【摘 要】 随着城镇化进程的发展，农村劳动力将向城市转移，农业生产模式也将由传统的分散化、随意化向规模化、产业化、现代化的生态农业模式发展。新时期的农田水利规划需要配合这种发展趋势，向着节水、高效、科学的方向发展。以浦东新区为例，探讨城镇化趋势下经济作物及粮食作物的农田水利规划方法及实施要点。
【关键词】 城镇化 经济作物 粮食作物 农田水利规划
1 研究背景
水是生命之源、生产之要、生态之基。近年来我国频繁发生的严重水旱灾害，暴露出农田水利等基础设施十分薄弱，必须大力加强水利建设。为了解决水资源面临的问题，中共中央、国务院出台了《中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定》。国务院进一步提出了《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》以下简称（《意见》），全面实施最严格的水资源管理制度。针对农田水利基础设施建设，《意见》提出了明确目标，到2015年，农田灌溉水有效利用系数提高到0.53以上；到2020年，农田灌溉水有效利用系数提高到0.55以上。并提出要加大农业节水力度，完善和落实节水灌溉的产业支持、技术服务、财政补贴等政策措施，大力发展管道输水、喷灌、微灌等高效节水灌溉。
上海市作为全国首批试点省市之一，正在积极开展实施最严格水资源管理制度的试点工作，到2014年基本建立最严格水资源管理制度体系框架。浦东新区各级水务行业管理部门出台了一系列政策支持各镇农田水利基础设施建设，决定在全区进行农田水利基础设施高水平建设以及系统改造工程。针对集中连片、土地全部流转、规模化管理的基本农田保护区的灌区进行排灌设施改造、土地平整、机耕道路桥梁建设、泵站引水河整治、灌区自动化控制等高水平农田水利设施建设，对暂不能进行高水平水利设施建设的灌区进行系统改造。并出台一些了措施确保规划科学有效、建设程序规范、资金使用到位。
2 工程现状及预期目标
2.1 工程现状
现阶段我区使用的灌溉设施始建于上世纪六、七十年代，包括泵站、地下渠道、渡槽、倒虹吸等，主要针对水稻等粮食作物进行灌溉。这些设施在很长一段时间内发挥了良好效益，满足了作物需水要求。随着时间的增长，一些设施老化严重，近年来虽有不少应急维修工程，但由于各种原因，管道渗漏的现象难以得到彻底解决。近年来也有不少镇实施了现代农田水利项目，建设了喷灌、滴灌等节水灌溉设施，主要针对蔬菜等经济作物，发挥了良好效益。现阶段我区农田水利基础设施存在这以下几个方面的问题：
（1）随着经济社会的发展，一些土地使用性质、规划功能发生变化。一大批基础设施的建设，一些农业园区、工业园区的开发，一些城镇重新规划建设，使得不少原来种植作物的土地使用性质发生改变，随之而来使得原来土地上的农田水利基础设施报废，而原来并不是农业用地的土地成为了农业用地，这样使得原来的灌区规划与现土地要求不相适应。
（2）土地种植结构发生变化，一些原来种植水稻的田块现在种植了果树、蔬菜等经济作物，一些稻田改变成了鱼塘等发展养殖业，使得原来为水稻灌溉设计的灌溉系统不能满足要求。
（3）由于缺乏管理，上世纪建设的一些排灌设施，上方建造了民房、道路等设施，使得这些地下排灌设施难以维修。近年来一些灌区虽进行了应急维修等改造，但灌溉系统是一个整体工程，部分设施的维修难以解决整个系统的渗漏等问题。
（4）近年来我区农业在经济作物生产方面取得了不小的成绩，出现了一批优秀的合作社，生产方式也向这专业化、现代化、科学化的方向发展。但水稻等经济作物生产方式仍是以家庭等散户方式为主，这种生产方式带来的是种植结构的随意性以及水稻田块的分散性。分散的田块使得地下渠道长度延长，而随意改变的种植结构使得排灌设施难以得到良好的使用效益。
2.2 预期目标
随着城镇化进程的发展，越来越多的农村劳动力将向城市转移，农业生产模式也将由传统的农业生产模式向规模化、产业化、现代化的生态农业模式发展。根据2011年统计数据，全区粮食播种面积22081.6公顷，粮食总产量148599吨。蔬菜播种面积25185.3公顷，蔬菜总产量832818吨。未来我区农业发展的方向是农业现代化，未来的主要工作主要是大力促进农业转型发展，推进浦东农业生产方式和生产力水平现代化进程。农田水利基础设施的建设应同农业发展有机结合，根据农业生产发展的方向来决定农田水利基础设施建设的方向。未来农田水利基础设施主要向着科学化、节水化、自动化的方向发展。
3 经济作物农田水利规划
经济作物的灌溉方式主要以喷灌、滴灌、膜下灌等节水灌溉为主，这类灌溉方法的特点是灌溉时只湿润作物周围的土壤，远离作物根部的土壤仍保持干燥。灌溉方式的选择根据作物类型、地形、水源及土壤等因素，结合各种灌水方式的适应条件及各种灌水方式的优缺点选定。经济作物农田水利规划主要是进行灌溉方式的选择以及灌溉设施的布置。
（1）喷灌：利用专门设备将有压水送到灌溉低端，并喷射到空中散成细小的水滴，象天然降雨一样进行灌溉。
（2）滴灌：利用一套塑料管道系统将水直接输送到作物根部，水由每个滴头直接滴在根部上的地表，然后渗入土壤并浸润作物根系最发达的区域。
（3）膜下灌：一种特殊形式的滴灌，把滴灌毛管布置在地膜下面，可基本上避免地面无效蒸发。
（4）渗灌：利用修筑在地下的专门设施将灌溉水引入田间耕作层借毛细管作用自下而上湿润土壤进行灌溉。
（5）微喷灌：又称微型喷灌或者微喷灌溉，用很小的喷头将水喷洒在土壤表面，较喷灌流量大一些，不易堵塞。
3.1 规划原则
我区主要粮食作物是水稻，主要灌溉方式为地面灌溉，即由取水设施（泵站）从河道取地表水，通过输配水系统（地下管道、渡槽及倒虹吸）进入田间，水从地表面借重力和毛细管作用浸润土壤。灌区规划的主要任务是根据灌溉田地、作物情况、气候条件、土壤条件等确定灌溉面积、灌溉水量等。
3.2 国内外研究现状
3.2.1 水稻需水量研究
水稻消耗水分的途径主要有植株蒸腾、田间蒸发和深层渗漏，其中植株蒸腾和田间蒸发合称为腾发，消耗的水量称为腾发量，又称为水稻需水量。水稻需水量的计算方法主要有两类：一是根据经验公式直接计算，二是根据参照作物需水量计算实际需水量。在参照作物需水量计算方面，近30年来，基于能量平衡和微气候学方法的Penman-Monteith方程被认为是估算作物腾发量最具信赖和可用性的模型之一。其基本思想是：将作物蒸腾蒸发看作是能量消耗的过程，通过能量平衡计算出蒸腾蒸发所消耗的能量，然后再将能量折算为水量，即作物需水量[1]。
3.2.2 灌区水文模型研究
近年来，一些水文模型也被运用到灌区水量研究中。崔远来等运用土壤-水分-大气-作物系统模型（SWAP）对不同灌溉制度下灌水水平、土壤水势等试验资料对模拟早稻灌溉制度及作物生长适应性进行了验证[2]。王建鹏等[3]则对SWAP模型进行了进一步改进，更合理地定量描述和研究分析南方丘陵水稻灌区水量及其转化关系，为灌区水量转化和节水潜力分析研究提供了有效手段。周玉桃等[4]借助SLURP模型模拟研究灌溉系统的水分循环以及水量平衡要素的变化规律，模拟不同地质、土壤、植被以及不同管理措施下的灌区水分循环。
3.2.3 非充分灌溉研究
近年来中国的灌溉实践表明，作物本身具有生理节水和抗旱能力，适当进行水分亏缺调控对于促进群体的高产更为有效。已有试验资料表明，减少株间蒸发不会影响作物产量，一定条件下，适当减少植株蒸腾量也不会导致减产。相反作物在某些生育阶段水分亏缺，对作物生长发育与高产反而有利[5]。
3.3 规划实施要点
3.3.1 作物需水量及灌溉制度拟定
本区作物需水量主要根据本市相关灌溉试验站试验成果确定，得到作物各生育期需水量后，按照水量平衡原理分析制定水稻的灌溉制度。泡田期的灌溉用水量可用下式确定。
式中M1为泡田期灌溉用水量，h0为插秧时田面所需的水层深度，为泡田期渗漏量，即开始泡田到插秧期间的总渗漏量，为泡田期的天数，为时期水田田面平均蒸发强度，可用水面蒸发强度代替，为时期内的降雨量。
水稻生育期中任何一个时段内农田水分的变化用水量平衡方程表示。
式中为时段初田面水层深度，为时段末田面水层深度，P为时段内降雨量，d为时段内排水量，m为时段内的灌水量，WC为时段内田间耗水量。如果时段初的农田水分处于适宜水层上限（hmax）经过一个时段的消耗田面水层降到适宜水层的下限（hmin），这时如果没有降雨，则需要进行灌溉，灌水定额为
M=hmax-hmin
灌溉制度设计中的降雨量采用灌溉典型年的降雨量，即根据历年降雨资料用频率方法进行统计分析，确定几种干旱程度的典型年份，如中等年、中等干旱年以及干旱年等，以这些年的降雨量作为设计灌溉制度和灌溉用水量的依据。
3.3.2 灌水模数确定
对于某一次灌水需供水到田间的净灌溉用水量为
式中m为某次灌水的灌水定额（由灌溉制定确定），A为灌溉面积。由净灌溉用水量和灌溉水利用系数得到毛灌溉用水量。
得到每次灌溉定额以及毛灌溉用水量后，结合每次灌水延续时间得到每次灌水的灌水率和渠系引水流量。根据每次灌水的灌水率绘制初步灌水率图，对该图进行修正后得到修正后的灌水率图，得到渠系设计引水流量Q。
3.3.3 地下管道管径计算
得到设计引水流量后，接下来需要确定管道的管径。管道管径的选择一般是先根据各自不同管材的适宜流速及经验选定，然后校核水头损失是否合理。
3.3.4 渠系布置及泵站位置选定
地下渠道系统的布设应结合水源、道路、需灌溉农田等因素综合考虑，输水管网的布设应力求管线总长度最短，控制面积最大，管路平顺，无过多弯转和起伏。泵站位置选定应结合规划河道，主要是镇管河道考虑。泵站位置选址应该尽量布置在灌区中部，这样渠系水头损失较小，灌水时间也较短。
3.3.5 水泵扬程确定
管道水头损失包括沿程水头损失及局部水头损失，分别按以下公式计算：
沿程水头损失计算：
式中hf为沿程水头损失，f为摩擦系数，L为管道长度，Q为流量，d为管道内径，m为流量系数，b为管径指数，管材的f、m及b数值按规范中的相关表格确定。
局部水头损失计算：
式中为局部水头损失，为局部阻力系数，为管道内水流的流速，为重力加速度。
管道内总的水头损失等于沿程水头损失加上局部水头损失的迭加，即
水泵扬程根据首部设计工作压力确定，首先在灌区内选择几个能代表灌区的典型点，然后计算各自工作压力，取最大或者次最大者为设计工作压力。
式中H0为灌水器工作水头，∑hf为首部到典型点之间管路沿程水头损失之和，∑hj为首部到典型点之间管路局部水头损失之和，△为典型点高程与水源水面的高差。
4 结论
（1）随着城镇化进程的发展，传统农业将向现代农业发展。农田水利基础设施规划建设需配合这种趋势，向着更加节水、绿色环保、高效科学的方向发展；
（2）经济作物的灌溉方式主要采用喷灌、滴灌、渗灌、膜下灌等方式，灌区规划以单个生产组织（比如一个合作社）开展，灌溉方式根据类型、地形、水源及土壤等因素选定；
（3）粮食作物的灌区规划应该以高效节水为目的开展，在灌区划分上应考虑节水、节能，方便管理；
（4）工程建设方面应严格按照建设程序开展，严格实行项目法人责任制、招标投标制、建设监理制，规范工程施工，确保工程质量；
（5）建成后应加强田间管理，注重日常维护保养，确保工程高效运转。
参考文献：
[1]丁加丽，彭世彰，徐俊增，魏征.基于Penman-Monteith方程的节水灌溉稻田蒸散量模型[J].农业工程学报，2010，26（4）：31～35.
[2]代俊峰，崔远来.SWAP模型及其在灌区管理中的应用前景[J].中国农村水利水电，2006，6：34～39.
[3]王建鹏，崔远来.水稻灌区水量转化模型及其模拟效率分析[J].农业工程学报，2011，27（1）：22～28.
[4]周玉桃，崔远来，谢先红，代俊峰.SLURP模型及其在灌区水管理应用中的研究进展[J].中国农村水利水电，2008，8：84～88
[5]彭世彰，朱成立.节水灌溉的作物需水量试验研究[J].灌溉排水学报，2003，22（2）：21～25.