淺析我國農業節水灌溉技術研究及進展

廖佐毅 ， 張廬陵 ， 廖章一 ， 鄧勇杰

（江西農業大學工學院，江西 南昌 330045）

我國是農業大國，但水資源時空分布不均嚴重制約了我國農業的發展。節水灌溉技術在提高農業灌溉用水效率、促進生態綠色發展和增產增收等方面發揮著重要作用。據國家水利部《2019年中國水資源公報》公布數據顯示[1]，當年全國水資源總量為29 041.0億m3，全國用水總量為6 021.2億m3，占當年水資源總量的20.7%，其中，農業用水量3 682.3億m3，占用水總量的61.2%，耕地實際灌溉畝均用水量368m3，農田灌溉水有效利用系數0.559。灌溉是第一耗水大戶，我國農田灌溉水利用系數遠低于發達國家的0.7～0.8，由此可見，我國節水灌溉技術水平還遠遠滿足不了當前國家農業的發展需求，所以發展節水灌溉技術是緩解水資源短缺、提高農業經濟效益的國家重要戰略舉措。

1 國內外節水灌溉技術現狀

1.1 國外現狀

世界發達國家節水灌溉技術均呈現高技術、高投入和管理現代化的特點，美國、日本、荷蘭等國家對節水灌溉技術研究起步較早，農業現代化和精細化水平較高，灌溉控制體系已經相當成熟。

其中最具代表性的國家為以色列，創造了由“沙漠之國”打造成農業強國的“沙漠奇跡”，科學管理、充分整合水資源，以色列先進的咸水淡化技術和廢水循環利用技術，實現55%的國內用水來自海水淡化，廢水處理率高達75%，位居世界第一；大力研發高新、精準、智能灌溉設備，以色列生產的80%灌溉設備用以出口，農業科技貢獻率在90%以上，其水肥一體化技術能將灌溉水利用率提高到95%以上、肥料利用率提高到80%以上，微灌面積占總灌溉面積的80%以上，全國基本上實現灌溉管理節約化、精準化和智能化的以色列現代農業。

美國是世界上農業生產現代化程度最高的國家，據FAO（聯合國糧食及農業組織）統計，美國的噴灌面積占總灌溉面積的48%（2010年），微噴面積占全美微灌面積的52.8%。近年來，美國的微灌面積發展很快，到2010年已發展到1.53×106hm2，其中滴灌面積占微灌面積的45.86%，利用襯砌渠道灌溉面積占地面灌溉的46.3%，利用管道輸水灌、閘管灌、波涌灌的灌溉面積占地面灌溉面積的37.33%[2]。

隨著灌溉渠系日趨管道化、現代信息技術不斷發展，美國、以色列、加拿大和日本等國率先采用計算機、物聯網、航測、衛星遙感控制等技術不同程度實現了農業節水灌溉管理自動化、精準化、智能化。

1.2 國內現狀

21世紀以來，連續11個“中央一號文件”和中央水利工作會議，都把節水灌溉作為重大戰略，我國節水灌溉產業進入高速發展快車道。根據《第三次全國農業普查》結果顯示[3]，截至2016年末，我國節水灌溉的基本現狀是，耕地總面積為134 921khm2，其中灌溉耕地面積61 890khm2，占耕地面積的45.9%，其中節水灌溉面積34 319khm2，占灌溉耕地面積的55.4%，有噴灌、滴灌、滲灌設施的耕地面積10 018khm2，占灌溉耕地面積的16.2%。2019年全年我國新增耕地灌溉面積27萬hm2，新增高效節水灌溉面積146萬hm2，全國農田灌溉水有效利用系數為0.559。如今我國節水灌溉技術發展水平與世界發達國家相比依然存在較大差距，高效農業節水灌溉技術依然存在巨大發展空間和潛力。

袁其濤通過對比國外噴頭裝備、噴灌機、可再生能源節水灌溉技術及微灌技術，提出我國節水灌溉裝備應加大丘陵山區節水灌溉綜合配套技術研究，智能化精確噴灌機組研究，低成本高效噴、微灌和水肥藥協同精準控制技術與裝備研究，清潔能源節水灌溉裝備與技術研究[4]。金宏智綜合分析國外節水灌溉工程技術與設備及其應用，認為我國應該在節水灌溉設備選型和技術推廣方面需結合當地條件選擇因地制宜的農業灌溉模式[2]。高雪梅分析國內外節水灌溉現狀和發展趨勢，目前我國節水灌溉存在的主要問題：1）節水管理體制和政策不夠完善，水價偏低；2）節水灌溉技術水平偏低；3）資金投入不足，節水灌溉設備不夠完善；4）盲目引進，國家、各級政府對節水灌溉支持力度不夠[5]。

2 農業節水灌溉技術

2.1 渠道防滲技術

渠道防滲是減少渠道輸水水量滲漏損失的工程技術措施。在渠道防滲工程中,主要防滲技術有[6]：

1）砌石防滲技術，砌筑卵石、塊石、料石和石板等石料作為護面層，具有抗沖、抗凍、抗磨和耐久性好，施工簡便的特點，適用于石料來源充足、有抗沖、抗凍、耐磨要求的渠道工程，但防滲效果不易保證。

2）混凝土防滲技術，澆筑或砌筑混凝土作為護面層，具有防滲效果、抗沖擊性和耐久性好，適用范圍廣的優勢，是目前最為常見的一種渠道防滲措施，通過現澆、預制和噴射的施工方式進行施工。

3）瀝青混凝土防滲技術，鋪筑或砌筑瀝青混凝土作為護面層，該技術防滲效果好，適應地基變形能力強，造價與混凝土防滲技術相近，在有凍害地區優勢明顯，但需保證瀝青料來源。

4）膜料防滲技術，鋪設土工膜、塑料薄膜，油氈、膨潤土防水毯等以減少渠道水量滲漏損失的措施，其優勢在于防滲效果好，重量輕，運輸量小。當采用土料保護層時，造價較低，但占地多，允許流速小；當采用剛性保護層時，造價較高，適用于中小型渠道襯砌。

渠道防滲技術的應用，可有效提高輸水利用率，提高渠道穩定性，增強水流流速和輸水能力，利于調控地下水位，可有效防止土壤次生鹽堿化和沼澤化，降低施工、管理和維護成本。工程實踐證明，該技術可減少滲漏損失達70%～90%，減少管理養護費用70%，可使渠系灌溉水利用系數提高到0.6～0.85。近年來，我國在渠道防滲技術的研究中，不斷強化防滲材料性能且趨于復合型材料，渠道結構型式不斷豐富，施工方式向機械化、半機械化發展。

2.2 低壓管道輸水技術

低壓管道輸水技術是指用管道代替傳統明渠的一種輸水工程措施，它通過一定的壓力（一般只有0.002 MPa～0.005MPa，最大壓力一般不超過0.2MPa）將灌溉水由分水設施輸送到田間進行灌溉，管道一般都采用地埋式，屬于地面灌溉方式。主要由首部取水樞紐、各級輸配水壓力管道系統和田間出水口三大部分構成。

低壓管道輸水技術的主要特點：1）節約用水，由于低壓管道輸水一般采用地埋式，因此基本可以消除水在輸送過程中的滲漏和蒸發，灌溉水的利用系數可提高到0.95～0.97，比混凝土板襯砌渠道、砌石渠道、土渠分別多節水約7%、15%、30%；2）適時適量灌溉，輸水迅速，縮短了輪灌周期，有利于增產增收；3）成本低，效益高，灌溉水的利用率提高，抽水量減少，相比于渠道灌溉可減少能耗約30%，還可適應各種地形，擴大灌溉面積；4）占用耕地少，便于機械耕作，輸水管道埋于地下，可減少2%～3%的渠道占地；5）設備簡單，操作方便，對于不同水源、作物、土壤及流量的適應性強，便于推廣。

2.3 噴灌技術

噴灌是利用專門的設備(水源工程、水泵機組、管道系統、噴頭等)將壓力水噴射到空中分散成細小水滴，并均勻地灑落到田間的灌溉方法。噴灌按灌水方式可分為固定式、半固定式和移動式噴灌三種類型，在我國用得較多的有固定管道式噴灌、半移動式管道噴灌、滾移式噴灌、圓形式噴灌、平移式噴灌、絞盤式噴灌等[7]。噴灌幾乎適用于灌溉所有的旱作物，如蔬菜、果樹等，而且平原和山丘區均適用；并且可用于噴灑肥料、農藥、預防霜凍和熱風，而且不產生地表徑流和深層滲漏[8]。噴灌技術的主要特點：

1）優點：①節水效果顯著，噴灌水量可控，灌溉均勻，一般情況下均勻度可達0.8～0.9，灌溉水有效利用系數可達0.8以上，比地面灌溉節水30%～50%以上，在透水性強的砂質土可省水高于70%；②適用范圍廣，適用于各種地形和作物；③能適時適量均勻灌溉，可避免過量灌溉導致土壤次生鹽堿化，還可防止地表徑流和深層滲漏，不易產生水土流失和土壤板結；④省工，可減少渠系建設和維護管理以及土地平整工作；⑤提高土地利用率，減少了地面的溝渠建設，能增加15%～20%播種面積；⑥增產，糧食作物增產10%～20%，經濟作物增產20%～30%，蔬菜增產1～2倍，果樹增產15%～20%。

2）缺點：①受風力影響大，3～4級風時，噴灌均勻系數達到65%～75%，水滴飄移和蒸發損失增大到10%以上，因此在風大的地方不適宜采用噴灌；②深層土壤濕潤不理想，噴灌一般能濕潤土壤深度為20cm～30cm，但對深層濕潤就比較困難；③不適合小型農戶，噴灌設備一次性投資大，技術含量高，管理難度大[9]。

2.4 微灌

微灌系統主要由水源、首部樞紐、輸配水管網、尾部設備等構成，通過管道末端的灌水器和連接的微灌系統將水和作物生長所需的養分均勻、精確地輸送到作物根部附近的土壤。微灌僅用少量的水去濕潤作物根區小面積的土壤，因而也被稱為局部灌溉技術[9]。微灌是一種最為節水的精細灌溉技術，灌溉水有效利用系數高達0.9以上，其灌水自動化程度高、田間管理工作量少，而且對于農田污染、沙漠化治理、水土保持等方面發揮巨大作用[10]。微灌包括微灌微噴灌、滴灌和滲灌等。合理規劃微灌系統以及提高灌水器的質量和優化設計是今后發揮微灌技術優勢、提升灌溉質量的關鍵問題。

2.5 滴灌

滴灌是微灌中的一種，滴水灌溉的簡稱，分為地表滴灌和地下滴灌。安裝在毛管上的滴頭或管網和滴灌帶等灌水器將具有一定壓力的水一滴一滴地、均勻而又緩慢地滴入作物根部附近土壤中，水分在毛細管作用和重力作用下擴散到整個根層供作物吸收利用的一種灌水方式[11]。滴灌技術誕生于以色列，目前美國的滴灌面積約占總灌溉面積的4.2%，以色列則高達60%。滴灌技術比噴灌更節水，節水量可達30%～50%，而且能有效防止土壤鹽堿化和土壤板結，減少病蟲害，提高肥效，增產增收，節能省工，挺高土地利用率，但也存在滴口易堵塞，灌水均勻度控制難度大，作物需水期容易供水不足，操作運行和管理難度大等缺點。韓啟彪、馮紹元等認為未來中國滴灌技術的發展需要在理論技術上加強管網優化、多水源滴灌系統、低能耗滴灌等方面研究，針對大流量過濾器、新型灌水器、精準施灌設備、智能化硬件和軟件、滴灌鋪設回收裝置等滴灌新產品的研發需進一步強化，同時需加強和完善滴灌基層服務隊伍建設[12]。

2.6 滲灌

滲灌是地下微灌的一種形式，在低壓條件下，埋于作物根系活動層的微孔滲灌管將灌溉水呈發汗狀滲出，憑借土壤毛細管作用給作物根系供水的一種先進的灌水方式，加大管網水壓力可變滲灌為涌泉灌。滲灌是目前灌溉水利用效率最高的一種節水灌溉技術，國內有低壓滲灌和重力滲灌兩種方式。滲灌具有節水節能、減輕病蟲害、抑制雜草、增產增收、改善土壤結構等優點，也存在易堵塞、灌水均勻度不易控制、作物需水期易供水不足、滲灌管埋深與耕作存在矛盾等不足之處。美國、法國、日本等發達國家的滲灌技術已進入推廣應用階段[13]，李典認為滲灌技術研究最主要問題依舊是滲灌管堵塞問題，滲灌管堵塞不僅直接影響灌水均勻度，而且最終決定灌溉系統使用年限[14]。

3 結語

農業節水灌溉技術是我國鄉村振興中農業發展的一項重要工程舉措，我國農業灌溉需更合理、多樣化規劃水源開發利用，自主研發更多高新化、自動化、精準化、智能化高性能灌溉設備，不斷完善農業節水灌溉管理體制和政策。未來我國智慧農業發展需要更多高標準的節水灌溉裝備作為支撐，加強節水灌溉技術研究勢在必行，積極推動我國節水灌溉事業持續發展，取得更好的節水效果、經濟效益、社會效益和生態效益。