□ 王 涵

李益農(nóng)

中國缺水！人均水資源量只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4！

中國要節(jié)水！“實施國家節(jié)水行動，建設(shè)節(jié)水型社會”已經(jīng)成為國家意志和全民行動！

“提倡生活節(jié)水和工業(yè)節(jié)水非常正確，但農(nóng)業(yè)節(jié)水這道‘閥門’擰不緊，我國水資源短缺的現(xiàn)狀還是很難改變?！敝袊娍茖W(xué)研究院水利所所長、國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心主任李益農(nóng)說。農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全國總用水量的61.4%，是名副其實的用水大戶，但效率極低。全國85%的灌溉土地使用傳統(tǒng)的地面灌溉，存在灌水定額大、均勻性不高、深層滲漏嚴重等問題，造成灌溉水的利用系數(shù)僅為0.5左右，而這一個數(shù)字在發(fā)達國家可以達到0.7以上。

能不能在灌溉中實現(xiàn)需要多少水量就灌多少水量，需要何時給水就何時給水，以避免這種巨大的浪費？李益農(nóng)認為，精細灌溉就能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉用水量的有效、合理控制，為精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)?！熬珳兽r(nóng)業(yè)的核心理念，是按照農(nóng)業(yè)操作每一個單元的具體條件，精細準確地調(diào)整各項農(nóng)業(yè)管理措施，在每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)最大限度地優(yōu)化各項農(nóng)業(yè)投入，以獲取最大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。精細灌溉就是其中重要的一環(huán)?！?/p>

為精細灌溉鋪平道路

2018年9月18日，中國農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)村供水技術(shù)協(xié)會召開第三次會員大會暨農(nóng)業(yè)節(jié)水科技獎頒獎大會。農(nóng)業(yè)節(jié)水科技獎是代表我國農(nóng)業(yè)節(jié)水行業(yè)科技發(fā)展水平的最高獎項。在這一屆農(nóng)業(yè)節(jié)水科技獎中，共產(chǎn)生了5項一等獎，李益農(nóng)團隊?wèi){借“激光控制土地精細平整技術(shù)及其推廣應(yīng)用”項目列身其中。而這之前，在水利部科技推廣中心給出的評價報告中，以著名農(nóng)田水利專家、中國工程院院士茆智為首的專家組一致認為，該項目對推動我國農(nóng)田土地精細平整、提高地面灌溉性能與效果具有重要意義，成果達到國際領(lǐng)先水平。

掌聲迭起，穿越李益農(nóng)團隊近20年的努力，著落在20世紀90年代中期。

那時，經(jīng)過了中國—歐共體國際科技合作項目的錘煉，中國水利水電科學(xué)研究院開始關(guān)注激光控制土地精細平整技術(shù)。

激光控制土地精細平整技術(shù)是利用激光作為非視覺控制手段代替常規(guī)機械平地設(shè)備中操作人員的目測判斷能力，控制液壓平地鏟運機具的升降高度，達到精準平地的效果。20世紀80年代，該技術(shù)已經(jīng)在美國開始推廣應(yīng)用。

很先進！先進到在當(dāng)時聽起來像天方夜譚，但中國水利水電科學(xué)研究院還是怦然心動。本著求真求是的原則，1995年起，他們引進國外的激光控制平地設(shè)備在北京、河北、新疆做了大量的田間試驗來進行評估，證明了在提高田面平整精度的基礎(chǔ)上去實施精細地面灌溉技術(shù)的確具有較大的節(jié)水潛力，也發(fā)現(xiàn)其中所隱藏的問題。這些進口激光平地設(shè)備價格高昂，而且更適合于大農(nóng)場模式，想要在我國個體農(nóng)田經(jīng)營模式下大面積推廣應(yīng)用十分困難。

“怎么能把這種更適用于大規(guī)模農(nóng)場模式的技術(shù)轉(zhuǎn)嫁到國內(nèi)的農(nóng)田模式中來，好像遙遙無期。但我們認為，既然我國有85%以上的灌溉面積采用地面灌溉方法，就必須重視田面平整精度問題，因為它對灌溉效率和灌水均勻度的影響太顯著了?！?/p>

歸根結(jié)底，要改變傳統(tǒng)的粗放式地面灌溉模式，實現(xiàn)精細灌溉，激光控制土地精細平整技術(shù)是一項基礎(chǔ)和前提。中國水利水電科學(xué)研究院認為，在這項研究上有所為，是他們應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的責(zé)任。而研發(fā)適宜國情的激光控制土地精平裝備、構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光控制土地精平技術(shù)與方法、創(chuàng)新地提出激光控制土地精平下的田面精平標(biāo)準、建立與大面積推廣應(yīng)用激光控制土地精平技術(shù)配套的各類保障措施與模式，勢在必行。在國家和行業(yè)部門各類課題的支持下，李益農(nóng)團隊展開了持續(xù)20年的研究工作，取得了多項創(chuàng)新性成果與突破性進展。

土地平整度差，但到底如何確定好一個適宜的平整精度？李益農(nóng)團隊需要從理論上給出支撐。為此，基于田面高程分布既具有隨機性又具備空間相關(guān)性的物理特征，他們發(fā)明了田面微地形空間分布狀況模擬方法。該方法破解了因微地形存在空間分布變異性而無法系統(tǒng)開展對地面灌溉性能影響評價的重大難題，首次從物理機制入手，提出了激光控制土地精平下的田面平整精度閾值為3cm，為大面積推廣激光控制土地精平技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。

與外賓野外調(diào)研合影

他們強調(diào)合理的土地平整方案設(shè)計，不再單純以平面作為平整方案基準面，而是將田塊適宜平整精度條件下的田面微地形分布方案作為基準面，提出了改進的土地精細平整工程優(yōu)化設(shè)計方法?！芭c傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，我們的方法和實際施工情況更為接近?！比缋钜孓r(nóng)所言，團隊提出了適宜的平地施工測量網(wǎng)格間距，構(gòu)建了土地精平工程優(yōu)化設(shè)計與施工作業(yè)路徑優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)，可提高土地精平效率15個百分點以上，解決了平地設(shè)計中土方量計算誤差大和平地線路不經(jīng)濟的問題。同時，他們構(gòu)建出精細地面灌溉技術(shù)應(yīng)用體系，包括灌溉水流運動過程模擬模型的構(gòu)建，精細地面灌溉過程反饋控制，灌水方案的優(yōu)化決策和灌溉性能評價?！肮喔忍飰K的時候要采用多大流量，需要多長時間才能實現(xiàn)更節(jié)水、更高效，這個體系能夠給出一個合理的方案，這樣一來，我們就能實現(xiàn)基于灌水過程預(yù)測和反饋控制的精準灌溉?！崩钜孓r(nóng)說。

廿載耕耘，李益農(nóng)始終無法忘記最初因為進口激光平地設(shè)備價格高昂難以在國內(nèi)大面積推廣的窘境。從“九五”攻關(guān)開始，他就帶領(lǐng)團隊與相關(guān)高校、企業(yè)聯(lián)合研發(fā)國產(chǎn)激光控制平地成套設(shè)備。他們開發(fā)研制了最大幅寬達6.0m的精細平地鏟運設(shè)備，完全可以適應(yīng)國內(nèi)大馬力拖拉機進行土地平整作業(yè)的需求；他們創(chuàng)制出具有新型吸收濾光片的激光接收器，擴大垂向接收距離10cm，實現(xiàn)了無死角下的信號接收……至今，包括國產(chǎn)激光發(fā)射器、接收器、控制器以及激光控制土地精平設(shè)備等在內(nèi)，他們形成的國產(chǎn)激光控制平地設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了系列化、批量化生產(chǎn)。與進口設(shè)備相比，他們開發(fā)的國產(chǎn)化土地精平鏟運設(shè)備，造價降低了50%以上，國內(nèi)市場占有率已經(jīng)達到了70%～80%。而國產(chǎn)激光控制土地精細平整成套設(shè)備與機具已累計銷售6000多套，銷售額18000萬元，出口創(chuàng)匯500萬元。

該成果已被中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準《地面灌溉工程技術(shù)管理規(guī)程（SL 558-2011）》采納，正在廣泛用于指導(dǎo)我國農(nóng)田土地精細平整工程實踐，現(xiàn)已在新疆、寧夏、甘肅、河北、山東等10多個省、自治區(qū)得到不同程度的推廣使用，累計應(yīng)用面積3000萬畝以上，提高平地作業(yè)效率30%以上，減少平地成本20%左右，取得了增產(chǎn)17%、節(jié)水28%的顯著經(jīng)濟效益。

“如果真能做到全面推廣，尤其是在我國土地實現(xiàn)規(guī)模化管理之后，這些技術(shù)成果會為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式帶來根本性的改變?！崩钜孓r(nóng)強調(diào)。

讓灌區(qū)變身“節(jié)水大戶”

團隊會議

“地面灌溉水流以田面作為運動載體，土地平整度對其灌水性能影響顯著，現(xiàn)有田間灌溉配套設(shè)施缺乏，管理粗放，可控性差。比如在地面灌溉開始10分鐘之后，人們難以準確計算進入田塊內(nèi)的水流運動和水量分布狀況，也沒辦法合理確定什么時候關(guān)口既可以滿足作物需水，也不導(dǎo)致多余的水被浪費?！崩钜孓r(nóng)認為，噴灌、滴灌等壓力灌溉系統(tǒng)在灌溉效果和可控性上都要好很多，尤其滴灌將水連同溶于水的化肥均勻而緩慢地滴在作物根部的土壤中，具有用水量少、節(jié)省溝渠占地、減少肥料流失、提高肥效等優(yōu)點，應(yīng)用潛力非常大?！暗鼈円膊皇翘焐矢撸芾聿缓玫脑?，效率照樣提不上去。通過推廣應(yīng)用激光控制土地精平技術(shù)與方法，使精細灌溉取得與噴灌、滴灌等旗鼓相當(dāng)?shù)男Ч@是我們現(xiàn)階段想要實現(xiàn)的目標(biāo)。”

李益農(nóng)為這個目標(biāo)給出了一個具象：精細灌溉真正實現(xiàn)應(yīng)用之后，人們能夠?qū)喔冗^程進行精準把控，原計劃灌溉1小時，通過過程反饋，也許縮短成50分鐘即可，也許要延長至70分鐘，使灌溉方案更合理地貼合實際。

窺一斑而知全豹。激光控制土地精平技術(shù)與方法為地面灌溉提供了更多的可能性，使其走向“精準”和“智慧”。當(dāng)建設(shè)高標(biāo)準農(nóng)田、大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉成為保障國家糧食安全和水安全的重要支撐條件，我國要在2020年實現(xiàn)新增1000億公斤糧食的生產(chǎn)能力以及農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)達到0.55以上的目標(biāo)，激光控制土地精平技術(shù)與方法的大力推廣和應(yīng)用不可或缺。李益農(nóng)認為，該技術(shù)將在現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。

作為我國農(nóng)業(yè)用水的主要載體，灌區(qū)已經(jīng)經(jīng)過了多年的續(xù)建配套與節(jié)水改造，基本解決了“病險”“卡脖子”骨干工程輸水效率低下問題，灌溉水利用系數(shù)由2000年的0.42提高到目前的0.54?？雌饋恚嚯x“農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)達到0.55以上”已經(jīng)不遠了，但李益農(nóng)并不那么樂觀。實際上，從整個灌溉系統(tǒng)來講，由于缺乏對土地平整等田間工程設(shè)施的配套改造，骨干工程的節(jié)水效果因較差的田間工程設(shè)施產(chǎn)生的浪費造成了一定程度的抵消，再加上用水調(diào)控技術(shù)儲備不足、應(yīng)用滯后，使灌區(qū)需（耗）水時空變異性與供水過程不確定性之間的矛盾日益升級，灌區(qū)用水效率效益想要進一步提升并不容易。

在李益農(nóng)看來，現(xiàn)代灌區(qū)建設(shè)對信息感知診斷、決策智能優(yōu)化、實時反饋調(diào)控等方面有迫切的需求。如何解決灌區(qū)供需（耗）水時空格局不匹配問題，實現(xiàn)灌溉區(qū)用水全過程的高效精準實時調(diào)控，已經(jīng)成為現(xiàn)代灌區(qū)建設(shè)面臨的重大科技問題。2017年，李益農(nóng)領(lǐng)銜的“現(xiàn)代灌區(qū)用水調(diào)控技術(shù)與應(yīng)用”獲得“十三五”國家重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”專項的支持，正式立項啟動。

創(chuàng)新灌區(qū)用水多過程耦合調(diào)控理論與方法！突破灌區(qū)供需（耗）水精準診斷、輸配水全程量測、用水智慧決策與實時調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品！構(gòu)建現(xiàn)代灌區(qū)用水調(diào)控技術(shù)集成應(yīng)用模式！實現(xiàn)現(xiàn)代灌區(qū)高效精準用水調(diào)控與相關(guān)政策機制的有機融合！幾大亟須解決的問題清晰地出現(xiàn)在李益農(nóng)的研究目標(biāo)中。在該項目里，他秉持一貫的風(fēng)格，將從基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)全流程上進行突破。為此，他聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國灌溉排水發(fā)展中心、京藍云智科技有限公司等高校和單位，對項目任務(wù)進行了具體分工，預(yù)計到2020年前后完成“灌區(qū)用水多過程耦合調(diào)控理論與方法”“灌區(qū)需（耗）水信息時空診斷與預(yù)測技術(shù)”“灌區(qū)用水量測與調(diào)控技術(shù)及設(shè)備”“灌區(qū)智慧用水決策技術(shù)與平臺”等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，以及在自流灌區(qū)、提水灌區(qū)的用水調(diào)控技術(shù)集成與應(yīng)用示范。

如何才能讓灌區(qū)從“用水大戶”變身為“節(jié)水大戶”，李益農(nóng)的“調(diào)控”從本質(zhì)上是在做這樣一個轉(zhuǎn)變。與此同時，在現(xiàn)代化灌區(qū)管理中，節(jié)水與提質(zhì)、增效是緊密結(jié)合在一起的。為了保證灌區(qū)用水的流量精度和流量布置數(shù)量，李益農(nóng)團隊研發(fā)了“灌區(qū)智能流量計”。該流量計僅利用水位信息，借助大規(guī)模深度算法，就能實時獲取高精度流量信息，成本低且能夠大規(guī)模布置。此前，他們在河北冶河灌區(qū)開展了3年的實測對比試驗，結(jié)果顯示，與德國高精度超聲波流量計AWA-WD040相比，該流量計的誤差能控制在4%以下，為開展“智慧水利”工作提供了良好的技術(shù)支撐。

而圍繞“灌區(qū)用水全過程模擬與調(diào)控技術(shù)”，李益農(nóng)團隊實現(xiàn)了對全灌區(qū)眾多水流與溶質(zhì)運動過程的完整描述，并以此為基礎(chǔ)，研發(fā)出具有三維實時動態(tài)場景的全灌區(qū)水循環(huán)動力學(xué)模擬與調(diào)控分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)匯聚了GIS和CAD優(yōu)點的地理信息和水動力學(xué)信息數(shù)據(jù)編輯功能，具有友好的人機交互界面，且融入了GPU大規(guī)模并行計算技術(shù)，能以實時動態(tài)方式開展全灌區(qū)眾多水流與溶質(zhì)運動過程的同時性或單個過程的精細三維仿真，相關(guān)成果已在河北、新疆和黑龍江等地得到了初步應(yīng)用。

“灌區(qū)要為農(nóng)民服務(wù)，要能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適時地提供適量的水。現(xiàn)在城市的自來水管網(wǎng)可以直接供應(yīng)到千家萬戶，未來灌區(qū)的理念也將按照需求實時配水?！崩钜孓r(nóng)平靜地講述著他的“小目標(biāo)”，而當(dāng)前，他會帶領(lǐng)團隊腳踏實地地開展符合現(xiàn)代灌區(qū)用水調(diào)控技術(shù)集成應(yīng)用模式發(fā)展新常態(tài)的工作，為現(xiàn)代灌區(qū)用水調(diào)度提供先進實用的技術(shù)、產(chǎn)品、標(biāo)準與模式。

不能與應(yīng)用脫節(jié)

20世紀90年代末，李益農(nóng)團隊帶著激光控制土地精平技術(shù)走到田間地頭。“我們不可能只去平一畝地，肯定是平完幾百畝之后再重新布置地面灌溉系統(tǒng)，性價比更高?！钡览砗苤卑?，但幾百畝地很可能牽涉到多戶人家，李益農(nóng)和他的隊員們挨家挨戶地去做工作，每一戶都同意了，他們才能真的開始實踐。

“放在單一農(nóng)戶上，我們技術(shù)的先進性其實不能得到充分體現(xiàn)，要到規(guī)?；鳂I(yè)時才能淋漓盡致地發(fā)揮作用。這也是我們的成果最早在新疆建設(shè)兵團和黑龍江農(nóng)墾區(qū)順利推廣應(yīng)用的原因。”李益農(nóng)說。

這么多年下來，年輕的科研人員經(jīng)常會感到困惑，為什么努力地做了先進的東西，卻沒有人愿意用。李益農(nóng)也困惑，卻并不悲觀。他經(jīng)常用智能手機、移動支付的普及度來鼓勵學(xué)生們要有用戶意識，科研不能與應(yīng)用脫節(jié)?！耙豁椉夹g(shù)的適用與否受到現(xiàn)有條件的束縛，但也與技術(shù)本身的實用性有關(guān)。不管我們用多么復(fù)雜的方法來做一項技術(shù)，從外在上一定要能讓用戶簡單、簡便地掌握。如果我們把成果做到智能手機這份兒上，還會推廣不動嗎？”

從“九五”到“十三五”，在精細地面灌溉技術(shù)、灌區(qū)水管理技術(shù)等方面多項國家級專項課題研究中，李益農(nóng)都做出了重量級的工作，他領(lǐng)導(dǎo)的灌溉用水管理研究團隊也逐漸成長起來。近5年來，這支擁有10余名核心成員的團隊累計主持科研項目20余項，參加項目超過30項，遍及東北、華北、西北、西南和華東等地區(qū)。

在團隊建設(shè)上，李益農(nóng)重視學(xué)科交叉，將農(nóng)田水利、水文水資源、生態(tài)環(huán)境、系統(tǒng)工程等多學(xué)科人才凝聚到團隊中，而從業(yè)務(wù)范圍上，他們也各有所長?！坝芯ɡ碚撗芯康模猩瞄L硬件開發(fā)的，還有在應(yīng)用技術(shù)模式研究能力比較強的?！崩钜孓r(nóng)補充道。

整個研究隊伍老中青結(jié)合，組成了合理的人才梯隊。鑒于學(xué)科特點，李益農(nóng)在學(xué)生培養(yǎng)上也專注實踐能力的養(yǎng)成，來到水利所的研究生，都被要求去田間地頭摸爬滾打。用李益農(nóng)的話說，不去田里，灌溉過程都理解不了，做出來的模型可能就似是而非了。除此之外，團隊協(xié)作精神和科學(xué)嚴謹性，也是李益農(nóng)極力強調(diào)的科學(xué)素質(zhì)。

“農(nóng)田水利是一個傳統(tǒng)的應(yīng)用學(xué)科，它也需要創(chuàng)新。我們最起碼要做的就是把最新的技術(shù)和傳統(tǒng)學(xué)科嫁接起來?！崩钜孓r(nóng)希望團隊能夠打開腦洞，做好進行顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的準備。

采訪中，他數(shù)次強調(diào)未來灌區(qū)管理應(yīng)該向城市自來水管網(wǎng)模式看齊?！拔覈蟛糠止鄥^(qū)都有幾十年的歷史，運行管理經(jīng)驗的相關(guān)數(shù)據(jù)都在躺著睡大覺呢，我們下一步就想把這些傳統(tǒng)經(jīng)驗提煉成規(guī)律性的東西，結(jié)合現(xiàn)代信息化技術(shù)、空天地測控技術(shù)等，形成具有一定智能化的調(diào)度灌區(qū)運行管理的方案模式，提高灌區(qū)的服務(wù)和管理水平。”

李益農(nóng)再次描繪起他理想中的現(xiàn)代化灌區(qū)：具有恰當(dāng)?shù)母兄芰驼{(diào)度能力，能夠精確地“知道”用戶對用水量、用水時間的需求，以及不同用戶之間需求的“輕重緩急”，并及時做好合理的調(diào)配。

“十四五”開始，國家將會加大對現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的投入。李益農(nóng)將和他的團隊一起站在新的風(fēng)口上，尋找更加有力的切入點。在這之前，他們會通過“現(xiàn)代灌區(qū)用水調(diào)控技術(shù)與應(yīng)用”項目推出一些實力派成果，為未來提供更堅實的技術(shù)支撐。“我們一路走下來，最大的期望就是如何把研究成果用得更好?！崩钜孓r(nóng)說。