提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率研究

侯 波

(塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院，新疆 塔城 834700)

1 概 述

多年來，灌溉系統(tǒng)的類型發(fā)生了巨大的變化。地表灌溉從1979年占總灌溉量的63%下降至1994年的50%，而低壓系統(tǒng)(如滴灌、噴灌)從1979年占總灌溉量的0.6%上升至1994年的近4%。盡管地下灌溉占相當(dāng)小的數(shù)量，但在使用地下排水系統(tǒng)(包括水位控制技術(shù))改善作物性能和水質(zhì)的地區(qū)，這一點(diǎn)非常重要。當(dāng)然，滴灌系統(tǒng)(和其他低壓系統(tǒng))的大幅增長是因?yàn)樗鼈兊臄?shù)量很少[1]。20世紀(jì)90年代以來，我國每年遭受干旱災(zāi)害的耕地達(dá)0.2×108hm2，糧食產(chǎn)量比正常年份每年減少100×108至250×108kg。在災(zāi)害最嚴(yán)重的年份，糧食產(chǎn)量最多減少500×108kg，經(jīng)濟(jì)作物損失達(dá)600億元。這幾年，農(nóng)村有2.6億人飲水困難。全市工業(yè)缺水約60×108m3，直接損失達(dá)200億元，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)勢在必行[2-3]。

2 農(nóng)業(yè)用水效率現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)用水效率的現(xiàn)狀：①灌溉用水效率低，僅為43%左右，與發(fā)達(dá)國家70%～80%的用水效率相差甚遠(yuǎn)。渠道損失占灌溉水損失的80%以上，全國大型灌溉骨干建筑物損壞率達(dá)到40%，約有40%的大中型水庫存在不同程度的險(xiǎn)情；②灌溉定額普遍偏高，采用傳統(tǒng)灌溉方式，全國平均每公頃實(shí)際灌溉量達(dá)到6 750～7 500 m3，超過實(shí)際需水量的1倍，部分地區(qū)甚至高達(dá)2倍；③自然降水利用率低，0.733 3×108hm2旱地中70%位于中國北方年降水量250～600 mm的地區(qū)。由于蓄水和節(jié)水設(shè)施不足，農(nóng)田利用對自然降水率的影響只有56%左右；④作物水分生產(chǎn)率不高，僅為1.0 kg/m3左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家2.0 kg/m3的水平；⑤不同地區(qū)用水差距較大，比如灤河流域與珠江流域的差距高達(dá)2.5倍；⑥現(xiàn)代灌溉技術(shù)應(yīng)用程度太低。根據(jù)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)對16個(gè)國家灌溉現(xiàn)狀的分析，以色列、德國、奧地利和塞浦路斯的現(xiàn)代灌溉技術(shù)總灌溉面積比應(yīng)用面積達(dá)到61%以上，美國、澳大利亞、埃及和意大利的現(xiàn)代灌溉技術(shù)總灌溉面積比應(yīng)用面積約為11%至30%。而我國噴灌滴灌面積僅為80×104hm2左右，占有效灌溉面積的1.5%。因此，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大[4-5]。

3 提高農(nóng)業(yè)用水效率的途徑

提高農(nóng)業(yè)用水效率主要從農(nóng)業(yè)節(jié)水、工程節(jié)水和節(jié)水管理3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，具體見表1。

表1 提高農(nóng)田灌溉效率的改進(jìn)方案

3.1 灌溉系統(tǒng)的選擇

迄今為止，灌溉模型已將重點(diǎn)放在運(yùn)河輸水和農(nóng)場灌溉管理上，以滿足灌溉人員和方案管理人員的具體需求。不過，它對水資源規(guī)劃人員和廣大決策者的支持肯定非常有限。其根本原因在于，灌溉模式通常只關(guān)注水平衡的有限部分，缺少重要水源以及灌溉項(xiàng)目中的用水。特別是，沒有考慮到灌溉回流的可能性和再循環(huán)。然而，回流的循環(huán)利用會(huì)對水的利用效率、生產(chǎn)力和平衡產(chǎn)生重大影響，特別是在缺水的情況下。

綠洲模型的設(shè)計(jì)是為了解決其他灌溉模式的主要缺點(diǎn)。它基于一個(gè)綜合建模框架，該框架包括主要灌溉系統(tǒng)組件(包括地下水和排水系統(tǒng))及其相互作用的概念表示(圖1)。綠洲模型的主要特點(diǎn)：

1) 具有灌溉項(xiàng)目內(nèi)水平衡的所有主要因素的能力，包括休耕地和非作物植被的非過程消耗。

2) 考慮灌溉回流循環(huán)的能力，從而允許連接渠道、地下水和排水的使用。

3) 在實(shí)際或假設(shè)條件下適當(dāng)量化用水效率、生產(chǎn)力和平衡性的能力。

圖1 綠洲灌溉模型

3.2 工程節(jié)水

3.2.1 采用先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)

應(yīng)采取因地制宜的合理灌溉措施，在經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的缺水地區(qū)發(fā)展噴灌和微灌，經(jīng)濟(jì)實(shí)力薄弱地區(qū)應(yīng)考慮采用田間簡易節(jié)水灌溉技術(shù)，如小農(nóng)滴灌系統(tǒng)(圖2)，這些系統(tǒng)試圖保留傳統(tǒng)滴灌的好處，同時(shí)消除阻礙小農(nóng)戶采用滴灌的因素，例如高昂的購買成本和復(fù)雜的操作和維護(hù)。

1) 蓄水池：水在所需壓力下從蓄水池(桶或桶)流向管道系統(tǒng)。

2) 控制：管道系統(tǒng)中的閥門(龍頭)控制流量和壓力。

3) 主干線和側(cè)線：連接儲(chǔ)層和油田中的發(fā)射器。側(cè)面可以是多孔管或具有多個(gè)出口分配器(發(fā)射器)。

4) 排放器/滴頭：這些裝置控制從側(cè)面到工廠的水流。

小農(nóng)滴灌系統(tǒng)有幾個(gè)共同的特點(diǎn)：20～1 000 m2小塊土地的成套設(shè)備；0.5～4 m范圍內(nèi)的低壓；防止顆粒進(jìn)入側(cè)面的簡單過濾器；以及設(shè)計(jì)為可移動(dòng)的主管道和側(cè)面管道。

盡管水必須被帶到桶里，但少量的水可以灌溉大面積的土地。假設(shè)作物需水量為5 mm/天，通常用于日平均溫度約為20℃的高地地區(qū)，一個(gè)200 L的水桶可灌溉面積為100 m2?？梢酝ㄟ^使用多個(gè)水桶來增加灌溉面積。

圖2 小農(nóng)滴灌系統(tǒng)

3.2.2 改進(jìn)傳統(tǒng)地面灌溉技術(shù)

小溝灌“三變”技術(shù)是指長邊改短溝，寬溝改窄溝，大壟改小壟。關(guān)鍵是要做好田間灌溉水量分配，節(jié)約灌溉時(shí)間，減少灌溉用水損失。長邊段畦灌是將長壟分成多個(gè)有小壟溝的橫壟，然后用塑料軟管或垂直地面將灌溉水溝渠入庫的灌溉方法。該方法比一般長溝灌溉節(jié)水40%～60%，田埂少，省力，便于耕作。對土地多人少、勞動(dòng)力短缺、缺水的地區(qū)有好處。涌流灌溉又稱間歇灌溉或涌灌溉，它是指灌溉技術(shù)在一定時(shí)期內(nèi)間歇地向溝(畦)內(nèi)涌水，使水流向溝(畦)的末端像涌水一樣，使表層土壤濕潤。該方法具有省時(shí)、節(jié)水、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)灌溉、設(shè)備少、投資少、節(jié)水效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)水率為30%～50%。

3.3 農(nóng)業(yè)節(jié)水

通常將用水效率定義為WUE=作物產(chǎn)量(通常是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量)/生產(chǎn)用水，如果作物產(chǎn)量以g·m-2表示，用水量以mm表示，則WUE在單位水量基礎(chǔ)上的單位為kg·m-3，或在單位水量基礎(chǔ)上的單位為g·kg-1。表達(dá)式可以寫成ETWUE和IWUE。

(1)

(2)

式中：Yi為灌溉期間產(chǎn)量；ETi為灌溉水平年i的作物需水量；Yd為干旱期間產(chǎn)量；ETd為等效旱地或僅旱地的凈需水量；Ii為灌溉水平年i的灌溉量。

式(1)中的用水量很難精確確定。因此在某些情況下，許多灌溉從業(yè)者使用基準(zhǔn)WUE可以定義為：

(3)

式中：HI為收獲指數(shù)(單位干物質(zhì)的干產(chǎn)量)；DM為物質(zhì)干重量，g·m-2(必須與用于計(jì)算收獲指數(shù)的干物質(zhì)成分相同，無論是地上干物質(zhì)還是包括根在內(nèi)的總干物質(zhì))；T為蒸騰作用，mm；WC為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)含水量；E為土壤水分蒸發(fā)量，mm；P為降水量，mm；I為灌溉量；SW為根區(qū)土壤水分耗竭量，mm；D為根區(qū)以下的深層滲透量，mm；Q為地表徑流，mm。

式(3)代表了提高WUE提供的所有農(nóng)藝和工程機(jī)制。①通過作物育種或管理提高收獲指數(shù)；②通過改良的物種選擇、品種選擇或作物育種來減少蒸騰比率(T/DM)；③通過提高肥力、病蟲害防治和最佳種植來最大化干物質(zhì)產(chǎn)量；④相對于其他水平衡成分增加蒸騰成分。

3.4 節(jié)水管理

3.4.1 加強(qiáng)聯(lián)合多部門建立水資源統(tǒng)一管理制度

節(jié)水農(nóng)業(yè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及農(nóng)業(yè)、水利、科技、城建、環(huán)保、氣象、宣傳、規(guī)劃等多個(gè)部門。各部門之間缺乏合作機(jī)制，效率低下。因此，有必要建立一個(gè)全面的協(xié)調(diào)機(jī)制，為各部門的聯(lián)合創(chuàng)造條件。

3.4.2 相關(guān)部門聯(lián)合實(shí)施項(xiàng)目管理辦法。

制定多部門節(jié)水農(nóng)業(yè)規(guī)劃，并將其作為相關(guān)部門工作的重要組成部分。充分重視地方部門的效益，地方部門在節(jié)水工作中起著至關(guān)重要的作用，節(jié)約用水只能靠地方部門的積極性。

3.4.3 從供水管理的水資源管理理念轉(zhuǎn)變?yōu)橛盟枨蠊芾砝砟?/p>

傳統(tǒng)的水資源管理可以統(tǒng)稱為供水管理，其主要特點(diǎn)是以工農(nóng)業(yè)用水需求為基礎(chǔ)，通過建立大中型水利工程來實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡。供水管理最大的缺陷是忽視了節(jié)約用水的可能性，希望解決供水中的水資源供需矛盾，造成水資源浪費(fèi)和效率低下。供水管理必須轉(zhuǎn)變?yōu)橛盟枨蠊芾?。用水需求管理是綜合運(yùn)用行政、法律和經(jīng)濟(jì)手段，規(guī)范人類在水資源開發(fā)利用中的行為，從而實(shí)現(xiàn)有限水資源的合理利用和優(yōu)化配置。強(qiáng)調(diào)水資源是稀缺商品，通過建立合理的水價(jià)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有水資源利用的優(yōu)化。

3.4.4 充分發(fā)揮農(nóng)民節(jié)水積極性

為了提高農(nóng)業(yè)用水效率，必須有用戶的參與。所有的技術(shù)和措施最終都被用戶使用。用戶是節(jié)水的主體，其行為和質(zhì)量在一定程度上決定著節(jié)水效率。因此，民主管理機(jī)制是節(jié)水的重要因素之一。同時(shí)，還必須對農(nóng)業(yè)灌溉水價(jià)進(jìn)行改革。否則，農(nóng)民節(jié)約用水的積極性就無法發(fā)揮。

4 結(jié) 語

灌溉作為一種提高產(chǎn)量和提高水分利用效率的手段，在國內(nèi)和世界范圍內(nèi)仍然至關(guān)重要。許多農(nóng)藝、工程和管理技術(shù)可以減少灌溉農(nóng)業(yè)的非生產(chǎn)用水，然而在某些情況下，提高灌溉效率并不能簡單地獲得新的分配用水，除非實(shí)際減少了轉(zhuǎn)移用水的消耗性使用部分。為優(yōu)化水資源配置和高效利用，提供充足的糧食，改善生態(tài)環(huán)境，滿足工農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)用水效率，完善用水效率控制體系，建立節(jié)水型社會(huì)勢在必行。