牧区草地灌溉工程学

一、 我国牧区分区

1.牧区按草地类型和畜牧业生产状况可分为：东北牧区、蒙宁牧区、牧区、青藏高原牧区、西南牧区。

2.土壤：地带性土壤：草原土壤、高山土壤、荒漠土壤； 非地带性土壤：风沙土、盐碱土，以及森林土壤和水成土壤。 3.主要自然灾害：旱灾、白灾、黑灾。 二、牧区找水技术 A.（一）遥感技术

1.概念：是指从远距离、高空以至外层空间的平台上利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描方式对电磁波辐射能量的感应、传输和处理，从而识别地面物体的性质和运动状态的现代化技术系统。

2.遥感技术的特点

遥感具有多源性、空间宏观性、时间周期性、综合性以及波谱、辐射量化性的特点，既能达到对区域地质及水文地质信息宏观调查的目的，又能微观显示局部富水信息。

3.遥感技术可解决以下问题：

（1）推断地层岩性、构造，指示地下水存在的可能性。 （2）测定地表辐射温度，直接或间接探测泉水或浅层地下水。 （3）测量土壤湿度，探测埋藏型古河道。 （4）划分植被类型，推断浅层地下水水质。

4.遥感勘查技术的组成

（1）数据源的选择：包括多光谱遥感、雷达微波遥感、热红外遥感、卫星高分辨率影像与航空影像等数据。

（2）地下水遥感影像特征识别 （3）图像处理 （4）遥感信息解译

一般地下水遥感信息解译因子包括地貌因子、岩性因子、植被因子、水系因子。

（二）音波大地电磁测深法（EH—4电导率成像系统）

1.基本原理：通过频谱分析及一系列运算，求得不同频率的视电阻率值。勘测深度随着频率的变小而增大，反之则减小，因此，通过改变频率可以达到勘测的目的。

2.存在的问题及解决措施

（1）环境干扰。解决办法有两种：①远离影响物；②采用人工源法。

（2）静态效应。目前主要有三种抑制静态效应的方法：①EMAP法；②相位数据校正法；③TEM资料校正法。

3.应用范围：划分底层结构；了解地下水矿化度分布特征；寻找古（故）河道；查明深埋灰岩界面起伏以及构造裂隙岩溶发育情况；查明构造破碎带空间展布特征。 （三）激发极化法

1.基本原理：(简称激电法)包括直流激电法和交流激电法两种。

直流激电法是通过观测供电时间（T）和断电时间（t）的总电位差∆U(T)和二次电位差∆U2（t），来求得视极化率ηs（T,f）。 交流激电法是通过分别观测两个频率（低频fD和高频fG）的电位差ΔUfD、ΔUfG，从而求得交流激电特性参数频散率P（fD，fG）。

2.应用范围：了解第四系松散结构含水层的富水性；了解灰岩区溶洞或断层破碎带充填物成分；确定基岩构造裂隙富水发育带。 （四）核磁共振

1.基本原理：氢核是地下水中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。在稳定地磁场B的作用下，氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进，即产生核磁共振效应。核磁共振找水方法就是通过测量地层水中氢核在拉摩尔频率的交变磁场B1（ω0）作用下产生的共振讯号来直接找水。

2.存在的问题

①易受电磁噪声干扰，通过改变天线形状和增加信号叠加次数解决；②仪器勘测深度小，勘测深度只有100~150m；③同其它电磁法相比，效率较低；④正、反演软件应用裂隙水、溶洞水时解释结果偏差较大。火成岩地区应用困难。 B.(一)孔隙地下水勘查方法

1.介质调查：通常可采用直流电测深法、高密度电阻率法、音频大地电磁测深法。

2.富水性调查：通常包括激发极化法、核磁共振找水法。 （二）裂隙水勘查方法

1.介质调查：在遥感解译线性构造的基础上，可根据不同的环境条件，选择音频大地电场法、放射性甚低频法等方便、快速、经济的方法确定构造水平位置。

2.富水性调查：选择直流电测深法、音频大地电磁测深法、瞬变电磁法、浅层地震等进行富水性确定。 （三）岩溶地下水勘查方法

可选择地质雷达、高密度法，配合核磁共振或激发极化法可实现精细划分地层结构和富水性的目的。 二、 水资源评价

1.水资源评价是对一个国家或地区的水资源数量、质量、时空分布特征和开发利用情况作出的分析和评估。 2.地下水资源： ①水文地质概况； ②计算分区； ③计算参数的确定；

④地下水资源计算：补给量计算 排泄量计算 地下水平衡分析 地下水可开采量计算 3.地表水资源：

①地表水资源概况 ②计算分区

③计算参数的确定 ④地表水资源计算 ⑤地表水可供水量

4.地表水资源+地下水资源=总水资源量

总水资源量-现状开采量=未来规划可用水资源量 四、牧区地下水开发利用技术 地下水取水的工程类型：

①垂直系统：建筑物的延伸方向，基本与地表面相垂直； ②水平系统：建筑物的延伸方向，基本与地表面相平行； ③联合系统：将垂直与水平系统结合在一起，或将同系统中几种（个）联合成一整体，便可称为联合系统。 （一）管井

1.概念：将直径较小、深度较大和井壁采用各种管子加固的井型，统称为管井。因为这种井型必须采用各种专业机械施工和机泵抽水，故习惯称为机井。 2.滤水管

①设计管井滤水管的基本要求：ⅰ.防止产生涌砂；ⅱ.结构要能有效地防止机械和化学堵塞；ⅲ.要具有适宜含水层的最大可能的透水性和最小的阻力，其进水孔眼或通道要尽可能的均匀分布；ⅳ.要具有合理的强度和耐久性，以防止在施工和管理中破坏；ⅴ.制作滤水管的材料，要具有抗御腐蚀和锈结的能力；ⅵ.结构要简单易于制作，而且要造价尽可能的低廉。

②管井滤水管的结构类型 ⅰ.不填砾类：

穿孔式滤水管：圆孔式滤水管和条孔式滤水管； 缝式滤水管； 网式滤水管； ⅱ.填砾类：

砂砾滤水管和多孔混凝土滤水管。

（二）大口井

1.概念：一般是指由人工或机械开挖的井深较浅，井径较大，用以开采浅层地下水的一种常用井型。 2．使用条件：

①地下水补给丰富，含水层渗透性良好，地下水埋藏浅的山前洪积扇、河漫滩及一级阶地、干枯河床和古河道地段。

②基岩裂隙或喀斯特发育好，地下水埋藏浅，且补给丰富的地段。 ③浅层地下水中铁、锰和侵蚀性二氧化碳的含量较高时，一般采用大口井取水较为适宜。 3.大口井施工 ⑴大开槽法施工 ⑵沉井法施工 （三）坎井

1.概念：是干旱地区开发利用山前冲洪积扇地下潜水，进行农田灌溉和人畜饮用的一种古老式水平集水工程。

2.坎儿井的供水系统一般是由竖井、廊道、明渠、涝坝（地面蓄水池塘）四大部分组成。 （四）辐射井

辐射井是由垂直水井和水平集水管（孔）联合构成的一种井型。因其水平集水管呈辐射状故将这种井称为辐射井。 （五）机井成井技术

井孔钻进；地层采样与编录；疏孔、换浆和试孔；井管安装：方法有钻杆托盘下管法和悬吊下管法（知道两种方法的步骤）；管外填封：管外围填、管外封闭；洗井与抽水试验；成井验收。 五、草地需水量与灌溉制度

1.草原灌溉泛指人工饲料地灌溉及天然草场灌溉。 2.开展草原灌溉的意义 ①人工草地灌溉的增产作用； ②天然草地灌溉的增产作用； ③灌溉对草地第二性生产的促进； 3.草地灌溉的特殊性 ①对象的特殊性

人工牧草：多年生牧草有一定的生长年限，若利用年限超过了牧草生长旺盛年限，牧草本身生理机能衰退，其需水量也相应下降。人工牧草是水分生产率较低，即在同样的条件下，牧草的水分消耗较农作物大，即单位水的生产能力较低。这是由于牧草长期生长在土壤贫瘠、气候干旱、农技措施粗放、自然条件较差的地区，经漫长的进化

形成的生物学特性所决定的。

天然牧场：天然牧场的植被是由多种植物所组成的牧草群落。随地理位置、海拔高度、土壤理化特性、降水、光照、温度等环境因子的不同，群落也千差万别。在不同的群落中，各种植物占有不同的生态位，加之群落之间的相互入侵，形成极其复杂的植物类群。 ②目标的特殊性

人工草地的产量目标是通过水分以及其它农技措施使干物质产量（主要是茎叶产量）达到最高。由于自身的生理特性和产量结构目标与农作物有一定差异，形成自己特殊的需水特点。在牧草的需水临界期和需水高峰阶段，满足其蓄水要求，达到多分蘖、早拔节、叶量大、产量高的群体分产结构水平，是人工草地灌溉的目的。

天然草场以牧草干物质生产为目的，衡量草场的优劣标准是生物学产量和质量，进行退化草地复壮和改良的目的是促进牧草的分蘖、分枝能力及有性无性生殖能力，增加茎叶产量，并使优良牧草在草群中的比率增加。

4.水分亏缺对牧草生长的影响

水分亏缺对牧草光合作用的影响；水分亏缺对呼吸作用的影响；水分亏缺对牧草营养状况的影响；水分亏缺牧草生长发育的影响。 5.土壤-植物-大气系统（要知道如何进行循环的）

6．一年生人工草地需水量与需水规律（苏丹草、御谷、燕麦）

在苗期生长缓慢，需水强度为3.3mm d；

在分蘖~抽穗期，需水强度变幅为7.1~9.4mm d，尤以拔节期需

水最多；

从抽穗起，其生理机能减弱，加之进入雨季，故从此期开始需水量显著减少。

7．多年生人工草地蓄水规律（披剪草、老芒麦；苜蓿）

在牧草生育初期，气温较低，加之植株矮小，需水量较小，需水强度仅为2.835~4.2mm d；

到拔节~抽穗期，需水强度达到最大值，披碱草最大需水强度为7.95mm d，老芒麦最大需水强度为12.21mm d；

从开花到收获期，牧草从营养生长转为生殖生长，牧草的生理机能也逐渐衰退，又逢雨季，空气的相对湿度比较高，需水量显著减少，需水强度也相应降低。

8.天然草场水分消耗的一般规律

天然草场在任一生长期（年份），其始、末期由于牧草覆盖度较小及生理功能的衰退，棵间蒸发占较大比例。特别是始期棵间蒸发量往往超过总耗水量的50%，中期随着牧草的生长发育，地表覆盖度增加，牧草生理活动旺盛，水分的消耗则以植物蒸腾为主，占60%~80%。就一种牧草而言，其耗水高峰期在拔节（或分枝）后期到开花期；而需水临界期，禾本科牧草在分 后期到拔节前期；豆科牧草在分枝前期到中期，即牧草的营养生长旺盛期。而天然草场的牧草群落是由多种植物组成的复杂群体。由于群落中牧草组成的多样性和生长发育的不同步性形成了对水分的特殊需求形式，即需水临界期及耗水高峰期长，需水量大的特点。

六、牧草灌溉实用新技术

灌水方法是指灌溉水进入田间或作物根区土壤内转化为土壤肥力水分要素的方法，亦即灌溉水湿润田间土壤的形式。

灌溉技术则是指相应于某种灌水方法所必须采用的一系列科学技术措施，亦即从田间渠道或管网向灌水地块配水，向灌水沟、畦、格田或灌水设备、灌水机械内供水、分水与灌水等的各种技术。

根据灌溉水向田间输送与湿润土壤的方式不同，一般将灌水方法分为4大类：a.地面灌水方法；b.喷灌灌水方法；c.微灌灌水方法；d.渗灌灌水方法。

1.太阳能光伏提水灌溉技术

⑴光伏提水灌溉系统主要由水源、光伏提水系统、输水系统、蓄水池、田间灌溉设备组成，灌溉方法一般采用重力滴灌和低压管灌。 ⑵工作原理：光伏提水、将水储存在一定容积的蓄水池里（蓄水池的出口与灌水器的水头差应符合灌水器的要求），水从蓄水池中靠重力通过主、干管输送到灌水器中实施灌溉任务（见书P155的图，可以自己说原理）。

⑶太阳能光伏提水灌溉模式

① 太阳能光伏提水系统+蓄水池+微灌灌溉模式 ② 太阳能光伏提水系统+蓄水池+喷灌灌溉模式 ③ 太阳能光伏提水自动化控制灌溉模式 ⑷太阳能提水灌溉系统的应用 在牧区人畜供水方面的应用；

在人工草场灌溉方面的应用； 在农田灌溉方面的应用；

在生态建设方面的应用。 2.风能提水灌溉技术

⑴组成：风力机、风力机基础、控制系统、取水建筑物、水泵、输水管线（或渠道）、蓄水池、用水终端（或排水口）。

⑵工作原理：风力机的功能是将风能转化为机械能；发电机的功能是将机械能转化为电能。 ⑶蓄水工程

①蓄水工程选用谁管、水池、水窖等形式。 ②应符合下列要求：

位置应避开填方或易滑坡地段，地下式蓄水工程外壁与崖坎和根系较发达的树木是我距离不应小于5m，多个水窖之间的距离不应小于4m；

蓄水工程应进行防渗处理；

蓄水工程与水源的垂直高度差应与提水机组的设计扬程相匹配，不应大于提水机组的设计杨程；

蓄水工程的设计容量不应小于最大日用水量的3倍； 为生活用水修建的蓄水工程或干旱地区的需水工程宜建顶盖； 蓄水工程的进水管应设置堵水设施，并布置泄水道。在正常蓄水处应设置泄水管或泄水口；

蓄水工程进水口前应设置栏污装置。

⑷应用：

风能提水灌溉技术在人畜供水工程方面的应用； 风能提水灌溉技术在人工草场灌溉方面的应用； 风能提水灌溉技术在农田灌溉方面的应用。 3.自压灌溉技术

⑴实行自压灌溉必须具备的条件：

地形条件，即：具有能够提供系统工作所需压力水头的自然地形条件；

水源条件，即：能够为系统所控制灌溉面积提供所需的用水量； 管道条件，即：累积地形落差的管道长度要适中。 ⑵自压节水灌溉的优、缺点

① 优点：节约水源；缓解电力不足矛盾，提高农业保证率；节约能源，降低运行成本；延长工程使用寿命，减少管理维修工作；有利于实行系统自动化控制。

② 缺点：需要建设规模较大的沉沙调节池或前池，占地较大；对节水灌溉设备和管材要求高，一次性投资较大，约为加压节水灌溉投资的1倍；对灌溉管理人员要求较高，必须掌握系统运行、维护、安全管理的相关知识和技术。 ⑶压力调节：续灌减压；轮灌减压。 ⑷防治水锤

可在设计喷灌系统及管理中采用以下措施：

减少压力管道的长度；

减小压力管道的流速； 采用不同形式的安全阀； 延长闸阀启闭时间。 4.远程自动控制灌溉技术 ⑴系统分类：

① 按系统的复杂程度划分：简易型、多路控制型、计算机控制型。

② 按控制的物理量划分：时间型、压力型、空气湿度型、土壤湿度型、雨量型、综合型。

③ 按数据来源划分：用时间来控制灌溉；以气象站为数据采集点，将采集的数据反馈至控制系统，计算机对搜索的气象数据进行汇总和分析，从而指导灌溉；以田间传感器作为数据采集点。

⑵系统组成：由灌溉系统和远程控制系统组成。 远程控制系统：系统硬件；

系统软件：一般分为上位机软件和下位机软件。 ⑶远程控制灌溉方法：主要利用GSM/GPRS/CDMA无线通信网络将控制系统中心的指令传递到远程田间的电磁阀中，远程控制电磁阀的打开和关闭，使灌溉系统自动进行灌溉，达到无人值守的境界；同时通过GSM/GPRS/CDMA无线通信网络将远程田间电磁阀的打开和关闭信号反馈回控制中心，使控制中心的操作人员能知道远程田间电磁阀是否接收到指令信号。

⑷远程自动控制灌溉技术

数据采集模块；数据处理模块；通讯模块；软件系统。 七、灌溉草地效益评价

1.灌溉草地效益评价主要包括经济评价和社会评价。其中，经济评价包括国民经济评价和财务评价。

国民经济评价：从国家整体角度，采用影子价格，分析计算项目的全部费用和效益，考察项目对国民经济所做的净贡献，评价项目的合理性。

社会评价：是指分析评价项目对实现国家和地方各项社会发展目标所做的贡献与所产生的影响，以及项目与当地社会的相互适应性的一种系统的调查、研究、分析评价方法。

2．灌溉草地的费用包括固定资产投资、流动资金和年运行费。 效益主要包括经济效益、生态效益和社会效益。 3.效益又可分为有形效益和无形效益。

有形效益可以用货币形式表示。有形效益又可分为直接效益和间接效益。经济效益属于有形效益。

无形效益是指不能用货币表示的效益。生态效益、社会效益因至今仍难以用货币形式表示，故多用文字叙述表达。所以，生态效益和社会效益属于无形效益。

4.灌溉草场效益具有以下的特点： ⑴随机性； ⑵非恒定性。

5.灌溉效益常用的计算方法有：

对比分析法、分摊系数法、扣除成本法。

6.经济效益分摊计算法：一般以综合增产效果为1，进行单因子的增产作用评估，即 C1+C2+C3+⋯+Cn=1

⑴田间试验法 ① 单项测定:Ci= nXi

i=1Xi

(i=1,2,3…，n)

YN−YK

② 综合测定法：Ci=

(Yi−Yk)+△Yi

△Yi= n

(Yi−Yk)

i=1(Yi−Yk)

×△Y

n △Y=(YN−YK)− n(Y−Y)=(Y−Y)−( ikNKi=1i=1Yi−nYk)

⑵指数加权法 7.影子价格

⑴概念：也称计算价格或最优计划价格。是指社会处于某种最优状态下，能够反映社会劳动消耗、资源稀缺程度和最终产品需求状况的价格。

⑵类型：

外贸货物影子价格：其生产或使用直接或间接影响国家进出口的货物；

非外贸货物影子价格：其生产或使用不影响国家出口或进口的货物，反映外币的真实价值；

特殊投入物影子价格：劳动力和土地；

外汇影子价格：影子汇率是单位外币用国内货币表示的影子价格；

资金影子价格：社会折现率是资金的影子价格，即投入资金的机会成本。

社会折现率：表示社会对资金的时间价值的估量。 8.国民经济评价指标和评价准则 ⑴经济内部收益率：

⑵经济净现值：

⑶经济效益费用比 9.水利建设项目评价

⑴特点：重在人文分析；评价内容广泛；评价分析层次多；评价指标定量较困难；以调查分析为主；评价指标多样性。

⑵常用方法：定量与定性分析相结合的方法；有无对比分析法；综合分析评价法。

10.灌溉草地社会评价指标

⑴生态效益评价指标：草场及群落动态变化；退化草地治理率；草原环境质量变化；

⑵经济效益评价指标：畜牧业产值比重；牧民人均收入变化率；单位土地面积产值；

⑶社会效益评价指标：畜产品商品率；抗灾保畜能力；科技素质。

八、灌溉草地发展的基本原则 1.灌溉草地发展的基本原则：

生态优先，经济、社会、生态效益相结合； 因地制宜，合理开发和节约水资源； 以供定需、合理控制灌溉规模； 水利为主，草、林、路、机配套。 2.灌溉草地发展配套技术

灌溉草地选址；围栏建设；青贮窑建设；植树造林；栽培技术；农艺技术；种植结构优化。 3.灌溉草地发展模式分类

⑴ 家庭草库伦灌溉草地发展模式：

①技术要点：

该灌溉模式面积以20~50亩为宜，防风林带、优质人工牧草、青贮饲料、精饲料作物、蔬菜等种植比例一般为1:6：4:4:1。放防风林带宜乔灌结合，一乔二灌或二乔二灌，宜高矮结合，形成疏透结构，林带间距取当地成年乔木的20~25倍。优质人工牧草应选择紫花苜蓿、沙打旺或披碱草、老芒麦、燕麦等，播种量1~2kg/亩，播深1~2cm。青贮饲料作物应选用专用青贮玉米、贮饲兼用玉米。精饲料作物应选用饲用玉米。

灌溉草地采用单个牧户户建户管户用，灌溉管理宜采用非充分灌溉技术，在灌好播前水的基础上，视降水情况，豆

科牧草须灌好分枝水、开花水；禾本科牧草或饲料作物应灌好拔节水、抽穗水、灌浆水。 ③ 使用条件：

该模式适用于地下水埋深不超过20m的沙质草地，或地下水位埋深小于20m的高平原干旱半干旱草场。牧民居住极度分散，草畜矛盾尖锐，草场沙化退化严重的地区。土壤以沙壤土、壤沙土、壤土为宜。

⑵ 公司规模化灌溉草地发展模式

①技术要点：灌溉面积一般在5000亩以上，人工牧草与青贮饲料的种植比例为4：6。防风林带宜乔灌结合，二乔二灌或三乔二灌，宜高矮结合，形成疏透结构，林带间距取当地成年乔木的20~25倍。围栏高1.5m~2.0m，田间生产道路间距200m~500m,宽3~6m。

②使用条件：利用地表水时，宜选择有水源稳定，且水质状况较好的地区。利用地下水时，单井出水量宜大于50m3，在单井储水量不足50m3的地区，应采用多井汇流技术，进行机泵配套时需配套变频控制系统。 ⑶ 牧户联户开发灌草地发展模式

①技术要点：灌溉面积一般在200~3000亩，户均20~50亩。人工牧草与青贮饲料种植比例4:6。光照条件较好的地区，精饲料种植比例应控制在30%以内。光照条件不足或劳动力匮乏的地区，也可全部种植多年生优质人工牧草。

②使用条件：具有一定的地表水资源条件或地下水资源丰富，具备相对集中开采条件的地区。由多户牧民自发联合，或由乡、村行政组织协调多户牧户牧民，选择水土资源条件较好的草地，进行灌溉饲草料地集中开发建设。 ⑷ 自压灌溉草地发展模式

⑸ 太阳能风能提水灌溉草地发展模式

⑹ 山前天然草地自流引水衬砌渠道排管出流灌溉模式 ⑺ 天然草场引洪淤灌模式 4.发展模式综合优化步骤

母系统环境辨识； 目标区划分； 优化建模； 模型求解与分析。