1 研究的必要性

西北内陆河地区包括新疆及甘肃、内蒙、青海的一部分，由于人口增长和经济发展，对水土资源过度开发，加快了河流下游地区的荒漠化。如位于甘肃河西的黑河和石羊河，中游张掖、武威市人工绿洲不断扩大，经济发展很快，但两河下游地区严重缺水，使得地下水位下降，林木死亡，草地退化，生物多样性减少，生态防护功能大大削弱，沙尘暴肆虐，突发性灾害频繁发生，生态环境恶化严重。尽快遏制并恢复其生态环境，是西部大开发的重要内容，不仅事关当地居民的生存环境和经济发展，也关系到西北、华北地区的环境质量，是关系民族团结、社会安定的大事。

由于水资源过度开发和不合理利用产生的环境问题，要通过还生态必需的水量加以遏制。据统计，内陆河区农业灌溉用水占总用水量的80％以上，但大部分灌区渠系渗漏严重，用水粗放等大水漫灌等浪费水现象仍大量存在，灌溉水利用系数不足0.4，节水潜力很大。对于这些地区，研究提出适宜的节水灌溉模式是能否真正实现节水及还生态用水的关键，非常必要。

2 节水灌溉模式研究

节水灌溉主要是提高水的利用率和用水效率，西北内陆河地区这两项指标都较低，水的利用率不足0.4，水的利用效率仅0.9kg/m3左右，而国际先进国家为0.8～0.9和2kg/m3。在国际上，各国发展农业节水灌溉的道路不同，灌溉面积小，国力及科技力量强的国家，如以色列和欧洲一些国家发展微灌和喷灌，水的利用系数高达0.9；一些灌溉面积大，国力及科技力量强的美国、俄罗斯，既发展节水地面灌又发展喷、微灌，各占一半，水的利用系数0.7～0.8，灌溉面积大，国力和科技力量较弱的如印度、巴基斯坦和埃及主要发展地面灌溉，也发展小部分喷灌、微灌。我国西北内陆河地区属于后者，应结合实际走自己的路。

根据西北内陆河地区降水稀少，蒸发强烈，气候干旱的自然条件，充分考虑灌区作物种植结构及群众的管理水平等因素，该区适宜的的节水灌溉模式可归纳为两大类，一是常规节水灌溉模式，包括干支渠等骨干工程衬砌、田间管道输水的“管灌”、田间固定渠道斗(农)渠采用砼“U”型槽衬砌和地膜覆盖技术；二是高效节水灌溉模式，包括喷灌、微灌。

2.1 常规技术灌溉模式

2.1.1 “渠灌”节水技术

渠系衬砌是节约灌溉用水量的重要措施之一，渠系衬砌不但可以减少输水过程中的无效蒸发损失量，而且可以提高渠道的输配水速度，缩短轮灌周期，有利于节约水量和防治盐碱化，防止渠道杂草丛生，节约维修费用。同时还可以减少渠系建筑物尺寸，节约用地。据统计，渠道衬砌前后平均渗漏率可减少约25％，渠系水利用系数可提高20～30％。根据黑河干流灌区对渠道防渗效果检验，干渠衬砌后渠道水利用系数平均为0.92，支渠为0.85。

2.1.2 田间节水技术

田间节水的关键是如何提高田间水的利用系数。田间节水技术主要包括斗渠以下各级渠道的防渗衬砌、田间实行低压管道输水和田间沟、畦、小块灌溉，以及地膜覆盖技术等。

据调查，西北内陆河灌区斗渠以下各级渠道大部分为土渠，渠床破乱，渠路不分，配套建筑物大多没有量水设施，蒸发、渗漏损失严重。根据西北内陆区大量的试验研究，斗渠及其以下采用砼“U”型槽衬砌，渠道水利用系数一般在0.85以上，田间水利用系数较土渠输水提高15～20％；采用地埋硬塑料管或地埋灰沙管管道输水，输水系数在0.9或0.95以上，田间水利用系数较土渠输水提高30％左右，节水效果明显。

据《华北区节水型农业技术》介绍，小畦灌溉是我国北方地区行之有效的灌溉技术，其优点是灌水流程短，减少了沿畦长产生的深层渗漏量，能节约灌水量，提高灌水的均匀度和灌水效率。根据甘肃省小麦灌溉定额试验成果，0.5亩田块比1亩田块节约水量10％以上，小畦面积0.3亩左右，灌水定额40～50m3/亩。

土地平整是实现耕地田园化的一项重要措施，可达到治水改土相结合的目的，不但可以省水，且能够充分发挥土、肥、水的作用。若土地不平，灌水不匀，不仅费水，还易产生盐斑。中国农谚：“平整土地定穷富”，即视其土地平整与否，即可知其生产如何，美国把平地作为灌区改造的首位工作，埃及的经验灌排渠系的投资占灌区建设投资的30%，平地占70%。平整土地是节水农业基本措施之一，激光平地是国际上先进的平地技术，已在许多国家普及。

地膜覆盖是田间较好的节水保墒技术，原理是减少水的无效蒸发，提高地温，促进早熟，提高灌溉水和天然降水的利用率，增加农作物的水分生产率。春季地膜内外温差达5～7℃，膜内天然水分耗散速度比膜外低0.9mm/d，增温保墒效果显著，每亩可节水40～50m3，增产5～20％。如地膜覆盖的西瓜、甜瓜全生育期每亩可节水50m3左右，且早熟、增收。黑河流域民乐县的益民灌溉试验站资料显示，地膜小麦全生育期灌一次水的产量比露地小麦灌二次水每亩可增产58kg，每亩节水80m3。在黑河流域金塔县的鸳鸯池灌区，地膜玉米出苗早，苗壮且叶茂生长快，全生育期灌4次水，每亩可节水50m3，亩增产88～105kg，增产率达26～33％；位于黑河干流高台县的友联灌区，地膜玉米每亩增产10～70kg，水分生产率1.9kg/m3，增加0.32kg/m3，并减少一次苗水75m3/亩，同时推迟灌水时间10～15d。

2.2 高新节水灌溉

高新节水灌溉技术主要包括喷灌和微灌，与地面灌溉相比，具有节水、节省劳力、少占耕地，对地形和土质适应性强，能保持水土的优点，同时可以促进灌区种植结构的调整，实现节水的目的。

2.2.1 “喷灌”技术

喷灌是利用专门设备(动力机、水泵、管道等)将水加压，或利用水的自然落差将有压水送到灌溉地段，通过喷洒器(喷头)喷射到空中散成细小的水滴，均匀地散布在田间进行灌溉，灌溉水利用系数可达0.85。喷灌与地面灌相比，具有节水、省力、少占耕地，对地形和土质适应性强，能保持水土的特点。喷灌可以根据作物需水的状况，适时适量地灌水，一般不会产生深层渗漏和地面径流，喷灌后地面湿润均匀，均匀度可达0.8～0.9。由于喷灌采用管道输水，输水损失小，管道水利用系数可达0.9以上，比明渠水的地面灌溉节水30～50％。由于喷灌可以采用较小的灌溉定额进行浅浇勤灌，因此能严格控制土壤水分，保持肥力，保护土壤表层的团粒结构，促进作物根系在浅层发育，以充分利用土壤表层养分。喷灌能改善局部气候，减轻干热风对作物的影响，冲洗作物茎叶上的灰尘，有利于作物的呼吸及光合作用，因此有明显的增产效果。

根据全国多年大面积应用喷灌证明，喷灌与传统的地面灌溉相比，粮食作物可增产10～20％，经济作物可增产20～30％，果树可增产15～20％，蔬菜可增产1～2倍。

2.2.2 “微灌”技术

微灌包括滴灌、渗灌、涌流灌等。微灌可根据作物需水要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的特制灌水器(滴头、微喷头和滴灌带等)，将水和作物生长所需的养分以较小的流量(2L/h～200L/h)均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中，能为作物生长提供良好的条件。微灌以少量的水湿润作物根区附近的部分土壤，不易产生地表径流和深层渗漏，变灌土地为灌作物，属局部灌溉。同时，微灌能有效控制压力，使每个灌水器出水基本相等，均匀度可达80～90％，在50～150Kpa的低压下运行，工作压力比喷灌低的多，对提水灌溉来说节能效果更为显著。据相关资料统计，微灌比地面灌节水50～70％，增产15～30％；微灌比喷灌节水15～20％。微灌和喷灌、“管灌”相同，田间输水均为管道，可节省土地2％以上。微灌渠道水利用率可达0.95以上，灌溉水利用系数能达到0.9，较其它灌水方法高。可见，微灌更具省水、节能、灌溉均匀、高产等优点。

3 各种节水灌溉模式适宜性分析

3.1 “渠灌”技术

在西北内陆河地区，“渠灌”技术已推广多年，干支渠大部分采用梯形衬砌，输水损失小，抗冻效果较理想，施工和运行不受气象、地形等条件的影响，简单易行，管理方便且费用小，是群众最欢迎的一种常规节水方式。

考虑到西北内陆河灌区的渠系大部分建于20世纪60～70年代，老化失修严重。灌区现状干支渠的衬砌率仅30～40％，加之单位灌溉面积的输水渠道较长，渠系在输水过程中水量无效损失大。为了提高水资源的利用效率，实施渠系防渗衬砌是非常必要的，应根据财力物力情况大力发展。

3.2 田间节水技术

田间固定渠道(斗、农渠)采用“U”型槽或弧底各级渠道的防渗衬砌，田间施行沟、畦、小块灌溉技术，以及土地平整技术均是简单易行的灌溉技术，地膜覆盖技术主要用于棉花、蔬菜和瓜果等经济作物，在各灌区已广泛应用。推行0.3亩左右的沟、畦、小块灌，是结合实际且简单易行的灌溉技术，各灌区应大力推广，同时应加强用水管理和耕作节水技术。

但值得注意的是，对于地表水、地下水转化频繁的内陆河灌区，对斗渠及以下渠道进行衬砌，规模不宜太大，避免对生态环境产生负面影响。

低压管道输水宜在井灌区大力推行，在沿山丘陵区可适当发展自压管灌。工程适宜以半固定式为主，示范推广管渠结合形式，适当推广地面移动式管道灌溉。

3.3 “喷灌”技术

喷灌技术近年来在西北内陆河灌区发展较快，主要是半固定式喷灌，适宜各种作物。

根据喷灌设计手册规定，在风速大于三级(3.4～5.4m/s)的地区不宜发展喷灌。原因是风速大于三级时，灌水的均匀度低，喷洒水利用系数低于0.7，不能满足灌溉要求，造成作物减产。因此，对平均风速小于三级的地区可采用喷灌。另外，在作物生育期内日平均风速累计大于15～20d的地区也不宜喷灌。

西北内陆河地区降水量小、蒸发量大，作物要求的灌溉定额较高，而喷灌是灌水定额较小的浅层灌溉，轮灌期短，灌水次数增多，运行管理难度加大。同时，喷灌要求动力加压，亩均投资一般高于“管灌”和地面灌，因此，喷灌不宜在大田作物推广，而宜于在井灌区且作物经济价值较高、连片种植且集中管理的地区发展；对地形起伏大、土壤透水性强、采用地面灌溉困难的地方，以及水源有足够自然落差的地方，也可适当发展喷灌。

3.3 “微灌”技术

微灌适用山丘、坡地、平原等地形灌溉，不需平田整地，但由于技术要求高，一次投资大，对水质要求较高等，尤其是河流含沙量高时，需作沉沙和过滤，投资更大，因此，在安排发展上，要因地制宜，循序渐进，充分做好示范区建设。

目前，微灌在各灌区可结合产业结构调整于井灌区的日光温室大棚、优质酿酒葡萄及啤酒花、优质黑木耳等高产出的经济作物区，以及在井灌区的经济作物区大力普及，与投入产出相匹配，同时可以降低水源和电源投资。

4 各种节水灌溉模式节水效果评价

本文以黑河流域为例，对各种节水灌溉模式的节水效果进行评价。

4.1 节水量计算方法

地表水和地下水转换频繁是西北内陆河的一个显著特点，因此，在计算节水量时必须考虑回归水量，即节水量为渠口节水量减去回归水减少量。用公式表示如下：

△W=△W渠口-△W回归 (1)

其中：

△W回归=W前,回归-W后,回归=W*[(1-k)*(1-η)+β*η]-Wˊ*[(1-k)*(1-ηˊ)+β*ηˊ]

式中：△W―节水量(万m3)；△W渠口―渠口节水量(万m3)；

△W回归―回归减少水量(万m3)；W、W′―改造前、后需水量(万m3)；

k―包气带耗水系数，参考当地有关资料确定；

η、ηˊ―灌区改造前、后的灌溉水利用系数，参考当地有关资料确定；

β―灌溉入渗补给系数，参考当地有关资料确定。

4.2 计算条件

(1)各项措施的规模。根据国务院以国函【2001】86号文批复的《黑河流域近期治理规划》，2001～2003年在黑河中游干流的14个灌区规划渠系衬砌长度1645km，其中干渠485km，支渠610km，斗渠550km；规划田间配套工程90万亩，低压管道灌溉面积24.5万亩；规划高新节水灌溉面积18.5万亩，其中喷灌面积2.10万亩，微灌面积16.4万亩。

(2)参数取值。灌溉水利用系数η：改造前为0.40～0.50，改造后为0.44～0.59，其中渠系水利用系数改造前为0.48～0.56，改造后为0.51～0.66；田间水利用系数改造前为0.84～0.88，改造后0.87为～0.90；包气带耗水系数k：0.10～0.30；灌溉入渗补给系数β：0.24～0.34

4.3 计算结果

根据上述计算公式和计算条件，以灌区为单元分别计算各项措施的节水量。汇总成果详见上表。

4.4 效果评价

从上述计算结果可以看出，微灌的节水效果最为显著，单位面积的节水量为372.1万m3/亩，喷灌次之，单位面积的节水量为252.9万m3/亩，渠系防渗衬砌的节水量最小，单位衬砌长度的节水量仅为4.4万m3/km。