井灌區(qū)節(jié)水增溫技術(shù)研究進(jìn)展

郭安安 王夢(mèng)琴

摘? 要：高寒地區(qū)井水灌溉由于水溫偏低，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，且隨著井灌區(qū)面積的擴(kuò)大，地下水超載嚴(yán)重。該文介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)井水灌溉的一系列節(jié)水和增溫技術(shù)，分析了井灌節(jié)水增溫技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)井灌節(jié)水增溫技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，旨在為優(yōu)化井灌區(qū)灌水技術(shù)提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：井水灌溉;增溫技術(shù);節(jié)水技術(shù)

中圖分類號(hào) S511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）13-0096-03

Abstract：The temperature of well water is low in high cold region，easily reducing crop yield and quality. With the well-irrigation area expanded，the overload phenomenon of groundwater has become serious. The passage introduces a series of water-saving and warming technologies in the field of well irrigation in china. The authors propose that the technologies of water-saving and warming should be combine with practice to make a best project，and point out the research should be based on the advanced technology and overcome technical difficulties. The article is aimed at providing more references for the optimization of irrigation technologies in well-irrigation areas.

Key words：Well irrigation;Water-saving technologies;Warming technologies

黑龍江省三江平原地區(qū)地處高寒地區(qū)，是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地。自20世紀(jì)以來，該地區(qū)大力發(fā)展井灌水稻種植，截至2000年底，井灌面積高達(dá)約80%左右[1]。當(dāng)前，井灌水稻的種植發(fā)展面臨以下2大難題：（1）井水溫度過低。水稻是喜溫作物，適宜的生長(zhǎng)溫度為25～35℃，而用4～6℃井水灌溉[2]，極大地影響著水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，致使水稻生育期延長(zhǎng)，分蘗減少，品質(zhì)下降[3]，導(dǎo)致井灌水稻大面積減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，造成嚴(yán)重后果。（2）造成地下水超載。黑龍江省多年平均水資源量為810.3億m3，人均水量2160m3，均低于全國(guó)平均水平，耕地的85%集中在松嫩平原、三江平原，而這2個(gè)地區(qū)的水資源量?jī)H占全省水資源量的50%[4]。井灌的灌溉方式使得全省每年超采地下水達(dá)30億m3，形成地下水漏斗30余個(gè)[5]，對(duì)資源環(huán)境形成了一定的影響。研究表明，提高井水灌溉溫度，對(duì)寒地水稻植株形態(tài)特征、光合特性、產(chǎn)量及水肥利用效率均會(huì)產(chǎn)生顯著的積極影響[6]。因此，如何通過一定的增溫措施，將井水溫度（5～6℃）提高到水稻生長(zhǎng)發(fā)育所必需的下限溫度（13℃左右），對(duì)于水稻種植非常重要[7]。另外，在提升井灌增溫技術(shù)的同時(shí)，還應(yīng)大力發(fā)展井灌節(jié)水栽培技術(shù)，這對(duì)于解決水資源短缺與有效利用問題，提高井灌區(qū)節(jié)水能力具有重要意義。

1 井灌增溫技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國(guó)井灌區(qū)主要分布在北方的東北平原，華北平原等平原地區(qū)，內(nèi)蒙草原區(qū)，西北黃土高原區(qū)，江淮山丘旱洪區(qū)以及西北內(nèi)陸區(qū)。為了減輕井水溫度低造成的作物凍害，一系列科學(xué)研究提供了較為有效的解決措施。

1.1 工程措施 井灌稻增溫灌溉的有效方法有設(shè)曬水池、延長(zhǎng)渠道增溫等，其機(jī)理是通過增大水流與外界空氣的接觸面積和接觸時(shí)長(zhǎng)來縮小水溫與氣溫之間的差距，從而實(shí)現(xiàn)井水溫度的提升。曹印龍[2]等通過對(duì)25組曬水池內(nèi)井水增溫的影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用回歸分析，得出水溫隨著流程和氣溫的增加而增加，隨著流速的增加而減小。與曬水池相似，渠道增溫主要與渠道長(zhǎng)度、流量、流速、氣溫、渠道寬深比等有關(guān)[8，9]，當(dāng)渠道增長(zhǎng)、流速減小、氣溫升高，使得渠道內(nèi)井水與外界接觸面積變大或時(shí)間變長(zhǎng)，有利于改善渠道中水流的增溫效果。因此，一般寬淺式輸水渠道增溫效果較好[10]。除此之外，過水埝子、升溫田[10]等工程措施也具有一定的升溫效果，其機(jī)理與曬水池、輸水渠道大致相同，即通過增加水流流動(dòng)路徑的長(zhǎng)度延長(zhǎng)與空氣中熱能交換的接觸面積與時(shí)間。

1.2 非工程措施 井灌增溫的非工程措施有設(shè)備增溫和水管理增溫2種。設(shè)備增溫主要有小白龍噴霧、渠道和曬水池覆膜、散水器、增溫水車、修建跌水、濺水物、擋水板、曬水板等。小白龍噴霧、散水器、增溫水車、濺水物和擋水板（類似于消力坎）均為利用設(shè)備使得水流分散并充分暴露于空中，大大增加了水與空氣的接觸面積，即與光熱充分接觸，增溫效果良好。水管理增溫措施有快灌、少灌、早泡田、控制灌水時(shí)間、水量和次數(shù)等[2]。遵循溫度的晝夜變化規(guī)律，白天太陽(yáng)輻射熱已經(jīng)與灌溉水充分交換，且夜間低溫對(duì)作物影響較小[11]，可以采取午夜灌水代替白天灌水的措施。為尋找合適的井灌灌溉制度，顧春梅等對(duì)井間控與井間歇等不同灌水方式的水溫變化展開了實(shí)驗(yàn)和分析，研究認(rèn)為井間控利用了快、少的灌水原則，與井間歇長(zhǎng)時(shí)間、大水量的灌水方法相比，增溫速度快，增溫幅度大，增溫效果好[12]。冷水灌溉在灌水方法上杜絕大灌大排，以小水緩流進(jìn)地為好[13]。

1.3 組合措施 采取“工程措施+設(shè)備增溫措施”形式，在曬水池內(nèi)設(shè)置若干交錯(cuò)分布的擋板，這一措施可延長(zhǎng)水流的流動(dòng)路徑[7]，保證曬水池正常功能不受影響，同時(shí)避免了土地資源的浪費(fèi);采取多種設(shè)備增溫組合形式，例如把濺水物、增溫板、擋水板組合在一起使用，可以明顯提升增溫的效果。采取組合式增溫技術(shù)更容易達(dá)到理想的增溫效果。在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，可以嘗試多種增溫技術(shù)方式的排列組合，并因地制宜，綜合運(yùn)用，采取達(dá)到最佳增溫效果的組合措施。

2 井灌節(jié)水技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 井渠節(jié)水 要實(shí)現(xiàn)機(jī)井和渠道的節(jié)水管理，首先，需要精準(zhǔn)掌控機(jī)井的提水量，了解當(dāng)?shù)毓喔扔盟默F(xiàn)狀以及存在的問題;其次控制水在傳輸過程中的滲漏量，使水資源送達(dá)田間的效率更高。

2.1.1 機(jī)井開采的信息化管理 創(chuàng)建灌溉節(jié)水智能控制與信息化管理系統(tǒng)，是近年來井灌區(qū)水資源管理的新方向。對(duì)機(jī)井實(shí)行有效的取水管理，尤其是水的計(jì)量和井灌信息的收集，為推動(dòng)井灌區(qū)灌溉節(jié)水做好了信息資源儲(chǔ)備和硬件條件。該系統(tǒng)還可以同時(shí)顯示出地下水位等值線和土壤墑情情況，可為實(shí)時(shí)掌握旱情、掌握灌溉節(jié)水進(jìn)程提供準(zhǔn)確的數(shù)值數(shù)據(jù)[14]。通過在機(jī)井處實(shí)行這項(xiàng)信息化管理技術(shù)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)等終端設(shè)備上，農(nóng)戶可以根據(jù)歷次灌溉的定量數(shù)據(jù)記錄，掌握節(jié)水灌溉的技巧，水資源管理部門可以利用各戶灌溉用水的數(shù)據(jù)進(jìn)行定向的節(jié)水灌溉指導(dǎo)與節(jié)水知識(shí)普及，水費(fèi)的計(jì)量收取也更加方便，從而有效地促進(jìn)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民主動(dòng)采取節(jié)水灌溉措施。

2.1.2 井渠防滲 井渠防滲可以提高井水利用率，減少水資源的滲漏量，擴(kuò)大可灌溉區(qū)域的面積。在施工條件允許的情況下，優(yōu)先選用U型渠道，U型渠又分預(yù)制混凝土、現(xiàn)澆混凝土寬淺式和窄式3種[15]，其次選用梯形和矩形斷面;通常需要對(duì)渠道進(jìn)行襯砌，保證表面糙率小[16]。井灌區(qū)在輸水過程中常采用低壓管道，一般單井自成管網(wǎng)系統(tǒng)，需結(jié)合實(shí)際情況尋求管徑的最優(yōu)組合[17]，使得水頭損失較小、經(jīng)濟(jì)效益較高。

2.2 田間節(jié)水 井灌區(qū)現(xiàn)采用的主要灌溉形式為畦灌，在輸水過程中容易造成水資源的浪費(fèi)，通常可通過調(diào)整井灌區(qū)的灌溉方式和灌溉制度來達(dá)到田間節(jié)水的效果。

2.2.1 節(jié)水灌溉方式 滴灌、噴灌適用于各種水資源短缺的農(nóng)業(yè)種植場(chǎng)合，井灌區(qū)同樣可行。滴灌不破壞土壤結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)損失小，不產(chǎn)生地面徑流，幾乎沒有深層滲漏，水資源的利用率可達(dá)95%，具有很好的節(jié)水增產(chǎn)效果;噴灌節(jié)水效果不及滴灌，但水的利用率相較漫灌大為提高，大約可節(jié)省水量30%～50%。滴灌和噴灌不僅提高了水資源利用率，還無需田間灌水溝渠和畦埂，節(jié)約了土地資源。井間控和渠間控是井灌區(qū)行之有效的節(jié)水灌溉方式。研究人員通過對(duì)比4種不同的灌溉方式（井水間控灌溉、井水間歇灌溉、渠水間控灌溉、渠水間歇灌溉）對(duì)水稻生育及產(chǎn)量的影響，認(rèn)為井間控與渠間控的灌溉方式利用了“快、少”的灌水原則，不僅增溫有效，還有較明顯的節(jié)水和增產(chǎn)效應(yīng)，是理想的節(jié)水灌溉方式[12]。

2.2.2 節(jié)水灌溉制度 制定作物節(jié)水灌溉制度，首先要掌握作物各生育階段和作物需水敏感期計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水量的下限[17]，至少需要保證作物田間需水量，才不至于導(dǎo)致減產(chǎn)等嚴(yán)重后果，節(jié)水灌溉才有意義。井灌區(qū)的節(jié)水灌溉制度，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、種植作物、水文及地形情況等制定。為使得灌溉制度更加合理并顯著提升節(jié)水效果，必須因地制宜，進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。

2.2.3 節(jié)水配套措施 覆蓋保墑技術(shù)可有效減少植物的葉面蒸騰、棵間蒸發(fā)所喪失的水量。目前，覆蓋措施與滴灌措施的結(jié)合技術(shù)膜下滴灌在新疆等蒸發(fā)作用較強(qiáng)的地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，既可以蓄水保墑，又能減少灌溉用水，還能提溫保苗[17]，節(jié)水措施的結(jié)合運(yùn)用為技術(shù)的創(chuàng)新提供了新思路。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）我國(guó)在增溫技術(shù)上仍以沿用過去的經(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)于組合式增溫技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)較少，這將成為未來井灌增溫技術(shù)攻關(guān)的技術(shù)要點(diǎn)與難點(diǎn)。

（2）節(jié)水技術(shù)隨時(shí)代發(fā)展逐步走上“互聯(lián)網(wǎng)+”道路。曾經(jīng)大部分機(jī)井沒有計(jì)量設(shè)施，是導(dǎo)致灌水粗放，水資源浪費(fèi)的因素之一;如今，創(chuàng)建灌溉節(jié)水智能控制與信息化管理系統(tǒng)，有利于進(jìn)行水量的計(jì)量和人為的密切監(jiān)控，這對(duì)從根源上節(jié)水起到了至關(guān)重要的作用。

（3）節(jié)水工程措施與灌水管理需因地制宜。井灌地區(qū)的特點(diǎn)如下：降水時(shí)空分布不均，且與作物生長(zhǎng)不同步，夏季多雨，春季干旱，地表水源在灌溉季節(jié)往往供給不足等。今后需結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，制定相應(yīng)的工程措施與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)灌水管理的科學(xué)化，從而提升節(jié)水效率。

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（責(zé)編：張宏民）