農業灌溉區的灌溉管理與節水增效的路徑分析

摘 要：隨著農業水利工程的不斷創新，高效節水灌溉已成為農業灌溉領域的重要課題。深入探討了農業水利工程中高效節水灌溉的技術要點，涉及潛在耗水量計算、基于高效節水的灌溉制度邊界條件設定以及灌溉制度設計等關鍵技術問題。通過實證分析，結合特定農業水利灌溉工程的概況、機組選型、灌溉區供水模式以及灌溉區田間布置等數據，深入剖析了高效節水灌溉技術的實際應用效果。

關鍵詞：高效節水；農業水利工程；灌溉制度；潛在耗水量

中圖分類號：S274 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

隨著全球人口持續增長和氣候變化日益嚴重，農業水利灌溉管理和水資源利用面臨著緊迫的挑戰。在這樣的背景下，研究和應用高效節水灌溉技術成為提高農田水分利用效率、促進農業可持續發展的關鍵。探討了灌溉管理和節水增效的方法，涵蓋了潛在耗水量計算、灌溉制度設計、機組選型、供水模式到田間布置等方面的實證研究。通過深度分析關鍵技術并評估實際應用效果，旨在為農業水利灌溉工程的科學規劃和實際操作提供有力支持。面對全球日益緊缺的水資源，高效節水灌溉技術不僅對農業可持續發展具有重要意義，也為應對全球農業在面臨的水資源壓力挑戰提供了啟示[1]。綜合應用這些節水灌溉技術，有望在實踐中推動農業水資源管理邁向更智能、高效、可持續發展的臺階。

1 農業水利工程中高效節水灌溉的技術關鍵點

1.1 潛在耗水量的計算

在農業灌溉管理中，準確計算潛在耗水量是確保高效節水灌溉的關鍵。潛在耗水量直接關系到農田水分需求的準確預測。為了精確計算潛在耗水量，必須依賴土壤水分特性曲線。這需要通過實地采樣和試驗，獲取不同土壤類型的水分特性曲線參數，包括田間持水量、田間枯水量等，從而精確描述土壤對水分的吸收和釋放特性[2]。

建立水分平衡方程是計算潛在耗水量的重要環節，需要考慮降水、蒸發、滲漏等因素，水分平衡方程可描述為：

潛在耗水量=降水-蒸發-滲漏（1）

式（1）中，降水需考慮降水的時空分布特征，蒸發涉及氣象因素，滲漏則與土壤滲透性有關，該方程的建立使得潛在耗水量計算更加全面和準確[3]。

為了更準確地估算潛在耗水量，需要引入水分需求模型，考慮作物的生育期和生長階段對水分需求的差異性，以精準地反映出潛在耗水量時空變化規律。建立水分需求的基本框架，選擇基于它的根系吸收、蒸騰散失和蒸發蒸騰3個主要過程來描述作物的水分需求，基本框架如下：

WDM=WU+ET+E（2）

式（2）中，WDM為總水分需求，WU為根系吸收的水分，ET為作物的蒸騰散失，E為土壤表面的蒸發蒸騰。

考慮作物在不同的生育期和生長階段對水分需求的不同，將水分需求模型分段建模。以生育期為基本單位，將其劃分為若干個階段，每個階段內采用不同的水分需求函數。以i表示生育期階段，模型可表示為：

WDMi=WUi+ETi＋Ei（3）

式（3）中，WDMi為第i生育期階段的總水分需求，WUi、ETi和Ei分別為該階段的根系吸收、蒸騰散失和土壤表面蒸發蒸騰。

不同作物在相同生育期和生長階段對水分的需求存在差異，因此引入水分需求函數進行模型擬合。以fi（WUi，ETi，Ei）表示第i階段水分需求函數，該函數應當綜合考慮植物生理特性、土壤狀況和氣象條件等因素。因此，水分需求模型可進一步表示為：

WDMi=fi（WUi，ETi，Ei）（4）

為了使模型更貼近實際情況，需要通過實測數據對水分需求模型的參數進行擬合，利用實地觀測數據，采用參數優化方法（如最小二乘法），對水分需求函數的參數進行擬合，驗證模型的可行性和精度，通過對比模型估算的水分需求與實際灌溉數據的一致性。

1.2 基于高效節水的灌溉制度邊界條件的設置

為達到高效節水目標，在確定灌溉制度以前要確定邊界條件，農業灌溉符合圖1所示的水資源循環轉化。

以圖1的水循環為基礎，從地理、生態環境和經濟方面入手確定邊界條件。地理方面，灌溉制度的設計應充分考慮地形、土壤類型和氣候等因素，按大氣—植被—土壤間的水汽循環和農作物需求情況。在生態環境方面，不僅需要考慮水資源利用的可持續性和水質的保護，而且還要結合生態群落，避免生態環境被破壞后無法恢復，可采用多種類型的水資源灌溉和利用方式。在經濟方面，灌溉制度設計必須兼顧農業經濟的可持續發展，考慮灌溉與經濟作物產量之間的關系，確保實現較高的經濟效益。

1.3 灌溉制度的設計

按照上述灌溉制度邊界條件，確定出科學、合理的農業節水灌溉制度，要給予灌溉最大凈水定額，若最大凈灌水定額采用hf，則算式如下：

hf=f" （5）

式（5）中，f是濕潤層土壤干容重，L為土壤濕潤深度，Qm為土壤含水率上限，d b為土壤含水率下限。確定出最大凈灌水定額后，還要給出灌溉周期，假定灌溉周期為T，則T應滿足如下算式：

T≤Tmax=（6）

式（6）中，Tmax為最大灌溉周期，ms為最大凈灌水定額，Ia是耗水強度。確定灌水定額和灌溉周期以后，還要建立灌溉自動化運行機制。因灌溉區域為壤土，可達到的最大灌溉強度為12 mm/h，為防止灌溉時存在地表徑流，要根據農作物生長周期差異來確定需水量，進而選擇出最優的灌溉強度。

1.4 土壤水分的監測與調控

土壤水分監測與調控是實現高效節水灌溉的關鍵環節，應用現代傳感技術，建立科學的土壤水分監測系統，能夠實時監測土壤水分狀況，根據實際需求智能調控灌溉水量，提高水資源利用效率。電阻式傳感器通過電阻的變化反映土壤水分含量，適用于多種土壤類型，但需要注意其對鹽分敏感。電容式傳感器可以利用電容的變化來測量土壤水分含量，對鹽分不敏感，適用于不同土壤類型。微波傳感器通過測量土壤中水分對微波的吸收程度，具有較大的測量深度，適用于深層土壤水分監測[4]。定期對系統進行效果評估，通過比較實際灌溉水量和系統推薦的水量，評估智能調控對節水效果的貢獻，這種循環的監測與調控機制能夠不斷優化土壤水分監測系統，提高其在實際灌溉管理中的適應性和準確性[5]。

2 實證分析

2.1 某農業水利灌溉工程的概況

某農業水利灌溉工程作為一項重要水利基礎設施，在提高農田灌溉效率，保障農業生產的穩定發展等方面發揮著重要作用。該農業水利灌溉工程涉及12個鄉鎮，服務范圍覆蓋約1.03萬hm2農田。工程規模龐大，通過建設灌溉渠道、水庫、泵站等設施，形成了完備的水利網絡。不僅為廣大農戶提供了穩定的灌溉水源，還為農業生產提供了堅實的水利支持。工程主要依賴于附近河流水源，通過建設引水渠道和攔河壩等設施，將水引入灌溉網絡。在干旱季節，工程還能夠通過配備的蓄水池和地下水井，保障農田（主要作物是玉米）的灌溉需求，工程的水源供應相對充足，能夠有效減輕季節性水源波動對農業生產的影響。該工程采用了現代化的灌溉設施與技術，包括滴灌、噴灌、定量灌溉等灌溉方式，引入智能化灌溉系統實現對灌溉水量和頻率的智能調控，提高了水資源的利用效率，灌溉渠道采用優質防滲材料，減少水分損失，確保水資源能夠高效地傳遞到每一片農田。工程對農田進行了合理布局，確保每塊農田都能夠受益于灌溉工程，在灌溉區域，根據土壤類型和地形特點，采用差異化的灌溉方案，對不同作物的需水量和生長周期進行了科學評估，建立了靈活多樣的種植結構，提升了農業生產的多樣性和可持續性。為確保工程的高效運行，建立了完善的灌溉管理與監測系統，通過實時監測水位、水質、灌溉量等關鍵指標，及時調整灌溉方案，保障了農田的灌溉需求。灌溉管理團隊采用科學的管理手段，對農戶進行培訓，提高了農民對灌溉設施的使用效率和增強了對水資源的節約意識。

2.2 機組選型

選擇Nelson R3000系列中心支軸式噴灌機，采用精密設計的旋轉噴頭，實現了水流的均勻分布，避免了過度灌溉或漏灌的問題，配備智能化控制系統，可根據土壤濕度、氣象條件等方面數據進行實時調整來實現精準灌溉。采用高強度材料，提高了機組的耐用性，降低了維護成本。配合雨滴噴頭進行灌溉，流量范圍為1.9～7.6 L/min，雨滴噴頭可形成雨滴形狀的水滴，適用于需要減少水分蒸發的玉米，該系統機型參數如表1所示。

2.3 灌溉區供水模式

灌溉區供水模式是農業水利灌溉工程中至關重要的環節，直接關系到水資源的利用效率和灌溉效果。在灌溉工程中，常見的供水模式包括地面灌溉、滴灌、噴灌等形式，每種供水模式都有自身特定的優勢和適用場景。地面灌溉通過灌溉渠道或管道將水源引入田地，然后通過自由流水或灌溉設備實現灌溉，而滴灌將水通過管道和滴頭滴到植物根區，實現點對點的精準灌溉。噴灌利用噴頭將水以霧狀或雨狀形式均勻噴灑在植物上，可以覆蓋較大面積。

由表2可知，平均水分利用效率為指植物對灌溉水分的利用效率，百分比越高表示水分利用效果越好。從灌溉水量減少率方面來看，相對于地面灌溉，其他供水模式下的灌溉水量減少百分比；從產量增加率方面來看，相對于地面灌溉，其他供水模式下的產量增加百分比。

2.4 灌溉區的田間布置

灌溉區田間布置直接關系到灌溉水分的利用效率，在灌溉區不同的田間布置方案設計要從行距、作物種植密度、排水系統等方面考慮，并比較疏植與密植、不同行距、不同排水系統等布置方案。

由表3可知，平均水分利用效率指的是植物對灌溉水分的利用效率，百分比越高表示水分利用效果越好。灌溉水量減少率方面，相對于傳統布置方案，其他布置方案下的灌溉水量減少百分比。產量增加率方面，相對于傳統布置方案，其他布置方案下的產量增加百分比。密植布置在平均水分利用效率上表現較好，但同時灌溉水量減少率相對較低，產量增加率較一般。疏植布置在水分利用效率和產量增加率上均表現較好，但灌溉水量減少率相對較高。大行距、小行距兩者在平均水分利用效率和產量增加率上存在差異，需要綜合考慮成本和效益。采用先進排水系統的布置方案在水分利用效率和產量增加率上均表現較好，同時灌溉水量減少率最高。

3 結論

第一，采用先進的潛在耗水量計算方法，能夠更準確地預測農田的水分需求，避免了灌溉中的浪費或不足；第二，先進的灌溉制度設計和機組選型增強了灌溉效果，減少了水資源的使用量，同時提高了農田產量；第三，采用高效的供水模式，如滴灌和噴灌，顯著提高了水分的利用效率，實現了可持續灌溉；第四，合理的田間布置方案在提高水分利用效率和增加產量方面表現出色，尤其是采用疏植和先進排水系統的效果更為顯著。

綜上所述，通過對高效節水灌溉技術的實證應用，驗證了所提出的灌溉管理與節水增效的途徑在實際中的可行性和效果，這些技術的綜合應用不僅增強了灌溉效果，減少了水資源浪費，還為農業生產的可持續發展提供了堅實基礎。

參考文獻

[1] 陳衛星.廬江灌區農業節水灌溉的實踐與發展建議[J].現代農業科技，2023（23）：137-140.

[2] 努爾比耶·艾散.棉花種植高效節水灌溉方案比選分析[J].水利技術監督，2023（11）：278-280，285.

[3] 呂文金.農業水利灌溉模式與節水技術措施研究[J].當代農機，2023（11）：39-40.

[4] 閆小龍.農田水利節水灌溉技術要點分析[J].當代農機， 2023（11）：50-51，53.

[5] 臺淑萍.基于高效節水灌溉技術在農田水利工程中的實踐研究[J].當代農機，2023（11）：93，96.

作者簡介：盛金奇（1986—），男，甘肅高臺人，水利工程師，主要從事農村人飲工程及灌溉用水運行管理工作。