灌溉、排澇與水分利用效率研究

蔣高明

（中國(guó)科學(xué)院植物研究所，北京 100193）

灌溉、排澇與水分利用效率研究

蔣高明

（中國(guó)科學(xué)院植物研究所，北京 100193）

水利是農(nóng)業(yè)的命脈。在原始農(nóng)業(yè)階段，先民們是不可能提供莊稼需要的水分或者將多余的水分排出去的，只有靠天吃飯，因此當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力是低下的。在長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)實(shí)踐中，人類(lèi)逐步掌握了灌溉與排澇的技術(shù)，在莊稼需要水分時(shí)及時(shí)提供，而多余時(shí)則排出。

灌溉；排澇；技術(shù)；水分利用

1 人類(lèi)灌溉史

1.1 國(guó)外

按照氣候特點(diǎn)推測(cè)，人類(lèi)灌溉歷史應(yīng)起源于干旱區(qū)。四大文明古國(guó)都出現(xiàn)在大河流域，以灌溉農(nóng)業(yè)提升了食物供給能力，奠定了古代文明的基礎(chǔ)。早期的灌溉都是引洪淤灌的，以后發(fā)展為引水灌溉或建造水庫(kù)，并通過(guò)調(diào)洪實(shí)現(xiàn)計(jì)劃灌溉。

非洲尼羅河流域早在公元前4000年，就有利用尼羅河水位變化規(guī)律發(fā)展洪水漫灌的做法。公元前2300年前后，在法尤姆盆地建造了美利斯水庫(kù)，通過(guò)優(yōu)素福水渠引來(lái)了尼羅河洪水，經(jīng)調(diào)蓄后用于灌溉。這種灌溉方式持續(xù)了數(shù)千年。19世紀(jì)初，埃及引種棉花和甘蔗等經(jīng)濟(jì)作物。1826年開(kāi)始改建舊的引洪漫灌系統(tǒng)，進(jìn)行常年灌溉。

古埃及的水利灌溉工程的建設(shè)和管理，從前王朝后期開(kāi)始，經(jīng)過(guò)古王國(guó)、中王國(guó)和新王國(guó)的發(fā)展,到托勒密時(shí)期取得了較大的成就。水利灌溉對(duì)古代埃及社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、政治產(chǎn)生了重要的影響，在很大程度上促進(jìn)了古埃及文明的產(chǎn)生與發(fā)展。

在西亞，兩河流域美索不達(dá)米亞的幼發(fā)拉底河和底格里斯河流域的灌溉，也可追溯到公元前4000年左右。在巴比倫時(shí)期，由于幼發(fā)拉底河的高程普遍超過(guò)底格里斯河，因而對(duì)開(kāi)挖灌渠十分有利。最早是引洪淤灌，以后發(fā)展為坡度平緩的渠道網(wǎng)。

約公元前2000年，漢穆拉比時(shí)代已有了完整的灌溉渠系。干渠用磚襯砌，用瀝青勾縫。當(dāng)時(shí)的灌溉面積達(dá)260萬(wàn)hm2以上，養(yǎng)育著1 500～2 000萬(wàn)人口。當(dāng)時(shí)頒布的《漢穆拉比法典》還專門(mén)對(duì)堤防失修、沖毀土地的責(zé)任者作出了賠償損失的具體規(guī)定。約公元前1000年興建的鈕姆盧水庫(kù)可向兩岸的渠系供水,有些渠道深達(dá)10～16 m，寬達(dá)120 m。公元前600—560年間，新巴比倫的空中花園采用了細(xì)密的雨滴灌溉，類(lèi)似現(xiàn)代的噴灌。

公元前539年，巴比倫被波斯征服，灌溉系統(tǒng)失修，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到很大影響。公元初期，波斯的薩珊王朝修四大干渠引幼發(fā)拉底河水,灌溉今伊拉克中部地區(qū)。629年，兩河流域出現(xiàn)大洪水，沖毀紐姆盧水庫(kù)，不久阿拉伯人征服兩河流域地區(qū)，著手改進(jìn)舊渠系，逐步恢復(fù)灌溉。

兩河流域上游的敘利亞、土耳其等國(guó)境內(nèi)都有許多古灌區(qū)，有些至今仍在使用。亞美尼亞、伊朗等地則從公元前8世紀(jì)就以引用地下水發(fā)展灌溉的坎兒井眾多聞名。伊朗境內(nèi)現(xiàn)在還有大約22 000條坎兒井仍在使用。在埃及、伊朗、突尼斯、敘利亞等地中海氣候的干旱區(qū)。2004年，筆者曾現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)過(guò)幾千年前的水利設(shè)施，并下到地下十幾米深的坎兒井，親自體驗(yàn)了古代人類(lèi)在干旱區(qū)生存的智慧。

南亞印度河流域在公元前2500年左右已有引洪淤灌。公元前3世紀(jì)左右，印度河流域憑借灌溉已做到一年兩熟。當(dāng)時(shí)北方建有亞穆納水渠，南方則有高韋里河三角洲灌區(qū)。在中世紀(jì)的1 000多年中，南亞次大陸建造了數(shù)萬(wàn)座水壩用于灌溉，其中位于博帕爾東南的一座水庫(kù)庫(kù)區(qū)面積約650 km2。

公元前1050年，柬埔寨就在吳哥窟附近修建了暹粒河灌區(qū)，并且一直使用到現(xiàn)在。日本在公元前6世紀(jì)已有水利記載,以后大量修建山塘、水庫(kù)，20世紀(jì)開(kāi)始修大型灌區(qū)，至1947年全國(guó)水澆地已占耕地面積一半以上。印度尼西亞的爪哇等島，自古引水種稻，19世紀(jì)始建新式工程，20世紀(jì)60年代灌溉面積約380萬(wàn)hm2，大量的古代工程仍在使用。蘇聯(lián)中亞阿姆河、錫爾河流域的灌溉始于公元前6世紀(jì)。8世紀(jì)中葉以后,這一帶是阿巴斯王朝的四大糧倉(cāng)之一。

秘魯?shù)墓喔葰v史至少在公元前1000年。皮斯科河谷公元前已有灌溉工程。公元1—600年間是水利工程大發(fā)展的時(shí)期，此后印加帝國(guó)統(tǒng)治的1 000年，灌溉又得到進(jìn)一步發(fā)展。阿根廷于1577年興建了杜爾塞河引水工程。中美洲墨西哥等地的灌溉工程則至16～17世紀(jì)才出現(xiàn)較多的記載。

近200年來(lái)，全球灌溉事業(yè)發(fā)展加快。1800年左右，全世界有灌溉面積800萬(wàn)hm2。20世紀(jì)初提高到4 800萬(wàn)hm2。1949年達(dá)到9 200萬(wàn)hm2，60年代末超過(guò)2億hm2。

1.2 中國(guó)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)。人口多、耕地少，水資源緊缺，水旱災(zāi)害頻繁，特殊的氣候、地理等自然條件以及社會(huì)條件，決定了中國(guó)必須走灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展道路。

1.2.1 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期

我國(guó)是世界上從事農(nóng)業(yè)、興修水利最早的國(guó)家，早在5 000年前的大禹時(shí)代就有“盡力乎溝洫”、“陂障九澤、豐殖九藪”等農(nóng)田水利內(nèi)容；夏商時(shí)期有在井田中布置溝渠、進(jìn)行灌溉排水的設(shè)施；西周時(shí)在黃河中游的關(guān)中地區(qū)已經(jīng)有較多的小型灌溉工程?！对?shī)經(jīng)·小雅·白華》有“泥池北流，浸彼稻田”記載，指的是引渭河支流泥水灌溉稻田。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，由于生產(chǎn)力的提高，大量土地得到開(kāi)墾，灌溉排水相應(yīng)地有了較大發(fā)展。

1.2.2 秦漢時(shí)期

該時(shí)期是全國(guó)統(tǒng)一國(guó)力強(qiáng)盛時(shí)期，也是灌溉排水工程第一次大發(fā)展時(shí)期，西漢前期的水利建設(shè)大大促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。鄭國(guó)渠(建于公元前246年)是秦始皇統(tǒng)一六國(guó)前興建的灌溉工程，可“灌田4萬(wàn)頃”，使關(guān)中地區(qū)成為我國(guó)最早的基本經(jīng)濟(jì)區(qū)。“秦以富強(qiáng)，卒并諸侯”，就得益于該水利工程。漢武帝時(shí)，引渭水開(kāi)了漕運(yùn)和灌溉兩用的漕渠，以后又建了引北洛河的龍首渠，引涇水的白渠及引渭灌溉的成國(guó)渠。漢代除在統(tǒng)治的腹心地區(qū)渭河和汾河谷地修建灌溉工程外，還在西北邊疆河西走廊和黃河河套地區(qū)也修建了一些大型渠道引水工程，從而達(dá)到“屯兵墾殖、鞏固邊防”的戰(zhàn)略目的。

1.2.3 隋唐北宋時(shí)期

我國(guó)第二個(gè)灌溉排水工程發(fā)展時(shí)期是隋唐至北宋時(shí)期。唐朝定都長(zhǎng)安后，曾大力發(fā)展關(guān)中灌溉排水工程；安史之亂后，人口大量南遷，江浙一帶農(nóng)田水利工程得到迅速發(fā)展，沿江濱湖修建了大量圩垸，排水墾荒種植水稻。同時(shí)提水工具也得到改進(jìn)和推廣，擴(kuò)大了農(nóng)田灌溉面積；晚唐時(shí)期，太湖地區(qū)的賦稅收入已超過(guò)黃河流域，成為新的基本經(jīng)濟(jì)區(qū)。北宋時(shí)期，長(zhǎng)江流域人口占全國(guó)人口的比重已從西漢時(shí)的不足20%上升到40%多。宋神宗支持王安石變法，頒布了《農(nóng)田利害條約》(又名《農(nóng)田水利約束》)，這是第一個(gè)由中央政府正式頒布的農(nóng)田水利法令，同時(shí)還設(shè)立全國(guó)各路主管農(nóng)田水利的宮史，使農(nóng)田水利建設(shè)得到進(jìn)一步發(fā)展。

1.2.4 明清兩代

明清兩代是我國(guó)歷史上第三個(gè)灌溉排水工程發(fā)展時(shí)期。這一時(shí)期全國(guó)人口有了較大增長(zhǎng)，從元代的5 000多萬(wàn)人，發(fā)展到明代的9 000萬(wàn)人，到清代康熙年間超過(guò)了l億多，清代末年已達(dá)到4億人，全國(guó)人口在500多年間增長(zhǎng)了7倍多。人口的迅速增長(zhǎng)得益于可灌溉耕地面積的擴(kuò)大。明、清時(shí)期長(zhǎng)江中下游的水利已得到廣泛開(kāi)發(fā)，僅在洞庭湖區(qū)的筑堤圍墾，明代就有200處，清代達(dá)四五百處。“湖廣熟、天下足”，當(dāng)時(shí)的兩湖地區(qū)已成為全國(guó)又一個(gè)基本經(jīng)濟(jì)區(qū)。與此同時(shí)，南方珠江流域、北方京津地區(qū)、西北和西南邊疆地區(qū)灌溉事業(yè)都有了很大的發(fā)展；東北松遼平原在清中葉開(kāi)禁移民以后，灌溉排水工程也有所發(fā)展。

1.2.5 19世紀(jì)后期

19世紀(jì)中期以后，中國(guó)淪為半封建半殖民地社會(huì)，這一時(shí)期水利在局部地區(qū)雖有所發(fā)展，但是總的來(lái)說(shuō)則是日趨衰落。19世紀(jì)后期，由于西方近代科學(xué)技術(shù)傳入中國(guó)，一批水利學(xué)者從國(guó)外學(xué)習(xí)歸來(lái)，開(kāi)辦水利學(xué)校，傳播先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。1914年，我國(guó)第一所水利?？茖W(xué)?！雍９た茖ｉT(mén)學(xué)校在南京成立；1917年以后，長(zhǎng)江、黃河等流域相繼設(shè)立水利機(jī)構(gòu)，進(jìn)行流域內(nèi)水利發(fā)展的規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)工作；1930年由李儀祉先生主持，開(kāi)始用現(xiàn)代技術(shù)修建陜西省涇惠渠，以后又相繼興建了渭惠渠、洛惠渠等灌區(qū)。經(jīng)過(guò)歷史上的幾次大起大落，到1949年全國(guó)有灌溉面積1 600萬(wàn)hm2。

1.2.6 新中國(guó)成立以來(lái)

中華人民共和國(guó)成立以來(lái)，進(jìn)行了廣泛持久的灌溉排水工程基本建設(shè)，取得了舉世矚目的巨大成就，為我國(guó)農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供了不可替代的基礎(chǔ)設(shè)施和物質(zhì)保證。到2003年底，全國(guó)灌溉面積達(dá)到4 800萬(wàn)hm2，使40%的耕地?fù)碛辛斯喔仍O(shè)施。1949年，中國(guó)灌溉用水量不到1 000億m3，到2003年，已達(dá)到3 300億m3。

按有效灌溉面積計(jì)算，1980年全國(guó)平均每公頃農(nóng)田灌溉用水8 745 m3，1997年降到7 800 m3。全國(guó)共建設(shè)667 hm2以上灌區(qū)5 686處，灌溉面積2 200多萬(wàn)hm2，占全國(guó)農(nóng)田灌溉面積的43%。目前，全國(guó)共有水庫(kù)約84 905座，總庫(kù)容4 571億m3，除少數(shù)大型水庫(kù)主要用于防洪和發(fā)電外，絕大部分水庫(kù)都具有灌溉供水的功能。截止到2002年底，全國(guó)已發(fā)展節(jié)水灌溉0.19億hm2，非工程節(jié)水面積達(dá)到1 670萬(wàn)hm2，其中800萬(wàn)hm2是采用控制灌水方法的水田。

說(shuō)到新中國(guó)成立以來(lái)的水利工程，不得不提河南林縣人民群眾修建的紅旗渠。這條總長(zhǎng)1 500 km的輸水渠，要穿越太行山，是林縣人民公社社員用原始的工具建立起來(lái)的。為修建這條生命渠，70多名社員犧牲在懸崖峭壁上；為節(jié)省資金，社員們用土法制作炸藥；在困難的時(shí)期，用以充饑的竟然是野菜。這樣下來(lái)，紅旗渠的建設(shè)者們?yōu)閲?guó)家節(jié)省資金1 293萬(wàn)元。

2 灌溉及其設(shè)備

在自然條件下，往往因降水量不足或分布的不均勻，不能滿足作物對(duì)水分要求。因此，必須人為地灌溉，以補(bǔ)天然降雨之不足。灌溉，農(nóng)民最通俗的叫法就是澆地。依據(jù)灌溉方式不同，自古到今有以下幾種方式：

2.1 井灌

這是比較原始的灌溉方式，依靠人力或畜力將水提出來(lái)，在小型的溝渠內(nèi)灌溉到農(nóng)田中去。筆者小時(shí)候干過(guò)的農(nóng)活，用的是人力推動(dòng)的自吸井。目前，非洲還可以看到這樣的原始工具。2014年，筆者在布基納法索還見(jiàn)過(guò)腳踏的井灌裝置，是借鑒自行車(chē)的原料鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)動(dòng)力汲水。井灌一般范圍較小，多用于菜園。

2.2 大水漫灌

修建畦田或隴溝，在來(lái)水上游建小型堰或壩，利用重力使水自流到農(nóng)田。今天人們改用抽水機(jī)就地取水，或?qū)⑺畮?kù)放的水通過(guò)渠道輸入農(nóng)田。由于這種利用水的方式類(lèi)似于河水的泛濫，人們形象地稱之為大水漫灌。其好處是節(jié)省成本，但缺點(diǎn)是造成水的浪費(fèi)。由于省力省時(shí)，不需專門(mén)的設(shè)施，該措施在全國(guó)多地使用。但大水漫灌浪費(fèi)水資源，容易造成地下水位抬高，因此使土壤鹽堿化，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)逐漸被淘汰。采取該做法，在北方一般小麥需要灌溉2～3次，其中一次是冬前水；而種植玉米，因?yàn)樽匀唤邓?，一般不需要灌溉。只有特別干旱，在播種時(shí)用少量水點(diǎn)播，但已不屬于漫灌范疇。

2.3 噴灌

噴灌是由管道將水輸送到位于田間噴頭，通過(guò)內(nèi)部壓力將水噴出。設(shè)備有固定式和移動(dòng)式兩類(lèi)。固定式噴頭安裝在固定的地方，有的噴頭安裝在地表面高度，對(duì)于葡萄園或果園可采用這種做法，即對(duì)于多年生作物，因作物和地點(diǎn)固定，可采取這種辦法。

移動(dòng)式噴灌機(jī)有以下幾類(lèi)：

2.3.1 時(shí)針式或圓形噴灌機(jī)

這是一種移動(dòng)式的設(shè)備，噴灌頭安裝在有輪子支撐的電鍍鋼管或鋁管上，圍繞一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)，從中心樞軸輸送水，整個(gè)噴灌機(jī)噴灌面積形成一個(gè)圓。這種噴灌機(jī)械在美國(guó)使用的很普遍。噴灌機(jī)的旋轉(zhuǎn)可以由水力推動(dòng)，也可以由電機(jī)推動(dòng)，大多數(shù)都使用電機(jī)。這種機(jī)械灌溉面積是一個(gè)圓形，因此在每個(gè)圓形之間的空檔不能被灌溉利用，只適合在耕地面積充分的地區(qū)使用。

2.3.2 直線移動(dòng)式噴灌機(jī)

這是一個(gè)長(zhǎng)管道，每隔一定間隔有一個(gè)支架，支架上有輪子，噴頭在管子上，整個(gè)管道平行移動(dòng)噴灑，水由管道一頭輸入，所以噴灌面積可以大到幾千公頃。

2.3.3 絞盤(pán)式噴灌機(jī)

也叫卷盤(pán)式噴灌機(jī)，采用水渦輪式動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用大斷面小壓力的設(shè)計(jì)，在很小的流量下，可以達(dá)到較高的回收速度，水渦輪轉(zhuǎn)速?gòu)乃疁u輪軸引出一個(gè)兩速段的皮帶驅(qū)動(dòng)裝置傳入到減速器中，降速后鏈條傳動(dòng)產(chǎn)生較大的扭矩力驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水管的自動(dòng)回收。

2.4 微噴灌

這是利用折射、旋轉(zhuǎn)或輻射式微型噴頭將水均勻地噴灑到作物枝葉等區(qū)域的灌水形式，隸屬于微灌范疇。如果噴灌屬于人工大雨，那么微灌就是和風(fēng)細(xì)雨。微噴灌的工作壓力低，流量小，既可以定時(shí)定量的增加土壤水分，又能提高空氣濕度，調(diào)節(jié)局部小氣候，廣泛應(yīng)用于蔬菜、花卉、果園、中藥材種植。

2.5 滴灌

將水一滴一滴地、均勻而又緩慢地滴入植物根系附近土壤中的灌溉形式叫作滴灌。滴水流量小，水滴緩慢入土，可以最大限度地減少蒸發(fā)損失。滴灌水壓低，節(jié)水，可以用于生長(zhǎng)不同植物的地區(qū)，對(duì)每棵植物分別灌溉，但對(duì)坡地需要有壓力補(bǔ)償，用計(jì)算機(jī)可以依靠調(diào)節(jié)不同地段的閥門(mén)來(lái)控制，關(guān)鍵是控制調(diào)節(jié)壓力和從水中去除顆粒物，以防堵塞滴灌孔。水的輸送一般用塑料管，一般為黑色。滴灌也可以用埋在地下的多孔陶瓷管完成，但費(fèi)用較高。在美國(guó)西部亞利桑那州，種植喬木和花卉大都采取這種做法。

2.6 滲灌

這是一種人工將地下水位抬高，直接從底下為植物根系供水的方法。滲灌常用于商業(yè)溫室產(chǎn)品，如對(duì)盆花進(jìn)行灌溉，還可以施肥，用含有肥料的水溶液從底部浸泡花盆10～20 min，水可以回收。這種運(yùn)作需要高技術(shù)自動(dòng)操作，設(shè)備費(fèi)用貴，但節(jié)省人力、水和肥料。

3 排澇

“旱能澆、澇能排”。如果說(shuō)干旱、半干旱地區(qū)作物面臨缺水問(wèn)題，那么在濕潤(rùn)地區(qū)，作物面臨的是淹水狀態(tài)，即水太多了也會(huì)影響莊稼的生長(zhǎng)，這就需要做排水的工作，排澇就是排除危害生產(chǎn)中的積水。

大部分作為是中生植物，即需要的水分既不能太濕，也不能太干，作物需水與供水的矛盾不是一成不變的，多了旱，少了澇。因降雨形成的地面積水影響作物正常生長(zhǎng)的災(zāi)害性現(xiàn)象，也稱“潦”。雨水過(guò)多或過(guò)于集中，而河溝排水能力不足,或外水頂托,排水困難，都能造成低洼地區(qū)積水。產(chǎn)生澇災(zāi)的多余水量稱為澇水，也稱瀝水。

地面淹水影響植物光合作用，植株生長(zhǎng)纖弱，甚至因根部缺氧窒息死亡。作物受澇而減產(chǎn)的程度與作物種類(lèi)、品種、生長(zhǎng)階段，以及淹水程度、淹水時(shí)間等因素有關(guān)。一般地，旱生作物、矮稈作物和作物生長(zhǎng)前期比水生作物、高稈作物和作物生長(zhǎng)后期的抗?jié)衬芰θ?，淹水越深、淹水時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)作物為害越大。土壤長(zhǎng)期受澇，地下水位上升，會(huì)招致土壤沼澤化；在地下水礦化度較高的地區(qū)，還將造成土壤鹽漬化。中國(guó)受季風(fēng)影響，夏秋雨量集中，是洪澇多發(fā)季節(jié)，有的年份洪水泛濫，有的年份洪水雖未泛濫而農(nóng)田內(nèi)部已積澇成災(zāi)，稱內(nèi)澇。

3.1 排澇措施

健全的田間排水系統(tǒng)是排澇的基礎(chǔ)設(shè)施。田間排水系統(tǒng)由田間集水溝和各級(jí)輸水溝及其配套建筑物組成。合理安排排水出路和排水方式是排澇規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)。有自流排澇條件的地區(qū)宜盡量自排；無(wú)自流排澇條件的地區(qū)則施以抽排。其中有大量高地徑流匯入的，常挖截水溝(也稱撇洪溝)，實(shí)行高水自排、低水抽排，以減輕抽排負(fù)擔(dān)；對(duì)于受外水頂托不經(jīng)常具備自排條件的地區(qū)，則須建閘，能自排時(shí)開(kāi)閘自排，不能自排時(shí)閉閘抽排。此外，調(diào)整水系、整治河道、改善排洪排澇條件，也是常用的全局性的防洪排澇措施。

3.2 排澇標(biāo)準(zhǔn)

指流域內(nèi)能夠安全排出由于某一重現(xiàn)期連續(xù)若干天降雨而產(chǎn)生的洪峰流量，并在作物耐澇的允許天數(shù)內(nèi)排除田間澇水的能力。達(dá)到規(guī)定排澇標(biāo)準(zhǔn)的排水系統(tǒng)，能保證在發(fā)生規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的降雨量時(shí)，不致引起澇災(zāi)或不使農(nóng)作物減產(chǎn)。降雨重現(xiàn)期越長(zhǎng)、連續(xù)降雨的天數(shù)越多，表示排澇的標(biāo)準(zhǔn)越高。我國(guó)設(shè)計(jì)的排澇標(biāo)準(zhǔn)一般為5年一遇，少數(shù)為3年一遇，高的為10年一遇。

3.3 排澇模數(shù)

單位面積的排澇流量，即排澇河溝或排澇站的設(shè)計(jì)流量，同集水面積的比值，常用單位為m3/(s·km2)、L/(s·hm2)或mm/d。排澇模數(shù)是排澇工程的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，其數(shù)值大小與設(shè)計(jì)暴雨、作物耐淹能力有關(guān)。在設(shè)計(jì)暴雨小、作物耐淹能力強(qiáng)、集水面積大、滯蓄能力強(qiáng)的排水區(qū)，其設(shè)計(jì)模數(shù)可相對(duì)減小。對(duì)于集水面積小的排水溝，其排澇模數(shù)常用幾天暴雨幾天排出的簡(jiǎn)單算法推求。

4 國(guó)內(nèi)外排澇做法

早期農(nóng)業(yè)是在河流沿岸發(fā)展起來(lái)的，需要排干沼澤，進(jìn)行土地墾殖。公元前5世紀(jì)中葉,希臘歷史學(xué)家希羅多德曾記載了尼羅河谷的排水工程，以后羅馬的瓦羅在《論農(nóng)業(yè)》一書(shū)中提到了修建排水工程的規(guī)范。

荷蘭農(nóng)業(yè)排水系統(tǒng)在世界上享有盛名，它是與圍海造田聯(lián)系在一起的。公元4世紀(jì)，這一帶就開(kāi)始出現(xiàn)人工海堤。從10世紀(jì)開(kāi)始，盛行筑堤造田工程，最初在圩田內(nèi)實(shí)行自然排水。1612年開(kāi)始利用風(fēng)車(chē)抽水圍墾沿海低地。幾百年間,依靠人工堤防共圍墾出7 000 km2的土地，相當(dāng)于全國(guó)陸地面積的1/5。

荷蘭的排水工程技術(shù)以后又?jǐn)U展到歐洲的其他地區(qū)。英國(guó)從13世紀(jì)開(kāi)始排水,把大量低洼地改變成農(nóng)田。1531年制定法律，英國(guó)直接干預(yù)排水事業(yè)，并于1918和1930年兩次頒布國(guó)土排水法案。法國(guó)在1620年首先使用瓦管排水。英國(guó)于1724年首先使用鼠道式暗渠，1764年出現(xiàn)了有壓地下水的沼澤地的排水方法，1843年發(fā)明圓形瓦管制造機(jī)，19世紀(jì)后半葉又發(fā)明了挖溝機(jī)。在東歐、波蘭從13世紀(jì)起就開(kāi)始排水，羅馬尼亞的排水歷史甚至比灌溉歷史還要早。希臘的排水工程則主要是為了防洪。

近100多年來(lái)，在世界其他地區(qū),由于農(nóng)業(yè)灌溉的急劇發(fā)展，土壤次生鹽堿化問(wèn)題日益突出，進(jìn)一步推動(dòng)了排水工作的發(fā)展。埃及于1909年以后大力發(fā)展深溝排水，解決了棉田的鹽堿化問(wèn)題。美國(guó)于1849—1850年建立了沼澤地法案，排水自東向西發(fā)展，除沼澤排水外，還發(fā)展灌區(qū)排水，大量使用瓦管暗溝，到1960年排水面積約4 100萬(wàn)hm2。加拿大排水有200多年歷史。巴基斯坦結(jié)合井灌發(fā)展垂直排水，20世紀(jì)60年代末有深井5 500多眼，并有大面積地面排水網(wǎng)。

中國(guó)的排澇工程在人類(lèi)歷史上更是值得大書(shū)特書(shū)，多年的水患在新中國(guó)成立以后大多得以控制，其中海河和黃淮海整治成效最為突出。

海河自天津市區(qū)的三岔河口貫穿市區(qū)，至大沽口處入海，自古以來(lái)就養(yǎng)育了天津人民。海河對(duì)天津城市的形成和發(fā)展起了舉足輕重的作用，但是，在舊時(shí)代也給海河流域的人民帶來(lái)過(guò)不少災(zāi)難。海河水系支流眾多，一到汛期同時(shí)漲水，而入?？谔巺s“肚大嘴小”，宣泄不暢，水流速度越來(lái)越慢，泥沙沉積日益嚴(yán)重，排洪能力越來(lái)越差，常常形成海河流域的洪澇災(zāi)害，給廣大人民群眾的生活和海河地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成很大危害。據(jù)記載，從1368—1948年的580年間，海河流域發(fā)生過(guò)387次嚴(yán)重水災(zāi)，天津市被淹泡過(guò)70多次。

中華人民共和國(guó)成立后，毛澤東主席發(fā)出了“一定要根治海河”的號(hào)召。自1958年開(kāi)始，海河流域人民按照統(tǒng)一規(guī)劃、綜合治理的方針，從上游到下游，從支流到干流，對(duì)海河水系進(jìn)行了全面根治。上百萬(wàn)治河大軍包括中小學(xué)生、家庭婦女也揮锨上陣，完成了大大小小一系列整修工程，從根本上對(duì)海河進(jìn)行了治理，使海河舊貌換新顏。

黃淮海地區(qū)北起長(zhǎng)城，南至桐柏山、大別山北麓，西倚太行山和豫西伏牛山地，東瀕渤海和黃海，其主體為由黃河、淮河與海河及其支流沖積而成的黃淮海平原（即華北平原），以及與其相毗連的魯中南丘陵和山東半島。行政區(qū)劃范圍大致包括北京、天津和山東三省市的全部，河北及河南兩省的大部，以及江蘇、安徽兩省的淮北地區(qū)，共轄53個(gè)地市、376個(gè)縣（市、區(qū)）。全區(qū)土地總面積46.95萬(wàn)km2。

由于該區(qū)域有兩個(gè)水系，即黃河和淮河，當(dāng)年持續(xù)的河流泛濫給人民群眾帶來(lái)不小的災(zāi)害?！包S泛區(qū)”就是一個(gè)苦難的代名詞，一個(gè)曾滋生了雜草，又滋生了故園重生夢(mèng)想的地方。黃河與河南糾纏不清，花園口與黃泛區(qū)連綿一起，三者的交集，正是河南這個(gè)人口大省新歷史的濃縮。黃泛區(qū)內(nèi)黃河連年泛濫，造成百姓紛紛逃亡。

泛濫的黃河水不但奪命，還把大約100億t泥沙帶到了淮河流域，黃泛區(qū)面積多達(dá)5.4萬(wàn)km2，相當(dāng)于江蘇全省總面積的一半以上。大水沖過(guò)之后，留下了最厚有數(shù)米深的沙石和黃泥，給黃泛區(qū)田地復(fù)墾帶來(lái)了極大困難。根據(jù)檔案記載，到1946年6月，河南黃泛區(qū)“有約43.33萬(wàn)hm2農(nóng)田被淹，目前可耕地雖有17.73萬(wàn)hm2，但因沒(méi)有耕牛和種子，加之8年來(lái)田地覆蓋了沙礫，僅憑人力挖掘非常不易，仍屬荒廢”。

針對(duì)黃淮海面臨的旱、澇、風(fēng)沙等一系列問(wèn)題，新中國(guó)成立以后，人民政府就帶領(lǐng)群眾進(jìn)行了不懈的努力。蘭考焦裕祿的故事家喻戶曉，介紹的就是這位來(lái)自山東的領(lǐng)導(dǎo)干部在蘭考整理黃淮海澇害與沙害、并犧牲在工作崗位上的感人故事。通過(guò)在下游平原區(qū)開(kāi)挖、疏浚數(shù)千條大、小河道，使數(shù)萬(wàn)平方千米低洼易澇耕地基本解除洪、澇威脅，鹽堿化的土地也顯著減少。漳衛(wèi)新河、子牙新河、獨(dú)流減河、永定新河的治理或開(kāi)挖，使海河五大水系分流入海的泄洪能力加強(qiáng)；蘇北灌溉總渠、新沂河、新沭河及淮河入江水道的開(kāi)通，使水系紛亂的淮河下游平原具有較暢通的排水出路。

5 水分利用效率

從上面的介紹來(lái)看，農(nóng)業(yè)要獲得豐收，水分的有效供應(yīng)是非常關(guān)鍵的，水既不能多，也不能少，水分與糧食產(chǎn)量是密切相關(guān)的。這里就出現(xiàn)了一個(gè)專業(yè)的詞匯，即水分利用效率。那么，我們?cè)谝蝗杖统缘降募Z食，僅從水分的角度來(lái)看，需要用多少水來(lái)?yè)Q呢？

筆者在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)講授《高級(jí)生態(tài)學(xué)》課程中的水分生理生態(tài)時(shí)，經(jīng)常問(wèn)研究生們這樣一個(gè)問(wèn)題，“我們生產(chǎn)一斤糧食需要消費(fèi)多少斤水？”全班150人竟然無(wú)人能夠回答，包括很多農(nóng)學(xué)院畢業(yè)的學(xué)生也不知道?？梢?jiàn)，我們的農(nóng)學(xué)院課程講授，是多么嚴(yán)重脫離實(shí)際了。他們只背教科書(shū)上的一些概念，但對(duì)于這么直接設(shè)計(jì)應(yīng)用的知識(shí)卻基本不關(guān)心。

那么，目前“我們生產(chǎn)一斤糧食到底消耗多少水呢？”水利部部長(zhǎng)陳雷在2015年的一次講話中指出：我國(guó)農(nóng)田單位用水的糧食產(chǎn)量不足4.8 kg/m3，而世界先進(jìn)水平為2 kg/m3左右。水的比重為1 kg/m3，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單換算可知，生產(chǎn)1 kg糧食耗水量高達(dá)800 kg,即0.8 t，接近1 t水。如果在干旱區(qū)，生產(chǎn)糧食用水成本幾乎是“噸水斤糧”了。

如果說(shuō)1 kg糧食要用2 t水來(lái)“換”，可能有些人不相信。近期筆者在東北、西北、華北部分糧食產(chǎn)區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，作為我國(guó)目前最大“耗水戶”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，許多地方仍在沿用相對(duì)粗放的灌溉方式，無(wú)論是地表水還是地下水灌溉，水、糧比都很驚人，節(jié)水灌溉的面積相對(duì)較少，水資源消耗浪費(fèi)巨大，有的農(nóng)田產(chǎn)出基本是“一斤糧食一噸水”的程度。

我國(guó)水資源總量居世界第6位，但人均水資源量只有世界平均水平的28%。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)灌溉用水卻消耗巨大，約占全社會(huì)用水總量的45%。

巴彥淖爾市是內(nèi)蒙古自治區(qū)的“糧倉(cāng)”，同時(shí)也是典型的干旱區(qū)，年蒸發(fā)量約為降水量的14倍，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全靠灌溉。過(guò)去都是自己拿上工具去搶水，想澆多少澆多少，有時(shí)冬天地里都結(jié)著冰。后來(lái)有管理了，農(nóng)民也有節(jié)水意識(shí)了。但現(xiàn)在供水時(shí)還須先灌滿80 cm深的土渠，然后才能溢出到農(nóng)民田里，土渠中這80 cm深的水就浪費(fèi)了。一些基層干部和農(nóng)民介紹，有的灌區(qū)在供水時(shí)，由于沒(méi)有精細(xì)管理，供水量過(guò)多，致使用于泄水的排水渠也“滿載”工作，許多水白白流走。有的農(nóng)民在為水田補(bǔ)水時(shí)同時(shí)開(kāi)口子排水，水田里成了“常流水”，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。內(nèi)蒙古西部河套灌區(qū)年產(chǎn)糧食20多億kg，消耗40多億m3地表水，相當(dāng)于1 m3水換0.5 kg糧。東部通遼灌區(qū)玉米產(chǎn)量高，以地下水井灌為主，1 m3水能換3.5 kg糧。地下水是子孫后代的“保命水”，長(zhǎng)期用地下水灌溉已使部分地區(qū)地下水位大幅下降，將引發(fā)一系列生態(tài)問(wèn)題。

無(wú)獨(dú)有偶，在寧夏回族自治區(qū)水利廳了解到，寧夏農(nóng)業(yè)灌溉年引水約63億m3，除了排走的水實(shí)際消耗約38億m3，全區(qū)糧食年產(chǎn)量375萬(wàn)t左右，相當(dāng)于1 m3(t)水換來(lái)1 kg糧。相對(duì)于內(nèi)蒙古，這個(gè)效益還是不錯(cuò)的。

近年來(lái)，我們不斷加大農(nóng)田水利建設(shè)投入，部分工程已經(jīng)見(jiàn)到節(jié)水成效。但據(jù)有關(guān)部門(mén)測(cè)算，目前我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)0.516，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家0.7以上的水平。更值得注意的是，我國(guó)原本在水熱條件豐富的地方產(chǎn)糧，幾乎不需要用地下水。以前是“湖廣熟，天下足”，現(xiàn)在則是“北糧南運(yùn)”“、外糧內(nèi)運(yùn)”。由于種地不掙錢(qián)，江南農(nóng)民紛紛撂荒，種地就開(kāi)墾到了原本不適合農(nóng)業(yè)的干旱、半干旱區(qū)。那里原本蒸發(fā)量就大，在那里生產(chǎn)糧食，相當(dāng)于將寶貴的地下水資源又通過(guò)糧食運(yùn)回了水分充足的南方。

以筆者熟悉的山東為例，那里的年自然降水量平均676 mm左右，其中80%降水在7—8月植物生長(zhǎng)季節(jié)，其中的雪水也可為小麥利用。只要農(nóng)民種地，小麥和玉米或小麥大豆輪作，天然降水就會(huì)得到很好的運(yùn)用，其水量相當(dāng)于500.3 m3(t)。山東小麥、玉米周年產(chǎn)量如果管理好的話，可打糧食1.5 t/667 m2，玉米季不需要澆水，僅小麥季澆水2～3遍，需水量400～525 mm，取平均值463mm。天然降水與人工灌溉總水量約1139mm/667m2，折合759.7 t/667 m2，水分利用效率是1.97 kg糧/t水，相對(duì)于在干旱區(qū)種糧，其水分利用效率是其近4倍，而利用的灌溉水只有35%左右，這些水需要客水補(bǔ)充。如果換成江南水鄉(xiāng)，由于自然降水就在1 000 mm以上，灌溉用水就更少，水分利用效率更高。從這樣簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)看，在干旱、半干旱區(qū)種糧或種棉花，僅水賬就不合算。

植物吸收的水分還要通過(guò)蒸騰作用耗散到空氣中，灌溉到土壤中的水也會(huì)蒸發(fā)到空中。在干旱、半干旱區(qū)種地，相當(dāng)于將儲(chǔ)藏在地下中寶貴的水資源，通過(guò)大氣環(huán)流帶走了，地下水位下降就不可避免。更糟糕的是，鹽分也帶到了地表，種植幾年后就出現(xiàn)退化。對(duì)地表水源的爭(zhēng)奪；造成地下水位下降；地面沉降；在蒸發(fā)量大的地區(qū)造成土壤鹽堿化；過(guò)度灌溉的地區(qū)造成農(nóng)業(yè)廢水引起的農(nóng)藥和化肥污染。

在水分利用效率方面還有一個(gè)瞬時(shí)水分利用效率的計(jì)算，即光合速率除以蒸騰速率，由于與生產(chǎn)實(shí)際相差較遠(yuǎn)，不再一一介紹。

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