農田水利灌溉現狀與節水措施的信息化實踐

隨著農業在國民經濟中基礎性地位的穩固，農田水利灌溉的重要性愈發凸顯。當前，全球氣候變化導致水資源格局發生顯著變化，水資源稀缺問題日益突出，在此背景下，全面審視農田水利灌溉現狀變得尤為重要。傳統灌溉模式難以滿足現代農業精細化、集約化的發展要求，與時代趨勢背道而馳。信息技術的迅猛發展，為灌溉領域帶來新的活力，搭建起了水資源高效利用與農業可持續發展協同共進的橋梁，助力實現農業預期效益目標。

一、農田水利灌溉現狀

（一）灌溉模式分布

1.傳統灌溉方式。我國地域遼闊，受地理、氣候和歷史等多種因素的影響，不同地區的灌溉模式呈現多樣化的特征。在北方傳統農業產區，如華北平原，漫灌曾長期占據主導地位。該區域地勢平坦、水資源相對集中，加上過去農業生產對水資源精細化利用的重視程度不夠，使得漫灌方式得到廣泛應用。相關調研顯示，部分地區仍有超過 60% 的農田采用漫灌方式，灌溉季節大片土地被大水淹沒。雖然漫灌操作簡單、成本較低，能在短時間內保證土壤有充足的水分，但弊端也十分顯著。大量水資源因蒸發和深層滲漏而被浪費，導致地下水位下降，進而引發地面沉降等生態問題。南方傳統農業產區，如長江中下游平原，溝灌較為常見。縱橫交錯的溝渠系統，將水源引入田間，灌溉比例可達 40%～50% 。溝灌能一定程度上依據地勢引導水流，降低水的流失速度。然而，這種灌溉方式同樣存在用水效率不高的問題。在雨季，溝渠排水不暢容易造成內澇，影響農作物生長。此外，長期的水流沖刷會導致土壤養分流失，降低土壤肥力。

2.新型灌溉推廣。近年，隨著節水理念深入人心與科技發展，滴灌、噴灌、微噴灌等新型灌溉技術逐漸在各地嶄露頭角。在西北干旱地區，如新疆的棉花產區，滴灌技術推廣成效顯著。當地政府與企業合作，通過政策補貼、示范基地建設等方式，促使超過 70% 的規?；N植農田采用了滴灌技術。精準的水滴輸送至作物根系，節水率為 40%～60% ，同時提高了棉花的產量與品質。然而，滴灌技術在推廣初期成本較高，一套完整的滴灌系統投資成本為 12000～18000 元·hm^-2 這一高昂的投入使不少農戶望而卻步。噴灌技術在東北平原的大型農場應用較多，普及程度為 30%～ 40% 。該技術通過噴頭將水均勻噴灑，適合大面積農田灌溉，且能與施肥作業結合。但設備維護復雜，噴頭易堵塞、損壞，維修成本高，尤其是在風沙較大的季節，設備故障率明顯上升，影響正常使用。微噴灌在南方果園、蔬菜基地取得了一定發展。其利用微小噴頭實現局部精準灌溉，可提升果實品質、減少病害。然而受限于山區地形復雜、水源分散，全面推廣難度較大，僅在部分集中連片、地勢相對平緩的區域應用較好，應用比例為 20%～30% 。

（二）用水管理現狀

1.用水計量情況。目前，農村地區農田灌溉用水計量情況存在較大差異。在經濟相對發達、水利設施較為完善的東部沿海省份的部分農村，智能化水表計量已逐步得到推廣。智能化水表能夠實時監測和記錄用水量，準確率較高，為精準用水收費和優化灌溉管理提供了數據支持。但在廣大中西部農村地區，傳統的用水計量方式仍占主導地位。許多地區采用按時間計費或估算用水量的方法，這導致存在較大誤差。例如，一些村莊根據水泵的開啟時間來估算用水量，由于不同水泵的功率和出水效率存在差異，無法準確反映實際用水量，導致用水浪費，或者農戶間水費分攤不合理，引發矛盾。

2.調度與分配。從季節調度來看，在北方干旱少雨的春灌和冬灌時期，用水需求集中，經常出現水源緊張的局面。部分地區由于缺乏提前規劃，上下游爭水現象時有發生，影響灌溉進度和農田產量。在南方汛期，大量雨水雖然能夠補充水源，但由于缺乏有效的調蓄設施，雨水無法得到充分利用，甚至會造成洪澇災害，破壞農田水利設施。在區域間調度方面，相鄰地區由于分屬不同的行政區域，缺乏統一的協調機制，在水資源分配上各自為政，難以實現水資源的跨區域優化配置，制約了農業的整體發展。

3.用水制度執行。盡管各地已建立了相關的用水管理制度，包括計量收費和用水許可等內容，但在基層落實過程中，由于農戶節水意識不強、管理力量薄弱等因素，制度執行效果參差不齊。此外，用水許可審批流程缺乏規范，存在部分農戶未經許可就取水灌溉的現象。在一些小型農田水利設施中，計量收費制度執行難度較大，農戶按量交費的意識淡薄，阻礙了用水管理的精細化發展。同時，用水糾紛協調機制有待完善，當農戶之間因用水權益產生矛盾時，缺乏公正、高效的解決途徑，影響農業生產秩序。

（三）農戶參與度

1.對灌溉技術的認知。通過大規模問卷調查與實地深入訪談發現，農戶對不同灌溉技術的知曉率存在明顯差異。對于傳統漫灌、溝灌，大多數農戶熟悉其操作流程，知曉率接近 100% 。但對于新型灌溉技術，認知程度較低。在全國范圍內，滴灌技術的知曉率平均為 30%～40% ，噴灌為 20%～30% ，微噴灌僅為10%～20% 。在接受程度上，受傳統觀念束縛，擔心新技術影響產量、操作復雜、投資成本高等因素的影響，真正愿意主動采用新型灌溉技術的農戶比例更低。具體而言，愿意采用滴灌技術的農戶為 10%～ 15% ，噴灌為 5%～10% ，微噴灌不足 5% 。

2.節水意識。在日常灌溉行為評估中，多數農戶節水意識淡薄。在北方地區，部分農戶在漫灌時為了方便，任由多余的水流向田間溝渠，沒有考慮水資源的浪費問題。在南方，盡管氣候濕潤，用水相對寬裕，但農戶在溝灌時同樣缺乏節水主動性，很少采取分時灌溉、控制水流速度等節水措施。這種現象背后的主要原因是長期的傳統農耕習慣，使得農戶認為“水多糧多”，對水資源的稀缺性認識不足。此外，農戶缺乏市場觀念，沒有將用水成本與農業收益緊密聯系起來，導致節水行為難以自發形成。

二、農田水利灌溉節水措施的信息化實踐

（一）智能監測技術

1.土壤情監測。智能監測技術在推動農田水利灌溉節水措施信息化進程中發揮著關鍵作用，不僅是提升水資源利用率和精準灌溉的關鍵點，還是實現農田水利灌溉目標的重要措施?；谖锫摼W的土壤濕度傳感器，堪稱現代農田灌溉的“智能觸角”。其工作原理依托先進的傳感技術，常見的有電容式、電阻式傳感器。電容式土壤濕度傳感器，利用土壤介電常數隨含水量變化的特性。當土壤水分含量改變時，傳感器兩極板間的電容值相應發生變化，內置微處理器將電容信號轉換為數字信號，從而精準量化土壤濕度。電阻式傳感器依據土壤電阻與含水量的反比關系，含水量越高，電阻越小，據此測量土壤的干濕程度。這些傳感器以合理的布局間距，廣泛分布于農田各處，形成一張嚴密的監測網絡。傳感器采用超低功耗設計，支持太陽能供電，確保在田間長期穩定運行。傳感器實時采集到的土壤熵情數據，借助LoRaWAN、NB-IoT等低功耗廣域網無線通信模塊，迅速傳輸至云端服務器。即便在偏遠山區等網絡信號薄弱區域，也能保障數據傳輸的高可靠性，避免數據丟失與中斷。云端接收到數據后，運用專業數據處理算法進行分析整理，生成直觀的土壤濕度時空分布圖，為農戶精準判斷灌溉時機與灌溉位置提供科學依據。以華北某小麥種植區為例，借助土壤熵情監測系統，農戶能夠精準掌握不同地塊土壤水分動態，相較于傳統經驗灌溉，節水超 30% ，同時，小麥產量穩步提升。

2.氣象數據關聯。氣象條件是影響作物需水量的關鍵外部因素。將天氣預報、實時氣象監測與農田灌溉相結合，開啟了智能化灌溉的全新篇章。借助分布廣泛的氣象監測站及衛星遙感數據，可實時獲取氣溫、濕度、風速、太陽輻射、降水量等氣象參數。大數據分析技術在此過程中發揮核心作用，通過建立作物需水量模型，綜合考量不同作物在各個生長階段對氣象因素的敏感差異。以玉米種植為例，在拔節期，氣溫升高、光照增強，作物蒸騰作用加劇，需水量大幅增加；而在成熟期，需水量則相對減少。利用歷史氣象數據、對應年份玉米產量及灌溉水量進行深度學習訓練，模型可精準預測不同氣象條件下玉米每日的需水量。結合短期天氣預報，農戶能提前知曉未來一周的天氣變化趨勢。若預報有降雨，可適當推遲灌溉計劃，避免水資源浪費；若無降雨且高溫干旱持續，則提前安排灌溉任務，確保玉米生長不受缺水影響。這種基于氣象數據關聯的灌溉策略，實現了灌溉用水與作物需求的高度匹配，大幅提高水資源利用效率。在南方某水稻產區，應用該技術后，灌溉用水減少25% ，有效減少了洪澇、干旱等氣象災害對水稻產量的負面影響。

（二）精準灌溉決策系統

1.構建算法模型。精準灌溉決策系統的核心，是一套科學嚴謹的算法模型，其構建融合了多學科知識。作物生長模型作為基礎，詳細描述了作物從播種到收獲各個階段的生長發育規律，包括根系生長、莖葉擴展、光合作用、物質積累等過程，以及這些過程與土壤水分、養分供應的相互關系。土壤水分平衡方程則聚焦于土壤水的收支情況，考慮降水、灌溉、蒸發、蒸騰、深層滲漏等因素，動態計算土壤含水量的變化。將作物生長模型與土壤水分平衡方程有機結合，并引入田間實測數據進行實時校準，形成適應性強的灌溉決策算法。該算法能夠根據當前土壤情、作物生長階段、氣象條件等信息，精確計算出最優灌溉時間點、灌溉水量。以西北某葡萄種植園為例，基于精準灌溉決策算法，葡萄在不同生長關鍵期都能獲得恰到好處的水分供應，果實品質顯著提升，糖度較傳統灌溉方式提高 2～3 個百分點，同時，灌溉用水節約 40% 。

2.實現遠程控制。為了將精準灌溉決策轉化為實際行動，遠程控制技術賦予了農戶便捷操控灌溉設備的能力。通過開發適配手機APP和電腦終端的灌溉控制系統軟件，農戶無論身處家中、田間地頭，還是外出辦事，只要手中持有移動設備并連接網絡，就能輕松掌控灌溉全局。在手機APP界面，以可視化圖表清晰展示各塊農田的土壤濕度、作物需水信息，以及當前灌溉設備的運行狀態。農戶只需輕點屏幕，即可遠程開啟、關閉灌溉閥門，精準調節水量大小。電腦終端則提供更為詳細的數據分析功能，方便農戶對灌溉歷史數據進行復盤，優化后續灌溉方案。例如，某大型蔬菜種植基地的負責人，通過電腦終端在辦公室就能同時管理上千畝菜地的灌溉，根據不同菜品的種植區域、生長進度，靈活安排灌溉任務，極大提高了管理效率，確保蔬菜生長全程水分供應精準無誤。

在實際應用中，精準灌溉決策系統展現出顯著優勢。系統可根據不同農田區域的土壤特性、作物種植分布及需水差異，實現分區灌溉決策，針對每個區域制定個性化的灌溉策略，提高灌溉的針對性與有效性。該系統具備實時反饋與動態調整功能。隨著農田環境的動態變化，系統能夠持續監測灌溉效果，并根據新獲取的數據及時調整灌溉決策，確保灌溉始終契合農田實際需求。此外，精準灌溉決策系統可與灌溉設備實現智能化聯動，通過無線通信技術，將灌溉指令精準傳達至灌溉閥門、噴頭等設備，實現自動化灌溉操作，顯著提高灌溉管理的效率與精準度。這種智能化、精準化的灌溉決策模式，不僅有效節約了水資源，降低了灌溉成本，還促進了作物的健康生長，提高了農作物的產量與質量，為農田水利灌溉的可持續發展提供了強有力的技術支撐。

（三）信息管理平臺

信息管理平臺作為農田水利灌溉節水措施信息化的核心樞紐，發揮著至關重要的作用。該平臺集數據整合、存儲、分析與可視化展示等多功能于一體。它能夠匯聚來自不同數據源的信息，包括傳感器實時采集的數據、歷史灌溉記錄、土壤特性數據及作物種植分布信息等，打破“數據孤島”，實現數據的集中統一管理。通過高效的數據存儲架構，確保數據的安全性與長期可用性，便于后續的深度挖掘與分析。

1.架構設計。從架構設計層面而言，信息管理平臺須具備高度集成性與擴展性。一方面，它整合地理信息系統（GIS)，精準繪制農田的地理空間布局，涵蓋地形地貌、土壤類型分布以及灌溉設施的精確位置，為灌溉決策提供直觀精準的空間依據。通過GIS技術，能夠快速識別不同區域的灌溉需求差異。例如，在地勢較高、土壤保水性差的地塊優先安排灌溉時段，并合理規劃輸水路線，減少輸水損耗。另一方面，引入物聯網（IoT）模塊，在灌溉渠道、泵站、噴頭等關鍵設施上部署大量傳感器，實時采集水流速度、水壓、水質以及設備運行狀態等數據，這些數據經無線網絡傳輸至平臺，實現灌溉系統的實時監控。

例如，某智能滴灌系統，通過物聯網傳感器可精確感知每個滴頭的出水情況，一旦發現堵塞或流量異常，立即向平臺報警，以便及時維修，確保灌溉均勻性，避免水資源浪費。

2.功能模塊。信息管理平臺擁有強大且實用的多元功能。一是智能灌溉決策功能。依托大數據分析技術，平臺收集并深度剖析歷史灌溉數據、氣象數據（包括氣溫、降水、風速等）、土壤熵情數據及農作物生長周期數據，運用機器學習算法構建精準灌溉模型。該模型能夠依據實時數據動態預測不同地塊、不同農作物的需水量，自動生成最優灌溉計劃，包括灌溉時間、灌溉水量以及灌溉方式，徹底告別傳統的經驗式灌溉，實現精準節水灌溉。二是用水管理功能。對每個用水戶或灌溉區域進行精細化用水計量，通過智能水表等設備與平臺實時連接，記錄用水數據，結合當地水資源配額制度，對超定額用水進行預警提示，同時也為合理分配水資源提供數據支撐，促進水資源的高效利用。此外，信息管理平臺還注重用戶交互體驗。為農民、水利管理人員等不同用戶群體設計簡潔易用的操作界面，提供移動端應用程序，方便隨時隨地查看灌溉信息、接收預警通知、反饋問題。三是決策支持功能。決策支持是信息管理平臺的重要功能。平臺運用先進的數據挖掘與分析算法，對整合后的多源數據進行深度剖析。通過建立灌溉決策模型，綜合考慮土壤情、作物需水規律、氣象條件以及灌溉設施性能等因素，為管理者提供精準的灌溉決策建議，包括灌溉時間、灌溉量、灌溉方式以及灌溉設備的調度方案等。平臺還能對不同灌溉策略的實施效果進行模擬評估，幫助管理者進行對比分析，選擇最優方案，實現水資源的高效利用與灌溉效益的最大化。

三、結語

總之，當前農田水利灌溉現狀較為復雜，部分地區仍依賴陳舊的灌溉設施與粗放的管理模式，不僅灌溉效率低下，還造成了水資源的嚴重浪費。隨著信息技術的迅猛發展，加快了節水措施的信息化進程，很多落地實踐都取得了顯著效果。信息管理平臺整合多種先進技術，能夠精準調控灌溉過程，實現用水的智能計量，極大地提升了節水效果，有力推動農田水利灌溉朝著高效、可持續的方向發展。

作者簡介：陳黎剛（1986—），男，甘肅秦安人，本科，工程師，主要從事水利工程（堤防建設）工作。