農業水利灌溉工程中的節水措施

張繼偉

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

根據相關數據統計預測，我國人口在2030年將達到16億，年糧食需求將增加到6.4億～7.3億t，根據我國農業發展要求，為了滿足糧食需求，農業灌溉面積應發展至6 000萬hm2左右，根據現有的農業灌溉用水量，預計在2030年農業灌溉用水量將達到6 500億m3。因此，為解決耕地面積有限、灌溉用水緊缺的局面，發展節水灌溉技術是實現農業可持續發展的必經之路。

目前，農業應用較為廣泛的節水灌溉措施主要包括渠道防滲技術、滴管技術、水肥一體化技術，還涌現出一批節水灌溉新技術，如加氣灌溉技術及再生水灌溉技術等，為農業節水灌溉技術的發展提供新的發展思路與需求。

1 農業節水灌溉技術研究現狀

1.1 節水灌溉含義

我國《節水灌溉工程技術規范》中對節水灌溉的定義為：根據不同作物不同生育時期需水規律及地區水資源條件，對降水及農業灌溉水進行高效利用，是保證農業生產效益最大化的主要措施。

1.2 節水灌溉技術體系分類

節水灌溉體系主要包括工程技術類節水、管理類節水及政策類節水灌溉措施。

1.2.1 工程技術類節水灌溉措施

1)水資源合理開發利用技術。主要是指利用相關工程技術措施，對天然水資源進行合理的調控、分配與開采，為農業發展提供必要的水資源，主要開發技術包括雨水蓄集利用技術、坑塘截流調控地下水技術、深溝河網蓄水技術、機井改造技術及再生水灌溉回收利用技術等。

2)渠道防滲技術。是指為了減少輸水渠道滲漏損失而采取的工程技術措施，是目前應用廣泛的節水灌溉技術之一。采用該技術可以將水資源利用系數從0.24提高到0.56左右，減少水資源輸送損失。

3)低壓管道輸水灌溉(管灌)。是指采用低壓管道代替傳統明水渠輸水灌溉的幾種措施，低壓管道輸水可以減少輸水過程中的滲漏和水分蒸發損失，提高輸水效率。

1.2.2 管理類節水灌溉措施

管理類節水灌溉措施主要是進行實時節水灌溉制度，制定土壤墑情監測預警技術、農業灌溉區域配水技術及現代化管理技術等。

1.2.3 政策類節水灌溉措施

政策類節水灌溉技術措施主要是指根據當地農業發展現狀建立節水灌溉技術服務體系，改進水資源管理體系，改變水價收費等方法，進而制定可持續發展節水灌溉政策等。

2 地面灌溉節水技術

地面灌溉節水技術是我國主要的灌溉技術之一，占我國農業灌溉總面積的95%以上，提高地面灌溉節水技術利用效率是提高農田水資源利用效率，從根本上緩解我國水資源短缺的主要實施途徑。

2.1 地面灌溉技術主要類型

2.1.1 畦灌

畦灌是指將農業生產試驗區劃分成多個狹長的小地塊，灌溉水從毛渠放入畦中以薄層水流動，流動過程中逐漸滲透濕潤土壤，主要包括順畦和橫畦兩種灌溉方式，如圖1(a)、(b)所示。畦灌適合用于小麥、谷物及花生等窄行距、種植密度大的作物，在使用過程中主要受到供水情況、土壤質地及土地平整度的影響。

圖1 畦灌主要類型示意圖

2.1.2 溝灌

溝灌主要是在作物種植行間開挖灌水溝，灌溉水進入灌水溝后在流動過程中借助土壤毛細管的作用從灌水溝壁逐漸滲透，采用此方法進行作物灌溉有利于保持土壤結構，減少灌溉水的蒸發損失，但是由于需要挖溝，勞動強度較大。

2.1.3 膜上灌溉技術

膜上灌溉是指在地膜覆蓋的基礎上，將膜側灌水改為膜上灌溉，將灌溉水通過放苗孔進行局部灌溉，可以改善土壤水分供應條件，提高地溫，解決水土流失等問題，而且膜上灌溉可以保持土壤良好的通氣性，保證土壤的疏松不板結。

2.2 地面灌溉質量評價體系

2.2.1 節水增產率

節水增產率是指在同樣農業生產條件及氣候自然條件下，與傳統灌溉技術相比，其單位面積產量增加百分數，計算公式如式(1)所示。

(1)

式中Fy—節水增產率，%；

Y1,Y2—兩種灌水方法或兩項灌水技術的平均單位面積產量，kg·hm-2。

2.2.2 節水率

節水率是節水灌溉技術體系下重要的評價指標之一，計算公式如式(3)所示。

(3)

式中ηa—節水率，%；

W1,W2—兩種灌溉方法單位面積上灌溉用水量，通常可用實際的灌水定額計算，m3·(667 m2)-1。

3 微灌工程技術

3.1 滴灌技術

滴灌主要分為地表滴灌技術及地下滴灌技術兩種發展模式，是目前農業生產中最節水的灌溉技術之一。由于滴灌技術需要投入相應的管道及設備，最初只應用在經濟作物的生產中，隨著后續技術的逐漸完善，經濟效益的逐漸顯現，開始廣泛應用于大田作物，是目前應用最為廣泛的節水灌溉技術之一。滴灌技術可以實現精準灌溉，灌溉水只濕潤作物生長部分，可以減少灌溉水的投入，減少水分的無效蒸發，還可以防止雜草生長，且不易產生地表徑流。

3.2 水肥一體化技術

水肥一體化技術是在滴灌技術上發展起來的一種新型農業灌溉方式，通過注入水中的肥料，可以提供足夠的水分和養分，實現水肥精準灌溉，提高肥料利用效率，減少化肥、農藥由于地表徑流造成的農田環境污染。由于滴灌能夠及時適量供水、供肥，因此，水肥一體化技術可以在提高農作物產量的同時，提高和改善農產品的品質。

3.3 加氣灌溉技術

地下滴灌技術是目前應用最為廣泛的田間節水灌溉技術，可以顯著提高水分、養分利用效率，實現精準灌溉與施肥，但是，灌溉水分入滲會驅替土壤孔隙中的空氣，導致土壤出現周期性滯水，造成土壤通氣性下降，土壤氧氣含量降低，限制土壤呼吸，進而造成根系對水分和營養物質的吸收下降，作物地上部分則表現為葉片萎縮，作物鮮重和干重顯著下降，最終導致作物產量和品質的下降，成為農作物高產、穩產的主要限制條件。加氣灌溉技術是在地下滴灌的基礎上，利用空氣泵或者羅茨風機等通風裝置向作物根部土壤增加空氣，進而達到提高灌溉水中O2含量的目的，為作物根系生長提供一個良好的水、氣環境，可以有效促進農作物植株的生長，達到作物提質增產的目的。

4 農業節水灌溉技術發展趨勢

4.1 發展精細化灌溉技術

目前，我國已經基本實現了農業低壓管道輸水技術，未來應繼續發展大型渠道灌溉管道化，并逐漸加強管道管材的生產研發。另一方面，加強地面平整是提高地面灌溉效率的重要前提，因此，應配合激光平地技術、水平灌溉技術及土壤墑情自動監測技術等改進地面灌溉效率，逐漸實現農業生產水資源適時適量的精細灌溉發展。

4.2 推廣非充分灌溉技術

非充分灌溉技術是將生物技術、信息技術與灌溉技術相互連接與支持，創建一種新型灌溉理論技術體系，例如減少灌溉次數等提高灌水利用效率，目前仍然處于研究階段。

4.3 “3S”技術在節水灌溉中的應用

“3S”技術主要包括遙感技術(RS)、地理信息管理技術(GIS)和全球定位系統技術(GPS)，利用“3S”對農業生產空間信息進行采集、處理、管理及分析，能保證農業灌溉技術更加規范、科學與合理。

4.4 發展其他新型節水灌溉技術

4.4.1 污水灌溉技術

污水灌溉技術是指利用污水進行農業灌溉，利用泥土、微生物及作物等分解污水中的一些物質。首先對污水進行積淀、過濾，去除固體污染物或加入殺菌劑等，保證污水處理后符合灌溉水標準，但是該技術需在專家指導下進行田間應用。

4.4.2 利用空氣水分進行灌溉

主要是利用相關措施收集空氣中的水分，直接供給作物或者匯聚后再進行灌溉，對于沙漠地區及缺少淡水資源的農業生產區域是一種可行辦法，但是目前水分收集設備十分昂貴，在今后的發展中，如何降低生產成本是重點解決的問題。

4.4.3 光伏提水技術

光伏提水技術主要由太陽能板、控制室及水泵等組成(圖2)，可以實現節電、節水、節約能源的目的。

圖2 光伏提水系統示意圖

5 結論

農業灌溉資源短缺、灌溉利用效率低是限制我國農業可持續發展的主要因素，因此，開展節水灌溉技術的研究對于穩定我國農業可持續發展具有重要意義。本研究系統闡述了目前應用最為廣泛的節水灌溉技術發展模式，并系統分析了節水灌溉技術下水稻節水灌溉理論依據及發展模式，研究結果對于推動我國農業可持續發展，保證我國糧食安全具有重要意義。

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