楊立魁　侯新明　高昌珍

摘 要：綜述了我國(guó)近代以來(lái)農(nóng)田水利發(fā)展的狀況與研究進(jìn)展，提出了我國(guó)現(xiàn)階段不同灌溉技術(shù)形式的研究方向，對(duì)于目前節(jié)水灌溉工程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并且給出了針對(duì)措施。提高農(nóng)業(yè)用水利用率、發(fā)展計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，是我國(guó)今后節(jié)水灌溉研究的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉；研究進(jìn)展；存在的問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：S274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.04.016

截至2010年，我國(guó)水資源總量為30 906億m3，人均水資源量為2 310 m3[1]，僅相當(dāng)于世界平均水平的25%，水資源供求矛盾十分突出。預(yù)計(jì)再經(jīng)過(guò)20年發(fā)展，我國(guó)人口將達(dá)到16億，在降雨和河川徑流量不變的情況下，我國(guó)將成為國(guó)際公認(rèn)的人均水資源量在1 700 m3標(biāo)準(zhǔn)以下的嚴(yán)重缺水國(guó)家，水資源危機(jī)已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)峻，農(nóng)業(yè)用水也將受到嚴(yán)重影響。

我國(guó)的用水分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水4部分，從1997年到2010年，我國(guó)的農(nóng)業(yè)用水量在61.3%～70%之間，占很大一部分比重。農(nóng)業(yè)用水主要為灌溉用水，約占86%，而全國(guó)農(nóng)田灌溉利用系數(shù)僅為0.4，美國(guó)、以色列等國(guó)家為0.7～0.8[2]。以2009年為例，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量為3 723.1億m3，灌溉損失量就達(dá)到1 921.1億m3[1]，因此發(fā)展節(jié)水灌溉，提高水資源利用率，對(duì)于解決水資源危機(jī)有著顯著的作用。

1 農(nóng)田水利取得的成就

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展水利建設(shè)，使全國(guó)一半的耕地得到了灌溉保障，有效灌溉面積增長(zhǎng)了4 442萬(wàn)hm2，因灌溉而增產(chǎn)的糧食約為12.8億t[2]，保證了糧食的穩(wěn)定供應(yīng)，使我國(guó)以人均較少的土地，解決了10多億人口的吃飯問(wèn)題，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。經(jīng)過(guò)幾十年的農(nóng)田水利建設(shè)，我國(guó)的灌溉工程有了較大的發(fā)展。到2010年底，我國(guó)的灌溉面積為6 635.2萬(wàn)hm2，占耕地面積的49.58%，人均有效灌溉面積為0.045 hm2，共有機(jī)電排灌站43 987處，機(jī)井?dāng)?shù)為533.71萬(wàn)眼[1]。

2 我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)研究進(jìn)展

我國(guó)從1960年開(kāi)始采用混凝土對(duì)渠道進(jìn)行防滲，1970年開(kāi)始進(jìn)行管道灌溉，管道材料已從陶土管、水泥管發(fā)展到現(xiàn)在的PE管、PVC管[2]，在管道布置規(guī)劃與施工方面也有很大進(jìn)展。目前，我國(guó)的節(jié)水灌溉面積2 034.6萬(wàn)hm2，主要節(jié)水灌溉方式有噴灌、滴灌、波涌灌、涌泉灌等。

噴灌是將水加壓后通過(guò)孔徑較小的噴頭形成水霧來(lái)灌溉的一種方式。我國(guó)學(xué)者在噴灌方面有大量的研究，姚素梅等[3]在小麥的分蘗、拔節(jié)、抽穗、成熟等時(shí)期做了與地面灌溉的對(duì)照試驗(yàn)，得出了噴灌的產(chǎn)量要高于地面灌溉的結(jié)論；并且姚素梅等[4]對(duì)小麥進(jìn)行噴灌與地面灌溉的灌水試驗(yàn)時(shí)，用光合作用儀測(cè)定了噴灌與地面灌溉兩種條件下的光合作用速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、大氣CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、空氣的溫度與濕度等參數(shù)，得出了噴灌可以提高葉片光合作用能力，使得在“光合午休”期，氣孔限制成為阻礙光合速率進(jìn)一步提高的主要因素。王迪等[5]在噴灌和地面灌溉條件下對(duì)玉米、冬小麥近2年的對(duì)照試驗(yàn)，通過(guò)CO2系統(tǒng)分析儀進(jìn)行了測(cè)定，得出了噴灌比地面灌溉更能降低作物的蒸騰量、改善田間小氣候的結(jié)論。韓文霆等[6]對(duì)噴灌的5類(lèi)均勻性系數(shù)進(jìn)行了研究。戴雪遲[7]對(duì)山區(qū)噴灌的最佳規(guī)劃面積、造價(jià)、壓力分區(qū)做了研究，給自壓噴灌工程設(shè)計(jì)提供了參考。由于噴灌系統(tǒng)需要加壓設(shè)備，一般投資較大，因此，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的噴灌加壓設(shè)備仍是今后需要探討的問(wèn)題。

滴灌是通過(guò)輸水管道和滴頭，將水分肥料以滴水的形式送至作物根部的灌溉方法，我國(guó)在1974年引進(jìn)墨西哥的滴灌設(shè)備，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，全國(guó)滴灌面積逾1.3萬(wàn)hm2。在滴灌方面，方怡向等[8]對(duì)滴灌條件下棉花的根系分布進(jìn)行了研究，指出滴灌水量可影響棉花生物量在根系中的分配，適當(dāng)減少滴灌水量，可增加棉花細(xì)根的數(shù)量和長(zhǎng)度，促進(jìn)細(xì)根生長(zhǎng)。王賀輝等[9]對(duì)滴灌條件下溫室番茄的滴灌制度進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了溫室番茄的需水規(guī)律為前期小、中期大、后期小，最大需水強(qiáng)度為6.1 mm·d-1，日均耗水強(qiáng)度為5.5 mm·d-1，溫室番茄在苗期、開(kāi)花期、結(jié)果期適宜的灌水定額分別為10～15 mm、15～25 mm、20～30 mm；同時(shí)得出了滴灌能提高番茄果品質(zhì)量的結(jié)論。高楊等[10]通過(guò)3年春小麥生長(zhǎng)情況與產(chǎn)量的觀(guān)察，得出了在滴灌比地面灌溉更高產(chǎn)的結(jié)論。王秀康等[11]確定了滴灌毛管水頭損失系數(shù)，使毛管水力計(jì)算更加簡(jiǎn)便。金玉潔等[12]對(duì)山區(qū)滴灌的規(guī)劃設(shè)計(jì)做了分析，得出了壓力模式是滴灌工程設(shè)計(jì)布局的重要因素。滴灌沒(méi)有蒸發(fā)損失和深層滲漏，但其出流量小，滴頭極易被顆粒堵塞，對(duì)凈化設(shè)備有一定要求。今后研發(fā)抗堵塞性能高的滴頭仍是一大任務(wù)。

波涌灌是用間歇供水的方式，在表層土體氣孔封閉形成致密層后，使水推向更長(zhǎng)的溝（畦），以達(dá)到均勻灌溉的目的。在波涌灌溉方面，劉玉林[13]對(duì)波涌灌溉水流的水力梯度、表層土壤固結(jié)度、土粒的沉積運(yùn)動(dòng)做了分析，得出波涌灌是節(jié)水明顯的灌溉方式。謝崇寶等[14]對(duì)波涌閥與自控裝備進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行了田間性能測(cè)試，證明了該設(shè)備滿(mǎn)足波涌灌水要求，適用于田間灌溉。高昌珍等[15]對(duì)波涌灌溉進(jìn)行了田間試驗(yàn)，得出了灌水要素優(yōu)化組合，并建立了多目標(biāo)優(yōu)化組合模型。對(duì)于波涌灌的核心控制設(shè)備波涌控制器的研發(fā)仍是一大難點(diǎn)，是我國(guó)學(xué)者進(jìn)一步研究的方向。

涌泉灌是由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研制的一種灌水方式，主要應(yīng)用于果樹(shù)、經(jīng)濟(jì)林的灌溉，它是由灌溉管網(wǎng)和代替滴頭的4 mm微管將水送入繞樹(shù)環(huán)溝中，環(huán)溝儲(chǔ)存水分并緩慢入滲到樹(shù)木根系中，具有入滲均勻、灌水效率高、投資少、管理方便等優(yōu)點(diǎn)。在涌泉灌方面，我國(guó)學(xué)者也取得了很大的成就，鄭耀泉等[16]提出了涌泉灌結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、環(huán)溝設(shè)計(jì)公式，并對(duì)涌泉灌進(jìn)行了投資分析，認(rèn)為涌泉灌比噴灌、滴灌投資少，是一種適合我國(guó)國(guó)情的節(jié)水灌溉模式。李波等[17]通過(guò)在涌泉灌條件下溫室甜椒的灌溉制度試驗(yàn)，得出甜椒在苗期、開(kāi)花期、坐果期、結(jié)果期的適宜灌水定額分別為15，22，22，22 mm，灌水次數(shù)分別為2次、8次、8次、8次，整個(gè)生育期總的灌水量為200.64 mm。張芮等[18]對(duì)葡萄不同生長(zhǎng)期進(jìn)行涌泉灌虧缺灌溉試驗(yàn)，得出了成熟期進(jìn)行虧水灌溉可提高果實(shí)含糖量，使果品質(zhì)量更優(yōu)良的結(jié)論。吳普特等[19]進(jìn)行了涌泉根灌技術(shù)的研究，并對(duì)涌泉根灌進(jìn)行了水力性能測(cè)試，得出了該灌水器合格且流態(tài)系數(shù)小于0.5的結(jié)論，因該裝置管道均埋于地下，使系統(tǒng)能使用時(shí)間提高到20年。由于由計(jì)算機(jī)控制電磁閥的涌泉灌溉技術(shù)剛剛起步，對(duì)于電磁閥的信號(hào)傳輸有一定的距離要求，面積過(guò)大的灌區(qū)需要多個(gè)控制室來(lái)控制，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離控制的涌泉灌溉技術(shù)是今后研究的重點(diǎn)。

我國(guó)在農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)方面主要有采用先進(jìn)灌溉技術(shù)、進(jìn)行合理的布局與規(guī)劃、制定合理灌溉制度、改進(jìn)落后輸水技術(shù)等措施。在灌區(qū)規(guī)劃上，要合理布局、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)；在工程上，要按圖施工，保證施工質(zhì)量；在灌水方式上，要考慮適合當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件并且適合作物的灌水方式。

3 我國(guó)節(jié)水灌溉存在的問(wèn)題

3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)落后

由于農(nóng)田水利工程項(xiàng)目較小，一般設(shè)計(jì)任務(wù)都由當(dāng)?shù)厝罕娮孕幸?guī)劃，由于欠缺經(jīng)驗(yàn)，一些項(xiàng)目存在流量設(shè)計(jì)、輪灌劃分、控制面積設(shè)計(jì)不合理的情況，使建成后的工程不能充分發(fā)揮效益，特別對(duì)于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)難以傳播到當(dāng)?shù)兀糠止こ虥](méi)有經(jīng)過(guò)精確地測(cè)量規(guī)劃，導(dǎo)致其布局不合理，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。

3.2 管理不到位

一些正在建設(shè)的節(jié)水灌溉工程，由于沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的第三方機(jī)構(gòu)與人員監(jiān)理，導(dǎo)致很多工程施工達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，工程質(zhì)量難以保證。很多已建成的農(nóng)田水利工程，由于缺乏正確管理，已年久失修。很多渠道灌溉地區(qū)，由于無(wú)人管理，渠道早已出現(xiàn)了嚴(yán)重的滲漏跑水現(xiàn)象，造成了“有人建，沒(méi)人管”的情況。

3.3 灌溉用水嚴(yán)重浪費(fèi)

大多數(shù)農(nóng)村灌溉采用抽取地下水的方式，一般灌溉水量沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，很多農(nóng)民憑自身經(jīng)驗(yàn)決定，導(dǎo)致了過(guò)量灌溉，浪費(fèi)了水資源。在井灌區(qū)，由于對(duì)地下水的抽取，我國(guó)海河平原地區(qū)出現(xiàn)了大范圍下降漏斗，使地面發(fā)生沉降，北京、天津的地面沉降最大達(dá)到2 m[2]。

3.4 灌溉分散

由于農(nóng)戶(hù)種植作物、種植時(shí)間、作物成熟期等均不同，灌溉時(shí)間很分散，不能集中供水灌溉，缺乏統(tǒng)一管理機(jī)制，降低了灌水效率。在旱期灌溉用水上必然出現(xiàn)搶水灌溉的現(xiàn)象，增加了農(nóng)戶(hù)之間的矛盾，使統(tǒng)一有效的灌溉難以發(fā)展。

3.5 灌溉水源受到污染

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致部分地區(qū)的環(huán)境污染進(jìn)一步加劇，很多電池廠(chǎng)、化工廠(chǎng)、造紙廠(chǎng)等高污染企業(yè)將含有有機(jī)污染物與重金屬的廢水直接排入內(nèi)河或者地下，當(dāng)農(nóng)戶(hù)進(jìn)行灌溉時(shí)，使用了遭到污染的地下水或者河水，會(huì)造成土壤有機(jī)物、重金屬污染，作物在生長(zhǎng)時(shí)將這些有毒有害物質(zhì)吸收并積累，使果實(shí)的有毒有害物質(zhì)超標(biāo)，對(duì)人體造成了危害。

4 應(yīng)對(duì)問(wèn)題的措施

對(duì)于我國(guó)灌溉技術(shù)落后這一現(xiàn)狀，應(yīng)該由國(guó)家引導(dǎo)，當(dāng)?shù)卣薪y(tǒng)一建設(shè)該地區(qū)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，國(guó)家要加大資金的投入，增加設(shè)計(jì)人員的數(shù)量，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員到偏遠(yuǎn)農(nóng)村去，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與方法帶到當(dāng)?shù)?，同時(shí)應(yīng)加大當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員的培訓(xùn)教育，使建成的工程設(shè)計(jì)更合理，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

在管理方面，國(guó)家應(yīng)建全農(nóng)田水利建設(shè)的監(jiān)督機(jī)制，使工程施工時(shí)有專(zhuān)業(yè)人員監(jiān)理，工程完工后有相關(guān)人員管理，使工程建設(shè)有保障，工程損壞有修復(fù)，做到“有人建，有人管，誰(shuí)建設(shè)，誰(shuí)負(fù)責(zé)”。

在灌溉用水方面，要完善相關(guān)立法，嚴(yán)禁私自挖井引用地下水灌溉，嚴(yán)格控制打井?dāng)?shù)量，使地下水資源得以保護(hù)，并防止地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)要制定相關(guān)的灌水制度，向農(nóng)戶(hù)普及不同地區(qū)不同作物的灌水時(shí)間和灌水量等經(jīng)驗(yàn)，要使農(nóng)田得到合理灌溉，減少水源浪費(fèi)。

對(duì)于灌溉分散、灌溉效率難以得到保證的問(wèn)題，建議國(guó)家繼續(xù)推行土地流轉(zhuǎn)承包制，將小規(guī)模的土地整合起來(lái)承包給個(gè)人實(shí)行統(tǒng)一管理，并要實(shí)行灌溉工程統(tǒng)一建設(shè)的政策，使資源得到合理利用，農(nóng)民得到最大受益。

解決，灌溉水源污染這一問(wèn)題，除了要加強(qiáng)監(jiān)督管理、控制排污量之外，還要把污水處理措施、生物措施、水利措施[2]結(jié)合起來(lái)，使其影響降到最低。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，單片機(jī)控制系統(tǒng)、GPRS自動(dòng)灌溉裝備、GMS短信控制系統(tǒng)、模糊控制技術(shù)等應(yīng)用到了灌溉工程中，能夠根據(jù)檢測(cè)到的土壤水分?jǐn)?shù)值與蒸騰量來(lái)自動(dòng)精確灌溉，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)作物需水量來(lái)制定灌溉計(jì)劃。我國(guó)在這方面的研究才剛剛起步，在進(jìn)行雨水蓄積、海水淡化、污水處理后將水源用于農(nóng)業(yè)灌溉等方面還有待發(fā)展。

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