試論農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)

摘要：水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生命線，農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)乎國家糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)。本文闡述了農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本原則、技術(shù)要點(diǎn)、實(shí)施方法，從水資源評估、灌溉方式選擇、節(jié)水技術(shù)應(yīng)用等多維度構(gòu)建科學(xué)、高效、可持續(xù)的灌溉技術(shù)體系。研究提出了因地制宜、節(jié)水優(yōu)先、可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念，建立了包括現(xiàn)場勘查、數(shù)據(jù)分析、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)審查和實(shí)施監(jiān)測在內(nèi)的綜合技術(shù)框架。通過多學(xué)科協(xié)同、先進(jìn)技術(shù)集成，給農(nóng)業(yè)水資源高效利用和生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了系統(tǒng)性技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田水利；灌溉規(guī)劃；節(jié)水技術(shù)；水資源管理；生態(tài)農(nóng)業(yè)

在全球氣候變化和資源節(jié)約的背景下，農(nóng)業(yè)水資源管理已成為事關(guān)國計(jì)民生的戰(zhàn)略性課題。農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)猶如一場精密的水文交響，需要統(tǒng)籌水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等多重要素，平衡有限水資源與無限農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。傳統(tǒng)灌溉模式已難以應(yīng)對日益復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)挑戰(zhàn)，迫切需要構(gòu)建科學(xué)、高效、可持續(xù)的現(xiàn)代灌溉技術(shù)體系，為保障糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)提供有力支撐。

1 農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃核心旨在優(yōu)化水資源利用、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。首先，因地制宜原則要求設(shè)計(jì)方案必須深入分析當(dāng)?shù)靥囟l件，包括水文地質(zhì)特征、氣候條件、土壤類型和農(nóng)作物生長需求，通過精準(zhǔn)評估構(gòu)建匹配區(qū)域?qū)嶋H的灌溉體系。其次，節(jié)水優(yōu)先原則強(qiáng)調(diào)采用先進(jìn)灌溉技術(shù)和科學(xué)管理模式，如微灌、噴灌等節(jié)水灌溉方式，最大限度提升水資源利用率，有效緩解水資源緊張矛盾。最后，可持續(xù)發(fā)展原則要求在追求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效的同時(shí)，注重生態(tài)系統(tǒng)平衡，合理調(diào)配水資源，維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 水資源評估與配置

水資源評估是農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性工作，其核心目標(biāo)是構(gòu)建全面、精準(zhǔn)的水資源數(shù)據(jù)模型。通過系統(tǒng)性的水文地質(zhì)調(diào)查和多源數(shù)據(jù)分析，深入挖掘區(qū)域水資源的數(shù)量、質(zhì)量、時(shí)空分布特征，建立科學(xué)的水資源評估指標(biāo)體系。具體而言，需要綜合運(yùn)用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和水文模型，準(zhǔn)確測算水資源總量、可利用量、季節(jié)性變化等關(guān)鍵指標(biāo)。針對不同區(qū)域的水資源特點(diǎn)，制定差異化的水資源配置策略，合理平衡農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)保護(hù)和其他用水需求。在水資源配置過程中，應(yīng)充分考慮氣候變化、水資源承載能力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，建立動態(tài)調(diào)整機(jī)制，確保水資源的高效、有序、可持續(xù)利用[1]。根據(jù)水利部2022年數(shù)據(jù)，我國農(nóng)業(yè)灌溉用水約占總用水量的62%，這一數(shù)據(jù)為水資源配置提供了重要參考。

2.2 灌溉方式選擇

灌溉方式選擇是農(nóng)田水利工程規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和水資源利用水平。科學(xué)的灌溉方式選擇需要深入分析區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，綜合考慮農(nóng)作物生長特性、地形地貌、土壤條件、水資源狀況等多維度因素。針對不同作物和立地條件，精準(zhǔn)匹配最優(yōu)灌溉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、差異化灌溉管理。例如，對于經(jīng)濟(jì)作物園區(qū)，可采用滴灌技術(shù)，通過精準(zhǔn)控制水分和養(yǎng)分，顯著提高水利用效率；對于大面積糧食作物種植區(qū)，可選擇噴灌或者引水灌溉系統(tǒng)，保證均勻覆蓋。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2021年數(shù)據(jù)，節(jié)水灌溉面積已達(dá)0.23億hm2，有效提升了農(nóng)業(yè)灌溉質(zhì)量。在方式選擇中，應(yīng)建立多參數(shù)評估模型，通過定量分析和實(shí)地調(diào)研，科學(xué)權(quán)衡各灌溉方式的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性和生態(tài)效益。

2.3 灌溉制度設(shè)計(jì)

灌溉制度設(shè)計(jì)過程需要深入解析作物生理生態(tài)特征、土壤水分動態(tài)變化規(guī)律和區(qū)域氣候條件，常見的灌溉設(shè)計(jì)方法包括基于土壤水分平衡的設(shè)計(jì)方法、基于作物需水量的設(shè)計(jì)方法。基于土壤水分平衡的設(shè)計(jì)方法是通過測定土壤水分含量和作物的水分需求，計(jì)算得出灌溉的時(shí)間和灌溉量，以滿足作物的生長需要；基于作物需水量的設(shè)計(jì)方法是依據(jù)作物的生育階段、蒸散發(fā)量、蒸騰系數(shù)等因素，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和土壤特性，計(jì)算得出灌溉的時(shí)間和灌溉量，以滿足作物的水分需求。例如，小麥在拔節(jié)期和灌漿期對水分最為敏感，需要重點(diǎn)保障水分供給；玉米分蘗期和抽穗期也是關(guān)鍵灌溉時(shí)期。科學(xué)灌溉制度應(yīng)充分考慮土壤墑情、作物長勢和氣象預(yù)測，構(gòu)建柔性、智能的灌溉調(diào)控機(jī)制。根據(jù)中國農(nóng)科院研究數(shù)據(jù)，科學(xué)灌溉制度可使作物產(chǎn)量提高15%～25%，水分利用效率提升30%以上。

2.4 灌溉渠系設(shè)計(jì)

灌溉渠系設(shè)計(jì)是連接水源與農(nóng)田的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其科學(xué)性直接決定水資源利用效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。設(shè)計(jì)過程需要進(jìn)行系統(tǒng)性的空間分析和工程論證，綜合考慮地形地貌、水文條件、農(nóng)田分布和作物種植結(jié)構(gòu)等多維度因素。通過地理信息系統(tǒng)和數(shù)值模擬技術(shù)，構(gòu)建高精度的三維地形數(shù)據(jù)模型，優(yōu)化渠系布局，使輸水損耗和工程投資最小化。渠系設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“因地制宜、布局合理、節(jié)能高效”的原則，科學(xué)配置水源工程、輸水工程、配水工程和田間工程。例如，在地形起伏地區(qū)，可選擇管道輸水或建設(shè)襯砌渠道，減少滲漏和蒸發(fā)損失；在平原地區(qū)，可采用開放式渠道并輔以防滲處理。根據(jù)水利部統(tǒng)計(jì)，合理渠系設(shè)計(jì)可使輸水效率提高20%～30%，節(jié)水效果顯著[2]。

2.5 節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用

節(jié)水灌溉技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)田水利工程的核心創(chuàng)新點(diǎn)，其目標(biāo)是在保障農(nóng)作物生長的同時(shí)，最大限度提高水資源利用效率。技術(shù)應(yīng)用需要系統(tǒng)性地評估區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征，精準(zhǔn)匹配適宜的節(jié)水灌溉技術(shù)。滴灌技術(shù)通過精準(zhǔn)、低壓輸水，可實(shí)現(xiàn)水分和養(yǎng)分的精確調(diào)控，特別適合經(jīng)濟(jì)作物和設(shè)施農(nóng)業(yè)；噴灌技術(shù)具有覆蓋面廣、均勻性好的特點(diǎn)，適合大面積作物種植；微噴灌技術(shù)則兼具滴灌和噴灌的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合果樹和經(jīng)濟(jì)林。技術(shù)選擇應(yīng)建立多維度評估模型，綜合考慮作物特性、地形條件、水資源狀況和經(jīng)濟(jì)投入。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門調(diào)查，先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)可使水資源利用效率提高40%～60%，顯著緩解水資源緊張問題。

2.6 灌溉工程材料選擇

灌溉工程材料選擇是保障工程質(zhì)量和運(yùn)行效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要綜合考慮材料的力學(xué)性能、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境適應(yīng)性。選材過程應(yīng)建立系統(tǒng)性的評估標(biāo)準(zhǔn)，通過材料性能測試、使用環(huán)境模擬和全壽命周期分析，科學(xué)遴選最優(yōu)材料。管道材料方面，可選擇高密度聚乙烯（HDPE）管材，具有耐腐蝕、抗老化、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)；對于閥門選擇，應(yīng)重點(diǎn)考慮密封性能和控制精度，選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼或復(fù)合材料閥門。水泵選型需要精準(zhǔn)匹配區(qū)域水資源特點(diǎn)和灌溉需求，綜合評估揚(yáng)程、流量和能耗指標(biāo)。過濾器選擇應(yīng)考慮水質(zhì)特征和灌溉系統(tǒng)要求，選用多級過濾技術(shù)，有效去除雜質(zhì)。

2.7 灌溉工程自動化與智能化

灌溉工程自動化與智能化是現(xiàn)代農(nóng)田水利工程發(fā)展的戰(zhàn)略方向，其核心目標(biāo)是通過先進(jìn)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌溉過程的精準(zhǔn)調(diào)控。技術(shù)路徑應(yīng)構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能的綜合性管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水資源、作物生長和環(huán)境要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測和動態(tài)調(diào)控[3]。通過部署土壤墑情傳感器、氣象站和無人機(jī)遙感設(shè)備，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，建立作物水分需求精準(zhǔn)預(yù)測模型。智能控制系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動調(diào)整灌溉參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、按需灌溉。例如，可開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的灌溉決策支持系統(tǒng)，通過分析歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測信息，智能推薦最優(yōu)灌溉策略。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門調(diào)查，智能灌溉系統(tǒng)可使水資源利用效率提高50%以上，顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)化水平。在實(shí)踐中，應(yīng)注重技術(shù)集成創(chuàng)新和區(qū)域適配性研究。如圖1所示。

圖1 某智能灌溉控制系統(tǒng)示意圖

3 農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法

3.1 現(xiàn)場勘查與調(diào)研

農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性和有效性，根本上取決于對區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的深入認(rèn)知。現(xiàn)場勘查是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)性工作，需要采用系統(tǒng)性、精細(xì)化的調(diào)查方法，全面獲取區(qū)域水文地質(zhì)、地形地貌、土壤特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況。調(diào)查團(tuán)隊(duì)由水利工程師、土壤學(xué)家、農(nóng)業(yè)專家等多學(xué)科專業(yè)人員組成，使用GPS定位、無人機(jī)航拍、土壤剖面分析等現(xiàn)代技術(shù)手段，構(gòu)建高精度的區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)空間數(shù)據(jù)模型。在調(diào)研過程中，不僅要進(jìn)行定量測量，更要深入了解當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生產(chǎn)實(shí)踐、傳統(tǒng)灌溉經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際需求。根據(jù)水利部2022年調(diào)查數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)的現(xiàn)場調(diào)查可使農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)方案的實(shí)施效率提高35%以上。調(diào)查內(nèi)容應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水資源分布、土壤類型、地形起伏、作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉歷史等關(guān)鍵要素，為后續(xù)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供全方位、多維度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.2 數(shù)據(jù)分析與模擬

數(shù)據(jù)分析是農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，需要運(yùn)用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和數(shù)值模擬方法，對現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性、深度挖掘和科學(xué)解析。分析過程應(yīng)構(gòu)建多維度、跨學(xué)科的數(shù)據(jù)融合模型，綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，精準(zhǔn)評估區(qū)域水資源承載能力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。模擬計(jì)算是數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵手段，通過建立水文－作物－土壤耦合模型，模擬不同灌溉情景下的水分運(yùn)移、作物生長和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)過程。例如，可使用SWAT模型等專業(yè)水文模擬軟件，精確模擬不同灌溉方案對作物產(chǎn)量、水資源利用效率和生態(tài)環(huán)境的影響。中國農(nóng)科院研究顯示，科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和模擬可使灌溉方案的預(yù)測準(zhǔn)確率提高40%以上，為決策提供有力的技術(shù)支撐。模擬分析還應(yīng)考慮氣候變化、土地利用變化等長期趨勢，構(gòu)建適應(yīng)性和前瞻性的灌溉規(guī)劃模型。

3.3 方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

方案設(shè)計(jì)是將前期調(diào)查和分析成果轉(zhuǎn)化為具體技術(shù)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要遵循系統(tǒng)集成、因地制宜的設(shè)計(jì)原則。設(shè)計(jì)過程應(yīng)構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，綜合考慮水資源利用效率、作物產(chǎn)量、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)投入等多維度指標(biāo)。設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分體現(xiàn)精準(zhǔn)化、差異化的灌溉技術(shù)路線，根據(jù)區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征，精準(zhǔn)匹配節(jié)水灌溉技術(shù)、渠系布局和灌溉制度。優(yōu)化是方案設(shè)計(jì)的重要延伸，通過構(gòu)建基于模糊評價(jià)和遺傳算法的優(yōu)化模型，對初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行迭代優(yōu)化。例如，可建立包含灌溉效率、投資成本、生態(tài)影響等多維度指標(biāo)的綜合評價(jià)體系，通過計(jì)算機(jī)模擬和專家評審相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)方案的動態(tài)優(yōu)化。水利部門數(shù)據(jù)表明，科學(xué)的方案優(yōu)化可使灌溉工程投資回報(bào)率提高25%以上，顯著提升工程的經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)效益[4]。

3.4 技術(shù)審查與評估

技術(shù)審查是確保農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，需要構(gòu)建跨學(xué)科、多層次的專業(yè)評審機(jī)制。審查過程應(yīng)組織水利工程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域的資深專家，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和生態(tài)適用性等多維度進(jìn)行全面論證。審查內(nèi)容應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性，通過定量分析和定性評價(jià)相結(jié)合的方式，系統(tǒng)評估灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢與潛在風(fēng)險(xiǎn)。評估應(yīng)建立綜合的評價(jià)指標(biāo)體系，包括水資源利用效率、作物產(chǎn)量提升、生態(tài)環(huán)境影響、投資回報(bào)率等關(guān)鍵指標(biāo)。此外，評估過程還應(yīng)重視風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)對策略研究，通過情景模擬和敏感性分析，識別可能存在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，為方案優(yōu)化和實(shí)施提供決策依據(jù)。

3.5 實(shí)施與監(jiān)測

工程實(shí)施是農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的最終落地環(huán)節(jié)，需要建立系統(tǒng)的項(xiàng)目管理和質(zhì)量控制體系。實(shí)施過程應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)方案，同時(shí)保持技術(shù)的適應(yīng)性和開放性，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。施工階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注工程質(zhì)量、施工進(jìn)度和環(huán)境保護(hù)，采用先進(jìn)的質(zhì)量檢測技術(shù)和精細(xì)化管理方法，確保工程建設(shè)符合設(shè)計(jì)要求。監(jiān)測是實(shí)施過程的重要組成部分，應(yīng)構(gòu)建多源、實(shí)時(shí)的監(jiān)測評估系統(tǒng)，通過部署土壤墑情傳感器、氣象站和無人機(jī)遙感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對灌溉工程運(yùn)行狀態(tài)、作物生長和水資源利用效率的全過程動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對灌溉方案的實(shí)時(shí)優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)，推動農(nóng)田水利工程向智能化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展。

4 結(jié)語

農(nóng)田水利工程灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心在于實(shí)現(xiàn)水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的動態(tài)平衡。未來，我們應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，深化智能化、精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)研究，構(gòu)建更加適應(yīng)和彈性的農(nóng)業(yè)水資源管理體系。通過融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，不斷提升農(nóng)業(yè)水資源利用效率，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)智慧和力量。

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