提高農業灌溉用水效率研究

侯 波

(塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700)

1 概 述

多年來，灌溉系統的類型發生了巨大的變化。地表灌溉從1979年占總灌溉量的63%下降至1994年的50%，而低壓系統(如滴灌、噴灌)從1979年占總灌溉量的0.6%上升至1994年的近4%。盡管地下灌溉占相當小的數量，但在使用地下排水系統(包括水位控制技術)改善作物性能和水質的地區，這一點非常重要。當然，滴灌系統(和其他低壓系統)的大幅增長是因為它們的數量很少[1]。20世紀90年代以來，我國每年遭受干旱災害的耕地達0.2×108hm2，糧食產量比正常年份每年減少100×108至250×108kg。在災害最嚴重的年份，糧食產量最多減少500×108kg，經濟作物損失達600億元。這幾年，農村有2.6億人飲水困難。全市工業缺水約60×108m3，直接損失達200億元，建設節水型社會勢在必行[2-3]。

2 農業用水效率現狀

農業用水效率的現狀：①灌溉用水效率低，僅為43%左右，與發達國家70%～80%的用水效率相差甚遠。渠道損失占灌溉水損失的80%以上，全國大型灌溉骨干建筑物損壞率達到40%，約有40%的大中型水庫存在不同程度的險情；②灌溉定額普遍偏高，采用傳統灌溉方式，全國平均每公頃實際灌溉量達到6 750～7 500 m3，超過實際需水量的1倍，部分地區甚至高達2倍；③自然降水利用率低，0.733 3×108hm2旱地中70%位于中國北方年降水量250～600 mm的地區。由于蓄水和節水設施不足，農田利用對自然降水率的影響只有56%左右；④作物水分生產率不高，僅為1.0 kg/m3左右，遠低于發達國家2.0 kg/m3的水平；⑤不同地區用水差距較大，比如灤河流域與珠江流域的差距高達2.5倍；⑥現代灌溉技術應用程度太低。根據有關科研機構對16個國家灌溉現狀的分析，以色列、德國、奧地利和塞浦路斯的現代灌溉技術總灌溉面積比應用面積達到61%以上，美國、澳大利亞、埃及和意大利的現代灌溉技術總灌溉面積比應用面積約為11%至30%。而我國噴灌滴灌面積僅為80×104hm2左右，占有效灌溉面積的1.5%。因此，我國農業節水潛力巨大[4-5]。

3 提高農業用水效率的途徑

提高農業用水效率主要從農業節水、工程節水和節水管理3個方面進行改進，具體見表1。

表1 提高農田灌溉效率的改進方案

3.1 灌溉系統的選擇

迄今為止，灌溉模型已將重點放在運河輸水和農場灌溉管理上，以滿足灌溉人員和方案管理人員的具體需求。不過，它對水資源規劃人員和廣大決策者的支持肯定非常有限。其根本原因在于，灌溉模式通常只關注水平衡的有限部分，缺少重要水源以及灌溉項目中的用水。特別是，沒有考慮到灌溉回流的可能性和再循環。然而，回流的循環利用會對水的利用效率、生產力和平衡產生重大影響，特別是在缺水的情況下。

綠洲模型的設計是為了解決其他灌溉模式的主要缺點。它基于一個綜合建?？蚣?，該框架包括主要灌溉系統組件(包括地下水和排水系統)及其相互作用的概念表示(圖1)。綠洲模型的主要特點：

1) 具有灌溉項目內水平衡的所有主要因素的能力，包括休耕地和非作物植被的非過程消耗。

2) 考慮灌溉回流循環的能力，從而允許連接渠道、地下水和排水的使用。

3) 在實際或假設條件下適當量化用水效率、生產力和平衡性的能力。

圖1 綠洲灌溉模型

3.2 工程節水

3.2.1 采用先進的節水技術

應采取因地制宜的合理灌溉措施，在經濟實力較強的缺水地區發展噴灌和微灌，經濟實力薄弱地區應考慮采用田間簡易節水灌溉技術，如小農滴灌系統(圖2)，這些系統試圖保留傳統滴灌的好處，同時消除阻礙小農戶采用滴灌的因素，例如高昂的購買成本和復雜的操作和維護。

1) 蓄水池：水在所需壓力下從蓄水池(桶或桶)流向管道系統。

2) 控制：管道系統中的閥門(龍頭)控制流量和壓力。

3) 主干線和側線：連接儲層和油田中的發射器。側面可以是多孔管或具有多個出口分配器(發射器)。

4) 排放器/滴頭：這些裝置控制從側面到工廠的水流。

小農滴灌系統有幾個共同的特點：20～1 000 m2小塊土地的成套設備；0.5～4 m范圍內的低壓；防止顆粒進入側面的簡單過濾器；以及設計為可移動的主管道和側面管道。

盡管水必須被帶到桶里，但少量的水可以灌溉大面積的土地。假設作物需水量為5 mm/天，通常用于日平均溫度約為20℃的高地地區，一個200 L的水桶可灌溉面積為100 m2?？梢酝ㄟ^使用多個水桶來增加灌溉面積。

圖2 小農滴灌系統

3.2.2 改進傳統地面灌溉技術

小溝灌“三變”技術是指長邊改短溝，寬溝改窄溝，大壟改小壟。關鍵是要做好田間灌溉水量分配，節約灌溉時間，減少灌溉用水損失。長邊段畦灌是將長壟分成多個有小壟溝的橫壟，然后用塑料軟管或垂直地面將灌溉水溝渠入庫的灌溉方法。該方法比一般長溝灌溉節水40%～60%，田埂少，省力，便于耕作。對土地多人少、勞動力短缺、缺水的地區有好處。涌流灌溉又稱間歇灌溉或涌灌溉，它是指灌溉技術在一定時期內間歇地向溝(畦)內涌水，使水流向溝(畦)的末端像涌水一樣，使表層土壤濕潤。該方法具有省時、節水、節能、優質灌溉、設備少、投資少、節水效果明顯等優點，節水率為30%～50%。

3.3 農業節水

通常將用水效率定義為WUE=作物產量(通常是經濟產量)/生產用水，如果作物產量以g·m-2表示，用水量以mm表示，則WUE在單位水量基礎上的單位為kg·m-3，或在單位水量基礎上的單位為g·kg-1。表達式可以寫成ETWUE和IWUE。

(1)

(2)

式中：Yi為灌溉期間產量；ETi為灌溉水平年i的作物需水量；Yd為干旱期間產量；ETd為等效旱地或僅旱地的凈需水量；Ii為灌溉水平年i的灌溉量。

式(1)中的用水量很難精確確定。因此在某些情況下，許多灌溉從業者使用基準WUE可以定義為：

(3)

式中：HI為收獲指數(單位干物質的干產量)；DM為物質干重量，g·m-2(必須與用于計算收獲指數的干物質成分相同，無論是地上干物質還是包括根在內的總干物質)；T為蒸騰作用，mm；WC為經濟產量的標準含水量；E為土壤水分蒸發量，mm；P為降水量，mm；I為灌溉量；SW為根區土壤水分耗竭量，mm；D為根區以下的深層滲透量，mm；Q為地表徑流，mm。

式(3)代表了提高WUE提供的所有農藝和工程機制。①通過作物育種或管理提高收獲指數；②通過改良的物種選擇、品種選擇或作物育種來減少蒸騰比率(T/DM)；③通過提高肥力、病蟲害防治和最佳種植來最大化干物質產量；④相對于其他水平衡成分增加蒸騰成分。

3.4 節水管理

3.4.1 加強聯合多部門建立水資源統一管理制度

節水農業是一項系統工程，涉及農業、水利、科技、城建、環保、氣象、宣傳、規劃等多個部門。各部門之間缺乏合作機制，效率低下。因此，有必要建立一個全面的協調機制，為各部門的聯合創造條件。

3.4.2 相關部門聯合實施項目管理辦法。

制定多部門節水農業規劃，并將其作為相關部門工作的重要組成部分。充分重視地方部門的效益，地方部門在節水工作中起著至關重要的作用，節約用水只能靠地方部門的積極性。

3.4.3 從供水管理的水資源管理理念轉變為用水需求管理理念

傳統的水資源管理可以統稱為供水管理，其主要特點是以工農業用水需求為基礎，通過建立大中型水利工程來實現水資源供需平衡。供水管理最大的缺陷是忽視了節約用水的可能性，希望解決供水中的水資源供需矛盾，造成水資源浪費和效率低下。供水管理必須轉變為用水需求管理。用水需求管理是綜合運用行政、法律和經濟手段，規范人類在水資源開發利用中的行為，從而實現有限水資源的合理利用和優化配置。強調水資源是稀缺商品，通過建立合理的水價，實現現有水資源利用的優化。

3.4.4 充分發揮農民節水積極性

為了提高農業用水效率，必須有用戶的參與。所有的技術和措施最終都被用戶使用。用戶是節水的主體，其行為和質量在一定程度上決定著節水效率。因此，民主管理機制是節水的重要因素之一。同時，還必須對農業灌溉水價進行改革。否則，農民節約用水的積極性就無法發揮。

4 結 語

灌溉作為一種提高產量和提高水分利用效率的手段，在國內和世界范圍內仍然至關重要。許多農藝、工程和管理技術可以減少灌溉農業的非生產用水，然而在某些情況下，提高灌溉效率并不能簡單地獲得新的分配用水，除非實際減少了轉移用水的消耗性使用部分。為優化水資源配置和高效利用，提供充足的糧食，改善生態環境，滿足工農業發展需要，發展節水農業，提高農業用水效率，完善用水效率控制體系，建立節水型社會勢在必行。