1980）以其函数在整个非饱和域内呈连续分布状态而尤被重视。该模型函数形式如下：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 h——压力水头；
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θ——体积残余含水量；
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θ——饱和含水量；
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K——饱和导水率；
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α——形状参数；
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n——土壤孔隙尺寸分布的特性参数；
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m——参数，通常m=1-（1/n）；
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λ——指数，常采用λ=0.5。
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VG模型中的θ和K可由室内实验直接测定，其余3个独立变量（θ，α，n）的估值利用最小二乘法曲线优化拟合得到，其中θ也可用土壤的风干含水量作为近似估值。
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利用室内负压计法，分别测定吸湿和脱湿状态条件下，来自田间原状土样的土壤持水数据（θ，h），经VG模型拟合优化后的结果见图2。
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表1 VG模型拟合优化结果
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图1 土壤水分主脱（吸）湿特征曲线
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图2 土壤非饱和导水率曲线
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图2看到两者间的变化趋势相同，差异较小。上述结果表明采用VG模型描述土壤水力特性、估算特性参数是可行的，有较好的精度。
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3.土壤水滞后作用
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在土壤处于排水——吸水的多次循环状况下，土层剖面的水分运动在多数时段内将发生由部分湿润（干燥）到部分干燥（湿润）的交替变化过程，因而在数值模拟过程中应考虑土壤水分滞后效应的影响。
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考虑水分滞后作用的计算方法目前大致分为两类。一类为经验法，即当土壤水运动转入扫描状态后，不论何次扫描，其扫描曲线均简化为一根横跨主脱湿与主吸湿线间的直线。另一类属于理论法，kool和Parker（1987）提出了能推算任一扫描阶段的曲线计算式，所需数据仅限于主脱湿线和主吸湿线的函数形式，并分别用上标d和W表示：
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主脱湿线
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农业高效用水灌排技术应用研究
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主吸湿线
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中的θ——充分饱和时的含水量；
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θ——风干土壤重新吸湿所能达到的最大含水量。当土壤中无空气存在时，
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θ，否则，θ。
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在扫描曲线计算中，先计算模拟区域任一结点处的残余含水量或饱和含水量的估值，然后直接代入主脱（吸）湿函数式（4）和（5）中得到脱（吸）湿扫描曲线，式（4）、（5）中的参数（α，n，m）和（α，n，m）在脱（吸）湿曲线函数中保持不变。
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对于吸湿扫描曲线（结点由部分脱湿转向吸湿），任一结点处的残余含水量估值θ，为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式（6）中h和θ分别是结点在吸湿时的压力水头和含水量。
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对于脱湿扫描曲线（结点由部分吸湿转向脱湿），任一结点处的饱和含水量估值为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式（7）中h和θ分别是结点在脱湿时的压力水头和含水量。
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在脱（吸）湿扫描曲线交替变化中，饱和含水量的变化范围始终在θ～θ内，且经多次脱（吸）湿循环后将收敛到θ。
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在使用上述计算方法模拟土壤水分滞后效应时，必须在每个时间步长间隔处估测土壤剖面各结点的脱（吸）湿状态，以便计算相应的脱（吸）湿扫描曲线。这样在模拟计算中，将在各结点处设置一个整数值k，称为滞后指数，当结点处于吸湿状态（hi+Δt＞h），k为+1，脱湿时（h+Δt＜h），k取-1。这种检测可以保证每个结点在脱（吸）湿状态交替变换过程中，采用相应的扫描曲线来描述各自的水分运动特征。
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4.间歇供水下土壤入渗分布过程的模拟
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为描述间歇供水时土壤入渗的分布过程，分析各间歇周期内土壤入渗的变化规律，在相同净灌水历时的前提下，模拟计算连续灌与间歇灌二种情况。计算中采用上述有关轻壤土的水力特性参数，饱和含水量（θ=O.411）和饱和导水率（Ks=9.49cm/d）由室内试验得出。计算结果及部分入渗分布过程见表2和图4。
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表2 模拟计算结果
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图3 连续灌（60min）和间歇灌（2×30min）下的表层土壤入渗过程和累积入渗量
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表2表明在土壤剖面初始含水量相同时，相等净灌水历时内，间歇灌下的土壤入渗量大于连续灌时的相应值，且随着净灌水历时的延长，间歇次数的增加，两者间的差值呈加大趋势。从图4清楚地表明，随着间歇供水次数的增加，各供水期来临时的土壤初始入渗率的瞬时上扬将由于表层土壤湿度增加而减小，但却始终高于连续灌下相应净灌水历时的初始入渗率。
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图4 连续灌（180min）和间歇灌（4×45min）下的表层土壤入渗过程和累积入渗量
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上述模拟计算结果及入渗分布过程的分析表明，在间歇供水条件下，受表层土壤水力边界条件发生干湿交替性变化的影响，断水期间土壤剖面水分的重新分布以及水势梯度的改变，在不考虑土壤物理结构发生变化的前提下会造成表层土壤的入渗率瞬时增大，入渗量增加。
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5.室内间歇入渗实测值及与模拟值的对比
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室内间歇入渗试验在直径12cm、高100cm的土柱上进行。土壤为轻壤土（γd=1.5g/cm3），相应的水力特性参数及θ、K值同前。土柱的剖面初始含水量θ0（Z）=31.4%。间歇供水采用马氏瓶控制并维持土柱表面有一微小恒定水头，使表层土壤接近饱和。断水期开始，少量地表积水被迅速抽出以满足模拟计算要求的上边界条件。由于土柱直径较小，间歇入渗可视为一维垂向单点入渗。表3给出室内间歇入渗实测值及与模拟结果的对比分析。在连续和间歇灌水状态下，入渗模拟值与室内试验实测值之间具有较好的吻合度，相对误差较小，这说明模拟计算方法能用来准确地预测和估算不同供水条件下的表层土壤入渗量。表3中，相对误差=（1-模拟/实测）×100%。
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表3 室内实测入渗值及与模拟结果的对比分析
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6.讨论和结论
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间歇入渗的表层边界条件将改变土壤的物理结构形状，使得土壤物理性质发生变化，造成土壤垂向入渗性能减弱，水平界面糙率下降等一系列“间歇效应”现象。目前普遍公认造成这种现象的原因大致归结为：（1）表层土壤固结。间歇供水引起土壤吸湿产生团粒体崩解，进入排水脱湿阶段，受重力和负压的双重作用，崩解的土粒加速沉积且相互间形成高度犬牙交错的片状层，导致土壤大孔隙数量减少、干容重增大，饱和导水率下降，入渗性能减弱；（2）地表致密层。水中悬浮颗粒和挟带的细沙粒在水流消退期间发生沉积并填充表土的孔隙，致使地表固结层更加光滑致密，减小地表糙率和入渗能力；（3）封闭气孔。间歇供水使表层土壤密度增大，排气通道大量堵塞，下层土壤内的气泡难以逸出而形成封闭气孔，降低了土壤水分运动的有效孔隙率，加长了渗径，减少入渗梯度，入渗能力下降。
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由本文的间歇入渗分布过程分析和入渗计算结果以及上述产生“间歇效应”的原因分析中可以看到，在间歇灌的停水消退期间，表层土壤剖面水分运动状况的改变将造成土壤入渗率增大，产生有利于增强土壤入渗能力的初始水分条件。而同时土壤固结现象的存在，地表致密层的形成又导致土壤密度增加、干容重增大、饱和导水率减小，形成减弱入渗性能的土壤物理条件。对同质土壤影响其入渗性能的因素主要取决于剖面初始含水量分布和土壤密度，为此模拟间歇供水入渗过程中要考虑这两种作用，尤其要重视土壤物理结构变化对入渗过程的影响作用，然而与大多数非饱和土壤水运动模型相同，本文使用的模型亦基于把土体看作为刚性多孔介质体的假设上，模拟中虽能够较好地体现出土壤水分状况改变对入渗的影响，但却由于模拟技术的不足未能考虑土壤物理结构性能的变化，致使模拟计算结果及结论与田间现场试验结果（土壤入渗能力削弱，下渗量减小）不符。这说明当采用一维垂向非饱和土壤水运动模型来模拟描述间歇供水条件下的表层土壤入渗分布过程时，应改进模拟技术使之能反映出土壤物理结构变化所带来的影响作用。从而得到真实的结果结论。
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此外从室内土柱入渗试验结果（表3）看到，间歇入渗实测值均大于相同净灌水历时下连续灌的相应值。其原因在于间歇停水消退期内的土壤固结程度取决于灌前含水量，灌前表层土壤愈干，灌后土壤团粒体的崩解效果愈明显，土壤固结度愈大，则“间歇效应”愈强。但试验中土柱的灌前初始含水量达到31.4%，造成断水期间土壤固结强度较小，效果不明显。其次由于土壤较潮，按实测干容重装填土柱时，大孔隙数量减少，微孔隙比重增大，都会削弱“间歇效应”的效果。最后试验土柱的尺寸规格虽能满足一维垂向单点入渗的模拟假设条件，但在一定程度上却无法再现田间原状土壤的真实状况。以上原因使得间歇入渗试验过程中土壤的物理结构形状变化较小，土壤密度变化不大，支配入渗过程的主要因素来自表层土壤剖面水分的变化。
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参考文献
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波涌灌控制阀及自控器的研制
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1.波涌灌溉设备的构成
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1.1 波涌灌控制阀
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考虑到灌区自动化灌溉需要，研制的波涌灌控制阀采用双向开关结构来切换水流推进方向，根据自控器指令实现对供水过程的间歇控制，特别是在无人值守状态下，灌溉结束后能迅速自动切断水流，避免过量灌溉引起的浪费。控制阀目前由铁质材料做成，主要组成构件包括：阀体、阀门和减速箱。
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阀体结构类似于三通，由三段直径为200mm（8″）的铁管组合连接而成，一端与水源相连，两端为出水口。阀门为带有周边止水垫圈的圆形闸门，其中中轴上下两端经止水轴承分别与阀体和减速箱连接。受减速箱控制，闸门环绕中心轴作直角旋转，实现水流开启和关门状态。密闭的减速箱被固定在阀体两侧，并通过中心轴与闸门相接。箱内装有：（1）传动机构，考虑到蜗杆传动具有工作平稳无噪声可自锁等优点，本设计中采用普通圆柱蜗杆传动及蜗轮减速；（2）驱动器，用来控制阀门启闭的微型直流电动机；（3）定位器，由光控管和光控板组成，旨在确定阀门的启闭状态；（4）减速器，将高速运转的电动机（3000r/min）转速通过两级减速降至10r/min左右，再驱动阀门；（5）缓冲器，防止电机过载和保证阀门的闭合状态。
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1.2 自动控制器
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自控器是波涌灌溉系统的控制中心，控制电路板及软件是控制器的核心部分，它接受人工输入的参数，对波涌阀发出操作指令，实现闸门的交替启闭。闸门位置由光电管定位，控制器接收到光电管信号后，决定是否启闭电动机。自控器主要由下述部分构成：
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主控部分 采用89C518位微控制器为核心，附设键盘及显示器组成。键盘用来设置系统时间、起始时间、每次灌水时间、间歇时间和波涌次数等。这些输入参数被自动保存，电源关闭或掉电也不丢失。显示器由6位LED数码管组成，显示参数及工作时间状态，由于采用了扫描方式降低了功耗，系统时钟为24h制，采用后备电池，关机后时钟仍正常工作。
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电机控制部分 由74LS07驱动4组继电器，推动左右两闸门的电机转动，不工作时电机两端接地，电机正转时，左端接+6V，右端接地，反转时，则左端接地，右端接+6V。
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位置传感部分 由4组光电耦合器组成，分别指示两个闸门的开关状态，并将接收信号传回主控部分。
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电源部分 由太阳能电池板、4A·h/6V蓄电池和低压差抗电源反接稳压器件LM2940组成。平日太阳能电池板对蓄电池浮充，波涌灌系统运行时，蓄电池为设备提供电源并经LM2940稳压后供给主板。考虑到非常情况，电源也配置了交流充电系统。
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功能选择部分用“控制方式”按钮选择波涌阀运行方式，控制器能分别控制左阀、右阀或双阀，实现全关、全开，单阀交替运行等功能。
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控制器的应用操作，包括参数设置和自控运行两部分。自控运行是在接受到一些基本输入参数后，经控制程序运算，由控制中心发出指令自动完成。参数设置的操作过程如下：（1）打开电源，控制器自动将波涌阀复位——左右阀门同时关闭；（2）选择“控制方式”，确定波涌阀的工作状态，选项有左阀、右阀、双阀；（3）选择“系统时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”调整系统时间；（4）选择“启始时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”调整波涌灌溉事件的起始时间；（5）选择“灌水时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”确定单次波涌灌溉水流推进时间；（6）选择“间歇时间”，用“小时/分/秒”按钮选择时间对象，用“+”、“-”确定单次波涌灌溉停水时间；（7）选择“波涌次数”，用“+”、“-”调整波涌次数，每按一次“+”在秒的数码管上加1，最大到99，每按一次“-”在秒的数码管上减1，最小到0。
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以上设置完毕后，控制器进入自动工作状态。要说明的是，双阀控制指“左开右关”或“右开左关”的交替工作状态，当“间歇时间”大于等于“灌水时间”时，在一个循环周期末，两阀将同时关闭，关闭时间为“间歇时间”减去“灌水时间”，之后进入第二轮循环工作状态；当“间歇时间”小于“灌水时间”时，双阀无法同时工作，此情况下，只能单阀运行。无论什么时候，一旦按下“系统复位”键，波涌阀左右阀门将同时关闭，本次灌水至此终止。
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1.3 控制阀与自控器的连接
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为使用方便，避免非法或误操作，控制器和波涌阀的接口采用工业化标准，二者间的连接只需使用电缆线对插即可（惟一可插），操作简单安全。
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2.设备性能及特点
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开发研制的波涌灌溉设备具有如下工作性能和特点。
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双阀工作状态下，单台波涌阀的最大过流量Q及相应可控制的灌溉面积S用下式估算
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农业高效用水灌排技术应用研究
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S=QηtT/m （2）
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其中
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中A为输水管道截面积；d为输水管道直径；ε为流量系数；h为农渠分水口处的压力水头；λ为沿程水头损失系数；ξ为局部水头损失系数；L为输水管道长度；T为轮灌周期；m为灌水定额；t为每日灌水时间；η为水的有效利用系数。附表给出假定作物轮灌周期为7d，每天灌水时间为12h，不同输水管道长度和压力水头组合下计算得到的单台波涌阀最大过流量Q及相应可控制的灌溉面积数量。对渠灌区而言，当农溉分水口处的水头压差为30～50cm时，波涌灌设备控制的面积是4～6hm2，而在井灌区，控制面积则取决于机井泵的富余水头。
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附表 单台波涌阀最大过流量及相应可控制灌溉面积的估算
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自控器工作电压6V，平均工作电流2.5A，开关时间：T=3s，蓄电池储能为4A·h/6V。理论上讲，工作次数为1920次，相应的波涌次数对双阀而言为480次，对单阀是960次。受设备加工、安装精度所限，实际功耗较大会降低电池一次充电后的工作次数，尽管如此，一次充电量还是能够满足灌溉运行中阀门启闭耗能的需求。
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太阳能电池板的尺寸为152mm×152mm，相应理论功率为1V·A，在正常光照下平均电压为8V，平均充电电流为0.1A。蓄电池完全放电后充满所需时间约30h，若按每天有效充电6h计算（上午10时至下午4时），则需5d，故建议每次使用前应将自控器置于室外阳光下充电一周，确保安全运行。
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结构设计考虑了一阀多用，既可作为单管系统使用，又能用作双管系统交替换向使用，增加了设备灵活性，由于设备具有自动关断水流功能，可实现无人值守和远距离控制。
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控制器参数设置简单明了，只涉及到波涌灌溉的最基本参数，利于农民学习掌握，易于田间推广应用。
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设备操作简便，用户只需用电缆线将自控器和波涌阀连接即可投入使用，且控制器与减速箱的接口采用防水防尘保护，适宜于野外农田的气候环境条件。
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3.田间初步考核
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开发研制的波涌灌设备已于1998年分别在井灌区和渠灌区冬小麦灌溉试验中进行了初步田间考核。波涌阀进水口采用PE软管与低压输水管道出水口或农渠分水口相连，而波涌阀的两个出水口则由装有众多闸孔的田间软管系统连接，软管上的闸孔可直接放水入畦进行灌溉。试验设计的单宽流量是0.003m3/s·m，畦长为150～200m，试验结果表明整套设备工作运行状态良好，波涌阀变向启闭正常自如，水流切换时间准确无误，闸门止水效果较佳，达到了原设计要求和性能指标，具备较强的田间实用性。
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考核结果也表明，这套设备能够非常便利地在井灌区投入应用，一方面现有的低压管道出水口可以方便的与波涌阀进水口相接，另一方面井泵的富余压力水头又为经PE软管输水提供了足够动力，保证了波涌灌水方法对入畦单宽流量的要求。渠灌区内使用波涌阀会受到两个因素的制约，其一来自农渠分水口处水头压差的限制，当水头一定时，输水软管的沿程水头损失和波涌灌设备自身产生的局部水头损失将导致入畦流量减少，无法满足波涌灌水技术参数的要求。根据试验结果，渠道出水口处的水头压差至少应大于30cm，波涌阀输水管道长度也不宜太长；其二是有必要对现有农渠出水口的结构进行适当改造，以便其与波涌阀进水口衔接。
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4.结论
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研制适合国情的波涌灌设备是实现大面积推广应用这一节水灌溉方法的必要条件之一，已开发出的波涌灌控制阀及自动控制器具有一阀多用、操作简便的特点。田间试验初步考核结果证明这套设备已达到设计要求和性能指标，具备较强的田间实用性，在此基础上，将进一步提高和完善控制阀及自控器的质量和标准，采用轻型材料替代现有材质，减轻设备自重，易于田间灵活移动。此外，还应开发与波涌灌设备相配套的田间输水管道和相应的管件闸孔等，从而提供性能良好、价格适度的波涌灌溉成套系统。随着我国波涌灌设备的成功开发和改进完善，以及波涌灌系统生产的系列化，波涌灌水技术一定能够在我国节水灌溉事业中发挥出应有的重要作用。
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农田土地激光平整技术应用及初步评价
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1.激光平地技术
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1.1 平地设备构成
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激光平地设备通常分为有坡度和无坡度控制两种类型，一般由四个基本部分构成：激光发射装置、激光接收装置、控制器、平地铲运设备和拖拉机。
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激光发射装置是一个由电池驱动的激光发生器，常被水平地安装在矗立于田间的三角支架上。发生器高速旋转时在田面上方产生的水平激光面可作为平整土地作业的参照面，替代常规土地平整方法中利用地面高程测量得到的、由不连续网格点构成的平整作业基准面。由于参照面是由激光束构成的光学平面，故不受田间平整土地作业活动的影响和干扰。
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激光接收装置是垂直安装在平地铲运设备桅杆上的信号接收器，由具有中心控制点的一系列微感应检测器构成，平地作业过程中，来自激光发射器的光束首先被接收器检测，确定此时激光参照面与接收器中心控制点间的相对距离，随后向控制器发出调整信号，由控制器指挥铲运设备的升降，使接收器中心控制点位置与激光参照面保持在同一平面内。
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控制器的功能是根据激光接收器传递的调整信息，自动地控制液压系统不断地上下调节行进中的平地铲运刀口，完成田面挖填方工作。由于激光控制器的自控灵敏性高，故平地精度较高。平地铲运设备由铲运机具和液压升降系统构成。作为牵引动力的拖拉机的功率应与设备铲运能力相匹配，以适应铲运机具频繁升降对液压系统的工作需求。
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1.2 激光控制原理
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传统的常规土地平整设备主要由推土机、铲运机和刮平机组成。土地平整状况一般取决于推土机和刮平机的施工精度，但由于推土铲的液压装置为手工控制，平地作业过程中操作人员无法准确地控制推土铲的升降高度，而刮平机的铲运刀口与设备轮胎间的相对位置是固定的，平地施工时刀口将随地面起伏上下错位，刮平和修整田面的效果并不理想。因此，常规平地方法的精度受其机具设备和人工操平精度低等的制约，能达到的平整精度有限。
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激光平地技术是利用激光作为非视觉控制手段代替平地设备操作人员的目测判断能力，用以控制液压平地机具的升降高度。激光控制平地作业时，一旦铲运机具刀口的初始位置根据平地设计高程确定后，无论田面地形如何起伏，受激光发射—接收系统的影响，控制器始终经液压升降系统将铲运刀口与平地控制参照面（水平激光面）间的距离保持在某一恒定值。平地中当铲运刀口处的地面高程高于设计高程时，接收器感应到此时刀口与控制参照面间的距离小于恒定值，控制器通过液压系统迫使铲运刀口下降直到水平激光面与刀口间距离恢复至上述恒定值，刀口下降后挖掘的土方将被铲运机具运载供填方之需；当刀口处地面高程低于设计高程时，铲运刀口与平地控制参照面间的距离会大于以上恒定值，这时控制器经液压系统令铲运刀口抬升，卸载土方填埋洼地。因此，只要根据初始位置点高程将激光接收器在铲运设备桅杆上的位置固定后，由拖拉机牵引的铲运机具即可在田块内按一定行进规律往复运动，逐步完成对整个地块的自动平整作业。
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1.3 作业实施步骤
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（1）平地前按网格状采用水准仪完成田间地形测量，网格间距一般为5～10m，得到田块内各测点处的相对高程。
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（2）根据测量结果进行平地设计，确定平地设计相对高程。原则是通过选择适当的平地设计高程，使得平地作业中的挖方量与填方量基本相等。
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（3）在田块适当位置处安装激光发射器，确保激光束平面高于田内任何障碍物，以便安装在平地设备桅杆上的激光感应装置接收到来自发射器的光束。
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（4）根据平地设计高程在田块内确定铲运机具刀口的起始位置点，刀口落地后，上下调节安装在铲运设备桅杆上的激光接收器的高度，当接收器中心控制点位置与激光控制参照面同位时，固定该接收器的位置。
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（5）从平地起始位置点开始，由拖拉机牵引的铲运设备在田块内往复作业，挖高填低，搬运土方，自动完成土地平整工作。
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（6）平整作业完毕后，按平地前相同网格形式进行地面复测，评价平地的效果。
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2.平整精度指标
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通常采用田间地面相对高程的标准偏差值S评价土地平整的精度
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中h——田块内第i个测点的相对高程，cm；——期望相对高程，cm，一般指田块内各测点的平均地面相对高程，即平地设计高程；n——田块内所有测点的数量。常规平地方法和激光平地技术能达到的田间地面最小S值，在美国分别为2～2.5cm和1.2cm，葡萄牙则是3～4cm和1.7cm。
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标准偏差值反映了田间地面平整度的总体状况。为确切反映地面平整程度的分布状况，还可通过计算田块内所有测点的相对高程与期望相对高程的绝对差值，根据小于某一绝对差值的测点累积百分比数评价田间地面形状的差异及其分布的特征。美国土地利用局的标准为：激光平地后，田块内绝对差值小于1.5cm的测点累积百分数应在80%以上。
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3.激光平地效果评价
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3.1 土地平整效果
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表2给出的平地前后田块标准偏差值的变化，表明激光平地技术能获得较高的土地平整精度。表中给出的绝对改善度δ为平地前后S值的差值，而相对改善度则是δ与平地前S值的比值。平地前的S值是在传统常规平地作业下测定的，基本反映出华北平原井灌区内现有农田的地面平整状况，其中S值最小能达到3.3cm，平均为5～6cm。激光平地技术实施后，S值从平地前的3.3～6.7cm下降到1.1～2.1cm，田间平整状况的绝对改善度为1.7～5.6cm，相对改善度则在51.5%～83.4%范围内。
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表3给出平地前后各地块内所有测点相对高程与期望相对高程的绝对差值小于某一绝对差值的测点累积百分比。平地前田块内绝对差值小于1cm、2cm和3cm的测点平均累计百分数分别为17%、32%和48%，绝对差值大于3cm的测点占全部测点半数以上。激光平地后，上述相应值的分布有了大幅度地提高，分别达到43%、73%和87%，绝对差值小于3cm的测点占全部测点的绝大多数，表明整个田块内地面高低起伏的分布状况已得到极大的改善。
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表2 激光平地效果评价
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表3 平地前后田块内小于某一绝对差值的测点累积百分数
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上述评价指标说明这些土地平整的效果与国外平地精度标准相比仍有一些差距，这主要与平地作业中采用的设备组合形式、农户可承受的平地成本费用等有关。考虑国情现状，现阶段我国农田激光平地精度的评价指标建议定为：标准偏差值S达到2～3cm，绝对差值小于2cm的测点累计百分比接近80%。
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3.2 平地作业效率
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图1 激光平地作业效率及成本费用与土地平整绝对改善度的关系
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激光平地应用实践表明，平地作业效率主要取决于地块平整改善的程度、平地设备的铲运能力以及操作人员的工作技巧等。图1得到的经验关系式可用来粗估土地平整作业的效率及平地耗时。此外，平地设备铲运的土方容量大，可加速平地进度，减少平地耗时，而操作人员娴熟的工作技巧，也能减少平地过程中设备的无效运行，都可起到提高平地作业效率的作用。
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3.3 成本费用估算
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平地成本投入与土地平整的挖填土方数量、初始田间平整程度以及地块尺寸有关。成本费用估算中只考虑了平地过程中直接发生的费用，含人工费、燃油费及设备日常维护费，没有包括设备折旧费和大修费。表4给出的激光平地成本费用是在平地公顷耗时基础上计算得到的，其中人工费按每小时5元，燃油费按每升2元，每小时耗油按4L计，设备日常维护费按每小时10元计。如图1中所示的经验公式可用来估算激光平地过程中发生的公顷均投入费用和总成本费用。6次激光平地试验中土地平整精度每改善1cm所需投入的平地费用分别是96.0元/hm2、79.5元/hm2、79.5元/hm2、90.0元/hm2、72.0元/hm2和81.0元/hm2，平均费用约83元/hm2。
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4.结论与建议
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（1）激光平地技术可以实现常规土地平整方法所无法达到的土地平整精度，田块内地面相对高程的标准偏差值S由平地前的3.3～6.7cm下降到1.1～2.1cm，田间平整状况的绝对改善度为1.7～5.6cm，相对改善幅度在51.5%～83.4%范围内；田块内绝对差值小于3cm的测点平均累积百分比由平地前的48%上升到平地后的87%，提高幅度近40个百分点，土地平整总体状况和分布情况改善显著。
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表4 激光平地成本费用构成
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（2）激光平地作业效率取决于地块平整改善的状况、平地设备的铲运容量以及操作人员的作业技巧等。当前者状况给定时，后两个因素对提高平地作业效率有着一定影响。根据作业效率与平地后绝对改善度间的关系，可粗估平地作业的工作效率和总耗时量。
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（3）激光平地的直接成本投入与田块平整后的改善程度有关。根据本文得到的经验关系，按照预期达到的土地平整精度能够粗估平地的成本费用。土地平整精度每改善1cm所需投入的直接平地费用约为83元/hm2。
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（4）激光平地作业效率和直接成本费用与土地平整的改善程度密不可分，较大的土地平整改善力度会导致施工作业效率下降和平地耗资增加。为此，应采用常规平地方法完成土地粗平并达到一定平整度基础上，再实施激光控制下的土地精细平整。只有如此才能充分发挥出激光平地技术精细准确的特点，减少平地成本费用的同时提高作业效率。两种平地方法间的组合应用方式正在研究中。
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常规土地平整与激光平地技术组合应用初步分析
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1.试验处理与方法
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1.1 土地平整技术与方法
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常规土地平整中采用的平地设备一般由推土机、铲运机和刮平机组成，平地精度主要取决于推土机和刮平机的施工精度，由于推土铲的升降采用手工控制，操作人员不能精确地控制其抬升或下落的高度，而刮平机的铲运刀口与设备行进装置间的相对位置固定，故平地施工时刀口将随轮胎沿地面微地形的变化上下起伏，刮平及修整田面的效果有限，因此，受常规平地机具设备自身缺陷和人工操平精度较低等不利条件的影响，当平地效果达到一定平整程度后很难再有所提高。
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激光平地技术是利用激光作为非视觉操平控制手段，代替平地设备操作人员的目测判断能力来控制液压平地机具刀口的升降，激光平地设备系统主要由四部分构成：①激光发射器，在田面上生成激光平面作为平地作业的基准参照面，替代常规平整中由不连续网格点构成的平整作业控制面；②激光接收器，它被垂直安装在平地铲运设备的桅杆上，由具有中心控制点的一系列微感应检测器构成，接受来自激光发射器的信号；③控制器，根据接收器获得的激光信号发出自动调整信息，通过调控液压升降臂杆使行进中的铲运机具刀口上下运动，完成田面土壤的挖填方工作；④平地铲运设备和拖拉机，铲运设备由铲运机具和液压升降系统构成，具有常规平地设备中推土机和刮平机的双重作业功能，激光平地作业时，一旦铲运机具刀口的初始位置由平整设计高程确定后，无论田面地形如何起伏，受控于激光发射—接收系统，控制器始终指挥液压升降系统将铲运刀口与激光控制平面间的距离保持恒定，当铲运刀口处的地面高程大于设计高程时，控制器经液压系统迫使刀口下降挖掘土方，直到激光面与刀口间的距离恢复恒定；而当刀口处地面高程小于设计高程时，液压系统使铲运刀口抬升，卸载土方填埋田间洼地，只要根据初始位置点高程将激光接收器在铲运设备桅杆上的位置固定后，由拖拉机牵引的铲运机具即可在田块内按一定行进路线往复运动，逐步完成对整个地块的自动平整作业。
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1.2 平整精度
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土地平整精度通常采用田块内所有测点处地面相对高程的标准偏差值S予以定量描述。
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中h为田块内第i个测点的相对高程（cm）；h为第i个测点的相对期望高程（cm），一般指该点的平地设计高程；n为田块内所有测点的数量，常规平地方法和激光平地技术所能达到的田间地面最小S值，在美国分别为2～2.5cm和小于1.2cm，在葡萄牙则是3～4cm和小于1.7cm。
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标准偏差值反映了田间地面平整度的总体状况，要想评价田间地面形状的分布差异及特征还可采用分布偏差计算作出定量描述，即首先计算田块内所有测点的相对高程与其期望相对高程的绝对偏差值|h-h|，再根据小于某一绝对差值的测点累积百分比数来反映地面平整度的分布状况。以美国土地利用局规定的标准为例：激光平地后，田块内绝对偏差值小于1.5cm的测点累积百分数最大可达80%以上。
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1.3 土地平整试验
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在北京市昌平县百善乡京密引水渠灌区开展此项田间试验，土地平整在五个面积不等、初始平整状况不一的田块内完成，其中每个田块东西向宽均是100m，而南北向长则是200～400m不等。表1给出的各试验地块的初始S值从一个侧面反映了华北平原渠灌区现有农田地面的平整度状况，首先利用常规平地手段使地面达到一定平整程度后，再采用激光控制技术完成土地精平工作，使田面达到不同的平整精度。
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采用平面法完成土地平整工程设计，先将每个田块划分为若干四方形网格，利用最小二乘法或线性回归拟合法对二维田块内所有网格点的相对高程进行计算，得到地块的平面方程并据此确定田块的纵、横向设计坡度K和K，然后依据网格面积加权计算得到的田间平均高程完成挖填方比率的平衡计算，为使作业中挖填方的运移量最小且搬运距离最短，挖方—填方比应保持在1.1～1.5。根据畦灌设计要求，所有田块的南北纵向设计坡度K应保持在2‰左右，并消除水流推进方向上的倒坡畦段和局部地形凹凸点，在垂直水流方向的东西坡面则要维持水平状态，即K≈0，以减少畦灌过程中横向畦面受水不均的现象。平地作业中，将每个田块沿纵向坡度划分为若干个施工作业单元，单元内南北方向的土地平整按设计坡度施工，东西向实施地面零坡度平整。
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2.结果与讨论
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2.1 平整效果
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表1给出两种平地方法实施后田块平整状况的变化及改善程度，其中绝对改善度是平地前后地块S的差值，用以衡量地面平整状况改善的绝对幅度；相对改善度则是绝对改善度与平地前地块S的比值，来反映地面平整状况改善的相对程度，常规平地结束后，五个田块的S值从平整前的4.8～14.8cm下降到3.4～11.4cm，绝对改善度为0.9～4.5cm，相对改善度在13.8%～54.2%之间，其中对A-3地块的改善力度最大，实施激光平地作业后，所有田块的S值又进一步下降到2.3～6.4cm，绝对改善度为1.0～5.0cm，相对改善度在25.7%～43.9%之间。
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表1 常规及激光平地方法的效果评价
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表2给出平地前后各地块内所有测点的相对高程与期望相对高程的绝对偏差值小于某一绝对差值的测点累积百分比，以绝对差值小于3cm的测点累计百分数为例，对A-1、A-2和A-3地块而言，平地前分别为29.5%、46.7%和35.0%，常规平地后相应提高到41.9%、58.0%和52.0%，而激光平地后又分别达到62.6%、79.4%和87.8%，绝对差值小于3cm的测点数已占田块内全部测点的大多数，田块内微地形高低起伏的分布状况得到较大程度的改善。
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表2 平地前后田块内小于某一绝对差值的测点累积百分数
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2.2 作业效率
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平整土地的作业效率被定义为单位时间内平整的公顷数量。图1显示出两种平地方法的作业效率与绝对改善度间的关系呈非线性状态，作业效率在很大程度上取决于地面平整状况的改善力度，绝对改善度愈大，意味着平地作业难度增大、田面施工量增多，作业效率会明显下降。在如图所示的绝对改善度范围内，激光平地作业效率E都明显地高于常规平地下的E值，例如当δ=1cm时，E高于E约70%，而δ=5cm时，E是E值的1.3倍，与常规平地技术相比，激光平地技术不仅能获得较高的土地平整精度，还具有平整作业效率高的突出特点，利用该图得到的经验关系，对某一待平地块，依据预期达到的土地平整精度，可粗估两种平地方法下的施工作业效率及平地耗时量。
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图1 平地作业效率与绝对改善度的关系
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2.3 成本费用
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平地成本费用通常包括人工费、燃油费、设备日常维护费、大修费和设备折旧费等，表3给出常规平地与激光平地的成本费用构成，其中各项成本费用按照每公顷耗时计算，激光平地的人工费按每小时5元计；燃油费为每升2元，每小时耗油按4L计；设备日常维护费为每小时10元，大修费按每年10000元，年作业720h计，折合每小时约13.9元；全套设备造价25万元，如按10年期限折旧，以年作业720h计，折合折旧费每小时约34.7元，常规平地的人工费按每小时5元计；燃油费为每升2元，每小时耗油按3L计；设备日常维护费为每小时6元；大修费按每年5000元，年作业720h计，折合每小时约6.9元；设备造价10.5万元，若按10年折旧期限，年作业720小时计，则折合折旧费每小时约14.6元，上述人工费、燃油费和设备日常维护费根据此次平地试验的资料确定，大修费和设备折旧费参考以往的经验数据估算。
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图2 平地成本费用与绝对改善度的关系
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图2的经验公式来粗估常规及激光平地过程中发生的单位成本费用及总费用。
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表3 常规及激光平地的成本费用构成
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2.4 组合应用
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常规平地方法具有土方运移量大、平地费用相对较低的特点，适合于在地面起伏较大、原始平整度较差的田面内完成粗平，但受机具设备缺陷及人工操平等因素制约平地效果有限，平整精度达到一定程度后无法继续提高，激光平地的作业效率较高，土地精平的效果好，但平地费用相对较高，因而农田土地平整过程中要综合考虑这两种方法的特点及长处。
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图3 两种平地方法间的效率差值和费用差值
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图3给出两种平地方法作业效率间的差值|E-E|和单位成本费用间的差值|C-C|随绝对改善度增量Δδ变化的趋势，前者呈非线性递减形式，后者却表现出强烈的线性增长势头，当Δδ≥2.5～3.0cm时，常规土地平整方法与激光平地技术之间在作业效率上的差别相对较小，但单位平地费用间的差别却很大，常规平地的投入要明显低于激光平地；而当Δδ小于该区间时，激光平地的作业效率显著高于常规平地，两者间在单位平地费用上的差别却大为减小，激光平地较为适宜于在已具有一定平整精度的田面内开展精平工作，使用最小二乘法对单位平地总费用C（两种方法下的单位平地费用之和）与激光平地绝对改善度δ和常规平地绝对改善度δ进行多元回归分析得到
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C=85δ+185δ+600 （6）
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该式表明土地平整精度每改善1cm，激光平地的平均花费大致是常规平地费用的2.2倍，故在考虑平地方法的组合应用时，应尽可能加大常规方法下的平整改善幅度，以减少土地平整的总费用。
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综合考虑平地作业效率与成本费用的关系，上述两种平地方法的组合应用形式建议为：在农田地面平整条件较差、土地平整状况需大力改善的渠灌区，应首先采用常规平地的方法完成大规模的田间粗平工作，当田面平整精度距平地期望值的差值接近3cm时，再利用激光平地实施土地精平作业，完成预期达到的田面理整精度，对土地平整状况相对较好的井灌区，也可根据田块平整程度直接利用激光平地完成精平。
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3.结论与建议
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（1）田间土地平整试验结果表明，常规平地方法所能达到的最大平整精度是3.4cm，激光平地则能达到2.3cm，田块内绝对偏差值小于3cm的测点平均累积百分比在常规平地后最高为58%，激光平地后则是88%，最大值间的差距近30个百分点，激光平地技术实施后的土地平整状况和分布情况得到显著改善。上述结果说明尽管激光平地的最佳效果与国外平整精度标准相比仍有一定差距，但这主要与激光平地设备的性能、操作人员的工作技能以及田间施工的作业方式等因素有关。
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（2）土地平整作业效率与绝对改善度间呈非线性递减函数关系。当地面平整度改善较小时，激光平地作业效率明显高于常规平地，而随着改善度的增大，两者间的差距显著减少并趋于稳定，根据平地面积和期望的平整精度，可估算两种平地方法下的作业效率和平地耗时量。
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（3）单位平地作业费用与绝对改善度间呈线性增函数关系。当地面平整度改善较大时，激光平地的单位成本费用明显高于常规平地，但随着改善程度的减小，两者之差大大减少且趋于接近，依据平地面积和期望的平整精度，能计算出两种平地方法下的单位平地费用以及总成本费用。
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（4）为达到费省效宏的土地平整目的，在地面平整条件较差的渠灌区，应先采用常规平地方法完成田面粗平，在地面平整精度距平地期望值的差值约为3cm时，再考虑实施激光平地作业完成土地精平，对地面平整状况相对较好的井灌区，可依据田面平整现状直接使用激光平地方法达到土地精平的目的。
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参考文献
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[1] Walker W R.Guidelines for designing and evaluating surface irrigation systems.FAO Irrigation and Drainage Paper NO.45，1992，Rome
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[2] Hinz W W，and Halderman A D.Laser beam land leveling Cost and benefits.Bull.No.A114.Coop.Ext.Ser.，1978，Tucson，Arizona
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[3] Dedrick A R，Erie LJ，and Clemmens A J.Lever-basin irrigation.In Advances in Irrigation Vol.2，Hillel，D I ed.，Academic Press，1982，New York
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[4] de Sousa，P L，Dedrick A R，Clemmens A J and Pereira L S.Benefits and costs of laser-controlled leveling-acase study.Transactions of 15th Congress on Irrigation and Drainage，1993，Vol.1-C：1237～1247
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[5] 李益农，许迪，李福祥，杨继富.农田土地激光平整技术应用及初步评价.农业工程学报，1999，（2）
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[6] 李醒民.水土保持工程学.台北：徐氏基金会出版社，1966
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农田土地平整方法的组合应用及效果
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1.平地设计方法与试验
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1.1 平地工程设计
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土地平整工程设计的原则是在有利于提高地面灌溉质量、促进作物生长和防止田间水土流失的条件下，使工程作业的土方运移量最小且搬运距离最短。设计中应保持挖方与填方的比率在1.1～1.5的范围内，考虑到填方区内的土壤密度较小，填土遇水下沉后会影响田面的平整精度，故挖方量一般应大于填方量。
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常规平地的工程设计方法有平面法、断面法、等高线调整法等，本文采用以平面法为基础的修正平面法。将平整的田块划分为若干四方形网格，利用最小二乘法或线性回归拟合法对二维田块内所有网格点的高程进行计算，由建立的平面方程确定田块的设计纵、横向坡度，并依据网格面积加权计算法得到田间的平均高程，完成挖填方比的平衡计算。
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当田块近似为方形或长方形时，取田块平均高程点的位置在中心点，若为不规则田块，其中心点坐标采用力矩法求得。平面方程的形式为
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E（x，y）=H+K·x+K·y （1）
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式中 E（x，y）——平面点（x，y）的设计高程；K——x方向上的坡度；
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K——y方向上的坡度；H是修正系数。K和K利用最小二乘法方程联立求解如下
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Σ（x-xc）2·K+Σ（x-x）·（y-y）·K
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=Σ（x-x）·[E（x，y）-E]
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Σ（y-y）2·K+Σ（x-x）·（y-y）·K
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=Σ（y-y）·[E（x，y）-E]
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设：A=Σ（x-x）2；B=Σ（x-x）·（y-y）；C=Σ（x-x）·[E（x，y）-E]；D=Σ（y-y）2；E=Σ（y-y）·[E（x，y）-E]
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则
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 x和y——田块中心点坐标；E——田块中心点高程，且：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 A和A（x，y）——分别是田块内网格的标准控制面积和实际控制面积；m——坐标为x点处y方向上的网格点数；n——坐标为y点处x方向上的网格点数。
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当任一平面均通过田块中心点（x，y）时，则有
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H=EC-Kx·xc-K·y （2）
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联立求解公式（1）和（2），得到已知的平面方程
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E（x，y）=E-K·x-K·y+K·x+K·y
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并用来计算田块内各网格点处的设计高程。对每个网格的挖、填方量，采用四点法计算如下
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 V、V、C（x，y）、F（x，y）和A分别是网格的挖、填方量，网格4个点的挖、填深度和网格的面积。对于挖填方比率R=ΣV/ΣV，若初次计算值超出1.0～1.2范围，则可通过调整田块中心点高程值重新计算地块的挖、填方量，直至R值达到适宜的范围为止。有关修正平面法的计算步骤和挖填方比的试算过程已编制成相应的计算软件。
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激光平地采用的工程设计思路类似于修正平面法，即根据田块各测点的高程来确定精平的设计高程，原则是通过选择适当的设计高程，使平地作业的挖填方量基本相同。由于田间整体地形的改变和定形，尤其是田块纵向坡度的大小已由常规粗平确定，故激光平整土地的搬运土方量和平整的难易程度应低于常规平地。
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1.2 土地平整精度
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平整土地的精度及质量采用平整精度指标予以定量，使用田块内所有测点的地面高程的标准偏差值S（cm）表示
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 h——田块内第i个测点的高程，cm；h——第i个测点的期望高程，cm，一般指该点的平地设计高程；n——田块内所有测点的数量。S=0是理论上可达到的最佳精度，而较高的S值则意味着较差的土地平整程度。在美国，常规平地方法和激光平地技术所能达到的田面最小S值分别为2～2.5cm和小于1.2cm，在葡萄牙则是3～4cm和小于1.7cm。
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标准偏差S反映了田面平整的总体状况，要想评价田间地面形状的分布差异及特征，可利用分布偏差计算给出定量描述。首先计算田块内各测点的高程与期望高程间的高程偏差值ED=h-h（cm），再根据小于某一高程偏差绝对值|h-h|的测点的累积百分比数来反映地面平整度的分布状况。以美国土地利用局规定的标准为例，激光平地后，田块内高程偏差绝对值小于1.5cm的测点的累积百分数最大可达80%以上。
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1.3 田间平地试验
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1998—1999年秋季在北京市昌平县百善渠灌区完成土地平整试验，平整土地面积28hm2。整个农田被划分为面积不同、初始平整状况不一的9个田块，其中每个田块的东西向宽80～100m，南北向长200～400m不等，作物种植方向为南北向。平地过程中首先利用推土机、铲运机和刮平机等常规平地机具使田面达到一定平整度后，再采用激光控制技术完成土地精平，精平铲运设备的容积为2m3。
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表1给出各田块的初始S值，它是在20m正方形网格测量结果上计算得到的。其中地块A-1至A-3和A-6至A-7的地面纵坡在1‰～4‰之间，S值在4.1～8.3cm范围，地面原始平整状况相对较好，A-4和A-5两个田块的原始平整状况较差，具有较高的S值（10.5cm和14.8cm），且田块的地势在纵横两个方向上都呈现出凸面形状。根据地面畦灌对行水坡度的要求以及土地平整工程的设计要求，田间南北纵向的设计坡度K应保持在2‰左右，并消除水流推进方向上的倒坡畦段和局部田面的凹凸点；在垂直水流方向的东西坡面则应保持水平状态，即K≈0，减少地面灌溉过程中横向畦面受水不均的现象。平地田间设计中，将每个田块沿纵坡方向划分为若干个平地作业单元，其中南北向的土地平整按设计纵坡施工，东西向实施地面零坡度平整。
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表1 常规及激光平地方法下的土地平整状况改善程度
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表1 常规及激光平地方法下的土地平整状况改善程度（续）-1
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常规粗平作业前，先环绕待平地块四周设立间距为20m的标桩，在桩上根据地面测量结果注明该点的平地作业设计高程，即给出标桩位置处地面的挖填深度。推土机手将依据每个桩柱上的标志，操作平地机具在其附近挖高填低，实施土地平整作业。在田面内，则采用水准仪随时定点监测各测点的地面高程，指挥推土机和铲运机施工运行，控制测点处的挖填方数量。粗平结束后，根据复测的地面平整状况，在每个平地作业单元内，按照平地设计高程确定激光平地铲运机具刀口的起始位置点，并固定激光接收器在铲运设备桅杆上的位置，使接收器的中心点与激光平面重合，随后由拖拉机牵引的铲运机具即可在田块内按一定行进规律往复运动，逐步完成对整个地块的自动精平作业。
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2.结果与讨论
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2.1 平地效果评价
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表1给出两种平地方法实施后田块平整状况的变化及改善程度，在平整的所有田块中，以对A-3地块的改善力度最大，获得的平地效果最佳。
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对两种平地方法应用前后各地块内所有测点的高程与期望高程间的偏差值小于某一绝对值的测点的累积百分比进行统计。以高程偏差的绝对值小于3cm的测点的累计百分数为例，对除A-4和A-5的地块而言，平地前的范围在29.5%～47.2%之间，常规平地后提高到41.9%～58.0%，激光平地后又增加到61.0%～87.8%，高程偏差绝对值小于3cm的测点的数量已占这些田块内全部测点的大多数，田间微地形分布状况得到了较大程度的改善。
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2.2 组合应用模式
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图1给出的根据平地试验结果得到的关系曲线予以证实，该曲线描述了常规粗平后的S值与激光精平后的S值间的相关关系。可以清楚地看到，常规平地后的土地平整度愈差，激光平地后的平整精度则愈低。因此要想获得满意的土地平整效果，应加大常规粗平的力度和精度，尽可能增加常规方法下的土地平整改善幅度。平地试验数据表明，在现有的常规平地设备条件下，粗平后能达到的平均S值以4～5cm较为现实。若以激光精平的期望S值以2cm为标准，则粗平后的平整精度（4～5cm）与平地设计期望值（2cm）间的差值近似为2～3cm。这个结论与笔者根据土地平整作业效率和成本费用分析得出的两种平地方法组合应用的模式相同，即首先采用常规平地方法在田间大规模地挖填和搬运土方，较大程度上修改和改善田块的宏观地形，当田面平整精度距平地设计值的差值接近3cm时，再利用激光平地实施土地精平作业，以改善田间地面的微地形条件。
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图1 常规平地与激光平地后的S值间的关系
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3.结论
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采用本文给出的农田土地平整工程的设计
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方法和实施步骤，可以在传统的常规平地方法与激光控制平地技术的组合应用基础上，获得较高的平地精度。常规粗平方法所能达到的最大平整精度是3.4cm，而激光平地则能达到2.1cm，且田块内高程偏差绝对值小于3cm的测点的累积百分比对常规平地最高为58%，而激光平地则可接近90%，两者间的差值达30个百分点。激光平地所能达到的期望精度随常规平地的平整度下降而减小的趋势表明，激光精平的效果必须建立在良好的土地粗平基础上。在我国现有的常规机械平地设备条件下，只有当粗平后的地面平整精度达到4～5cm时，实施激光平地作业才能取得较好的土地平整效果。
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参考文献
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[1] Hinz W W，Halderman A D.Laser beam land leveling costs and benefits.Bull No.A114 Coop Ext Ser，1978，Tucson，Arizona
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[2] De Sousa P L，Dedrick A R，Clemmens A J，et al.Benefits and costs of laser-controlled leveling-a casestudy.Trans of the 15th Congress on Irrigation and Drainage，1993，Vol.1-C
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[3] 李益农，许迪，李福祥等.农田土地激光平整技术应用及初步评价.农业工程学报，1999，15（2）：79～84
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[4] Walker W R.Guidelines for designing and evaluating surface irrigation systems.FAO Irrigation and Drainage Paper No.45，1992，Rome
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[5] 李醒民.水土保持工程学.台北徐氏基金会出版社，1966
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[6] Dedrick A R，Erie L J，Clemmens A J.Lever-basin irrigation.In：Advances in Irrigation.D Hillel.New York，Academic Press，1982
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[7] 许迪，李益农，李福祥等.常规土地平整方法与激光平地技术组合应用分析.水利学报，1999，10
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田面平整精度对畦灌性能和作物产量影响的试验研究
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1.方法与试验
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1.1 田面平整精度
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田面平整精度通常采用地块内所有测点的地面高程标准偏差值S（cm）表示，
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中h为田块内第i个测点的高程（cm）；h为第i个测点的期望高程（cm），一般指该点的平地设计高程；n为田块内所有测点的数量。S=0是理论上可达到的最佳土地平整精度，较高的S值意味着较差的土地平整状况。常规机械平地方法和激光平地技术所能达到的田间地面最小S值，在美国是2～2.5cm和小于1.2cm，在葡萄牙则是3～4cm和小于1.7cm。
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1.2 畦灌性能评价指标
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采用灌溉效率E（%）和灌水均匀度DU（%）来评价畦灌系统的工作性能，其中是指作物生长期内渗入根区的平均水深与进入田块的水深之比，DU反映了入畦水深在田间入渗分布的均匀程度[9～10]，
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E=f（q，L，n，S，I，S0，t，SWD） （2）
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DU=f（q，L，n，S，I，S0，t） （3）
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式中q为入畦单宽流量；L为畦长；n为曼宁糙率系数；S为田面平整精度；I为土壤入渗参数；S0为畦田纵坡；t为灌溉供水时间；SMD为灌溉前的土壤水分亏缺值。
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在已知的畦田供水系统、田间土壤质地和田块的几何尺寸条件下，E和DU可视为仅随田面微地形状况的差异而改变，并根据田间灌溉试验数据计算得到，
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中Z是水分入渗进入根区的平均水深；D是进入田块的平均供水深度；Z是沿田块长度方向上土壤受水最小的四分之一畦段内的入渗平均水深；Z是整个田块上的平均入渗水深。
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1.3 田间畦灌试验
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1998年秋季，在北京市昌平县百善渠灌区完成土地平整试验，共平整土地16hm2。根据畦灌设计要求，所有田块的南北纵向设计坡度K应保持在1.8‰～2‰之间，消除水流推进方向上的倒坡畦段和局部地形凹凸点，在垂直水流方向的东西坡面则要维持水平状态，即K≈0，以减少畦灌过程中由于横向畦面受水不均所带来的灌水不均匀程度。平地作业中首先利用推土机、铲运机和刮平机等常规机械平地机具使田面达到一定平整程度后，再采用激光平地技术完成土地的精平。
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田间畦灌试验在1998—1999年冬小麦生长季节内完成。试验区表层土壤质地为壤土，水源来自京密引水渠，自流入畦灌溉。在上述精平后的地块和未经平整的地块内选择具有不同田面平整精度的33个畦块（每个畦块具有相同的几何尺寸：畦长100m×畦宽10m）构成11种处理，每个处理重复3次，相应于各处理的S平均值分别为1.3cm、1.8cm、2.4cm、2.9cm、3.4cm、3.9cm、4.4cm、4.9cm、5.4cm、5.9cm和6.4cm。对所有供试畦块采用同一的田间栽培与管理措施，即使用相同的小麦品种及下种量、施肥量和施肥时间以及农药喷洒措施等。
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整个冬小麦生长期内，受京密引水渠供水量限制，当地只进行冬灌和春灌两次灌水，故每次设计灌水定额要高于常规值。由于试验区田间距地表1.2m左右普遍存在有弱透水礓土层，尽管灌水量稍高，仍可有效地储存在下层土壤中，通过毛细作用被作物利用。每次灌溉中以水流推进到畦尾的时间作为向畦块供水的控制时间，即当水流推进到畦尾时即切断供水，以保障畦块内所有田面被水覆盖。畦灌试验中采用田间闸管系统完成输配水功能，它是通过PE软管将农渠与畦田相连，起到传统毛渠的输水功能，同时又通过安装在PE软管上的闸孔出流灌溉。由于闸孔间的间距仅为1m且孔口配置均匀，提高了入畦流量的均布性。入畦流量的变化过程由安装在闸管系统上的超声波流量计进行实时监测，平均流量约3L/（s·m）。
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沿畦田水流前进方向布设多个观测点来实测水流推进与消退时间，测点间距10m。田间土壤含水量采用称重法获得，取样时间分别在灌前和灌后24h时进行。在每个观测点处沿畦田横断面均匀地选择2个剖面取样，深度为20cm、40cm、60cm、80cm和100cm。采用抽样法测定作物产量，按畦田对角线位置分别在1/4、1/2、3/4畦长处布置5个采样点，每点处的取样面积1m2，5个点的平均值代表该畦块的产量。采用池田入渗法测定土壤入渗性能，在田块内建立起1m见方、埂高15cm的试验小区，环绕该区设置保护土埂。池田入渗法的实验步骤同于双环入渗仪法，其优点在于不扰动土壤表面，供试界面相对较大，更逼近畦田土壤入渗的实际环境条件。在小麦冬、春灌水期内，分别在田间实地完成8组入渗试验，根据入渗实验数据利用最小二乘法确定Kostiakov公式（I=Kt）中的经验参数α和K。其中冬灌期间的K=150mm/hα，α=0.45，春灌季节的K=130mm/hα，α=0.4。
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2.结果与讨论
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2.1 畦田水流推进与消退
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图1显示出田面平整精度S对入畦水流推进到畦尾时间t的影响趋势，相应于每个S处理的t值均为三个田间试验重复下的平均值。S对t的影响作用在冬灌和春灌期间并没有大的区别，彼此间相差一个常数，这是由于冬灌时表层土壤受秋耕影响入渗能力强于春灌时造成的。当S值高于3cm后，t随S值增加而延长，由于实际灌溉中的供水时间往往就是水流推进到畦尾的时间，故较长的t值意味着供水时间的增加，过长的灌溉时间会导致畦田灌水质量的降低。
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图1 田面平整精度与畦灌水流推进时间的关系
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田面平整精度对积水消退时间的影响可采用消退时间的标准偏差值ST随S值的变化关系给以描述。对每个S处理而言，相应的ST值是根据三个试验重复下畦内所有观测点处的水流消退时间统计计算得到的。地面平整精度愈高，畦田内各点处的水流消退时间就愈接近，ST值则愈低，反之，该值就愈高。如图2所示，随着田面平整精度的下降，沿畦长积水消退时间的变异性增大，这在S值大于3cm后尤为明显，且在春灌期间似乎更为显著，较弱的土壤入渗性能导致田间水流消退时间上的变化差异进一步加大。
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2.2 畦田入渗分布
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田面水分入渗贯穿于从灌溉供水开始至田间积水全部消失的整个过程中。根据沿畦长方向各观测点处实测的水流推进时间与积水消退时间之差可得到相应的土壤入渗受水时间t，然后采用Kostiakov公式计算各点的累积入渗水量，进而得到入渗水深沿畦长的分布状况。根据受水时间计算得到的不同田面平整精度下的累计入渗水深沿畦面的分布状况参见图3。在较为平整的田面微地形条件下（S=1.3cm），小麦冬灌期间的累积入渗水深从田块上游的220mm减小到畦尾的167mm，平均入渗深度200mm，变差系数C=0.08；当地面平整状况较差时（S=6.4cm），田块上下游的累积入渗量分别是328mm和149mm，平均深度252mm，C=0.25，这意味着5cm的地面平整精度上的差别将增加26%的供水量，入渗水深的变差系数增加了2倍，入渗水深沿畦面分布状况恶化。入渗水深分布随S值的变化趋势亦明显地反映在小麦春灌时节，上述两种田面平整精度下的平均入渗量之差为45mm，水深变差系数相差0.16。可以发现当S值小于2.4cm时，畦田入渗分布状况较佳，且基本不受S值间差异的影响，而当S值大于2.4cm后，田面平整状况对入渗水深的分布有着明显的负作用。
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图2 田面平整精度与水流消退时间标准差的关系
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图3 田面平整精度与入渗水深沿畦面分布的关系
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图3还表明田面平整精度对入渗水深分布状态的影响主要集中在田块上中游大约60%以上的畦段区间，相比之下，田块下游入渗深度的分布状况似乎受S值的影响较小，这在春灌时最为显见。畦田灌溉中，水流运动同时在两个方向上进行，即垂向的地表积水入渗过程和沿畦面的地表水流运动。在灌溉的初始阶段，上中游畦段的地面微地形条件会滞留或阻碍水流的推进，畦块间的平整精度差异越大，入渗分布间的差别就越明显。随着灌水过程的延续，上中游畦段内的局部凹坑或田面倒坡已被水充满（填），表土已达到稳定入渗状态，这将有利于入畦水流向下游的快速推进，减弱由于田面不平整引起的入渗水深分布的非均匀性。
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2.3 畦灌系统性能
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田面平整精度对畦田入渗分布的作用将直接影响到畦灌系统的性能。图4给出田面平整精度与灌溉效率E和灌水均匀度DU的关系，其中E和DU均随S值的增加而递减。当S从6.4cm减小到1.3cm时，冬灌期间的E由55%提高到80.8%，增长46.9%，DU由70.1%上升到89.6%，增加27.8%；春灌时期的E由62%上升至87.7%，增幅41.5%，DU由72.3%增大到92.5%，提高27.9%。从图4显示的变化趋势可知，当S值高于2cm后，E呈现出较为显著的递减倾向，而对DU而言，这种递减趋势出现在S值高于3cm以后。
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图4 田面平整精度与畦灌系统性能的关系
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2.4 作物产量
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改善田面平整精度对作物产量增长的作用参见图4显示的较低灌溉效率和灌水均匀度证明了上述两种现象的实际存在。另外，畦田供水不均和深层渗漏损失带来的肥料流失及养分淋洗还会降低耕层土壤肥力，进而影响到作物产量。
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图5 田面平整精度与小麦作物产量的关系
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2.5 总用水量和用水效率
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冬小麦整个生长期内的总用水量D（平均水深）是冬灌与春灌水量之和，不同地面平整精度下的总用水量变化趋势参见图6中，WUE的极大值（161.2kg/hm2/cm）出现在地面平整精度较高的条件下（S=1.3cm），而最小值（94.8kg/hm2/cm）则发生在较差的田面平整状况下（S=6.4cm），两者间差值66.4kg/hm2/cm。用水效率随地面平整精度改善而增长的趋势在S值大于2cm后的区间较为明显，低于2cm后，对WUE的作用并不显著。
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综上所述，田面平整精度对畦田灌水质量及作物产量的影响在S值超过2cm后趋于明显，低于该值，S的进一步提高对畦田灌水质量及作物产量的改善似乎没有显著影响。这个分析结果与Agarwal和Fangmeier等人的结论非常相近，前者在砂壤土条件下得到的S值是3cm，后者在中轻壤土质状况下确定的S值为2cm。
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图6 田面平整精度与总用水量和用水效率的关系
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3.结论
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不同田面平整精度处理下的小区畦灌试验资料表明，地面平整精度对入畦水流推进与消退时间和畦田入渗分布状况具有较大影响。灌溉效率E、灌水均匀度DU、用水效率WUE随田面平整精度的下降而递减的趋势当S值高于2cm后较为明显，而低于2cm下的彼此间差异却不显著。受畦灌系统性能差异的影响，作物产量与田面平整精度间的关系也反映出与上述趋势相似的变化规律，当S值高于2cm后，产量递减受地面平整状态的影响亦较为显著。这表明要实现改善畦田灌水质量、节水增产的目的，田面平整精度应以不大于2cm为最佳，为达到这个地面平整标准，则需实施激光控制下的土地精细平整技术。
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参考文献
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激光控制平地方法的经济可行性初步分析
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1.试验与方法
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1.1 激光平地试验
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1996—2000年期间分别在河北省雄县和北京市大兴县、昌平区等地开展了激光平地技术应用研究工作，在雄县和大兴县主要是在小面积范围内从事田间试验研究，在昌平区是结合生产实际开展大面积范围的土地平整工作，进行技术评价和应用研究。在昌平渠灌区共完成土地精平面积约30hm2，整个农田被划分为面积不同、初始平整状况不一的9个田块，其中每个田块的东西向宽80～100m，南北向长200～400m不等，作物种植方向为南北向。平地过程中首先使用推土机、铲运机和刮平机等常规机械平地机具使田面达到粗平程度后，再利用激光控制技术完成土地精平。激光平地设备由激光发射装置、激光接收装置、液压升降控制器、平地铲运设备和拖拉机等五部分构成，其中整套激光发射、接收及液压控制设备来自美国Spectra-Pyhsics Laserplane公司；平地铲运设备是葡萄牙HERCULANO公司的产品，铲运机容积2m3；牵引设备为天津拖拉机制造厂生产的四轮驱动拖拉机（TN-654L，49kW）。
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土地平整程度采用田面平整精度指标予以定量，使用田块内所有测点的地面高程标准偏差值S（cm）表示。通常S=0是理论上可达到的最佳田面平整精度，较高的S值意味着较差的地面平整状况。在美国激光平地技术所能达到的田面S值可小于1.2cm，而在葡萄牙则小于1.7cm。
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采用修正平面法完成土地平整工程设计。根据田间畦灌设计要求，所有田块的南北纵向设计坡度应保持在2‰左右，并消除水流推进方向上的倒坡畦段和局部地形凹凸点，在垂直水流方向的东西坡面则要维持水平状态，以减少畦灌过程中横向畦面受水不均的现象。平地作业中，将每个田块沿纵向坡度划分为若干个施工作业单元，单元内南北方向的土地平整按设计坡度施工，东西向实施地面零坡度平整。
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1.2 田间畦灌试验
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田间畦灌试验在昌平区百善渠灌区1998—1999年冬小麦生长季节内完成，试验区表层土壤质地为壤土，水源来自京密引水渠。在激光精平地块和未经精平地块内选择具有不同田面平整精度的30个畦块（每个畦块具有相同的几何尺寸：畦长100m×畦宽10m）构成11种处理，每个处理重复3次，相应于各处理的S平均值分别为1.3cm、1.8cm、2.4cm、2.9cm、3.4cm、3.9cm、4.4cm、4.9cm、5.4cm、5.9cm和6.4cm。在冬小麦作物生育期内，对所有供试畦块均采用相同的田间栽培与管理措施。
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地面灌溉中以水流推进到畦尾的时间作为向畦块供水的控制时间，保障畦块内所有的田面被水覆盖。畦灌试验中采用田间闸管系统完成从农渠到畦块的输配水过程，入畦流量变化由安装在闸管系统上的超声波流量计实施监测。沿畦田水流推进方向布设观测点以便测定水流推进和消退时间，各测点之间的间距10m。土壤含水率采用称重法获得，取样时间分别在灌前和灌后24h进行，在每个观测点处沿畦田横断面均匀地选择2个剖面取样，深度为20cm、40cm、60cm、80cm和100cm。采用抽样法测定作物产量，按畦田对角线位置分别在1/4、1/2、3/4畦长处布设5个采样点，每处的取样面积为1m2，5个点的测产平均值代表该畦块的作物产量。利用池田入渗法测定土壤表层入渗性能，在小麦冬春灌水期内，分别在田间实地完成8组入渗试验，根据入渗实验数据利用最小二乘法确定Kostiakov公式（I=Kt）中的经验参数α和K，以便计算各观测点处的累计入渗量。
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1.3 经济评价方法
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激光平地方法的效益成本分析内容主要包括：平地成本费用分析和改善地面平整精度引起的节水增产效益分析。土地平整费用可根据激光精平试验结果计算获得，节水增产效益则通过不同田面平整精度处理下的畦灌对比试验结果确定。激光平地的经济可行性分析采用静态法和动态法分别完成，经济可行性的先决条件是不同分析方法下的效益费用比应大于1。
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2.结果分析与讨论
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2.1 平地成本费用
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图1 激光平地作业效率、成本费用与田面平整绝对改善度的关系
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图1 给出激光平地作业效率E、成本费用C与田面平整绝对改善度δ间的关系。其中E是单位小时内平整的土地面积；C包括人工费、燃油费、设备日常维护费、大修费和折旧费等（表1），可根据平地试验资料及参考当地经验数据确定或估算；δ是土地精平前后田块的S差值，用来定量地面平整状况改善的绝对幅度。激光精平作业效率与绝对改善度间呈非线性关系，δ愈大意味着平地作业难度增大，作业效率明显下降。激光平地成本费用与绝对改善度间存在着线性趋势，δ愈大说明作业中须挖填的土方量增多，投入的成本费用则愈高。
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表1 激光平地成本费用构成
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2.2 节水增产效益
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冬小麦生长期内的总灌溉用水量D（用平均水深表示）和作物产量随地面平整精度的变化趋势由图2给出。当田面平整精度S由6.4cm提高到1.3cm时，用水量从4750m3/hm2下降到3710m3/hm2，减少22%，节水效果明显；冬小麦产量由4510kg/hm2增长到5975kg/hm2，增幅达33%，增产效果显著。当S值超过2cm后，用水量增加和产量递减的倾向比较突出。较差的田间微地形条件需要更多的水量才能保障水流推进到畦尾，产量下降的主要原因在于田面不平整状况引起的畦田供水非均匀性，深层渗漏损失增大造成的作物水分胁迫、养分肥料的淋洗流失也会影响到作物产量。
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图2 田面平整精度与用水量和产量的关系
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图3 田面平整精度与作物产值和水费的关系
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若以昌平区当地1999年的水费0.02元/m3和小麦价格1.1元/kg作为基准，不同田面平整精度下对应的单位面积作物产值和水费的变化趋势反映在图3当中。当S值由6.4cm减小到1.3cm时，相应的节水效益是21元/hm2，增产效益是1612元/hm2，节水增产效益总计达1633元/hm2。
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2.3 平地效果持续性
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实施激光土地精平后的田面平整状况并非是静态不变的，随着季复一季、年复一年的农田耕作和种植管理活动的循环往复，地面平整状况的持续性会受到各种因素干扰，平整精度将逐年下降。由于华北平原通常是在冬小麦播前进行农田深耕（犁深15～20cm），而在冬小麦收获后夏玉米播种时则普遍采用浅耕或免耕的方式。因此，影响土地精平效果持续性的主要人为扰动活动常发生在夏末秋耕期间。农田耕作活动带来的负作用是影响地面平整精度下降的最重要因子，受耕作机具自身结构性能缺陷和农机操作人员工作技能的影响，耕地作业中的犁、耙、耱合等措施会在田间留下较为明显的工作沟，严重扰动田面微地形特征，耕作机具在运作过程中留下的通行道也会造成田面出现凸凹不平。此外，残留在田间的秸秆会使耕作机械设备的运行受阻，地面土块的堆积亦会影响到田面平整程度。
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图4 激光土地精平效果持续性
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图4显示出在河北雄县和北京大兴县、昌平区选择的7个田块内实测的田面平整精度随时间变化的趋势。这些田块在精平前的平均S值为5.1cm，平整后第1年的S范围在1.2～1.6cm之间，第2年的变动趋势如图所示，第3年的S值退减到4.2～5.0cm的水平。若以实施激光精平后当年的平均S值1.4cm为基准，则田面平整精度相对减小的倾向和速率由图4中的粗线示出。实际监测结果说明，激光精平效果的持续期一般为3年左右，以此为周期进行土地激光复平可保持田块具有较好的地面微地形条件。
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2.4 效益成本分析
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常规土地粗平的作用主要是从田块的宏观地貌上来改善地形的平整状况，而田面微地形条件的改进和地面平整精度的提高则必须依赖于激光控制下的土地精细平整。激光平地所能达到的期望平整精度取决于常规机械粗平后的土地平整状况这个事实说明，激光平地能获得的田面平整精度要建立在一定的土地粗平状态下。对常规机械平地方法与激光平地技术组合应用下的作业效率与成本费用进行分析后表明，应先采用常规平地方法在田间挖填搬运土方，改进田块的宏观地形，使粗平后的田面平整精度接近5cm左右时，再利用激光精平方法改善地面的微地形条件，使S值达到低于2cm的水平。
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图5 激光平地效益和成本与田面平整绝对改善度的关系
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表2 激光精平下的平地效益与成本
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图5显示出在0～5cm的S值变化范围内不同田面平整绝对改善度δ下相应的节水增产效益与平地成本费用。激光精平的成本费用是一次性投入而多年见效。华北地区的作物种植模式主要以冬小麦—夏玉米种植方式为主，由于小麦生长期适逢干旱少雨季节，作物必须进行补充灌溉，而夏玉米期间雨热同步的气候条件往往能满足作物发育生长对水分的需求，一般情况无须灌溉，因此，激光平地带来的节水增产效益主要体现在冬小麦作物的生长发育期间。若当年土地精平程度由5cm提高到1.5cm时，田面平整精度的改善度δ=3.5cm，由图5可知，一次性投入的平地费用为957元/hm2，平均每改善1cm田面平整精度所需投入的平地费用是273元/hm2，产生的节水增产效益是938元/hm2，效益略低于成本，但基本持平。激光精平后的第2年，田面S值退化到3.5cm，即相当于田面平整绝对改善度δ=1.5cm时的情况，从图5可得到第2年的持续效益是538元/hm2。在精平后的第3年，S值又降低到4.5cm，相应于δ=0.5cm时的状态，其对应的持续效益为202元/hm2（图5）。由此可知，在激光精平后的3年效果持续期内，3年累计的节水增产毛效益为1678元/hm2，一次性平地费用为957元/hm2，则净收益为721元/hm2，静态分析法下计算的效益费用比为1.8（表2），平均每改善1cm田面平整精度所获得的净收益是206元/hm2；若取资金报酬率为7%，则净收益现值总和为554元/hm2，动态分析法下的效益费用比1.6。可以看出，农田生产力提高带来的节水增产效益可以超过土地精平耗费的成本，采用激光精平方法可以获得较好的经济回报与效应。
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2.5 经济可行性评价
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在美国西南部用于激光平地作业的设备是功率为149kW的拖拉机和容积为8～10m3的平地铲运机，激光平地作业效率对首次采用精平措施的农田而言是0.5hm2/h，二次复平下为1hm2/h；葡萄牙在激光平地作业中采用的拖拉机功率是115kW，铲运机容积为3～4m3，平地作业效率为0.25hm2/h左右。如前所述，本次激光平地中使用的拖拉机功率为49kW，铲运机容积是2m3，相比之下，无论是从平地机具的牵引动力上还是从土方铲运的能力上都明显低于美、葡两国的水平，作业效率平均只能达到0.1hm2/h的水平。由此表明，若在实际生产中引入规模和功率较大的激光平地设备，就可提高土地精平的作业效率，降低平地的成本费用，增强其应用的经济可行性。
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激光平地的成本费用构成分析表明（表1），较为昂贵的平地设备购置费用（约25万元）导致折旧费和大修费相对较高，其中用于购买激光发射、接收和液压控制设备的费用约占总价格的1/2。如在生产性平地过程中，采用同一台激光发射装置控制多台铲运机作业的方式，可达到提高设备利用率、降低设备资金投入、减少平地费用的目的。
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从表2给出的土地精平效益分析结果中可以清楚地看到，来自作物增产的效益是非常显著的，约占总效益的98%。当小麦销售价格下跌到0.6元/kg时，激光精平产生的净效益等于零，效益费用比值近似为1，采用土地精平措施将入不敷出，无利可图。另一方面，总效益构成中明显偏低的节水效益是由水价较低引起的，过低的水费是利用土地精平方法达到节水灌溉目的的一个制约因素。因此，小麦市场价格的高低和合理的水价制定是决定激光平地技术经济可行性的一个关键要素。
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在土地精细平整效益分析中，还有一些正效应尚未考虑。首先精平土地使得灌溉用水量下降，节约的水量可用于扩大灌溉面积。如前所述，当田面平整精度S由6.4cm提高到1.3cm时，单位公顷面积上的灌水量可减少22%，节水扩灌的潜力显而易见。其次平畅的田面有利于夏季暴雨期田间积水的顺利排泄，沥涝时间的减少可保障作物的正常发育生长，避免或减轻因涝灾引起的夏玉米减产。最后因精平土地带来的土地利用率提高和劳力投入量减少所产生的效益也未计入。这些效益的考虑都会增加激光平地方法的经济可行性。
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3.结论
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灌溉用水量随田面平整状况的改善而递减，节水效果较为显著，而伴随着田面平整精度的提高，作物产量呈递增趋势，增产效益十分明显。节水增产效益随田面平整状况得以改善而明显增长，其中受价格因素影响作物增产的效益较为显著，占总效益的绝大部分。另一方面，激光平地成本费用随田面平整绝对改善度的增加呈线性增长。
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在激光土地精平效果的3年持续期内，考虑激光平地设备折旧条件下的效益费用分析表明，静态下的效益费用比为1.8，动态下的相应值是1.6。农田生产力提高带来的节水增产效益超过了土地精平的成本费用。在我国现有的农业生产力条件下，引入实用型的激光平地设备、采用激光精细平地技术可以获得较好的节水增产效益回报，具有较佳的经济可行性。
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参考文献
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[6] 李福祥，许迪，李益农.农田土地平整方法的组合应用及效果评价.农业工程学报，2000，16（2）：50～53
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[7] 许迪，李益农，李福祥.常规土地平整方法与激光平地技术组合应用分析.水利学报，1999，10：39～44
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田面平整精度对畦灌系统性能影响的模拟分析
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1.方法与试验
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1.1 地面灌溉模型
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本文采用的SRFR模型是由美国水保实验室开发的一维地面灌溉模拟模型，可根据用户需求任选全水动力模型、零惯量模型或动力波模型描述地面畦（沟）灌溉中的水流运动过程。其中基于忽略全水动力模型中加速度项的零惯量模型因其计算简便、不受地段坡度条件的限制等优点，具有较强的适用性，水流运动基本方程表示如下：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中x为水流推进距离；y为水深；t为灌水时间；A为单位长度的入渗量；A为过流断面的截面积；Q为灌水流量；S0为地面坡度；S为阻力坡降。
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SRFR模型的输入参数分为三类：①几何尺寸参数（畦田长度、田面坡度、地面平整精度、畦尾开闭状态等）；②土壤和作物条件参数（土壤入渗参数、田面糙率系数等）；③运行管理条件参数（入地流量过程线、灌水时间等）。模型输出结果包括：水流推进与消退曲线；田间入渗水深分布；灌溉系统性能的评价指标等。
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1.2 土壤入渗参数和田面糙率系数
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SRFR模型中使用Kostiakov公式描述土壤入渗性能，计算累计的入渗量
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I=kτ （3）
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式中I是累计入渗深度；τ是土壤入渗受水时间，可根据实测的水流推进时间与积水消退时间之差计算得到；k和α是待定的土壤入渗参数。测定土壤入渗性能的方法为池田入渗法，即在田块内建立起1m见方、埂高15cm的试验小区，设置环绕保护土埂，其实验步骤同于双环入渗仪法，优点在于不扰动土壤表面，供试界面相对较大，更逼近畦田土壤入渗的实际环境条件。
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田面糙率系数n受畦面坡度、过水状态和作物覆盖程度的影响，计算公式如下，
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中q是单宽流量；y是水流深度，田间试验中沿畦田纵坡方向布设测点，使用专用测量框架观测该值；S为畦田水面坡度，可根据各测点的水深值与地面高程共同确定。
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1.3 田面平整精度
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SRFR模型是通过输入沿地面纵坡方向上实测的一系列高程点来反映田面的平整状况，所有点的高程标准偏差值用来定义田面平整精度S（cm），即：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中h为第i个测点的实际高程（cm）；h为第i个测点的坡面高程（cm），即为已知地面纵坡上的设计高程；n为测点数量。S=0是理论上可达到的最佳田面平整精度，较高的S值意味着较差的田面平整状况。采用激光精细平地措施后，地面所能达到的最佳S值为1.5cm左右；对华北平原地区的田间平地状况调查表明，采用常规机械平地方法下，井灌区田块的S值通常在5～7cm，而渠灌区田块的S值间变差较大，典型地块的S值常接近10cm。
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利用田间试验资料验证SRFR模型时，可采用沿纵坡方向实测的田面高程系列点输入模型，由模型根据输入的田面纵坡和各高程实测点计算相应的田面平整精度S值。当使用验证后的SRFR模型来模拟田面平整精度对畦灌系统性能的影响时，考虑到作为随机变量的田面高程分布具有典型的正态分布特征，故在已知随机变量概率分布模型和特征参数的情况下，可根据不同的S值和相应的地面高程均值，利用Monte-Carlo方法随机模拟生成田面高程沿畦长的分布状况，然后输入模型。
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1.4 畦灌系统性能评价指标
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采用灌溉效率E（%）和灌水均匀度DU（%）评价畦灌系统性能。在已知相同的畦田供水系统条件、土壤质地和田块几何尺寸条件下，E和DU可视为仅随田面微地形差异而变，
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E= 100×Z/D （6）
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DU=100×Z/Z （7）
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式中Z是水分入渗进入计划湿润层的平均水深；D是进入田块的灌水深度；是沿田块长度方向上土壤受水最小的四分之一畦段内的平均入渗水深；Z是整个田块上的平均入渗水深，在畦田封闭没有径流和弃水发生的条件下，Z值近似等于D值。
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1.5 模型验证
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不同田面平整精度处理下的田间冬小麦畦灌试验已经在1998—1999年于北京市昌平区百善渠灌区完成，灌溉试验中采用水流推进至畦尾的时间作为灌水时间，根据观测得到的田间试验数据，定量分析了田面平整精度差异对畦灌系统性能和作物产量影响的趋势。在小麦冬、春两次灌水期间，分别在田间各完成8组入渗试验，利用最小二乘法确定公式（3）中的土壤入渗参数α和k，其中冬灌期间的k=150mm/hα，α=0.45；春灌季节的k=130mm/hα，α=0.40。结合畦灌试验在田间实测水流深度，计算畦田水面坡度，利用公式（4）得到冬、春灌期间的田面糙率系数平均值分别为0.12和0.15。
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图1 不同田面平整精度下畦灌水流推进时间的实测值与模拟值间的比较
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图2 不同田面平整精度下畦灌性能评价指标的实测值与模拟值间的比较
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利用上述田间实测资料完成对SRFR模型的验证。图2所示。在不同的S值下，和DU的计算值与实测值间吻合较好。图示验证结果表明，SRFR模型具有再现地面畦灌水流真实系统的能力，可用来分析模拟畦面平整精度与畦灌系统性能间的定量关系。
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2.结果与讨论
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2.1 入畦水流推进与消退
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图3 田面平整精度对水流推进状况的影响
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图3显示出不同田面平整精度S下的水流推进时间t与相对推进距离R的关系，其中R是灌水停止后水流最终推进的距离与畦田长度L的比值。在设计灌水时间下，田面平整精度差异对水流推进距离的影响显著，R值从S=1.5cm时的0.92下降到S=10cm时的0.68，对田面平整条件较差的畦田，有近30%的下游畦面没有过水。当水流推进到畦尾才停止供水时，水流推进时间随田面平整精度的降低而逐渐增大，这在S=10cm的田面平整条件下最为明显。
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图4 田面平整精度对水流消退状况的影响
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田面平整精度对水流消退时间的影响可采用消退时间的标准偏差值ST随S值的变化关系给以描述。地面平整状况愈好，畦田内各点处的水流消退时间就愈接近，ST值愈低，反之该值则愈高。如图4所示，在采用激光平地措施下的田块，两种灌水时间设置下的ST值均较小，随着田面平整精度的下降，随机灌水时间下的ST值继续增大，而在设计灌水时间下，受水流推进距离缩短等因素的影响，ST值的增加趋缓。
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上述结果说明，田面平整状况对入畦水流的推进与消退过程均具有显著影响，其中对水流推进过程主要反映在推进时间的延长上，而对消退过程则体现在畦田积水消退时间的分布差异上。
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2.2 沿畦长入渗分布
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田面平整精度对入畦水流推进与消退过程的影响必然带来沿畦长各点土壤入渗受水时间上的差异，从而影响田间水分入渗沿畦长的分布状态，不同田面平整精度S下的累计入渗水深沿畦长的分布状况如图5所示。
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图5 田面平整精度对田间水分入渗沿畦长分布的影响
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在设计灌水时间下，三种典型田面平整条件下的平均入渗深度虽然均为150mm，但沿畦长各点累积入渗水深的分布状况却存在着差异，水深值的变差系数C分别是0.35、0.41和0.45，田面平整精度不同引起的差异并不是非常明显。与此相对比，随机灌水条件下的田面平整精度差异对累积入渗水深沿畦长分布的均匀性影响较大，三种田面平整精度下的平均入渗深度分别为184mm、205mm和311mm，入渗水深值的变差系数C分别是0.15、0.33和0.58。由此可见，在两种灌水时间设置下，提高田面平整精度都有利于改善入渗水分沿畦长分布的均匀程度，起到增加灌水均匀度的明显作用。
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2.3 畦灌系统性能评价
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田面平整精度差异对畦田水分入渗分布的作用会直接影响对畦灌系统性能评价的结果。图6给出田面平整精度S与灌溉效率和灌水均匀度DU间的关系。设计灌水时间下的E值和DU值随田面平整精度的改善而增加，但由于三种地面平整条件下的水流均没有推进到畦尾，故下游未灌溉干燥畦段的存在造成较低的DU值出现，且随着田面平整状况的恶化而明显降低；另一方面，随机灌水时间下畦灌系统性能改善亦明显地依赖于田面平整精度的提高，由于采用水流推进到畦尾的时间作为实际灌水时间，且保证Z=150mm条件的成立，使得灌水均匀度有较大程度的改善，但在田面平整状况较差的条件下，由于深层下渗水量的增加，灌溉效率明显下降。要想保持较高灌水均匀度的同时又获得较为理想的灌溉效率，提高田面平整精度是重要的条件之一。
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图6 田面平整精度对畦灌系统性能的影响
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表1 不同田面平整精度下的地面畦灌模拟结果
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表1列出随机灌水时间下不同田面平整精度对应的地面畦灌模拟结果。随着S值的增加，田面平整状况的恶化，水流推进到畦尾时的随机时间t相应增大；灌水深度D逐渐增加。与常规机械平地下的最佳平整效果（S=5cm）相比，采用激光精细平地措施（S=1.5cm）后的灌溉效率和灌水均匀度分别提高8%；与田间一般粗平情况（S=10cm）相比，灌溉效率提高了34%，灌水均匀度提高28%。由此可见，改善田面平整条件可有效地提高畦灌系统的灌水质量。
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3.结论
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采用地面灌溉模型对不同田面平整精度下的畦灌系统性能进行模拟的结果表明，田面平整精度差异对入畦水流的推进与消退过程、入渗水深沿畦长分布的均匀性具有显著影响，较好的田面平整状态下可获得较高的灌溉效率。当以水流推进到畦尾且Z=150mm条件得到满足下的时间作为实际灌水时间时，在得到较高的灌水均匀度同时又可保持较为理想的灌溉效率。为达到较佳的地面平整程度，则需在田间实施激光精细土地平整措施。
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参考文献
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[11] 李益农，许迪，李福祥.田面平整精度对畦灌性能和作物产量影响的试验研究.水利学报，2000，11
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新疆规模化农业区改进地面灌溉技术的初步成果
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1.前言
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近年来，全国节水灌溉取得了快速发展，在一定程度上缓解了我国农业水资源供需矛盾。但与全国水资源短缺的形势相比，节水灌溉的发展仍然是滞后的，特别是占全国灌溉面积95%以上的地面灌溉，由于普遍存在土地不平整、田间工程不配套、灌溉管理粗放等问题，总体上制约了全国节水灌溉事业的发展，急需改进和提高。新疆生产建设兵团位于我国典型的干旱地区，灌溉对于农业生产发展具有决定性作用，但比较粗放的地面灌溉仍然占灌溉总面积的90%以上，灌溉用水效率低下、农田盐碱化的问题普遍存在。根据耕地多、职工少的实际情况，兵团内部普遍实行了团场统一经营下的规模化农业生产，一般农工承包耕地面积为2～3.34hm2，许多大户承包面积超过6.67hm2。为此，根据国家“农业高效用水科技产业示范工程”总体实施方案，兵团承担了“干旱地区规模化灌溉农业类型区农业高效用水模式与产业化示范”分项，把示范推广喷微灌技术与改进地面灌溉技术放在同等重要的位置。
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项目区位于天山北麓、准噶尔盆地西北边缘的农七师车排子垦区，属于奎屯河流域的地表水灌区，多年来以种植棉花为主。1999年以来，我们承担了上述国家“干旱地区规模化灌溉农业类型区农业高效用水模式与产业化示范”分项中改进地面灌溉新技术的试验示范研究。本文总结评价2000年田间闸管灌溉技术和改进畦沟灌技术在兵团农七师127团的初步应用成果。
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2.改进地面灌溉技术及田间应用设计
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2.1 改进地面灌溉技术
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（1）田间闸管灌溉技术 田间闸管系统由管道和闸门组成，主要用于管道输水系统的配套，代替毛渠完成从管网出水口到畦沟入口的配水，同时也适用具有一定水头的明渠。目前在国内外应用的有软、硬闸管系统。中国水利水电科学研究院通过水利部“948”项目，完成了软闸管系统的引进及配套开发生产，初步应用结果表明，该系统节水、节劳效果明显，特别适用于沟灌作物。
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（2）改进畦沟灌溉技术 就是综合考虑土壤类型、土地平整精度、地面坡度及灌水流量等因素，合理设计田间规格，实现快速均匀灌溉，减少灌溉水的深层渗漏。当然田间规格的最终确定还要考虑农业生产经营规模、机械作业效率、农田排水以及节地、省劳等因素。
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2.2 田间应用设计
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（1）试验示范地点 通过在示范区内的田面高程测量，选择了土地平整状况较好的173南地块和166西地块进行了改进地面灌溉技术的试验示范。
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图1 闸管灌溉及改进沟灌试验区（173南地块）
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173南地块，如图1所示，南北宽106m，东西长876m，面积9.34hm2，棉花沿东西方向种植。该地块从斗渠直接取水，采用沟灌。从地面及渠底高程的测量结果看，土地平整精度（标准偏差值）Sd=5.2cm，平均纵坡（棉花种植方向）和横坡（田间毛渠配置或闸管铺设方向）均为0.6‰，渠深0.8m，可利用水头为0.6cm，满足闸管灌溉的水头要求。从土壤断面的调查结果，耕作层（0～30cm）为壤土，耕层以下为砂土，保水能力差，易产生深层渗漏。
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166西地块，如图2所示，东西宽180m，南北长520m，面积9.74hm2，棉花沿南北方向种植。该地块从农渠取水，采用畦灌。从田间调查结果看，其土地平整精度、田面纵横坡度及土壤断面与173南地块基本相同。
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图2 改进畦灌试验示范区和现状对照区（166西地块）
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（2）田间应用设计 如图2所示，2000年灌溉试验示范设计了4种不同情况：
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①闸管沟灌试验区（图1，173南1），采用闸管系统长度（与173地块宽度相等）106m，软管直径250mm，闸阀安装间距（与田间开沟间距相同）0.9m，闸孔直径7.62cm（3吋），灌水沟长设计了50m、100m、150m三种情况。
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②改进沟灌试验区（图1，173南2）；毛渠间距既沟长由原来的20m增加到50m。由于田面开沟较浅，为避免无限制的沟间串水，在保证单宽流量达到2～3L/（s·m）的条件下，平均20m左右（包括22沟）增设1条简易土埂，在田间灌水时形成长50m×宽20m的多沟封闭灌。
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③改进畦灌示范区（图2，166西1）：田间设计与改进沟灌试验区基本相同，只是田间没用开沟，因而灌水时形成长50m×宽20m的封闭畦灌。
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④现状对照区（如图2，166西2等）：田间规格的基本情况是，毛渠间距按农七师统一规定为20m左右，农工根据地形高低在田间内设置一些纵埂或纵渠，形成长20m左右、宽度不等的畦田。
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3.灌溉试验方法和结果
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3.1 节水效果测定
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（1）灌溉试验方法及灌水定额的测定 根据作物需水，当地棉花生育期一般灌水3次，此外为了土壤保墒储水，冬灌1次，全年共计灌水4次。这里仅对棉花生育期3次灌水定额进行了测定。具体测定方法是，①在闸管沟灌试验区，根据进水流量大小和沟的长短，每12～20沟为一组，分别测定进水流量和灌水推进时间；②在改进畦沟灌试验区，按畦或平均每22沟为一灌水单元，同时测定进水流量和灌水推进时间。③在对照区，在调查农工灌水管理状况的同时，测定进水流量和一定灌水时间的灌溉面积。在①和②两种灌水情况下，实行封闭灌，严格避免串灌和渠道跑水。但在对照区的灌水情况是，由于渠、埂比较薄弱以及粗放管理，几乎是串灌，有的甚至形成淹灌。进水流量的测定，同时采用DPJ-Ⅱ型流速仪（天津水工所制造）和浮漂法，以提高准确性。根据上述进水流量、灌水时间和灌溉面积的测定结果，分别计算了每次灌溉的灌水定额。
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（2）现状对照区的灌水定额 据农七师127团灌溉统计，2000年全团棉花生育期平均灌水定额为4200m3/hm2（最大5775m3/hm2），平均每次1395m3/hm2（最大1920m3/hm2），其中，第1水平均1380m3/hm2，第2水平均1425m3/hm2，第3水平均1395m3/hm2。现状对照区3次灌水定额的测定结果是，第1水1920m3/hm2（166西地块），第2水1650m3/hm2（166西地块），第3水1200m3/hm2（164东地块），3水合计为4770m3/hm2，平均每次1590m3/hm2。直接测定结果，与全团统计数字基本一致，说明127团灌溉科的统计结果基本反映了现状灌水状况。
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（3）改进地面灌溉的节水效果 在棉花生育期的3次灌水过程中，闸管灌溉试验区及改进畦沟灌试验示范区的灌水定额测量结果及节水效果如表1所示。与现状相比，闸管灌溉节水率达到了31%～38%（不含沟长50m），改进沟灌和改进畦灌的节水率分别达到了27%和35%，节水效果明显。
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表1 三种改进地面灌溉的节水效果
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3.2 改进地面灌溉的田间水利用率
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通过对试验区的土壤容重、灌前及灌溉后24h土壤含水量的测定，可以计算灌水前后增加的土壤有效灌水量。如作物对土壤水的有效利用深度为1m，则灌水前后深1m以内土壤中增加的含水量为有效灌水量。有效灌水量除以实际灌水量，即可得出每次灌溉的田间水利用率。2000年第1水和第3水的测定结果如表2所示，闸管灌溉及改进沟灌的田间水利用率达到了80%～90%。尽管测定过程中可能存在一定偏差，但上述结果可以说明，在土壤和地面状况一定的条件下，通过合理确定灌水流量及田间规格，并严格实行“封闭灌溉”、精心管理，地面灌溉的田间水利用率可以达到80%左右。
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表2 闸管灌区和改进沟灌区的田间水利用率
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此外，从表2推知，若当地土壤条件下的有效灌溉水量按750～900m3/hm2计，则现状地面灌溉情况下的田间水利用率为45%左右，节水潜力为25%～35%。
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4.结论
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（1）闸管灌溉系统可以有效地实现田间控制灌溉，田间水利用率达到了80%，可比现状灌溉节水30%～40%，而且具有减轻劳动强度、减少田间毛渠及田埂占地等优点。此外，从灌水沟长50m、100m、150m的节水效果看，随着沟长的增加，其节水效果不断下降。综合考虑节水及闸管设备投资等因素，在机械平地的条件下（土地平整精度为Sd=5cm左右），闸管灌溉的灌水长度以100m为宜，最长150m。
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（2）改进沟灌和改进畦灌的节水效果分别达到了35%和27%，说明沟灌比畦灌节水效果明显，同时也说明只要合理确定灌水流量和畦沟规格、并实行封闭灌溉（避免串灌）、精心管理，即使不增加任何设备投资也可以有效地改进地面灌溉状况。
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（3）根据试验区的测定结果，在当地土壤条件下，其有效灌溉水量约为750～900m3/hm2，则现状地面灌溉情况下的田间水利用率为45%左右，节水潜力为25%～35%。
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上述试验示范研究工作，得到了兵团有关部门、农垦科学院、农七师及127团领导和技术人员的大力支持，深表感谢。
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（二）管道输水与渠道防渗
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低压管道输水灌溉技术发展回顾与展望
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1.概述
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我国960万km2的土地上养育着众多人口，面临着沉重的粮食供应压力；同时我国水资源紧缺，人均占有量只有世界平均水平的1/4，亩（0.067hm2）均占有量仅为世界水平的2/3，北方地区尤甚，人均占有量为全球人均数据的1/21，且时空分布不均、水土资源组合不平衡，加之水的浪费与污染并重，更加重了水资源的紧缺程度。当前，我国的缺水已从北方蔓延到全国，21世纪将面临更加严峻的水危机。由于水资源越来越枯竭，水利工程建设难度越来越大，解决我国水危机已成为世纪之交实现社会经济持续发展的重要核心问题。我国的农业用水量占总用水量的80%左右，因此，农业节水是一项长期的战略任务。中央领导曾明确指出：“缓解农业用水矛盾，中国非搞节水农业不可，因此各地要高度重视农业节水工作，这不是权宜之策，是中国国情和水资源条件所决定的一项长期政策”。低压管道输水灌溉作为一项农业节水灌溉措施，经过十几年的研究、试验、示范、推广，目前已初具规模。截止到1997年，低压管道输水灌溉发展面积达526.7万hm2，覆盖全国25个省、直辖市、自治区，为缓解我国北方地区农业用水矛盾，实现井灌区农业可持续发展起到了十分重要的作用。
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2.低压管道输水灌溉发展概况和特点
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我国低压管道输水灌溉起步较早（20世纪50年代），但真正形成气候还是在20世纪80年代以后。80年代初期，面临北方地区连年干旱，水资源日益紧缺的严峻情况，在国家科委、水利部等组织下，联合科研院校、企业和各地方政府，投入大量人力、物力进行攻关，取得了一大批包括管材、管件、设计、施工等实用成果，从而推动了低压管道输水灌溉技术的发展。低压管道输水灌溉最初主要在山东、河北、河南及北京、天津等北方省、直辖市的井灌区应用，目前已由北方旱作区向南方水田区、由井灌区向提水灌区、由平原区向丘陵山区发展。
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低压管道输水灌溉的发展经历了飞跃和快速稳步两个发展阶段。由表1可以看出：1982—1986年是低压管道输水灌溉发展的飞跃阶段，低压管道输水灌溉面积从12.67万hm2发展到166.67万hm2；1987—1997年是低压管道输水灌溉的快速稳步发展阶段，低压管道输水灌溉面积从166.67万hm2发展到526.67万hm2，以年均33.34多万公顷的速度发展。
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表1 管灌历年发展情况表
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从其发展过程来看，低压管道输水灌溉的发展具有以下特点：
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（1）在低压管道输水灌溉面积中，移动软管部分所占比例逐渐下降，半固定式、固定式部分所占比例快速上升。移动软管是在管灌发展初期，技术水平和管理水平较低、投资力度较小，农民急需抗旱的情况下发展起来的，其优点明显，但寿命短、管理不便等缺点也十分突出，因此随着技术和管理水平的提高、经济实力的增强，必然逐渐被标准高的半固定式、固定式所取代。
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（2）井灌区塑料硬管所占比重大，南方地区预制管材发展较快。适应低压管道输水灌溉的管材主要有塑料硬管、水泥预制管、现浇混凝土管及各种软管。塑料硬管以其重量轻、易搬运、内壁光滑、输水阻力小、耐腐蚀和安装方便，在井灌区得到了广泛应用，截至1995年，在全部管灌面积中，硬塑料管所占面积的比例：河北省为58.7%，山东省为44.4%，河南、山东省则高达80%以上，全国超过50%；在南方河网提水灌区，因管道输水流量大，一般采用大口径的预制管，如安徽的水泥预制管、浙江的钢丝网水泥管等。
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（3）经济发达地区塑料硬管发展较快。如北京市大兴县、上海市郊、河北三河市、山东威海市等，塑料硬管所占比例很高。
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图1 主要省份管灌发展比例
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图2 各种节水灌溉面积所占比例（%）
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图3 节水灌溉面积占有效灌溉面积的比例（%）
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（4）山东、河北、河南、山东四省低压管道输水灌溉发展面积占全国管灌面积的79.5%（1995年统计，见图1）。这4省是井灌大省，井灌区是低压管道输水灌溉发展的起点、重点，今后仍将是推广的主要方向。
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（5）在全部节水灌溉面积中，低压管道输水灌溉占28.3%，喷灌占6.2%，微灌占0.5%，说明管灌是一种主要的节水灌溉措施（图2）。
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（6）在有效灌溉面积中，低压管道输水灌溉仅占8.6%，占现有井灌区面积的30%多，所以发展低压管道输水灌溉潜力巨大（图3）。
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（7）通过推广应用低压管道输水灌溉技术，全国各地总结出九项优点：①可提高水的有效利用率；低压管道输水具有较高水的有效利用率，一般可比土渠输水节约水量30%左右；②节能：可节约能耗20%～25%；③省工：由于管道输水快、不需要护渠、维修少，所以省工；④减少土渠占地：井灌区一般可减少土渠占耕地2%～3%左右，这对于我国耕地资源紧缺的现状来说，具有现实意义；⑤灌水及时、增产增收；⑥便于交通和机耕；⑦维修管理方便，寿命长；⑧在丘陵区应用，避免土渠弯曲线长和被泥沙淤塞渠道；⑨可调整作物种植结构，提高产值和效益。
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3.成果回顾
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3.1 管灌面积从小到大、从点到面逐步扩大
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目前全国25个省市自治区都把其作为一种重点节水措施；同时，管灌的应用范围越来越大，不仅在井灌区得到大面积推广应用，而且已在河网提水灌区、自流灌区、丘陵区等有了一定的发展。管灌的功能也得到了延伸，如：管灌与膜上灌结合（宁夏）、小管出流果树灌（北京）、余压喷灌与管灌结合、稻田管灌等。
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3.2 科研成果丰富多彩
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3.2.1 管材、管件
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在低压管道输水灌溉系统中，管材、管件的投资占管网的投资的比例最大，一般在70%左右，因此管材、管件成为制约低压管道输水灌溉发展的主要因素。“七五”期间，经过各地、各部门的联合攻关，开发出一系列适用管材及相应的管件，其中主要管材有薄壁PVC塑料管、内光外波双壁PVC塑料管、地埋软管，现浇混凝土管、内衬塑膜现浇管，各类预制管（包括钢丝网水泥管）等。
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3.2.2 理论计算与管网优化设计
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在进行低压管道输水灌溉的硬件设备研究开发和推广中，科技人员还重视理论计算与管网优化设计的理论研究，如不淤流速的确定、软管水力计算、环状管网水力计算、效益计算方法探讨，树枝状管网、环状管网的优化设计方法及软件开发等。
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3.2.3 给水装置
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目前研究成功和应用的给水装置有：组合式调压、放水阀（河南），旋转式放水阀（浙江），可变式调压塔（江苏），球阀式给水栓（农灌所），升降式出水口（北京市水利科学研究所），拍门式、螺杆闸板式、活塞式给水栓（山西），搭口盖板型、提升盖板型出水口（中国水利水电科学研究院），丘陵梯田放水专用阀（山西），浮球式节制阀（山东）等，在此不能一一列举。
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3.2.4 高寒冷地区管道适应性
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在我国内蒙古、东北三省、新疆北部、宁夏、甘肃等寒冷地区，冻土层较深，如将低压输水管道埋在冻深以下，土方工程量大，造价高、施工维护困难，为此中国水利水电科学研究院，辽宁、内蒙古、山西水利科学研究所等单位，在内蒙古、辽宁、黑龙江、山西等寒冷地区相继开展了低压输水管道在寒冷地区的适应性研究，对PVC、PE管的低温下力学性质、适宜埋深和防冻保护措施等得出了初步成果，推动了当地的低压管道输水灌溉的发展。
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3.2.5 施工方法及工艺
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施工是低压管道输水灌溉工程的重要环节，各地在研究推广过程中，总结出许多成功的施工方法和工艺。如：塑料硬管接头的连接方法，预制管的一纱二浆接头法、塑料油膏接头法等，现浇混凝土管施工工艺等。
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3.3 管材生产初具规模
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低压管道输水灌溉技术的广泛推广应用，带动了管材生产企业的发展，尤其是塑料行业的生产发展，并由此推出了数家塑料管生产名牌企业。
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3.4 社会、经济和环境效益显著
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低压管道输水灌溉技术以其节水、节能、省工省时、节约土地、增产增收等优点，创造了巨大的社会和经济效益；同时，对北方井灌区地下水连年超采，地下水位不断下降，漏斗面积逐渐扩大的状况起到了一定的遏制作用，因此环境效益也十分显著。
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3.5 积累了宝贵的管理经验
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如山东的集体统管、凭票供水，以井定户、联户管理，专业户承包、盈亏包干；山西省的管灌工程管理主要有三种型式：①单井承包，三统三定。即，村委会统一管理、统一收费、统一维修，定人员、定级别、定制度。②对跨村或乡镇的大中型管灌过程实行集约化管理。③基金启动股份制经营；河南实行“井长制”，用经济手段进行管理，对井长“五定一奖：即定人员、定机具、定任务、定消耗、定报酬，节余奖励，超支不补；天津成立乡级水利服务公司；甘肃专业管理与群众管理相结合等。
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3.6 渠灌区管灌试验研究与示范取得了一些经验
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我国渠灌区是农业节水的主力军，为了推动低压管道输水灌溉在渠灌区的应用，“七五”以来，各地对此专门进行了试点研究，如：河北冶河灌区试点（“八五”攻关项目）、陕西桃曲坡水库试点、甘肃景泰川高扬程灌区试点等，为下一步渠灌区发展低压管道输水灌溉奠定了基础。
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3.7 出版专著、培训教材和规范
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近几年来，在水利部科技司、农村水利司等有关司局的组织下和各地的支持下，相继出版了低压管道输水灌溉专著、规范和一系列培训教材，对提高基层水利技术人员管灌的理论、设计、施工、管理水平起到了促进作用。
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4.存在问题及解决对策
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4.1 存在问题
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4.1.1 标准低
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目前低压管道输水灌溉工程仍然存在标准低的问题。产生这类问题主要可能有以下原因：规划设计不合理，资金不到位，技术人员为满足群众低造价要求而自行降低标准，结果造成一些工程运行寿命短，挫伤了农民的积极性，并对管灌的发展产生一些负面影响。
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4.1.2 田间不配套
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低压管道输水灌溉是一个包括输水和田间措施的整体系统，但由于田间部分相应的产品开发和田间管理跟不上，往往只重视管道输水的节水，而忽视了田间措施，使低压管道输水灌溉的优点未能充分发挥出来。
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4.1.3 发展不平衡
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管灌作为一种比较新的节水技术，投入较大，其发展必然受多方面影响，目前的发展不平衡主要表现在：经济发达地区与不发达地区、决策部门重视与不重视地区、群众节水意识强与不强地区。
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4.1.4 管材、管件系列化、标准化程度差
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在国外节水灌溉技术先进的国家，节水灌溉设备的生产实现了产业化、系列化和标准化，其特点是设备种类齐全、质量稳定可靠。但从整体上来看，我国的节水灌溉设备在产业化、系列化和标准化方面还很不完善，尤其是管灌用管材、管件的生产厂家小而分散，标准不一、型号混乱、质量不稳定，再加上地方保护的影响，难以在市场占有一席之地。
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4.1.5 工程管理没受到应有的重视
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国际上共认，灌溉节水潜力的50%在管理。但在我国管灌发展仍然存在着重建轻管的现象，许多地方没有对管灌的管理制定相应的对策和规章制度，没有专门的管理组织，管道设施得不到及时维修和管护。
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4.1.6 渠灌区、南方河网提水灌区和丘陵区研究投入少、重视程度不够
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这类型区与井灌区相比，具有控制面积大、输水流量大、地形复杂、线路长等特点，发展低压管道输水灌溉要比井灌区复杂得多，尤其是渠灌区，目前虽然有几处试点，但大都处于试验探索阶段，从规划设计、管材管件、配套建筑物、引浑灌区防淤、施工技术和运行管理，还缺乏成熟的经验，难以大面积推广应用。因此尚需进一步投入人员、经费、进行研究开发。
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4.1.7 缺乏标准化、结构化设计
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标准化设计包括管路布置、管泵配套、管体、配套建筑物结构设计、应力计算、施工等。目前，虽然低压管道输水灌溉的理论计算与管网优化设计基本成熟，但工程实际中应用很少，基本上还是由设计人员根据经验和已有的资料进行规划设计，影响了管灌工程整体设计水平。
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4.2 解决对策
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（1）加强宣传，提高认识。我国地域辽阔，各地条件千差万别，一项节水灌溉新措施的推广需要各方面的大力宣传，因此提高群众对管灌节水增产重要性的认识，尤其是决策部门的认可，对低压管道输水灌溉健康良性发展具有积极的作用。
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（2）强化技术服务。一方面，要组织有关单位，编辑出版有关管灌管理维护和灌水技术实用丛书和小册子；加强基层技术人员培训。同时，要打破地方保护，保证从规划、设计、材料设备供应、施工、管理各个环节的方案合理、技术先进、经济可行、管材管件质量好、施工专业化、管理规范化等。如浙江平湖的“五统一”：统一规划、统一设计、统一备料、统一施工、统一验收标准是值得借鉴的。
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（3）提高管灌工程建设标准，完善田间配套。
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（4）加大科技投入，组织有关人员对存在的关键问题进行攻关，尤其是对渠灌区、南方河网提水灌区要加强科研力度，推动该区管灌的发展。
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（5）重视建后管理，提高综合效益。
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（6）加强科研、应用单位和企业之间的联合，促进管材、管件标准化、系列化、产业化开发。
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5.发展前景及研究方向
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目前，井灌区低压管道输水灌溉的控制面积不足井灌总面积的1/3；渠灌区经过防渗衬砌的渠道长度也仅占总渠道长度的1/5，且大部分灌区工程老化，效益下降，急需进行技术改造，部分可以以管代渠，实现管道输水；喷微灌面积也只占总灌溉面积的1.7%，不但比例极小，而且多年来徘徊不前。即是现阶段发展的0.133亿hm2节水灌溉面积，其标准也比较低，有待提高。
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当前，发展节水农业已成为一项重要国策，最近正在全国范围起动建设300个节水增产重点县和建设节水型井灌区的计划，要在“九五”期间新增节水灌溉面积200万hm2，发展节水型井灌面积100万～133.4万hm2。又根据水利部组织完成的《中国灌溉农业节水规划》，到2000年我国节水灌溉面积要达到0.186亿hm2，2010年达到0.293亿hm2，可见我国今后农业节水灌溉的前景广阔。
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笔者认为：今后低压管道输水灌溉技术研究重点在以下几个方面：
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（1）井灌区高标准管道输水与田间灌水配套技术，包括与管道输水配套的田间闸管系统，管道输水与波涌灌结合等。
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（2）渠灌区大口径管道输水应用技术，包括管材开发、输配水管网系统规划设计、施工工艺、管网系统运行管理计算机仿真、泥沙处理及防淤等技术。
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（3）自动化在管道输水中的应用技术，特别是多级配水的自动控制和群井联合调度技术。
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（4）南方稻田灌排管网系统的合理布局，高扬程提水灌区和自流灌区管道输水与高压区喷灌结合问题。
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（5）配套管件及其附属设备的标准化、系列化、产业化开发。
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（6）低压管道输水灌溉工程标准体系。
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井灌区低压管道输水有关技术浅议
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1.与管道输水配合的田间节水技术
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1.1 地面闸管系统
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该系统可代替毛渠分水入田。已经试点应用过的地面闸管系统主要有：
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①尼龙绸涂胶软闸管（或胶布管）——其放水闸口为同材质的套袖缝合而成。由于涂胶和缝合处质量难以保证，因此在低水头（4～6m）下即“出汗”，水头稍高则大面积渗水，且拖动中易扭结，灌水过程中套袖闸口打结、解结都极困难。
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②双壁波纹塑料硬闸管——以双壁波纹塑料管作为主管，塑料三通或弯头作为放水闸，孔口可扎软塑料管启闭放水闸，也可用橡胶板和镀锌铁板以螺栓固定组装成旋转闸门。这种硬闸管系统收、放、搬运都比较麻烦，放水闸也存在操作不便且密封不理想，其单价也远高于软闸管。
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国外应用的地面闸管系统有轻质铝管等硬闸管系统，也有软质塑料闸管。轻质铝管限于国情尚难借鉴，而软质塑料管则是我国早已引用的，只是在材质上存在着明显的差异。表1给出了其性能对比。
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表1 国内外薄膜软管性能对比
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由表1可看出，我国早期应用的LDPE管（俗称小白龙）其拉伸强度、断裂伸长率均低，后经采用LLDPE改性，强度和伸长率都有了一定的提高，但和国外产品比强度仍然明显偏低，因此同种规格（折径、厚度）情况下国内外产品承受内压及抗撕破的能力也就会有显著差距。这既要从生产设备、生产工艺上找原因，也更要从树脂牌号、配方研究上下功夫。
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闸管的研制管材本身是一方面，同样重要的是闸门管件的配套研制。另外尚需研制软闸管的收放设备。硬件研制成功后还有一个关键是如何推广应用，恐怕这方面难度更大。我想除了用试点、示范来引导群众外，还应调查总结软闸管开发应用过程中出现的各种技术性和非技术性的问题，采取相应的对策。
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1.2 涌流灌溉技术
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这实际上是地面闸管系统的一种改进形式。十多年来已有不少单位在研究这项技术，并在涌流灌机理和数学模型上作了一些理论探索。还有个别单位在涌流灌设备上也作了些工作。前述地面闸管的研制可同时考虑用作涌流管的需要，但更重要的是关键设备——间歇阀和自动开关闸门的研制，要使这项研究从重复的理论探索向应用研究转化，以期能真正形成生产力。另外，涌流灌在井灌区的适应性似乎还应探讨。
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1.3 小畦灌技术
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小畦田灌溉是我国北方井灌区群众多年来积累的灌水经验，在输、配水两级均采用低压管道的基础上实行小畦灌，是不用增加投资的一项好办法。青海在低压输水灌溉面积上实行小畦灌溉，经实测田间水利用系数达0.96。山西省针对多数畦田较宽较长的现状，将田面每公顷不少于150畦也作为一项达标标准，小畦的节水潜力由此可见。
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1.4 管灌和“膜上灌”相结合
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在宁夏中部干旱地区井灌区，试点采用了渠、沟、田全防渗灌溉法，即把管道输水、输水沟地膜防渗与田间“膜上灌”结合起来，形成一个灌溉系统，使灌溉水输送过程中避免与土壤接触，从苗孔入渗灌溉，这样既能节约更多的水，地膜对大田又起保温保墒作用。这种系统较一般管灌节水40%，增产10%，效益显著。
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1.5 余压喷灌与管灌结合
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北京密云县西田各庄镇已建低压管道输水灌溉面积536.5hm2，36眼机井中有28眼为20世纪70～80年代配套的深井泵，为了利用井泵的剩余压力，发挥喷灌和管灌各自的优势，在已有的低压管灌面积上增配了和给水栓连接的喷灌设施，试验了余压喷灌——管灌相结合的灌水系统，实现了初级阶段的多功能灌溉，是一种有益的尝试。
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2.寒冷地区地埋管道安全运行中的问题及对策
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2.1 管材选择
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3个地区不约而同地均选择塑料管作为冻层浅埋管材。根据资料介绍，常用塑料管的应用温度范围如表3。
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表3 常用塑料管的应用温度范围
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由上可知，HDPE、LDPE管脆化温度低，因之有较强的抗冲击能力，是适合低温使用的优良管材。UPVC管理论上讲不宜在0℃以下使用，但由于塑料管吸水率极小，经受冻融循环后其强度损失甚微，而且在一定负温下其承受外压强度呈增长趋势，仅抗冲强度会明显降低，因此只要施工期间温度不低于O℃，埋地后其能适应的温度经实践证明已可达-5～-10℃。PP管虽脆化温度同样为0℃，但其抗冲击能力却更低于UPVC管，且尚无冻层浅埋的成功经验，因之应用宜慎。除管材本身的低温性能外，还应考虑管中积水后的冻胀变形对安全的影响。资料表明，当管中积水50%～70%时，冻胀后管道结构尚未发现破坏，而当管中积水100%，UPVC管材的平均冻胀率为4.2%，PE管材则达9.5%，其冻胀变形已接近或超过允许的变形率（5%），管路冻胀量观测也表明最大可达20mm。另外管内存水结冰产生的冰胀力还将严重损害接头的密封性，因此，即使对有较好低温性能的塑料管，在冻前排除管内积水也是必不可少的安全措施。
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关于内衬薄膜外护圬工管或有护顶的PE橡塑软管作为冻层浅埋的管材虽也有小面积成功应用的经验，但鉴于已经发现这种管材结构本身的一些问题：如由于施工手段尚落后造成的外护材料厚薄不均影响承受内压能力，薄膜和外护材料间易分离影响过水，外护材料裂缝时导致薄膜挤出被斯裂等。冻层浅埋这类管材似乎宜在这些问题进一步改善后进行深入一步的论证。
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2.2 埋深的确定
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根据寒冷地区不同深度地温变化资料，1月中旬至2月中旬气温最低时，地温变化较大的是从地表面到1.0m深处。相当于-5℃左右的地层深度是从地表面至地下深0.6～0.8m处。因此前述管材在这个深度埋设均不会发生冻胀破坏。但除考虑管材本身耐低温性能外，还应考虑管材承受外荷载的能力。根据以往的研究结果，厚壁塑料管和双壁塑料管在埋深较浅时也能承受足够的外压，而专用于低压输水的薄壁PVC管在埋深0.7～0.8m时其变形率在5%左右，这是能允许的最大变形率，且地面动荷载对管材变形的影响也在埋深大于0.7m时才可忽略，因此冻层最浅埋深应不低于0.7m。对于薄壁PE管，由于其在冻、融状态的受力变形均较大，浅埋宜慎重。
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2.3 管路的安全保护措施
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2.3.1 管道的纵向变形问题及安全措施
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由于塑料材料具有较高的线膨胀系数，因此温差变化将引起管道的纵向变形。如当温差为25℃时，每节6m长的管子其纵向变形量UP-VC管为1cm，HDPE管为2cm，LDPE管为2.7cm。虽然对于地埋管来说，由于管材和土壤间的摩擦力抑制了温差的影响，且所产生的温度应力也远小于管材本身的抗拉强度，不致使管材本身破坏，但接头处连接方式不当，则会因变形而影响密封性。因此，冻层浅埋时宜尽量少用粘接方式的刚性接头，如若采用也需每隔30m设一伸缩节。最能保证安全的应是使用带有橡胶圈的扩口承插管。
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2.3.2 给水栓竖管的冻拔问题及安全保护
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由于给水栓竖管是穿过冻层伸出地表，因此，土壤冻胀力将使竖管受到切应力而发生冻拔。虽然冻拔力尚不足以拉断管材，但其冻拔变形量在0.8m埋深时可达20mm，并且解冻后也难靠自重恢复原位，因此造成逐年上拔积累，从而使竖管与水平管三通连接处受破坏。为此，给水栓竖管的防冻保护是至关重要的，根据各地经验保护措施有：
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①在竖管周围换填滤料（或包无纺布），以便将土体和竖管隔离，并使周围土体中的水排出减少土体含水量，从而减少冻拔量。
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②竖管外涂黄油包塑料膜或油毡，通过减小摩擦力来降低冻拔力。
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③竖管与水平管的三通连接宜采取柔性橡胶圈，以减少刚性破坏。
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在渠灌区发展低压管道输水灌溉技术的几点体会
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1.渠灌区发展管道输水需要与可能
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中央对节水灌溉十分重视，要大力普及节水灌溉技术。在“九五”期间建设300个节水增产示范县，以点带面，推动全国节水灌溉的普及，同时安排专项资金，用于大型灌区续建配套和技术改造，建设一批高标准的节水灌溉示范区，其意义重大。当前是发展节水灌溉技术的大好时机，机遇难得。
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1.1 大中型灌区是我国生产粮食和棉花的生力军，在农业生产中，具有举足轻重的作用。水资源紧缺和水的有效利用率低制约了我国农业的持续发展。目前渠灌区平均渠系水利用率约为0.5，灌溉水利用率仅为0.4。根据在井灌区推广低压管道输水灌溉的经验，以每公顷平均节水1800m3计（实际上渠灌区节水潜力比井灌区大得多），近期如有333.34万hm2通过灌区续建配套与更新改造，最少年节水60亿m3，经努力这一目标是完全可以实现的。对于高扬程提水灌区，节水即节电，这一效益尤为显著。
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1.2 我国渠灌区大多数兴建于20世纪50～60年代，受到当时历史条件的限制，有不少工程当时只有骨干工程，缺乏田间配套工程，工程设施不全，经多年运行仍没有完全配套。已兴修的工程，经多年运行，年久失修，工程老化严重。目前，全国有0.134亿hm2灌溉面积工程不配套，影响灌溉效益的发挥。灌区技术改造已摆到重要议事日程。根据我们在平原井灌区推广低压管道输水节水技术的经验，和近年少数渠灌区管灌试点取得的科技成果，在渠灌区实现管道输水，是必要的也是可能的。渠灌区管道输水，不但具有节水，减少土渠占有耕地便于管理等井灌区管灌的一系列优点，而且由于管道埋在地下，避免了渠道混凝土衬砌冻胀问题。这一问题对“三北”地区，尤为重要。据分析，其投资与明渠混凝土衬渠相当，并减少了地面桥涵建筑物。
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1.3 渠灌区管道输水技术在发达国家已被广泛采用。新建灌区大都采用管道输水代替田间地面渠道，认为已是今后发展的趋势。
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美国：自从20世纪20年代以来，管道输水发展较快。认为是节水最有效，投资省的一种节水工程措施，目前大型灌区约有一半左右实现了管道输水。美国管道灌溉系统中，地下部分多采用现浇筑混凝土管，地面采用柔性聚乙烯或铝管闸管系统。
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前苏联：1985年以后，明确规定新建灌区都要实现管道化输水。一般从架空的“U”型渠槽的斗渠，通过虹吸管或管式放水口引水，引入地埋低压管网系统（相当于农渠）。地埋管道管材主要有钢筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管以及涂塑钢管等；毛渠采用移动式的薄壁钢管、铝合金管或尼龙布涂橡胶的软管作为输水管道。
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日本：从20世纪60年代开始发展管道输水灌溉，旧灌区的干渠仍为明渠，支渠以下改为地下管道，采用明渠与管道相结合形式。而新建灌溉系统大都实现了管道化输水。日本是一个岛国，地形复杂，不少工程管道长几十公里，长距离输水，有的流量超过10m3/s，管径2m以上。专业工厂生产供应各类管材、管件，有较完整的技术标准和定型设计。1973年开始制定管道设计规范，经多次修订，1989年修订的规范我国已有译本。
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以色列：以色列地处干旱沙漠地带，人均占有水资源量不足400m3。20世纪50年代，政府力排众多国际顾问提出的衬砌输水渠系的建议，现已基本实现了管道化输水灌溉。全国主要水系连接成统一水网，每年从北部太巴列湖抽水3.2亿m3，通过2.7m直径压力管道，以20m3/s的流量输送到以色列的南部，并把地表水、地下水和回归水互相连通，综合调节用水，并由国家统一管理。国家对供水实行严格配额制，在配额中，85%为平价水，15%为加价水，加价水比平价水贵2～10倍，每方水生产粮食已达2.32kg（我国尚不足1.0kg），是世界上灌溉用水量最省的国家，以色列的节水经验，很值得我们深思。
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1.4 我国渠灌区管道化输水刚刚起步，虽有几处试点取得了初步技术经验，但仍处于试验阶段。这也表明，根据我国当前国民经济实力和我们的管灌技术发展水平，推行渠灌区管道输水已不是遥远的设想。但其技术比平原井灌区低压管道输水灌溉要复杂得多，绝不是简单的把井灌区管灌技术扩充到渠灌区加以引用的问题。目前还缺乏渠灌区管灌技术从规划设计、管材管件、施工技术到运行管理的一整套成熟经验，还不能像在平原井灌区那样大面积推广使用。其技术发展阶段，相当于平原井灌区管灌技术20世纪80年代中期水平，比井灌区管灌滞后了约10年左右时间。要想2000年以后推广应用，科技必须先行，现应下狠心把这项节水工程技术抓上去，经多处试点，取得成套技术经验，才有可能大面积推广应用。因此，实现我国渠灌区管道输水灌溉，是完全必要和可能的。
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2.几个试点
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2.1 河北冶河灌区试点
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该试点为“八五”国家重点科技攻关项目内容之一，1994年秋完工。投入运行以来，取得了较好的经济和社会效益。
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试点位于河北省石家庄市西部太行山东麓，属山前倾斜阶地，地形起伏较大。原有渠系工程年久失修，老化严重，部分耕地由于渠道送不上水而无法灌溉。根据当地条件，建立从干渠引水入管的自压式管灌系统，干管（相当于斗渠）为Φ500钢筋混凝土管，支管为Φ400双壁聚乙烯塑料管和Φ300素混凝土管，采用开敞式管道系统，调压井具有调压和配水两项功能，总控制灌溉面积72hm2。属老灌区改造配套工程，其节能、节地、增产效益十分显著。据实测，每667m2年节水195.0m3，增产12.6%。
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1995年8月，该地区普降暴雨，遭受洪水袭击灌区工程冲毁严重，试点内由于管道埋在地下，工程完好无损，秋冬即恢复灌溉，深受当地群众欢迎。
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2.2 陕西省桃曲坡水库试点
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该试点为国内较早水库管灌试点之一，桃曲坡水库灌区位于渭北，原控制灌溉面积近2万hm2。灌区工程不配套，工程老化，水资源浪费严重。试点选在西干渠十斗，原规划试点控制灌溉面积63.7hm2，由于资金不到位，只实现原规划部分管灌。在干渠建进水闸1座，埋设分管1条（石棉水泥管）长为348m，下设3条引水管长为540m，出水口16座，节制闸3处，每公顷平均投资4050元（1990年价）。经测试节水750m3/hm2·次。管道输水快，缩短了灌水时间，缓解了上下游用水矛盾。由于没有适于低压管道，而选用中高压石棉水泥管，试点投资较高（1990年价）。
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该试点探讨了利用有利地形条件，优先发展自压式管灌系统的途径。
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2.3 甘肃景泰川高扬程灌区管灌试点
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景泰川电力提黄二期工程，距兰州市北178km，东临黄河北与腾格里沙漠接壤，沿古长城脚下，由东向西，横跨景泰、古浪两县。干旱制约着该地区农业生产发展，是为解决甘肃中部干旱贫困地区，人民群众生活温饱问题而兴建的灌区。
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总灌溉面积3.46万hm2，平均提水高度545.52m，最大提水高度612.8m，多级提水共设泵站30座。1984年开工，现已基本建成，支渠以上渠道全部为混凝土衬砌。试点位于灌区末端花庄东分支，面积为141.13hm2。从黄河引水到试点共经19级泵站，总扬程为709.14m，支渠以下灌溉工程还没兴建属新建工程。这里水贵如油，节水即增产粮食，节水就是节约能源。
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1994年秋冬试点建成，并进行现场测试。铺设13条输水管道（相当于斗渠）。埋设塑料管（Φ150）9017m，每公顷平均材料及设施费2220元（1993年价）。经测试，每公顷次节水600m3，节电2157度，按年灌水5次计，每公顷年节水3000m3，节电10785度，节约能源降低灌溉成本，节水节电效益极其显著。几年来运行正常，管道还没发生淤积现象。表明管道技术在高扬程引黄灌区，大有发展前景。
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2.4 山东省在阳谷县、梁山县分别建立引黄管灌试点
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梁山县引黄管灌面积已达0.26万hm2，所用自制大口径（Φ400～Φ600）管材。节水429m3/hm2·次，节地20%，灌溉周期从原20d缩短为5～9d，灌水及时，粮棉增产15%。
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管道输沙入田，提高土壤肥力，也是引黄灌溉，处理泥沙淤积有效途径之一。
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在陕西东雷抽黄灌区，建立40hm2管灌试点，探讨了低压管道输送浑水有关技术问题，经3年运行，认为在该地区运用低压管道输水灌溉，技术上是可行的。西北水利科学研究所承担的《渠灌区浑水低压管道灌溉试验工程》，已通过技术鉴定。
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南北方还有其他试点，就不一一列举了。
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3.关键技术问题
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3.1 管道输水灌溉模式
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平原井灌区低压管道输水灌溉，每眼机井控制面积6.67～13.34hm2，1～2级输配水管网，管道系统最大压力一般不超过0.2MPa（2kg/cm2），地形平坦，其技术相对比较简单。
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在渠灌区（水库自流灌区，大中型机电扬水灌区）发展管道输水灌溉要比井灌区难度大，技术复杂得多，渠灌区管灌控制灌溉面积较大，所需管径大，管网级数多，地形复杂，管道压力分布复杂。因此应研究自流灌区和大中型区机电提水灌区经济合理的管网布置形式，适宜的地形坡度上下限以及自压和加压输水方式以及技术经济条件，研究适应不同条件和经济发展阶段的管灌模式。
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考虑到我国当前的经济条件和渠灌区管灌技术水平，北方渠灌区发展管灌当前首先应以斗渠及其以下控制的田间渠系为重点，干、支渠道仍宜采用衬砌防渗工程措施。按其压力首先应选择有自然水头的渠道，采用自压式管灌系统。这种形式管灌，不用另外加压，投资省，管理费用也低。靠地表落差提供自然水头，满足自压管灌压力要求的地形条件，在北方渠灌区是普遍存在的。对于经济条件较好的大城市郊县，也可适当发展一些管渠结合的机压式管灌系统。
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3.2 大管径管材与管件
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管材及其配套管件是管灌系统的重要组成部分，其投资约占总投资的70%～80%，渠灌区管灌要发展，必需有适合于农村的低价优质管材和管件。因地制宜经济合理地选用管材、管件，是发展渠灌区管灌的关键技术问题。当前市场上还没有适于发展渠灌区管灌管径大于（Φ400的管材和管件，工业和城建部门所用的管材和管件造价高，难以推广。
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应在城建部门所用管道的基础上，研制适于农村优质的中、低压管道，并使造价大幅度降低。近年，一些地区在井灌区管灌应用的现场连续浇筑制管技术，这是解决渠灌区所用大管径途径之一，但其制管技术有待改进提高。应引进国外设备，以少走弯路。
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3.3 输配水管网优化设计方法
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研究输水管网的输水方式，多级管网水力计算与防水击技术措施，配水管网的配水方式以及配水管网布设形式等。
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建立不同类型输配水管网系统运行动态数字模型，为灌溉管理提供依据。
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4.建议
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建议把渠灌区管道输水灌溉技术，列入节水灌溉重要内容，并作为灌区续建配套和改造工程措施之一。
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结合“九五”国家300个节水重点县以及大型灌区续建配套高标准节水灌溉示范区的建设，建立几种类型渠灌区管道输水灌溉试验示范点，包括：水库自流灌区，西北高扬程提黄灌区，黄河中下游引黄灌区以及南方河网灌区等，以取得成套技术经验。
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建议引进国外先进现场连续浇筑混凝土制管设备与技术，以填补国内技术空白。
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低压输水管道防冻害及适宜埋深试验研究
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1.试验方法与测试项目
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1.1 管材选择
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根据当地条件和现有管材，选择以下三种管材作对比试验：（1）PE橡塑软管，此管是由橡胶加PE高分子材料复合的薄壁软管，壁厚0.5mm左右，内水爆破压力0.2～0.3MPa，各项性能指标超过一般PE软管。（2）薄壁PVC管，为目前大量采用的硬壁聚氯乙烯管。（3）PE螺纹管，是当地厂家生产的横向波纹薄壁聚乙烯管，价格较低。
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1.2 管道埋深
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根据当地最大冻深为1.44m，本试验设置四种不同埋深，BP：0.8m、1.0m、1.2m和1.6m（后一种在冻层以下）。
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1.3 观测项目
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1.3.1 冻胀量
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场中按40cm，80cm，100cm，120cm，160cm5个深度设置单独式分层冻胀仪，以测定沿深度变化的冻胀量和冻胀率，研究其与冻深，地下水埋深之间的关系。
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1.3.2 田间试验管路冻胀上抬量
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4种埋深（0.8m、1.0m、1.2m、1.6m）的3种管材（PE橡塑软管、PVC管、PE管），每根管长50m，管顶都设置冻胀仪，观测因冻胀使管道上抬情况。
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1.3.3 埋于冻土层内实际管路的冻胀测试
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将站内百亩农田全部采用低压输水管道，把支管埋于冻土层内，选择支2与支5上设置3个冻胀仪，测量冻胀对实际管道的上抬与破坏情况。
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1.3.4 给水栓竖管冻拔观测
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为研究给水栓竖管冻拔和防护措施的效果，进行4种竖管埋深（80cm、100cm、120cm、160cm），并分有防冻拔措施和无措施两种情况试验观测。各设3个竖管作对比。
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2.主要观测成果及分析
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2.1 冻土观测
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2.1.1 影响冻结深度的因数
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（1）负气温，冻深与冻结指数（负气温累积值）成正比；（2）土质与土的含水量，粗粒土较细粒土冻深大，土的含水量高时冻深小；（3）积雪厚，积雪能隔热，雪厚能减小冻深；（4）地下水位，水位高，冻深小；（5）其他因素，包括风、日照、植被、坡向、坡度等。
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2.1.2 冻结深度观测成果
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从1991—1994年3个冬春的观测，所得冻结指数见图1。
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表1 冻结指数和最大冻深统计
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2.1.3 冻深观测结果分析
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由表1可知，1993年的冻结指数为-1137.2℃，冻结指数较大，冻结深度亦大。
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2.2 地下水埋深观测
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3个观测年度的冻前地下水埋深基本相同（2.77～2.85m），且冻结期地下水位的下降很小，达到最大冻深时只下降1.0～0.4m，地下水位处于稳定状态。因此，冻前地下水埋深大，地下水对土的冻结初期冻结锋面的补给较小，随着冻深的发展，地下水位与冻结锋面距离越来越小，地下水对冻胀量的影响将逐渐增大。
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2.3 土壤含水量
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图1 冻结融解过程线
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图2 含水量变化
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观测不同深度的土壤含水量随时间变化见图2可知：（1）整个冻结期深度40cm以内土壤含水量基本无变化，说明这层土冻结过程中，不受地下水位影响，也无水分迁移作用。从3月初地面逐渐解冻到4月1日上部土层的融化深度达到40cm时，该层土壤含水量开始下降，至5月1日降到16.6%，该过程受蒸发和作物耗水影响。（2）40～80cm土层含水量受灌水影响略有增加，该层含水量在灌溉中期有增加趋势，是由于处于地下水位影响范围内，有水分迁移补给。灌溉后期冻土融化过程中该层土壤含水量逐渐下降。（3）80～100cm土层含水量比较平稳。（4）100～120cm土层基本在非冻结层内，含水量在灌溉中期呈下降趋势，后期略有升高。
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2.4 地温观测
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3个观测期不同深度地温变化过程见图3、4、5。
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图3 不同深度地温变化
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图4 不同深度地温变化
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图5 不同深度地温变化
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观测结果表明：（1）地表土层地温受气温变化影响大。土层越深，受气温影响越小。（2）地温在初冻期至3月末，在一定深度内由上至下呈上低下高分布，3月末至解冻期，逐渐过度到由上至下呈上高下低分布。
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由冻融曲线可以看出当不同深度出现负温时，该深度土层并不同时冻结，而是滞后2d冻结。这是因为土中水受土颗粒力场作用和溶有盐类，其冻结温度都较0℃为低。
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2.5 冻胀量观测
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2.5.1 观测结果
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不同深度最大冻胀量见表2；不同深度冻胀量随时间变化过程见图6、7、8。
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表2 观测期内不同深度的最大冻胀量（mm）
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图6 不同深度冻胀量随时间变化
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图7 不同深度冻胀量随时间变化
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图8 不同深度冻胀量随时间变化
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2.5.2 观测结果分析
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观测表明：（1）不同深度（0.4，0.8，1.0m）的冻胀开始时间基本与土的冻深达到相应深度之时同步，即：冻深达到某一深度，该点即发生冻胀。（2）3个观测期的冻胀量比较接近。（3）冻胀量沿深度由大到小依次减小，相互间差距亦变小。如：第一观测期0.4m，0.8m，1.0m深处的最大冻胀量分别为17mm，9mm，8mm，第二观测期分别为17mm，9mm，7mm。（4）当地温出现负温和土层结冻时，才出现冻胀现象。3个冻胀期基本接近。（5）冻胀量沿深度变化见图9，随埋深上大下小。观测期地下水位、冻深与冻胀量关系随时间变化过程见图10。（6）80～100cm土层冻胀率较小。3个观测期分别为：0.5%，1.0%，1.5%。
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图9 冻胀量沿深度分布
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图10 地下水位、冻深与冻胀量随时间变化
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3.冻胀对低压输水管道的影响
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3.1 试验管道冻胀观测结果
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在观测场埋设PE橡塑软管、薄壁PVC管、PE螺纹管3种管材，每种管材分4种埋深（0.8m，1.0m，1.2m，1.6m），在各管路设置冻胀仪，观测其冻胀变化，并测试管路埋设位置的土壤条件和地下水埋深。观测结果：埋深1.2m与1.6m无冻胀发生。不同管材埋深在0.8m与1.0m时管路冻胀与土层冻胀量结果见表3。
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表3 不同埋深管材和土层的最大冻胀量（mm）
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结果表明：（1）PE橡塑软管的冻胀量比其余小；（2）PE橡塑软管埋深1.0m比埋深0.8m冻胀量明显较小。
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3.2 实际管路冻胀观测
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实际管路有一条支管采用薄壁PVC管，另一条是PE橡塑软管。埋深均由0.8m向1.0m过渡，每条支管上设3个冻胀仪。测得的管路冻胀量与场地土层冻胀量对比见表4。
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表4 管路与土层冻胀量对比（mm）
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表中数字表明：埋深1.0m时，管路冻胀量小于土层冻胀量，因此埋深宜1.0m以上。
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3.3 试验管路与实际管路冻胀检查
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为检查管路浅埋冻胀情况，我们对试验与实际管路进行了挖开察看，将埋深0.8m和1.0m的管路各开挖三段，对薄壁PVC管材的变形进行检测。检查结果该管的直径变形率在2%～3%，不超过允许值（5%），外观上两种管材与埋前无明显差别，依然如新，无老化，裂纹等现象。
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3.4 实际管路输水检验
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检验重点是PE橡塑软管，位于管路系统末端的一条支管，受工作压力最大，测试结果表明：整个管路系统运行良好。管路无破裂、无漏水，各项运行指标符合管路系统工作标准。
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3.5 管道埋于冻土层内情况分析
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模拟试验管路与实际管路冻胀观测结果表明，整条管道埋深变化较大时，因不同冻胀程度会造成不均匀抬高。因此，管路布设时埋深变化不宜过大。在同一深度冻土层的冻胀量应该基本一致（如土质、含水量无变化时），因此管道会同时上抬，不致造成管路的破坏。
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4.出水口竖管防冻拔措施的研讨
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4.1 试验方法
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将出水口竖管分成两组：一组竖管外面有防冻拔处理措施；一组无处理措施，竖管直接与回填土接触。每组三个出水口竖管分别埋于0.8m，1.0m，1.6m深度与三通承插连接。观测其被冻拔情况。
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4.2 冻拔观测结果
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观测所得最大冻拔量见表5。表中数字说明有防冻拔措施的竖管冻拔量为10～17mm，而无防冻拔措施的为16～20mm。
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表5 竖管最大冻拔量汇总表（mm）
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4.3 累积冻拔量分析
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实际观测出水口竖管冬季产生的冻拔量在融化后不能回落到原位，所以多年冻融后有一个累计冻胀量。本试验3个观测年所得累计冻拔量见表6。
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表6 竖管累计冻拔量（mm）
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观测结果表明：（1）竖管上拔后，解冻后也难靠自重恢复原位，因此造成逐年上拔积累，久之可能使竖管与三通拔出或拔断。（2）竖管采取防冻措施后，积累上拔量要减小22%～75%，有效地保护管道的完整性。（3）埋深1.6m的竖管累积上拔量明显大于其他埋深，说明深埋的竖管与土体接触面受摩阻力大的缘故。
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4.4 出水口竖管防冻拔措施的探讨
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出水口竖管被冻拔是受土体冻胀抬高时对竖管的摩擦力所致。因此，防冻拔或尽可能减小冻拔，主要从减小摩擦力着手。
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（1）减小竖管周围土体的冻胀。可采取换填冻胀性小的土壤（如砂土）。
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（2）减小土体对竖管的摩擦力。通过对竖管与土体接触面的特殊处理，如加涂黄油或润滑油，然后包上油毡纸或塑料薄膜，可减小摩擦力。
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（3）改善出水口竖管的连接方式。最好用扩口胶圈连接，较能适应冻拔而不致漏水。不宜采用热承插连接或化学材料粘接。
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5.低压输水管道适宜埋深的确定
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5.1 不同管材的物理化学性质及其在低温条件下的力学性能
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试验不同管材有：PE橡塑软管、薄壁PVC管和PE螺纹管，在室内进行了理化性能和在低温下的力学性能试验。试验表明：PE橡塑软管抗冻性能好，薄壁PVC管抗内水压力较大，两者都宜推广应用。适宜工作温度在60～-10℃之间。
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5.2 管材力学性能评价
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5.2.1 线胀缩变形
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该地区的管道灌溉工程一般在夏秋施工，地面温度在20℃左右，管道在地下工作时最低负温约为-5℃，温差达25℃，收缩变形量按式：ΔL=λ·Δt·L计算；式中：λ—线胀系数（℃-1），L—管长（m），Δt—温差（℃）。计算结果（略）。此式说明：硬管变形大，接头处必须考虑能适应变形而不漏水，所以采用PE橡塑软管最好。
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5.2.2 管道的温度应力与抗拉强度
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管道受的温度应力按式σT=E·Δt·λ计算。式中σT—温度应力（MPa），E—管材的弹性模量。计算结果见表7。
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表7 不同管材的轴向应力
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表中的PVC与PE管的温度应力均小于实测抗拉强度，故管道在地下能安全越冬。
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5.2.3 出水口竖管抗冻拔验算
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由表7中知：PVC管与PE管的温度应力分别为4.81MPa和4.65MPa，由此计算得管材所受最大冻拔力为0.6MPa，出水口竖管与三通交接面的拉力为由温度降低产生的拉应力与冻胀的最大冻拔力之和，分别为5.41MPa和5.24MPa，均小于两种管材在低温下的抗拉强度。说明管材因温度应力而被拉裂的可能性很小，主要是防止竖管的冻拔破坏其与三通的连接。
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5.3 地温观测与管材适宜工作温度
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据3个观测期观测地温沿地层深度分布规律：1.2m深已无负温出现，1.0m深最低负温为-0.5～1.7℃，0.8m深度最低负温值-2.3～-3.9℃。地温是低压输水管道工作条件的一个制约因素。PVC管的适宜工作温度为60～-10℃，PE管的适宜工作温度为50～-20℃。因此，管道从材质角度出发，埋在冻土层内是允许的。
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哲盟有五旗、二市、一县，多年气象资料统计：0.8m深度的最低负温值为-2.7℃～-6.3℃，所以PVC管与PE管适宜埋深为0.8m。
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5.4 鼠害与冻胀对管道埋深的要求
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鼠害的活动范围一般在0～0.8m，PE管材要考虑鼠害问题。虽然同一深度的冻胀强度分布一致，对管道的影响不大，但也要避开冻胀率大的土层。根据3个观测年的观测，0.8m、1.0m深处的冻胀率较小，是适宜埋深。
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5.5 其他因素对管道埋深的影响
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田间交通、机耕荷载也是管道埋深的影响因素。根据我国的交通与机耕机械，一般埋深超过0.7m时，对管道影响已很小。工作层深一般只需0.3m左右。因此，从交通机械工具荷载出发，埋深要求在0.7m以下。
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综上所述，类似哲盟的季节冻土区，低压输水管道适宜埋深取0.8～1.0m。
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6.结论
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本课题经3年观测期的试验研究，获得如下结论：
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（1）根据3种管材（PE橡塑软管、薄壁PVC管、PE螺纹管）的性能、材质、防冻、鼠害、荷载影响、投资效益等因素比较考虑，认为地埋护顶PE橡塑软管是一种抗冻性能好、施工简便、投资较少的新管材，其造价仅为薄壁PVC管的1/3。建议在寒冷、经济落后的地区推广应用。
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（2）考虑冻胀破坏、管材质量与性能、鼠害、交通与机耕荷载等诸多因素。通过室外试验与实际工程实践证明，在类似通辽市的寒冷地区，管道的适宜埋深为0.8～1.0m。
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（3）为防止出水口竖管冻拔破坏，必须采取防冻拔措施。简单易行的防冻拔处理方法有：竖管外壁捆扎秸秆、外壁涂润滑油包塑料膜、换砂土回填等减小冻拔措施。
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（4）采取适宜管材，合理埋深、防止出水口竖管冻拔措施后，在寒冷地区采用低压输水管道灌溉技术，可节省大量投资，加快管灌这项节水技术的推广应用，为我国节水事业作出贡献。
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渠灌区管道输水灌溉技术试验研究
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1.试验工程
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1.1 试区概况
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自压管灌试验区位于获鹿县宜安镇宜安村，处于冶河灌区的引岗灌区中上游，控制灌溉面积72hm2。试验区为山前倾斜阶地，地形由南向北和由西向东倾斜，坡度分别为1/23～1/80，海拔高程为130～156m。试验区内原有的部分浆砌石衬砌渠道已老化破坏，还有部分土渠，渗漏损失均较大。因地形坡度较陡，水流对耕地和道路冲刷破坏严重，部分耕地因地势较高，原渠道送不上水无法灌溉，迫切需要修建管道节水灌溉工程。
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1.2 灌溉参数和设计流量的确定
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根据地形条件和现有水利条件，选定管道控制灌溉面积为72hm2，灌水定额为900m3/hm2。由于引岗干渠轮灌历时短，一般为5d左右，管道灌水同支渠，轮灌周期选为3d。经计算，得出设计流量Q=0.35m3/s。
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1.3 管网布置
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根据试验区地形地貌条件，考虑到田块的大小和高低不一，原有土渠的灌水情况以及作物种植方向等因素布置干管、支管和出水口。由于地形坡度较大，从出水口送出到达地面的水，一般只能单向灌溉。根据地形和地块条件，以及出水口控制面积和地块大小等，出水口间距在60～100m范围内选用。
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1.4 管道及建筑物
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1.4.1 管材管件选择
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试区地处建材工业区，盛产水泥、石子，通过调查分析，选用内径500mm砼预制管，其壁厚为5cm，长度2m/节，为提高管道强度，内配少量钢筋。这样既能满足低压输水要求，管道造价又不过高。支管的流量和压力均较干管小，选用内径300mm的素砼管，壁厚4cm，管长1.5m。
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管件为三通和弯头，经比较采用2mm厚钢板作内模，外浇钢筋砼而成。
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1.4.2 管径的确定
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①干管管径的确定：在管道输水灌溉过程中，有多种运行方式，每一种运行方式都存在一个管道供水流量。选用一种特殊的运行方式，即干管沿程没有分水，来计算供水流量，看此供水流量是否能满足设计流量要求。经水力计算得：当采用Φ500mm砼管时，Q=0.43m3/s；当采用Φ400mm砼管时，Q=0.24m3/s。故干管管径选用Φ500mm可满足设计流量的要求。②支管管径的确定：支管管径的选择，要求支管上每个出水口的流量均能满足灌溉用水。根据渠灌区灌水历时短，流量大的特点，一般以出水口流量不应小于0.06m3/s进行水力计算确定。
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1.4.3 调压井
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本试验工程设置了调压井这一新型结构型式。调压井的主要功能一是分水，二是减压。此外，还可利用调压井来测定管道内水压力。调压井下部与管道连接部分采用砼现场浇筑，上部采用内径1.5m，长2.0m的钢筋砼预制管，溢流墙采用钢筋砼现浇。井顶安装井盖板，设置闸门启闭机。一般灌水顺序是从上游到下游。当上游一条支管控制的耕地需要灌溉时，关闭溢流墙上的闸门，形成水压，同时打开支管上的闸门及出水口。若支管灌完后，关闭该支管上的闸门。若上游调压井所有支管控制的耕地均已灌完，则打开溢流墙上的闸门，可继续往下送水，灌溉下游耕地。
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调压井顶部高程的确定应满足以下条件：①在设计流量情况下，水位低于井顶高程；②溢流墙顶高程要满足各支管流量要求；③要求调压井高度不超过4m，否则管道承压过大，且调压井施工难度增大；④在满足支管灌溉的条件下，各井的高度尽量相同。
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在通过设计流量，干管沿程无分水情况下由计算的管内水头线来确定调压井顶部高程。井顶高程为水面线高程加0.2m安全超高，井内溢流墙顶高程比井顶高程低0.3m。
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1.4.4 其它设施
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为了保证出水口流量，选用较大的出水口，其内径为250mm。用螺杆可控制流量。因出水口中间设置螺杆，过水断面相当于内径220mm。出水口管壁为铸铁，压盖用钢板制成。
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为防止冲刷，在出水口处建消力（出水）池，该池采用砼现浇而成。进水池为管道进水口，作用是拦污、沉砂和稳定水流。进水池前设拦污栅，拦污栅上的空格间距10cm，小于出水口直径。
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1.5 管道施工
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当地冻土层深50cm，为了防冻，管顶距地面60cm左右，由地面纵坡可确定管底线。在两个调压井之间，管道纵坡尽量采用相同值，若地形变化大，需要变坡，则变坡处应设镇墩。管道开沟后，基础采用灰土，厚度30cm，配合比为3∶7（体积比），分两次夯实。下管采用压绳下管法，管道接口采用一般给水管道油麻接口方法。
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2.管道内压性能试验和管道水力特性的现场试验
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2.1 管道内压性能试验
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为了检验管材抗内压性能，对干管管道进行了内压试验。试验管材为Φ500mm素砼管。管长2m，壁厚5cm，砼的配比为水∶水泥∶砂∶石子=0.35∶1.00∶1.26∶2.69，水泥标号为425号，石子采用1～2cm碎石。从试验结果得到，Φ500mm素砼管，抗渗和爆破压力变化幅度都很大（0.5～2kg/cm2），掺玻璃纤维的试件，不仅没有增加强度，反而使抗内压性能的变幅加大，个别试件的渗水、爆破压力都系最低值。为满足使用要求，选用Φ500mm钢筋混凝土管作为干管。支管的管径较小，其抗内压要求比干管低，故可选用素砼管。
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从调压井溢流墙顶高度可知，管网工作压力不超过0.4kg/cm2。选用2.5倍安全系数，设计钢筋砼管内压为1.0kg/cm2，钢筋选用Φ400mm冷拔钢筋，砼配比与素砼管相同。
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2.2 管道水力特性的现场试验
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2.2.1 试验目的
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通过管道现场试验，量测管道的流量和压力，从而确定管道糙率，对整个管网系统的水力特性有所掌握和了解。试验分别对Φ300mm素砼管、Φ500mm钢筋砼管和Φ400mm（双壁）聚乙烯塑料管道进行了现场测试。两种砼管系研制的大口径预制管材，聚乙烯塑料管系合作试制的缠绕型双壁塑料管。
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2.2.2 试验方法
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流量在开启的出水口处量测，采用矩形堰测流。压力量测采用测压管。
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2.2.3 试验结果分析
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通过对不同管材、不同流量组次、不同出水口开启方式（单口开启和双口同时开启）和每种组合6个测次的管道现场水力性能试验，取得的测压和测流数据，经整理归类并计算出不同情况下的水位、流量和糙率。可得出以下的一些规律。①同一种管材，同一种出水口开启方式，不同测次测得（由读数换算成）的水位和流量等水力要素值都很接近，重复性很好。表明用来计算该管材的糙率和用以说明水位流量关系式是适用的，也是可靠的。不同试验组次变动流量，水位随之变动的相关性也较明显。②糙率n的计算结果表明，不同管材，由于材质和制作工艺等原因，表面光洁度有差异，糙率系数值也不同。提供测试的3种管材中，素砼管的糙率最小，按6个测次平均的n值为0.0130～0.0134（不同试验组次各有差别）；钢筋砼管次之，平均n值为0.0138～0.0140；3种管材中，缠绕型双壁聚乙烯塑料管较大，其平均n值0.0145～0.0148。③使用不同的计算n值方法，包括将水位、流量实测数据直接代入计算糙率公式求n和采用最小二乘法，联解二元一次方程组求a、b，然后代入公式n，其结果都很接近，相对误差只有3%左右。④现场测试采用了只开一个出水口和同时开两个出水口测流方法，不同方法计算得出的n值各有差别，其相对误差在6%～8%左右。只开一个出水口测流的方法既简单而又可靠，计算得到的n值比较合理，建议采用只开一个出水口的方法测流，且尽可能使用较长的管段。
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3.计算机模拟管网运行研究
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对于一个管网系统，使用计算机模拟各支管道出水口出流情况，沿干管线的动水压力和各干管的流量，可以校核并检验管道、调压井、出水口等布置是否合理，对管网设计中不恰当之处及时进行修改，能起到一定的作用，本程序的开发就是基于此目的。程序中，开启出水口放水的方案，可以任意选择组合，通过模拟运算，和对结果的分析，可以找出比较合理的出水口放水（轮灌情况下出水口的启闭）方案。
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本程序使用FORTRAN语言编写，具有一的通用性。以本试点工程为例，进行了出水口放水模拟。模拟结果表明，按照所选择的放水运行方案，管网系统运行时，干管沿线压力等在管网工程设计范围之内，且比较稳定；整个管网系统的总灌水历时分别为1.9d（进水口处Q=0.40m3/s）和2.5d（Q=m3/s），而修建管道以前的轮灌历时为5d左右。表明建立低压管灌系统不仅缩短了灌水时间，同时又节省了灌溉水量，提高了浇地效率。
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4.结束语
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在我国渠灌区发展低压管道输水灌溉是推广节水农业的需要，管灌这项新技术在渠灌区有巨大的发展潜力。为了这个目的，我们进行了“八五”攻关课题“渠灌区管道输水灌溉技术试验研究”的研究，在管材选择方面调查了国内各种管材的情况，进行了管道抗内压性能试验。在此基础上，选用了Φ500mm钢筋砼管，Φ300mm素砼管和Φ400mm双壁聚乙烯塑料管，作为试验工程所用的管材，并进行了现场水力学试验，掌握了管道的水力学特性，得出管道压力与流量之间的相互关系。根据现场测试结果，通过计算得出了不同管材的糙率系数n值，并进行了分析比较，为管网设计提供适用的计算数据。在设计流量选择方面，根据渠灌区来水历时短和轮灌周期短的特点，选用了设计流量为0.35m3/s，缩短了灌水周期。在管网布置方面，充分考虑到地形条件入方便运行管理等因素。在调压方式选择方面，选用了带有溢流墙式的调压井，这种调压井对控制管道压力很有效。在出水口选择方面，选用了可调节流量的带螺杆式的出水口，其内径为220mm。经实际运用，这种出水口使用方便，能满足灌溉要求。另外，在管道施工技术，管道接头、定位、基础处理等方面，也取得了一些经验。在软件开发应用方面，使用计算机模拟管网系统灌水过程、得到的研究成果为管道优化管理提供了科学依据。
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试验工程于1994年初建成3年多来，在生产当中实际运用情况良好，达到了课题任务预期的目的。在试验工程的基础上，进行了各种测试项目的试验研究，取得了有应用价值的成果，积累了一些经验。通过“渠灌区低压管道灌溉技术”这个课题的研究，使各项措施配套，形成整体提高了技术水平，增强了活力，为渠灌区低压管道输水灌溉的发展，起到了一定的示范和推动作用。
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参考文献
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[1] 布赫著.地面灌溉.联合国粮食及农业组织，1974
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[2] 高本虎.开敞式管道输水灌溉系统.水利水电技术.1998
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渠灌区开敞式管道输水灌溉系统探讨
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1.开敞式管道输水系统
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管道输水系统一般指从水源经各级管道及附属设施到达出水口（给水栓）之间的部分管网。所谓开敞式管道输水系统是相对于封闭式和半封闭式而言。封闭式指水流在封闭的管道中从上游管道进口到出口连续流动，并通过闸阀控制所需水量与水压。半封闭式系指用浮球阀控制闸门启闭的输水形式。
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开敞式管道输水系统是在管道系统内部适当位置设置具有自由水面的调压井或分水井的管道系统形式。在调压井或分水井处常设有闸门或阀门用来调节流量和压力，当管网系统输配水时，如管道进水多于灌溉需水量，剩余水则从调压井或分水井上设置的溢流口、排水管中排走（图1）。开敞式管道输水系统管网布置形式一般为低压的树枝状管网。
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图1 开敞式管道输水系统溢流墙剖面
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2.开敞式管道输水系统构成
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2.1 进水建筑物
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管道自水源引水时，应建有进水建筑物——进水池。它包括进水闸门、拦污、沉淀池等工程设施。在斗渠及斗渠以下渠系建立管灌工程时，在管道进口处常设有量水设备。进水池中水位相对于灌区内部应具有一定的势能，以便向灌区各部自压供水。
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2.2 管道
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管道是输水系统的主体，管材及其配套管件是渠灌区发展管灌系统不可缺少的重要组成部分。它们通常在管灌系统的总投资中占的比重相当大，一般约在70%左右。可用于管灌系统的管材有混凝土管、塑料管、石棉水泥管、现浇混凝土管以及当地材料管等。适于农田灌溉的优质低价大管径管材管件需待研制，为能选用经济而又质优的管材及管件，必须了解各种管材管件的性能、技术指标、规格及适用条件。
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2.3 分水井
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当管道向两个以上的下级管道分水时，应设置分水设施——分水井。分水井的主要作用是分配水量和控制水位，也可起调压及排气作用，低于管底的部分还可兼起沉砂作用。
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开敞式管道系统常采用溢流式分水井，其构造形式如图2所示。分水井中设有溢流竖槽，上游管道来水水位超过竖槽时形成溢流进入下游管道，这样可使支管能稳定取水，支管入口处设有闸门，用于调节引水量。竖槽上还开有洞口，设闸门控制，通过闸门的启闭来调节水位和流量。
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图2 溢流式分水井
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分水井除具有分水作用外，还能起调压作用以减小水击压力，以及用于管道进排气。分水井的间距，不仅要考虑消减水击压力及管网布置的要求，还要考虑防止淤塞，便于清淤修理。分水井的间距宜根据田块的地形地貌条件、管道承压能力、灌水情况等因素确定，一般可采用表1的数值。
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表1 分水井或调压井最大间距表
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2.4 调压井
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在低压管灌系统中，管道设计工作压力应小于或等于管材和连接件的公称压力，而管道系统中某处压力不仅取决于规划设计，还与管网实际运行条件和工况有关。若管道系统中某处压力超过管道允许工作压力，应设置调压井予以调压或减压，一般采用闸门调压井和溢流式调压井。
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闸门调压井（图3）在下游的干管处设置闸门，调节干管处的闸门就可调节调压井中的水位，在调压井中还设有溢流口，当流量变动不大时，即使不及时调节上游闸门，通过溢流仍可维持水位不越限，采用这种形式要考虑溢流排水的出处。另外，可在井壁设分水闸门用于引水。闸门调压井除具有调压功能外，还有分水、通气、沉砂等功能。
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图3 闸门调压井
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溢流式调压井在井的中间位置设置溢流墙，在墙的底部设有闸门，此种调压井以水的合理利用为目的，通过调节水压来保持上游及下游的分水量。溢流式调压井可单独设置，但常和溢流式分水井并用（见图2）。
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在没有必要分水的管路上，为使管内压力不超过管道允许工作压力，应在适当地保持调压设施下游压力的情况下，减少多余的压力，此时，常采用减压井予以减压，减压井的构造形式见图4。
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图4 减压井
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2.5 安全保护设施
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为保护管道正常运行，应在管网中设置安全保护装置，如安全阀或通气管、排泥设施以及消减水击压力的措施等。
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对有上下起伏的管道，充水后在其最高处常积留部分空气形成气泡；当水从进水池进入管道时，由于旋涡作用，也会带入一部分空气进入管道。有关研究和实际运用均证明，空气进入管道后将引起压力波动、阻水、振动和噪音等，是引起管道及其附属设施破坏的重要原因。为防止空气混入管道造成危害及管路排空时向管内补气，须设置进排气装置。对由闸阀启闭所造成的水击危害，可通过设置前述的调压井和减压井予以消减。
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2.6 田间灌水工程
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田间灌水工程指给水栓以下的田间沟渠、输水管道或田间闸管系统等，通过田间灌水工程可采用沟灌、畦灌、格田灌等灌水方法灌溉作物。
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3.工程应用
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结合“八五”国家重点科技攻关项目“农田持续发展节水型灌排综合技术研究”专题中的“渠灌区管道输水灌溉技术试验研究”研究内容，中国水利水电科学研究院和石家庄冶河灌区管理处在冶河灌区进行了自压管道输水灌溉试验工程建设。试区控制面积72hm2，采用Φ500mm钢筋混凝土管为干管，Φ300mm素混凝土管和Φ400mm双壁聚乙烯塑料管为支管。干管水头差21.41m，沿干管设有9个溢流式分水调压井。试验工程自1994年初建成以来运行良好，通过试验研究，取得了从规划、设计、施工、运行管理、管网水力特性和计算机模拟管网系统运行等一整套技术经验和科学数据。
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4.结束语
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完整的管道输水灌溉系统在一定的压力下应能将水送到灌区内任一需水地点。为此，管网设施只有根据其使用目的、地形、灌溉方式、水源位置、管网系统形式及水管理方式等配置在适当的地方，才能发挥其作用。设施的大小、构造和形式根据其作用而有所不同。
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开敞式管道输水系统由于采用分水井、调压井等设施分割管线，可降低系统最大静压，从而为降低工程造价、采用低压管道创造了条件。对由于采用开敞式分水井、调压井所产生的水流外溢，要考虑排水出路问题，还应通过设置调节设施和采用相应的水管理方式来防止无效放水。我国水资源紧缺，但发展节水灌溉的潜力很大。采用管道输水灌溉可使水的有效利用率提高20%～30%，粮食增产10%～20%。我国仅北方渠灌区灌溉面积就达1667万hm2，大部分灌区工程老化，灌溉效益衰减，急需进行技术改造。从技术条件分析约有一半左右即833万hm2田间工程，在近期灌区改造中可以管代渠，实现管道输水，既节约土地又可大量减少输水损失。开敞式管道输水在国外如日本应用广泛，我国现仅有个别试点，尚处于试验探索阶段，但开敞式管道输水系统以它独有的优点可望在我国得到广泛的推广应用。
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渠灌区管道输水灌溉技术
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1.渠灌区管灌特点
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（1）省水
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管道输水减少了渗漏和蒸发损失，提高了水的有效利用率。一般管灌比土渠输水节水30%，有的地区节水50%以上。据实测，管灌比混凝土板衬砌渠道节水7%，比砌石防渗渠道节水15%左右。
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如某试点，原渠道用砌石衬砌，年久失修，田间工程不健全。实施管灌后，渠系水利用系数由原0.53提高到0.79，每次灌溉节水600m3/hm2，如一般每年灌5次，则年节水达3000m3/hm2。
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（2）省地
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渠灌区各级渠道占有大量耕地，加之年久失修，工程老化，渠道破损严重，渠道日趋向两侧扩大、延伸。实施管灌后，以管代渠，管道埋设在地下，可以增加有效耕地面积，渠灌区实施管灌可节省3%～7%耕地。
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（3）节能
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机电扬水灌区实施管灌后，节能是通过节水体现的。由于节约了水，扬水站抽水少了，从而降低能耗。例如，甘肃省景泰川高扬程引黄工程为多级提水，试点田间实施管灌后，经实测次节水600m3/hm2，次节电2160kWh/hm2，如按年灌水5次计，年节电10800kWh/hm2，减少了能耗，降低了灌溉成本。渠灌区管灌这项节水工程技术，当前应优先在高扬程引黄灌区发展，以节省巨大的提水能耗。
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（4）对地形适应性强，有利于扩大灌溉面积和机械化作业
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大中型水库自流灌区或机电扬水灌区，一般地形起伏较大，局部地区由于地势高，渠道输水往往无法控制，得不到及时灌溉。实施管灌后，使用压力管道输水，使局部高地得到灌溉，从而扩大了灌溉面积。管道及其附属设施埋在地下，有利于农业机械化作业。
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2.系统组成与类型
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2.1 系统组成
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（1）水源
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当前发展渠灌区管灌，大部分是在灌区内支渠及以下渠系实现管道化输水，其水源绝大多数来自水库、河渠、塘库等。管灌水质应符合农田灌溉用水标准，与明渠灌溉系统相比，要求不得含有大量杂草、污物、泥沙等易于堵塞管道的物质。要在引（取）水枢纽前设置拦污栅或沉沙池，将水净化处理后再引取。
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（2）引（取）水枢纽
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其作用是把水引（取）入管网，要求水量、水质、压力等符合渠灌管网技术要求。引（取）水枢纽形式取决于水源条件，如以灌溉渠道（干、支渠）为水源的引（取）水枢纽，除必须在渠边设置进水闸等建筑物外，还应建拦污栅和沉沙池，或根据需要在干、支渠道上设置控制建筑物。以泵站直接提水入管网的，其引（取）水枢纽即是泵站。
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（3）输、配水管网系统
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输配水管网系统由管道、管件以及附属设施连接而成，输配水管道是整个管灌系统的主体。控制灌溉面积较大的管灌系统，可由主管、干管、支管等多级管网组成，有的只设单级管道输水或配水的管网。
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（4）附属设施或装置
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依建筑物或装置在系统的功能，可将附属设施分为：①引（取）水枢纽。包括前池进水闸或闸阀、拦污栅、沉沙池、引水和量水设施等。②分水设施。包括主管向干管、干管向支管、支管向下一级管道分配水用的闸门、闸阀及分水建筑物等。③调节（控制）设施。包括各级管道上为控制水位或流量所设置的闸门和闸阀，以及减压设施等。④安全保护装置。为防止管道发生水击或产生负压导致管道变形、弯曲、破裂、吸扁等现象发生，要求在管道首部或其他适宜部位设置通气孔、进排气阀、减压装置等安全保护装置。⑤量测设施。量测流量、水量、水压的装置和设施。⑥泄退水设施。为防止管道在冬季被冻裂，当冻层深度超过埋管深度，必须将管道内余水退净泄空，为此设置的设施即为泄退水设施（包括闸门、阀门等）。为减少管道淤积，引黄灌溉要求在管道低洼地带管网处也要设置泄退水设施。⑦管道附件及连接建筑物。管道附件主要有三通、四通、弯头、变径接头、同径接头等。同时管道上还应设置必要的连接建筑物。⑧田间灌水系统。田间灌水系统是节水灌溉的重要组成部分，渠灌区应大力推行沟畦灌水技术，提高灌水均匀度，减少灌水定额。
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2.2 系统类型
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2.2.1 按管道系统结构形式划分
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（1）开敞式 指当设置管道系统的地面坡度不大，根据需要在管线上的适当位置设有自由水面的调压井（调压槽）的管道系统形式。调压井除具有调压作用外，一般还兼有分水或泄水功能。通过限制调压井、槽之间的水位差，可降低管道内水压，使其尽可能使用低压管材以降低工程造价。如地面过陡，调压井槽之间间距过密或调压井槽高度过高，是不经济的，也不便管理，这时就不宜采用开敞式。
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调压井槽之间可直接设置配水设施（给水栓或出水口）。配水时，要调节下游调压井、槽的水位，以确保给水设施需要的水位。河北冶河灌区管灌试点就是采用这种结构形式，运行情况良好，使用方便。
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（2）封闭式 是指水在整个封闭管道输配水系统中，从上游管端到下游管端连续流动，调节任何一个分水设施或给水栓都会影响其他工作点流量和压力的变化。封闭式管道系统可以有效地利用地形高差所提供的水头输配水。陕西省桃曲坡水库灌区西干十斗管灌试点，原规划就是采用三级管网全封闭式管道系统。
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（3）半封闭式（半开敞式） 这种形式是介于开敞式和封闭式管道系统之间的一种结构形式。与开敞式区别在于用浮子阀进行压力、流量调节和分水，而不是用调压井分水调压。输水过程中，用浮子阀控制闸阀的开启，当下游用水时，设有浮子阀的浮子筒内水位下降，浮子阀随之下降，阀门开启，通过管道向下游供水。反之，当下游停止用水时，浮子阀随筒内水位上升而自动关闭阀门。中国灌排技术开发培训中心在北京市平谷县海子水库管灌区试点采用了这种形式。
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2.2.2 按管道系统获得压力方式划分
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（1）自压式 管道系统利用地形的自然落差所获得的水头进行输、配水。要求水源水面水位要高于灌溉地区高程。实践表明，只要地面有3/1000～4/1000的坡度，就可满足一般田间管灌系统输、配水的要求。北方已建成的渠灌区管灌试点，大多数是采用自压式管灌系统，如河北省冶河灌区宜安支渠，甘肃省景泰高扬程提黄灌区花庄东分支，陕西冯家山水库灌区北干11支13斗等。
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（2）机压式 当水源的水位不能满足管灌系统输、配水和田间灌水所需要的水头时，要采用机泵加压，提高水源势能。这种形式也有两种，一种是通过机泵提水，将水提高到具有一定高度的配水池内，由配水池通过压力管道，采用自压式管灌系统向田间输、配水灌溉农田，管道与机泵不直接相连。另一种是机泵直接送水到压力管道，输、配水灌溉农田，如北方平原井灌区低压管灌大多数就是采用这种形式。机压式要消耗能源（如电力），管理运行费用要比自压式高。
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3.渠灌区管灌技术发展概况
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3.1 国外发展概况
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近年，国外管道输水灌溉技术发展很快，有逐步以管道系统代替田间地面渠道灌溉系统的发展趋势。
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美国：自20世纪20年代以来，管道输水灌溉发展很快，被认为是节水效果最好，投资省的一种节水工程措施，全国大型灌区约有一半实现了管道输水。美国管道灌溉系统地下部分一般采用素混凝土管，并采用现浇制管技术，地面采用柔性聚乙烯管或铝管闸管系统。
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前苏联：到1984年，全苏联地埋管道已占总灌溉渠系的63%，1985年，国家规定新建灌区都要实现管道输水。一般采用从架空的“U”型渠槽斗渠通过虹吸管或放水口引水入地埋管网系统。地埋管道管材主要有钢筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管以及涂塑钢管等。田面采用移动式的薄壁钢管、铝合金管或尼龙布涂橡胶的软管闸管系统。
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日本：从20世纪60年代开始发展管道输水灌溉，旧灌区干渠仍为明渠，支渠以下改为地下管道，采用明渠与管道输水相结合的形式。新建灌溉系统大都实现了管道化输水。该国是一个岛国，地形复杂，不少工程管道长几十公里，流量超过10m3/s，管径2m以上，有专业工厂供应管材和管件，有较完整的技术标准和定型设计。日本制定的管道设计规范，经多次修订，在我国已有1998年规范的译本。
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3.2 国内发展概况
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进入20世纪80年代以来，我国北方一些地区连年干旱，地面与地下水资源日益紧张。为了节约农业用水、缓解水资源紧缺状况，平原井灌区低压管道输水灌溉技术得到了迅速的发展。为了提高该项节水灌溉技术水平，“七五”期间该技术被列入国家重点科技攻关项目，从规划设计、管材管件、施工技术到运行管理等方面，进行了系统的开发研究，取得了成套技术成果，初步形成了适合我国国情的平原井灌区低压管道输水灌溉技术体系。这项节水技术已基本成熟，并开始大面积推广应用，取得了显著的节水增产效益，受到各级领导的重视和广大农民群众的欢迎。
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渠灌区管道输水技术在我国还刚刚起步，在开展井灌区管灌研究的同时，一些单位建立试点，进行了渠灌区管灌技术试验研究。如中国水利水电科学研究院、中国灌排技术中心等单位，近年来选择了水库自流灌区、丘陵区、西北高扬程提黄灌区，建立了试点，取得了一些科技成果。
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（1）水库自流灌区 试点选在陕西省桃曲坡水库灌区。该试点为国内较早的水库自流灌区自压式管灌试点之一，灌区位于渭北，灌区内地形平坦，原控制灌溉面积近2万hm2。灌区工程不配套，工程老化，水资源浪费严重。试点选在西干渠十斗，属旧灌渠续建工程。原试点规划控制灌溉面积63.7hm2，由于资金不到位，只实现部分管灌。在干渠建进水闸一座，埋设分管一条（石棉水泥管）长为348m，下设三条引管长为540m，出水口16座，节制闸3座，平均投资4050元/hm2（1990年价）。经测试次节水750m3/hm2，减少土渠占地，缩短了灌水时间，缓解了上下游用水矛盾。由于没有合适低压管材而选用中高压石棉水泥管，试点投资较高。该试点探讨了利用地形有利条件优先发展自压式管灌系统的途径。
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（2）高扬程提黄灌区 试点位于甘肃景泰川提黄灌区。景泰川电力提黄二期工程，距兰州市北178km，东临黄河北与腾格里沙漠接壤，沿古长城脚下，由东向西，横跨景泰、古浪两县。干旱制约着该地区农业生产发展，为解决甘肃中部干旱贫困地区人民群众生活温饱问题，兴建了该工程。
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工程总灌溉面积为3.47万hm2，平均提水高度545.52m，最大提水高度612.8m，多级提水，共设泵站30座，支渠以上渠道全部为混凝土衬砌。试点位于灌区末端花庄东分支，面积为141hm2。从黄河引水到试点共经19级泵站，总扬程为709.14m，支渠以下灌溉工程还没兴建，属新建工程。这里水贵如油，节水即增产粮食，节水同时也节约了能源。
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1994年试点建成，并进行了现场测试。铺设13条输水管道（相当于斗渠）。埋设Φ150mm塑料管总长9017m，平均材料及设施费2220元/hm2（1993年价）。经测试，次平均节水600m3/hm2（提高水有效利用率1/3），节电2157kWh/hm2，按年灌水5次计，每年节水3000m3/hm2，节电10785kWh/hm2，虽然引取黄河水，但管道没有发生淤积现象，表明管道输水灌溉技术在高扬程引黄灌区大有发展前途。
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（3）丘陵地区 试点选在河北冶河灌区，位于河北省石家庄市西部太行山东麓，属山前倾斜阶地，地形起伏较大，属丘陵地区，地块凌乱。原有渠系工程年久失修，老化严重，部分耕地由于渠道送不上水而无法灌溉。根据当地条件，采用从干渠引水入管的自压式管灌系统，干管（相当于斗渠）为Φ500mm钢筋混凝土管，支管为Φ400mm双壁聚乙烯塑料管和Φ300mm素混凝土管，采用开敞式管道系统，调压井具有调压和配水两项功能，总控制灌溉面积72hm2，属老灌区改造配套工程。项目实施后，节水增产效益十分显著。
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经实测，管灌比原土渠输水节水49%，年节水2925m3/hm2；原斗渠、农渠破损严重，所占耕地较多，埋设管道后节地1hm2；灌水周期由原5d缩短为2d，省工41%；增加灌溉面积，提高了灌溉质量，增产粮食10.6万kg，增产12.6%。
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为了与明渠混凝土衬砌投资比较，试点作了平衡对比设计。全部实施管灌仅比明渠输配水方案工程总投资多18%，可见在这一类型地区实施管灌经济上也是合理的，总的工程投资两者相差无几。
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（4）中国灌排技术开发培训中心，在北京市平谷县海子水库灌区，通过采用从日本引进的半开敞式管道输水系统的关键设备——浮子阀，建成了一条渠灌区低压输水管道，以探索该项技术在我国的适应性和发展前景。管道全长1840m，控制面积133.3hm2，设计引水流量0.122m3/s，管材采用Φ315mm与Φ250mm双壁波纹管，设8个出水口。工程于1994年11月完成，全部工程竣工后，又进行了整个管道系统静水压试验。试压结果表明，管道施工质量符合低压管道技术规范的要求，漏水系数仅为0.8%。该示范工程从规划设计、施工方法和施工管理方面，都吸收了日本有关农用管道方面的一些方法和经验，并得到了日本专家的支持和帮助。设计采用了蓄水池与管道系统联合运用的典型的日本农用输水管道系统形式，并对系统的关键设备——浮子阀，进行了工作性能测试。
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西北农业大学在陕西冯家山灌区，西北水利科学研究所在东雷引黄灌区，也曾建立试点，取得了科技成果，探讨了管道输水灌溉有关技术问题。我国南、北方还有其他一些渠灌区管灌实例，由于技术资料掌握有限，就不一一列举了。
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我国渠灌区管道输水灌溉技术研究起步较晚，但仍取得一些成果。渠灌区发展管灌，节水潜力很大，前景广阔，建议把这项节水技术列入大、中型灌区技术更新改造和“九五”期间国家300个节水增产重点县建设内容。在有条件的地区，建议支渠及以下田间渠系采用管道代替地面渠道，逐步实现管道输水。
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低压管道输水设备
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1.低压管道输水系统的组成与分类
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1.1 低压管道输水系统的组成
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根据各部承担的功能，低压管道输水系统由水源与取水工程、输水系统、给配水装置、安全保护设备、田间灌水设施等组成，如图1所示。
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（1）水源与取水工程。低压管道输水系统的水源有井、河、渠、水库、塘等。其水质应符合农田灌溉用水标准。井灌区取水需选择适宜机泵并安装压力表及水表。在自流灌区或大中型提水灌区取水除需设置进水闸、量水建筑物外，还需设置拦污栅、沉淀池等。
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图1 低压管道输水系统组成示意图
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（2）输水系统。输水系统是由输水管道、管件（三通、四通、弯头、变径接头等）组成。输水管道按管道材料可分为塑料管、水泥预制管、现场浇筑混凝土管等。
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（3）给水装置。给水装置是连接三通、立管、给水栓（或出水口）的统称。通常所说的给水装置一般是指给水栓（或出水口）。出水口是指把地下管道系统的水引出地面进行灌溉的放水口，一般不接地面移动管。给水栓是向地面管道提供压力水源的节制装置，是与地面移动管连接的出水口。
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（4）安全保护装置。低压管道输水系统的安全保护装置主要有进（排）气阀、安全阀、调压装置等。
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（5）测量装置。主要有测量压力和测量流量装置。测量压力装置用以测量管道系统的水流压力，了解检查管道工作压力状况；测量流量装置用以测量管道水流总量和单位时间内过水量，是用水管理的基础。
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（6）田间灌水设施。一般指在半固定式或移动式低压管道输水灌溉系统中的地面移动管道。
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1.2 低压管道输水系统的分类
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按固定方式，低压管道输水系统可分为移动式、半固定式、固定式3种。
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（1）移动式。指输、配水管道均可移动，在田间既输水又配水。管道多采用软管，简便易行，一次性投资低，多在井灌区临时抗旱时应用。但劳动强度大、管道易破损。
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（2）半固定式。指输水管道地埋固定，配水管道在地面移动。管道系统投资较移动式高，但劳动强度低，操作管理较方便，经济条件中等的地区常用此形式。
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（3）固定式。指输配水管道均地埋固定，灌溉水经出水口直接入畦或沟。由于固定管道密度大，一次性投资也大，但运行管理方便，灌水均匀。经济条件好的地区可采用此形式。
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2.低压管道输水设备
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2.1 水泵
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低压管道输水灌溉系统中应用的水泵主要采用叶片泵中的离心泵和井泵。离心泵包括单级单吸离心泵[如IB型（原BA型或B型）、IS型]和单级双吸离心泵[如S型（原SH型）]。井泵主要有长轴深井泵（如JD型、J型、JC型等）及深井潜水电泵（如QJ型、JQ型、NQ型等）。
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选择水泵首先要考虑水源的形式。对水位埋深较浅且变幅不大的水源，可选离心泵。对水位埋深较大、不能选用离心泵的浅井水源，如果扬程不大，可选单级潜水电泵，流量较小的可考虑选单相电机潜水泵。对于水位埋深较大、扬程较大的水源（如深井）可选用多级潜水电泵（如QJ系列泵）或长轴深井泵（如JC系列泵）。
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2.2 管道
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图5 移动式给水栓
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NS型系列给水栓
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NSQ型系列给水栓
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DGS型系列给水栓
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（a）螺杆活阀式给水栓
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图6 半固定式给水栓
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（b）螺杆压盖型给水栓
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（2）半固定式给水栓。一般情况下，集止水密封、控制给水于一体，栓体与立管螺纹联接或法兰联接，非灌溉期可以卸下室内保存。一般常见的螺杆活阀式给水栓、螺杆压盖型给水栓等见图6。螺杆活阀式给水栓局部阻力系数为1.595，螺杆压盖型给水栓局部阻力系数为1.0～1.8。
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（3）固定式给水装置。其特点是集止水密封、控制给水于一体。栓体一般通过立管与地下管道系统牢固地结合在一起，不能拆卸。如丝盖式混凝土出水口、地上混凝土式给水栓等（图7）。
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丝盖式混凝土出水口
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图7 固定式给水装置
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地上混凝土式给水栓及其安装示意图
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2.4 安全保护装置
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图8 安全保护装置
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AQ型系列安全阀
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2.5 测量装置
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低压输水管道系统中常用的压力测量装置主要是弹簧管压力表。其外形尺寸、规格及性能可由五金手册查得。
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为实现计划用水、按量计征水费，促进节约用水，必须在低压输水管道系统安装流量测量装置，如水表、流量计、流速仪等，其中水表最为常用。我国目前还没有专用的农用水表，因此常采用工业与民用水表，如LXS型施翼湿式水表和LXL型水平螺翼式水表。选用水表时，应根据管道的流量，参考厂家提供的水表流量—水头损失曲线进行选择，尽可能使水表经常使用流量接近公称流量。
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2.6 田间灌水设施
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田间灌水设施指在半固定式或移动式低压输水管道系统中的地面移动管道。移动管道通常采用轻便柔软易于盘卷的轻质管，如LLDPE塑料软管、涂塑软管等。近几年，一种新型的地面移动闸管灌溉系统已由中国水利水电科学研究院在引进国外先进技术设备的基础上研究开发成功。闸管灌溉系统由输水软管和开度可调节的配水口组成。输水软管由聚乙烯掺加紫外线屏蔽剂和色母料吹塑而成，可提供的折径为160～900mm，壁厚为0.15～0.30mm。配水口由闸口、压环、闸窗和闸板4个部分组成，采用工程塑料生产。
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薄壁PVC管在寒冷地区适应性研究
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1.试验方法与测试项目
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本研究采取以室外观测为主，结合室内部分试验的方法进行。室外观测设在内蒙古通辽市丰田灌溉试验站露天试验场。当地多年平均最低气温-24.6℃，极端最低气温-34.7℃，冬季地下水埋深2.82m，耕作层以砂壤土为主，下层为重壤土。根据当地最大冻深为1.44m，试验设置4种不同埋深，即：0.8m、1.0m、1.2m和1.6m。除常规观测项目如地温、冻深、地下水埋深和土壤含水量等外，还进行了土层冻胀量、田间试验管路冻胀上抬量、埋于冻土层内实际管路的冻胀量、给水栓竖管冻拔等观测。
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2.主要观测成果及分析
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2.1 冻结深度
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使用冻土器观测土的冻结深度，并观测土的冻结深度在时间和空间的变化过程。观测结果表明，冻结指数较大，冻结深度亦大。
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2.2 地下水埋深
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3个观测年度的冻前地下水埋深基本相同，且冻结期地下水位的下降很小，达到最大冻深时只下降1.0～0.4cm，地下水位处于稳定状态。因此，冻前地下水埋深大，地下水对土的冻结初期冻结锋面的补给较小，随着冻深的发展，地下水位与冻结锋面距离越来越小，地下水对冻胀量的影响将逐渐增大。
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2.3 土壤含水量
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观测不同深度的土壤含水量随时间变化。观测结果为：①整个冻结期深度40cm以内土壤含水量基本无变化，从3月初地面逐渐解冻到4月1日上部土层的融化深度达到40cm时，该层土壤含水量开始下降，至5月1日降到16.6%，该过程受蒸发和作物耗水影响。②40～80cm土层含水量受灌水影响略有增加，该层含水量在灌溉中期有增加趋势，是由于处于地下水位影响范围内，有水分迁移补给。灌溉后期冻土融化过程中该层土壤含水量逐渐下降。③80～100cm土层含水量比较平稳。④100～120cm土层基本在非冻结层内，含水量在灌溉中期呈下降趋势，后期略有升高。
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2.4 地温
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观测结果表明，①地表土层地温受气温变化影响大，土层越深，受气温影响越小；②地温在初冻期至3月末，在一定深度内由上至下呈上低下高分布，3月末至解冻期，逐渐过度到由上至下呈上高下低分布；③当不同深度出现负温时，该深度土层并不同时冻结，而是滞后2d冻结，这是因为土中水受土颗粒力场作用和溶有盐类，其冻结温度都较O℃为低。
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2.5 冻胀量
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当土层冻胀时，外观表现为地面升高，融化时地面下沉。观测表明：①不同深度的冻胀开始时间基本与土的冻深达到相应深度之时同步，即：冻深达到某一深度，该点即发生冻胀。3个观测期的冻胀量比较接近。②冻胀量沿深度由大到小依次减小，相互间差距亦变小。如：第一观测期0.4m、0.8m、1.0m深处的最大冻胀量分别为17mm、9mm、8mm，第二观测期分别为17mm、9mm、7mm。③当地温出现负温和土层冻结时，才出现冻胀现象。3个冻胀期基本接近。④冻胀量沿深度上大下小。⑤80～100cm土层冻胀率较小。3个观测期分别为：0.5%，1.0%，1.5%。
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3.冻胀对低压输水管道的影响
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3.1 试验管道冻胀观测结果
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在各管路设置冻胀仪，观测其冻胀变化，并测试管路埋设位置的土壤条件和地下水埋深。观测结果：埋深1.2m与1.6m无冻胀发生。薄壁PVC管材埋深在0.8m与1.0m时管路冻胀与土层冻胀量结果见表1。
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表1 不同埋深管材和土层的最大冻胀量（mm）
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3.2 实际管路冻胀观测
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测得的管路冻胀量与场地土层冻胀量对比见表2。
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表2 管路与土层冻胀量对比（mm）
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3.3 试验管路与实际管路冻胀检查
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为检查管路浅埋冻胀情况，我们对试验与实际管路进行了挖开察看，将埋深0.8m和1.0m的管路各开挖三段，对薄壁PVC管材的变形进行检测。检查结果该管的直径变形率在2%～3%，不超过允许值（5%），外观上两种管材与埋前无明显差别，依然如新，无老化裂纹等现象。
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3.4 实际管路输水检验
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检验管路系统末端的一条支管，该管受工作压力最大。测试结果表明：整个管路系统运行良好。管路无破裂、无漏水，各项运行指标符合管路系统工作标准。
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3.5 管道埋于冻土层内情况分析
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模拟试验管路与实际管路冻胀观测结果表明，整条管道埋深变化较大时，因不同冻胀程度会造成不均匀抬高，因此管路布设时埋深变化不宜过大。在同一深度冻土层的冻胀量应该基本一致（如土质、含水量无变化时），因此管道会同时上抬，不致造成管路的破坏。
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4.出水口竖管防冻拔措施的研讨
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4.1 试验方法
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将出水口竖管分成两组：1组竖管外面有防冻拔处理措施；一组无处理措施，竖管直接与回填土接触。每组3个出水口竖管分别埋于0.8m，1.0m，1.6m深度与三通承插连接。观测其被冻拔情况。
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4.2 冻拔观测结果
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观测结果表明有防冻拔措施的竖管最大冻拔量为10～17mm，而无防冻拔措施的为16～20mm。
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4.3 累积冻拔量分析
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实际观测出水口竖管冬季产生的冻拔量在融化后不能回落到原位，所以多年冻融后有一个累计冻胀量。本试验3个观测年所得累计冻拔量见表3。
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表3 竖管累计冻拔量（mm）
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观测结果表明：①竖管上拔后，解冻后也难靠自重恢复原位，因此造成逐年上拔积累，久之可能使竖管与三通拔出或拔断。②竖管采取防冻措施后，积累上拔量要减小22%～75%，有效地保护管道的完整性。③埋深1.6m的竖管累积上拔量明显大于其他埋深，说明深埋的竖管与土体接触面受摩阻力大的缘故。
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4.4 出水口竖管防冻拔措施的探讨
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出水口竖管被冻拔是受土体冻胀抬高时对竖管的摩擦力所致。因此，防冻拔或尽可能减小冻拔，主要从减小摩擦力着手。
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（1）减小竖管周围土体的冻胀：可采取换填冻胀性小的土壤（如砂土）。
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（2）减小土体对竖管的摩擦力通过对竖管与土体接触面的特殊处理，如加涂黄油或润滑油，然后包上油毡纸或塑料薄膜，可减小摩擦力。
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（3）改善出水口竖管的连接方式：最好用扩口胶圈连接，较能适应冻拔而不致漏水。不宜采用热承插连接或化学材料粘接。
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5.低压输水管道适宜埋深的确定
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5.1 管材的物理化学性质及其在低温条件下的力学性能
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试验表明：薄壁PVC管抗内水压力较大；适宜工作温度在-10～60℃之间。
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5.2 管材力学性能评价
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（1）线胀缩变形。该地区的管道灌溉工程一般在夏秋施工，地面温度在20℃左右，管道在地下工作时最低负温约为-5℃，温差达25℃，收缩变形量按式：ΔL=λ·Δt·L计算。
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计算结果说明：硬管变形大，接头处必须考虑能适应变形而不漏水，所以采用承插式橡胶圈止水的连接方式较好。
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（2）管道的温度应力与抗拉强度。管道受的温度应力按式σT=E·Δt·λ计算。计算结果见表4。
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表4 PVC管的轴向应力
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（3）出水口竖管抗冻拔验算 由表4中知：PVC管的温度应力为4.81MPa，由此计算得管材所受最大冻拔力为0.6MPa；出水口竖管与三通交接面的拉力为由温度降低产生的拉应力与冻胀的最大冻拔力之和，为5.41MPa，小于管材在低温下的抗拉强度。说明管材因温度应力而被拉裂的可能性很小，主要是防止竖管的冻拔，避免破坏竖管与三通的连接。
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5.3 地温观测与管材适宜工作温度
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据3个观测期观测地温沿地层深度分布规律：1.2m深已无负温出现，1.0m深最低负温为-0.5～1.7℃，0.8m深度最低负温值-2.3～-3.9℃。地温是低压输水管道工作条件的一个制约因素，PVC管的适宜工作温度为60～-10℃。因此，管道从材质角度出发，埋在冻土层内是允许的。哲盟有五旗、二市、一县，多年气象资料统计：0.8m深度的最低负温值为-2.7～-6.3℃，所以PVC管适宜埋深为0.8m。
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5.4 冻胀强度
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虽然同一深度的冻胀强度分布一致，对管道的影响不大，但也要避开冻胀率大的土层。根据3个观测年的观测，0.8m、1.0m深处的冻胀率较小，最适宜埋深。
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5.5 其他因素对管道埋深的影响
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田间交通、机耕荷载也是管道埋深的影响因素。根据我国的交通与机耕机械，一般埋深超过0.7m时，对管道影响已很小。工作层深一般只需0.3m左右。因此从交通机耕工具荷载出发，埋深要求在0.7m以下。
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综上所述，类似哲盟的季节冻土区，低压输水管道适宜埋深取0.8～1.0m。
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6.结论
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考虑冻胀破坏、管材质量与性能、交通与机耕荷载等诸多因素。通过室外试验与实际工程实践证明，在类似通辽市的寒冷地区，管道的适宜埋深为0.8～-1.0m。
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为防止出水口竖管冻拔破坏，必须采取防冻拔措施。简单易行的防冻拔处理方法有：竖管外壁捆扎秸秆、外壁涂润滑油包塑料膜、换砂土回填等减小冻拔措施。
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浅埋PVC管应控制管线坡度，以便在冬季放空管内积水防止结冰。
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低压输水灌溉用薄壁PVC塑料管承受内外压能力研究
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1.薄壁PVC塑料管简介
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我国PVC塑料管壁厚随着生产的发展已有了几次变化。以外经110mm管为例，其壁厚已由最初的5.5mm降至3.2mm。这种壁厚管材的工作压力为0.5MPa，而低压管道输水系统的工作压力都小于0.2MPa。因此，应用上述壁厚管材仍然是功能过剩，且加剧了原材料的供应紧张和不合理的高投入。为此，水利部在轻工部门协作下组织了有关科研单位和厂家攻关，协作研制了专用于低压输水的薄壁PVC塑料管。水利水电科学研究院和上海塑料制品研究所共同研制的薄壁PVC管的外形规格、性能及原材料消耗减小值见表2。
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表列薄壁PVC管的性能已完全达到国家标准GB5836-86的要求，其中Φ110×1.7mm管的壁厚已达到美国农业部标准SCS430-EE的规定。管材的壁厚比现行国家标准管减薄近一半，单位长度原材料消耗减少了45%左右。因此，管材投资可减少30%以上。因而有力地促进了塑料管材在低压输水灌溉中的推广应用，也为我国塑料管材开发了一个新品种。
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表1 薄壁PVC塑料管规格、性能
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表2 薄壁PVC塑料管每米原材料消耗减小值
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为了使薄壁PVC管能在大面积上成功应用，还必须对其应用性能进行较深入的试验论证，特别是薄壁管承受内外压的能力及其使用寿命预测。下述二、三部分简述了笔者在这方面所进行的研究试验及观测结果。
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2.薄壁PVC管允许最大工作压力及使用寿命
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塑料是一种具有粘弹性的材料，它在应力作用下有明显蠕变现象。即在恒定应力作用下，材料随着时间延长，变形不断增加。因而塑料材料的强度是随着应力作用时间的增长而逐渐降低的。所以在求取一定规格管材的最大工作压力时不能采用管材瞬时爆破压力值，而必须根据管材蠕变开裂的长期强度试验结果来计算。一般是采用20℃时，能保证50年使用寿命的长期静水压力强度σ蠕（long-term Hydrtstatic strength=LTHS）作为计算工作压力的基础值，有了此值，再选取合适的安全系数K，就可以求出塑料管的许用应力〔σ〕。
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即 〔σ〕=σ蠕/K
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确定了许用应力后，即可按国家标准GB4217-84中给出的计算公式求出允许最大工作压力。即
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中P——流体压力（温度为20℃时），亦即管材的工作压力，MPa；
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δ——管材壁厚，mm；
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D——管材外径，mm；
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[σ]——管材许用应力，MPa。
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国外对PVC管材的许用应力及其安全系数的选取不一，表3给出了国外有关标准规定的许用应力及安全系数值。
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表3 国外有关PVC管许用应力资料
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由表3知各国所取许用应力值在6.0～14.0MPa之间。为得出我国自行研制的薄壁PVC管的许用应力值，笔者和化工部门协作，参照ISO1167“流体输送用塑料管材耐内压的测定”标准，在30℃条件下，对薄壁PVC管进行了不同环应力作用情况下的蠕变寿命试验。按试验结果绘制出的散点图及连接曲线均见图1。
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图1 管材寿命与环应力关系
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由图1知各试验数据点有良好的线性关系。将图中的试验数据按lgT=A+Bσ表达式，用最小二乘法进行线性回归，求得该管材在30℃下的寿命经验方程式如下：
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lgT=14.64-0.3143σ蠕
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r=0.9839
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s=0.3221
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式中 T——蠕变开裂时间，s；
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σ蠕——蠕变开裂时的环应力，MPa；
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r——相关系数；
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s——标准偏差。
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由图1可见，各试验数据点均匀分布在依据回归方程给出的曲线附近，且相关系数r=-0.9839高度显著。说明回归方程与试验数据有十分良好的一致性。用回归方程计算出的薄壁PVC管在30℃条件下的使用寿命见表4。
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表4 不同环应力作用下使用寿命表（30℃）
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由于工作压力的计算是以20℃作为使用条件，根据轻工部标准SG78-74提供的PVC管的温度修正系数为0.625MPa/度计算出20℃时使用寿命50年的环应力值为23.55MPa。此值即为计算薄壁PVC管工作压力的基础值σ蠕。有了此值尚需选定一安全系数才能确定出许用应力〔σ〕。从表3可知，前苏联所取安全系数最高，美国最低。考虑到我国刚开始研制薄壁管，生产工艺和施工经验都还要不断总结提高，所以安全系数取值宜偏大，但对于低压输水灌溉用管安全系数过大也没有必要，因此笔者取小于前苏联大于其它各国的安全系数值3。这样薄壁PVC管的许用应力〔σ〕=23.55÷3=7.9MPa。
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根据许用应力和管材的外径、壁厚按（1）式即可算出薄壁PVC管在50年的使用寿命下可正常使用的最大工作压力值，见表5。
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表5 薄壁PVC管工作压力表
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由于低压管道输水灌溉系统最大工作压力一般不超过0.2MPa，因此薄壁PVC管完全能满足使用要求，在0.2MPa工作压力下可安全运行50年。
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3.薄壁PVC管承受外压的能力
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图2 Φ110mm×1.7mm PVC管模拟土压试验垂直荷载与垂直变形关系（P～ΔY）
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图3 Φ160mm×2mm PVC管模拟土压试验垂直荷载与垂直变形关系（P～ΔY）
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薄壁PVC管由于壁厚大幅度减薄，其刚度必然要相应降低。但是评价薄壁PVC管的耐外压能力绝不能仅仅考虑管材本身的刚度，这点是和刚性管不同的，对于混凝土管这一类的刚性管所施加的土壤荷载全部由不能变形的管材本身来承受，而薄壁PVC管实际上是一种半柔性管，埋地后受外力作用将发生变形而紧靠管侧土壤，这样管侧的回填土对管材有反作用力，从而限制管子变形的增长，依靠这种反作用力，管子承受垂直土压力的能力将显著提高。因此，薄壁PVC管的承受外压能力是管材本身刚度和回填土壤的反作用力组合，评价薄壁PVC管的承受外压能力要将回填土对其变形的限制力作为一个重要因素加以考虑，随着回填土反作用模量的不同，管材承受外压的能力也就不同，为验证此分析，进行了一系列室内模拟土压试验，试验在模拟沟槽中进行，将33cm长的管样直接平放在夯实基底上，支撑角度为零，属最不利状况；沟宽取为33cm，已接近实际埋设中管顶处的较大沟宽；回填土为粉砂土，含水量11.6%（塑限含水量）；回填高度为管顶以上15cm，试验时按不同密实度回填土样，然后将模拟沟槽置于万能试验机上进行均匀加压，观察不同荷载作用下管子的变形情况，并找出松散回填情况下管子破坏时的变形量，模拟试验结果见图3。
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从图3可知，当管变形相同时其承受外压的能力随回填土密度增大而显著提高；当外荷载相同时，管变形值随回填土密度增大而显著减小，另外试验还找出松散回填时在模拟沟宽为33cm的情况下，管材发生反向曲率破坏时的变形率为30%左右。
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根据试验结果我们拟定了施工要求，即在埋管施工中需对管两侧及管顶15cm内的回填土进行一定的夯实或水浸密实，夯实程度要求达到最大密实度的80%左右。为了解在田间荷载作用下的变形情况在管子正常运行半年及一年半后，我们开挖了几个剖面，实测管子的变形率。剖面处埋管沟宽0.4m，深1m，土质系砂壤土，容重1.44，实测变形率见表6。
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表6 薄壁PVC管实测垂直变形率
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由表6可看出，在回填土压和管线上行驶车轮的作用下，管子在运行初期产生了少许变形，埋设半年后实测变形率在5%左右，而埋设一年半后再测，变形率仍在5%左右。这说明由于土层已被充分压实，管材结构已基本稳定，变形不再增长。前述模拟土压试验已表明，对于薄壁PVC管，30%的变形率才会使管材发生反向曲率破坏，国外资料也表明变形率在10%以内既不会使管材强度受损也不影响过流能力，因此，实测变形率在5%左右的薄壁PVC管完全满足低压输水中承受外压能力的要求。
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4.结束语
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1.薄壁PVC塑料管在最大工作压力不超过0.2MPa的地埋低压输水灌溉工程中可安全运行50年，安全系数为3.0。
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2.只要在埋管施工中对管侧及管顶15cm内的回填土进行一定的夯实（夯实程度达最大密实度的80%以上），薄壁PVC管承受外压的能力是有保证的，其长期变形率在5%左右，满足使用要求。
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3.薄壁PVC塑料管较同径国家标准管每米原料消耗减少45%左右。单价降低30%以上，社会经济效益显著。
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参考文献
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[1] 余玲译，塑料地下灌溉输水管道，《灌溉排水》（国外农学），1987年第3期
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[2] 倪德良，塑料选用基础，上海：上海科学技术出版社，1982年5月
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[3] Hand book of PVC Pipe.Printed in the United States of America.May 1979
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渠道防渗工程中的新材料
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1.概述
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渠道防渗是灌区挖潜节流的一项重要措施。未采取防渗措施的土质渠道，其渗漏损失量一般约占灌溉引水量的30%～40%，有的甚至超过50%。采取防渗措施后，则能显著地减少渗漏损失，提高渠系水有效利用系数；加大输水能力，还可以降低灌区地下水位，防止土地盐碱和渍害。
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渠道防渗工程措施的种类很多，按防渗材料分有土料、水泥土、石料、混凝土和沥青混凝土、沥青玻璃纤维布油毡及塑料薄膜等类。我国各地气候、土质、材料、水源等条件不同，因此采取的防渗措施和防渗材料也不尽相同。选择防渗措施主要考虑防渗效果，要在保证一定的防渗效果前提下，进行各种可行方案的经济比较，最后合理选定防渗措施及其结构型式。
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20世纪80年代以来，随着新型防渗材料的开发和防渗技术的不断提高，各地开始重视并把渠道防渗列为灌区更新挖潜改造的重要项目，加大了投资力度，灌区群众投工投料集资兴办渠道防渗工程的积极性有所增强，从而使我国渠道防渗有了较快的发展。但各地发展仍不平衡，因此渠道防渗衬砌的任务仍很艰巨。
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我国为发展中国家，与发达国家相比在渠道防渗技术上仍存在差距，主要是新材料发展较慢、施工技术水平较低。因此，开发新材料、推广应用新材料已成为渠道防渗工程技术的发展趋势之一。
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2.土工膜
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2.1 塑料薄膜
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塑料是以树脂为主要成分，在一定的温度和压力下，可塑制成一定的形状，并在常温下能保持既定形状的材料。树脂是塑料最基本的、也是最重要的成分。树脂有天然树脂（如松香、虫胶等）、合成树脂之分。聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、环氧树脂（EP）等都是合成树脂。塑料中除树脂这种基本组分外，还需加入各种助剂（或称添加剂）以改进塑料的加工和使用性能。塑料的种类很多，根据塑料的性能可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。热塑性塑料是指在一定温度范围内可以软化乃至溶融流动，冷却后又能固化成一定形状的塑料，这个过程可反复进行多次。其典型品种有PVC、PE、PP等。渠道防渗中应用的塑料薄膜都属于热塑性塑料。
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从20世纪50年代初起，塑料薄膜就先后在美国、原苏联、印度等国家用于渠道防渗工程。20世纪60年代以后，随着塑料工业的发展，我国也进行了一系列塑料薄膜防渗试验研究，并在北京、山东、河南、山西等不同地区的渠道工程中应用，取得了较好的效果。塑料薄膜防渗不仅效果好，而且质量轻、便于运输和施工，造价低，能适应渠基的各种变形，但因材料薄，易为外力破坏，容易老化。因此，采用塑料薄膜防渗多为埋铺式。塑料薄膜防渗工程以新疆地区应用最多，新疆生产建设兵团从1973年开始试点应用，1978年扩大试点，1980年全面推广，到1993年末，塑料薄膜防渗渠道长度已达4469km，占各类防渗渠道总长的39.4%，成了渠道防渗工程的后起之秀。20世纪80年代后，广西、贵州、广东、湖南、浙江、福建、江西等省（自治区）也都积极应用塑料薄膜作渠道防渗材料，效果都很显著。
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20世纪60年代，我国在渠道防渗中多选用PVC膜，70年代开始选用已大量生产的、低温性能优于PVC的PE膜。由于制造过程中合成方法的不同，PE膜又可分为下面几种：
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以高压法生产的低密度聚乙烯（LDPE，密度为0.91～0.94g/cm3）；
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以低压法生产的高密度聚乙烯（HDPE，密度为0.94～0.97g/cm3）；
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以中压法生产的中密度聚乙烯（MDPE）。
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20世纪80年代，国内又开发出了一种新型的聚乙烯材料——线性低密度聚乙烯（LLDPE）。由于它的拉伸强度、断裂伸长率及抗穿刺能力均大大优于LDPE，因此应用也愈来愈广。中国水利水电科学研究院曾于1985年对PVC、LDPE、LLDPE三种薄膜的力学和老化性能作了对比试验。试验以水工防渗应用为目的。从薄膜的机械性能、抗渗能力、抗裂性能、老化性能、薄膜与土料的摩擦系数及薄膜上保护土的安全坡角、薄膜的连接方法等方面进行对比，发现LLDPE膜在拉伸强度、断裂伸长率、拉伸模量、抗穿刺等性能上均明显优于LDPE和PVC膜。在短期老化过程中其断裂伸长保留率几乎达到100%，老化后的绝对强度值也较其他膜高。0.22mm厚的LLDPE膜，其单层抗渗水压力即可达到0.8MPa（8kg/cm2），抗裂水压力单层可达0.4MPa，双层可达0.65MPa。
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为了给防渗工程选料提供依据，国家质量技术监督局发布了《土工合成材料聚氯乙烯土工膜》（GB/T 17688-1999）和《土工合成材料聚乙烯土工膜》（GB/T 17643-1998）的产品标准。现将两标准中的部分技术要求摘录至表1、2，供工程施工中选用。
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表1 单层聚氯乙烯土工膜耐静水压规定值
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表2 聚乙烯土工膜厚度及偏差
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几点说明：
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（1）由表2可看出，产品标准中薄膜的最小厚度都较目前实际应用中大。这是因为近期制定的标准向国际标准靠拢，而国外为了保证质量，在防渗工程中应用的薄膜厚度都是在0.5mm以上（当然，这也取决于经济实力）。
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1991年水利部发布的《渠道防渗工程技术规范》（SL18-91）中，对膜料选用原则有这样的规定：“宜选用厚度为0.18～0.22mm的深色薄膜，在芦苇穿透性植物丛生地区，可优先选用聚氯乙烯膜”。
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1998年水利部发布的《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）中对防渗膜的厚度作了如下规定：“土石堤、坝防渗土工膜厚度不应小于0.5mm。对于重要工程应适当加厚，对于次要工程，可以适当减薄，但最薄不得薄于0.3mm”。
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国家质量技术监督局和建设部联合发布的国家标准《土工合成材料应用技术规范》（GB50290-98）对输水渠道的防渗膜料要求规定如下：“防渗材料的厚度、材质及类型，应根据当地气候、地质条件和工程规模确定。其厚度不应小于0.25mm，重要工程和特殊部位应增加厚度”。
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由上述可知，随着科学技术的发展，对产品质量和工程选料的要求也在逐渐提高。因此，一般应按GB 50290-98，薄膜厚度应大于0.25mm，但根据国情，在渠道防渗工程中可按SL18-91选用薄膜厚度。
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（2）标准GB/T 17643-1998、GB/T17688-1999和SL18-91对膜的性能要求也是不同的。表3给出了主要力学性能要求的区别。
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表3 不同标准的膜料性能要求
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这是由于随着生产的发展，生产薄膜的树脂牌号增加了很多，且性能也有了变化。比如，现在生产的LDPE薄膜，所用树脂牌号已有数百种，而很多厂家生产的LDPE薄膜实际上都是由LLDPE树脂和LDPE树脂共混为主要原料再经吹塑方法制成的，性能已经有了很大的提高。因此，在选料时，性能应以新材料为准。
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（3）塑料薄膜用作防渗材料，大家关心的问题是使用年限。因为塑料制品都有老化现象。高分子材料在光、热和大气的长期作用下会变硬变脆，易断裂，塑料薄膜也不例外。薄膜在保护层下老化进程将大大减缓。为判断PVC膜的耐久性，中国水利水电科学研究院1983年对北京东北旺引水渠埋藏在30cm土层下达18年之久的PVC薄膜取样测试，发现一直保持良好的防渗作用。测试结果和埋藏前的原样性能对比见表4。
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表4 埋藏地下18年后聚氯乙烯薄膜性能变化
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由于PVC薄膜在成型过程中加入了增塑剂来提高薄膜的柔软性，但增塑剂一般都有挥发性，时间长了增塑剂逐渐挥发，薄膜即变硬变脆。因此，由表4可以看出经过18年时间，薄膜中的增塑剂逐渐挥发，导致延伸率下降，其纵横向损失率为15.12%～96.9%，而抗拉强度增加，其纵横向增长率36.1%～72.4%。取出的薄膜虽然延伸率已很小，但还有相当的韧性，反复折叠数十次不断裂。通过检查发现，保护层被冲刷的部位，增率和损失率均较大，反之则较小。说明埋在地下，不遭受机械破坏是能长时间使用的。由于最终老化是以延伸率损失达100%作为判断标准的，因此根据测试结果分析，只要保护层稳定，PVC薄膜使用年限可超过30年。特别是近十多年，塑料制品由于树脂品种的增多和配制技术的提高，其耐老化性能又有了很大的提高。因此，在渠道防渗中应用的塑料薄膜，只要有很好的保护层，耐久性是良好的。
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2.2 复合土工膜
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2.2.1 试验结果
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试验结果如图1至图6所示，为了比较不同试验环境对PVC复合土工膜老化性能的影响，将不同试验条件和年龄期的变化值集中于表7中，并和现场运行3年的渠道中取出的PVC复合土工膜测试值进行比较和试验分析。
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2.2.2 试验结果分析
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从图1至图6中可知，PVC复合型土工膜自然暴露半年时强度无明显变化，一年时纵向稳中略升，横向降低27%。若从强度角度来判断抗自然老化能力，并以降低50%为最低允许值，则耐自然老化时间在2年左右；伸长率在自然暴露3个月后即持续下降，横向降幅大于纵向，半年后纵向降幅为23%，横向降幅为41%，一年后纵向降幅为54%，横向降幅为75%。因此，若从伸长率角度来判断抗自然老化能力，并以降低50%为最低允许值的话，其耐自然老化时间为半年。
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图1 纵向抗拉强度—时间关系曲线
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图2 纵向伸长率—时间关系曲线
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图3 横向抗拉强度—时间关系曲线
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图4 横向伸长率—时间关系曲线
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图5 抗拉强度—冻融循环次数关系曲线
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图6 伸长率—冻融循环次数关系曲线
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表7 不同试验处理老化试验结果对比
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表7 不同试验处理老化试验结果对比（续）-1
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在土的保护下，PVC复合土工膜的老化性能有了明显改善，膜的纵、横向强度随埋土时间延长而呈上升趋势，伸长率仍随时间延长而下降，但下降趋势较自然暴露已明显趋缓，埋土一年后伸长率仍保持76%，当膜浸于水中时，强度、伸长率稳中略升，一年后性能仍无明显变化，当膜经受冻融循环时，表现出了较强的承受温度变化能力，在-17～6℃冻融循环125次后，纵向强度和伸长率仍基本稳定，横向强度和伸长率均稳中略升。
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由表7可知，PVC复合土工膜埋于土中或浸泡于水中，并在水中经受冻融循环时，其一年期的伸长率的保持率皆明显高于自然暴露状况，表明PVC复合土工膜在应用中只要隔绝紫外光的辐射，其老化性能就会明显改善。在水中或水中经受冻融循环的保持率又高于埋土状况，则说明复合土工膜在水中较干燥状态时增塑剂的挥发速度又趋减缓，因此，仍能保持相当的柔性，亦即保有相当的适应变形的能力，现场运行3年的样品测试结果，其伸长率的保持率介于水浸和埋土二者之间，这完全符合上述规律，因现场运行时复合型土工膜处于水土并存状态，或时干时湿，因此有利于复合土工膜性能的保持，从在现场运行3年样品伸长率的保持率为90%～93%推算，伸长率3年下降率为7%～10%，年下降率为2.3%～3.3%。因此伸长率下降为零失去适应变形能力的时间在30年以上。
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2.2.3 几点看法
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首先，由于材料老化性能是以在试验条件下被测指标达到最低允许值（或某一保留率）时的试验时间来表示的，而PVC复合膜料中的增塑剂是随时间的延长而不断挥发的，膜也将因此而逐渐变硬变脆，其力学性能上的表现则是强度增加伸长率下降。因此，PVC复合土工膜老化性能的判定以伸长率下降为零失去适应变形能力的时间为标准较为合适。
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二是由于PVC膜中增塑剂的挥发是影响老化性能的关键，因此增塑剂品种的优选将是进一步改善其老化性能，延长使用时间的有效途径。
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三是复合膜由塑料膜和土工织物组合而成，本次试验所选土工织物为老化性能较优的PES，PES不仅老化性能较好，且强度也相对较高，因此进一步保证了PVC复合土工膜的抗老化能力。
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四是测试中个别数据的不规律性，初步判断是土工织物的不均匀性所致，因此进一步提高土工织物的均匀性将进一步保证复合土工膜的均匀性。
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2.3 改性沥青防水卷材
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（1）SBS改性沥青防水卷材
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该卷材系以SBS（苯乙烯—丁二烯—苯乙烯）橡胶改性石油沥青为浸渍涂盖层，以聚酯纤维、玻璃纤维无纺毡、有纺毡等为胎基，表面撒布细砂、滑石粉或PE膜，经过选材、配料、共熔、浸渍复合成型卷曲等工序加工制成。该卷材的特点是：由于用SBS改性，沥青涂盖料的延伸可高达2000%，产品可在-25℃下弯曲无裂纹，-50℃下仍具有防水功能。以聚酯纤维作胎基的产品具有很高的拉力、延伸率、耐穿刺能力和耐撕裂能力。以玻璃纤维作胎基的产品则成本较低，耐热稳定性好。由于该卷材具有良好的低温柔性和极高的弹性延伸性，较适合于寒冷地区应用。这种卷材执行的行业标准是JC/T 560-94。
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（2）APP改性沥青防水卷材
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该卷材是以无规聚丙烯（APP）改性沥青为涂盖材料，以优质聚酯毡，或玻璃纤维毡做基胎，上表面撒布细砂或绿页岩片，下表面撒布细砂而制成。该卷材的特点是拉伸强度大、延伸率高、具有良好的弹塑性、耐高低温和抗老化性，-50℃不龟裂，120℃不变形，150℃不流淌，耐久性达20年以上。和SBS—样，采用聚酯胎的卷材具有很高的拉力、延伸率及抗穿刺和抗撕裂能力。应用玻璃纤维毡的卷材则成本低，尺寸稳定性好。这种卷材执行的行业标准是JC/T 559-94。
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3.保温材料
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3.1 膨胀蛭石制品
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膨胀蛭石是一种新型的保温材料，它是由非金属矿物蛭石经过开采，选矿、烘干、破碎、筛分及煅烧等工艺过程制成的。它可以单独作为松散填料使用，并可与水泥、水玻璃以及合成树脂等为胶结材料制成各种膨胀制品。制品的技术性能见表8。
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表8 水泥、水玻璃膨胀蛭石制品的技术性能
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3.2 膨胀珍珠岩制品
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珍珠岩是一种酸性岩浆喷出的玻璃质熔岩，由于具有珍珠裂隙结构而得名。其制品的技术性能见表9。
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表9 膨胀珍珠岩制品性能
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膨胀蛭石和膨胀珍珠岩均有很大的吸水性，容重越小则吸水率越大，因而导热系数也将加大。因此，制品均需进行增水处理，使其表面形成一层不吸水的防水膜，使吸水率小于10%。
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3.3 泡沫塑料
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泡沫塑料是以各种树脂为基料，加入一定剂量的发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料，经加热发泡制成的。它的种类很多，均以树脂取名。当前生产较多的有聚氨脂（PVR）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等泡沫塑料。
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泡沫塑料按制品的软硬程度不同可分为软质、硬质和半硬质泡沫塑料。按泡孔结构的不同又可分为开孔和闭孔泡沫塑料。凡是泡孔互相连通，能互相通气的称为开孔泡沫塑料，开孔泡沫塑料具有良好的吸收声波和缓冲性能。凡是泡孔互不连通，互不相干的称为闭孔泡沫塑料闭孔泡沫塑料具有很低的导热系数和吸水率。渠道防渗中应用的泡沫塑料应为闭孔泡沫塑料。
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由于泡沫塑料这种新型保温材料价格仍较高，一般在采用其他防冻胀办法不经济时或遇到一些特殊地段，如冻深较大，缺少砂石地区或地下水浅埋地区，才考虑采用此种保温材料。
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4.伸缩缝止水材料
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4.1 聚氯乙稀胶泥
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聚氯乙烯胶泥系以煤焦油为基料，按一定比例加入聚氯乙烯树脂、增塑剂、稳定剂及填充料，在130～140℃温度下塑化而成的热施工防水接缝材料。其参考配方（重量比）如下：
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煤焦油：100；聚氯乙烯树脂：15；苯二甲酸二丁酯：15；硬脂酸钙：1；填料：15。按上述配方配制的聚氯乙烯胶泥的物理力学性能见表11。
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表11 聚氯乙烯胶泥的物理力学性能
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聚氯乙烯胶泥系数热塑性材料，适用于现场配制，趁热配制，趁热烧注，配制工艺为：
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（1）煤焦油在120～140℃下脱水，然后降温至40～60℃备用。
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（2）按配合比称取聚氯乙烯树脂及硬脂酸钙，混合后搅拌均匀，再加入定量的二丁酯搅成糊状，即得聚氯乙烯糊液。
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（3）把上述糊液缓慢加入温度为40～60℃定量的脱水煤焦油中，搅拌均匀，再徐徐加入填充料，此时，应边加热边搅拌，温度控制在130～140℃之间，保持10min后，即成胶泥。
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（4）每次停工后，粘结在熬制锅上的胶泥残料，应刮除干净，以免影响下次配制胶泥的质量。
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4.2 塑料油膏
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塑料油膏是在聚氯乙烯胶泥的基础上改性发展起来的一种热施工弹塑性防水材料。其性能常温下与聚氯乙烯胶泥相似，具有弹性大、粘结力强、耐候性、低温柔性好，老化缓慢等特点。低温下的聚氯乙烯胶泥柔软。它宜热施工亦可冷用。塑料油膏的生产单位、产品牌号很多。
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现将“湘潭”塑料油膏技术性能指标列为表12。
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表12 “湘潭”塑料油膏技术性能指标
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塑料在节水灌溉中应用的研究与前景
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1.前言
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联合国曾在1979年召开的“水”的大会向全世界发出警告“水不久将成为一个严重的社会危机，石油危机之后的下一个危机便是水”。随着全球水资源供需矛盾的日益加剧，节约用水已成为举世瞩目的问题。我国多年径流总量虽处于世界第6位，但按人口平均却排在第85位，人均径流量仅为世界人均径流量的1/4。因此，我国节水问题就更加突出，更加严重。而在全国总用水量中，灌溉用水占75%，所以灌溉节水在节水工作中就占举足轻重的地位。另一方面，我国目前灌溉用水的利用系数大多不到50%，甚至仅20%～30%。因此，灌溉节水有着极大的潜力。
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节水灌溉，就是要通过采用水利、农业、管理等多项措施，以最少的水资源消耗，得到最高的农作物产出。减少从水源到田间输水过程中水量损失的措施有渠道防渗，低压管道输水；喷滴灌则既能减少输水损失又能减少田间灌水损失。本文将介绍塑料在节水灌溉措施中的应用现状。
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2.低压管路输水灌溉技术
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2.1 地埋塑料管
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随着塑料工业的发展，重量轻、长度大、输水阻力小、施工简便的塑料给水管作为地埋管材开始得到应用。初期，都是选用轻工部部颁标准中的一些轻型管，由于低压管道输水灌溉系统的工作压力很低（不超过0.2MPa），因此当时标准中规定，工厂生产的轻型管对低压输水来说仍然功能过剩，且较高的单价也影响农业应用推广。为此，在水利部和轻工部的大力支持下，中国水利水电科学研究院和轻工研究部门及厂家通力合作，在“七五”期间参照美国低压输水塑料灌溉管的规格系列，研制开发了农用薄壁PVC管。为了保证薄壁PVC管长期安全使用，必须对该管承受内外压的能力进行系统研究。中国水利水电科学研究院在化工部门协作下首次对农用塑料管进行了蠕变开裂的长期强度试验研究，得出了薄壁PVC管的许用应力为7.9MPa，在不超过0.2MPa的低压条件下常温运用，其使用寿命为50年的结论。中国水利水电科学研究院和天津水利科学研究所还进行了大量的室内模拟土压和室外超载试验。试验结果表明了管子承受外载荷的能力随着回填土密度的增大而显著提高，在外载荷相同时，管子变形随回填土密度的增大而显著减少。结论是，虽然薄壁PVC管因管壁较薄本身刚度较低，但依靠管材——土壤系统的组合强度却能显著提高管子承受外载荷的能力。试验还找出了回填土密度达到1.4时管子的变形即可保证在允许的5%以内。通过管材埋设一年半后剖面开挖观测，实测变形率和模拟土压试验及田间超载试验结果一致。以上对薄壁PVC管承受内外压能力的研究结果为低压管道输水灌溉工程设计及薄壁PVC管国家标准的制定提供了可靠的基础资料。此后，通过各种学术会议的广泛宣传及经验交流，掀起了应用薄壁PVC管的热潮，从而将低压管道输水灌溉技术的推广推向了一个新阶段。至1993年末，达到节水灌溉标准的低压管道输水灌溉技术的实施面积已超过266.7万hm2，输水管道长度约25万km，并且每年还以33.34万hm2左右的速度递增。在这种形势下，为了保证工程质量，国家技术监督局下达了薄壁PVC管国家标准的编制任务，国家标准“低压输水灌溉用薄壁硬聚氯乙烯（PVC—U）管材”GB/T 13664-92已于1992年9月发布，1993年6月实施，现在厂家均按此标准的规定生产销售。农用薄壁PVC塑料管的开发应用推动了低压输水灌溉技术的发展，这项技术的发展又进一步刺激了厂家的生产，随着薄壁PVC管的成功开发应用，内壁光滑外壁呈波纹状的双壁波纹PVC管及薄壁PE管也被开发。
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高寒地区因最大冻深常在地表以下2m左右，在冻层以下埋管土方工程量大，施工费用高，施工进度慢，这在一定程度上制约了高寒地区对低压管道输水灌溉技术的推广。近几年来，内蒙古、辽宁、黑龙江等地对塑料管的低温应用性能进行了一系列论证，并进行了冻层浅埋塑料管的试点，结论是将塑料管埋在0.8m左右的冻层中（-5℃地温），并采取一些相应的安全措施，即可保证低压输水灌溉系统安全运行。
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在井灌区大面积推广的基础上，低压管道输水灌溉技术又向渠灌区发展。渠灌区实施这项技术其节水效益更显著。但由于渠灌区管网系统一般控制面积都较大（33.34～333.34hm2），因此其引取水流量大，输配水管网级数多，管径也较大，管径最小也需300mm，大者可达600mm以上，而目前薄壁管最大管径仅为200mm。因此，要想在渠灌区推广这项技术，首先要解决的就是大口径管材。“八五”期间，轻工部在国家攻关课题“农用节水塑料器材的研究”中，列入了“农用大型双壁波纹管成型设备及生产工艺的研究”专题，组织沈阳市塑料机械研究所和中国水利水电科学研究院共同攻关，研制出了直径300～600mm的大口径双壁螺旋塑料管（PE），并进行了试点应用，取得了显著的节水效益。
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2.2 地面移动的塑料薄膜软管
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移动式塑料薄膜软管（LDPE管，俗称小白龙）灌溉是一种由农民自选、自管、自用的非永久性节水灌溉设施。20世纪70年代末开始应用，由于材质方面的原因和恶劣的地面移动应用环境，其使用寿命多在1年左右。因此，随地埋塑料管的日益推广，输配水全移动式塑料薄膜软管的应用面积正日益减少。但根据中国国情，在现阶段它仍然是节水灌溉中不可缺少的一种设施。
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低压管道输水灌溉系统是指从水源到受灌田面全部输配水任务都由低压管道来完成，农用薄壁PVC管等的开发应用解决了地埋管材的问题，地面配水管则受各种条件影响仍未很好解决。再加上涌流灌技术的节水优势，涌流管的开发应用也受到了关注。一些厂家将LLDPE和LDPE共混提高了薄膜软管的力学性能，但和国外产品相比，强度仍有差异。
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另外，地面配水闸管或涌流灌溉管的放水口是根据畦、沟的规格设定的，放水口闸门管件多为一些重量和体积均较小的塑料注塑件，为了保证密封性和启闭灵活性，注塑件精度要求较高。因此，随着节水灌溉技术的日益发展，高性能，价格适中的薄膜软闸管及配套管件的开发也开始进行。
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3.渠道防渗
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新中国成立以来，我国渠道防渗工作发展很快，无论防渗材料、衬砌结构和施工技术都取得了许多经验和研究成果。至1993年底，我国渠道防渗工程面积已达0.09亿hm2，防渗渠道长度55万km。但是，我国灌区分布广，面积大，大部分省、直辖市已防渗的渠道还不到总长度的20%。因此，渠道防渗的节水能力远未得到充分发掘。
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从20世纪50年代初起，塑料薄膜就先后在美国、原苏联、印度等国家用于渠道防渗工程。20世纪60年代以后，随着塑料工业的发展，我国也进行了一系列塑料薄膜防渗试验研究，并在北京、山东、河南、山西等不同地区的渠道工程中采用了塑料薄膜防渗，取得了较好的效果。塑料薄膜防渗不仅效果好，而且质量轻便于运输和施工，造价低，能适应渠基的各种变形。但因材料薄，易为外力破坏，容易老化，因此采用塑料薄膜防渗多为埋铺式。
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塑料薄膜用于渠道防渗，按其材料的性能来讲，是可以做到滴水不漏的，但由于某些原因，如施工质量不好，管理不善以及外力对薄膜的破坏等，部分工程尚不能达到非常满意的防渗效果。但凡通过塑料薄膜防渗的渠道，其渠系水的利用率一般均可提高15%左右，防渗效果是显著的。塑料薄膜防渗工程以新疆地区应用最多，新疆生产建设兵团从1973年开始试点应用塑料薄膜防渗，1978年扩大试点，1980年全面推广，到1993年末，塑料薄膜防渗渠道长度已达4469km，占各类防渗渠道总长的39.4%，成了渠道防渗工程的后起之秀。20世纪80年代后，南方不少省如广西、贵州、广东、湖南、浙江、福建、江西等也都积极应用塑料薄膜作渠道防渗材料，效果都很显著。
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20世纪60年代，我国在渠道防渗中多选用PVC薄膜，20世纪70年代开始选用大量生产的LDPE薄膜，20世纪80年代，随着LLDPE薄膜的研究开发，发现LLDPE薄膜的力学性能优于LDPE和PVC膜，其拉伸模量高出30%，断裂伸长率也高出一倍以上。说明LLDPE膜有着更强的刚性和适应变形的能力。通过曝晒和埋土条件下的老化试验，对于LLDPE膜来讲，在相同的老化时间下，膜的强度均有降低，但埋土降低率要小很多。因此，肯定了在工程中应用需要采取覆土保护的措施，通过摩擦系数和安全坡角试验，给出了在工程中安全使用时的安全坡角，并对不同厚度的薄膜能承受的水压力进行了测试，从而为抗渗设计提供了指标，还对多种现场连接方法进行了探索。这些试验研究为塑料薄膜作为渠道防渗材料的推广应用起到了积极的推动作用。水利部1991年发布的渠道防渗工程技术规范也对选用塑料薄膜提出了一些基本原则，如宜选用厚度为0.18～0.22mm的深色薄膜；在寒冷和严寒地区可选用PE膜；在芦管穿透性植物丛生地区可优先选用PVC膜；塑料薄膜防渗体应采用埋铺式，并对不同保护层的厚度作出了规定。从而为塑料薄膜的安全使用提供了指导。近几年来，一种更理想的防渗膜料——复合土工膜也开始在渠道防渗中应用。复合土工膜是将土工织物（无纺布）和塑料薄膜复合成一体而成的，复合土工膜可以复合成一布一膜，也可以复合成两布一膜，塑料薄膜起防渗作用，土工织物则起防止薄膜被尖棱物刺破，排出膜后渗透水和提高与接触面的摩擦系数等作用。
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除了塑料薄膜外，聚苯乙烯和聚氨酯等保温材料也在渠道防渗中有了试点应用。在一些季节性冻土地区，刚性防渗衬砌渠道因基土冻胀造成砌缝开裂、变形以至滑塌破坏。造成渠道冻胀的原因，主要是受土壤、水分、负温三方面因素的影响，过去主要采取以砂砾换基改变基土性质来防止冻胀，工程量大，现在试验用2～4cm的聚苯乙烯泡沫板作保温材料或在渠道上喷涂1～2cm厚的聚氨酯，起到了很好的防渗消除冻胀的效果。
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4.喷、微灌技术
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喷灌和微灌（包括滴灌、微喷灌、渗灌、小管出流灌等）是两种先进的灌水新技术，我国喷、微灌面积目前已有83.34万hm2以上，喷灌是利用水泵加压或是利用自然水头，通过管道和喷头喷射到空中洒落在灌溉面积上，如同降雨那样进行灌溉，它比地面灌节水30%～50%。微灌是利用管道系统和灌水器，将水和作物所需养分直接送到作物附近的土壤中，在节水方面，微灌由于湿润面积小，蒸发损失小，故比喷灌更优越，可比喷灌省水15%～25%。
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喷、微灌的机具及配套设备已经经历了从无到有，从引进仿制到研制创新，从品种繁杂到系列化、标准化。如今无论从品种、生产能力还是质量上来看，都有了很大发展和提高。比如，由轻工总会组织的国家“八五”重点科技攻关项目“新型微灌器材的研究开发”已取得了圆满成功。北京绿源塑料联合公司通过“八五”科技攻关和技术引进，配套研制了12mm到63mm的系列聚乙烯管材管件，解决了我国多年来微灌系统不配套的问题，自从该公司生产出了内镶式滴灌管、管上补偿式滴头和旋转式微喷头后，我国微灌产品的制造水平就上了一个新台阶。莱芜塑料制品总厂通过“八五”科技攻关研制开发了网式过滤器和两种灌水器，以上产品的研制成功和推广应用，推动了具有最高节水效益的微灌技术进一步发展。北京燕山滴灌技术开发研究所研制开发的塑料活接头和新型缩孔式旁通使滴灌系统的关键管件的形式有了新的发展。由于塑料活接头的出现，使得造价更低的全移动式滴灌系统的推广成为可能。
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目前，被国外公认为最好的喷灌机械之一的软管卷盘式自动喷灌机，经分析认为是比较适合我国国情的一种喷灌机。该机是用软管环绕在卷盘上输水，软管末端装一远射程喷头，在喷灌作业时，软管被拉铺在被灌地面上，然后利用喷灌的压力水驱动卷盘转动环绕软管，从而牵引喷头缓慢地向卷盘方向拖动并进行喷洒作业的喷灌机。该机上缠绕的PE软管的使用条件是很不利的，它不仅承受着弯曲、拉伸应力及内水压力等交替和综合作用，而且还受到地面摩擦、日晒雨淋、冷热交替等综合作用，要满足这些较恶劣的使用环境要求，用一般的LDPE或HDPE管均不能满足要求，国外经过多年的反复试验研究，开发出了MDPE管，使软管的使用寿命和喷灌机同步。我国在20世纪80年代中后期研制出了这种形式的喷灌机，目前该机的质量正在进一步完善中，而与之配套的质量上乘的MDPE软管尚未见有成功研制的报道，这是一个需要进一步开发的产品。
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5.塑料管机井
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机井，是我国北方农田灌溉的主要水利设施，目前，北方17省、直辖市、自治区已拥有配套机井286万眼，井灌面积达0.12亿hm2以上，约占全国总灌溉面积的1/4。随着我国塑料工业的发展，由于塑料管耐腐性、重量轻、运输与安装方便，塑料管已成为继混凝土管、钢筋混凝土管、铸铁管、钢管等井管材料之后的又一种更受欢迎的井管。美国引用塑料管造井已有50年的历史，在相当多的州，250mm以内的井管已以塑料管为标准管材，并已有了完整的塑料井管成井的工艺规范。我国应用塑料管造井亦有30年的历史，但由于各种原因，应用尚不广泛。其中，应用厚壁管造井造价高是制约因素之一。特别是超过250mm的大口径管，为了保证刚度必须有较大的壁厚。在前述中已谈到原轻工部组织研制出了大口径的轻型管——PE双壁波纹塑料管。这种大口径轻型管不仅作为低压输水管成功应用，内径400mm的这种管材作为井管，在辽宁、吉林等省已有了近200眼的成功成井经验。另外，中国水利水电科学研究院还和唐山市及迁安县水利局合作，应用天津塑料机械厂生产的外径350mm的PVC双壁波纹管成井近百眼，井深30～120m，应用最长的已有4年历史，出水量一直稳定。为了室外应用的成功，中国水利水电科学研究院进行了大量的室内试验，研究了在双壁管上开孔的孔眼位置、形状、孔隙率大小对管子强度的影响，并通过对井管外包反滤层的选择试验，以100g/m2的绦纶无纺布代替传统的反滤材料棕皮，既保证了优良的透水防沙性能又降低了反滤层的单价，由于技术经济效益明显，这种新型井管在机井更新改造中的潜在能力已愈来愈受到重视。
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6.展望与建议
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为了大力普及节水灌溉，国务院已批准“九五”期间在全国建设300个节水增产重点县，发展节水灌溉面积333.34万hm2，同时还要在黑龙江、吉林、河南等省发展节水型井灌面积100万～133.4万hm2。因此，低压输水用塑料薄壁管、防渗用塑料薄膜、喷微灌用配套管材和管件、质轻而刚度大的塑料井管等都将会得到更大的推广应用。为此，建议：
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（1）在塑料产品成功开发应用的同时，确实也还存在一些不可忽视的问题。我国的塑料管材、管件在抗老化、耐磨和韧性上和国外产品相比还存在较大差距，特别是由于进货的渠道不同，树脂的牌号各异，造成产品质量的不稳定。而管道又是喷、微管系统的主要组成部分，它需用的数量多，占投资的比重大。因此，塑料管材管件质量的提高和保持稳定是人们极关心的。
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（2）在树脂的选择和配方研究上再下功夫，尽早开发出质量高且耐磨、耐用的地面移动薄膜闸管及配套管件。
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（3）厂家、科研单位合作，加深对塑料井管适应性的研究，以加速农用机井的更新改造。
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参考文献
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[1] 全国节水灌溉工作会议专辑.节水灌溉.1996，（4）
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[2] 余玲.高技术新技术农业应用研究——塑料管材在灌溉排水中的应用研究灌溉及展望.北京：中国科学技术出版社，1990
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[3] 余玲，丁昆仑，王育人.土工合成材料在中国农用机井中的应用.“全国第四届土工合成材料学术会议论文集”.中国土工合成材料工程协会，1996
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[4] 中国灌溉排水技术开发中心.渠道防渗工程技术，1994
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土工合成材料在农用机井中的应用
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前言
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机井是中国北方农田灌溉的主要水利设施。截止1992年底，北方17省、直辖市、自治区已拥有配套机井286万眼，井灌面积达1200多万hm2，约占全国总灌溉面积的1/4。由于这些机井建于20世纪六七十年代，老化报废，效益衰减的问题亟待解决。随着土工合成材料在中国的迅速发展，用土工合成材料更新改造机井已愈来愈受到重视。本文将简介土工合成材料在中国农用机井更新改造中的应用情况，并提出需要进一步研究解决的问题。
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1.中国农用机井井管与过滤结构现状及存在问题
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中国农用机井井型多以垂直集水的管井为主，且90%左右是深度为200m以下的中浅井。这些井的井管多采用混凝土管，无砂混凝土管，由于这类管强度较低，质量不稳定，在一些技术要求高、经济条件好的地区，也采用铸铁管或钢筋混凝土管。机井的反滤结构主要采用缠丝、包网或包棕。由于缠丝、包网容易锈结淤塞，规格砾料备料困难且价格昂贵，成井时常填混合料。因此，质量难以保证，机井涌砂淤积严重。包棕的方法则是在任何含水层中都包数层棕皮，含水层砂粒愈细，包的层数愈多，这种阻水防砂的方法，出水量较小，寿命较短。上述问题的存在导致农用机井年报废率高达5%～8%。除垂直集水的管井外，水平集水的辐射井在一些地区也得到应用。特别是在低洼易涝、易旱易碱地区，运用辐射井开采浅层地下水，可以达到综合治理旱、涝、碱的目的。但过去辐射井的水平滤水管均采用优质钢管，投资大。因此，急需研制节省投资的新型水平滤水管。为了有效地解决上述问题，人们作了各种有益的尝试，应用土工合成材料则是已见成效的措施之一。
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2.土工合成材料在中国农用机井中的应用
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2.1 使用土工织物作井管滤层
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自1988年以来，河北枣强、安平、成安，河南修武、项城，山西运城等地，以土工织物代替棕皮作井管反滤层均取得了成功的经验。试验井管有钢筋混凝土花管、无砂混凝土管和铸铁管。井管外径35～60cm，井深35～130m，含水层为中、细砂，粉细砂或黏土夹砂。选用的土工织物为100～300g/m2的无纺织物，织物材质有涤纶、维纶或维一丙等。应用无纺织物代替棕皮作反滤层有以下优越性：
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（1）保证质量。由于系针对不同砂层的性质，按照设计准则来选用不同规格的无纺织物，因此保证了透水防砂功能的要求。而采用棕皮则因没有透水防砂标准，仅凭经验判断，无法保证质量。通过室内试验验证，选用的无纺织物需遵循下列反滤准则：
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保砂准则 O＜d85；
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透水准则 k＞（21～75）K。
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（2）在水文地质条件相同的情况下，不仅可保证井水含砂量大于规定，还可增大合理降深，使单井出水量增加15%～40%。
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（3）成井工艺简单。由于按设计原则选用了合适的土工织物，因此不需严格按反滤要求设计填料，只要填料粒径大于相应含水砂层的粒径即可，从而可就地取材，使建井成本降低。
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2.2 管滤合一的合成材料管作辐射井水平滤水管
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辐射井是开发地下水的井型之一。它由一个大口径的竖井和从竖井中向四周的含水层中，打进几根至数十根近乎水平的滤水管（辐射管）组成。含水层中的地下水通过水平滤水管汇集到竖井中，供水泵提取。由于辐射管增大了汇水面积，出水量相当于同深度管井的5～10倍。20世纪60年代以来，辐射井即在中国西北、东北和黄淮海地区推广应用。但是，辐射管多为优质钢管，投资大，为了降低成本并解决在粉细砂含水层中滤水管的淤塞问题，中国水利水电科学研究院和北京市水利科学研究所于20世纪80年代初共同推出了管滤合一的合成材料管——双螺旋波纹塑料滤水管作辐射井水平滤水管。所用塑料管材质为PE或PVC，管子内径70mm，管子波谷处均匀分布着1.1mm×5mm的进水孔眼，每米管开孔面积在33cm2左右，开孔面积占整管表面积的1.4%。初期采用在滤水管波谷处缠丙纶丝覆盖进水孔，现在多采用整管外包尼龙织物反滤。经过室内试验和室外成井验证，确定的反滤准则为O90＜（2～4）d85和O90＞4d15。内蒙古杭锦后旗于1986年打成的1号辐射井，井深15.4m，距地面15m设6条水平滤水管，滤水管平均长度30m，位于平均渗透系数1～1.5m/d的粉细砂含水层中，含水层颗粒特征为d85=0.32mm，d15=0.05mm。根据上述反滤准则选用了质量100g/m2，厚度0.75mm的尼龙织物作反滤层，该井建成后出水量40m3/h，至今出水量始终稳定，不含泥砂杂质。由于这种管滤结合的双螺旋波纹塑料滤水管单价仅为钢管的1/5，成本明显降低。
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2.3 大口径双壁波纹塑料管作为新型井管的应用
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由于塑料管耐腐蚀、重量轻、运输与安装方便，因此以单壁塑料管作为井管在中国已有一些应用。然而单壁塑料管壁厚，造价较高，已应用的塑料管管径均在250mm以下。随着塑料工业在中国的发展，大口径、刚度大、质量轻的双壁波纹塑料管生产线被愈来愈多的生产厂家从国外引进，国产大口径缠绕螺旋双壁管也已通过鉴定投产，性能良好。这些大口径双壁波纹塑料管除用于低压输水、城市排污外，也被不少地区开发引用到机井的更新改造中，不打眼的管用作井壁管，打眼管与土工织物组合则作为滤水管。河北、辽宁、陕西、山东、山西、北京、天津等地都已有了成功的应用实例。
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大口径双壁波纹塑料管的材质有PVC、PE两种，该管具有内壁光滑，外壁呈波纹状的双层结构特点，断面结构合理。波纹按平行环型或单螺旋型延伸，其性能指标按DIN169控制，改变管子波纹的深度等参数可得到承压力不同的管材。辽宁省苏家屯、海城等地自1990年至今，应用沈阳星光塑料机械厂生产的内径400mm PE双壁螺旋塑料管成井数十眼；河北省迁安县1992年开始应用天津塑料机械厂生产的外径315mm PVC双壁波纹管成井数十眼，这些井井深30～120m，至今运行良好。中国水利水电科学研究院和唐山市水利局、迁安县水利局合作，在双口径双壁波纹塑料管和土工织物组合成井的试验中，作了大量室内外试验，研究了在双壁管上开孔时，孔眼位置、形状、孔隙率大小对管子强度的影响，并确定了在波谷处打孔。在反滤层的选择上，对100g/m2的绦纶无纺织物和棕皮作了成井对比试验，试验证明100g/m2的无纺织物具有优良的透水防砂性能，出水清彻，其单位降深涌水量是棕皮反滤的4倍。除上述优异性能外，经济方面也有明显效益。如大口径双壁波纹管较铸铁管单价低1/3～1/4，是单壁塑料井管的2/5。由于这种新型管重量为混凝土管的1/20，是单壁塑料管的1/2，因此既可减少施工人员，又因下管时的提吊重量轻，有利于安全成井和缩短下管时间，加之滤层用无纺织物，其单价明显低于棕皮，因此，这种新型井管在机井更新改造中的潜力不容忽视。
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3.应用中的几个问题
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（1）土工织物作为井管滤层都能满足保砂要求，但单位面积质量大的土工织物，对大粒径含水层的透水性要求较难满足；单位面积质量小的土工织物，其强度相应较低，安装中易损坏，因此生产厂家有必要增加土工织物的规格品种，专门生产适合机井井管滤层用的土工织物。
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（2）大口径双壁波纹塑料管和土工织物组合成的新型井管已在浅井和100m左右的中深井中有了成功的应用，但含水层多为中砂以上的砂土或砂砾石，在细砂或粉砂含水层中应用时，联接管子用管箍尚需增加强度，特别是在动、静水位变化处，井管会因环向受压失稳而变形，因此应采取加固措施。
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（3）大口径双壁波纹塑料管和土工织物合成的新型井管，在井深超过100m的情况下应用，目前应慎重。因为对这种薄壁大口径双壁波纹塑料管的强度核算尚没有合适的方法，需要在模拟试验的基础上，深入进行理论研究，以达到有效地指导实践。
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参考文献
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[1] 水利部农村水利司编.机井技术手册.北京：中国水利水电出版社，1995
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[2] 张建国，赵惠君.土工布滤水拦砂性能及成井效果分析.山西水利科技.1993（2）
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[3] 刘福州.土工织物在机井井管上的应用.河南水利科技.1991（2）
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[4] 余玲.塑料管材在灌溉排水中的应用研究概况及展望.见：全国高技术新技术农业应用论文集.北京：中国科学技术出版社.1991
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[5] 余玲.国产PP/PE过滤型塑料排水管性能测试及应用分析.见：水利水电科学研究院论文集.1985（22）
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[6] 伍军，智一标，邢东志，郭宇飞.在粉细砂层中打辐射井的试验研究.见：水利水电科学研究院论文集.1986（25）
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（三）喷、微灌
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开发国产喷灌与微灌器材是我国今后喷、微灌事业发展的关键
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1.我国喷灌和微灌器材的现状
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1.1 历史
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喷灌和微灌在我国大面积的推广应用始于20世纪70年代中期，国产喷灌和微灌器材（以下简称“器材”）随着喷、微灌技术推广应用的需要而开发并批量生产，器材的开发和生产反过来促进了喷、微灌在我国的推广应用。
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1.2 生产企业现状
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据估计，我国目前已有器材生产企业1000余家，除少数生产通用产品（如PVC管及管件）的生产企业外，绝大多数都是中小型企业，其中不乏作坊式企业。企业的技术力量较薄弱，生产手段落后，缺乏必要的质量保证体系，企业之间一般只有竞争，没有联合。
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1.3 设备生产能力
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1.3.1 我国自行设计和生产的专用器材
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（1）喷灌自吸泵，有外混式和内混式两种形式，是与轻小型喷灌机组配套使用的产品。
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（2）铝合金喷灌管，有两种型式：承插式连接和球型接头连接，前者主要用于平原或地形变化不大的地区，后者适用于地势起伏较大的山丘区。它们主要用于我国移管式喷灌系统。
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（3）涂塑软管，主要用作轻小型喷灌机组的输水管。
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（4）喷头，PY型，原料为铝合金和ABS塑料两种。
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（5）PE管及管件，采用LDPE制作的，一般内径定型，采用内嵌式管件，内径一般不大于80mm；采用HDPE制作的，一般外径定型，采用复合式管件或套袖式管件。
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（6）过滤器，绝大多数为筛网式过滤器，规格一般为2″和3″两种，近年来有水砂分离器（离心过滤器）和砂过滤器生产和使用，叠片式过滤器也有生产。
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（7）施肥装置，批量生产并实际在微灌系统中使用的，仅差压式施肥罐一种。
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（8）微喷头，一般为折射式，旋转式微喷头曾有生产，但耐久性差，没能推广。
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（9）滴头，有两个类型：管间式和管上式，管间式滴头现已基本淘汰。管上式滴头有孔口式、缝隙式、微管等多种。
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（10）微灌管（带），使用较多的有以下几种微灌管（带）：①在薄型管（带）上直接（用机械方式或用激光）打孔的微灌带，②无外加滴头的迷宫式流道微灌带，③内嵌式紊流滴头微灌管（带），④内嵌管式长流道滴头微灌管。
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（11）大型喷灌机组：包括圆型喷灌机、平移式喷灌机、滚移式喷灌机、卷盘式喷灌机。
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1.3.2 主要通用器材
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（1）PVC管及管件，本产品主要用于建筑、化工等行业，在喷、微灌系统中，主要用于半固定式喷灌系统和较大的微灌系统的干管。
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（2）离心泵。
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（3）各种管件。
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（4）钢管和铸铁管。
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（5）石棉水泥管。
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1.3.3 引进国外技术生产的专用器材
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（1）喷头，ZY型，为全圆喷洒喷头，无换向装置。
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（2）微喷头，①旋转式②折射式。
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（3）微灌管（带），主要有以下四种：①无外加滴头迷宫式长流道滴灌带，②内嵌管式长流道滴头微灌管，③内嵌紊流滴头滴灌管（带），④管上式补偿式滴灌管。
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（4）脉冲式微喷系统。
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1.4 国产器材质量情况
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1999年，水利部会同国家质量技术监督局组织了对国产喷微灌器材的“国家监督抽查”，抽查了全国16个省、直辖市35家企业的50种器材，这些器材包括铝合金喷灌管，喷头、PVC管及管件、LDPE管、软管、微灌灌水器、微灌管（带）、过滤器8个大类。
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抽查结果如下：产品合格率为78%；企业合格率为68.6%。从企业合格率来看，国有、集体和股份制企业合格率较高，平均为78.6%，私营企业和合资企业较差，合格率分别为0和40%。
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实际上，国产器材的合格率应远低于此次抽查结果，原因主要有以下三个方面：①在抽查前就考虑到，如果把国家有关标准中规定的某些指标作为判别是否合格的主要指数，我国某些器材可能都不能用，如铝合金喷灌管的管壁厚度，按标准要求，我国目前用量最多的Φ76管的管壁厚度应为1.5mm±0.12mm，但企业实际生产的此种管子的壁厚一般不超过1mm，此次抽查中最薄的只有0.7mm；②我国现行有关标准要求太低，如旋转式喷头的转动均匀性是保证喷灌系统灌水均匀，提高灌溉水利用率的基本条件，但在《旋转式喷头》标准中，对旋转式喷头的转动均匀性竟然没有要求，对密封性的要求也过低；③由于第一次对器材进行国家监督抽查，经验不足，某些应定为A类（有一项不合格即判定该产品为不合格）的技术参数被误定为B类（有两项或两项以上不合格判定该产品为不合格）的技术参数，如PVC管的连接密封性。
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如果考虑到以上因素，则此次抽查被判为合格的产品中，有许多应被判为不合格。其中，11种铝合金管只有一种合格，11种PVC管只有5种合格，15种喷头也至少有一半不合格。因此，国产器材的合格率应不足50%。
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2.国产器材与国外器材的差距
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2.1 外观
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国产器材与国外器材相比，一眼就看到的差距就是外观上的差距，人们用肉眼就能识别是国外器材还是国内器材。国外器材色泽均匀，光洁度好，合模缝几乎达到肉眼看不到的程度，注料口也修得相当平整。人们很少见到外观制作如此精良的国产器材。
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2.2 工艺
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工艺代表制造技术水平。国外器材各种原料内部分布均匀，原材料的塑化程度良好。而国产器材内部常可以见到未塑化物，明显的合模缝是因为模具制作工艺落后所致。
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2.3 品种
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我国的喷、微灌器材品种屈指可数，不能适应多种用途的需要，有些器材虽然也在仿制，但性能、制作工艺均达不到同类国外器材的水平。国外器材可以用琳琅满目来形容，且不断有新品种推出，用户能根据不同用途选购不同的器材。而国产器材用户只能有什么用什么，大大地限制了喷、微灌技术的适用性和可靠性，不利于喷微灌技术在我国的发展。
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2.4 技术性能
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国产器材的技术性能不如国外器材稳定，质量时好时坏，实际性能与提供的技术参数往往不一致，或者有相当大的差别。如微灌灌水器制造偏差大，耐久性差；管材和管件内、外径不配套，耐压达不到有关标准的要求；喷头转动不均匀，换向机构易损坏，使用寿命短。国产器材存在的这些技术性能上的问题，二十余年来一直没有得到很好的解决。
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2.5 配套
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这里所说的配套，是指给一个系统提供全套器材。就喷、微灌系统而言，一般有三部分组成：①首部枢纽：包括压力水源、控制系统、施肥装置、净水装置等，②输、配水管路系统：包括管道、管件、阀件、调压装置等，③灌水器：在国外，首部枢纽是相当庞大的，仅净水装置一般就有水砂分离器（离心过滤器）、砂过滤器和筛网过滤器数道防止杂质进入系统的防线，在我国喷、微灌系统中，水砂分离器和砂过滤器才进入使用的起步阶段，尚未广泛应用。调压阀还没有得到应用。可以这样说，我国现有的喷、微灌系统一般都是不完整的系统。
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国产器材存在的上述问题，极大的制约了我国喷、微灌技术的推广应用。因此，为了发展我国的喷微灌技术，为农业高效用水创造良好的条件，我国应该加强国产器材的研究开发工作。
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3.如何看待器材以及生产企业当前存在的问题
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3.1 如何看待喷、微灌器材
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喷微灌器材看起来简单，仿制起来似乎容易，但事实上并不是这样。以补偿式滴头为例，国外器材可以做到在一定的补偿范围内，其流态指数为零，且这个补偿范围相当宽；国产器材的流态指数能达到0.2就是很不错的产品了。其中的关键就是看起来相当简单的补偿片和流道。补偿片要厚薄均匀、弹性好、硬度适中、耐老化、抗腐蚀性能好；流道小、制造精度高。制作一个小小的补偿式滴头，关系到水力学原理、制造工艺、材料、化工、轻工等多门学科和有关的多个部门。
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再以喷头为例，我国引进国外技术生产的ZY型喷头，质量较好，受到用户好评。因此，许多厂家纷纷拆、卸原件，测绘图纸，进行仿制，因为，仿制者对其原理、各部件的配合要求、原料的配方不甚了解，以及测量中难免会出现的误差，仿制品的质量远不及引进技术生产的同类喷头，仿制的产品只是“形似”，达不到“神似”。另外，在制作过程中，难免会修改设计，这也需要对原理的了解。
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一种揉进多种学科、关系到多部门配合才能制造出来的产品，不能不说是一种高科技的产品。
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3.2 喷、微灌器材生产当前存在的问题
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（1）技术力量薄弱。我国喷、微灌器材生产企业，总的来说技术力量薄弱，许多小型企业谈不上有什么技术力量，尤其缺乏具有一定理论知识的技术人员。在较大一些的企业中，懂水力学、材料科学的人也少之又少。所以，产品开发能力差，仿制时只能照葫芦画瓢，只能做到八九不离十，制作出来的产品质量肯定高不了，更谈不上作什么性能上的改进。
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（2）缺乏必要的质量保证体系。这一方面与企业技术力量薄弱有关，另一方面受经济利益驱动，对自己生产的产品不进行质量检验（一些小的企业根本没有检验手段），也不送有关的国家法定质检机构检测，就在市场上销售。有些经过ISO9000体系认证的企业，质量保证体系往往也只是文字上的东西，实际上并没有认真贯彻执行。
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（3）企业缺乏试验基地。农用产品一定要在农业生产实际中使用，才能真正考验其性能、质量，我国的器材生产企业可以说100%没有这类试验基地，由于缺乏中间试验阶段，使用情况不能及时反馈。产品存在的缺点或缺陷不能及时改进，新的需求信息不能及时获得，因此，新产品的开发迟缓，质量得不到提高。
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4.国产器材的开发是我国今后喷、微灌事业发展的关键所在
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基于节水工作是我国的基本国策，国产器材的生产远远落后于需求，国外器材将随着我国加入WTO而更多的进入我国的现实，国产器材的研究开发可以说已是一件燃眉之急的事情。我国的喷、微灌技术落后，关键不是理论上跟不上世界潮流，而是我们的过滤器常常起不到净化灌溉水的作用，微灌灌水器常常被堵塞等等。如果我们的器材不好用，那我们只好被淘汰。因此，发展器材生产将是今后我国喷、微灌事业发展的关键。这种发展，不只是数量的增加，更重要的是质量的提高。
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为使国产器材能占领我国的市场，企业自身当然应当投入。但由于喷、微灌器材生产本大利微，所以国家应投入适当的资金，组织各行各业的技术力量，进行攻关研究，开发生产出真正达到世界一流水平的喷、微灌器材。
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我国微灌技术的发展回顾与预测
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1.我国微灌技术发展现状与初步评价
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1.1 我国微灌技术的发展历程
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自1974年由墨西哥政府赠送我国三套滴灌设备开始引进滴灌技术以来，已有20多年的历程，大体经历了以下三个阶段：
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第一阶段（1974—1980年）：引进滴灌设备、消化吸收、设备研制和应用试验与试点阶段。在党和国家领导人的关心下原水电部正式立项，由中国水利水电科学研究院和辽宁省水利水电科学研究院以及沈阳市塑料七厂联合攻关，于1980年研制生产了我国第一代成套滴灌设备，通过了水电部技术鉴定。填补了我国没有滴灌设备产品的空白。从此我国有了自行设计生产的滴灌设备产品。
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第二阶段（1981—1986年）：设备改进扩展和应用试验研究与扩大试点推广阶段。由滴灌设备产品改进配套扩展到微喷灌设备产品的开发，微灌设备研制与生产厂由一家发展到多家；微灌试验研究取得了丰硕成果，从应用试点发展到较大面积推广应用。
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第三阶段（1987年至今）：直接引进国外的先进工艺技术，高起点开发研制微灌设备产品。国家轻工总局在“八五”和“九五”期间都把微灌设备作为攻关项目正式立项，加大了开发研制投资力度，使微灌设备产品质量和配套水平大幅度提高。微灌生产企业已发展到了30多家。在水利部有关部门的组织领导下制定了微灌产品和工程技术规范行业标准，使微灌工程建设与运行管理逐步走向规范，为我国稳步健康发展微灌技术提供了设备技术和管理保证。“八五”期间微灌技术已被国家科委正式列为节能科技成果推广项目，我国的微灌技术已趋于成熟。
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1.2 我国微灌技术发展的主要业绩
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1.2.1 微灌设备产品的研制生产成绩显著
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形成了灌水器、管材与管件、净化过滤设备、施肥设备、控制阀及安全阀等装置五大类设备产品，配套比较齐全，品种规格多样化的微灌设备产品系列。
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（1）灌水器的品种规格不断增加，部分产品初步形成系列化。由第一代单一的管式滴头发展到微管滴头（含低压大流量滴头）系列、可调式滴头、孔口滴头、补偿式滴头等；由滴头系列产品增加到微喷头系列产品——旋转式、折射式、缝隙式、导流芯式及脉冲式微喷头；由人工在毛管间串接管式滴头和毛管上安装旁插式滴头拓展到微灌管带系列产品——双腔滴灌管、内镶式迷宫滴灌管、微孔渗灌管、双上孔滴灌带、单腔滴灌带、双腔滴灌带、内镶式滴灌带等。灌水器产品的品种型号规格初步形成多样化和系列化，功能显著增加，使其适用性更为广泛，为用户配套使用提供了方便。
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（2）管材与管件的材质及配方和工艺制造得以很大改进和提高，品种规格大幅度增加。管材的材质由单一的LDPE发展到PP和PVC等多种。管材的规格由第一代的10种管径，发展为从Φ4～Φ100mm等13种管径、20多种规格的产品。公称管径由单一的内径发展到内径和外径两种。管件结构和连接方式也有了很大的改进和扩展，由单一的内承插式管件增加了外承插管件和法兰等连接方式。管件的材质由单一的HDPE发展到PVC和ABS工程塑料等多种。管件品种规格由第一代的60多种发展到400多种。
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（3）净化过滤设备种类和品种规格取得了较大的进展。由第一代的立式铜筛网钢体过滤器两种规格发展到多种类型筛网式过滤器——全塑过滤器、不锈钢过滤器、自动反冲洗双筛网过滤器、叠片式过滤器等；由单一的筛网式过滤器发展到砂过滤器和旋流水砂分离器系列产品。为微灌工程首部枢纽净化装置增加了配套设备和选择性。
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（4）施肥设备产品种类有所增加。由第一代单一的压差式钢体化肥罐，发展到胶囊钢体化肥罐、开敞式施肥罐、文丘里施肥器、水力施肥泵等，品种规格已达到十多种。
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（5）控制调节阀和安全阀基本配套。微灌专用塑料球阀、专用施肥排污塑料阀的研制成功，填补了我国没有微灌专用塑料阀的空白，对微灌系统防止堵塞创造了条件。水阻管及水阻接头、脉冲发生器、压力流量调节器等产品的研制成功，为微灌管网系统提高灌水均匀度，简化管网设计计算，降低造价等发挥了重要作用。各种进排气阀和调节装置为微灌系统安全运行提供了保证。
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（6）微灌工程用自动化控制装置的研制成功和应用。微机和单板机等自动控制监测系统装置，已在某些微灌工程中试验应用，初步显示出微灌采用自动化管理系统的优越性和先进性。但国内在这方面的开发研制尚处于低水平阶段。
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1.2.2 微灌应用试验研究成果丰硕
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微灌技术引进以来，分别对大田粮食作物和果树、蔬菜、花卉、药材、园林、苗圃、绿地等经济作物进行了大量的滴灌、微喷灌、小管细流灌、渗灌等试验研究。取得了一大批科技应用成果，并得到了大面积的应用推广。据不完全统计，全国各种微灌学术交流会、座谈会收到的论文达400多篇；在各种学术刊物上公开发表论文达数百篇；出版了《果树滴灌试验研究论文汇编》、《微灌论文专辑》等。先后编著出版了《果树滴灌》、《滴灌工程技术指南》、《实用滴灌技术》、《微喷灌及其在生产中的应用》、《滴灌设备与滴灌系统规划设计》、《微灌工程技术》等一批微灌专著与培训教材。为我国推广应用微灌技术和普及传播微灌科学知识发挥了重要作用。
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1.2.3 微灌工程系统管网计算理论与设计方法的研究成果突出
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在对国产微灌设备产品性能进行全面测试掌握了水力学参数的基础上，对微灌工程管网水力学进行了较为系统全面的测试试验，对微灌设计理论和设计方法进行了深入的研究与总结。微灌系统设计的关键是保证及提高灌水均匀度和运行安全可靠又经济合理。首先是对微灌管网末级的毛管进行精确的水力计算，包括毛管进水口工作压力的计算和采取消能措施对支管和毛管水头损失的合理分配、毛管的允许水头偏差、毛管允许最大长度计算及干支管采用的分段变管径设计手段等；其次是对各轮灌组干管压力的平衡计算与复核调整。从过去的经验估算提高到理论性量化计算，形成了我国微灌系统设计的特点。经过实际工程考核和验证，证明了其设计方法的正确性，提高了我国微灌系统的设计质量水平，并降低了工程造价。另一方面，采用计算机编程手段编制微灌工程管网系统设计程序软件，大大提高了工程设计质量水平和设计效率。
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1.2.4 微灌工程面积持续发展宏观经济效益显著
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根据多次统计和估算，到目前累计全国建设微灌工程面积约为16万～20万hm2（240万～300万亩），其中正常运行的工程面积约为10万hm2左右，主要是北方地区果树滴灌，南方柑橘、茶园微喷灌，大中城市保护地蔬菜花卉滴灌、草坪、苗圃、园林、微喷灌，西北严重干旱缺水地区大田作物的集雨工程滴灌等。全国29个省（直辖市、自治区）都在持续发展微灌，其中山东省面积最大，居全国第一位。微灌工程投资还本年限短经济收益快。蔬菜、花卉微灌当年即可还本盈利，果树微灌1～2年内可还本盈利，移动式大田粮食作物滴灌2～3年内也可还本盈利。如全国微灌工程面积仅按10万hm2使用5年计算：5年内共节水15亿m3；节电1500万度（2度/[亩·年]），省工1500万个（2个/[亩·年]），增产果、菜、粮等37.5亿kg（500kg/[亩·年]），增收37.5亿元（500元/[亩·年]）。概言之，应用推广微灌技术无论是经济效益还是社会效益都是非常显著的。
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1.2.5 完成了微灌设备性能测试及选型设计与部分微灌设备产品和工程行业标准的编制任务
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早在1987年，针对我国尚无统一的考核微灌设备产品质量技术行业标准，为促进国产设备提高产品质量和提供检测考核技术依据，由原水电部和轻工部下达任务，组织水利、农机、轻工塑料等有关科研、大专院校与生产企等单位对国产主要微灌设备产品进行统一测试和选型设计，通过有关专家和科技人员7年的努力工作，完成了《微灌设备产品检测及选型》任务。编制了《微灌灌水器》、《微灌用筛网过滤器》、《微灌工程技术规范》等6个中华人民共和国水利行业标准，于1994年批准发布实施。为提高和检测我国微灌设备产品质量提供了技术标准依据，为促进和保障我国微灌工程建设质量起到了重要作用。
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1.2.6 举办微灌技术培训成绩斐然
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20多年来，在原水电部和水利部主管部门领导的关心和大力支持下，水利、农业等科研单位、大专院校和各省市区县水利等部门，在全国各地举办了不同层次、不同专题内容的各种微灌技术培训班。从微灌技术应用推广需要出发，有针对性的举办了各种形式的微灌技术管理骨干培训班、微灌工程规划设计培训班、微灌工程施工安装和运行管理培训班，培养了一大批从事微灌技术推广管理及工程设计骨干和微灌工程安装及运行操作人员，为我国应用推广微灌技术和工程正常运行管理及维修提供了人材保证。近几年来，培养出了一批微灌专业硕士和博士，为我国微灌技术向更高层次发展做好了人才补济。
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1.2.7 举办全国性学术交流活动推动了我国微灌理论学术水平的提高
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自1975年以来，召开了全国性的微灌技术座谈会、学术交流会、经验交流会、专题学术研论会等10多次，出席会议者近千人次，提供和交流学术论文及经验总结报告等约500多篇，为我国微灌技术及学术水平的提高起到了极大的推动作用。
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1.2.8 参加国际微灌学术交流与外国微灌设备产品进入我国市场，促进了我国微灌技术的发展
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从1982年我国参加了国际灌排委员会，并成为世界微灌组织成员之一，我国微灌界开始参加国际学术交流。十多年来已有美国、日本、以色列等国数十位外国微灌专家教授来华访问、讲学，我国派团参加了第三、四届国际微灌会议，先后选派技术人员赴日本、美国、以色列、意大利、澳大利亚等国进行访问、考察，学习国外的先进微灌技术，开阔了眼界，学有所成。通过不同渠道和方式引进国外的成套微灌设备与技术，进行应用试验，取得了良好效果。通过多次举办国际农业机械水利灌排技术博览会，为我国微灌界参观学习与技术交流提供了良好机会，也为赶超世界微灌设备和先进技术水平受到启发和鼓舞。近几年来，以色列、美国、韩国等国家的一些公司在华设立办事处或委托代理商销售微灌设备产品，国内有的公司也直接经销进口微灌设备，此举既是扩大我国用户选用微灌设备的机会，又可直接与国产设备产品进行对比，一方面是起到了促进国产微灌设备产品质量的提高，另一方面也是对国产微灌设备产品的竞争和挑战，特别是国外园林灌溉设备产品目前几乎还垄断着我国市场。从而必将激发我国微灌设备生产企业的竞争意识，奋起直追，努力提高产品性能质量，力争立于不败之地。
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1.3 对我国微灌技术总体水平的基本评价
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综上所述，20多年来，我国微灌技术在引进学习吸收外国先进技术的基础上，从无到有，从少到多，从初级发展到中级，为我国今后微灌技术向高层次发展和更大面积应用推广创造了物质技术基础，积累了丰富的经验。
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目前，我国微灌技术的总体水平，已从20世纪80年代的初级阶段发展和提高到中级阶段。其中，部分微灌设备产品性能水平已达到20世纪90年代初期与中期的国际先进水平，大大缩短了与国外微灌设备产品的差距；某些微灌设备产品的质量比国外同类先进产品仍存在着较大的差距；在微灌工程首部设备组装配套和自动控制装置方面存在着更大的差距。对此应引起我国微灌界特别是微灌设备产品生产企业和水利、轻工、农机等主管部门的高度重视，制定总体发展目标，缩小与先进国家的差距；在微灌工程的设计理论及方法已接近或进入世界先进行列；在微灌设备产品和微灌工程技术规范水利行业标准编制水平，特别是条款的逻辑性、严谨性和可操作性等方面，已跃居世界领先水平。当然还有待于进一步完善和提高。
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2.我国微灌技术发展中存在的主要问题
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2.1 微灌设备产品生产与研制中存在的主要问题
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2.1.1 产品品种规格少系列化欠缺和配套水平低
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（1）内承插和外承插连接件存在着规格不齐全，配套水平低的问题。如四通、三通和变径接头尚无突变件，比如从Φ50变径到Φ25时，需要从Φ50到Φ40，再从Φ40变到Φ32，然后再由Φ32变到Φ25，得经过三次变径连接，这样给用户造成使用安装不便，并增加管件用量和投资；Φ50以上的内承插管件易断裂漏水，主要是结构不合理，材质差，强度低，加工粗糙。这一普遍问题应该引起有关生产厂家的重视和改进。
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（2）微灌输水用主管道PVC管材质量没有保证，性能不稳定。其主要原因是一些企业为了打价格仗，而降低生产标准，以次充好，坑害消费者，给国家和用户造成了很大的经济损失。还存在着PVC管材与LDPE管材连接配套的管件问题，目前还没有一家企业生产制造，因此给施工安装造成极大不便。
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（3）塑料球阀、压力流量调节器、排气阀等品种规格少，都没有形成系列化，产品单一，材质差，而且加工粗糙，品位低。
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（4）过滤器和施肥罐产品品种规格少，技术含量低，缺少创新意识。十多年几乎仍是沿袭着老一套图纸模式加工制造，结构简单，内密封性差。大型过滤器和大容积化肥罐等装置尚属空缺。
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2.1.2 灌水器产品质量不稳定部分产品质量差
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有些厂家生产的灌水器流量不稳定，制造偏差大，不符合《微灌灌水器》水利行业标准。如2000年第一季度，水利部两个检测中心抽检了3种样品，只有一种合格，合格率仅为33.3%。
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2.1.3 微灌专用防锈耐磨水泵产品仍属空白
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由于微灌系统是小水勤灌，使用频繁，水泵连续运转时间长，一般水泵叶轮极易生锈和磨损，给微灌堵塞造成隐患。因而急需开发微灌系统专用防锈耐磨水泵系列。
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2.2 微灌工程建设与使用管理中存在的主要问题及原因分析
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2.2.1 微灌工程使用寿命短报废停用多的问题及原因分析
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我国微灌工程长期存在着一边建一边丢的现象，即存在着使用寿命短报废停用多的大问题。据了解，全国连续使用寿命在15年以上的微灌工程屈指可数，使用在10年以上的也只是占少数；一般工程使用寿命多在3～9年。
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造成微灌工程使用寿命短损坏报废停用多的原因很复杂，主要有以下几个方面：
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（1）由于对微灌技术和工程建设的片面认识造成的。一是对微灌灌水器易堵塞的弱点认识不足而忽视；二是片面追求和降低微灌工程投资造价，因而盲目过分简化微灌工程首部枢纽配套关键设备——灌溉水净化过滤设备装置，为工程正常运行和灌水器堵塞造成致命隐患。
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（2）工程管理组织制度不健全和运行维修等管理水平低。
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（3）微灌设备产品质量参差不齐和工程设计不合理。
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（4）由于农业生产体制的改变而工程管理体制未跟上，造成人为破坏。
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2.2.2 微灌面积发展缓慢比重太小的问题及原因分析
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我国现有四类工程节水灌溉技术，即防渗渠道输水地面灌溉技术（简称防渗渠灌）、低压管道输水灌溉技术（简称管灌）、喷灌技术、微灌技术。我国目前四类工程节水灌溉总面积约为1538万hm2（2.3亿亩），其中：防渗渠灌面积867万hm2（1.3亿亩），占56.4%；低压管灌面积520万hm2（7800万亩），占33.6%；喷灌面积137万hm2（2550万亩），占9.11%；微灌面积14万hm2（210万亩），占0.9%，尚不足1%，仅为喷灌面积的1/10。四者相比，现有微灌面积和所占比例及宏观作用实在太小了。
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从我国北方地区气候干旱等特点，农业灌溉严重缺水；从果树面积大而且多分布在山区丘陵坡地，多无灌溉设施；蔬菜种植面积相当可观，特别是大中城市郊区保护地蔬菜、花卉、药材、园林、绿地、苗圃；南方的茶园；还有西北地区地多水源奇缺的大田粮棉等作物对灌溉的需求，而根据微灌技术的特点和优势，都更适宜采用微灌。从我国经济发展支持农业的实力和农民生产收入水平来看，也比1986年以前，特别是1991年以来已大大增强；再从微灌设备产品质量和配套水平状况看，已具备大面积发展微灌的能力。总之，从需要和可能两个方面综合分析，我国微灌发展的面积应该比目前仅有的14万hm2大几倍才属于正常发展状态。
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2.2.3 忽视灌溉水质净化处理微灌工程首部枢纽设备配套过于简化
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我国微灌灌溉用的水源，有地表水——河水、湖水、小塘坝水等，水质成分复杂，含有机悬浮物、泥沙、菌类、铁等金属氧化物等；地下水——泉水、井水等，也含有一定的泥沙和金属氧化物等沉淀物。这是造成微灌灌水器堵塞影响微灌工程使用寿命的致命点之一。因此，微灌用灌溉水在进入管网系统之前，必须进行严格的净化处理。据了解，我国以往兴建的微灌工程的首部枢纽设备配套大多忽视了这一重要环节，即过于简化净化过滤设备装置，显然是不合理的。其次，首部枢纽设备的各连接管件、阀门仍多使用钢铁制件，极易产生铁锈沉淀物。加之使用中对过滤设备清洗排污不及时或操作不当，以致造成筛网损坏失效，维修更换又不及时，造成微灌系统毛管及灌水器等堵塞，最终导致工程报废。
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2.2.4 微灌的施肥功能多未利用而大大降低了微灌省肥省工的优势
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据了解，我国目前微灌工程的首部枢纽尽管都设计安装了施肥罐等装置，但大多数微灌工程首部枢纽的施肥罐装置却不使用，形同虚设，成了“聋子的耳朵——摆设”，因而大大降低了微灌同步施肥灌水的特有功能和省肥省工的优势作用。其主要原因是：对微灌同步施肥灌水特有功能不完全了解和认识，更主要的是以农民为主体的微灌用户仍默守灌前手工追施化肥后再灌水的旧习惯。就微灌而言，这种落后的先追肥后灌水的“分解操作”的旧习惯应该彻底改正了。
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2.2.5 节水灌溉工程建设的审查监督机构不健全
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近几年国家和地方政府都加大了对微灌等节水灌溉工程的投资力度，但由于节水灌溉工程建设的审查监督机构不健全，常常资金不能及时到位；即使资金到位，有些地区却不能专款专用，仅搞一些“面子工程”应付上级检查，甚至搞虚假工程，把节水专用款挪为它用。必须加强这方面的领导和管理，严把规划设计关，由权威部门审查批准，实施“三制”工程建设，实行政府采购制度，确保节水灌溉资金用到实处。
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3.对我国2010年底微灌技术发展的预测和若干建议
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3.1 微灌设备产品的主要发展方向和开发研制建议
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3.1.1 微灌设备产品的主要发展方向
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提高微灌设备产品技术总体质量水平和微灌首部枢纽设备的配套水平，开发新产品和扩大品种规格，实现产品系列化、标准化、通用化。在产品档次上，坚决消除低档产品和以次冲好的现象，中、高档产品并存。为用户提供在不同作物不同土壤不同地区不同经济条件下对微灌设备产品的需求保障，确保我国微灌事业健康稳步地发展。同时努力开拓国际市场，力争占有一席之地。
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3.1.2 微灌设备产品的改进与开发的十项建议
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（1）灌水器类：一是滴灌管和薄壁滴灌带与多孔微喷软管等新产品开发与质量提高，特别是内镶式补偿滴灌管和重力滴灌管，国内尚属空白，应抓紧开发研制，尽快投入市场。由于滴灌管将滴头和毛管融为一体制造省去了用户安装工序，又简化了对毛管的计算，提高了微灌的均匀度，尤其是薄壁微灌带的售价低，深受用户欢迎，特别适于保护地蔬菜、花卉等经济作物的灌水使用。应在提高和确保质量的前提下，保证市场供需平衡。二是对现有的三种微喷头——折射式、旋转式和缝隙式，应增加品种规格，形成系列化产品，进一步改进产品结构和提高部件耐磨性和抗老化性，延长使用寿命。
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（2）增加四通和增补突变变径管件，改进内承插管件两端倒刺圈数，增强连接牢固性，采用加厚或加筋结构，提高弯头、三通、软螺纹接头和旁道基部强度。
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（3）改进筛网过滤器的内密封件结构，限期解决其密封性差的技术问题；增加各类过滤器产品规格，开发更新换代新产品，实现系列化，形成大、中、小规格系列化，提高配套水平。
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（4）开发专用储肥装置等新产品，增加大容积施肥罐产品，尽早形成大、中、小规格系列化。
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（5）增加塑料球阀产品规格和改进结构，提高加工制造精度和密封性能，实现与现已定型的管材规格合理配套。
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（6）增加压力流量调节器新产品规格，至少在Φ50mm范围形成系列化产品。
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（7）PVC管材管件应严格执行已发布的现行行业标准生产制造，不得偷工减料，以次充好。并应尽早开发研制PVC管与LDPE管连接的配套管件。
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（8）发泡微孔橡塑渗灌管的研制攻关。橡塑微孔渗灌管是一种最新微灌产品，该产品属高科技产品，技术含量高，制造工艺特殊。近几年来，美国、法国、日本等一些发达国家和我国几家企业都正在研制开发该产品，从目前看已取得了较大进展，并小批量投入市场应用试验。从试验结果看，解决渗灌管的渗水流量的稳定性及均匀度和确定使用寿命度是主要攻关目标。
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（9）微灌专用耐磨防锈水泵新产品的研制攻关。主要是水泵叶轮等部件喷涂高强度耐磨材料，达到防止水泵生锈和延长使用寿命。
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（10）园林喷微灌产品的开发研制。鉴于园林灌溉在我国方兴未艾，前景广阔。目前国内还没有一家园林微灌产品的开发研制生产高品位园林专用喷头和微喷系列产品。特别是地埋式伸缩喷头，技术含量高，制造工艺复杂，为了不走弯路，缩短开发研制周期，建议引进国外先进技术及工艺设备或与国外企业合资，高起点研制生产该产品。微灌工程自动控制站也应走引进开发之路。
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3.1.3 关于管件与管材连接承插方式问题的研讨建议
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针对目前我国微灌管件和管材的连接方式绝大多数为内承插式以及管件结构质量存在的严重问题，而国外却已基本不采用内承插连接方式的实际情况，建议微灌学组邀请主要微灌设备生产厂家和有关专家进行专题研讨，提出方案，上报水利、轻工等主管部门，尽早制定和采取有效措施计划，限期解决，尽可能与国际接轨。
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3.2 我国微灌技术应用推广的发展方向和预测
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3.2.1 因地制宜，扬长避短的科学应用推广微灌技术
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在应用推广微灌技术具体选择微灌方式时，必须注意以下6个方面：
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（1）微灌技术与其他几种节灌技术相比较，具有的优点和缺点，这是在应用推广微灌技术时必须首先要搞清楚和掌握好的问题；
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（2）水资源情况和水源水质条件；
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（3）地形地貌和土壤质地类型；
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（4）作物类型与种植方式；
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（5）生产与经营管理条件和经济水平状况；
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（6）采用微灌的经济效益指标计算分析比较。
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3.2.2 对我国微灌技术应用推广与发展的分析与预测
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据资料，我国果树面积865万hm2，且主要分布在丘陵山区和坡地，大多尚无灌溉设施；蔬菜面积1129万hm2，其中仅温室、大棚蔬菜栽培面积为30万hm2，南方茶园面积108万hm2。以上三项面积合计为2102万hm2。还有棉田420万hm2。近几年来大中城市新发展起来的园林、花卉、绿地、苗圃等还有相当大的市场。西北干旱地区严重水土流失需要治理和营造防护林的面积更是相当可观。上述各类面积累计至少在4000万hm2以上。这些作物和地区的灌溉，微灌更适用也最能发挥优势。因此，笔者认为：微灌在我国大有用武之地，前景十分广阔，并且随着时间的推移将会有更大的发展。如仅按果树、蔬菜、茶园、花卉、园林、绿地、苗圃等面积2000万hm2的1/10发展微灌面积，即为200万hm2；如按上述4000万hm2的1/10采用微灌，面积即为400万hm2，其发展前景及宏观效益显然是十分可观的。照此预测：如各项工作跟得上，我国到2010年底，累计发展微灌面积可能会达到100万～120万hm2。
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3.2.3 我国微灌技术应用发展的主要作物对象
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第一类 果树类：苹果、梨、桃、葡萄、板栗、杏树，柑橘、猕猴桃等；蔬菜瓜类：茄子、番茄、柿子椒、油菜、芹菜、莴笋、黄瓜、西瓜、甜瓜、香菇、苹菇、金针菇等；花卉类：月季、唐生蒲、百合等；药材类：西洋参等；园林、绿地、苗圃、南方茶园；
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第二类 大田棉花等经济作物；
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第三类 西北严重干旱缺水的集雨农业地区农户小面积的大田粮油作物等。
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3.2.4 微灌技术应用发展的重点地区
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根据近几年来国务院、水利部有关把节水灌溉作为一项革命性措施来抓的布署要求精神，考虑到我国经济发展状况和国家扶持力度等综合条件，以及微灌技术自身的优势和优缺点等，我国微灌技术应用发展的重点地区：一是北方严重干旱缺水的丘陵山区坡地，包括水土流失严重而急需治理的地区；二是大中城市及乡镇经济与农业生产较发达的地区等。
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3.3 加大微灌技术应用理论研究攻关力度，深入开展科学试验研究
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3.3.1 微灌设备产品水力学试验研究
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对灌水器、管材、管件及其配套设施等水力学的测试研究，为研制新产品的水力学设计和微灌工程管网设计提供理论依据和重要参数。
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3.3.2 微灌系统管网设计方法及理论研究和工程设计软件的开发
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微灌工程管网设计比管灌、喷灌复杂，随着新产品的不断增加，设计理论研究也应进行深入研究；近几年来虽已开发了一些工程设计软件，但很不完善，亟需深入开发研究，实现软件的通用化和商品化。
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3.3.3 微灌田间试验的深入研究
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（1）各类作物微灌需水规律及灌溉制度的试验研究；
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（2）干旱地区大田作物采用微灌抗旱稳产灌溉制度的试验研究；
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（3）不同微灌方式（滴灌、渗灌、微喷灌、小管细流管）在土壤中水盐运动规律和对田间小气候影响机制的试验研究；
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（4）微灌系统同步定量施肥方法与机制的试验研究；
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（5）无土栽培采用微灌施用营养液方法的试验研究：包括大型储肥灌的使用和营养液配制及浓度调节和使用量等；
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（6）在治沙与护坡工程中采用滴灌种植固沙作物和护坡作物的试验研究；
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（7）防止微灌灌水器堵塞综合措施的试验研究、主要包括净化设施、水质处理、灌水器结构与应用管理方法等；
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（8）自控装置在微灌工程中应用的试验研究。
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3.4 加大微灌产品的检测力度确保上市产品质量合格
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要严格执行已发布的《微灌灌水器》、《微灌用筛网过滤器》等水利行业标准。首先是企业生产的微灌产品在出厂前必须认真进行“出厂检验”，不合格产品不得出厂上市；第二，充分发挥水利部两个检测中心的检测和监督职责，对当年生产的产品每年至少统一进行一次检测，报上级主管部门，并在《中国水利报》等刊物上公布检测结果，对不合格产品及生产企业予以暴光。对研制的新产品必须进行“型式检验”和中试，不合格产品不得鉴定，更不能上市销售；第三，鼓励用户监督。对不合格产品用户有权退换并由售出企业赔偿检测费和运费等经济损失。
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3.5 打破自家产销的旧模式，倡议筹建节水灌溉工程设计院所和节水灌溉设备大市场
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目前我国微灌设备产品多是生产厂自家产销分散经营的旧模式，为了促进本厂的产品销售，虽增加了工程设计和设备安装等售前售后服务项目，但鉴于微灌工程是一个包括水泵、动力、管网布置、系统控制及水力计算与灌溉制度制定和土建施工、设备安装及运行管理等一个综合性系统工程，涉及水利、塑料、机械、自动化、农业等多学科，需要各种专业技术人员参与方能胜任。因生产企业主要是把精力放在生产销售方面，工程设计往往达不到《微灌工程技术规范》的要求。这种“小而全”或“大而全”的经营模式，极不利于厂家集中精力提高产品质量和技术革新。目前我国尚没有一家为用户提供全套微灌设备产品和工程设计与施工安装及运行管理等全方位服务的节水灌溉工程公司，也没有一个专门为节水灌溉工程服务的工程规划设计院所。水利部汪恕诚部长在2000年3月召开的中国水利学会第七次全国会员代表大会讲话中强调指出：全国要搞专门的节水工程设计院所。并提出节水工程不是很简单的，需要有专门的设计部门去设计。最近中国灌排技术开发培训中心已领取了建设部颁发的乙级节水工程设计证书和收费资格证书，目前正筹备成立节水灌溉工程联合设计院。2000年10月全国第一家节水灌排物资交易市场已在郑州上街市正式挂牌成立。这些举措对规范我国节水灌溉产品市场价格及产品供应和承包工程设计施工中已初见成效。为适应全国节水灌溉发展形势和充分满足用户需求，我们倡议筹建节水灌溉工程设计院所和设备大市场。在经营体制上可采取股份制，即产品、工艺、设备、技术、资金等入股形式，形成国营、集体、个体等多种所有制。
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3.6 修编和新编微灌设备产品和水利工程技术行业标准
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3.6.1 修编和新编微灌设备产品水利行业标准
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现有的5个微灌产品及试验方法等水利行业标准已实施5年有余，需要修编；微灌用PE管材与管件水利行业标准，前期虽已作了大量工作，但至今没有正式审定与发布实施；PE管材、管件目前国内是按内承插和外承插两个系列制造生产的，给用户配套使用带来诸多不便，又不利于与国际接轨，为此应在21世纪初期编制出管材与管件水利行业标准。根据目前微灌设备产品种类的大量增加，急需新编水利行业标准，诸如旋流水砂分离器、砂过滤器、全塑筛网过滤器、叠片式过滤器、压差式化肥罐、施肥器、塑料球阀、排气阀、流量压力调节器及园林地理式伸缩喷头等约10多个标准，均应尽早完成。
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3.6.2 修编和新编微灌工程技术行业标准
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已发布的《微灌工程技术规范》标准也已实施5年，其中有些内容已不适用，需要修改和补充新内容。根据微灌工程设计和建设中存在的诸多问题，为了确保今后微灌工程设计质量和规范市场，建议新编《微灌工程设计技术规范水利行业标准》和《微灌工程设计、施工安装收费标准》。
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3.7 加大微灌工程建设投资力度调整水费政策调动用户应用微灌的积极性
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3.7.1 对新建微灌工程投资采用扶植政策
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微灌工程投资一般为6000～15000元/hm2（粮食作物移动式4500元/hm2、果树半固定式6000元/hm2、固定式1200元/hm2、温室滴灌18000元/hm2左右），由于微灌工程一次性投资较大，对经济条件较差收入低的地区，特别是贫困地区农户，新建微灌工程投资难度更大。为此建议：国家和地方政府采用扶植政策，即国家和集体无偿补助1/2～2/3，农户自筹1/2～1/3，或采用一次性奖励办法给农户。
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3.7.2 调整节水灌溉水费价格
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鉴于微灌在各项节水灌溉工程中最省水等特点，建议各级水利主管部门适当调整水费价格，向节水灌溉特别是微灌倾斜，即采用累进水价制，按年灌溉定额分档次制定水价。这样做肯定会起到鼓励用户主动采取微灌的积极性。
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3.8 加大微灌工程管理体制改革力度
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鉴于我国目前多数单项微灌工程规模面积不大，水源工程小的实际情况，一是将小型微灌工程下放归用户所有；二是将所有制和管理制分离，即采用工程投标承包方式，承包给有管理经验的农户管理。签订承包合同，明确责权利和承包年限，给承包户吃下定心丸。采用上述两种办法是保证微灌工程正常运行延长使用寿命不可缺少的重要措施，又可为国家和集体节约大量工程管理费用。
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3.9 加大微灌知识普及宣传教育和技术培训力度
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3.9.1 编印普及微灌技术知识小册子
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编印《滴灌》、《微喷灌》、《地下滴灌》、《膜下滴灌》、《小管细流灌》、《渗灌》等一系列小册子。编写时应注意做到：图文并茂，深入浅出，通俗易懂。建议由水利部农水司和国际合作科技司主编，微灌学组负责组织有关水利科研、大专院校和生产厂家与有经验的离退休微灌专家进行编写，出版经费由水利部主管部门给予支持，有关生产企业及公司予以赞助解决。
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3.9.2 继续办好《节水灌溉》和《微灌信息》等刊物
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继续办好《微灌信息》增加出版次数和份数，撰写普及宣传微灌基本知识和我国微灌发展的新动态，在《中国水利报》、《中国农民日报》、《花卉报》等刊物上刊载，利用电视等媒体宣传普及微灌技术，使微灌技术深入亿万农户，家喻户晓。
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3.9.3 继续办好微灌技术培训教育
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举办不同层次的微灌技术培训班。为我国微灌事业稳步发展培训各层次人才和管理人员。
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我们坚信：我国的微灌事业，有国务院的关心重视，有水利部等有关主管部门的领导的大力支持，有全国微灌技术人员和生产经营企业的努力开拓进取，我国的微灌面积到2010年底将会名列世界第一。
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鉴于笔者对微灌技术研究和应用实践认识水平所限，对我国微灌状况了解的不够全面，文中难免出现偏见甚至错误，所提建议或看法也可能有不妥之处，因此仅供参考。
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参考文献
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[1] 水利部等.有关“把节水灌溉作为一项革命性措施来抓”等指示文件.1997—1999
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[2] 农田水利及农业水资源高效利用专题调研组.农田水利及农业水资源高效利用调研报告.1999.8
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[3] 傅琳.微灌技术发展中的问题.节水灌溉.北京：中国农业出版社，1998.7
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[4] 董文楚.我国微灌系统首部枢纽现状.节水灌溉.北京：中国农业出版社，1998.7
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[5] 刘云发.大田作物滴灌的研究与应用.节水灌溉.北京：中国农业出版社，1998.7
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[6] 傅琳.我国微灌技术发展现状与展望.1989.10
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[7] 中国水利报，人民日报，光明日报，节水灌溉，中国农村水利水电等有关文章.1995—1999
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[8] 1997年中国农业年鉴.北京：中国农业出版社，1998
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[9] 微灌学组.我国微灌技术发展现状.1992.10
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我国喷微灌器材（设备）现状及原因分析
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1.基本情况
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1999年的产品质量抽查，是对喷微灌设备的第一次全国性抽查，抽查的企业分布于北京、河北、山西、辽宁、吉林、黑龙江、上海、江苏、浙江、山东、福建、河南、湖北、广东、四川、陕西等16个省（直辖市）。其中国有企业11家16种产品，集体企业8家12种产品，股份制企业9家13种产品，私营企业2家3种产品，合资企业5家6种产品。
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试验用样品由两中心派人赴企业随机抽取，在到达企业之前，对企业保密。因此，此次抽查具有较好的公正性。
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抽查的喷微灌设备包括：铝合金喷灌管、喷头、PVC管及管件、LDPE管、软管、微灌灌水器、微灌管（带）、过滤器8个大类，均系喷微灌工程中常用的设备。
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2.抽查的技术指标
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抽查的技术指标见表1。表中，A类指标有一项不合格，即判该产品不合格；B类指标有2项以上（含2项）不合格，判该产品不合格。
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表1 1999年第二季度全国喷微灌设备抽查内容一览表
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3.抽查结果
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3.1 按产品分
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在全部50种样品中，合格的39种，合格率为78%。详见表2。
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表2 抽查结果（一）
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3.2 按企业类型分
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在全部35家企业中，合格企业25家，占抽查企业数的68.6%，详见表3。
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表3 抽查结果（二）
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4.我国喷微灌设备存在的主要质量问题
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4.1 铝合金管
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我国管道式喷灌系统以半固定式为主，移动管道一般采用铝合金薄壁管。近年来，铝合金薄壁管的质量不但没有提高，反而不断下降。主要表现在：
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（1）壁厚日益减少。按照我国有关标准（JB/T 7870-1997）规定，Φ65～90铝合金薄壁管的壁厚应为1.5mm，允许壁厚偏差为±0.18mm，即合格的壁厚应不小于1.32mm。此次抽查，除山西征宇喷灌机厂生产的Φ76球形连接喷灌管壁厚为1.35mm，符合JB/T 7870-1997要求以外，所有承插连接的铝合金管，壁厚均不超过1.0mm，最薄的甚至仅0.7mn^按照标准化法规定，企业可以自己制订生产标准，但必须遵循企业标准应高于（至少不低于）国家有关标准的原则。此次抽查，因为考虑到目前我国的实际情况，没有把壁厚作为一种抽查指标，如果把它列入A类抽查指标，仅此一项，承插式铝合金喷灌管均为不合格产品。
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（2）密封性和自泄性能差。我国第一代承插式铝合金管，在试验压力达到80kPa（8m水头）左右时，即能很好密封；在卸压至30kPa（3m水头）左右时，即能迅速泄掉管中积水。此次抽查的产品中，不少产品的试验压力达到80kPa时，仍有漏水或渗水现象；几乎全部产品在卸压后（压力为0）也不能迅速放尽管中积水。主要是橡胶密封圈的结构、配方及其与管子承口在配合上存在问题。
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（3）管件耐压性差。在耐压试验时，有的管件出现裂纹，有的管件发生渗水现象，这是铸件质量问题引起的。另外，管件与管子用环氧树脂粘接，使用时间一长，管件与管子分离现象严重，连接处也出现漏水现象。
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（4）结构落后。三通管用来密封竖管座的橡胶球，是非常关键的部件，要求软硬适中。早期产品竖管座是与管件固定死的，橡胶球的硬度是一个棘手的问题：从把它插入竖管座的角度考虑，它应小些、软些；从承压能力考虑，它应大些、硬些。后来，竖管座做成了方便体，这一棘手问题得以解决。但此次抽查，发现仍有企业按照老的工艺生产竖管座，结果在进行密封试验时，橡胶球从竖管座中被挤出。
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（5）挂钩架的问题。挂钩架一般是铸造的，设计时已考虑其内径与管子外壁的配合，因此，使用情况良好。但现在有不少企业用异型铝管作为原材料制作挂钩架。抽查时发现，由于异型管内径不能与铝管外径很好配合，在上紧挂钩的紧固螺栓时，挂钩架将铝管挤压变形，甚至挤破管子。
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4.2 喷头
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由于采用了新的生产工艺（如铝制喷头采用压铸技术），我国生产的喷头，质量比过去大大提高。由于抽查工作的时效性和经费问题，此次抽查没有把人们普遍关心的喷头使用寿命（耐久性）作为抽查项目，所有喷头均通过抽查，合格率为100%。但并不是说喷头质量没有问题，如塑料喷头的耐水压性能差；喷嘴直径不能按有关标准生产，互换性差；一些企业由于没有必要的试验技术和条件，他们提供的技术参数与实测值相差较大。
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值得指出的是，喷头的质量，远没有此次抽查所显示的那样好。关于这方面的原因，将在下文中说明。
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4.3 PVC管
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PVC管是我国半固定管网式喷灌系统中常用的管材，此次抽查10个企业的10种PVC管材，不合格的4种，合格率为60%。这仅是因耐水压试验未通过被判为不合格的情况。如果把连接密封性也包括在内，则合格率仅为40%。据轻工部门有关专家说，这一抽查结果基本反映了我国PVC管的质量情况，可见我国PVC管的质量问题非常严重。主要存在问题有：
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（1）耐压性能差。按照国家标准GB/T10002.1-1996的要求，PVC管在试验温度为20℃，管材的诱导应力为42MPa，保压1h的条件下，无破裂、无渗漏，才算通过耐水压试验，而抽查结果表明40%的管材达不到这一要求。原因是：①壁厚达不到要求，如Φ110压力等级为0.6MPa的PVC管，标准的壁厚应为3.2～3.8mm，但有的企业生产这一规格的PVC管，壁厚仅2.9mm；②添加过多的回收料或配方不合理，因此，有些PVC管壁厚虽超过标准值很多，但仍未通过耐水压测试。
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（2）扩口端的问题。一端扩口用密封圈密封的PVC管，有安装方便和使用性能好等优点，我国的许多大型企业和合资企业，大量生产这种形式的PVC管。但此次抽查，这种形式的管子有2/3因试验过程中扩口部分破裂，没有通过密封试验。大家知道，在使用同一种材料制作的情况下，管材的壁厚与管径密切相关，管径越大，管壁越厚，用公式表示则为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中e0——管材的最小壁厚，mm；
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D——管材外径，mm；
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[σ]——管材的许可应力，MPa；对于PVC来说，[σ]=10MPa（我国国家标准）或12.5MPa（国际标准）；
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P——管材标称压力，MPa。
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此次抽查中，密封性能被判为不合格的产品，就是因为扩口后扩口部分变薄导致试验时扩口处破裂。如某企业按国际标准生产的0.63MPa级的Φ110PVC管，扩口处最大外径达到137mm，按上式计算，该处壁厚至少应为3.4mm，但在扩口时，因直径变大而管壁变薄，所以此处实际壁厚只有2.3mm，远小于应有的壁厚，当然不能承受试验压力。
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值得注意的是，大型企业生产的PVC管数量远多于中小型企业，由于大型企业生产的PVC管不同程度地存在质量问题，因此，如果从总的生产数量考虑，PVC管的合格率比此次抽查结果还要低得多。
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4.4 微灌设备
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（1）微喷头和滴头。此次抽查的共有3种，其中有2种不合格，合格率仅为33.3%。被判为不合格的理由是制造偏差超标，有的滴头根本不出水。产品质量差的原因是企业技术力量弱，没有像样的产品质量检验体系和质量保证体系。
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（2）微灌管（带）。抽查2个企业的2种产品，均合格。说明我国微灌管（带）生产水平有较大的提高。但要说明的是，抽查的两种微灌管（带），均为带有灌水器的产品，目前在市场出售的那种直接在带上打孔的微灌带，质量问题仍较突出。
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（3）过滤器。抽查2种筛网过滤器，均因内密封性差被判为不合格。原因是密封形式不好——2种过滤器均采用端密封的方式。端密封是一种“面密封”，对密封部位的工艺要求高于线密封，它是靠外力挤压来达到密封的目的，此次抽查的2种过滤器，有一种的密封圈出厂时已被挤压变形。由于端密封结构相对简单，所以绝大部分企业都采用这种密封形式，但密封效果较差。过滤器是微灌系统清洁灌溉水的不可缺少的部件，我国微灌工程因堵塞而被破坏的事故经常发生，与过滤器内密封性差有很大关系。
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5.喷微灌设备质量问题原因分析
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5.1 牺牲产品质量，进行价格竞争
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以铝合金管为例，企业不按照有关标准的要求生产，其中以壁厚没有达到要求最为突出。
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薄壁管材的壁厚，不但应满足强度的要求，而且应满足刚度和其他一些使用要求。JB/T 7870-1997规定的铝合金管壁厚要求，主要就是按照管材的刚度要求做出的，从下面两个方面可以说明这个问题：
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（1）按照该标准中规定的试验压力1.28MPa进行耐水压试验时，对于外径为60～90mm、壁厚为1.5mm的管材来说，管壁的环向应力分别为27.1～37.8MPa，远小于铝合金管材的许可应力。
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（2）我国喷灌系统中常见的喷头，绝大多数工作压力小于0.4MPa，而JB/T 7870-1997规定的铝合金管，其压力等级却是0.8MPa，似乎与喷头的工作压力不配套。实际上，如果设置0.4MPa压力等级的铝合金管，按刚度要求，其壁厚仍要达到0.8MPa这一压力等级的水平。因此，没有必要设置小于0.8MPa这一压力等级。
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为了说明壁厚对管材刚度的影响，在进行压扁试验时，测试了压扁程度与所施加的外力的关系。试验结果表明：若设壁厚为1.5mm时施加的外力为1，则壁厚为1.0mm时，施加的外力不足0.5；壁厚0.9mm时，施加的外力不足0.4。这说明，当壁厚减少时，管材刚度急剧减小，所以插口易在搬运过程中碰撞变形，造成连接处漏水，影响使用效果。
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企业牺牲产品质量，减少管材壁厚，从而降低售价，进行价格竞争，实际上吃亏的仍是用户。因为当壁厚减少时，加工铝合金光管的废品率会提高，分摊到每根管子上的加工费随之提高。据调查，当壁厚从1.5mm减小到1.0mm时，铝材用量减少了1/3，但光管售价仅下降10%～15%，成品管的下降幅度就更小。
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5.2 企业业务水平低，缺乏必要的质量保证体系
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不少企业缺乏相关的技术和知识，只是模仿另外一些企业的产品，而并不去深入研究。由于不断抄袭和一再仿造，产品结构与原始产品已有了相当大的差别，性能的差异就更大了，产品质量与一些老产品相差甚远。如承插式铝合金管的密封性和自泄性能的好坏，关键在于密封圈的结构、橡胶的配方及与其配套的密封圈槽的配合要求。现在一些企业生产的密封圈，与20世纪70年代的老产品相比，结构上差别很大，因此，该密封的时候，它漏水，该自泄时，它不能很快排掉管内余水。
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一些企业生产的塑料管，壁厚偏差大，由于管材承压能力仅与最小壁厚有关，因此，用户购买壁厚偏差大的塑料管就要花费较多的钱。
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所有这些，与企业对产品质量不够重视、缺乏必要的质量保证体系有关。如过滤器的内密封性问题，企业如果认识到其重要性，进行认真的检验，问题并不难发现。有的企业甚至已知道采用端密封效果不好，但为了降低成本，明知不能为而为之。
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5.3 偷工减料，以次充好
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这种情况经常发生。以塑料管为例，一些企业为了低价销售其产品，在原料中添加价廉再生料的现象时有发生。有的企业采取不正常的手段，先用好料按有关标准生产管材送有关质检机构检验，取得检验合格证书后，就在原料中加入大量再生料或添加剂且不按有关标准生产，但仍以能达到某一压力等级进行宣传和推广，欺骗用户。用户买了质量不好的管材，安装后虽也进行水压试验，但由于不知道试验压力应比最大工作压力要大多少倍，试验压力未达到规定的要求，试验时管网没有出现什么问题，但在实际运行时，由于附加的水锤压力与其他诸多因素的影响，管路系统往往不能正常工作，造成惨重损失。
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5.4 其他原因
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（1）标准问题。产品标准的高低是国家和企业产品质量水平的集中体现。我国某些产品标准要求过低，对产品质量提高不利。如《螺旋式喷头》标准在关于“喷头轴承处的密封性”一条中，规定“喷头流量大于0.25m3/h的喷头轴承轴颈处的泄漏量不应超过规定试验压力下喷头流量的2%”，这一要求太低。在该标准中，关于“转动均匀性”一条中规定，“喷头转动每1/4所需时间，相对于5次平均值的最大偏差，不应超过±12%”，而且只有旋转周期小于20s的喷头才需进行此项试验。按照这一规定，旋转周期小于20s的喷头，喷洒到不同象限内的水量差别可以超过27%；大于20s的喷头，只喷到一部分土地上也没有说它不合格。在该标准的“喷头流量”一条中，规定“喷头流量大于0.25m3/h的喷头，在规定试验压力下喷头流量的变化量不应大于±5%”，此条没有规定，这±5%的差别是与标准中规定的流量比，还是与3个受试喷头的平均值比，让人不得要领。
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再如《喷灌用金属薄壁管及管件》标准。密封试验的试验压力，应根据密封形式的不同分别规定。对于“V”型密封圈，规定的密封性试验压力，必须是一个低于目前我国常用喷头工作压力的压力值，才是合理的。在该标准中，许多指标没有量化，企业、用户和检验机构执行起来感到困难。
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（2）用户的质量意识。用户的质量意识是促进喷微灌设备质量提高的关键因素之一。我国喷微灌设备用户的质量意识有待提高。在准备实施某一个喷微灌项目时，人们往往把设备质量的好坏放在次要地位，而过多考虑投资多少。实际上，在建设喷微灌工程时，如果经费不宽裕，应坚持“宁可少些，但要好些”的原则，才能保证建成的工程长期安全可靠运行。喷微灌工程需要高投入，一味追求低造价，必然给低水平设备创造销售机会，妨碍优质优价原则的执行，助长不正当的竞争行为。我国一些生产喷微灌设备的老企业，曾生产性能良好的产品，但由于价格竞争，有的濒临倒闭，有的只好转而求其次，生产低水平的产品。这种现象如果不及时制止，必将阻碍我国喷微灌技术的健康发展。
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（3）宣传和舆论导向。报刊为喷微灌技术在我国推广应用发挥了巨大作用。在喷微灌技术刚刚在我国推广应用阶段，它使人们了解这一技术；在推广过程中，它及时向全国介绍各地在采用喷微灌技术过程中的经验和教训，使其得以健康发展。但近年来，有些报刊上发表的一些文章指导性差，有的文章甚至重复一些过时的东西，具有新思路、新构想的文章较少；批判粗制滥造的喷微灌设备和劣质工程的文章很少见诸报刊；广告问题更加突出，一些企业的产品，既未经企业自检，又未通过有关质检机构检验，就堂而皇之地刊登在某些刊物的广告上，误导用户采购。为了喷微灌技术在我国健康发展和顺利地推广应用，把我国有限的水资源用好，报刊应充分发挥其良好的导向作用，多发表一些争论性文章，多宣传一些新思想、新技术、新设备。有关协会、大专院校、科研机构，应多鼓励企业生产优质产品，并为其宣传鼓吹；多给用户咨询指导，建议他们购买质优价廉的设备。
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（4）地方保护。就喷微灌设备而言，近年来地方保护有越来越严重的趋势。一些省市在建设喷微灌工程时，明确规定一定要用本地的设备，外地设备一律不许采购。为了满足当地喷微灌工程建设需要，一些企业仓促上马（或转产）生产喷微灌设备，由于技术力量不足和工人技能差，难以生产高质量的喷微灌设备，甚至难以生产出合格的设备，更谈不上产品更新换代。由于地方保护，这些企业的规模不断扩大，使劣质产品流向不富裕的农村，给农村经济造成了严重的损失。
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（5）行业管理问题。我国喷微灌技术的推广应用已有20余年的历史，但行业管理工作未能及时跟上。这与我国的体制有很大关系，因为喷微灌设备的生产企业，属于冶金、化工、轻工、机械等多个部门，而最大的使用者却是水利行业，这给行业管理带来了不少困难。为了提高微灌设备质量，水利部成立了两个质量检测中心，“中心”成立四五年来，虽然为喷微灌设备的质量检验做了大量工作，取得了一些成绩，但由于不能主动开展工作，效果并不理想。现在，水利部会同国家质量技术监督局对喷微灌设备进行了首次国家监督抽查，今后，这一工作将继续进行下去，以便彻底改变目前喷微灌设备的不正常竞争的状态，变规格竞争为质量竞争，促进我国新的喷微灌设备的开发和质量的不断提高，为用户提供更多、更好、更实用的设备，促进喷微灌技术在我国更好的应用推广。
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我国微灌设备现状与改进开发的若干建议
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1.我国微灌技术与微灌设备产品取得的主要成绩
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1.1 灌水器的品种规格不断增加，部分产品初步形成系列化
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由第一代单一的管式滴头发展到微管滴头（含低压大流量滴头）系列、可调式滴头、孔口滴头、补偿式滴头等；由滴头系列产品增加到微喷头系列产品——旋转式、折射式、缝隙式、导流芯式及脉冲式微喷头；由人工在毛管间串接管式滴头和毛管上安装旁插式滴头拓展到微灌管带系列产品——双腔滴灌管、内镶式迷宫滴灌管、微孔渗灌管、双上孔滴灌带、双腔滴灌带、内镶式滴灌带等。
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1.2 管材与管件的材质及配方和制造工艺大大改进提高，品种规格大幅度增加
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管材的材质由单一的LDPE发展到PVC和PP等多种。管材的规格由第一代的10种管径，发展为从Φ4～Φ100mm等13种管径与20多种规格的产品。管径由单一的内径发展到内径和外径两种。管件结构和连接方式也有了很大的改进和扩展，由单一的内承插管件增加了外承插管件和法兰等连接方式。管件的材质由单一的HDPE发展到PVC和ABS工程塑料等多种。管件品种规格由第一代的60多种发展到400多种。
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1.3 净化过滤设备种类和品种规格取得了较大的进展
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由第一代的立式铜筛网钢体过滤器2种规格发展到多种类型筛网式过滤器（全塑过滤器、不锈钢过滤器、自动反冲洗双筛网过滤器）和叠片式过滤器等；由单一的筛网式过滤器发展到砂石过滤器和旋流水砂分离器系列产品。
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1.4 施肥设备产品种类有所增加
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由第一代单一的压差式钢体施肥罐，发展到胶囊钢体肥罐、开敞式施肥罐、文丘里施肥器、注入式水力施肥泵等，品种规格已达到10多种。
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1.5 控制调节阀和安全阀等产品基本配套
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微灌专用全塑球阀的研制成功，填补了我国没有微灌专用塑料阀的空白，对微灌系统防止堵塞创造了条件。水阻管及水阻接头、脉冲发生器、压力流量调节器等产品的研制成功，为微灌管网系统提高灌水均匀度，简化管网设计计算，降低造价等发挥了重要作用。各种进排气阀和调节装置为微灌系统安全运行提供了保证。
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1.6 微灌工程用自动化控制装置的研制成功及初步应用
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微机和单板机等自动控制监测系统装置，已在某些微灌工程中试验应用，初步显示出微灌采用自动化管理系统的优越性和先进性。
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2.我国微灌设备产品存在的主要问题
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2.1 产品品种规格少系列化欠缺和配套水平低
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首先是内承插和外承插连接件存在着规格不齐全，配套水平低的问题，如四通、三通和变径接头尚无突变件，给用户造成使用安装不便，又增加管件用量及投资等；其次是微灌输水用主管道PVC管材质量没有保证，性能不稳定，还存在着PVC管材和LDPE管材连接管件不配套的问题，目前尚无一家企业生产制造，因此给施工安装造成极大不便；还有全塑球阀、压力流量调节器、排气阀等品种规格少，没有形成系列化，产品单一，材质差，而且加工粗糙，品位低；过滤器和施肥罐产品品种规格少，技术含量低，缺少创新意识，10多年几乎仍是沿袭着老一套图纸模式加工制造，结构简单，内密封性差，大型过滤器和大容积化肥罐等装置尚属空缺。
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2.2 灌水器产品质量不稳定部分产品质量差
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有些厂家生产的灌水器流量不稳定，制造偏差大，不符合《微灌灌水器》水利行业标准。如去年第一季度，水利部两个检测中心抽检了3种样品，只有一种合格，合格率仅为33.3%。
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2.3 微灌专用防锈耐磨水泵产品仍属空白
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由于微灌系统是小水勤灌，使用频繁，水泵连续运转时间长，一般水泵叶轮极易生锈和磨损，也给微灌堵塞造成隐患。因而急需开发微灌专用防锈耐磨水泵系列产品。
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3.我国微灌设备产品改进和开发生产的12项建议
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为使我国的微灌设备实现产品系列化、标准化、通用化，在产品档次上，中、高档产品并存，要坚决消除低档产品和以次冲好的现象，必须抓紧微灌设备产品的改进与开发：
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3.1.1 灌水器类。一是应抓紧开发研制滴灌管和薄壁滴灌带与多孔微喷带等新产品，特别是内镶式补偿滴灌管和重力滴灌管，国内尚属空白，应尽快研制开发投放市场。二是对现有的3种微喷头——折射式、旋转式和缝隙式，应增加品种规格，形成系列化产品，并进一步改进产品结构和提高部件耐磨性和抗老化性，延长使用寿命。
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3.1.2 增加四通和增补突变径管件，改进内承插管件两端倒刺圈数，增强连接牢固性，采用加厚或加筋结构，提高弯头、三通、软螺纹接头和旁道基部强度。
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3.1.3 改进筛网过滤器的内密封件结构，限期解决其密封性差的技术问题；增加各类过滤器产品规格，开发更新换代新产品，形成大、中、小规格系列化，提高配套水平。
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3.1.4 开发专用储肥装置等新产品，增加大容积施肥罐，尽早形成大、中、小规格系列化产品。
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3.1.5 增加塑料球阀产品规格和改进结构，提高加工制造精度和密封性能，实现现已定型的管材规格合理配套。
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3.1.6 增加压力流量调节器新产品规格，至少在Φ50mm范围内形成系列化产品。
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3.1.7 PVC管材管件应严格执行已发布的现行行业标准生产制造，不得偷工减料，以次充好。并应尽早开发研制PVC管与LDPE管连接的配套管件。
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3.1.8 发泡微孔橡塑渗灌管的研制攻关。解决渗灌管的渗水流量的稳定性及均匀度和提高使用寿命是主要攻关目标。
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3.1.9 微灌专用耐磨防锈水泵新产品的研制攻关。主要是水泵叶轮等部件喷涂高强度耐磨材料，达到防止水泵生锈和延长使用寿命的效果。
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3.1.10 园林喷微灌产品的开发研制。目前国内尚无一家企业开发研制生产出高质量的园林专用喷头和微喷头系列产品。特别是地埋式伸缩喷头，技术含量高，制造工艺复杂，为了不走弯路，缩短开发研制周期，建议引进国外先进技术及工艺设备或与国外企业合作，高起点研制生产该产品。
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3.1.11 微灌工程自动化设备的改进与开发新产品。也应走引进国外先进技术设备或与外企合作，高起点研制生产新产品，以提高产品的可靠性，并摸索积累在微灌工程使用中的新经验。
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3.1.12 针对目前我国微灌管件和管材的连接方式多仍为内承插式，其管件结构质量也存在有不少问题，而国外却已基本不采用内承插连接方式的实际情况，建议尽早制定和采取有效的计划措施，限期解决，尽可能与国际接轨。
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地下滴灌技术发展及应用现状综述
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引言
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地下滴灌是微灌技术的典型应用形式之一，它是指水通过地埋毛管上的灌水器缓慢出流，渗入附近土壤，再借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到整个根层供作物吸收利用。由于灌水过程中对土壤结构扰动较小，有利于保持作物根层疏松通透的环境条件，并可减少土面蒸发损失，故地下滴灌技术具有明显的节水增产效益。此外，田间输水系统地埋后便于农田耕作和作物栽培管理，且地埋后管材抗老化性能增强，且不易丢失或人为损坏。本文试图对地下滴灌技术的发展和应用现状进行综述，给出目前的研究状况及存在的问题。
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1.发展历史
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第二次世界大战后，塑料工业的发展为滴灌技术应用带来新的机遇，地下滴灌技术作为滴灌技术的一种形式开始被采用。地下滴灌管一般采用尼龙或PVC材质，并在管壁钻孔、扎孔或切口制成灌水器使用。这种地下滴灌系统运行于低水头下，对水质和过滤设备要求较低，应用中面临的主要问题是供水均匀性差，滴孔易堵塞。进入20世纪70年代后，伴随着科技进步与发展，地面滴灌设备无论是在滴头类型还是毛管性能方面均得到较大改善，但对地下滴灌系统，除在毛管铺设方法及打孔手段上有所改观外，灌水均匀性差、出水孔易堵塞等问题依旧存在，地下滴灌技术的发展速度远远落后于地面滴灌技术。从20世纪80年代至今，有关地下滴灌技术及其应用的研究主要集中在改进灌水器质量、优化系统设计参数、研制过滤器和施肥装置等方面。与此相关的大量研究成果陆续涌现，其中最为醒目的是Mitchell等人于1982年提出了地下滴灌系统设计、安装和运行管理指南，这意味着地下滴灌技术开始步入成熟阶段。
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我国自1974年从墨西哥引入滴灌设备至今，地面滴灌技术应用和设备开发已取得长足的进展。但地下滴灌技术的初步应用则始于20世纪80年代初期，主要用于果树作物。近年来，这些技术在山西省运城地区得到大面积应用，取得了一些研究成果，但由于采用人工扎孔方式制成灌水器，应用中系统供水均匀性较差、出水孔易堵塞等问题没有得到很好解决，影响到地下滴灌系统的正常使用和运行。
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2.应用及效益
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地下滴灌技术在国外已得到广泛应用，服务对象以经济作物最为常见，多集中在果树、蔬菜和其他高产值作物上；大田作物中也有少量使用，以棉花和玉米作物为主。国内地下滴灌技术的应用以果树为主，目前在山西运城地区7667hm2的地下滴灌面积中，果树、蔬菜和大田作物的比例分别占总数的78.3%、4.3%和17.4%，大田作物是棉花和冬小麦。
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地下滴灌条件下的作物产量高于或至少等于其它灌水方法下的相应值，而灌溉用水量则显著小于后者。Adamsen对地下滴灌和喷灌进行对比的结果表明，地下滴灌下的花生产量明显高于喷灌方法下的产量，而对玉米产量，两者间没有显著差别，然而前者省水约30%。DeTar等人对地下滴灌与地面沟灌进行对比试验显示出，砂壤土质下，地下滴灌的棉花产量较高，砂质土时，两者产量基本相等，但无论对哪类土壤，地下滴灌用水量都较沟灌低40%。Henggeler对美国得克萨斯州西部地区进行大面积调查表明，地下滴灌与沟灌相比，棉花产量可提高20%。Phene等人的研究结果说明，在美国南卡洛雷纳州，地下滴灌条件下的甜玉米产量比沟灌高1%～14%，番茄产量高20%，甘蓝和夏季南瓜产量均提高35%，而玉米、棉花、高粱、甜瓜和部分蔬菜的产量基本持平。山西运城地区的资料表明，与地面灌溉方法相比，果树可节水75%，增产50%，西瓜节水60%，增产30%，而对大田作物，平均节水达50%，增加产量30%以上。地下滴灌技术不仅节水增产效果明显，还具有节省劳力、能源等诸多优点，此外还能有效地抑制杂草生长。Grattan等人发现，对应用地下滴灌的地块在不使用除草剂条件下，田内杂草生长程度明显低于使用沟灌和喷灌方法并施用除草剂的地块，但在降雨较多的湿润地区，效果并不明显。
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3.研究现状
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3.1 设备及灌水器
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国外使用的地下滴灌设备均来自地面滴灌系统，灌水器采用内镶式或带有补偿性能的滴头以确保系统供水均匀性。由于系统停止供水时易在管内产生负压，造成管外土壤颗粒内吸而引起滴头堵塞，故常在系统上安装真空破坏装置，这对系统运行管理要求较高。由于作物根系的亲水性，根系在毛管滴头四周的旺盛发育有可能造成灌水器孔口堵塞，有人试图在滴头材料中加入某种化学成分，使灌水器本身产生斥根性，从而达到限制根系生长发育、避免灌水器堵塞的目的。山西运城地区在地下滴灌中使用的灌水器是在毛管上利用简易工具人工扎眼形成出水孔，该结构形式不具备防堵和压力补偿功能，有待改进和完善。中国水利水电科学研究院在北京大兴县开展的有关地下滴灌室内外试验结果证明，对内镶式或带有补偿性能的滴头采用外包无纺布处理地埋后，既可获得较为理想的防负压堵塞效果，又能在适当的毛管间距布设范围内获得较高的灌水均匀度。对于滴头防负压堵塞问题，除考虑在地下滴灌系统中设置真空破坏装置外，研制一种既可防止负压堵塞，又具有良好压力补偿和调节功能的灌水器是十分必要的。
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3.2 毛管埋深与间距
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毛管埋深通常需考虑以下几个因素：一是田间耕作深度，避免因耕翻土壤造成系统管网损坏。对无需耕作的作物（如草皮、紫花苜蓿等），可根据土壤质地和作物根系发育深度等条件减小毛管埋设深度；二是土壤条件，对土壤导水性能较强的轻质土，毛管埋深宜浅不宜深，以防土壤水深层渗漏，而对毛细吸水能力较强的壤质土，则可适当增加埋深来减少因地表湿润引起的无效土面蒸发损失。若耕层内含有透水性较差的黏土夹层时，毛管埋深要考虑其影响，如毛管埋在该夹层以下，会影响土壤水分向上运动，对作物生长发育不利。最后是作物生长发育期，由于幼苗根系较浅吸水范围有限，毛管埋深较大无疑不利于作物生长，但较浅的埋深又将无法满足作物后期对水分的需求。有时为了保证苗期土壤墒情，作物生长前期使用其他灌溉方法，后期再采用地下滴灌方式，但会增加灌溉成本费用，降低收益率。综合考虑上述因素，毛管埋深多介于20～70cm之间。以山西运城地区情况为例，果树下的埋深一般在40～50cm，大田作物则为35～40cm较为适宜。
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毛管埋设间距主要取决于当地气候条件、土壤质地和作物种类。对于种植在沙性土壤或干旱地区的作物而言，较小的毛管间距有助于田间土壤水分均匀分布，当然这将增加投资成本。在多雨湿润地区，可以使用较宽的间距，但这取决于作物类型、土壤条件和可接受的风险水平。一般较窄的间距多用于平播密植类作物，如草皮、小麦等，而较宽的间距则常见于蔬菜、果树、棉花、玉米等行播作物。对木本类等行距作物，毛管埋置在两行作物中间或随行布置，但对宽窄行种植的作物，毛管应置于窄行间。运城地区的果树滴灌一般采用3m间距，树株排列不正规的果园使用随行布设形式，棉田的毛管间距是1.2～1.5m，小麦田多采用1.0～1.2m的距。
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3.3 灌溉制度
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地下滴灌的灌溉制度一般以实测或计算的腾发量、土壤和作物特性为依据制定。若按作物耗水速度确定灌水时间，应按小定额多次灌水的方式；当土壤水分下降到某个下限值时才考虑灌水，则需数天供水1次。对蔬菜等水分含量较多的作物通常使用前一种灌水频率，果树和大田作物则适宜于后一种灌溉制度。Caldwell等人的研究结果表明，只要土壤含水量保持在可允许范围内，采用每日灌水1次与每周灌水1次的灌溉制度对玉米产量没有影响。EL-Gindy等人对每天灌水1次和每3天灌水1次的周期进行对比后发现，高频次小流量的灌溉制度不仅能较大幅度地提高番茄和黄瓜的产量，还能改善根层内的土壤水分布，提高水分利用率，这非常适宜于地下滴灌系统的运行特点。在山西运城地区，苹果树年内一般滴灌3～5次，小麦通常灌溉2～3次，每次用水230～450m3/hm2。
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3.4 化肥和农药施用
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滴灌技术的优点之一就是可以在整个作物生育期内，适时适量地通过微灌施肥技术高效地将肥料、微量元素和农药等作物生长所必需的养分和物质按比例精确地施用到作物根区土壤，这既可以提高肥料利用率，又能减少因灌溉淋洗产生的溶质数量，减轻对地下水的污染，并节省大量施肥劳力。Mikkelsen根据研究结果得出结论，与地面灌溉方法相比，地下滴灌条件下磷肥施用量较少，主要原因就是因肥料被直接施用到作物根层，明显减少了流失量。为延长地下滴灌系统使用寿命、防止灌水器堵塞，除对灌溉水进行适当过滤、清除杂质外，还可在系统中随水注入适量稀盐酸，定期清除地下滴灌系统内滋生的微生物以及灌水器内的沉淀物，这同时也能起到减轻灌溉水碱性的作用。这些措施在国外已得到普遍重视并投入实际应用，国内仍处于将化肥直接溶于灌溉水中应用的初级阶段，对系统管件进行化学处理、清除根系和沉积物的应用研究还未提到议事日程。
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3.5 设计与管理
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地面滴灌系统的设计方法同样适用于地下滴灌系统，特别是在管道水力学性能和灌水均匀性方面。地下滴灌系统的设计及管理具有自身的特殊性，首先设计中必须考虑在系统上安装进排气阀门，防止断水时管内真空负压引起的滴头堵塞，其次管理上为增加系统使用寿命，需对灌溉水进行更好的过滤处理，并对系统实施定期冲洗。与地面滴灌相比，地下滴灌系统的检修更为困难，在设计和施工阶段应对此问题给予重视。
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3.6 经济适宜性
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Henggeler等人发现将棉花沟灌改为地下滴灌后，能获得较高的经济回报，对玉米和大豆作物而言，与中心支轴式喷灌系统相比，地下滴灌方法具有较高的经济可行性。山西运城地区的资料数据也表明，就当地使用的简易地下滴灌系统而言，每公顷果园的投资成本是4500元、大田为6000元。该投入强度低于当地采用固定式喷灌的投入，虽高于地面灌溉的投资，但其节水、扩灌、增产效果非常明显。当然仅就灌水技术本身，很难得出哪种方法更为经济适宜的结论，它取决于自然和社会经济两大因素。其中关键因素是当地可利用的水资源数量以及获取它的成本费用随时间变化的趋势。在类似山西运城这样典型的干旱缺水地区，工业和城市用水激增导致可供农业使用的水量锐减，这对农业节水灌溉提出更高的要求。由于地下滴灌系统具有无可辩驳的节水增产效益，从而在一定程度上，增加了人们选择地下滴灌方法的迫切性和必要性。
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3.7 主要问题
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由于地下滴灌系统埋设在地下，使得人们无法直接观测到灌水器出流状况和灌水效果。当系统需要进行检修时，往往要比地面滴灌系统投入更多的时间，耗费更多的人力物力，管理费用也相对较高。其次，为防止水中杂质引起的灌水器堵塞以及滴头负压堵塞等问题，必须在系统内增加相应的附加设备，并对管路经常进行冲洗。冲洗阀及进排气阀的安装势必增加系统的造价和运行费用，在某些情况下将致使地下滴灌技术的经济可行性大打折扣。
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4.结论
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作为滴灌技术的一种表现形式，地下滴灌技术表现出的特点和优越性使其从20世纪80年代初始，就作为一门独立的灌水技术得到相应发展。由于这种灌水形式具有显著的节水增产效果，在农业灌溉水资源日益紧缺的今天，其对灌溉农业可持续发展有着十分重要的意义和作用。
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在地下滴灌系统计、安装和运行管理中，应对该项技术的特殊性给予足够重视。其中毛管埋深与间距要根据当地土壤条件、作物种类、耕作措施等因素确定。为提高我国地下滴灌技术的应用水平，当务之急是研制出一种既可防止负压堵塞、又具有较佳压力补偿性能的地下滴灌灌水器，与此同时，还要积极开展与地下滴灌技术田间适宜性研究相关的工作。
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参考文献
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[12] El-Gindy，A.M.et al.，1996.Vegetable crop response to surface and subsurface drip under calcareous soil.Proc.Int’1.Conf.On Evapotranspiration and Irrigation Scheduling，eds.C.R.Camp et al.，102～1028.St.Joseph，Mich.：ASAE
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[13] Mikkelsen，R.L.1989.Phosphorus fertilization through drip irrigation.J.Prod.Agric.2（3）：279～286
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[14] Hengeler，J.et al.，1996.Economic impact resulting from the adoption of drip irrigation cotton.Result Demonstration Report College Station，Tex.：Texas Agric.Ext.Serv.，Texsa A&M University
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几种地下滴灌（渗灌）灌水器性能的室内外试验研究
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1.试验和方法
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1.1 供试材料
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选择目前在国内具有代表性的3种多孔渗水管和一种内镶式地面滴灌管，其中多孔渗水管由废旧轮胎橡胶粉、PVC塑料粉及发泡剂在高温下溶合挤压成型，并形成管壁上密布的连通孔隙，而滴灌管则由PVC塑料制成。两类管子的性状比较参见表1（多孔管A、B均来自同一生产厂家）。
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表1 供试多孔渗水管和滴灌管的性状对比
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1.2 试验布置和方法
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在室内完成不同压力水头下各类灌水器裸露在空气中和埋入土槽（长1.2m、宽0.1m、高0.8m）中的出水率测试工作，压力由水面高差形成并采用马氏瓶恒压。供试样品长度为10cm，测定时间从1min、2min、5min到10min不等，观测从初始出流到滴（渗）水速率稳定时段内的出水率变化规律及出水量。水源为自来水，经200目过滤器处理。
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室外试验在冬小麦田内，布设多孔渗水管A和滴灌管两种灌水器，其中每种灌水器都分别被埋在3块4m×4m的小区中，埋深30cm，多孔管的间距0.8m，滴灌管间距为1m，滴头间距是0.5m。水源来自地下水，采用网式过滤器处理。利用TDR设备观测田间小区土壤剖面的含水率分布，以评价田间灌水均匀性。
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2.试验结果分析
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2.1 室内试验
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2.1.1 防堵性能
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通过电镜观察试验后的多孔管剖面切片和内外壁发现，微孔直径通常在几个到几十个微米之间，流道呈弯曲不规则状，中间夹杂着细微的砂粒。虽然这种管材具有一定的弹塑性，孔隙受压膨胀后可冲洗掉部分杂质，但使用中累积的杂质仍会堵塞孔隙流道。多孔管C的管壁微孔径大于A和B管，抗堵塞性能稍好于前者。对滴灌管而言，当灌水器地埋后，系统断水或骤然减压时产生的管内负压会吸引滴头处的土壤微粒进入流道，灌水器滴头有被堵塞的可能。采用无纺布外包在滴灌管的滴头处再埋入土中的作法正是为了防止堵塞现象发生。土槽试验后的开挖结果表明，这种防负压堵塞的保护形式具有较为理想的效果。
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2.1.2 出流均匀性
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多孔管在固定压力下非连续重复试验时，渗水稳定速率间存在着差异，出流均匀性较差，且当工作压力增加时，上述现象愈加明显，其中管C的出流均匀性似乎最差。对所有类型的多孔管而言，在同一管长不同管段上的连续试验结果表明渗水出流量间的差异很大，有些管段在长时间试验后出流量很小，而有些则从细微孔隙内向外滋水。滴灌管上内镶的滴头在固定压力下流量不随时间而变，且同一滴头在多次试验重复下的流量基本保持不变，不同滴头间的流量差异亦较小，该类滴灌管的出流均匀性较好。
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2.1.3 压力流量关系
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多孔管的压力流量关系指数大于1，说明多孔管受压后微孔隙膨胀，入渗出流量增加，这虽有利于冲洗管道、减少管壁内的杂质堵塞，但会造成系统出流量不稳定，不同管段间的流量差异导致了较差的灌水均匀度。滴灌管的压力流量关系在测试压力范围（5～15m）内变化不大，关系指数为0.1057，有着较好的压力～流量补偿性。
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2.2 室外大田试验
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2.2.1 防堵性能
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小麦冬灌时，多孔管在田间地埋条件下的稳定渗水速率经实测只有室内土槽试验下相应值的1/10。春灌1水后，部分管段停止渗水，其余管段出水量也很少。因管壁堵塞引起的出流问题既导致出水量无法满足小麦作物的需水要求，又造成较差的灌水均匀性。外包无纺布的滴灌管地埋后，滴头出水速率比室内略有减小，但仍可保持稳定出流。试验结束后现场观察发现，无纺布内有土壤微粒渗进，但未能穿透，说明该方法可以防范因真空负压引起的滴头堵塞问题。
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2.2.2 灌水均匀性
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多孔管各试验小区间的出流量差异较大，灌水均匀性较差。滴灌管各小区的流量之间虽也有一定差别，但在整个作物灌水期间都能保持稳定流量。对沿管长方向布设的25个滴头的出水量进行实测表明，滴头流量范围在0.62～1.35l/h之间，平均值为1.03l/h，变差系数Cυ是15%，稍大于国家标准中10%的规定值。由于滴灌管田间布设形式为线源供水，因此沿管长方向的土壤水分分布状况要比垂直管长方向的分布稍为均匀（图8）。事实上，观测区纵横两个土壤剖面上不同深度处并没有出现含水量明显低于邻值的测点。对每层土壤深度（15cm，30cm，45cm，60cm）处观测的45个含水率值进行统计分析表明，变差系数均小于0.2，土壤水分在不同深度处的空间分布呈弱变异性，灌水分布较为均匀。田间1m布设管距下的地下滴灌系统可以提供良好的灌水均匀度。
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3.结论
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室内外试验表明，被检测的3种多孔渗水管的出流均匀性较差，防堵性能不理想，压力流量关系不佳，且不具备压力补偿性能。作为地下渗灌系统的一种灌水器，尚需对多孔渗水管的结构及材质做进一步改善工作。
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由于内镶式滴灌管的滴头本身就具有压力补偿调节作用，故用外包无纺布处理地埋后，既可获得较为理想的防负压堵塞效果，又能在适当的田间管距布设范围内得到较高的灌水均匀度。综合考虑以上要求，有必要研制一种既可防止负压堵塞、又具有较好压力补偿性能的地下滴灌灌水器。
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参考文献
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[1] 冯广志.对“渗灌”的几点看法[J].中国农村水利水电.1997，7
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[2] 谢森传，惠士博.灌溉渗管灌水试验研究报告[R].清华大学水利系.1996，11
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[3] 王留运，谭宝良，岳兵等.渗灌管水力性能第二次测试报告[R].中国灌溉排水技术开发公司.1997，8
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[4] 张书函，穆金元，王继民，赵立新.新型微孔渗灌管渗水性能初步试验研究[J].灌溉排水.1998，17（2）
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[5] 国家技术监督局.农业灌溉设备—滴头—技术规范和试验方法[S]（GB/T17187—1997）
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地下滴灌专用灌水器（滴头）的研制及初步应用
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1 试验与方法
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1.1 设计思路
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目前国内外使用的地下滴灌设备均来自地面滴灌系统，灌水器常采用内镶式或带有补偿性能的滴头直接地埋后用于灌溉。由于停止供水时常在地下滴灌系统的管网中产生瞬时负压，造成毛管出水孔周围的土壤细颗粒被吸入灌水器，引起滴头堵塞现象的发生。为解决灌水器负压堵塞问题，采用的方法之一是在系统主干管的最高点处安装真空破坏装置，借此消除管网内负压带来的不利影响。此措施通常适用于田间地形条件相对较为平缓的地区，对地形条件相对较为复杂的山坡地，由于主管线路上的局部高点和毛管上的局部凸点的存在，要想完全消除负压是难以避免的。防止负压堵塞的另一种方法是从灌水器入手。有关地下滴灌的室外田间试验结果表明，对内镶式或带有补偿性能的滴头采用外包无纺布处理后地埋，既可获得较为理想的防负压堵塞效果，又能获得较高的灌水均匀度。考虑到外包滤料的成形工艺复杂和成本较高等问题，设想从灌水器自身结构设计上进行改进，研制开发一种既能有效地避免负压堵塞现象又具有良好压力补偿和流量调节功能的灌水器。
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为使灌水器具有抗负压堵塞功能，要求灌水器在任何负压下（包括由正压向负压过度的临界点附近）都可防止土壤细颗粒或其他微粒被吸入灌水器流道。同时为保证田间灌水质量，还要求灌水器在系统压力变化时或因地形变化引起的进水中处的压力改变时，可保持灌水器出流量不发生大的波动变化，确保出流的均匀性。为此，灌水器工作性能和性状应满足下列条件：
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灌水器进水口处的压力为0时，流道应处于关闭状态；
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灌水器进水口处的压力大于某个固定值时，流道自动打开，使水流顺利通过；
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灌水器进水口处的压力处于变化时，流道能自动调节，使出流量保持均一的速率；
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灌水器进水口处产生负压时，流道应能灵敏地自动关闭，防止吸入土壤微颗粒；
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灌水器进水口处的负压消失时，流道能及时自动复位，准备进入工作状态。
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1.2 灌水器结构
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按照上述设计思路，地下滴灌专用灌水器由外壳、内芯和压力补偿片等三部分组成（图1）：外壳是灌水器和灌水毛管的连接体，壳体中间设有流道通孔，作为灌溉水自毛管进入灌水器流道主体的通道。在流道通孔的末端设有一圈凸缘，外壳的下部是中空的圆柱体；内芯的外形呈凸台状，台上部分中央设有流道，并设有内外两圈侧壁，侧壁间形成贮水槽，其中外侧壁上方有进水口，内侧壁上方有与流道相通的出水口。内芯凸起部分嵌入到外壳里面，连接处被紧密粘接；压力补偿片位于外壳与内芯之间，外壳流道末端的凸缘下面，片厚1mm左右，硅橡胶材质。
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图1 地下滴灌专用灌水器结构
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通过外壳与内芯在结构上的独特设计和巧妙安排，在压力补偿片的配合下，可实现灌水器的设计目的，达到其特有的水力学性能。当滴头入口处的压力小于零时，压力补偿片将紧压在外壳流道末端的凸缘上，完全关闭流道，防止任何物质因负压被吸入流道。当系统工作压力发生变化或因地形变化引起进水口处的压力波动时，压力补偿片能根据压力变化的程度自动调节过流断面的大小，保持滴头流量的压力补偿性能，确保出流的均匀性。
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1.3 地下滴灌系统设计
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研制开发的地下滴灌专用灌水器在北京市昌平县山区节水灌溉示范园进行田间实地应用。该示范园位于昌平县西南部山区的前沿，海拔高程约800m，自然气候属北温带大陆性季风气候，多年平均降水量550mm，多年平均蒸发量1400mm，平均风速3.2m/s。园内的土壤为砂石风化土，透水能力较强。主要种植的果树有：枣、葡萄、香椿、桃等，总面积13.34hm2，其中3～5年树龄的枣树面积有10hm2，采用地下滴灌技术的约6.67hm2。
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示范园有机井一眼，配有多级泵一台，扬程156m，出水流量约50m3/h。中部山顶建有一储水容量为45m3的调节蓄水池，实施微灌系统的自压供水。整个地下滴灌系统由机井、水泵、蓄水池、网式过滤器、进排气阀、压力表、供水阀门和各级PE管道构成，其中干、支、毛等三级管道的管径分别为30mm、20mm和10mm不等。
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采用两种毛管滴头的布置形式：一是单行直线毛管单滴头的布设，沿每行枣树平行地布置一根毛管，每棵树配置1个滴头，毛管距树干约30cm（图2（b））。由于园内地表30cm以下为夹有碎石的砂性土壤，透水性很强，如果毛管埋置太深，不仅会产生过度的深层渗漏，还会引起表层土壤失墒。另外，枣树的主根系向下延扎较浅，而横向延伸能力却较强。综合考虑田间管理、土壤质地和作物根系的因素，毛管埋深在地表下20cm处为宜。
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图2 地下滴灌系统毛管滴头的田间布置形式
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1.4 田间试验与观测设备
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地下滴灌系统于1999年5月至9月底投入运行。建立地下滴灌技术田间试验观测小区，面积约1.3hm2。记录每次的灌水量和灌水历时，灌水量采用安装在各级管道上的水表进行量测。灌后的土壤含水量分别利用时域反射仪TDR进行监测，测量深度为30cm。枣的产量按同龄的棵数进行统计，用以分析地下滴灌方法对作物果实产量的影响。尽管由于这个季节内适逢丰水年份，有限的枣树灌溉次数限制到观测数据的完整性和有效性，但通过观测结果仍能对地下滴灌技术的节水增产效果作出初步评价。
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2 结果与讨论
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2.1 滴头抗负压堵塞性
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图3 测定滴头抗负压性能的装置示意图
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利用如图4）。灌水器的独特结构保证了其在负压条件下工作时，没有空气能够从滴头的出水孔处进入流道，这就意味着灌水器四周的土壤细颗粒无法被吸入流道，灌水器具备了良好的防负压堵塞性能。
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图4 滴头的抗负压性能的测定
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2.2滴头流量均匀性
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随机抽取25个供试样品完成滴头流量的均匀性测试。测定中，首先调节灌水器入口处的水压至150kPa，然后每保压3min卸压1min，如此反复3次；随后再调节灌水器入口的压力至50kPa，保压3min后卸压1min，反复3次；最后调节水压至100kPa，保压60min，分别测量25个灌水器在2min内的出水量。重复以上测定过程，得到两次测得的水量之差不大于2%，取其平均值计算各试样的流量，得到灌水器的平均流量=3.93L/h，流量偏差系数Cυ=4.4%，流量均匀度符合国标规定，其中在100kPa压力下测定的滴头出流情况参见图5。
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图5 100kPa压力下的滴头流量均匀性
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2.3 滴头压力补偿性
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在完成流量均匀性测试后，将上述25个灌水器按测定的流量由小到大排列编号，取其第3、12、13、23号等4个滴头作为试样完成灌水器压力补偿性能的测试。由小到大调节灌水器的工作压力，测量各试样在每个压力下2min内的出水量，重复上述过程。计算两次测得的4个灌水器在不同工作压力下的平均流量，进而得到滴头的压力～流量关系曲线。从图6可以看出，灌水器的起始出流压力为30kPa。当工作压力小于30kPa时，滴头流道保持关闭状态；而当压力大于30kPa后，出流量基本处于稳定状态，流量值的变化偏差系数Cυ=2.4%，与压力变化无明显关系。
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图6 滴头的压力流量关系
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2.4 田间灌水均匀度
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对枣树生长期内的3次灌水过程后的土壤含水量进行监测，在两种毛管滴头的布置形式下分别观测灌后12h和24h后的土壤含水量分布情况。在以植株为中心的1m半径范围内，按均匀分布的采样原则随机地布设测点20个，获得的土壤含水量值用来计算该范围内的灌水均匀度。对每种毛管滴头布设形式而言，各次灌水时，沿随机选择的某单支毛管上前后均匀地确定出6个出水点，分别计算每个点范围内的灌水均匀度，并根据这6个数据的均值，给出该毛管的灌水均匀度，用来评价每种埋设形式下的田间灌水均匀度，其中点范围内的灌水均匀度DU的计算采用如下公式进行，式中：θ为每个测点处测量的体积含水率，%；为所有测点的平均体积含水率，%；n为测点总数。由该式可知，DU为无量纲系数，且DU值愈高，表明灌水均匀性愈好。
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表1的结果还表明，尽管在单行环状毛管布置形式下获得的田间灌水均匀度要高于单行直线毛管布设下的状况，尤其是在灌后12h时内较为明显，但两者间的差距在灌后24h时却没有明显的差异，这说明采用后一种埋设形式，在不影响作物对水分的及时需求前提下，能在节省滴头数量、降低系统成本造价的同时，获得人们可接受的田间灌水均匀度。
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表1 田间实测的地下滴灌系统的灌水均匀度
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2.5 滴头实际流量
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室内测试地下滴灌专用滴头的流量时，在一定工作压力范围内灌水器的出流量是个定值。而当灌水器埋入地下时，受管壁周围土壤压力作用和土壤导水性能的制约，滴头出流量有可能发生变化。
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田间实地完成滴头实际流量的测定。在枣树生长期内的3次灌水过程中，对每种毛管滴头的埋设形式，分别单独选择一根固定的毛管测定滴头流量，观察灌水器出流量的变化范围及趋势。每次测定过程中，记录灌水历时和水表读数（法国Burkert公司电子流量表，E级），然后采用下式计算滴头的平均流量：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中：V为由水表计量的测试毛管的供水量，L；H为相应的供水时间，h；n为测试毛管上的滴头数量（直线毛管和环状毛管上的滴头数目分别为15个和63个）。
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表2给出的田间实测结果说明，每种毛管滴头埋设形式下测定的滴头平均流量，在3次实测过程中都比较接近，且各自值间的差距也较小。由于滴头平均流量（3.81L/h）与室内测定的出流量（3.93L/h）之间仅存在着很小的差异，因而滴头地埋后并没有对其出水量有明显影响。考虑到示范园区的沙石土壤具有较强的透水性，入渗能力大于滴头出水量，故在此类土壤条件下，滴头流量的大小与其工作形式无关。
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表2 田间实地测定的滴头平均流量
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2.6 节水增产效益
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在田间试验观测小区内，1999年枣树生长期间共灌水3次。根据田间实测数据，平均每公顷每次灌水量187.5m3，传统的地面穴灌方式下，每公顷每次灌水量约450m3，二者相比，采用地下滴灌技术后可比穴灌节水42%。与之相对应，地下滴灌技术下的枣树产量为2540kg，比1998年的产量2020kg增加了520kg，增产幅度约26%，节水增产效果非常明显。
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3.结论
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研制开发的地下滴灌专用灌水器通过室内检测表明，滴头既具有防止负压堵塞的功能又具备良好的压力补偿及流量调节功能，灌水器出流量稳定均匀。经田间实地应用后发现，采用这种灌水器构成的地下滴灌系统有着较高的田间灌水均匀性；在示范园区轻质土壤条件下，滴头实际出流量与室内测定值间无显著性差异。此外，整个地下微灌系统运行1年后，尚未发现有明显的滴头堵塞现象。目前，这种地下滴灌专用灌水器已获得国家实用新型专利（专利号：99258187.7）。
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地下滴灌技术的田间应用初步表明，与以往的传统灌水方式相比，可节水46%、增产26%，节水增产效果非常显著，具有较好的推广应用前景。
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参考文献
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[1] 程先军，许迪，张昊.地下滴灌技术发展及应用现状综述.节水灌溉.1999，4：13～15
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[2] 张昊，许迪，程先军，王桂芬.几种地下滴管（渗灌）灌水器性能的室内外试验研究.灌溉排水.1999，18（4）：10～14
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[3] 国家技术监督局.农业灌溉设备—滴头—技术规范和试验方法（GB/T17187-1997）
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[4] 中华人民共和国水利部.中华人民共和国行业标准.微灌灌水器.（SL/T67.1～3—94）
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（四）污水灌溉
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污水灌溉农业问题与对策
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1.我国污水灌溉的发展过程及区域分布
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我国污水灌溉开始于1957年，到目前已有40余年的历史。污水灌溉的发展过程主要随工业及城市废污水排放量的增加及农业用水危机的加剧而增加的。大体经历了起步、稳定和快速发展三个阶段（如图1所示）。
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图1 全国污水灌溉面积的发展过程
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第一个阶段是从20世纪50年代末至60年代初，当时国内对环境问题认识不深，普遍认为污水灌溉既可为农业增加水肥资源，又可给工业废水找到出路，应当大力发展。由于当时废污水排放量不大，到1963年全国污灌面积仅有4.2万hm2，污灌对农村水环境的影响不明显。
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第二个阶段是从20世纪60年代后期到70年代初中期，环境问题逐步引起了社会的关注，人们普遍对污水灌溉造成的水、土、粮污染开始产生怀疑。但由于废污水排放量日益增多，以及农业用水日渐紧张，许多大、中城市近郊和工矿区附近的农田越来越多地利用污水灌溉。到1976年全国污灌面积已增加到18.0万hm2。
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第三个阶段开始于20世纪70年代后期，随着国民经济的快速增长，城市及工业废污水排放量迅猛增加，污水灌溉面积也随之迅速扩大。1980年全国污灌面积已达133.3万hm2，1991年发展到306.7万hm2，年均增长11.5%。由于大部分废污水未经处理直接用于灌溉，不仅造成了部分农田严重污染，而且对农村水环境构成了威胁。
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从全国污水灌溉面积的分布看，90%以上集中在北方水资源严重短缺的黄、淮、海及辽河流域。大型污灌区主要集中在北方大、中城市的近郊县，其中包括全国五大污水灌区的北京污灌区、天津武宝宁污灌区、辽宁沈抚污灌区、山西惠明污灌区及新疆石河子污灌区。
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目前我国经济处于快速增长时期，在城市生活用水和工业用水不断增加的同时，废污水排放量也将不断增长。根据国家经济实力，在近期内要大幅度提高废污水处理率十分困难。可以预测，在全国水资源日益短缺的情况下，污水灌溉将有增无减，污灌水质超标问题在近期内很难得到有效解决。一方面要利用生活污水保证和发展农业灌溉，增加粮食产量，另一方面又要保证污灌区饮水及全国食物安全，关键是如何兴利除弊，科学适度地开展污水灌溉。
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2.污水灌溉研究成果介绍
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2.1 土壤—植物系统对污水中有机污染物及金属、非金属元素的净化作用
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污水中的有机污染物通常用BOD、COD，SS、TN、TP等指标来表示，这些指标在土壤—植物系统中下降，说明土壤—植物系统有净化效果。1990年农业部环保所的试验结果表明：土壤—植物系统通过土壤吸持、作物吸收和地下淋溶的作用，对污水中的有机污染物有很强的净化能力。经过一级处理或氧化塘处理后的污水用于旱田灌溉，有机物的除去率达到了70%～98%。但是，长期连续的污水灌溉，土壤对有机污染物的净化能力也会降低，应采取定期污水休灌等方式恢复土壤的净化能力。
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污水中的金属元素主要有镉、铬、铅、锌、汞。人们担心的是，污灌使大量的金属元素在土壤中富集，然后被植物及动物吸收、摄取，并通过食物链进入人体。非金属物质包括硼、硒、砷、硫及其化合物、氧化物和盐类等，其中有些元素（如硼、硒）还是植物的营养元素。根据国内多年的研究试验，只要灌溉水中的金属和非金属元素控制在痕量指标以下，就不会对作物及人体产生危害。问题的关键是如何正确控制污水及土壤中的金属、非金属元素的含量。
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2.2 污灌对土壤污染及土壤肥力的影响
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土壤污染主要是有机物污染和重金属污染。如上所述，由于土壤—植物系统对污水中有机污染物及金属元素具有较强的净化作用，在一定限度或痕量范围内不会造成土壤污染。现实的问题是，一些地区长期进行超标污水灌溉，土壤中的有机污染物及重金属含量大大超过了土壤吸持及作物吸收能力，必然造成土壤污染。1982年农业部门对37个污灌区（面积38.0万hm2）的调查结果表明：土壤重污染面积占8.4%。由于近20年来没有进行类似调查，目前土壤污染的实际状况尚不清楚。
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土壤肥力，主要指土壤养分（例如氮、磷、钾）和土壤有机质含量。北京市在高碑店污灌区进行了污水与清水灌溉的对比试验，结果表明，污水灌区的土壤养分高于清水灌区。但是，在西安（崔淑贞等，1991）、保定（王德荣等，1991）和济南（徐应明等，1991）等污灌区的调查结果表明，污水灌区与清水灌区的土壤养分并无明显差异。对此需要进一步研究。
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2.3 污灌对地下水的影响
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目前的研究资料很少。根据北京市的试验研究，污灌对地下水的污染机理是：灌溉污水首先在上层土壤产生淋溶，渗透水中的盐分和重金属逐渐增加，并向下层淋溶。与上层土壤相比，下层土壤的淋溶强度逐渐减弱，到7～8m左右的深度，灌溉水的淋溶作用基本消失。这就是说，地下水埋深小于7m的污水灌区容易造成地下水污染。特别是沙性土壤灌区，由于土壤吸持能力低，灌溉水渗透速度快，更易造成地下水污染。因此，在浅层地下水地区、沙土地区不宜进行污水灌溉。
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2.4 污灌对作物产量及品质的影响
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污灌能否增产是人们普遍关心的问题。北京市利用城市混合性污水，适时定量地进行了小麦污水与清水灌溉的对比试验，结果表明，污水灌区比清水灌区增产6.5%和8.7%。同时，他们指出，在利用城市污水灌溉作物时，除了应控制金属、非金属和有毒有害物质的含量外，还应适量控制有机污染物的浓度，并要避免大水污灌。
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粮食蔬菜品质一般指其营养成分，通常用蛋白质、氨基酸、维生素、纤维素、还原糖等含量的多少来表示。关于污灌对蛋白质含量的影响，目前有两种看法，一种是污灌降低了麦稻蛋白质含量，而且随着污灌年限的增加，麦稻品质逐年下降，另一种看法是，在一般情况下污水灌溉后粮食内蛋白质是增加的，只有在田间管理不当或污水水质特差的情况下可能引起粮食内蛋白质下降。对此尚需进一步研究。关于污灌对蔬菜的影响，北京市的田间测定结果表明，污灌会明显降低维生素C的含量，其他营养成分则有增有降。因此，他们主张不宜用污水灌溉蔬菜。
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2.5 有关污灌水源及污水灌溉技术的研究
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目前污灌水源可分为城市混合污水、石化废水和工矿废水三类。根据1982年农业部对全国37个污灌区的调查结果，灌溉污水水质普遍不符合灌溉水质要求。从污灌区作物产量看，在城市混合污水和石化废水灌区多数是增产的，但在工矿废水灌区一般是减产的，而且造成了严重的农田污染。根据农业部环保所近10多年来的试验，灌溉可利用的污水是经过处理后的城市污水或与城市污水水质相近的工业废水和有机无毒工业废水，如食品加工行业、屠宰行业、淀粉行业、酿造发酵行业所排放的废水等。不可利用的污水有：医药、生物制品、化学试剂、农药、石油炼制、焦化和有机化工等行业的废水。
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有关污水灌溉技术，目前的研究资料很少，总的原则是：污水灌溉的灌水量、灌水次数及灌水时期不能像清水灌溉那样根据作物需水量来决定，应当充分考虑水质、土壤环境状况及作物种类等。根据北京污灌区（大部分是清污混合性灌区、轮灌或间歇污灌区）的试验研究结果，小麦每年污灌2～4次，污灌水量11.7m3/hm2，占总灌水量的35%比较适宜。
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3 污水灌溉存在的主要问题
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3.1 污灌水质超标，污灌前缺乏必要的预处理措施
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目前全国污水灌溉存在的首要问题是灌溉水质超标问题。一是城市及工业废污水总体处理率低，排放水质超标。1998年全国日排放废污水量达到1.6亿m3，处理率不足30%，大部分污水未经处理直接排放；二是污灌前普遍缺少必要的污水预处理措施。
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3.2 污水灌溉监控、管理体系不健全，污灌面积盲目发展
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目前污水灌溉的作物大都为供食用的粮食和蔬菜，对农产品残留无检查制度。尽管国家颁布了《农田灌溉水质标准》，但由于污灌水质无人监督，灌溉部门没有按标准检验把关，在污水灌溉面积发展上存在着严重的盲目性。在缺水地区，农业用水如何保障、如何科学适度地利用污水灌溉，缺乏合理规划及相应的监督、管理体系。
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3.3 污水灌溉研究严重滞后
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我国污水灌溉研究伊始的1957年，中央建工部将污水灌溉课题列为国家科研计划，并联合农业部、卫生部等部门在全国12个城市开展了污水灌溉试验研究。1961年我国第一个《污水灌溉农田卫生管理试行办法》颁布实施。1963年中国土木工程学会在长沙召开了全国污水灌溉学术研讨会，以水质为中心进行了研讨和交流。1974年在石家庄召开了第四次全国污水灌溉会议，为污水灌溉的健康发展提供了科学指导和技术支持。1978年国家颁布了《农田灌溉水质试行标准》，1985年和1991年先后进行了修定和补充，1992年将《农田灌溉水质标准》列为国家强制性标准，颁布实施，进一步规范了污水灌溉的发展。
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但是需要指出的是，20世纪70年代末期以来，由于水资源的短缺和污水排放量的迅速增加，全国污灌面积迅速扩大，由1980年的133.3万hm2增加到1991年的306.7hm2，增加了1倍多。但因涉及面宽、多部门多学科交叉等原因，全国性的污水灌溉研究冷冷清清，目前全国污水灌溉的发展状况和问题不详。尽管国家颁布了《农田灌溉水质标准》，但由于政府管理、部门监控、科学研究与技术指导等措施不配套，实际上没能执行，超标污水灌溉造成农村水环境日益恶化，令人担忧。
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4.对策与建议
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4.1 全面调查，科学规划，严格控制废污水超标排放
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为了弄清全国污水灌溉的实际状况，首先需要对污灌水源、水质、污灌面积、灌溉作物及污水灌溉方式等进行一次全国性的调查，在此基础上，进行科学规划，从总体上保证污灌区水土环境平衡。与此同时，有关部门要严格控制城市和工业废污水超标排放，严格执行国家颁布的《农田灌溉水质标准》。
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4.2 大力推行灌溉污水预处理技术
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在正确选择污灌水源，大力提高废污水达标处理率的基础上，污灌区应根据污灌水质状况，大力推行一些简便易行、经济可靠的污水预处理技术。在我国，氧化塘或氧化沟处理法、污水土地处理技术、污水生态处理系统等污水预处理技术已经成熟，其推广应用可有效地减轻原生污水或只经过一级处理的污水对土壤及作物的危害。
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4.3 全国开展污水灌溉技术的研究
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（1）研究污灌对土壤肥力、作物生理生化、农产品品质和产量的影响，研究不同类型污水、不同灌溉定额条件下的土壤肥力的变化、作物生长发育状况、作物产量及品质的变化。
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（2）研究不同土壤—植物系统对污水中有机物及主要有害物质的安全承受量，即该系统的最大环境容量，为科学制定不同类型土壤—植物系统的污灌定额及污灌水质标准提供依据。
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（3）主要农作物的污水灌溉技术研究。在综合应用上述研究成果的基础上，提出不同污水类型、不同土壤条件下主要农作物的污灌方式、次数、最佳灌溉时间及灌溉定额，实现科学适度的污水灌溉。
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4.4 建立健全污水灌溉的规范化管理体系
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4.4.1 建立污灌区水土环境评价指标体系及监测信息系统
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本着简便易行的原则研究确定污灌农田地下水及土壤环境评价指标，并以水利系统为基础建立污灌区水土环境监测体系和全国污灌区水环境信息网。
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4.4.2 污灌水质标准研究
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我国1992年颁布了《农田灌溉水质标准》，但没有得到很好的落实。因此需要针对污水灌溉的特点和突出问题，提出污灌水质标准及实施方案。
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4.4.3 建立污灌区管理体系
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吸收和借鉴国内外污灌区管理的成功经验，建立污灌区规范化管理体系，从组织管理上保证污水灌溉农业的可持续发展。
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4.5 几点应急对策
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在目前污水灌溉技术研究落后与监控管理体系不健全的情况下，为减轻或缓解污水灌溉对农村水环境的破坏，建议有关部门采取如下对策。
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（1）严格检查和控制污灌水源，停止使用医药、生物制品、化学试剂、农药、石油炼制、焦化和有机化工等行业排出的废水灌溉，对有毒有害的工业废水一定要严格把关，要求企业在厂内集中处理，达标排放。
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（2）原生污水灌区要立即采取一些简便易行的污水预处理措施，例如，在排污口或排污河内设置沉淀池，或在污水进入农田前适当增加迂回水路等，除去污水中悬游物、虫卵和其他固体颗粒，减轻污水对土壤和作物的危害。
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（3）实施污灌时，要坚持少量、勤灌的原则，防止因深层渗漏过大而污染地下水。在有条件的地方，要检查污灌水质，普查土壤状况，根据情况采取定期污水休灌、与清水交替灌溉等措施。
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（4）立即停止生食蔬菜和瓜果的污水灌溉。由于生食蔬菜、瓜果的主要成分是水，污水中的有害有毒物质被吸收后直接危害人体，而且生食蔬菜和瓜果的污水灌溉也容易造成直接污染。在目前既无监督管理部门，又无定期检查制度的情况下，应立即停止生食蔬菜和瓜果的污水灌溉，避免隐患发生。
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（5）公共卫生部门应对污水灌区的饮水水质进行一次全面检查。对影响和威胁当地饮水安全的污灌区进行规范和管理，采取相应的保护措施，包括停止污灌等，对已造成饮水污染的地区应采取打深井或改用其他水源等措施。
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参考文献
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[7] 中国土木工程学会.污水灌溉学术会议论文选集[M].北京：中国工业出版社，1966
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与作物灌溉相结合的高效、持续性污水处理与再利用新技术
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1.简述
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随着经济发展水平的提高和城镇化发展速度的加快，工业和城市生活用水不断增加，可供农业灌溉利用的水资源日益减少，加剧了农业水资源的紧缺程度。并且，工业和城市生活用水不断增加，增加了工业和生活污水的排放量。有资料表明，我国很多河流和湖泊等地表水体都受到了不同程度的污染，有些污染十分严重。随着对工业污水治理措施的加强，造成地表水体污染的污染物基本上以有机物和氮、磷等污染物为主。而这些污染物对于农作物来说都是必需的养分。如果能将这种污水充分利用，用于作物灌溉，将既有利于缓解农业用水的紧缺状况，又有利于对污水进行处理，从而改善环境。
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世界上很多国家都进行了污水灌溉研究，并且显示了良好的发展前景。但是，如果利用污水进行灌溉的技术措施不当，污水中的污染物可能造成农产品的污染，利用污水进行灌溉的土地可能发生退化。特别是如果灌溉的土地为黏性土壤，盐分在土壤中的积累可能使土壤发生盐碱化。
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为了寻求经济而又具有可持续性的污水灌溉和污水处理技术，我们提出了土壤改良、污水再利用的过滤和作物灌溉技术（Filtration and Irrigated cropping for Land Treatment and Effluent Reuse，简称FILTER）。该技术的主要目的是利用污水进行灌溉，一方面满足作物对水分的需求，并满足或补充作物对养分的需求，同时降低污水中的氮磷含量，使之达到环保部门要求的排放标准。该技术使用高污染物含量的生活污水进行作物灌溉，通过土壤过滤汇集到密集的地下排水系统，然后排放到地面沟渠或其他地表水体，或者二次利用。由于系统中安装了密集的地下排水系统，所以即使在作物耗水强度较低的季节，该系统也具有较高的污水处理能力。为了通过土壤物理和生化过程以及作物的吸收过程取得良好的污水处理效果，系统运行过程中，污水的施加、施加的污水在排出前于系统内保持的时间、排水管以上地下水位的深度以及滤出水的排出过程都是可以控制的。系统结构如图1所示。
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图1 FILTER系统结构图
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在澳大利亚新南威尔士州格林菲斯市对该技术进行了初步试验。试验用的系统中，排水管埋深1.2m，间距为8～10m。系统的运行目标是：在能够保持要求的排水率（即污水处理能力）条件下，污染物去除率和作物生长环境（土壤水分）综合状况达到最佳，或者在保证污染物去除率满足要求的条件下（处理效果达到环保要求），排水率（即污水处理能力）和作物生长环境（土壤含水率）达到最佳。即：系统的运行应该既能够保证良好的污水处理效果和足够的处理能力，又能够保证系统内作物有满意的产量。
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试验中，系统的运行以14d为一个周期。每个周期分为四个阶段，依次为：灌前平衡期、污水施加（灌溉）期、灌后平衡期、排水期。通过这四个阶段的运行，可以提高污染物的去除率，提高污染物在系统内土壤中分布的均匀程度。
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初步试验结果表明，使用FILTER技术，既可以保证足够的污水处理能力，又能够满足降低污水中的污染物含量，使之达到环保部门的要求。此外，还获得了较好的作物产量，这可以补偿系统的建设和运行费用。
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为了在更大规模上以及其他的气候和土壤等自然条件下对该技术进行进一步的研究，我们分别在澳大利亚新南威尔士州格林菲斯市和国内的天津市进行了试验。本文就是对这些试验成果的总结，包括污染物去除效果、作物生长和产量情况以及土壤水力性能等。这些方面的情况反映了FILTER系统的污水处理效果及其可持续性。
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2.材料和方法
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2.1 污染物去除率观测
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取灌溉水和排出水的连续水样，并用适当的方法保存，以备进行化学分析。在实验室中进行下列项目的分析：pH，电导率（EC），生物耗氧量（BOD5），悬浮物（TSS），铵态氮，硝态氮（N0X），总氮（TKN），总磷（TP）以及大肠杆菌总数。化学分析按APHA，AWWA和WEF的标准方法进行。
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在每个作物生长季节的开始和结束时，取0～200cm深度的土柱，分成20cm长的土样。在实验室中进行下列项目的分析：NOx（NO2、NO3），可吸收磷，1∶5土壤水溶液的pH以及电导率。
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记录作物干物质产量，并在实验室中分析作物干物质中总氮、总磷及其他物质的含量。
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2.2 排水率和土壤水力性能的观测
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FILTER系统是否成功，很大程度上取决于系统是否能够在排水过程中保持足够的排水率。在系统长期的运行过程中，土壤排水率是否有明显的减小趋势，或者如果有明显的减小趋势，是否可以方便地恢复，是系统是否具有可持续性的一个重要指标。
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Youngs（1985）提出了根据排水率和地下水位变化过程对土壤水力性能进行分析的方法。Youngs（1985）认为，在地下排水暗管自由排水的情况下，Hooghoudt方程可以简化为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中，q为排水率（m/s）；Hm为相邻两条排水管正中位置处地下水位至排水管的高度（m）；K为饱和土壤水力传导度（m/s）；2D为排水管间距（m）；a为系数；d为排水管距不透水层的距离，并且0≤d/D≤0.35。当d/D→∞时，Youngs（1985）发现a的值近似于1.36。当d/D=0时，a=2.0。
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对于任意时刻，相邻两条排水管正中位置处地下水位至排水管的高度为H，代入（1）并重新整理得：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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对式（3）取对数得：
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lgq=algH+[lgK-algD] （4）
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如果能够在田间排水过程中实际观测到H及其对应时刻的排水率q，将其对应的数据点拟和成直线，或绘制其对数关系并拟合成直线，根据该直线的斜率和截据，由式（3）或（4）可以得到a和K值。并且根据长期的观测数据，可以对土壤水力性能的变化趋势做出判断。
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3.结果与讨论
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3.1 污染物去除率
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试验过程中，灌溉用污水中总磷平均浓度为6.1mg/L，而排出水中总磷浓度为0.39mg/L。该值远远低于环保部门的排放标准的要求（1mg/L）。排出水中其他污染物的浓度也都符合环保部门的排放要求。表1所示为灌溉用污水和相应的排出水中各种污染物的浓度和总量以及污染物去除率。
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表1 污水和排出水中污染物浓度和含量对比（1998年冬季）
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另外，排出水中盐分的浓度和含量比灌溉污水高，并且试验开始阶段排出水中盐分含量要比后续阶段高，如图2所示。这说明和其他土地污水处理系统相比，FILTER系统不仅能够避免因系统中盐分的积累而造成土壤退化，而且还能够对原本盐碱化的土壤有所改良。
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图2 灌溉水和排出水中电导率对比
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3.2 作物生长及其对污染物的吸收
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系统内种植的作物获得了较好的产量。燕麦干物质产量为8.9t/hm2，黑麦草产量为14.3t/hm2。N、P、K、Ca、Mg、Na、B以及包括Cu、Mn、Zn等重金属在内的污染物去除效果良好，如表2所示。
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表2 作物对营养物质和重金属的吸收以及来自污水的N、P量
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上述数据表明，系统内种植的作物可以充分吸收污水中的养分，并且可以获得较好的作物产量。通过合理的设计系统，以及对系统内种植的作物进行有效的管理，可以避免养分、盐分和重金属在试验地块内的积累。
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3.3 排水率和土壤水力性能
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图3所示为连续6次试验中排水率qt和相邻两条排水管中间位置的地下水位Ht或Hm之间的关系。根据式（3），可得：K=7.26×10-7m/s，a=1.21。
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由图3可见，各次试验中q和H之间的关系没有发生变化的趋势。这说明土壤水力性能没有发生大的变化。
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图3 排水率与地下水位关系
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4.结论
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试验表明，管理良好的FILTER系统，可以保持足够的排水率以保证系统的处理能力，经过系统的处理，排出水中污染物的含量可以降低到符合环保部门的要求。FILTER系统中种植的作物可以获得较好的产量。通过合理的设计FILTER系统并有效地管理灌溉、排水和农作过程，可以形成一个可持续的过程，能避免养分、重金属以及多余的盐分在系统内的积累。
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（五）排水除涝
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降雨特征分析及其与旱涝关系的探讨
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1.试区及其附近雨量站的基本情况
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试区及其附近雨量站的分布见图1。各地方雨量站现有1979—1988年10年的汛期日雨量资料；省水文站（米北、雄县及新盖房3处）现有米北站1965—1994年汛期5～10月份的日雨量资料，雄县1953—1994年全年的日雨量资料，新盖房1970—1994年全年的日雨量资料。试区内张岗站缺测数据较多，考虑到其邻近尚有青年路站，与其他6个雨量站在面上形成较均匀的分布，可以很好地控制试区的面雨量。因此，本次合理性检验的重点是试区内除张岗以外的7个雨量站资料，并以米北等省水文站作为标准站。
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图1 试区（阴影部分）及其附近雨量站的分布
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2.降雨量资料系列的合理性检验
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经过初步分析各地方站的雨量资料，发现存在如下一些问题：没有按指定的时间和频次进行观测，致使一些数据缺测或降雨的日期记录有误；漏测了许多小的降雨。
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由于试区内米北同时有地方雨量站及省水文站各1处，因此在对地方雨量站进行检验插补之前，首先利用这两个站1979—1988年10年的资料进行了日雨量分布的统计检验及月雨量对比。
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统计检验采用“X2”[（O-E）2/E]检验法，即按雨深分级，并检验“验证站”（即地方站）的这些雨深分布是否在统计上有异于期望分布。期望分布是根据观测可靠水文站的日雨量资料求得。检验分为两种不同的情况：（a）不计小于5mm的日雨量；（b）包括所有日雨量。统计检验结果列于表1。
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表1中，E为省水文站的日雨量发生次数，O为地方雨量站的日雨量发生次数。取置信度0.05，查标准表得X2a=9.488和X2b=11.070，则在第一种情况下，X2＜X2a，证明两种分布没有显著差异。
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表1 日雨量分布的“X2”检验
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小于4.9mm的雨量代表了总雨量的很小部分，而“X2”检验对任一级范围内的观测值与期望值之间的离差值都敏感（如第二种情况X2＞X2b）。由（a）、（b）两种情况可见，地方站虽然缺测了一些小的雨量，但对主要降雨量的观测还是比较齐全的。由于在其后的统计分析和设计降雨计算中，小的雨量不影响计算结果，所以从统计检验看，资料比较齐全的地方站还是可以接受的。从米北两站的月雨量相关分析也可看到，两站月雨量具有显著的相关性，且月雨量值相近。
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图2 雄县站42年降雨的模比系数差积曲线
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初步评估了地方站后，应用Surfer软件绘制了次暴雨等值线图，对试区内降雨资料中明显的缺测值进行了插补，同时对影响面雨量计算结果的单站日雨量的记录日期进行了对比检验。其后的计算中，米北站直接采用省水文站的记录资料。
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3.年雨量多年变化和降雨系列代表性分析
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3.1 年雨量的代表站选择
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试区内没有年雨量资料，而邻近的雄县站和新盖房站汛期5～10月份的雨量与米北站有很好的相关关系，总量也非常接近，与新盖房相比总量相差0.7%，与雄县相比总量相差2.0%。雄县和新盖房5～10月份的雨量分别占全年雨量的90.7%和89.3%。因此认为可以用雄县站（有42年的长系列资料）代表试区。
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3.2 年雨量的多年变化分析
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据雄县省水文站1953—1994年42年统计的降雨资料，年最大降雨量970.9mm，最小降雨量206.2mm，相差764.7mm，表现出年际变化幅度大的特点。图3反映了雨量的周期变化趋势，大的变化趋势出现比较明显的上升段、平缓段和下降段，对应的降雨段分别为丰水段、平水段和枯水段，每段又包含许多小的丰、枯交替阶段。
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图3 年雨量变化过程及5年滑动平均变化过程
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为反映连丰、连枯的严重程度，采用频次统计法按照以下常规统计标准进行了分析，即
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丰水年：P＞+0.33σ（相应频率P＜37.5%）
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枯水年：P＜-0.33σ（相应频率P＞62.5%）
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式中，P为第i年的降雨量；为系列多年平均降雨量（雨量均值）；σ为系列均方差。介于两频率间的年份即为平水年。按上述标准的统计结果列于表2。
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表2 雄县站年雨量连丰、连枯次数统计
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发生连丰及连枯的频次中以连续两年的居多，连枯频次多于连丰频次。如果把按上述标准划分的丰水年、平水年及枯水年作为降雨量的三种状态，则可从表3的统计中看出每种降雨状态分别转移到三种状态的概率。
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表3 雄县站年雨量转移概率计算
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很显然，三种降雨状态中枯水年转移到枯水年的概率最大，丰水年转移到丰水年的概率次之，也就是说，出现连枯或连丰年的机会均较大，这是形成本地区旱涝的主要原因之一。
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3.3 降雨系列的代表性分析
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以42年降雨系列的末端1994年为起点，逆时序向前依次计算1，2，3，…，n年的雨量均值及变差系数Cv，并绘出累进平均值的变化过程见图4。42年降雨系列的均值及变差系数已趋于稳定，表明这42年降雨系列具有良好的代表性。而自1975年以来的近20年，雨量均值及变差系数也基本达到稳定，显示出这20年降雨系列也有一定的代表性，这将成为其后试区内月雨量分析的基础。
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图4 不同长度降雨系列的雨量均值及变差系数变化过程
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4.降雨时空分布特征及其与旱涝关系的分析
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4.1 试区的月雨量分布特征
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以试区内各站6，7，8月份的点月雨量及面月雨量与米北站同期的月雨量进行相关分析，结果表明，除8月份点月雨量相关系数大多在0.8～0.9之间外，6，7月份的点月雨量相关系数大多大于0.9，面月雨量与米北站点月雨量的相关系数大于0.9，这表明试区内各站的月雨量之间相关显著。借助它们之间的相关性，将各站月雨量系列及面雨量系列插补展延，得到1975—1994年20年的6，7，8月份的月雨量。面月雨量特征值见表4。
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表4 面月雨量特征值（1975—1994年）
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从绘制的6，7，8月份20年的平均月雨量分布图可以看到，试区内各站最大与最小月雨量相差约20%～30%；6月份和8月份的月雨量基本上从北到南由大到小分布，以米北站为最大；7月份的月雨量从西到东由小到大分布，青年路站附近最大。
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月雨量的时间分布很不均匀，7月份最大，约为6月份的3倍，月雨量变差系数Cv均大于0.6。
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4.2 年内雨量的季节性分布特征
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仍以雄县站为代表站对年内主要季节的降雨特征作一分析，分析的重点为年内的3个时期，即小麦的生长期（10～5月份）、小麦的需水旺季（3～5月份）和春播或夏播作物易发生夏涝的时期（7～8月份）。年内不同时期的降雨特征见表5。
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冬小麦生长期多年平均降雨量95.0mm，与小麦全生长期需水500.0mm相比，缺水达400.0mm之多，特别是3～5月份的作物需水旺季，多年平均降雨量仅54.2mm，降雨与作物需水的矛盾最为突出。7～8月份的暴雨季节，多年平均降雨量334.7mm，占全年降雨的60%，降雨量的变率也较大。
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表5 年内不同时期的降雨特征
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4.3 降雨与旱涝关系的初步分析
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造成旱涝灾害的因素可分为气候因素、下垫面因素和人为因素三类，降雨的多少是产生旱涝灾害的主要因素，降雨在年内的分配不均，造成一年中可能既有干旱又有洪、涝、渍。
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据雄县1959—1983年25年的旱灾记录，有12年遭受不同程度的旱灾，其中6年成灾面积占耕地面积的10%以上。1949—1983年34年的涝灾记录中，有19年遭受不同程度的涝灾，其中9年成灾面积占耕地面积的10%以上。自20世纪60年代以来近30年的旱涝灾情（受灾面积大于10%）、年内主要季节雨量和年雨量详见表6。
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表6 旱涝灾情、年内主要季节雨量和年雨量
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如按3.2中确定丰、枯水年的标准来概括旱涝情况，则干旱与涝情划分同表6，即冬春旱（10～5月份）、春旱（3～5月份）、夏涝（7～8月份）。42年的雨量统计结果见表6的实际情况基本相符。
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表7 42年的雨量统计结果
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从表6可以看出，旱灾面积与全年和各典型月份的雨量有较明显的关系。除个别年份外，多数情况下，降雨量较少的年份成灾面积较大，降雨量较大的年份成灾面积较小，两者成负相关关系。而涝灾面积则与雨量成正相关关系。随着时间推移，由于水利工程的不断完善，同样的降雨量在较近的年份造成的旱灾程度有所减轻。雨量的空间分布不均及西北高、东南低的地形走势，对涝灾的形成也有很大的影响。如试区东部青年路附近，地势最低，7月份雨量最大，极易造成该处的涝灾。
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旱涝灾害虽不可避免，但通过各种防御措施可以把灾情控制到最小。试区1980—1993年的14年中，10年枯水年，连续的干旱少雨，地下水长期处于亏损状态，1994年汛前观测的漏斗区地下水埋深达12.7m，对农业生产产生了明显影响，1994年和1995年经历了两个丰水年，再加上试区内引水回灌，地下水得到充分补充，漏斗区地下水位上升幅度近10.0m，收到良好的回灌效果。1991年7月28日，7h降雨达260.0mm，由于灌排系统的正常运行，及时地排除了区内涝水。由此可见，合理地调控地下水，适时引水补充地下水，以地下水补雨水之不足，最大限度地发挥灌排系统的作用，对于控制干旱、涝渍的发生是一个有力的措施。
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5.试区设计最大1日及最大3日降雨量计算
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首先用泰森多边形法计算1979—1988年汛期试区逐日面雨量。由于10年雨量系列太短，因此用“一年多次法”选样，每年选取最大、次大和第三大1d降雨量，共30个雨量值。然后以米北站为参证站，按同样方法进行选样，并进行相关分析，两者关系良好，可用米北站的资料展延试区其他年份的最大1d降雨量。最大1d降雨量适线结果为面平均最大1d降雨量83.0mm，Cv为0.55，Cs为4CV，1%和5%频率的最大1d降雨量P1%为154.0mm，P5%为112.0mm。
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最大1d降雨量还可用间接法计算，以米北站点雨量的设计结果通过点面关系推算面雨量的设计值，计算结果P1%为158.0mm，P5%为112.0mm，与前者十分接近。
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设计最大3d降雨量计算方法同上，间接法的计算结果是P1%为210.0mm，P5%为147.8mm。
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6.结束语
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以河北省雄县水资源平均调控试区的降雨量分析为代表，充分利用了地方雨量站和省水文站的降雨量系列资料，通过合理性检验、资料评估、年雨量变化趋势分析、设计降雨的计算、降雨的时空分布特征及其与旱涝关系的分析，较系统地介绍和论述了降雨资料的分析计算方法，并得出有关数据，为探讨制定该试区水资源调控和管理模式提供了依据。
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参考文献
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[1] 成都科技大学，华东水利学院，武汉水利电力学院.工程水文及水利计算.北京：水利出版社，1980
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[2] 国际粮农组织.干旱地区水文学（粮农组织灌溉和排水丛书）.北京：中国农业科技出版社，1988
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[3] 中国水利学会.水文计算经验汇编.第三集.北京：中国工业出版社，1964
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宁夏银北排水项目暗管排水外包滤料试验研究
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1.前言
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随着挖沟铺管机械的发展，世界上许多国家，如荷兰、法国、西班牙、加拿大、德国、比利时、加拿大，近20年来将土工织物用作农田排水暗管的外包过滤材料，开展了大量的研究和田间应用，取得了有益的经验。中国水利水电科学研究院也于1987年在国内首次开展了土工织物用作暗管排水外包滤料的试验研究，并取得了相应的成果。波纹塑料排水管外包有纺尼龙套筒作为辐射井的水平吸水管在内蒙古等地应用排水效果十分显著。总体来看，随着化纤工业的发展，使用薄层土工织物作为排水暗管外包滤料日益增多，但目前在这方面的研究和实用经验还不多，其反滤标准还远不如砂石粒状滤层那样成熟、统一和有效。因此，选用土工织物作为排水暗管外包滤料应通过试验确定。而且宜遵循织物初选、室内试验初选、野外试验评价和田间应用的步骤。
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2.试验材料与方法
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2.1 试验用土料
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试验用土取自宁夏排水项目区内的贺兰县和惠农县。其特性见表1，两种土均为重粉质壤土，其Cu值过大，特别是粉粒含量多，黏粒含量与粉粒含量的比值均小于0.5，属于不稳定的有问题的土。在这种土壤中埋设排水暗管，管外应外包过滤材料。
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表1 土壤特性
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2.2 试验用土工织物滤料材料
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试验共采用了12种土工织物为备选的过滤材料。其中10种为无纺土工织物。2种为有纺织物，代号为L的无纺织物是宁夏在暗管排水中曾应用过的。织物的有效孔径O90在0.12～0.47mm之间，织物厚度在0.24～2.55mm之间，织物的单位面积重量在50～200g/m2之间。各种土工织物的特性见表2。
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表2 土工织物特性
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2.3 试验装置
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试验采用一维和二维两种渗透模拟装置。一维装置用以对不同土壤与不同织物组合情况下进行试验比较。在此基础上选择效果较好的织物进行二维试验，对其进行较长期的观测。二维试验装置的土体渗流排水条件较接近于实际情况。
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一维试验装置直径约20cm的有机玻璃圆筒组成，圆筒高50cm，两端有法兰盘，便于安装和拆卸。试验水流自上而下，下游出水口位置固定，土样厚度10cm。通过调节上游进水口及溢流平水口位置高度可调节试验的渗透比降。水流通过铺放在土体下面的织物滤料和支撑铜网排水入筒，经排水口排出并测量流量。在土体不同高度装有测压管。
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二维试验装置（图1）为长方形渗流槽，分为互不连通、尺寸相同的左右两部分。各自填土尺寸为70cm×50cm×37cm，土体中分别放置包有织物滤料的塑料波纹排水管，其有效长度为50cm。用平水箱控制上下游水位，进行供水和排水，水从两侧进入箱内，由土体两侧及其上方渗入土壤后进入排水管，最后通过管端排出。在沿测压管上方的槽壁上布有测压管。
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图1 二维试验装置示意图
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2.4 试验过程
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为了保持试验条件的一致性，在用不同的滤料试验时，其土壤的物理条件应保持相同。首先，将土样过5mm筛，通过喷水或晾干控制其含水量在15%左右。填土容重取田间实测值，并采用分层击实法来控制装土容重。试验前将土样分层加水饱和，水流自下而上排出土体内空气。调整测压管至齐平后，打开进排水管，试验开始。考虑到土壤的相似性，一维试验采用贺兰土壤及惠农土壤，二维试验采用惠农土壤。
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一维试验包括变水位和定水位两种情况。试验时，先稳定上游水位，2h后测排水流量及测压管读数，然后提高上游水位，改变渗透比降，同样观测记录排水流量等。最大比降接近10，总历时约20h完成变水位下的试验，得到不同比降条件下的排水量。然后保持上游水位固定（比降约为7），历时24h，在不同时间观测记录排水量等，得到定水位条件下排水量随时间的变化关系。二维试验的土样制备、装土、饱和、观测等同一维试验类似，并主要对定水位条件下（保持土壤表面约5cm水层）排水流量的衰减变化情况进行观测。
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3.试验结果与分析
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3.1一维试验结果
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由试验可知，土壤和土工织物的组合体其排水能力随着渗透比降的加大而逐渐加大。但不同土工织物之间排水能力的差异较大，而且随着比降的加大，差异也愈来愈大。对于贺兰土壤，排水能力由大到小的排序为A＞I＞D＞B＞K＞H＞J＞L。对于惠农土壤，排水能力由大到小的排序为A＞J＞B＞I＞K＞E＞G＞F＞H＞C＞L。由排序可知，土工织物A、B、I、K对二种土壤都有着较好的排水能力。而其他几种土工织物虽然排水能力也随着比降增大而增加，但增长率明显变慢。特别是厚度最大的土工织物L，排水能力极差。由图4及图8表明，回填土壤的容重对暗管排水流量亦有较大影响，容重太大会减小排水流量，容重太小会使排水流量随水头增加而增大的速率减小，此结果说明在实际铺设暗管时，回填土不能过分压密，以接近天然容重为宜。
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图2 一维渗透流速—时间曲线（贺兰土壤）
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图3 一维渗透流速—时间曲线（惠农土壤）
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图4 一维系统渗透系数—比降曲线（贺兰土壤）
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图5 一维系统渗透系数—比降曲线（惠农土壤）
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图6 一维试验下土体渗透系数Ks及系统渗透系数K随时间的变化
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3.2 二维长期试验结果
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图8给出了二维试验排水流量—时间关系结果。结果显示，试验初期排水流量下降较大，但经过一段时间后，两种织物滤料下的排水量均趋于稳定，稳定时间约为20d。织物A的稳定排水量大于B的稳定排水量，分别为11ml/min和9ml/min，这与一维试验结果相一致。试验历时60d时，停水排干以模拟田间地下水位变化情况，一周后再次加水试验，结果表明，其排水量并不减，而且在此排水初期，其排水量还稍有升高，并最后稳定在上述数值。在整个试验历时约110d后，流入暗管内的土粒量减少，而且在再次排水时也没有土粒流失现象。这些结果说明这两种织物作为暗管排水外包料，能够维持土壤稳定，防治滤料淤堵失效，并最终保持稳定的排水流量。因此，建议用这两种织物作滤料可在田间开展应用试验。
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图7 一维土工织物厚度—淤土量关系
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图8 二维试验流量—时间关系曲线
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4.结论
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外包过滤材料是暗管排水工程中质量能否有效保证的关键。经过级配的砂砾料是传统的过滤材料，其反滤排水效果是显著的，当地有货源或经济条件允许应用级配砂砾料应是最优方案。但货源不足或造价较高也制约了砂砾料的应用，因此对土工织物等过滤材料的应用国内外都在集中精力研究。试验提供的是取自银北项目区的土壤和土工织物组合的室内试验结果，由于现场土质状况及施工质量等方方面面的影响因素较多，室内试验结果尚待室外实际运用进行验证。为此，根据室内试验结果，初选A、B、I、K四种土工织物进一步在现场实际运行验证。
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参考文献
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[1] 丁昆仑.合成材料作为排水暗管外包料的试验研究[D].北京：中国水利科学研究院.1989
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[2] 丁昆仑，余玲，瞿兴业.土工织物用于暗管排水的研究及应用[J].水利水电技术.1994，（3）
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[3] 灌溉与排水工程设计规范.GB50288-99[M].北京：中国计划出版社，1999
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[4] Broughton，R.S.对塑料排水管道合成裹滤料的野外评价[J].灌溉排水.1985，（2）
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黄河滩地粉砂层辐射井成井技术
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1.引言
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辐射井是开发利用地下水的井型之一，其由大口径竖井和在竖井中任意高度沿径向打进的数条水平集水管组成，素有“井中之王”之称。1997—1998年我们受胜利石油管理局的委托，就如何利用辐射井在黄河下游滩地开发地下水资源进行试验研究，现已研究出在黄河下游滩地粉砂含水层打辐射井的成井工艺，并完成了两眼辐射井的施工，每眼井最大出水量为250～300m3/h，为胜利石油管理局滨南采油厂矿地区初步建成了一个生产生活用水水源基地。
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2.试验概况
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试验选在滨州市杜店镇小街村东北的黄河滩地中。试验区内地表下4～5m以上为粉土，以下为粉质黏土、黏质粉土，12～15m以下为粉砂层、粉细砂层，局部夹有粉质黏土、黏质粉土层。40m以上砂层总厚度22～25m，以粉砂为主。42～45m以上为重碳酸盐淡水，矿化度0.5g/1左右，pH为8左右，以下为无法使用的咸水。
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本次试验，我们完成了两眼辐射井的施工，第一眼井竖井深32.5m，布置水平集水管6层，每层6～8根，分别位于竖井的15.0m、20.0m、26.0m、28.0m、31.0m、32.0m深处；第二眼井竖井深35.4m，布置水平集水管7层，每层6～8根，分别位于竖井的24.5m、26.5m、28.5m、29.5m、30.5m、31.5m、32.5m深处。
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3.竖井成井技术
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竖井是辐射井的主体部分，它是水平集水管的施工场地和水平集水管的积水井。本次试验采用反循环回转钻机成孔，漂浮下管法成井。这种方法较沉井法投资少、速度快、施工安全。竖井井管是由不透水的钠筋砼做成，外径2.90m，内径2.60m，事先在施工现场预制，1m一节，井座外径2.90m，内径2.60m，底厚20cm，高1m，亦是现场预制。用反循环回转钻机成孔后，将井座吊装到井孔中漂浮起来，再将井管吊装到井座上，一节接一节地摞上，直到井座下到预定深度，并确保井管直立，井管接头采用“三油两毡”封闭接口，最后在井管周围填土密实。
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在这种极细的粉砂地层采用反循环钻进时，为确保稳定钻进、高效进尺且不坍孔，必须保持以下条件：
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（1）护筒周围的填土必须十分密实。
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（2）保持井孔内的静水压力0.15kg/cm2以上，即孔内水位始终要高出地下水位1.5m以上。黄河滩地地下水位比较高，一般在1.0m左右，施工时必须抬高护筒位置，创造这个条件。施工过程中，要不断向孔内补水，保证上述条件。
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（3）井孔内泥浆比重要保持在1.04～1.08之间，试验区地层为粉砂，颗粒极细，且不含淤泥质颗粒，需随时添加黏土和火碱，确保泥浆比重。
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（4）钻头旋转速度要适中，试验表明钻头旋转速度保持在30～40n/min比较合适，如果过快就会冲刷井壁，发生坍孔。
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（5）成孔时要保持一定的钻进速度，钻进太快，不利于孔壁泥皮的形成，造成坍孔。试验表明每小时钻进1m左右比较合适（指净钻时间）。
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（6）漂浮法下井管过程中，井管接口一定要严密封好，一旦漏水，将前功尽弃，严重的会使井报废。
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4.水平集水管的成孔工艺
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4.1 顶进法
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顶进法选用φ89的钢管滤水管，内插PE管，每根长0.8～1.0m，丝扣连接，用液压水平钻机边旋转边推进，一根接一根，直接打进含水层。顶进过程中粉砂中的粉粒进入滤水管内，随水流进入竖井中排走，同时将较粗的颗粒挤到滤水管周围，形成一条天然的环形自然反滤层。滤水管的滤水效果与钢管的孔眼大小及孔隙率、内插PE管的外包滤网大小及其孔隙率密切相关。选择合适，既能减少顶进阻力，增加滤水钢管的顶进长度，又能使水平集水管的周围很快形成自然反滤层，使含水层的水通畅地汇集到水平集水管内，增加辐射井出水量，否则，辐射井的出水量成倍减少，或者长时间排出浑水，排出大量泥沙。滤水管要求的标准是顶进过程中排砂量最好，停止顶进后滤水管内排水很快达到水清砂净。这个标准的掌握只能在现场试验，即便同一种含水砂层，由于密实度不同，水头压力不同，滤水方式也有很大差别。
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4.2 套管钻进法
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套管钻进法所用滤水管选择Φ63的PE双螺纹波纹管，外套尼龙网套作为反滤料。滤水管的滤水效果与尼龙网套的目数密切相关，选择合适，使水平集水管的周围很快地形成良好的自然反滤层，使含水层的水通畅地汇集到水平集水管内，目数大，则出水量减小，目数小，则长时间排出浑水，排出大量泥沙。同样，尼龙网套的选择要根据水文地质条件，现场通过试验确定。
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套管钻进法施工是先将Φ89套管打进含水层中，再从套管中插进滤水管，然后脱掉钻头，拔出套管，把滤水管留在含水层中。滤水管在开始排水时，能带出粉砂中的粉粒，使粗粒在滤水管尼龙网套的外部形成自然反滤层，并很快水清砂净。
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4.3 施工工艺选择
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黄河滩地的地下水位很高，埋深仅1m，在深处打水平集水管，水压力高，喷砂严重，容易发生危险。试验中，深28m以下我们选用顶进法施工水平集水管，该工艺可减少施工中的喷砂量，危险性小，但顶进法不能打太长，试验中最长达25m。深28m以上我们选用套管钻进法铺设水平集水管，钻进长度50m左右。
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5.黄河下游滩地辐射井特点
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一般含水层的辐射井具有单井出水量大、控制面积大、运行管理费用低、寿命长等特点。黄河下游滩地特殊的水文地质条件，辐射井更体现出这些优点。
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（1）单井出水量大。我们试验完成了两眼辐射井，最大稳定出水量均超过250m3/h，是同地层同深度的管井出水量的8～10倍。对于管井，欲想开采较大的水量，必须增加井深，可是在黄河下游滩地，其下部和周围都是咸水，加大井深会使下部咸水入侵，开采的水源会逐渐变咸，无法使用。既要很好地控制井深，防止咸水入侵，又要尽可能大地开发地下水量，这就更显示出辐射井开发黄河下游滩地地下水的优越性。
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（2）寿命长。用管井抽水，在管壁上会形成很大的水跃值，进管流速很大，带动含水层中的细颗粒运动，使较多细颗粒流入井内，淤塞井管，时间长了，井就淤死了；或者细颗粒不流入井内，阻塞在井管管壁上，使滤水管渗透性衰减，大量管井报废就是由于这两个原因。黄河下游滩地含水层是极细的粉砂，更加速了管井的报废。辐射井在水平集水管施工过程中就已经形成了一个环形的自然反滤层，况且水进入水平集水管的流速低，水跃值很小，减少了细颗粒进入水系统，使井的寿命延长。
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（3）管理方便，维修便利。一眼辐射井的出水量相当于几个管井，集中管理，集中抽水，很方便，且成本低得多。一旦井出现问题，可将各个水平集水管关闭起来，将竖井中的水抽干，人下到井内检查维修即可。
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（4）补给迅速。黄河滩地地下水资源的开发做为黄河水源的补充水源，具有补给条件好、补给速度快、复蓄系数大等特点，断流条件下开采滩地潜流，黄河行洪和上游来水时可迅速得到补充。
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6.结论
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经过几年的探索研究，黄河滩地粉砂含水层辐射井的成井工艺已越来越成熟，可以推广使用。辐射井具有单井出水量大、寿命长、管理方便、维修便利、占地少等特点，是黄河下游滩地浅层地下水开发利用的理想井型。利用辐射井开发黄河滩地浅层地下水，对于黄河下游乃至中下游特点地下水资源的开发利用是一个有益的探索，具有广阔的应用前景和推广价值。
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参考文献
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[1] 伍军，智一标等.在粉细砂层中打辐射井的试验研究.水利水电科学研究院科学研究论文集（第25集）.北京：水利电力出版社，1986
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[2] 伍军，刑东志等.管滤结合的辐射井的水平集水管.水利水电技术.1984（10）
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[3] 陕西省水利科学研究所等编.辐射井.北京：水利出版社，1975
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暗管排水三维渗流量计算方法的探讨
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1.前言
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用于农田暗管排水的刚性排水管道，通常是由带孔眼的透水管壁或不透水的管壁和接口缝隙组成，渗透水流属于三维渗流，对于多数的三维渗流问题，迄今用解析法很难求解，数值法也难以模拟管道细微部位的变化，而且工作量很大，准确度也不能保证，采用室内或野外试验法，则大多是对结构影响进行定性测试，在定量方面至今缺乏深入研究。本文以三维水电比拟方法为基础，通过电解液模型，按不同管节长、不同缝宽及不同埋深条件，对5种暗管结构的排水性能测试成果进行了分析，初步探讨了暗管排水三维渗流量与二维渗流量的关系，取得了较为满意的结果。
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2.电解液模型试验
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为方便模型的量测，将模拟所依据的实际排水原型（图2）。试验用电解液渗流槽的长×宽×高为80cm×50cm×40cm，其上安置由测桥、滑板和测针组成的空间坐标仪。
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暗管排水多属非稳定流，为简化室内试验条件，采用稳定流进行对比试验，现仅对地表有积水情况的暗管结构与排水性能关系进行探讨。据此，沿长80cm的侧面紧贴内壁竖立0.2mm厚的铜板，以代表田面积水时的定水头面；将塑料管竖立在离铜板（即地面）不同距离的对称处，以表示暗管的不同埋深；用不同宽度的铜片粘于管壁的适当部位，以模拟管缝的变化。
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为探讨暗管结构对排水性能的影响，在管节长L=6cm、10cm和16cm，管外径d=3.1cm，管埋深（管顶至地表）10cm、20cm、25cm、30cm和40cm以及缝宽0.5mm和1mm的条件下，对如下5种结构处理方案的渗流场内位势与电流关系进行了测试：（1）仅有皆节接口横缝的常规圆管；（2）常规圆管增加纵缝，实为上下对应合成管；（3）同（2），但上下接口横缝错位搭接；（4）仅有纵缝的对比管，该情况为二维运动；（5）全管壁透水的理想排水管，该情况为二维运动。本次试验选用的管节长、管外径、缝宽及埋深接近将野外实际的尺寸相应缩小了3倍，受试验条件的限制，未作不同间距、不同管径和不同含水层厚的对比研究，所选试验间距类似野外暗管密布的情况。
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图1 田间排水示意图
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图2 电解液模型渗流槽示意图
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表1 暗管结构排水性能试验结果
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不同试验条件下所测得的位势u与电流I的关系数据表明，u-I均呈通过原点的直线关系，直线斜率为M=I/u，根据模拟试验法计算总渗流量的公式Q=λKHρI/u，定义M=I/u为流量系数，则在土体渗透系数K相同、模型几何比尺入及导电液电阻系数ρ相同情况下，M值可反映暗管的排水性能，据此用M来评价暗管结构对排水性能的影响。表1为不同试验条件下的5种暗管结构排水性能试验结果及对比，表中M1即表示方案（1）的流量系数，其他类同。
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3.三维渗流量计算方法
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3.1 搭接管与纵、横缝管的关系
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由于搭接管的缝隙位置相当于纵缝管与横缝管的叠加，其流量系数应存在如下关系：
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M3=a′M1+β′M4 （1）
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统计不同缝宽和管节长在各种埋深条件下的ΣM值，并求得ΣM3与ΣM13之比，如表2。
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表2
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表中d=ΣM1/ΣM1+4，β=ΣM4/ΣM1+4，K=ΣM3/ΣM3′，平均K值为1.312，
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由此可得下式：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中、分别为表2中同一管节长的a1、β1的平均值。
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建立与L及与L的关系（图3），可得下式：=0.5632-0.0142L，=0.4368+0.0142L，故
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图3
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其中=0.739-0.0186L，=0.573+0.0186L。
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式（3）的计算结果与试验值的对比见表4。
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M3=αM1+βM4 （3）
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3.2 搭接管与理想管的关系
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图4（a）为不同方案情况下M3/M5与t/T的关系曲线，其中t为管轴中心的埋深，T为含水层厚度，对M3/M5及t/T取对数，得图4（b），计算各线的双对数直线回归方程如图上所示，各直线方程有下列形式：
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M3/M5=A0（t/T）0 （4）
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图4
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A0、K0值与缝宽（△）及管节长（L）的关系如表3。
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表3
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建立K0-L/Δ及A0-L/Δ的关系线如图4（c）、4（d），可得下式：K0=0.107+0.0003L/Δ，A0=10-0.0005L/Δ-0.0852，故
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M3/M5=10-0.0005L/△-0.0852（t/T）0.107+0.0003L/△ （5）
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式（5）的计算结果与试验值的对比见表4。由表4可知，式（3）的计算结果与试验值相比，其偏差大部分小于5%；式（5）的计算结果与试验值相比，偏差均小于5%。由此说明，基于现有试验成果资料推导的计算式（3）及计算式（5）是合理可行的。
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表4 计算结果与实测结果对比
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3.3 横缝管与理想管的关系
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由上述推导的式（3）及式（5）可得横缝管与理想管的关系如下：
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M1=[10-0.0005L/△-0.0852（t/T）0.107+0.0003L/△M5-βM4]/α （6）
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4.结束语
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本文采用电解液模型，对常规圆管等5种暗管结构在不同参数组合条件下的排水性能进行了测试，以综合反映暗管排水性能的流量系数值作为对比依据，使用统计分析和线性回归分析法，推导出暗管排水三维运动情况下渗流量的近似计算式，为条件类似的农田暗管排水工程设计，提供了一种新的计算方法，在评价暗管结构对排水性能的影响时可参考使用。
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参考文献
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[1] 毛昶熙.电模拟试验与渗流研究.北京：水利出版社，1981年5月
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[2] 水利水电科学研究院，南京水利科学研究所编.渗流电模拟试验指南.北京：中国工业出版社，1965年3月
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[3] 浙江大学数学系高等数学教研组编.概率论与数理统计.北京：人民教育出版社，1981年3月
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刚性暗管结构形式与排水性能关系的三维电模拟研究
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1.前言
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几年来，农田暗管排水技术在我国南方渍害田治理和北方盐碱地改良应用中均取得显著效果。尽管波纹塑料管具有很多优点，但因价格较高而使用受限。研制价格低、取材方便的刚性吸水管具有一定的实用意义。而合理选择刚性暗管的结构，如管型、管长、进水缝隙等，以提高暗管排水效率应是值得关注的问题。由于试验技术及测试条件的限制，迄今大多数研究都是在室内或野外对结构影响进行定性的测定，在定量方面缺乏深入研究。基于三维渗流的实际情况，采用结构合理、操作简便、方法直观先进的三维水电比拟技术，研究常规圆管等5种结构在不同管长、缝隙及埋深条件下的暗管排水性能。对其中属于三维渗流运动且难以得出解析解的几种处理，通过试验分析和线性回归分析，探讨了三维渗流量的近似计算方法。
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2.渗流模型及试验处理方案
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2.1 渗流模型
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暗管排水多为非稳定流，为简化室内试验条件，选用概念明确、直观具体、便于改变处理和进行试验操作的电解液模型进行稳定流对比试验。电解液模型渗流槽及试验装置示意图见图2，所选用的普通自来水的电阻系数为1210Ω.cm，在10V稳定电压条件下进行流场测试。
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图1 电解液模型渗流槽示意图
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图2 电解模型试验装置示意图
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2.2 试验处理方案
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在管节长L=16cm，管外径d=3.1cm，管埋深（管顶至地表）25cm，缝宽1mm（处理V例外）的条件下，测定了5种结构处理时管周水流运动形态：
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Ⅰ：仅有管节接口横缝的常规圆管，其横缝位于管子中部8cm处；
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Ⅱ：常规圆管增加纵缝，实为上下对应合成管；
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Ⅲ：同Ⅱ，但上下接口横缝错位搭接；
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Ⅳ：仅有纵缝的对比管，该情况为二维运动；
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Ⅴ：全管壁透水的理想排水管，该情况为二维运动。
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在图1的坐标系中，取管轴中心位置为X=0，暗管中部横缝处为Z=0，各处理的测试项目如下：
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（1）管轴层面上（即平行铜板一面），离管轴x=3～10cm，每隔1cm处沿Z轴方向的压力分布；
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（2）垂直管轴，距接口横缝z=0，2cm，4cm，6cm，8cm处的5个剖面上的等势面形态。
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此外，就每种处理在管节长L=6cm，10cm，16cm，缝宽0.5mm，1mm及管顶埋深10cm，20cm，25cm，30cm，40cm的条件下，分别进行了电压与电流关系的测试。
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图3 管轴层面上距管轴不同距离处沿Z轴方向的压力分布
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3.试验资料整理
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3.1 电位资料整理
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根据电位测试数据，绘制了前四种处理情况下管轴层面上距管轴不同距离处沿Z轴方向的压力分布曲线（图4），处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ仅给出接缝z=0，2cm处两个平面上的等势线分布。
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图4（a） 垂直管轴平面上的等势线分布图
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为了对确定渗流量的各方法进行对比验算，在处理Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ的等势线图上加绘了流线，使之构成正交流网图。
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3.2 确定渗流量的方法选择
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（1）稳定流的基本公式：稳定流排水计算的单位管长渗流量公式为：
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q=KH/Φ
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式中 q——单位管长排流量（cm3/s·cm）；
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K——土壤的渗透系数（cm/s）；
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H——作用水头；
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Φ——渗流阻抗系数。本试验条件下的计算方法有：
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a.根据流网图的计算式为：
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Φ=n/m
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式中 n——等势带数；
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m——流槽数。
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b.根据电学原理的计算式为：
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Φ=δU/ρI
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式中 ρ——模型中导电流的电阻系数（Ω·cm）；
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I——模型的电流（A）；
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U——模型的电压（V）；
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δ——模型中导电液的厚度（cm）。
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图4（b） 垂直管轴平面上的等势线分布图
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c.对于典型二维运动的解析式为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 T——含水层厚度（50cm）；
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b——暗管间距（80cm）；
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D——缝中心至不透水层距离；
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S——缝宽。
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 d——暗管直径（3.1cm）；D，T，b同上。
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（2）处理Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ计算Φ值的几种方法比较
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表1为管节长L=16cm，缝宽1mm及管顶埋深25cm条件下，处理Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ的三种计算Φ值对比。其中处理Ⅰ为三维运动，因据流网法计算的Φ值沿管轴变化较小，故表中综合Φ值为5个等势面上Φ值的平均。
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表1
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三种算法结果都比较接近，由于电学法测试简便，因而在其后的排水性能探讨中，均选用实测电流值进行分析研究。
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3.3 流量资料整理
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电压与电流测试资料表明，U～I关系均呈通过原点的直线关系，直线斜率为I/U。根据模拟试验（电学法）的总渗流量计算式Q=λKHρI/U，定义M=I/U为流量系数，则在土体渗透系数K、模型几何比尺λ及导电液电阻系数ρ相同情况下，M反映了暗管的排水性能。据此可用M来评价暗管结构对排水性能的影响。表2为5种暗管结构排水性能试验对比。表中M1即表示处理I的流量系数。其它类同。
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表2 暗管结构排水性能试验结果
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表2 暗管结构排水性能试验结果（续）-1
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4.试验成果分析
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4.1 沿管轴方向距管轴不同距离处的压力变化
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（1）处理Ⅳ距暗管相同距离处的压力为定值，其他三种处理均为三维流，其距暗管相同距离的压力（Z方向）都为变值，变化率随距离暗管愈远时愈小。
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（2）各处理在暗管附近的压力变化，以x =3cm为例，处理Ⅰ压力变化大，而增设纵缝的处理Ⅱ，可使入管水流的渗径缩短，故压力变化显著减小，且管附近压力远小于处理Ⅰ，可见增设纵缝对改善入管水流条件有十分明显的作用。处理Ⅲ压力曲线坡度由正变负，水流顺管轴沿两个交错横缝方向运动。
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（3）处理Ⅳ垂直管轴方向的压降各处相同；处理Ⅰ横缝处压降明显大于远离横缝处的压降；处理Ⅱ与Ⅰ相比各处压降差异减小，垂直管轴方向的集水能力增强。
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4.2 渗流场等势面分析
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（1）各处理由外部流场至暗管处，势线逐次加密，势梯度增大，且管上部势线较下部密。
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（2）与处理Ⅱ相比，处理Ⅰ暗管外部流场势线明显变稀，暗管排水能力减弱。处理Ⅲ与Ⅱ的势线疏密程度接近。处理Ⅴ与前几种处理相比，暗管外部流场势线明显增密，势梯度增大，表明暗管排水能力大大增强。
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（3）管周附近汇流状态的差异反映在处理Ⅰ和Ⅴ的势线接近圆形；处理Ⅲ和Ⅳ的势线为椭圆；处理Ⅱ从接口横缝至远离横缝处，势线由接近圆形变为椭圆。
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4.3 暗管结构与排水性能关系的分析
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（1）对比处理Ⅰ与处理Ⅱ，可见增加纵缝后流量显著增加。
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（2）同一管长条件下，管节越短，管节数越多，横缝的影响就越大，增加纵缝后总的排水效果就好。表3为以管节长16cm为对照管，管长相同，管节长不同情况下处理Ⅱ的流量系数。
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表3 处理Ⅰ的流量系数
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由表3可看出，缝宽为1mm时，管节长6cm与10cm相比，接口横缝增加67%，流量增加约3%～4%；管节长10cm与16cm相比，接口横缝增加60%，流量增加约7%～10%。管节短，流量增大，但增值率减小了，减小程度随缝宽而变化，缝宽大，增值率减小程度大。
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（3）表4为处理Ⅱ在缝宽1mm和0.5mm两种情况下的流量系数之比值。
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表4 处理Ⅱ两种情况的流量系数比值
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表4表明，管节越短，由于缝与缝之间的干扰增大，由缝宽带来的流量增值越小，随管节增长，增值增大，但增值率减小，且此增值受埋深的影响很小。
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（4）试验处理方案中处理Ⅱ与Ⅲ相比，即管子上下两半合成与上下接口错位相比，排水效果非常接近，后者渗流量比前者大1%～2%左右，从施工铺设稳定性考虑，后者也优于前者。
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（5）根据MⅡ/MⅣ与L/d的关系，在现有试验基础上可近似预估L/d值在3.0～5.0情况下的处理Ⅲ三维运动的渗流量约为处理Ⅳ二维运动渗流量的1.0～1.20倍。
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（6）以往室内砂槽试验就管型对排水性能的影响做了较多的工作，认为管型对排水性能的影响不明显。考虑到施工铺设稳定性好，管材用量省，排水效果较优，推荐马蹄形管且上下接口错位的结构形式。
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5.三维渗流量的计算式推导
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5.1 搭接管（处理Ⅲ）与纵、横缝管的关系
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由于搭接管的缝隙位置接近于纵缝管与横缝管之叠加，其流量系数应存在如下关系：
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MⅡ′=α′MⅠ+β′MⅣ （1）
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统计不同缝宽和管节长在各种埋深条件下的ΣM值，并求得ΣMⅡ与ΣMⅡ′之比的平均值为1.312，则得下式：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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、分别为同一管节长的α′、β′的平均值。
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绘出的～L及～L关系线，均呈近似直线关系，求得直线回归方程为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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由此得关系式：
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MⅡ=αMⅠ+βMⅣ （3）
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其中
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农业高效用水灌排技术应用研究
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5.2 搭接管与理想管的关系
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建立不同处理情况下MⅡ/MⅤ与t/T的关系线，其中t为管轴中心的埋深，T为含水层厚度。计算各线的双对数直线回归方程为下列形式：
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MⅡ/MⅤ=A0（t/T）K0 （4）
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A0、K0与缝宽（Δ）及管节长（L）的关系如表5所示。
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表5
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绘制K0～L/Δ及A0～L/Δ关系图得：
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K0=0.107+0.0003L/Δ
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A0=10-0.0005L/Δ-0.0852
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故 MⅡ/MⅤ=10-0.0005L/Δ-0.0852（t/T）0.107+0.0003L/Δ （5）
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（3）式的计算结果与实测值相比，误差绝大部分小于5%；（5）式的计算结果与实测值相比，误差均小于5%。
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5.3 横缝管与理想管的关系
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由上述推导的（3）式及（5）式可得横缝管与理想管的关系如下：
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MⅠ=〔10-0.0005L/Δ-0.0852（t/T）0.107+0.0003L/ΔMⅤ-βMⅣ〕/α （6）
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6.结束语
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本文选用电解液模型对常规圆管等5种暗管结构进行了三维渗流场等势形态的测试，从而对不同管节长、缝宽与埋深条件下的排水性能作了定量的对比分析，提供了合理的暗管结构设计依据。此外，根据试验资料，采用统计分析和线性回归法建立了处理Ⅰ及处理Ⅲ三维运动情况下的渗流量与二维运动下渗流量的关系式，计算结果与实测结果相当接近，因而对理论研究和生产实践都具有一定的指导意义。
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参考文献
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[1] 毛昶熙.电模拟试验与渗流研究.北京：水利出版社，1981年5月
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[2] 水利水电科学研究院、南京水利科学研究所编.渗流电模拟试验指南.北京：中国工业出版社，1965年3月
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|
[3] 石风霞.农田排水暗管外包料的透水防砂性能试验.水科院论文集.第28集（水资源、灌溉与排水）.北京：水利电力出版社，1988年7月
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农田组合排水条件下涝渍兼治的水平衡动态机理初探
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1.涝渍兼治的田间排水机理分析
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1.1 涝渍兼治的田间排水运动模式
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在涝渍兼治组合排水情况下，受一次暴雨或间歇（连续）降雨的降水量、雨型、降雨时间及前期土壤含水量等不同内外条件的影响，其地面水、地下水动态模式也不同。根据南北方降雨特征，可概括为暴雨式及连阴雨式两种雨量模式，其典型的排水运动模式可简化为：
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（1）一次暴雨，地面积涝，地下水位接近或达到地面，排涝先行，雨后排渍。
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（2）暴雨前（或后期）有中、小雨，假定中、小雨不产生地面积涝，涝水排除后，在中、小雨形成的入渗补给情况下排渍。
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现针对第一种情况进行分析研究，根据室内外排水条件下水平衡动态试验的观测和分析，暴雨式的涝渍兼治模式可用图2表示。
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图1 降雨入渗条件下地面积水和地下水位排降过程示意图
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图2 排水地段内地下水面形状变化示意图
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图2中：p为降雨强度，假定为均匀降雨（mm/d），总雨量为（mm）；tp为降雨历时（d）；t1为地下水位升至地表的时间（d）；t2′为积涝排水时间（d）；t3为积涝排降后，作物不受渍害要求的排渍时间（d）；q1为地下水位升至地表t1时段内的地下排水模数（mm/d）；q2为地面积水时段内的地下排水模数（mm/d）；q3为积涝排除后的平均地下水排水模数（mm/d）；q为地面平均排水模数（mm/d）；H为排水地段中心处t时刻的作用水头（m）；T为不透水层的埋深（m）；D为排水沟水面或暗管中心至不透水层的距离（m）；λ0为土壤初始阶段的平均入渗强度（mm/d）；h为作物耐渍深度（m）；hq为排水沟（管）的有效深度（m）；ΔH为剩余水头或滞流水头（m）；E为水面蒸发量（mm）；d为暗管直径（m）；B为排水沟（管）间距（m）。
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1.2 涝渍兼治的田间排水机理假定与分析
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（1）降雨发生后，当p大于λ0时，地面即开始积水；当p小于λ0时，只能在地下水位升至地表后才开始积水。此两种情况的入渗量相同，但地下水位升至地表的时间可能有异，均用t1表示。
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（2）前期降水的影响以增加土壤水分和本次雨前地下水埋深h0考虑。
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（3）假定地面排水和地下排水工程健全、畅通，即排水过程中无壅水、阻水现象。因此，不能自流排水时应有抽排设备做保证。在此条件下：①降水发生后，无论p小于或大于λ0，都将因土壤入渗而引起地下水位升高，由于排水沟（管）的作用，在排水地段内形成地下水面浸润曲线。在浸润线最高点地下水位升至地表t1时段内的平均地下水排水模数为q1，若无排水作用时q1为0，地段内的地下水位均将逐渐升至地表。②随着雨时的增加，地面积水深亦渐增，在雨停时达最大积水深度，并在地面排水工程的作用下，逐渐排除，设积涝排水时间为t2，地面平均排水模数为qf。③在地面积水时段内，甚至在地下水升至地表的情况下，地下排水工程仍起作用，这时的地下水排水强度q2相当于稻田淹灌下的排水强度。当q2小于或等于λ（土壤稳定入渗强度）时，地下水位稳定在地表与地面积水相连接；当q2大于λ时，地下水位将逐渐脱离地面，形成有入渗补给条件下的降落。
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（4）在地面积水排除后，地下水位开始无入渗补给条件下的自然降落。若要求在作物不受渍害的排水时间t3内降至h，则其平均地下排模为q3。
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（5）在雨前和排降后的地下水埋深不同和土壤水分不同，还应考虑土壤的蓄水量hw，田间积水蒸发量以及其他蒸发量。
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各类蒸发量中理应包括作物腾发、地下水蒸发和地面水蒸发等项，但考虑到涝渍兼治为目的的排水时间有限等原因，为便于测定，仅以地面积水期间的棵间水面蒸发来表示，因而应确定不同作物积涝期间的棵间水面蒸发系数aw。
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（6）在排水地段的水量平衡中，可暂不考虑沟网湖塘等的调蓄作用。
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根据上述分析与假定，可得以下排水地段内的水量平衡式为（见图2）：
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P=q1t1+q2t2+q3t3+qt2+hw+aE （1）
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在以往排水分析与设计中，没有考虑q1t1和q2t2，且涝渍治理的排水时段缺乏连续性。
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2.各种地下排水模数的初步分析
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2.1 q1的分析
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在易涝渍地区，汛期降雨发生后，据室内、外测试资料可知：地下水位升至地表的时间t1较短，升速较快。若不考虑地下水位上升过程中饱和水体的排水作用时，则沟（管）之间浸润线之上的非饱和土壤的出现应视为地下排水沟（管）排除降雨入渗补给作用的结果。因此，在地块中部地下水位升至地表时，其量值相当于地下排水工程排除的降雨入渗量。据此，可近似求出其平均地下排模：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中 μ——排水地段内地下水位变幅范围内的土层给水度；
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——排水地段内以暗管埋深为基准线的平均水位位势值；
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Ω——地下水面形状校正系数；
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其余符号意义同前。
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在地下水位升至地表的情况下，Ht与h相等；地下水浸润线形状通常类似椭圆，若按椭圆考虑时，Ω为0.7854。在排水计算中通常Ω为0.8左右，明沟多用0.7～0.8，暗管多用0.8～0.9（地下水面平行降落时可用1）。
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2.2 q2的分析
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在地面积水情况下，通常末级排水沟水位升高，将制约暗管出流，为保证地下排水作用而需设置抽排。据此在地下水位升至地表后，q2小于λ情况下的排水可视为稳定入渗排水，综合已有研究成果：
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q2=KH/ΦB （3）
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式中 K——排水地段的平均渗透系数（m/d）；
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H——稳定流条件下的作用水头（m）；
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Φ——渗流阻抗系数（m）；
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其余符号意义同前。
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在稻田渗漏条件的直缝式完整沟的情况下，史得赫特得到1/Φ约为1.5；在含水层无限深时，魏吉尔尼柯夫得到1/Φ约为2.0；因而Φ为0.67～0.5，可见Φ值变幅不大，若采用0.58不致有较大误差。
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2.3 q3的分析
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在地面积水排除后，由于地面湿度和土壤水分较大，且要求的地下水位自由降落排水时间不长，通常仅为3～5d，可不计地下水的蒸发作用。据非稳定流研究结果：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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对照稳定流研究成果：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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取=H0-Ht/ln（H0/Ht）可得：
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q3=μΩ（H0Ht）/t3 （5）
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式中 H0，Ht——分别表示t时段始末排水地段中部的作用水头（m）；
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——地下水位从降至技时的平均作用水头（m）；
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其余符号意义同前。
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2.4 地下排水排除雨深计算
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农业高效用水灌排技术应用研究
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通常设计时取ΔH=hq-hs。据此可知，在同一水文地质条件下，q1t1和q3t3仅与hq有关，而q2t2则还与B和t2有关，在涝渍兼治的排水设计中，应和地面排水结合设计。
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3.田间地面排水模数的初步分析
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3.1 土壤蓄水量的分析
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土壤蓄水能力的大小主要与土壤质地、雨前土壤含水量和地下水埋深有关，若治理区雨前地下水埋深为h0，土壤的平均容积含水率为ω0，涝渍兼治后达到的地下水埋深为hs（通称耐渍深度），其土壤的平均容积含水率为ωs（可按持水率计），若饱和容积含水率为ωb，则土壤的实际蓄水量为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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因一般滞流水头ΔH=0.2～0.3m，水面形状校正系数Ω=0.8左右，则（1-Ω）ΔH=0.04～0.06m，与耐渍深度hs=1.0m左右比较，可以略去不计，故：
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hW=（ωb-ω0）h0（ωb-ωs）hs （8）
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3.2 地面排水模数的分析
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综合以上分析，地面排水工程应承担的排除雨深为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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其地面平均排水模数为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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由此可知：
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（1）式（8）中的hw为雨前和本次降雨排降后的土壤蓄水量变化值，而μ（hq-ΩΔH）实为土壤的调蓄量，前者蓄存于土壤中，后者将先后被地下排水工程排出土体，这就使我们对土壤调蓄作用有了深化的认识，即hq愈深，土壤的调蓄能力愈大。
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（2）式（9）中的Khqt2/0.58B项为地下水升至地表后的入渗排水量，这是过去被忽视的项目。在有地下排水工程的情况下，应该挖掘这部分潜力以及q1的潜力，从而可减轻地面排水工程的负担及工程占地。
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（3）因近30年来地面排水模数缺乏系统研究成果，目前多沿用20世纪50～60年代的计算方法——平均排除法。
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旱田：qf=R/t
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水田：qf=（P-h′w-E-S）/t
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式中 R——径流水深，由于地面工程、作物种植及自然条件的变化，R值已有很大变化，沿用过去的R值已不符合当前情况；
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t——排水时间，仅按排涝要求确定，不符合涝渍兼治要求；
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P——降雨量；
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h′w——水田耐涝水深；
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E——水田腾发量；
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S——水田渗漏量。
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若将h′w视为水田土壤蓄水量变化值，S视为Khqt2/ΦB，则缺少土壤调蓄量μ（hq-ΩΔH）项。
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4.结束语
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（1）以水量平衡为基础，对地面、地下排水模数计算方法进行了初步探讨，所得计算方法较全面考虑了水量蓄排关系，具有涝渍相伴连续危害条件下涝渍兼治的特点。
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（2）考虑了地下水升高至地表时地下排水工程排降的降雨入渗量，以及地下水升至地表后的入渗排水量，这是过去被忽视的项目，在有地下排水工程的情况下，挖掘这部分潜力可减轻地面排水工程的负担及工程占地。
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（3）所提出的计算方法中，未考虑地下水位上升过程中饱和水体的排水作用，虽有待补充完善，但仍具有较好的实用性。
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参考文献
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[1] 张友义，崔亦昊.明暗结合排水系统刍议.水利水电技术，1992（7）
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[2] 吴允芳.排水网控制地块地下水稳定运动与不稳定运动的分析.见：水利水电科学研究院科学研究论文集.第4集.北京：中国工业出版社，1965
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[3] 沙金煊.农田地下排水计算.北京：水利电力出版社，1983
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[4] 张友义.网沟地块的布设计算.农田水利与小水电.1987（2）
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[5] 瞿兴业.均匀入渗情况下均质土层内地下水向排水沟流动的分析.水利学报，1962（6）
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[6] 张蔚榛，沈荣开.明沟排水条件下的稻田的渗漏和冲洗种稻对地下水淡化作用研究.水利学报，1983（11）
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[7] 阿维里扬诺夫，C.Φ防治灌溉土地盐渍化的水平排水设施.娄溥礼译，瞿兴业校.北京：中国工业出版社，1963
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农田排水条件下降雨补给与地下水埋深关系的试验研究
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1.试验布置与观测
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1.1 室内试验布置与观测
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室内试验装置如图1所示。试验装置由土柱、降雨模拟器、马氏瓶供水器及平水箱组成。土柱侧面设有两排间距为10cm的圆孔，安装短管并连接软管，用于测压、排气及观测含水量。降雨强度用注射针头及供水器水位控制，试验过程中按设计强度进行率定。排水量由量筒观测，固定地下水位由平水箱控制。
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图1 降雨入渗试验装置示意图
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安排3种不同深度的试验土柱，以模拟50cm、70cm和90cm3种深度的地下水位埋深。为使每次试验的初始条件保持一致，首先从土柱底部供水，使土壤逐层饱和，然后排水，使地下水位降落到控制埋深，待一定时间后进行试验。试验内容包括：渗透系数及给水度试验；定水位条件下，降雨入渗、积水及排水量试验；动水位条件下，降雨补给与地下水位变化关系试验，包括均质黏壤土平均降雨强度0.13m/d条件下，初始埋深50cm、70cm和90cm的地下水动态变化；均质砂壤土平均降雨强度0.16m/d和0.32m/d条件下，初始埋深50cm、70cm和90cm的地下水动态变化。
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1.2 室外小区的布置与观测
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室外试验选择在涝渍严重的典型地区之一——淮北地区，并以安徽省水利水电科学研究院农水所新马桥农水综合试验站为试验点，观测内容包括：降雨蒸发观测；地下水位观测；1m土层深的土壤含水量观测；积水观测。
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每年汛期6月15日至9月15日观测，非降雨期每日观测1次，降雨期每日8∶00、11∶00、14∶00、17∶00和20∶00各观测1次，共取得1997—1999年3年的汛期观测资料。
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2.降雨补给与地下水动态变化关系的探讨
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2.1 地下水动态变化分析
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室内试验降雨补给条件下的地下水埋深随时间的变化过程如图2（a）、（b）、（c）。分析地下水动态变化，可得出类似于蒸发条件下的地水动态特征：
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图2 （a、b和c）降雨补给条件下的地下水位随时间的变化过程“·’、“。”和“▽”分别为水位埋深50cm、70cm和90cm的观测值
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2.1.1 砂壤土试验土柱的土壤平均稳定入渗强度为2.2m/d，由于雨强小于土壤稳定入渗强度，仅在地下水位升至接近地表时产生积水。整个降雨过程中通过表土的入渗强度即为降雨强度，地下水位变化过程线呈上凹曲线，即地下水埋深越浅，水位上升速度越快，降雨补给量也越大，见图2（b）不同初始地下水位埋深条件下的地下水位上升速度较图（c）快。
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2.1.2 黏壤土试验的雨强略大于土壤稳定入渗强度，降雨过程中产生地表积水，而且积水深度逐渐增加，表明通过表土的降雨入渗补给强度减小，地下水位呈缓慢上升趋势。图2（a）地下水动态变化可分为两个阶段，第一阶段为无积水条件稳定降雨入渗补给下的地下水上升过程，近似上凹曲线；第二阶段为积水条件降雨入渗（即土壤稳定入渗强度）补给下的地下水上升过程，呈上凸曲线。
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2.1.3 降雨初期大部分水量蓄存在非饱和土壤中，以至于初期地下水位不变或上升非常缓慢，待非饱和土壤蓄水量达一定程度时，地下水位上升速度渐增。地下水埋深越浅，滞后时间越短。相同降雨入渗强度下，重质土比轻质土滞后时间短。降雨入渗补给强度越大，则地下水位上升的滞后时间越短。
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2.1.4 砂壤土水位初始埋深70cm、90cm土柱的试验给水度约为0.05，地下水位上升过程近似平行线，即同埋深条件下的上升速度相近。而50cm土柱的试验给水度0.02小于其他2个土柱，地下水位上升速度较快。
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图3为室外水平衡动态小区1997年7月份按每日8∶00、11∶00、14∶00、17∶00和20∶00观测的地下水位动态曲线及对应的降雨过程。从土壤含水量变化过程的观测可了解到，受降雨的影响，整个汛期土壤含水量均较高，约大于33%，地下水上升的滞后时间较短，地下水位上升比较迅速。因观测时段间隔为3h，比室内试验间隔长，并且土壤含水量较高，表现为地下水位呈近似直线上升。
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图3 1997年7月地下水动态及对应的降雨过程
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2.2 降雨补给与地下水动态变化关系的理论分析及试验验证
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降雨入渗补给和潜水蒸发消耗都是浅层地下水动态变化的主要因素，但二者对地下水位的升降变化起着相反的作用。以往对蒸发与地下水动态关系做过较多研究，推导了多个蒸发经验公式，农田排水中则采用国内外较为广泛应用的阿维里扬诺夫公式：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中：Δ为地下水埋深；Δ0ε为地下水停止（或微弱）蒸发深度；ε0为地下水接近地面时的蒸发强度；nε为经验指数，取1～3。
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式（1）反映了潜水蒸发随水面蒸发的增大而增大，随地下水埋深加大而减小的一般规律，此规律与以上分析的降雨补给与埋深规律相似，即降雨补给随降雨强度（降雨强度小于土壤入渗能力时为降雨强度，反之为土壤入渗强度，通常取稳定入渗值来计算）的增大而增大，随地下水埋深加大而减小。仿照蒸发与地下水埋深关系的结构，建立类似的降雨补给强度（p）与地下水埋深（Δ）关系表达式如下：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中：Δ为地下水埋深；为Δ0p降雨入渗微弱补给深度；P0为降雨（或土壤入渗）强度；n为经验指数。
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式（2）可转换为Δ～t或Δ～P关系式，其中P为时段总雨量，等于（t2～t1）P0：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中：Δt2和Δt1分别为t1、t2时刻的地下水埋深；μ为土层的饱和差。
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在式（3）的基础上，以试验给水度为参照值，Δ0p、n及μ为模拟参数，计算了室内试验地下水埋深随时间的上升过程，如图2中的实线所示。
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室外对不同初始地下水埋深在不同雨量影响下的地下水动态过程进行了模拟计算，给水度以当地经验值和采用蒸发影响下的地下水位消退过程计算值为参照。因雨量观测时段为3h，且多为连续1～2个时段雨量值，所以选择了地下水埋深与降雨的关系进行计算并与观测值进行对比，见图4的观测值与采用式（3）的计算值较为接近。
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图4 地下水埋深随降雨量的变化过程
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室内外试验参数的模拟取值如表1所示。因给水度取值受多种因素影响，不仅由土壤质地决定，还和地下水位的埋深及其它条件有关，是个较难准确测定的参数，并且地下水位下降过程中的疏干给水度和地下水位上升过程中的充水给水度（饱和差）是不同的。因此，模拟计算中饱和差（μ）以试验给水度为参照值，作了适当的修正，不同类型土质及不同深度土柱的饱和差变化规律和试验值相符。
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表1 室内外试验参数的模拟取值
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3.几点讨论
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根据以往研究，潜水蒸发与埋深关系有多种表达形式。在排水计算中，较广泛的采用阿维里扬诺夫蒸发经验公式计算蒸发的影响，并且已有相对成熟的考虑蒸发影响下的排水计算方法。本研究试图通过降雨、蒸发与地下水埋深关系相似的规律，将该公式的结构形式用于表达降雨补给与地下水埋深的关系，以使公式便于应用。经初步探讨分析，用此种结构形式的公式表示降雨补给与地下水埋深关系尚属合理。但由于室内外资料有限，还需对该公式形式的适应程度作更多的验证，以进一步检验该公式是否有效地反映实际及其结构的合理性，现仅就试验验证中的有关问题进行探讨。
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3.1 室外观测资料指数的最好模拟结果为n=1，这可从2.1节中室外地下水位呈直线上升变化反映出来。而室内试验指数n模拟结果可取值为1～3，n不同，对应的Δ0p也不同。n的具体取值可根据实际情况而定，为便于排水计算公式的引用，模拟计算表明，近似选用n=1不会带来较大的误差。
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3.2 计算模拟的精确度依赖于公式（3）中Δ0p、n及μ的取值和它们的组合。模拟结果表明，参数取值不是唯一的。为使模拟误差达到最小，参数的取值可能失去物理意义，因此，选择参数应考虑其物理意义。μ一般由野外实际情况而定；Δ0p与土壤质地有关，通常，重质土的降雨入渗微弱补给深度小于轻质土，如表1中的结果；n为经验指数，其物理意义有待进一步研究。
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3.3 初始地下水埋深越大，降雨对土壤非饱和带的补给量越大，不考虑非饱和带储水量所带来的计算误差则越大，如图2地下水位上升过程中采用相同的饱和差势必带来一定的偏差。淮北汛期地下水位、土壤含水量的观测结果表明，汛期1m土层平均土壤含水量约大于33%，土壤湿度大，导致降雨补给的滞后时间短，地下水位上升迅速，上述影响的误差则小些。
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3.4 如何选择公式（2）中的参数并充分反映其物理意义尚需进一步探讨，公式的结构形式是否与实际完全吻合也有待进一步检验。除此之外，用公式进行计算时，补给的滞后性及前期土壤含水量尚难以恰当地反应，都需要根据实际情况采用经验方法进行修正和处理。
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3.5 在排水沟（管）间距的合理确定及排水系统的优化布局设计计算中，应当考虑不同地下水位埋深与降雨入渗补给强度之间的关系。同考虑蒸发一样，计入降雨补给的影响，对于涝渍兼治的排水设计至关重要。降雨入渗补给强度与地下水埋深关系式的初步建立，为解决这一设计问题提供了关键性的基础条件，在进一步验证公式成立和肯定其适应性后，将其纳入计算间距公式当中，将会得到一个比以往适应性强、更普遍的新公式。
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参考文献
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[2] 沈立昌.关于潜水蒸发经验公式的探讨[J].水利学报.1985，（7）
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[3] 王文焰，张建丰.室内一维土柱入渗试验装置系统的研究及应用[J].土壤学报.1991，（11）
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[4] 沈振荣等.水资源科学试验与研究[M].北京：中国科学技术出版社，1992，12
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涝渍兼治的明暗组合排水计算方法探讨
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1.明暗组合条件下涝渍兼治的技术关键
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在以往的科学试验和工程设计中，将涝渍分割开来，予以分别治理，除涝排水设计标准没有考虑涝渍相随，而是以涝区发生某一设计频率的暴雨不受涝为准，按照排除一次雨涝积水设计；治渍则不考虑前期受涝，按照排降一次雨后的高地下水位设计。据此制定的排涝和排渍标准不符合涝渍相伴连续危害的自然规律，更为重要的是，据此兴建的排水工程较难满足作物的生理要求，经济上也不合理。如何将一次暴雨产生的涝渍灾害，通过明沟排涝和暗管治渍有机的结合起来，则是明暗组合排水设计的技术关键。
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根据涝渍兼治的水平衡动态机理分析，当地下水仅受两侧沟（管）影响时，排水地段内的水量平衡方程式可表示为：
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P=q1t1+q2t2+q3t3+qt2+h+aE （1）
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式中P为总雨量（m），为使单位统一，降雨和蒸发常用的单位mm均采用m进行计算；t1为地下水位升至地表的时间（d）；t2为积涝排水时间（d）；t3为积涝排除后，作物不受渍害要求的排渍时间（d）；q1为地下水位升至地表t1时段内的地下排水模数（m/d）；q2为地面积水时段内的地下排水模数（m/d）；q3为积涝排除后的平均地下排水模数（m/d）；q为地面平均排水模数（m/d）；h为土壤蓄水量（m）；a为棵间水面蒸发系数；E为水面蒸发量（m）。
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在以往排水分析与计算中，没有考虑q1t1和q2t2，并且涝渍治理的排水时段也缺乏连续性。式（1）较全面的考虑了排水地段的水量蓄排关系，具有涝渍相伴连续危害条件下涝渍兼治的特点。
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2.涝渍兼治的排水模数计算方法
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2.1 各种地下排水模数的分析计算
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2.1.1 q3的计算
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地面积水排除后，地下水位在降雨入渗补给（或没有降雨补给）、蒸发及排水三重作用下逐渐降落。运用非稳定渗流理论之一的瞬间法，即将非恒定运动中任意一个瞬间的运动都当作恒定运动，可将单位面积排水模数q（m/d）与排水地段中心处作用水头H（m）的关系表示为：
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q=KH/Φb （2）
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则排水地段内的水量平衡方程式可表示如下：
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μΩbdH=Ibdt-qbdt （3）
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式中I为入渗补给与蒸发消耗的差值（m/d），若入渗大于蒸发，则在平衡关系式中产生正的影响，反之则产生负的影响；μ为排水地段内地下水位变幅范围内的土层给水度；K为排水地段的平均渗透系数（m/d）；Φ为渗流阻抗系数；Ω为地下水面形状校正系数；b为排水暗管间距（m）。
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用地下水位下降过程中的平均作用水头代替式（2）中的Ht，并取。假定t3时段内I的变化很小，接近定值，用I表示。对于式（3），按0～t3时段内排水地段中部的地下水作用水头由H0下降到H进行积分，经整理得到如下结果：
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b=Kt3/μΩΦC （4）
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其中：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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对照稳定流研究成果可得：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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若不考虑入渗和蒸发的影响，则I=0，式（5）变为：
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q3=μΩ（H0-Ht）/t3 （6）
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2.1.2 q2的计算
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在地下水位升至地表后，q2小于土壤稳定入渗强度情况下的排水可视为稳定入渗排水，此时的地下排水强度（q2）相当于稻田淹灌下的排水强度：
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q2=KH/0.58b （7）
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式中H为稳定流条件下的作用水头（m）；0.58为淹灌条件下的渗流阻抗系数；其余符号意义同上。
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2.1.3 q1的计算
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地下水位升至地表时的排模q1由两部分组成，一是地下水位上升过程中饱和水体的排水作用；二是沟（管）之间浸润线之上非饱和土壤的出现应视为地下排水排除降雨入渗补给作用的结果。因此，在地块中部地下水位升至地表时，非饱和土体的饱和差相当于地下排水工程排除的降雨入渗量，据此，可近似求出其平均地下排模q11如下：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中为排水地段内以暗管埋深为基准线的平均水位位势值，在地下水位升至地表的情况下Ht=hq；Ω为地下水面形状校正系数，在排水计算中通常可采用Ω=0.8左右，明沟多采用0.7～0.8，暗管多采用0.8～0.9（地下水面平行降落时可采用Ω=1）；其它符号意义同前。
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饱和水体的排水作用类似于积涝排除后降雨入渗补给条件下的平均地下排水模数q3，所不同的是，前者由于降雨入渗补给强度大于地下排水强度，导致地下水位在降雨入渗补给、蒸发及排水三重作用下逐渐上升。假定地下水位升至地表，则Ht=hq，并且暴雨前地下水位在沟（管）以下，则H0=0，由式（4）和式（5），可以得到地下水位上升到地表的时间t1和饱和水体的排水模数q12：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中地下水位上升过程中入渗补给与蒸发消耗的差值以I1表示，便于和式（5）中的I有所区别；为地下水位上升到地表的平均作用水头（m）；其余符号意义同前。
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由式（9）可知，当沟（管）间距较大时，地下排水强度相对较小，地下水位上升至地表的时间t1较短；当降雨入渗补给强度较大时，t1也较短，这与雨后农田地下水位上升较快的实际情况是一致的。
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根据式（8）和（10），可将地下水位升至地表t1时段内的平均地下排水模数q1表示为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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2.1.4 地下排水排除雨深计算
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地下排水排除雨深h为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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2.2 地面排水模数的计算
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根据式（1），地面排水工程应承担的排除雨深为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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其中hw、可表示为：
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h=（wb-w0）h0-（wb-ws）hs
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式中wb，w0和ws分别为饱和、雨前和排渍后的土壤平均含水率；h0为雨前地下水埋深（m）；hs为作物的耐渍深度（m）。
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由式（13），可将地面平均排模表示为：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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由此可知：
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（1）h=（wb-w0）h0-（w-ws）hs项为雨前和本次降雨排降后的土壤蓄水量变化值，而μ（h-ΩΔH）实为土壤的调蓄量，前者蓄存于土壤中，后者将先后被地下排水工程排出土体，这就使我们对土壤调蓄作用有了深化的认识，即hq愈深，土壤的调蓄能力愈大。
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（2）项为地下水升至地表过程中及积水期间的入渗排水量，这是过去被忽视的项目。在有地下排水工程的情况下，应该挖掘这部分潜力，从而可减轻地面排水工程的负担及工程占地。
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（3）It3为积水消退后，地下排水排除中、小降雨的入渗补给量，这是过去被忽视的项目。积水消退后，考虑降雨入渗补给作用将使治渍工程更为合理。
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3.明暗组合的排水计算
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3.1 治渍暗管的排水计算
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田间治渍暗管含吸水管和集水管，前者应具有吸聚和排泄地下水流的能力，后者应能及时汇集和输排吸水管的来水。由于通常只设一级吸水管，所以以下仅对一级吸水管的计算进行论述。
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对于地块长宽比在3～4以上时，只考虑两侧排水的系列沟（管）作用情况，采用式（4）的系列沟（管）非稳定流排水间距计算通式进行计算。关于排水地段的渗流阻抗系数Φ值，视吸水管间距（b）与暗管至不透水层距离（D）的关系，按下列公式计算：
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当b≥2D时：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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当b＜2D时：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中d为吸水管直径，可按一般情况选用。
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由上列公式可知，由于Φ中含有未知量b，间距存在于等式两端，可采用叠代逼近法进行试算。
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在涝渍连续危害的条件下，田间吸水管排水过程中，往往土壤水分较大，因而可以不考虑地下水的蒸发作用，既有利于工程安全，又可使计算工作简便。假定积水消退后，没有降雨入渗补给，此时入渗补给与消耗差I=0，Cn则简化为lnH0/Ht。
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3.2 明暗组合（网沟）暗管的排水计算
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排水系统内的农田，大多被排水沟（管）分割成矩形地块。严格的说，地块内的地下水均受四周排水沟（管）的同时作用。但研究表明，当矩形地块长宽比大于3～4时，可近似认为地下水只沿着地块宽度方向流向两侧排水沟（管），而不计地块两端排水沟（管）的作用，这样可使公式大为简化，亦能满足精度要求；反之，当地块长宽比小于3时，则应按地下水流向四侧沟（管）的运动条件进行计算。以网沟地块与系列沟地块具有相同的排水效果为理论依据，采用非稳定流计算方法进行推导，得到明沟和暗管组合地块宽度（暗管间距B）的计算式为：
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B=kt/μΩΦC （17）
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其中
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中β为地块长度L（明沟间距）与地块宽度B（暗管间距）的比值；Δ=hq-hq′，hq和hq′分别为暗管和排水沟的有效深度；ΦB为暗管的渗流阻抗系数，采用式（15）或式（16）计算，其中b用B代替；Φ为明沟的渗流阻抗系数，采用下式计算，其余符号意义同上。
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当b≥2D时：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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当b≤2D时：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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对于排水沟，D为沟内水面至不透水层的距离，d为沟内水面宽度。
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在地下排水排除雨深计算式（12）中，q1t1和q2t2均和排水暗管或排水沟间距有关，中的Φ应采用式（18）计算，由下式计算：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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当β大于3时，为系列沟（管）形式，式（21）近似等于KHt2/0.58B，与式（12）中的q2t2相同。
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3.3 除涝明沟的排水计算
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田间明沟排涝计算的主要内容是确定适应排涝要求的排水沟过流断面，根据式（14）确定的地面排涝模数可按常规方法计算，在此不再赘述。
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4.明暗组合排水计算实例及对比分析
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以下采用安徽淮北新马桥试验站及其附近站的实测数据对明暗组合排水形式进行计算。假定一次暴雨，地面积涝，地下水位接近或达到地面，暴雨期间涝、渍兼排，涝水消除后，在没有降雨补给情况下继续排渍。按照地下水受两侧暗管影响（系列管）和受四侧沟管（网沟）影响，分别计算了暗管排水间距。在计算地下排水排除雨深时，按涝渍兼治和涝渍分治两种情况进行了对比。
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算例的基本参数和条件为：
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暗管直径d=0.055m，渗透系数K=0.28m/d，给水度μ=0.04，地下水面形状校正系数Ω0=0.8，暗管中心至不透水层的距离D=10m，暗管与排水沟有效深度Δ=-0.2m。
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据安徽省水利水电科学研究院在无为县沿江圩区的棉花涝渍试验研究表明*，棉花对涝渍的抗逆能力和排水要求在不同生育阶段差异较大，花铃期为棉花的敏感期，对排水的要求高，系排水设计的控制阶段。在涝渍综合作用下，花铃期总排水时间为4d，其中允许淹水时间为1d，积水消退后，允许的平均地下水排降速度为0.15～0.2m/d。据此，选择5年一遇暴雨一日排除为除涝设计标准，5年一遇最大一日降雨P=130mm，地面积水时间t2=1天，假定积水期间的作用水头H=0.5hq=0.5m，地下水位上升至地表的平均作用水头。积水消退后，排水地段中心处的作用水头在t3=3d内从H0=1.0m降至Ht=0.5m。
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暂不考虑式（1）中降雨排降后的土壤蓄水量变化值hw和棵间水面蒸发量awE，计算结果见表1，根据地面排水模数计算结果可按常规方法计算地面排水沟的规格，在此不再给出结果。
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表1 明暗组合排水计算实例
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涝渍分治情况下，对于同样的地下水排水效果，地下水排除雨深计算值仅与排渍时段内地下水位控制要求有关，而与地面入渗水和暗管间距无关，所以表中不论是系列管还是各种网沟布设，地下排水排除雨深和地面平均排水模数均相等。在各种地下排水排除雨深值中，地下水位升至地表和地面积水期间的地下排水量q1t1和q2t2均占据了较大的比例，这是以往计算中未曾考虑的。积水期间地下排水渗流阻抗系数小，积水作用水头大，相应的排水量则大，并且随着积水时间的增大，排水量将成比例的增大。算例中积水作用水头取为暗管埋深的一半，在地面排水工程畅通的情况下，即排水过程中无壅水、阻水现象，积水作用水头大于上面的取值，地下排水量将更大，在涝渍兼治的组合排水工程中，应挖掘这部分潜力。地下水上升至地表期间的地下排水量与入渗水量和暗管间距等有关，由于q1t1中的第二项q12t1与间距b有关，而在本算例条件下，q12t1的量很小，以致于b的影响较小，所以表中q1t1的数值接近相等。
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由表1可知，按以往涝渍分治思想计算的地下排水排除雨深值远小于按涝渍兼治的计算值，相应的地面排水工程承担的地面排水模数则大于涝渍兼治。算例中，按涝渍兼治计算的地面排水模数与以往计算相比减小约15%，在地面排水工程畅通的情况下，可减小约22%，由此将减少地面排水工程量和投资。地面排水模数与土壤质地（稳定入渗强度和给水度）、暗管间距和积涝排水时间等多种因素有关，轻质土入渗水量大，暗管排泄的入渗水也大，地面排水工程承担的排涝量则较小。与系列管相比，网沟布设条件下的地下排水排除雨深值大，地面排水承担的排涝量则小，并且随网沟长宽比的不同，地面排水模数也不同，但相互间差别不大。
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5.结束语
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（1）以水量平衡原理为基础，分析计算了涝渍兼治的田间各种地下排水模数和地面排水模数，所得计算方法较全面的考虑了水量蓄排关系。
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（2）考虑了地下水升至地表和地表积水明沟排涝时段内，地下排水工程也在排泄入渗水，以及土壤调蓄能力对排涝的影响，使除涝工程更为经济合理。
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（3）考虑了积水消退后，地下排水排除中、小降雨的入渗补给量，使治渍工程更为合理。
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（4）涝渍兼治的地面排水模数与土壤质地、暗管间距和积涝排水时间等多种因素有关。明暗组合排水算例表明，按涝渍兼治计算的地面排水模数小于以往的涝渍分治，减小约15%，在地面排水工程畅通的情况下，减小约22%，由此将减少地面排水工程量和投资。
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参考文献
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[2] 张友义，崔亦昊.明暗结合排水系统刍议.水利水电技术.1992（7）
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[3] 雷志栋，杨诗秀，谢传森.土壤水动力学.北京：清华大学出版社，1982.10
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[4] 沙金煊.农田地下排水计算.北京：水利电力出版社，1983
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[5] 张友义.网沟地块的布设计算.农田水利与小水电.1987（2），p4—8
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[6] SL/T4—1999农田排水技术规范.北京：中国水利水电出版社，2000.2
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[7] 阿维里扬诺夫，C.Φ.防治灌溉土地盐渍化的水平排水设施.娄溥礼译，瞿兴业校.北京：中国工业出版社，1963.9
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[8] 吴允芳.排水网控制地块地下水稳定运动与不稳定运动的分析.水利水电科学研究院科学研究论文集，第4集.北京：中国工业出版社，1965年
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渗透系数的野外试验测定与分析
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1.试验方法
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野外表层土壤渗透系数测定方法通常有两种，一是钻孔抽水法；二是根据田间地下排水实测数据，如地下水位的退水速率、暗管排水流量等，用有关公式反算K，其值反映了排水条件下，该排水面积上土壤的渗透性能，因此较前者有更广泛的代表性。但是，由于排水观测数据一般较难获得，或者排水规划及设计前，没有这方面的有关数据，所以，钻孔抽水法是目前野外较普遍采用的方法，所测结果也比较符合实际，它主要反映的是土壤水平方向的平均渗透性能。
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钻孔抽水法是在待测土壤中钻孔，待地下水面稳定后，从孔中瞬时提取一定水量，使孔内水位迅速下降，孔内水位与孔周围的地下水位产生水位差，在此水位差的作用下，钻孔周围的水会通过孔壁慢慢渗透到钻孔内，孔内水位逐渐上升直至恢复原状，通过测量地下水位随时间的变化过程，利用下式计算渗透系数：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中K为渗透系数（m/d）；t为钻孔中水位回升的观测时间（s）：H0和Ht分别为观测始末从参考点算起的地下水位埋深（cm）；C为与钻孔尺寸、孔底至不透水层深度和孔内水位变化有关的无因次系数，可从有关书籍中给出的查算表或查算图得到。在没有图表时，可采用恩斯特经验公式计算系数C。当Hs＞D/2时，恩斯特经验公式可表示如下：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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其中：=（ht+h0）/2
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式中H为抽水前钻孔内水深（cm）；r为钻孔半径（cm）；h0为抽水后孔内水位与地下水位之差（cm）；ht为t时刻孔内水位与地下水位之差（cm）；D为初始地下水面至钻孔底部的深度（cm）；Hs为钻孔底至不透水层的距离（cm）。
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试验装置如图1所示。将下端悬挂浮子的测尺固定在支架上，受水的浮力作用，浮子随水位的变化而上下运动，从测尺上可以直观地观测到水位的上升或下降距离。试验期间水位值的观测视土质而定，一般时间间隔为5～30s，或控制一定的水位上升距离来读取时间。在地下水位回升幅度约小于抽水深度的0.25倍前测试完毕。
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图1 钻孔抽水法试验装置示意图
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当地下水埋深较大时，在地下水位以上进行的钻孔试验称逆钻孔法。瞬时往孔中注入一定量的水，测定水位的下降速率。h（t）+r/2取对数，在半对数纸上点绘时间t和h（t）+r/2的关系，得到具有斜率tga的直线段，其中h（t）为t（s）时刻钻孔中的水深（cm）。渗透系数K采用下式计算：
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K=1.15r×tga （3）
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2.试验结果
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1998年7月在王桥农田排水示范区均匀布置了15个试验点，进行了钻孔抽水试验，其中明沟排水示范区8个测点，暗管排水示范区6个测点，试验站1个测点。在排水设计中，为得到某一区域内的平均渗透系数，原则上应布设多个观测点，通常每平方公里布设4～6个观测点，本文仅着重渗透系数的试验及分析方法。
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图2 渗透系数的对数与累积频率关系曲线
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每个钻孔都进行3～4次重复试验，使用恩斯特经验公式计算每次测试数据，取多次试验结果的平均值代表测点的渗透系数。试验结果表明，同一位置的重复试验结果相近，而由于土壤的空间变异性和试验误差，不同位置的试验结果差异较大。15个测点的渗透系数K值变化范围在0.03～2.46m/d之间，K值变化通常呈对数正态分布，图2为各测点的lgK与累积频率（P）关系曲线，可以看出，lgK～P呈线性关系，取各观测值的对数平均值，再求反对数，即为田块综合渗透系数的代表值（平均渗透系数），计算结果为0.28m/d，该值称为各观测值的几何平均值，由下式表示：
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农业高效用水灌排技术应用研究
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式中n为测点数；K1、K2，…为各测点的渗透系数。
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平均渗透系数也可采用中位数方法确定，即取测定值系列的中间值为代表。表1为几种平均渗透系数计算方法结果对比。
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表1 平均渗透系数计算结果
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从表1可看出，几何平均值与中位数结果相近；算术平均值偏大，与其它两种方法的计算结果相差较大。由此可见，对于某一田块内的平均渗透系数而言，几何平均值或中位数是最好的代表值，而算术平均值的代表性较差。
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3.渗透系数结果的影响因素分析
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图3为同一钻孔3次试验观测过程中各阶段渗透系数计算结果与水位回升过程的关系，回升过程以（h0-ht）/h0表示。
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图3 水位回升过程与渗透系数计算结果的关系曲线
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由图3表明，地下水位回升幅度约小于抽水深度的0.25倍前应测试完毕。
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其次，图3中第一次试验的测定结果明显小于后2次；第二次初期略小于第三次试验结果，随后2次试验的测定结果随水位回升逐渐接近，最后过程线基本重叠。说明钻孔完成后，孔壁周围土壤有所破坏，土壤的渗水能力减弱，致使第一次试验所测得的结果偏小。通过第一次抽水对钻孔周围土壤的冲洗，孔壁周围土壤状况得到恢复，使后2次试验测定结果有所增大，并趋于稳定，较充分真实地反映了土壤的渗透性能。因此，为得到较准确的渗透系数，在测试试验中应对同一钻孔进行多次重复测试。
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当试验第一个（或最初）观测读数偏差较大时，如图3中第三次试验最初两个读数明显偏大，可考虑丢弃该观测值。这是由于刚刚吸水后，有水滴沿孔壁向下流，加快了地下水位的回升；同时，由于浮子和测尺处于不稳定状态，也会影响测定结果的准确性。
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此外，试验操作中，钻孔应尽可能垂直向下，不要倾斜，孔径上下保持一致，同时尽量减轻对孔壁土壤的破坏，使之充分保持原状。安装试验装置时，浮子要处于钻孔中间，不能接触孔壁，否则浮子和孔壁产生磨擦，影响浮子在水的浮力作用下自由上升，使试验结果偏小。
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4.结束语
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（1）几何平均法或中位数法是计算田块平均渗透系数的最好方法。
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（2）采用钻孔抽水法进行渗透系数试验时，地下水位回升幅度约小于抽水深度的0.25倍前应测试完毕，否则在钻孔处地下水面形成明显的降落漏斗，给入渗水造成较大的阻力，影响试验结果。
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（3）导致数据观测的不一致可能由两种原因引起，一是浮子与孔壁接触，应周期的摇动浮子以减小误差；二是第一个（或最初）观测读数相对偏大，可考虑丢弃该观测值，这是因为刚吸水后，水沿孔壁下滴的原因。
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（4）钻孔在整个深度内应保持顺直，否则，浮子和孔壁产生磨擦，影响浮子的自由运动，致使试验结果偏小、不准确。
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参考文献
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[1] H.P.Ritzema，Drainage Principles and Applications，IL RI，Wageningen，The Netherlands，1994
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[2] 乔玉成，张友义.南方地区改造渍害田排水技术指南.武汉：湖北科学技术出版社，1994.8
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[3] SL/T4—1999农田排水工程技术规范.北京：中国水利水电出版社，2000.2
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