现代节水灌溉技术
一、节水灌溉是解决我国农业和水资源短缺的根本性措施
水是一切生命过程中不可替代的基本要素，水资源是国民经济和社会发展的重要基础资源。我国是世界上13个贫水国之一，人均水资源占有量2300立方米，只有世界人均水平的1/4，居世界第109位。而且时空分布很不均匀，南多北少，东多西少；夏秋多，冬春少；占国土面积50％以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国总量的20％左右。近年来，随着人口增加、经济发展和城市化水平的提高，水资源供需矛盾日益尖锐，农业干旱缺水和水资源短缺已成为我国经济和社会发展的重要制约因素，而且加剧了生态环境的恶化。
按现状用水量统计，全国中等干旱年缺水358亿立方米，其中农业灌溉缺水300亿立方米。20世纪90年代以来，我国农业年均受旱面积达2000万公顷以上，全国660多个城市中有一半以上发生水危机，北方河流断流的问题日益突出，缺水已从北方蔓延到南方的许多地区。由于地表水资源不足导致地下水超采，全国区域性地下水降落漏斗面积已达8.2万平方公里。
发达国家的农业用水比重一般为总用水量的50％左右。目前，我国农业用水比重已从1980年的88％下降到目前的70％左右，今后还会继续下降，农业干旱缺水的局面不可逆转。北方地区水资源开发利用程度已经很高，开源的潜力不大。南方还有一些开发潜力，但主要集中在西南地区。
我国农业灌溉用水量大，灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在。目前全国灌溉水利用率约为43％，单方水粮食生产率只有10公斤左右，大大低于发达国家灌溉水利用率70-80%、单方水粮食生产率2.0公斤以上的水平。通过采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业，实现适时适量的“精细灌溉”，具有重要的现实意义和深远的历史意义。
二、节水灌溉技术体系
1.节水灌溉的涵义
“节水”一词通俗易懂，更确切的提法应当是“高效用水”。“节水灌溉”的真正涵义是，在充分利用降水和土壤水的前提下高效利用灌溉用水，最大限度地满足作物需水，以获取农业生产的最佳经济效益、社会效益、生态环境效益。
有一些概念常被混淆使用，如“农业节水”与“节水农业”。“农业节水”与节水灌溉的涵义类似，但其节水的范围更广、更深，包括生物节水、农艺节水和旱作农业节水等。它是以水为核心，研究如何高效利用农业水资源，保障农业可持续发展。农业节水的最终目标是建设节水高效农业。“节水农业”类似“节水型农业”，是指农业的一种类型，重点研究如何按照节水的要求规划、建设和管理农业。两种提法的研究内容和重点不同，适用的场合不同，不能混淆或相互代替。
2.节本灌溉技术体系
灌溉用水从水源到田间，到被作物吸收、形成产量，主要包括水资源调配、输配水、田间灌水和作物吸收等四个环节。在各个环节采取相应的节水措施，组成一个完整的节水灌溉技术体系，包括水资源优化调配技术、节水灌溉工程技术、农艺及生物节水技术和节水管理技术。其中节水灌溉工程技术是该技术体系的核心，已相对成熟并得到普及，其它技术相对薄弱，急需加强研究开发和推广应用。
（1）灌溉水资源优化调配技术
主要包括地表水与地下水联合调度技术、灌溉回归水利用技术、多水源综合利用技术、雨洪利用技术。
（2）节水灌溉工程技术
主要包括渠道防渗技术、管道输水技术、喷灌技术、微灌技术、改进地面灌溉技术、水稻节水灌溉技术及抗旱点浇技术。直接目的是减少输配水过程的跑漏损失和田间灌水过程的深层渗漏损失，提高灌溉效率。
渠道防渗技术：采用混凝土护面、浆砌石衬砌、塑料薄膜等多种方法进行防渗处理，与土渠相比，渠道防渗可减少渗漏损失60％-90％，并加快了输水速度。
管道输水技术：用塑料或混凝土等管道输水代替土渠输水，可大大减少输水过程中的渗漏和蒸发损失，输配水的利用率可达到95％。另外还能有效提高输水速度，减少渠道占地。低压管道输水技术在我国北方井灌区已经普及，但大型自流灌区尚处于试点阶段。
喷灌技术：喷灌是一种机械化高效节水灌溉技术，具有节水、省劳、节地、增产、适应性强等特点，被世界各国广泛采用。喷灌几乎适用于除水稻外的所有大田作物，以及蔬菜、果树等，对地形、土壤等条件适应性强。与地面灌溉相比，大田作物喷灌一般可节水30％-50％，增产10％-30％，但耗能多、投资大，不适宜在多风条件下使用。
微灌技术：包括微喷和滴灌，是一种现代化、精细高效的节水灌溉技术，具有省水、节能、适应性强等特点，灌水同时可兼施肥，灌溉效率能够达到90％以上。微灌已由果树、蔬菜等少数经济作物向行播大田作物发展，如近年来新疆棉花滴灌发展迅速，取得了良好的节水增产效果。微灌的主要缺点是易于堵塞、投资较高。我国在引进、消化吸收国外先进技术的基础上，已基本形成了自己的微灌产品生产能力。
改进地面灌溉技术：在今后相当长的时期内，地面灌溉仍将是我国主要灌溉方式。地面灌溉并非“大水漫灌”，只要在土地平整的基础上，采用合理的灌溉技术并加强管理，其田间水利用率可以达到70%以上。“九五”期间，我中心通过承担国家重点科技攻关、科技产业工程和水利部“948”项目，完成了激光控制平地技术、改进畦（沟）灌溉技术、田间闸管灌溉技术、波涌灌溉技术等改进地面灌溉技术的集成配套与组合应用，形成了适合不同类型灌区的田间工程设计和应用模式，取得了良好的节水增产效果。
（3）农艺及生物节水技术
包括耕作保墒技术、覆盖保墒技术、优选抗旱品种、土壤保水剂及作物蒸腾调控技术。目前，农艺节水技术已基本普及，但生物节水技术尚待进一步开发。如采用保水剂拌种包衣，能使土壤在降水或灌溉后吸收相当自身重量数百倍至上千倍的水分，在土壤水分缺乏时将所含的水分慢慢释放出，供作物吸收利用，遇降水或灌水时还可再吸水膨胀，重复发挥作用。此外，喷施黄腐酸（抗旱剂1号），可以抑制作物叶片气孔开张度，使作物蒸腾减弱。
（4）节水灌溉管理技术
包括灌溉用水管理自动信息系统、输配水自动量测及监控技术，土壤墒情自动监测技术、节水灌溉制度等。其中，输配水自动量测及监控技术采用高标准的量测设备，及时准确地掌握灌区水情，如水库、河流、渠道的水位、流量以及抽水水泵运行情况等技术参数，通过数据采集、传输和计算机处理，实现科学配水，减少弃水。土壤墒情自动监测技术采用张力计、中子仪、TDR等先进的土壤墒情监测仪器监测土壤墒情，以科学制定灌溉计划、实施适时适量的精细灌溉。
我中心在水利部“948”项目的支持下，研制开发了“灌区用水管理自动控制系统”。该系统由三部分组成：“渠道闸门太阳能自动控制设备及技术”，是一种廉价的渠道自动化管理技术。它利用太阳能板将太阳能转化为电能，并用蓄电池存储能量，在渠道的闸门上安装小型控制设备对闸门的启闭及开度进行控制，以实现对渠道过水流量的控制。“低功耗大容量自记式水位计”和“G2渠系模拟仿真系统”，是与上述设备相配套，自主开发的。“自记式水位计”用于测量渠道的过水流量。采用微功耗和大容量存储技术，及时而准确地记录水位变化过程，适宜于比较长的时间内在无电环境中工作。“仿真系统”可对大中型灌区的输配水系统进行模拟仿真，自动完成灌溉过程水流在渠系中的动态变化，为灌区管理人员制定和优选配水方案提供依据。该系统已在甘肃景泰灌区成功应用，并列入2001年国家农业科技成果转化资金项目、水利部推广项目。
三、节水灌溉技术的发展现状和方向
1.我国节水灌溉技术的发展现状
“九五”期间，国家科技部、水利部等部门共同实施了国家重点科技攻关项目“农业节水技术研究与示范”，组织一批科研单位和大学，就节水灌溉发展中的关键技术和设备联合攻关，研究开发和示范应用了一批节水灌溉新技术及专利产品。“九五”后期，科技部又启动实施了国家科技产业工程项目“农业高效用水科技产业示范工程”，批准成立了国家节水灌溉工程技术研究中心。
“十五”期间，科技部首次将“现代节水农业技术体系及新产品”列入国家“863”计划重大专项。与此同时，国家计委和水利部组织实施了“300个节水增产重点县”建设和大型灌区节水改造项目，推动和促进了全国节水灌溉技术的普及和推广。
据统计，“九五”期间前4年，全国节水灌溉工程建设投资350亿元，其中中央和地方财政投入105亿元，新增节水灌溉工程面积1.16亿亩，节水180亿立方米。截至2000年底，全国节水灌溉面积达到2.46亿亩，约占全国有效灌溉面积的30％，其中喷灌面积3197万亩、微灌面积229万亩、管道输水灌溉面积5352万亩、渠道防渗控制面积9542万亩、其它6263万亩。但与国民经济及社会发展的要求相比，节水灌溉的发展速度、规模和技术水平还处于低水平发展阶段。
一是采用喷灌、微灌和管道输水等先进节水灌溉技术的比例还很低，其中喷、微灌面积不足全国有效灌溉面积的5%；二是节水灌溉设备质量差、配套水平低，技术创新与推广体系不健全；三是占全国有效灌溉面积95％以上的地面灌溉普遍存在着土地平整精度差、田间工程不配套、管理粗放的问题；四是灌溉用水管理技术落后，信息技术、计算机、自动控制技术等高新技术在灌溉用水管理的应用还很少，与发达国家相比，差距很大。
2.国内外节水灌溉技术的发展趋势和方向
（1）因地制宜，继续普及与推广喷、微灌技术
从20世纪50年代初到80年代初，美国新增灌溉面积2亿亩，其中喷灌面积占50％；在此期间，前苏联新增灌溉面积的70％采用喷灌。以色列在推广喷、微灌技术的过程中，研制出多种灌溉兼施肥设备，使肥料与灌溉水混合使用，实现了节水、增产和优质的统一。目前国内外喷、微灌技术正朝着低压、节能、多目标利用、产品标准化、系列化及运行管理自动化方向发展。任何一项节水灌溉技术都有其适用的自然条件、经济条件，普及与推广喷、微灌技术必须坚持因地制宜。
地下滴灌技术：就是在灌溉过程中，水通过地埋毛管上的灌水器缓慢渗入附近土壤，再借助毛细管作用或重力扩散到整个作物根层的灌溉技术。由于在灌溉水过程中几乎没有水分蒸发损失，而且对土壤结构的破坏轻，在各项节水灌溉技术中，该项技术的节水增产效果最为明显，而且便于农田作业和管理，特别适合于在我国西北地区干旱、高温、风大的自然条件。该系统的设计与地表滴灌系统相同，但为了防止系统堵塞，需要选用更好的过滤装置。此外，为防灌溉断水时产生负压造成滴头堵塞，要在灌溉系统的高点安装进排气阀，在地形起伏较大的山区和丘陵地区，可考虑使用具有抗负压堵塞功能的滴头。“九五”期间，国家重点科技攻关项目开展了有关研究，但尚未形成成熟配套的技术和产品。
（2）灌溉渠系管道化
日本早在60年代初，就在旱地灌溉系统中用管道取代斗、农明渠；70年代末又开始用大口径管道取代输水干渠；到80年代中期，日本新建灌溉渠系的大部分都采用管道化。美国约有一半的大型灌区实现了管道化输水。我国已基本普及了井灌区低压管道输水技术，今后的发展方向是大型渠灌区渠系管道化，并加快相应大口径塑料管材的开发生产。
（3）现代精细地面灌溉技术
土地平整是改进地面灌溉的基础和关键，由于我国地面灌溉量大、面广，急需采用推广应用激光控制平地技术、水平畦田灌溉技术、田间闸管灌溉系统以及土壤墒情自动监测技术等一切改进地面灌溉措施，逐步实现田间灌溉水的有效控制和适时适量的精细灌溉。
激光控制平地技术是目前世界上最先进的土地平整技术，在发达国家已广泛应用。这是一项“傻瓜式”的高新技术，具有自动化程度高、作业效率高、操作简单等特点，便于大规模推广应用。激光控制平地设备由激光发射装置、激光接收装置、控制器、平地铲运设备等四部分构成。激光发射装置被水平安装在矗立于田间的三角支架上，它产生的激光光束被高速旋转的棱镜反射，在田间上方产生一个激光平面，该平面作为平地作业的基准面。激光接收装置则垂直安装在平地铲运设备桅杆上。平地作业时，铲运机具刀口的初始位置一旦被确定，无论田面地形如何起伏，受激光发射和接收系统的控制，控制器始终通过液压升降系统将铲运刀口与平地作业的基准面保持在某一恒定值，能够实现高精度的土地平整。
1995年以来，中国水利水电科学研究院引进了激光控制平地成套设备，并在“九五”国家重点科技攻关项目中，对该项技术进行了全面、系统的试验示范研究。结果表明：该项技术能够大幅度改善农田的平整状况，土地平整精度达到了标准偏差值（Sd）小于2-3公分；通过科学的田间设计与管理，田间灌水效率达到了70％-80％。水利部组织召开现场会，农业部和科技部先后发文，对该项技术给予了充分肯定，并在东北、新疆、山东等地开始推广应用。
水平畦灌水技术是建立在激光控制平地技术基础上的一种地面灌溉技术，自20世纪80年代起首先在美国应用，随后在许多国家推广。该技术适用于多种粮食作物灌溉，经过合理的系统设计和田间管理，水平畦田灌溉可以取得与压力灌溉系统相媲美的灌溉效果。其优点是：A.当进地流量已知时，供水量仅由供水时间控制，容易确定适宜的灌水量。B.在适宜的畦田规格、进地流量、土壤入渗条件下，可以实现地面灌溉的小定额灌水。C.可以使田间深层渗漏损失最小，灌溉均匀度有很大改善。D.土地利用率高，便于大型农业机械作业。E.出苗条件、种植环境得到改善，灌溉均匀度的提高使作物生长更均匀，肥料的淋洗损失也得到控制，使作物明显增产。F.有利于防止土壤盐渍化。
中国水利水电科学研究院通过水利部“948”项目，引进并开发生产了田间闸管灌溉系统。该系统由移动管道和管道上配置的多个闸门组成，其闸门间距及规格可根据田间沟（畦）的间距（宽度）及入地流量进行灵活的选择与配置。该系统不仅可替代田间毛渠完成田间配水过程，还可通过启闭安装在管道上的闸门实施田间控制灌溉。与现有的低压管道输水管网相配套，具有投资少、见效快、使用方便灵活的显著特点。近年在新疆棉花灌溉地区的应用表明，田间灌水效率达到了70％以上，比现状地面灌溉节水30-40％。该系统已列入2001年国家农业科技成果转化资金项目、水利部推广项目。
（4）研究和推广非充分灌溉技术
非充分灌溉理论脱胎于传统的充分灌溉理论，但不是简单的延伸，它将与生物技术、信息技术及“四水”转化理论等高新节水技术和理论相结合，创建新的灌溉理论及技术体系，它将对现有灌溉工程的规划设计及灌溉管理模式等产生巨大的冲击和影响。我国北方一些地区已经实行了减少灌溉次数等非充分灌溉方式，一些科研单位和灌溉试验站也开始了一些非充分灌溉的试验研究。
（5）“3S”技术在农业节水中的应用
现代农业是以高新技术应用为标志。在西方发达国家，通过遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、地球定位系统（GPS）及计算机网络获取、处理、传送各类农业信息的应用技术已到了实用化的阶段，欧共体将信息及信息技术在农业上的应用列为重点课题，美国农业部建立了全国农作物、耕地、草地等信息网络系统，可以说信息技术已成为现代农业不可缺少的一部分。
中国在这方面的工作也开始起步，如作物估产、土壤含水率分布的监测等，但在实际应用上还有一定的困难。但是在21世纪，空间遥感将会得到大力发展，将有更多的卫星被送上太空，从而使“3S”技术在农业节水领域中应用成为可能。
如应用“3S”技术建立“土壤墒情监测网系统”，对全国农田墒情进行监测，为农业灌溉用水和抗旱减灾服务。在监测土壤墒情的同时，与当时当地的作物需水量相结合，可科学确定灌溉用水计划。目前发达国家的一些先进灌区以土壤墒情监测作为灌溉用水管理的主要依据，根据气象观测资料、土壤墒情资料、作物长势资料等确定作物的灌溉水量及灌溉时间，及时提供用水信息，从而使农业灌溉管理更加科学、精确。
我国农业结构和水土资源分布具有很强的区域性，各地区发展不平衡，应当根据不同地区的自然经济状况，包括水资源状况、气候条件、农业生产经营方式、作物种类、经济发展水平等，科学确定不同地区、不同阶段的节水灌溉发展模式，加快研究开发先进、适用的农业高效用水技术与设备。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
