博白縣農(nóng)田水利工程中高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用對策

摘 要 近年來，農(nóng)業(yè)灌溉水資源短缺問題日趨嚴(yán)重，加快高效節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用是提高水資源利用效率、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要途徑。為促進農(nóng)業(yè)水資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展，以廣西博白縣為例，分析農(nóng)田水利工程中高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用存在的設(shè)施設(shè)備落后、水資源精確管理與調(diào)度存在缺陷、土壤水分監(jiān)測與反饋機制空缺、灌溉模式與作物需水特性匹配性差等問題。針對這些問題，提出升級改進設(shè)施設(shè)備、構(gòu)建精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)、完善土壤水分監(jiān)測與反饋機制、創(chuàng)新作物適應(yīng)性節(jié)水灌溉模式等措施。

關(guān)鍵詞 高效節(jié)水灌溉；水資源管理；土壤水分監(jiān)測；廣西博白縣

中圖分類號：S274 文獻標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.14.052

水資源的高效利用已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的熱點與難點，我國南方地區(qū)普遍存在農(nóng)業(yè)灌溉水資源短缺的問題。廣西博白縣農(nóng)田灌溉長期依賴當(dāng)?shù)氐乃こ蹋绾卧诓┌卓h農(nóng)田水利工程中應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)，實現(xiàn)水資源的節(jié)約與再生利用，是相關(guān)研究的重點與方向。

1 高效節(jié)水灌溉技術(shù)概述

高效節(jié)水灌溉技術(shù)是指在作物不減產(chǎn)或減產(chǎn)極少的前提下，通過科學(xué)管線配置、精準(zhǔn)澆灌、模糊控制等技術(shù)手段最大限度減少農(nóng)田灌溉水量的一系列工程技術(shù)。具體來說，在管網(wǎng)配置方面，可采用埋藏管道替代地表明管，再配套智能控制器、電磁閥門等設(shè)備實現(xiàn)對灌溉田塊的分區(qū)供水管理，既可減少水資源滲漏損失，又可根據(jù)不同作物的不同生長期的實際需水情況精確澆灌。還可引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)配合土壤水分檢測，獲取田間細(xì)致刻畫的水分空間分布數(shù)據(jù)，以反饋調(diào)控灌區(qū)的水分補給，保證作物根際水分始終處于最適范圍。在具體澆灌操作上，可通過邊灌邊排、間歇澆灌、脈沖噴灌等方式實現(xiàn)精確控制，防止過度澆水，水分利用效率可有較大幅度的提高[1]。例如，采用模糊控制算法，結(jié)合天氣預(yù)報、作物生長需水模型，可動態(tài)設(shè)定灌區(qū)每天的灌水量與灌水次數(shù)，保證作物不受干旱脅迫。高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用效果明顯，如在徑口鎮(zhèn)鹽堿地改造工程中，通過采取全程管道輸水配套措施，每公頃灌溉用水量比表層灌溉用水量減少近40%，作物產(chǎn)量提高25%以上[1]。

2 博白縣農(nóng)田水利工程中高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用存在的問題

2.1 設(shè)施設(shè)備落后

博白縣水利灌區(qū)長期以明渠和地氈管輸水為主，灌溉設(shè)施簡陋落后，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致滲漏嚴(yán)重，區(qū)域渠系滲漏損耗在15%以上。同時，由于缺乏精細(xì)化水量調(diào)節(jié)設(shè)備，無法根據(jù)不同區(qū)塊內(nèi)作物實際需水情況進行分區(qū)供水管理，輕度干旱田塊和嚴(yán)重濕澇田塊并存，水分利用率不高。現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備還面臨自動化、信息化建設(shè)嚴(yán)重滯后問題，田間作物根際實時土壤水分狀況缺乏有效監(jiān)測，難以實現(xiàn)對灌溉水量的科學(xué)精確調(diào)控，制約了節(jié)水潛力的進一步釋放[2]。總體而言，博白縣農(nóng)田水利工程現(xiàn)存灌溉設(shè)施設(shè)備相對落后，很難有效滿足高效節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用需求。

2.2 水資源精確管理與調(diào)度存在缺陷

博白縣水資源整體處于緊張狀態(tài)，而灌區(qū)水資源管理與調(diào)度則面臨精細(xì)化不足的問題。具體來看，由于缺乏高密度水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，無法實時準(zhǔn)確掌握灌區(qū)各主次干渠的流量變化情況，水庫入庫過程的調(diào)度主要依賴經(jīng)驗，導(dǎo)致水庫蓄水量時常過大或不足。在灌溉季節(jié)，系統(tǒng)進水量難以動態(tài)平衡調(diào)節(jié)，僅依靠定期輪轉(zhuǎn)方式向不同灌區(qū)供水，未考慮作物實際耗水差異，致使部分作物出現(xiàn)輕度水分脅迫。此外，受制于水資源管理手段單一，無法根據(jù)作物生育需求科學(xué)設(shè)定各期優(yōu)先用水順序，僅以滿足作物最高用水量為目標(biāo)進行調(diào)度，未根據(jù)作物類型及分布進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，減少了有效灌溉面積。更為關(guān)鍵的是，水資源調(diào)度過程中缺乏對水資源利用效率的科學(xué)評估，無法判斷調(diào)度方案是否達到最優(yōu)，難以為后續(xù)調(diào)整提供依據(jù)。上述問題制約了博白縣高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用，如何實現(xiàn)精確化水資源管理與動態(tài)調(diào)度是當(dāng)前亟待解決的難題。

2.3 土壤水分監(jiān)測與反饋機制空缺

博白縣農(nóng)田灌溉一直實行經(jīng)驗化、定額化的供水模式，未能實現(xiàn)科學(xué)精確調(diào)控，其中土壤水分監(jiān)測與反饋機制空缺是重要制約因素。目前，博白縣高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)完成率較高，但均未配套建設(shè)土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)。雖然灌區(qū)管網(wǎng)實現(xiàn)按地塊區(qū)塊供水，但無法獲知不同地塊作物的實時根際含水情況，難以根據(jù)土壤水分反饋結(jié)果細(xì)致化調(diào)整灌水量，仍然普遍依據(jù)經(jīng)驗進行定期定量輪灌。同時，部分設(shè)施農(nóng)場引入簡易土壤水分檢測設(shè)備，但監(jiān)測點位分布過于稀疏，對土壤水分的細(xì)微變化掌握不足，且數(shù)據(jù)僅用于定性分析，未與自動化灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)信息聯(lián)網(wǎng)，難以發(fā)揮土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的定量調(diào)控價值。此外，由于未建立標(biāo)準(zhǔn)化土壤水文特性數(shù)據(jù)庫，土層類型及相關(guān)參數(shù)不明確，不同種植地塊的田間持水量、永久萎蔫點等基準(zhǔn)值難以確定，針對不同地塊特點制訂差異化灌溉方案的技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱。這些問題制約了高效節(jié)水灌溉技術(shù)在博白縣農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用推廣，因此必須加強土壤水分監(jiān)測建設(shè)并實現(xiàn)智能化反饋控制，才能為水資源精準(zhǔn)管理提供支撐[3]。

2.4 灌溉模式與作物需水特性匹配性差

博白縣主要種植作物有水稻、玉米、大豆等，不同作物對土壤水分條件要求差異較大，而當(dāng)前博白縣農(nóng)田水利灌溉模式不能有效匹配不同作物需水特性。例如，博白縣水稻適宜土壤含水量維持在接近飽和狀態(tài)，而玉米、大豆等則要求土壤濕度較低。但受限于灌溉設(shè)施，博白縣45%以上農(nóng)田采取強制水滿期控制方式灌溉，導(dǎo)致許多旱生作物種植地塊土壤長期處于高濕狀態(tài)，不僅生產(chǎn)效率低下，還使部分地塊發(fā)生根際病害[3]。再如，不同品種水稻的耐旱性差異較大，抗旱性強的雜交稻在極端環(huán)境下容許土壤濕度在50%～60%，而一些優(yōu)質(zhì)水稻品種對旱脅迫極為敏感，但目前博白縣按田供水澆灌制度化程度偏低，未形成針對不同區(qū)域主體作物特點差異化制訂灌溉方案的技術(shù)體系，難以對高效節(jié)水潛力進行科學(xué)釋放[4]。

3 對策

3.1 升級改進設(shè)施設(shè)備

1）在博白縣灌區(qū)，采用高密度聚乙烯管替代原有的水泥管、塑鋼管，提升輸水管道的抗腐蝕性能，降低滲漏損耗。同時，對次級、三級干渠系統(tǒng)進行規(guī)劃改造，實現(xiàn)埋藏與敷設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化，有效減少蒸發(fā)滲漏，提高節(jié)水效果。2）在主要分水節(jié)點及田間地頭設(shè)置電動態(tài)閥門，配套建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，建立分散控制的自動化水量調(diào)節(jié)點。根據(jù)不同作物實時用水動態(tài)，運維人員可遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制每個分水節(jié)點或地塊的灌溉量。3）將整個灌區(qū)按土壤類型、作物種類等劃分為若干功能分區(qū)，每個分區(qū)配置獨立的土壤濕度傳感系統(tǒng)，實時反饋分區(qū)內(nèi)土壤的水分狀況，建立精細(xì)化分區(qū)供水模式，以便灌區(qū)主站針對每個分區(qū)特點制訂科學(xué)合理的輪灌方案。4）充分利用物聯(lián)網(wǎng)、移動通信等現(xiàn)代信息技術(shù)收集各類生產(chǎn)運維數(shù)據(jù)，建立智慧化水利工程運維管理體系，為設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)管和故障預(yù)測提供技術(shù)支撐。

3.2 構(gòu)建精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)

為增強博白縣農(nóng)田水利工程水資源的精準(zhǔn)管理與調(diào)控能力，需要積極推進精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)。該系統(tǒng)需要具備科學(xué)獲取和處理多源異構(gòu)灌區(qū)水文數(shù)據(jù)、智能化水資源調(diào)度分析決策和調(diào)度指令精確化執(zhí)行轉(zhuǎn)化三大核心功能[5]。具體來看，該系統(tǒng)應(yīng)通過廣布監(jiān)測設(shè)備，構(gòu)建高密度水文要素采集網(wǎng)絡(luò)，獲得水庫入庫流量、干渠水位、土壤水分等多維時間序列數(shù)據(jù)，并依托流域水文模型將其進行科學(xué)整合，實時準(zhǔn)確反映水資源時空分布和路徑演變情況，為后續(xù)水資源調(diào)度決策提供基礎(chǔ)支撐。在此基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，建立智能化水資源優(yōu)化配置及動態(tài)調(diào)度模塊，實現(xiàn)水庫蓄量優(yōu)化配置、配水關(guān)系優(yōu)化調(diào)整和水資源按需調(diào)度等功能。例如，結(jié)合作物長勢監(jiān)測和氣象預(yù)測結(jié)果，動態(tài)設(shè)定不同種植區(qū)塊的優(yōu)先調(diào)水順序與灌溉水量，保證作物關(guān)鍵生育期用水需求，實現(xiàn)水資源調(diào)度的主動優(yōu)化和精準(zhǔn)化。之后依托區(qū)塊控制技術(shù)和交互界面，將水資源調(diào)度方案迅速準(zhǔn)確傳達，完善精準(zhǔn)調(diào)度與執(zhí)行的閉環(huán)，保證水資源調(diào)度指令的可靠執(zhí)行與效果反饋，全面提高水資源配置利用的精細(xì)化智能化水平。

3.3 完善土壤水分監(jiān)測與反饋機制

1）依托無線傳感技術(shù)廣泛布設(shè)土壤水分傳感器，實現(xiàn)對不同種植區(qū)塊土壤水分的高精度實時監(jiān)測。傳感器的分布需綜合考慮地塊面積、土壤空間異質(zhì)性和作物分布統(tǒng)一性，科學(xué)優(yōu)化布點方案。例如，大塊徑流灌溉田可布設(shè)矩陣狀監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，而微灌區(qū)和噴灌區(qū)則采用雙層土壤切片傳感器增大監(jiān)測密度。2）土壤水分傳感數(shù)據(jù)需要實時匯聚到數(shù)據(jù)庫并進行質(zhì)量監(jiān)控，生成不同分區(qū)的土壤水分空間分布圖和時間序列曲線等結(jié)果產(chǎn)品，為后續(xù)調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。另外，在獲知土壤水分狀況基礎(chǔ)上，依托高效節(jié)水灌溉決策系統(tǒng)動態(tài)計算每個供水分區(qū)的優(yōu)化澆水計劃。該系統(tǒng)綜合土壤水文模型、作物水分生長模型和氣象水文預(yù)測，判斷當(dāng)前土壤水分狀態(tài)是否滿足作物需求，并預(yù)測未來一定階段的耗水量，以準(zhǔn)確設(shè)定灌溉量。3）通過地塊控制器將計算出的灌溉量轉(zhuǎn)換為灌溉開始時間、持續(xù)時間等可執(zhí)行指令，實現(xiàn)對電動控制閥門的自動化精確化調(diào)節(jié)，從而完成土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)與區(qū)塊供水調(diào)控的緊密銜接，提高水資源利用效率。

3.4 創(chuàng)新作物適應(yīng)性節(jié)水灌溉模式

在灌區(qū)范圍內(nèi)，充分利用無人機遙感和移動測土儀等先進設(shè)備，深入開展作物種類調(diào)查及空間分布動態(tài)監(jiān)測，獲取不同地塊主要作物種類、種植面積比例、生長情況等詳細(xì)信息，建立作物種類地理數(shù)據(jù)庫。同時，在主要作物樣本地塊，通過氣象站、土壤水分傳感器和蒸散皿連續(xù)觀測獲得區(qū)域歷史氣候水文資料，開展不同作物在各關(guān)鍵生育期的實際耗水測試與模擬擬合，確定不同作物不同生育期的耐旱性曲線、水分生長響應(yīng)系數(shù)等參數(shù)，明確不同作物不同生育期的土壤相對濕度閾值和耗水特征。在此基礎(chǔ)上，運用土壤水分?jǐn)?shù)學(xué)模型，依托不同作物不同生育期參數(shù)，科學(xué)確定不同作物不同生育期對應(yīng)的最佳耗水量，轉(zhuǎn)化為適合不同作物實際的高效灌溉與精準(zhǔn)供水模式，實現(xiàn)對不同作物不同生育期的差異化精準(zhǔn)供水。

4 結(jié)語

通過針對博白縣農(nóng)田水利工程中高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用存在的問題進行分析，可以看出當(dāng)前高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用存在設(shè)施設(shè)備落后、水資源精確管理與調(diào)度存在缺陷、土壤水分監(jiān)測與反饋機制空缺、灌溉模式與作物需水特性匹配性差等問題，制約了水資源的合理利用與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。為此，必須從根本上升級改進設(shè)施設(shè)備、構(gòu)建精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)、完善土壤水分監(jiān)測與反饋機制、創(chuàng)新作物適應(yīng)性節(jié)水灌溉模式，依托準(zhǔn)確的作物用水預(yù)判，運用靈活自動的水量調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對土壤水分的精確管理，從而顯著提高農(nóng)業(yè)水資源利用率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)民收入。

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（責(zé)任編輯：張春雨）