鄆城縣中小型農田水利工程節水技術

摘 要 隨著時代的發展和對農業現代化要求的提高，智能水資源管理技術的應用逐漸受到重視。山東省鄆城縣是我國農業發展的重要區域，卻面臨水資源短缺、灌溉效率低、農田水土流失嚴重及農田排水系統不完善等問題。為了提高水資源利用效率、優化農田排水系統，從而推動鄆城縣乃至更廣泛區域的農業可持續發展，重點介紹了4種節水技術：智能水資源管理、精準灌溉、水土保持與恢復、農田綜合排水系統改造。

關鍵詞 智能水資源管理技術；精準灌溉技術；農田水土保持與恢復；山東省鄆城縣

中圖分類號：S274 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.04.037

山東省鄆城縣作為我國農業發展的重要區域，面臨水資源短缺、灌溉效率低、農田水土流失嚴重及農田排水系統不完善等問題。這些問題不僅影響了農業生產的可持續性，還對生態環境造成了負面影響。因此，采用現代化的水資源管理技術和節水灌溉方法，不僅可以提高水資源的利用效率，還有助于保護和恢復生態環境。這對于推動鄆城縣乃至更廣泛區域的農業可持續發展具有重要意義。這些措施的實施，有助于平衡農業生產需求和生態保護的關系，確保水資源的高效和合理使用。通過提升農業技術水平，農民可以獲得更高的收入，同時增強農業系統抵御氣候變化的能力，為促進農業生產和實現環境保護奠定堅實基礎。

1 鄆城縣中小型農田水利工程現狀

鄆城縣作為一個以農業為主的地區，對水資源有著巨大的依賴。當地水資源有限，主要包括地表水、地下水和引自黃河的水源。地表水涵蓋河流、湖泊和水庫，而地下水則分為淺層和深層地下水。為改善灌溉條件，鄆城縣近年來著力發展中小型農田水利工程，其中城南水庫工程作為一項綜合性中型水利工程，扮演著灌溉、防洪、供水及發電等多重角色。該工程建造了容量達1.2億m3的水庫和相關輸水灌溉設施，顯著提升了南部地區的灌溉保證率，解決了約0.73萬hm2農田的灌溉問題，并為城鎮和工業提供穩定水源。鄆城縣還建有一系列小型水利工程，如小水庫、塘壩、水窖、井灌設施及水利配套設施，包括渠道、管道、水閘和水塔等，充分利用多樣水資源，增加灌溉面積和頻率，促進農業產量和效益的提升。

2 現存的問題

2.1 水資源短缺

鄆城縣中小型農田水利工程在改善灌溉條件方面雖有成效，但依然面臨水資源短缺這一重大挑戰，而導致這一問題的主要原因包括氣候變化和人口增長。近年來，鄆城縣氣候趨于干旱少雨，導致地表水和地下水量減少，同時全球變暖使得農業用水需求上升，造成供需之間的矛盾。鄆城縣年均降水量600～700 mm，而蒸發量在1 500 mm左右，屬于嚴重缺水地區。隨著人口的持續增長，特別是城鎮人口的快速上升，生活和工業用水需求增加，水資源壓力加大[1]。鄆城縣人口已達110萬，人均水資源量為296 m3，遠低于國際公認的500 m3的標準。此外，人口密度的增加加劇了水資源的污染和破壞。

2.2 灌溉效率低

鄆城縣的中小型農田水利工程在某種程度上緩解了水資源短缺問題，然而灌溉效率依舊偏低，主要受兩方面因素影響。1）普遍采用傳統灌溉方法，如漫灌和渠灌等。這些方法雖然灌溉范圍廣，但伴隨著顯著的水分損失，包括蒸發、滲漏和流失等，使得灌溉效率通常只有0.4～0.5，導致水資源利用效率不高。2）缺乏有效的灌溉管理和調控機制。鄆城縣在灌溉時機、頻率、量方面缺乏科學規劃和監測，通常依賴傳統經驗或習慣，未能充分考慮作物需水量、土壤含水量、氣候變化等關鍵因素。這種方式導致灌溉不合理和不均衡，進而造成水資源的浪費和農田的損害。

2.3 農田水土流失嚴重

水土流失在山區和丘陵地帶對農業生產和生態環境造成嚴重影響，導致土地退化、沙漠化、泥沙淤積和水質惡化，威脅水資源安全和可持續利用。鄆城縣仍面臨嚴重的水土流失問題，這主要歸因于兩個關鍵因素。1）缺乏有效的水土保持措施，如植被恢復、地表覆蓋、梯田建設等。這些措施能有效減少水流侵蝕和沖刷，從而提高土壤穩定性和保水能力[2]。在這些措施缺失的情況下，鄆城縣農田水土流失嚴重，導致土壤貧瘠、肥力下降、農作物減產等問題。2）灌溉方式不合理。當前使用的一些灌溉方法，如過量灌溉、不均勻灌溉或不適時灌溉等，不僅造成水資源浪費，還加劇了農田淹水和水土流失的風險。

2.4 農田排水系統不完善

鄆城縣現有的排水設施包括溝渠、管道、水閘、水塔等，在數量、規模、質量及布局方面都不盡合理，未能充分滿足農田排水需求。這導致鄆城縣農田頻繁出現積水、澇災、鹽堿化等問題，嚴重影響了農田的正常使用和農作物的生長。

3 小型農田水利工程節水技術

3.1 智能水資源管理技術

為解決鄆城縣水資源短缺的問題，關鍵舉措是引入智能水資源管理系統，結合信息技術和數據分析，對地表水、地下水及引黃客水進行實時監控和管理。智能水資源管理系統的核心部分包括水資源監測和預測技術，運用各類傳感器、衛星、無人機等設備，收集關于水位、流量、水質和水量的數據，以及與氣象、土壤、農作物相關的信息，形成全面的水資源監測網絡[3]。無人機發揮關鍵作用，通過高分辨率航拍提高監測效率和范圍，搭載多光譜、紅外、雷達等傳感器，對水資源的各種水質參數進行測量，如pH值和氮磷含量，以評估水資源的污染程度和生態狀況。無人機收集的遙感數據和水源信息被傳輸到數據中心進行處理，使用大數據算法分析地下水資源相關信息，利用人工智能、大數據、云計算等技術，對水資源的變化趨勢和未來需求進行預測和分析，為水資源調度和分配提供科學依據。水資源分配優化技術則通過數學模型、優化算法和決策支持系統，根據實時監測和預測數據及不同用水需求和優先級，制定最優的水資源分配方案，實現水資源的合理配置和高效利用。

3.2 精準灌溉技術

為了提升農業灌溉用水效率，鄆城縣采納了精準灌溉這一概念，它涉及信息、通信和控制技術的綜合應用，旨在最優化水資源的使用并最小化對環境的影響。精準灌溉考慮土壤的空間和時間變化、結構和水力特性、植物對缺水的響應及天氣變量的有效監測，基于物聯網技術，以做出更合理的灌溉決策，助力節水和產量提升。

精準灌溉主要采用滴灌和噴灌兩種方式。1）滴灌通過低壓、低流量方式將水和肥料直接輸送至植物根部區域，減少水分蒸發和滲漏，提高水利用率，同時避免土壤鹽漬化和硬化，改善土壤結構。這種技術使灌溉效率比傳統灌溉提高了40%～50%。滴灌還實現了水肥一體化，將溶于水中的肥料按需、精準地輸送至植物根部，提高肥料利用率，減少損失和污染，適用于經濟作物、果樹、蔬菜等的種植。2）噴灌通過高壓、高流量將水均勻噴灑至作物上，模擬自然降雨過程，提高土壤表層水分分布和灌溉的均勻度。此技術灌溉效率比傳統灌溉提高了15%左右，適用于大田作物、牧草、花卉等的栽培，同時可以改善作物生長環境，促進光合作用，提升品質和產量。無論滴灌還是噴灌，都需要與土壤濕度傳感器和氣象信息系統結合，實現按需灌溉，根據土壤含水量和作物耗水量來決定灌溉的時機和量；通過無線傳感器網絡、物聯網、云計算、人工智能等技術，實現灌溉的智能化、自動化和遠程化，提高灌溉的精準度和效率。

3.3 水土保持與恢復技術

有效的水土保持與恢復技術是小型農田水利工程節水技術的關鍵環節。1）植被作為水土保持的基礎，通過根系固土、葉片截水、枝干攔沙等功能減少徑流侵蝕，提升土壤滲透性和有機質含量，改善土壤結構與肥力，因此可通過恢復植被改善水土流失問題[4]。植被恢復的方式多樣，包括種植喬木、灌木、草本植物等，根據地形、土壤、氣候、水文條件選擇合適的物種和方式，構建多層次、多樣化的植被系統，增強植被的穩定性和適應性。例如，在坡度大、土壤肥力低的地區，種植沙棘、檸條、刺槐等深根性、抗旱性強的喬木和灌木，每667 m2種植500～1 500株，每株施用有機肥1～3 kg，每年澆水3次左右；其下可種植草本植物如苜蓿，每667 m2可撒播1.5～2.0 kg種子，每年施復合肥25 kg左右，每年可收割2次，提高植被覆蓋度，增加土壤有機質，同時提供飼料和經濟收入。2）地表覆蓋可減少雨滴沖擊和水流沖刷，可使用稻草、秸稈、落葉、枯枝、石塊及塑料薄膜等材料，根據目的和條件選擇材料和厚度，保持覆蓋均勻連續。在坡度小、土壤肥力高的地區，使用農作物秸稈、落葉等材料，每667 m2覆蓋1.0～1.5 t，厚度大約5 cm，覆蓋后劃開小溝利于水分滲透，撒播抗寒草種如黑麥草、燕麥草，每667 m2撒播10 kg左右，年施復合肥45 kg左右，可減少土壤侵蝕，緩解水土流失。3）構建梯田。通過在坡地上開墾出平臺，減小坡度，增加土壤厚度，提高保水能力，有利于灌溉和耕作，提高農田產量。通過這些綜合措施，可有效地防治水土流失，增強農田生產力和生態環境的可持續性。

3.4 農田綜合排水系統改造技術

農田綜合排水系統改造技術的重點在于利用現代技術和設備，對原有農田排水系統的結構、功能、規模和管理進行優化和升級。這種改造旨在提高排水效果和效率，并實現排水系統的智能化、節水化和生態化。

1）搭建地下排水管網是一項關鍵措施，涉及在農田地下鋪設特定規格和間距的排水管道。這些管道通過孔隙或閥門排出農田中多余的水分，從而有效控制農田的水分情況。該系統的優勢在于減少地表占地面積，節約了土地資源；減少地表水的蒸發，同時避免了污染，節約了水資源；防止地表水流失和沖刷，保護了土壤資源；并根據土壤水分和作物需水變化靈活調節排水量，增強了排水效果[5]。按照《農田排水工程技術規范》，地下排水管網可采用單管、雙管、三管或多管等形式，管網內徑規格一般不小于100 mm。管網間距應根據土壤滲透性、地下水位、作物需水等因素確定，一般不超過150 m。管網埋深根據地下水位、凍土層、耕作層等因素確定，一般不超過1.5 m。出水口設置在排水溝或河流側壁上，高度低于排水溝或河流最低水位，并安裝止回閥、涵閘等防止倒灌的裝置。同時，需要注意與灌溉系統和地下水系統的協調，避免排水過度或不足，影響農田生態。

2）改善溝渠設計也是農田排水系統改造的一個重要方面。溝渠可根據其所在位置的坡度和截面將農田中的水分引流，從而實現排水目的。溝渠的改進根據農田排水的需求和條件進行，形狀可采用梯形、矩形、梯形矩形組合等。溝渠的形狀根據工程條件選擇，但一般不采用拋物線形，因為其水力性能較差；溝渠水深與水寬的比值在0.5～1.0的是梯形溝渠；對于矩形溝渠，該比值應在0.3～0.6。一般情況下，溝渠的流速控制在0.3～1.0 m·s-1；對于易淤積的溝渠，流速應不小于0.5 m·s-1；對于易沖刷的溝渠，流速應不大于0.8 m·s-1。

以上這些改造措施共同作用于提高農田排水系統的整體效能，通過智能化、節水化和生態化的方法，增強排水系統的效果和效率，對農田生產和生態環境帶來積極影響。

4 結語

通過實施智能水資源管理、精準灌溉、水土保持與恢復及農田綜合排水系統改造技術，鄆城縣顯著提升了水資源的利用效率和農田的可持續性。這些技術的應用不僅解決了水資源短缺、低效灌溉、水土流失及排水系統不完善等問題，還為鄆城縣的農業發展提供了可靠的支持。此外，這些措施在提高農業生產效率的同時，有助于保護生態環境，展示了現代水利技術與傳統農業實踐結合的巨大潛力，在促進農業生態系統健康、保護生物多樣性、為農民提供更穩定高效的生產方式方面也發揮巨大作用，確保了農業的長期可持續性，為區域的經濟發展和環境保護做出了重要貢獻。

參考文獻：

[1] 姜殿斌.中小型農田水利灌溉工程設計及節水技術探析[J].水利科學與寒區工程，2022，5（2）：67-68.

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[3] 楊友貴.農田水利工程中節水灌溉技術的應用研究[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2023（11）：44-46.

[4] 楊玉蓮.農田水利工程中節水灌溉技術的應用分析[J].新農業，2021（19）：26-27.

[5] 陳友山，馬珍德.節水灌溉技術在農田水利工程中的應用[J].農村經濟與科技，2020，31（8）：51-52.

（責任編輯：張春雨）

收稿日期：2024-01-09

作者簡介：劉明喆（2004—），在讀本科生。E-mail：1500118960@qq.com。