陳莉莉

摘要 為應(yīng)對全球水資源緊張與氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，智能水利技術(shù)逐漸成為提高水資源利用效率的關(guān)鍵。探討了傳統(tǒng)灌溉向數(shù)字化灌溉的轉(zhuǎn)型過程，以及通過利用智能水利技術(shù)實現(xiàn)高效用水的途徑，并分析了不同的智能灌溉系統(tǒng)及其優(yōu)勢，討論了這一轉(zhuǎn)型對農(nóng)業(yè)、環(huán)境和社會的影響。

關(guān)鍵詞 智能水利技術(shù)；數(shù)字化灌溉；傳統(tǒng)灌溉；水資源管理；高效用水

中圖分類號：S274 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

水資源是地球上最寶貴的資源之一，而農(nóng)業(yè)是淡水消耗最大的領(lǐng)域之一[1]。隨著人口增長、氣候變化和水資源短缺問題的加劇，實現(xiàn)高效用水變得尤為重要。滲漏灌溉、洪水灌溉等傳統(tǒng)灌溉方法，在許多情況下已經(jīng)無法滿足可持續(xù)發(fā)展和水資源保護的需要。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，數(shù)字化灌溉技術(shù)應(yīng)運而生，利用智能水利技術(shù)實現(xiàn)高效用水已成為大勢所趨。

1 傳統(tǒng)灌溉方法的局限性

1.1 低效用水

洪水灌溉、地漏灌溉和渠道灌溉等傳統(tǒng)灌溉方法在用水效率方面存在很大的局限性。首先，傳統(tǒng)灌溉方法無法將水分均勻地分布在土壤中，會導(dǎo)致大量的水資源浪費，使得作物無法充分吸收水分，從而降低作物產(chǎn)量。據(jù)估計，傳統(tǒng)灌溉方法的用水效率通常在30%～60%之間，遠低于現(xiàn)代灌溉技術(shù)[2]。其次，灌溉系統(tǒng)的設(shè)計和管理不當(dāng)會出現(xiàn)漏水、蒸發(fā)和徑流等問題，進一步加劇水資源的浪費。最后，傳統(tǒng)灌溉方法由于灌溉水量的不穩(wěn)定，作物可能在某些時期缺水而在其他時期水分過多，導(dǎo)致作物生長環(huán)境的不均衡，致使作物生長受限，影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和作物品質(zhì)。同時，土壤濕度的不均衡還可能引發(fā)病蟲害等問題，進一步影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.2 引發(fā)環(huán)境問題

首先，過度抽取地下水用以滿足灌溉需求會導(dǎo)致地下水位下降，可能使得河流和湖泊干涸，進而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。其次，大量抽取地下水還可能引發(fā)地面沉降，對基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。再次，過量的灌溉水會導(dǎo)致土壤中的養(yǎng)分被沖走，導(dǎo)致水土流失和土地貧瘠。最后，灌溉過程中的水分蒸發(fā)會導(dǎo)致土壤鹽分上升，進而引發(fā)土地鹽堿化問題。鹽堿化會影響土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是在干旱地區(qū)。

1.3 消耗能源

傳統(tǒng)灌溉方法通常需要大量能源輸送和分配水資源。例如：抽水機在將地下水抽取到地表時會消耗大量電力。為了維護灌溉基礎(chǔ)設(shè)施，如水渠和堰塘等，需要耗費大量人力和物力。這種能源消耗不僅會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還可能對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，如溫室氣體排放。在一些發(fā)展中國家，能源短缺問題使得傳統(tǒng)灌溉方法的運行和維護變得更加困難。缺乏可靠的能源供應(yīng)可能導(dǎo)致灌溉系統(tǒng)無法正常運作，進一步降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和水資源利用率。

1.4 管理困難

傳統(tǒng)灌溉方法往往缺乏有效的監(jiān)測和調(diào)控手段。農(nóng)民通常根據(jù)經(jīng)驗判斷灌溉的時機和水量，而這種方式難以滿足作物生長過程中不同階段的水分需求，可能導(dǎo)致作物缺水或過水，影響產(chǎn)量和品質(zhì)。由于缺乏實時數(shù)據(jù)和先進的管理工具，農(nóng)民在調(diào)整灌溉計劃以應(yīng)對氣象條件變化方面也存在困難。此外，水資源分配和分時灌溉的協(xié)調(diào)管理也是一個挑戰(zhàn)。在水資源緊張的地區(qū)，農(nóng)民可能需要與其他用戶爭奪有限的水資源，進一步加劇了水資源利用的不均衡和低效。

1.5 對氣候變化的適應(yīng)性較差

隨著全球氣候變暖加劇，干旱和洪澇災(zāi)害日益頻發(fā)，傳統(tǒng)灌溉方法在應(yīng)對極端氣候條件下灌溉需求方面的適應(yīng)性較差。受氣候變化的影響，水資源分布和可用性可能發(fā)生很大變化，傳統(tǒng)灌溉方法很難及時調(diào)整以滿足作物需求。氣候變化還可能導(dǎo)致新的病蟲害和作物品種發(fā)生變化，傳統(tǒng)灌溉方法很難適應(yīng)這些變化。

2 智能水利技術(shù)概要

2.1 信息技術(shù)

信息技術(shù)在智能水利技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過安裝各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備，可以實時收集有關(guān)氣象條件、土壤濕度、作物需水量、水質(zhì)、水位等方面的數(shù)據(jù)[3]。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析后，可以為決策者提供關(guān)鍵信息，有助于優(yōu)化灌溉方案、節(jié)約水資源并增強灌溉效果。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使各種監(jiān)測設(shè)備、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通。這種連接方式使得智能水利系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制，提高系統(tǒng)的自動化水平。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的實時監(jiān)測、自動調(diào)節(jié)和遠程操作，以精確控制作物的需水量。

2.3 人工智能

人工智能技術(shù)在智能水利技術(shù)中具有重要應(yīng)用。通過深度學(xué)習(xí)和分析大量數(shù)據(jù)，人工智能可以預(yù)測氣候變化、作物需水量、水資源供需狀況等信息，為決策者提供有針對性的建議。此外，人工智能還可以輔助灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行管理，提高水資源利用效率。

2.4 數(shù)字化灌溉系統(tǒng)

數(shù)字化灌溉系統(tǒng)是智能水利技術(shù)的重要組成部分。這些系統(tǒng)通過利用先進的灌溉技術(shù)（滴灌、噴灌和地下滴灌等）和智能控制設(shè)備，實現(xiàn)對灌溉水量和頻率的精確控制。數(shù)字化灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)作物需水量、土壤濕度和氣象條件等信息，自動調(diào)整灌溉參數(shù)，從而實現(xiàn)高效用水。

3 數(shù)字化灌溉系統(tǒng)的類型與優(yōu)勢

3.1 滴灌系統(tǒng)

滴灌系統(tǒng)是一種通過在地表或植物根系附近設(shè)置滴頭，將水分以逐滴進行輸送的灌溉方式[4]。滴灌系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：

（1）節(jié)水：滴灌系統(tǒng)將水直接輸送至植物根部，可以減少水分在途中的蒸發(fā)和滲漏損失，大幅提高用水效率。

（2）提高作物產(chǎn)量：滴灌系統(tǒng)能夠根據(jù)作物需求精確調(diào)整灌溉水量，保證作物在生長過程中的水分需求得到滿足，從而提高作物產(chǎn)量。

（3）減少病蟲害：滴灌系統(tǒng)可以避免葉片和地表的過度濕潤，有助于減少病蟲害的發(fā)生。

（4）節(jié)能：滴灌系統(tǒng)通常需要的水壓較低，相對于其他灌溉方式，能耗較低。

（5）靈活性強：滴灌系統(tǒng)可以根據(jù)作物類型、生長階段和氣候條件進行調(diào)整，具有較強的靈活性。

3.2 噴灌系統(tǒng)

噴灌系統(tǒng)是通過設(shè)置噴頭將水以霧狀進行噴灑的灌溉方式。噴灌系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：

（1）節(jié)水：噴灌系統(tǒng)可以根據(jù)作物需求精確控制水量，減少水資源浪費。

（2）均勻灌溉：噴灌系統(tǒng)可以實現(xiàn)較為均勻的水分分布，有助于提高作物對水分的吸收利用率。

（3）減輕對環(huán)境的不良影響：噴灌系統(tǒng)可以減少地表徑流和地下水滲漏，減少水土流失和鹽堿化等環(huán)境問題的發(fā)生。

（4）提高灌溉效率：噴灌系統(tǒng)可以通過自動控制實現(xiàn)對灌溉的精確調(diào)節(jié)，提高灌溉效率。

3.3 地下滴灌系統(tǒng)

地下滴灌系統(tǒng)是在地下植物根系附近設(shè)置滴頭，將水分直接輸送至植物根部的一種灌溉方式。地下滴灌系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：

（1）節(jié)水：地下滴灌系統(tǒng)將水直接輸送至植物根部，可以大幅減少水分在途中的蒸發(fā)和滲漏損失，從而極大提高用水效率。

（2）高產(chǎn)量：地下滴灌系統(tǒng)能夠根據(jù)作物需求精確調(diào)整灌溉水量，充分滿足作物在生長過程中的水分需求，從而提高作物產(chǎn)量。

（3）減少病蟲害：地下滴灌系統(tǒng)可以避免葉片和地表的濕潤，有助于減少病蟲害的發(fā)生。

（4）節(jié)肥：地下滴灌系統(tǒng)可實現(xiàn)肥料的精確施用，避免肥料的過量施用和浪費，提高肥料利用率。

（5）適應(yīng)性強：地下滴灌系統(tǒng)可適應(yīng)不同作物類型、生長階段和氣候條件，具有較強的適應(yīng)性。

3.4 微灌系統(tǒng)

微灌系統(tǒng)是一種結(jié)合滴灌和噴灌優(yōu)點的灌溉方式，通過設(shè)置微噴頭或微滴頭，將水以細小的水珠或霧狀進行噴灑或滴灌。微灌系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：

（1）高水利用效率：微灌系統(tǒng)可以將水分均勻地分布在作物根部，提高水資源利用效率，節(jié)約水資源。

（2）提高作物產(chǎn)量：微灌系統(tǒng)能夠根據(jù)作物需求精確調(diào)整灌溉水量和頻率，保證作物在生長過程中的水分需求得到滿足，從而提高作物產(chǎn)量。

（3）減少環(huán)境污染：微灌系統(tǒng)可以減少農(nóng)藥和肥料的使用量，減輕農(nóng)藥對環(huán)境的污染。

（4）降低能耗：微灌系統(tǒng)通常需要的水壓較低，相對于其他灌溉方式，能耗較低。

4 智能水利技術(shù)的應(yīng)用案例

4.1 以色列的智能滴灌系統(tǒng)

以色列是一個典型的干旱國家，擁有世界上最先進的滴灌技術(shù)。Netafim公司是以色列的一家著名滴灌設(shè)備制造商，其開發(fā)了一種名為“NetBeat”的智能滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測氣象條件、土壤濕度和作物需水量等數(shù)據(jù)，可以精確地控制灌溉水量和頻率。NetBeat系統(tǒng)采用云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和管理，幫助農(nóng)民實現(xiàn)高效用水，提高了作物產(chǎn)量和品質(zhì)。除智能滴灌系統(tǒng)外，以色列還開發(fā)了一種名為“沙漠農(nóng)業(yè)”的生產(chǎn)模式，通過利用現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)技術(shù)和設(shè)施，實現(xiàn)了在沙漠地區(qū)種植蔬菜和水果等農(nóng)作物。他們還開發(fā)了一系列節(jié)水灌溉技術(shù)，如混合式灌溉、低壓灌溉和微噴灌溉等，有效地降低了灌溉水量和成本，提高了水資源利用效率。在全球范圍內(nèi)，滴灌技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于干旱和半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4.2 美國加州的農(nóng)業(yè)水資源管理系統(tǒng)

美國加州是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大州，同時面臨著嚴(yán)重的水資源短缺問題。為了更高效地利用水資源，加州引入了智能水利技術(shù)進行農(nóng)業(yè)水資源管理。其中，一家名為“JainIrrigation”的公司開發(fā)了一款名為“FieldNET”的智能農(nóng)業(yè)水資源管理系統(tǒng)。FieldNET系統(tǒng)可以實時收集和分析有關(guān)氣象條件、土壤濕度、作物需水量等方面的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)自動調(diào)整灌溉方案。除FieldNET系統(tǒng)外，加州開發(fā)了一種名為“AgNet”的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測土壤濕度、溫度、光照等環(huán)境因素，以及作物生長情況等信息。這些數(shù)據(jù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸至農(nóng)民的電腦或手機等終端設(shè)備上，幫助他們制定科學(xué)、合理的灌溉方案，減少水資源浪費和成本開支。

此外，加州還廣泛應(yīng)用低流量灌溉技術(shù)、混合式灌溉、滴灌和微噴灌溉等技術(shù)，幫助農(nóng)民實現(xiàn)精準(zhǔn)澆灌，減少水資源浪費和污染，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時，加州政府還制定了一系列水資源管理政策和法規(guī)，鼓勵農(nóng)民采用節(jié)水灌溉技術(shù)，約束地下水開采和水資源的污染排放等行為，促進水資源的可持續(xù)利用。

4.3 荷蘭的水質(zhì)監(jiān)測與管理系統(tǒng)

荷蘭是一個水資源豐富的國家，但由于高密度的城市化和農(nóng)業(yè)活動，水質(zhì)污染問題較為嚴(yán)重。荷蘭政府采用了智能水利技術(shù)來監(jiān)測和管理水質(zhì)。荷蘭水務(wù)公司（Waternet）開發(fā)了一種名為“AquaVista”的智能水質(zhì)監(jiān)測與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過部署在水體中的傳感器實時收集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸至中央數(shù)據(jù)庫。通過實時分析數(shù)據(jù)，AquaVista系統(tǒng)可以預(yù)警水質(zhì)異常情況，幫助政府提高水質(zhì)監(jiān)測和管理能力。荷蘭政府在全國范圍內(nèi)部署了一系列名為“Dijkgraaf”的水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測和預(yù)警河流洪水和干旱等自然災(zāi)害。同時，荷蘭還采用了許多先進的污水處理技術(shù)，如膜生物反應(yīng)器、微生物聚集物和生物轉(zhuǎn)化等技術(shù)，將污水處理成符合國家和歐盟環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的可再利用水源。此外，荷蘭還積極開展水資源的節(jié)約和循環(huán)利用工作。例如：他們采用了名為“水智能城市”的概念，將城市中的水資源作為一種可再利用的能源，通過設(shè)計和建造智能水利設(shè)施和建筑，實現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用。他們還推廣了名為“藍色農(nóng)業(yè)”的生產(chǎn)模式，利用雨水和廢水等水源進行農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)，減少了水資源的浪費和污染，實現(xiàn)了可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

5 智能水利技術(shù)的應(yīng)用趨勢

5.1 智能水文監(jiān)測

第一，智能水文監(jiān)測技術(shù)可以實現(xiàn)對水文要素的實時監(jiān)測，包括水位、流量、水質(zhì)等，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時共享和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施[5]。

第二，智能水文監(jiān)測技術(shù)可以實現(xiàn)對灌溉水的精準(zhǔn)調(diào)控，根據(jù)農(nóng)作物的需要和土壤濕度等因素，合理控制水量，提高水資源利用效率，減少水資源浪費。

第三，智能水文監(jiān)測技術(shù)可以通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對水文要素進行預(yù)測和預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，并采取相應(yīng)的措施，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定。

第四，通過智能水文監(jiān)測技術(shù)，可以建立智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)田的水資源調(diào)控和灌溉控制。例如：可以利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析和管理不同灌溉區(qū)域的水資源，實現(xiàn)水資源的最優(yōu)分配和利用。

第五，智能水文監(jiān)測技術(shù)可以與氣象監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，建立農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測氣象因素和水文要素，可以預(yù)測農(nóng)作物的生長情況和灌溉需求，實現(xiàn)對農(nóng)作物的精準(zhǔn)灌溉和管理。

5.2 智能泵站管理

智能泵站管理是指利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)對泵站設(shè)備的遠程監(jiān)控和控制，提高泵站的管理效率和安全性。首先，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)對泵站設(shè)備的遠程監(jiān)控。例如：通過傳感器監(jiān)測泵站設(shè)備的運行狀態(tài)和性能指標(biāo)，實時上傳至云端，實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。其次，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)，可以實現(xiàn)對泵站設(shè)備的遠程控制。例如：可以通過手機或電腦控制泵站設(shè)備的開關(guān)、調(diào)整泵站的水位等操作，實現(xiàn)泵站設(shè)備的智能化控制和調(diào)度。最后，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以分析和預(yù)測泵站設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對泵站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。例如：通過對設(shè)備的數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的可能性，及時采取維護和修復(fù)措施，保障設(shè)備的安全和穩(wěn)定運行。

基于上述優(yōu)勢，智能泵站管理可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，通過遠程監(jiān)控和控制技術(shù)，實現(xiàn)對灌溉設(shè)備的智能化管理。例如：可以實現(xiàn)對灌溉水的精準(zhǔn)調(diào)控，提高水資源利用效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。智能泵站管理也可以應(yīng)用于農(nóng)田排水系統(tǒng)，通過遠程監(jiān)控和控制技術(shù)，實現(xiàn)對排水設(shè)備的智能化管理。例如：可以實現(xiàn)對排水渠的遠程監(jiān)控和調(diào)度，提高排水系統(tǒng)的管理效率和安全性。

6 結(jié)束語

智能水利技術(shù)為解決全球水資源短缺、提高水資源利用效率和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了新的契機。從傳統(tǒng)灌溉方式向數(shù)字化灌溉系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型，將有力地推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)現(xiàn)代化，減少水資源浪費，減輕環(huán)境污染，保護生態(tài)系統(tǒng)。應(yīng)用案例表明，智能水利技術(shù)在實際操作中取得了顯著的成果，為未來更廣泛地推廣和應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻

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Intelligent Water Technology for Efficient Water Use

—Transformation from Traditional Irrigation to Digital Irrigation

Chen Li-li （Shule River Water Resources Utilization Center of Gansu Province， Yumen， Gansu 735211）

Abstract In order to respond global water scarcity and climate change， intelligent water conservancy technology has gradually become the key to improving water resource utilization efficiency. Explored the transformation process from traditional irrigation to digital irrigation， as well as the ways to achieve efficient water use through the use of intelligent water conservancy technology. Analyzed different intelligent irrigation systems and their advantages， and discussed the impact of this transformation on agriculture， environment， and society.

Key words Intelligent water conservancy technology; Digital irrigation; Traditional irrigation; Water resources management; Efficient water use