我國節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與存在的問題

楊立魁　侯新明　高昌珍

摘 要：綜述了我國近代以來農(nóng)田水利發(fā)展的狀況與研究進(jìn)展，提出了我國現(xiàn)階段不同灌溉技術(shù)形式的研究方向，對于目前節(jié)水灌溉工程中存在的問題進(jìn)行了分析，并且給出了針對措施。提高農(nóng)業(yè)用水利用率、發(fā)展計算機(jī)控制技術(shù)，是我國今后節(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；存在的問題

中圖分類號：S274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.04.016

截至2010年，我國水資源總量為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)計再經(jīng)過20年發(fā)展，我國人口將達(dá)到16億，在降雨和河川徑流量不變的情況下，我國將成為國際公認(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%，而全國農(nóng)田灌溉利用系數(shù)僅為0.4，美國、以色列等國家為0.7～0.8[2]。以2009年為例，我國農(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

新中國成立以來，我國大力發(fā)展水利建設(shè)，使全國一半的耕地得到了灌溉保障，有效灌溉面積增長了4 442萬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)，使我國以人均較少的土地，解決了10多億人口的吃飯問題，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。經(jīng)過幾十年的農(nóng)田水利建設(shè)，我國的灌溉工程有了較大的發(fā)展。到2010年底，我國的灌溉面積為6 635.2萬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533.71萬眼[1]。

2 我國節(jié)水灌溉技術(shù)研究進(jìn)展

我國從1960年開始采用混凝土對渠道進(jìn)行防滲，1970年開始進(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，我國的節(jié)水灌溉面積2 034.6萬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孔徑較小的噴頭形成水霧來灌溉的一種方式。我國學(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、成熟等時期做了與地面灌溉的對照試驗，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]對小麥進(jìn)行噴灌與地面灌溉的灌水試驗時，用光合作用儀測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玉米、冬小麥近2年的對照試驗，通過CO2系統(tǒng)分析儀進(jìn)行了測定，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]對噴灌的5類均勻性系數(shù)進(jìn)行了研究。戴雪遲[7]對山區(qū)噴灌的最佳規(guī)劃面積、造價、壓力分區(qū)做了研究，給自壓噴灌工程設(shè)計提供了參考。由于噴灌系統(tǒng)需要加壓設(shè)備，一般投資較大，因此，設(shè)計經(jīng)濟(jì)實用的噴灌加壓設(shè)備仍是今后需要探討的問題。

滴灌是通過輸水管道和滴頭，將水分肥料以滴水的形式送至作物根部的灌溉方法，我國在1974年引進(jìn)墨西哥的滴灌設(shè)備，經(jīng)過多年的發(fā)展，全國滴灌面積逾1.3萬hm2。在滴灌方面，方怡向等[8]對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)量和長度，促進(jìn)細(xì)根生長。王賀輝等[9]對滴灌條件下溫室番茄的滴灌制度進(jìn)行了試驗，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3年春小麥生長情況與產(chǎn)量的觀察，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)，使毛管水力計算更加簡便。金玉潔等[12]對山區(qū)滴灌的規(guī)劃設(shè)計做了分析，得出了壓力模式是滴灌工程設(shè)計布局的重要因素。滴灌沒有蒸發(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、土粒的沉積運動做了分析，得出波涌灌是節(jié)水明顯的灌溉方式。謝崇寶等[14]對波涌閥與自控裝備進(jìn)行研究，并對其進(jìn)行了田間性能測試，證明了該設(shè)備滿足波涌灌水要求，適用于田間灌溉。高昌珍等[15]對波涌灌溉進(jìn)行了田間試驗，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，是我國學(xué)者進(jìn)一步研究的方向。

涌泉灌是由中國農(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、經(jīng)濟(jì)林的灌溉，它是由灌溉管網(wǎng)和代替滴頭的4 mm微管將水送入繞樹環(huán)溝中，環(huán)溝儲存水分并緩慢入滲到樹木根系中，具有入滲均勻、灌水效率高、投資少、管理方便等優(yōu)點。在涌泉灌方面，我國學(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)計方法、環(huán)溝設(shè)計公式，并對涌泉灌進(jìn)行了投資分析，認(rèn)為涌泉灌比噴灌、滴灌投資少，是一種適合我國國情的節(jié)水灌溉模式。李波等[17]通過在涌泉灌條件下溫室甜椒的灌溉制度試驗，得出甜椒在苗期、開花期、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，整個生育期總的灌水量為200.64 mm。張芮等[18]對葡萄不同生長期進(jìn)行涌泉灌虧缺灌溉試驗，得出了成熟期進(jìn)行虧水灌溉可提高果實含糖量，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，并對涌泉根灌進(jìn)行了水力性能測試，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)能使用時間提高到20年。由于由計算機(jī)控制電磁閥的涌泉灌溉技術(shù)剛剛起步，對于電磁閥的信號傳輸有一定的距離要求，面積過大的灌區(qū)需要多個控制室來控制，設(shè)計遠(yuǎn)距離控制的涌泉灌溉技術(shù)是今后研究的重點。

我國在農(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；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l件并且適合作物的灌水方式。

3 我國節(jié)水灌溉存在的問題

3.1 規(guī)劃設(shè)計技術(shù)落后

由于農(nóng)田水利工程項目較小，一般設(shè)計任務(wù)都由當(dāng)?shù)厝罕娮孕幸?guī)劃，由于欠缺經(jīng)驗，一些項目存在流量設(shè)計、輪灌劃分、控制面積設(shè)計不合理的情況，使建成后的工程不能充分發(fā)揮效益，特別對于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，先進(jìn)的設(shè)計經(jīng)驗難以傳播到當(dāng)?shù)?，部分工程沒有經(jīng)過精確地測量規(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，由于沒有專業(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，沒人管”的情況。

3.3 灌溉用水嚴(yán)重浪費

大多數(shù)農(nóng)村灌溉采用抽取地下水的方式，一般灌溉水量沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，很多農(nóng)民憑自身經(jīng)驗決定，導(dǎo)致了過量灌溉，浪費了水資源。在井灌區(qū)，由于對地下水的抽取，我國海河平原地區(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)戶種植作物、種植時間、作物成熟期等均不同，灌溉時間很分散，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、化工廠、造紙廠等高污染企業(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)戶進(jìn)行灌溉時，使用了遭到污染的地下水或者河水，會造成土壤有機(jī)物、重金屬污染，作物在生長時將這些有毒有害物質(zhì)吸收并積累，使果實的有毒有害物質(zhì)超標(biāo)，對人體造成了危害。

4 應(yīng)對問題的措施

對于我國灌溉技術(shù)落后這一現(xiàn)狀，應(yīng)該由國家引導(dǎo)，當(dāng)?shù)卣薪y(tǒng)一建設(shè)該地區(qū)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，國家要加大資金的投入，增加設(shè)計人員的數(shù)量，鼓勵設(shè)計人員到偏遠(yuǎn)農(nóng)村去，將先進(jìn)的設(shè)計經(jīng)驗與方法帶到當(dāng)?shù)?，同時應(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)計更合理，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

在管理方面，國家應(yīng)建全農(nóng)田水利建設(shè)的監(jiān)督機(jī)制，使工程施工時有專業(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，誰建設(shè)，誰負(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。同時要制定相關(guān)的灌水制度，向農(nóng)戶普及不同地區(qū)不同作物的灌水時間和灌水量等經(jīng)驗，要使農(nóng)田得到合理灌溉，減少水源浪費。

對于灌溉分散、灌溉效率難以得到保證的問題，建議國家繼續(xù)推行土地流轉(zhuǎn)承包制，將小規(guī)模的土地整合起來承包給個人實行統(tǒng)一管理，并要實行灌溉工程統(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，使其影響降到最低。

5 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展，計算機(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)檢測到的土壤水分?jǐn)?shù)值與蒸騰量來自動精確灌溉，實現(xiàn)了根據(jù)作物需水量來制定灌溉計劃。我國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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