利用智能水利技術實現高效用水

陳莉莉

摘要 為應對全球水資源緊張與氣候變化帶來的挑戰，智能水利技術逐漸成為提高水資源利用效率的關鍵。探討了傳統灌溉向數字化灌溉的轉型過程，以及通過利用智能水利技術實現高效用水的途徑，并分析了不同的智能灌溉系統及其優勢，討論了這一轉型對農業、環境和社會的影響。

關鍵詞 智能水利技術；數字化灌溉；傳統灌溉；水資源管理；高效用水

中圖分類號：S274 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

水資源是地球上最寶貴的資源之一，而農業是淡水消耗最大的領域之一[1]。隨著人口增長、氣候變化和水資源短缺問題的加劇，實現高效用水變得尤為重要。滲漏灌溉、洪水灌溉等傳統灌溉方法，在許多情況下已經無法滿足可持續發展和水資源保護的需要。為了應對這些挑戰，數字化灌溉技術應運而生，利用智能水利技術實現高效用水已成為大勢所趨。

1 傳統灌溉方法的局限性

1.1 低效用水

洪水灌溉、地漏灌溉和渠道灌溉等傳統灌溉方法在用水效率方面存在很大的局限性。首先，傳統灌溉方法無法將水分均勻地分布在土壤中，會導致大量的水資源浪費，使得作物無法充分吸收水分，從而降低作物產量。據估計，傳統灌溉方法的用水效率通常在30%～60%之間，遠低于現代灌溉技術[2]。其次，灌溉系統的設計和管理不當會出現漏水、蒸發和徑流等問題，進一步加劇水資源的浪費。最后，傳統灌溉方法由于灌溉水量的不穩定，作物可能在某些時期缺水而在其他時期水分過多，導致作物生長環境的不均衡，致使作物生長受限，影響農業產量和作物品質。同時，土壤濕度的不均衡還可能引發病蟲害等問題，進一步影響農業生產。

1.2 引發環境問題

首先，過度抽取地下水用以滿足灌溉需求會導致地下水位下降，可能使得河流和湖泊干涸，進而影響生態系統的穩定。其次，大量抽取地下水還可能引發地面沉降，對基礎設施造成損害。再次，過量的灌溉水會導致土壤中的養分被沖走，導致水土流失和土地貧瘠。最后，灌溉過程中的水分蒸發會導致土壤鹽分上升，進而引發土地鹽堿化問題。鹽堿化會影響土壤肥力和農業生產，尤其是在干旱地區。

1.3 消耗能源

傳統灌溉方法通常需要大量能源輸送和分配水資源。例如：抽水機在將地下水抽取到地表時會消耗大量電力。為了維護灌溉基礎設施，如水渠和堰塘等，需要耗費大量人力和物力。這種能源消耗不僅會增加農業生產成本，還可能對環境產生負面影響，如溫室氣體排放。在一些發展中國家，能源短缺問題使得傳統灌溉方法的運行和維護變得更加困難。缺乏可靠的能源供應可能導致灌溉系統無法正常運作，進一步降低農業生產效率和水資源利用率。

1.4 管理困難

傳統灌溉方法往往缺乏有效的監測和調控手段。農民通常根據經驗判斷灌溉的時機和水量，而這種方式難以滿足作物生長過程中不同階段的水分需求，可能導致作物缺水或過水，影響產量和品質。由于缺乏實時數據和先進的管理工具，農民在調整灌溉計劃以應對氣象條件變化方面也存在困難。此外，水資源分配和分時灌溉的協調管理也是一個挑戰。在水資源緊張的地區，農民可能需要與其他用戶爭奪有限的水資源，進一步加劇了水資源利用的不均衡和低效。

1.5 對氣候變化的適應性較差

隨著全球氣候變暖加劇，干旱和洪澇災害日益頻發，傳統灌溉方法在應對極端氣候條件下灌溉需求方面的適應性較差。受氣候變化的影響，水資源分布和可用性可能發生很大變化，傳統灌溉方法很難及時調整以滿足作物需求。氣候變化還可能導致新的病蟲害和作物品種發生變化，傳統灌溉方法很難適應這些變化。

2 智能水利技術概要

2.1 信息技術

信息技術在智能水利技術中發揮著關鍵作用。通過安裝各種傳感器和監測設備，可以實時收集有關氣象條件、土壤濕度、作物需水量、水質、水位等方面的數據[3]。這些數據經過處理和分析后，可以為決策者提供關鍵信息，有助于優化灌溉方案、節約水資源并增強灌溉效果。

2.2 物聯網

物聯網技術使各種監測設備、控制器和執行器通過網絡實現互聯互通。這種連接方式使得智能水利系統可以實現遠程監控和控制，提高系統的自動化水平。通過物聯網技術，可以實現對灌溉系統的實時監測、自動調節和遠程操作，以精確控制作物的需水量。

2.3 人工智能

人工智能技術在智能水利技術中具有重要應用。通過深度學習和分析大量數據，人工智能可以預測氣候變化、作物需水量、水資源供需狀況等信息，為決策者提供有針對性的建議。此外，人工智能還可以輔助灌溉系統的優化設計和運行管理，提高水資源利用效率。

2.4 數字化灌溉系統

數字化灌溉系統是智能水利技術的重要組成部分。這些系統通過利用先進的灌溉技術（滴灌、噴灌和地下滴灌等）和智能控制設備，實現對灌溉水量和頻率的精確控制。數字化灌溉系統可以根據作物需水量、土壤濕度和氣象條件等信息，自動調整灌溉參數，從而實現高效用水。

3 數字化灌溉系統的類型與優勢

3.1 滴灌系統

滴灌系統是一種通過在地表或植物根系附近設置滴頭，將水分以逐滴進行輸送的灌溉方式[4]。滴灌系統的優勢如下：

（1）節水：滴灌系統將水直接輸送至植物根部，可以減少水分在途中的蒸發和滲漏損失，大幅提高用水效率。

（2）提高作物產量：滴灌系統能夠根據作物需求精確調整灌溉水量，保證作物在生長過程中的水分需求得到滿足，從而提高作物產量。

（3）減少病蟲害：滴灌系統可以避免葉片和地表的過度濕潤，有助于減少病蟲害的發生。

（4）節能：滴灌系統通常需要的水壓較低，相對于其他灌溉方式，能耗較低。

（5）靈活性強：滴灌系統可以根據作物類型、生長階段和氣候條件進行調整，具有較強的靈活性。

3.2 噴灌系統

噴灌系統是通過設置噴頭將水以霧狀進行噴灑的灌溉方式。噴灌系統的優勢如下：

（1）節水：噴灌系統可以根據作物需求精確控制水量，減少水資源浪費。

（2）均勻灌溉：噴灌系統可以實現較為均勻的水分分布，有助于提高作物對水分的吸收利用率。

（3）減輕對環境的不良影響：噴灌系統可以減少地表徑流和地下水滲漏，減少水土流失和鹽堿化等環境問題的發生。

（4）提高灌溉效率：噴灌系統可以通過自動控制實現對灌溉的精確調節，提高灌溉效率。

3.3 地下滴灌系統

地下滴灌系統是在地下植物根系附近設置滴頭，將水分直接輸送至植物根部的一種灌溉方式。地下滴灌系統的優勢如下：

（1）節水：地下滴灌系統將水直接輸送至植物根部，可以大幅減少水分在途中的蒸發和滲漏損失，從而極大提高用水效率。

（2）高產量：地下滴灌系統能夠根據作物需求精確調整灌溉水量，充分滿足作物在生長過程中的水分需求，從而提高作物產量。

（3）減少病蟲害：地下滴灌系統可以避免葉片和地表的濕潤，有助于減少病蟲害的發生。

（4）節肥：地下滴灌系統可實現肥料的精確施用，避免肥料的過量施用和浪費，提高肥料利用率。

（5）適應性強：地下滴灌系統可適應不同作物類型、生長階段和氣候條件，具有較強的適應性。

3.4 微灌系統

微灌系統是一種結合滴灌和噴灌優點的灌溉方式，通過設置微噴頭或微滴頭，將水以細小的水珠或霧狀進行噴灑或滴灌。微灌系統的優勢如下：

（1）高水利用效率：微灌系統可以將水分均勻地分布在作物根部，提高水資源利用效率，節約水資源。

（2）提高作物產量：微灌系統能夠根據作物需求精確調整灌溉水量和頻率，保證作物在生長過程中的水分需求得到滿足，從而提高作物產量。

（3）減少環境污染：微灌系統可以減少農藥和肥料的使用量，減輕農藥對環境的污染。

（4）降低能耗：微灌系統通常需要的水壓較低，相對于其他灌溉方式，能耗較低。

4 智能水利技術的應用案例

4.1 以色列的智能滴灌系統

以色列是一個典型的干旱國家，擁有世界上最先進的滴灌技術。Netafim公司是以色列的一家著名滴灌設備制造商，其開發了一種名為“NetBeat”的智能滴灌系統。該系統通過實時監測氣象條件、土壤濕度和作物需水量等數據，可以精確地控制灌溉水量和頻率。NetBeat系統采用云計算和物聯網技術，實現了遠程監控和管理，幫助農民實現高效用水，提高了作物產量和品質。除智能滴灌系統外，以色列還開發了一種名為“沙漠農業”的生產模式，通過利用現代化的農業技術和設施，實現了在沙漠地區種植蔬菜和水果等農作物。他們還開發了一系列節水灌溉技術，如混合式灌溉、低壓灌溉和微噴灌溉等，有效地降低了灌溉水量和成本，提高了水資源利用效率。在全球范圍內，滴灌技術已經被廣泛應用于干旱和半干旱地區的農業生產。

4.2 美國加州的農業水資源管理系統

美國加州是一個農業生產大州，同時面臨著嚴重的水資源短缺問題。為了更高效地利用水資源，加州引入了智能水利技術進行農業水資源管理。其中，一家名為“JainIrrigation”的公司開發了一款名為“FieldNET”的智能農業水資源管理系統。FieldNET系統可以實時收集和分析有關氣象條件、土壤濕度、作物需水量等方面的數據，并根據這些數據自動調整灌溉方案。除FieldNET系統外，加州開發了一種名為“AgNet”的無線傳感器網絡，用于監測土壤濕度、溫度、光照等環境因素，以及作物生長情況等信息。這些數據可以通過互聯網實時傳輸至農民的電腦或手機等終端設備上，幫助他們制定科學、合理的灌溉方案，減少水資源浪費和成本開支。

此外，加州還廣泛應用低流量灌溉技術、混合式灌溉、滴灌和微噴灌溉等技術，幫助農民實現精準澆灌，減少水資源浪費和污染，提高農作物的產量和品質。同時，加州政府還制定了一系列水資源管理政策和法規，鼓勵農民采用節水灌溉技術，約束地下水開采和水資源的污染排放等行為，促進水資源的可持續利用。

4.3 荷蘭的水質監測與管理系統

荷蘭是一個水資源豐富的國家，但由于高密度的城市化和農業活動，水質污染問題較為嚴重。荷蘭政府采用了智能水利技術來監測和管理水質。荷蘭水務公司（Waternet）開發了一種名為“AquaVista”的智能水質監測與管理系統。該系統通過部署在水體中的傳感器實時收集水質數據，并通過物聯網技術將這些數據傳輸至中央數據庫。通過實時分析數據，AquaVista系統可以預警水質異常情況，幫助政府提高水質監測和管理能力。荷蘭政府在全國范圍內部署了一系列名為“Dijkgraaf”的水文監測網絡，用于監測和預警河流洪水和干旱等自然災害。同時，荷蘭還采用了許多先進的污水處理技術，如膜生物反應器、微生物聚集物和生物轉化等技術，將污水處理成符合國家和歐盟環保標準的可再利用水源。此外，荷蘭還積極開展水資源的節約和循環利用工作。例如：他們采用了名為“水智能城市”的概念，將城市中的水資源作為一種可再利用的能源，通過設計和建造智能水利設施和建筑，實現了水資源的循環利用。他們還推廣了名為“藍色農業”的生產模式，利用雨水和廢水等水源進行農業灌溉和生產，減少了水資源的浪費和污染，實現了可持續農業生產。

5 智能水利技術的應用趨勢

5.1 智能水文監測

第一，智能水文監測技術可以實現對水文要素的實時監測，包括水位、流量、水質等，通過互聯網技術和物聯網技術實現對數據的實時共享和分析，可以及時發現問題并采取相應措施[5]。

第二，智能水文監測技術可以實現對灌溉水的精準調控，根據農作物的需要和土壤濕度等因素，合理控制水量，提高水資源利用效率，減少水資源浪費。

第三，智能水文監測技術可以通過大數據分析技術，對水文要素進行預測和預警，及時發現可能出現的問題，并采取相應的措施，保障農業生產的安全和穩定。

第四，通過智能水文監測技術，可以建立智能控制系統，實現對農田的水資源調控和灌溉控制。例如：可以利用大數據分析技術分析和管理不同灌溉區域的水資源，實現水資源的最優分配和利用。

第五，智能水文監測技術可以與氣象監測系統相結合，建立農業氣象監測系統。通過監測氣象因素和水文要素，可以預測農作物的生長情況和灌溉需求，實現對農作物的精準灌溉和管理。

5.2 智能泵站管理

智能泵站管理是指利用物聯網、云計算、大數據等技術，實現對泵站設備的遠程監控和控制，提高泵站的管理效率和安全性。首先，通過物聯網技術，可以實現對泵站設備的遠程監控。例如：通過傳感器監測泵站設備的運行狀態和性能指標，實時上傳至云端，實現設備的遠程監控和數據分析。其次，通過物聯網技術和云計算技術，可以實現對泵站設備的遠程控制。例如：可以通過手機或電腦控制泵站設備的開關、調整泵站的水位等操作，實現泵站設備的智能化控制和調度。最后，通過大數據分析技術，可以分析和預測泵站設備的運行數據，實現對泵站設備的狀態監測和預警。例如：通過對設備的數據分析，可以發現設備故障的可能性，及時采取維護和修復措施，保障設備的安全和穩定運行。

基于上述優勢，智能泵站管理可以應用于農業灌溉，通過遠程監控和控制技術，實現對灌溉設備的智能化管理。例如：可以實現對灌溉水的精準調控，提高水資源利用效率和農業生產效益。智能泵站管理也可以應用于農田排水系統，通過遠程監控和控制技術，實現對排水設備的智能化管理。例如：可以實現對排水渠的遠程監控和調度，提高排水系統的管理效率和安全性。

6 結束語

智能水利技術為解決全球水資源短缺、提高水資源利用效率和實現可持續發展提供了新的契機。從傳統灌溉方式向數字化灌溉系統的轉型，將有力地推動農業生產實現現代化，減少水資源浪費，減輕環境污染，保護生態系統。應用案例表明，智能水利技術在實際操作中取得了顯著的成果，為未來更廣泛地推廣和應用提供了寶貴經驗。

參考文獻

[1] 胡娜，楊剛.青貯玉米智能化灌溉的探索與研究[J].陜西水利，2022，91（10）：63-66.

[2] 羅朝傳，代偉嵩，肖熊，等.智慧灌區管理系統的設計與實現[J].四川水利， 2019，40（6）：133-137，150.

[3] 牟斌.農田水利工程高效節水灌溉技術的應用與技術要點研究[J].黑龍江水利科技，2020，48（11）：165-167.

[4] 付廷榮.農業灌區水利工程設計指標及綜合研究[J].水利科技與經濟，2022，28 （12）：125-128.

[5] 婁國正.小型農田水利節水灌溉存在的問題及解決措施[J].鄉村科技，2020，11 （26）：121-122.

Intelligent Water Technology for Efficient Water Use

—Transformation from Traditional Irrigation to Digital Irrigation

Chen Li-li （Shule River Water Resources Utilization Center of Gansu Province， Yumen， Gansu 735211）

Abstract In order to respond global water scarcity and climate change， intelligent water conservancy technology has gradually become the key to improving water resource utilization efficiency. Explored the transformation process from traditional irrigation to digital irrigation， as well as the ways to achieve efficient water use through the use of intelligent water conservancy technology. Analyzed different intelligent irrigation systems and their advantages， and discussed the impact of this transformation on agriculture， environment， and society.

Key words Intelligent water conservancy technology; Digital irrigation; Traditional irrigation; Water resources management; Efficient water use