淺析我國農業(yè)節(jié)水灌溉技術研究及進展

　　摘　要：中國是世界上人均水資源占有量最貧乏的 13 個國家之一，水是農業(yè)的命脈，水資源的嚴重不足，使我國農業(yè)發(fā)展面臨非常大的挑戰(zhàn)。發(fā)展節(jié)水灌溉技術是我國未來農業(yè)發(fā)展的一項重大戰(zhàn)略決策，也是堅持綠色發(fā)展理念的必然選擇。為了解我國農業(yè)節(jié)水灌溉技術現狀和研究進展，本文通過綜合分析國內外節(jié)水灌溉技術現狀，梳理我國目前主要的節(jié)水灌溉工程技術，總結我國在農業(yè)節(jié)水灌溉技術現階段面臨的主要問題和未來發(fā)展趨勢。

　　本文源自廖佐毅; 張廬陵; 廖章一; 鄧勇杰， 南方農機 發(fā)表時間：2021-04-14《南方農機》(雙月刊)創(chuàng)刊于1970年，由江西省農業(yè)機械研究所、江西省農業(yè)機械化技術推廣站、江西省農業(yè)機械學會主辦。本刊是國內外公開發(fā)行，頗有南方特色的農機化技術刊物，以全面推介南方適用農業(yè)機械，大力普及實用農機科技為宗旨，謁誠為廣大農村機手、農機生產和銷售企業(yè)、基層農機工作者、農機科技人員服務。主要讀者群為南方15省市各級農機工作者及廣大農林機手、拖拉機駕駛員。涵蓋面廣、發(fā)行量大，是貴單位宣傳企業(yè)形象、擴大知名度、特別是產品迅速占領市場、擴大市場份額的最佳媒體。

　　關鍵詞：農業(yè)節(jié)水;灌溉技術;現狀

　　我國是農業(yè)大國，但水資源時空分布不均嚴重制約了我國農業(yè)的發(fā)展。節(jié)水灌溉技術在提高農業(yè)灌溉用水效率、促進生態(tài)綠色發(fā)展和增產增收等方面發(fā)揮著重要作用。據國家水利部《2019年中國水資源公報》公布數據顯示[1]，當年全國水資源總量為 29 041.0億 m3 ，全國用水總量為 6 021.2 億 m3 ，占當年水資源總量的 2 0. 7%，其中，農業(yè)用水量 3 682.3億 m3 ，占用水總量的 61.2%，耕地實際灌溉畝均用水量 368m3 ，農田灌溉水有效利用系數 0.559。灌溉是第一耗水大戶，我國農田灌溉水利用系數遠低于發(fā)達國家的 0.7～0.8，由此可見，我國節(jié)水灌溉技術水平還遠遠滿足不了當前國家農業(yè)的發(fā)展需求，所以發(fā)展節(jié)水灌溉技術是緩解水資源短缺、提高農業(yè)經濟效益的國家重要戰(zhàn)略舉措。

　　1　國內外節(jié)水灌溉技術現狀

　　1.1 國外現狀

　　世界發(fā)達國家節(jié)水灌溉技術均呈現高技術、高投入和管理現代化的特點，美國、日本、荷蘭等國家對節(jié)水灌溉技術研究起步較早，農業(yè)現代化和精細化水平較高，灌溉控制體系已經相當成熟。

　　其中最具代表性的國家為以色列，創(chuàng)造了由“沙漠之國”打造成農業(yè)強國的“沙漠奇跡”，科學管理、充分整合水資源，以色列先進的咸水淡化技術和廢水循環(huán)利用技術，實現 55%的國內用水來自海水淡化，廢水處理率高達 75%，位居世界第一;大力研發(fā)高新、精準、智能灌溉設備，以色列生產的 80%灌溉設備用以出口，農業(yè)科技貢獻率在 90%以上，其水肥一體化技術能將灌溉水利用率提高到 95%以上、肥料利用率提高到 80% 以上，微灌面積占總灌溉面積的 80%以上，全國基本上實現灌溉管理節(jié)約化、精準化和智能化的以色列現代農業(yè)。

　　美國是世界上農業(yè)生產現代化程度最高的國家，據 FAO(聯合國糧食及農業(yè)組織)統(tǒng)計，美國的噴灌面積占總灌溉面積的 4 8%( 2 0 1 0 年)，微噴面積占全美微灌面積的 52.8%。近年來，美國的微灌面積發(fā)展很快，到 2010年已發(fā)展到 1.53×106 hm2 ，其中滴灌面積占微灌面積的 45.86%，利用襯砌渠道灌溉面積占地面灌溉的 4 6 . 3 %，利用管道 輸水灌、閘管灌、波涌灌的灌溉面積占地面灌溉面積的 37.33%[2]。

　　隨著灌溉渠系日趨管道化、現代信息技術不斷發(fā)展，美國、以色列、加拿大和日本等國率先采用計算機、物聯網、航測、衛(wèi)星遙感控制等技術不同程度實現了農業(yè)節(jié)水灌溉管理自動化、精準化、智能化。

　　1.2 國內現狀

　　21世紀以來，連續(xù) 11個“中央一號文件”和中央水利工作會議，都把節(jié)水灌溉作為重大戰(zhàn)略，我國節(jié)水灌溉產業(yè)進入高速發(fā)展快車道。根據《第三次全國農業(yè)普查》結果顯示[3]，截至 2016年末，我國節(jié)水灌溉的基本現狀是，耕地總面積為 134 921khm2 ，其中灌溉耕地面積 61 890khm2 ，占耕地面積的 45.9%，其中節(jié)水灌溉面積 34 319khm2 ，占灌溉耕地面積的 55.4%，有噴灌、滴灌、滲灌設施的耕地面積 1 0 018khm2 ，占灌溉耕地面積的 16.2%。2019年全年我國新增耕地灌溉面積 27萬 hm2 ，新增高效節(jié)水灌溉面積 146萬 hm2 ，全國農田灌溉水有效利用系數為 0.559。如今我國節(jié)水灌溉技術發(fā)展水平與世界發(fā)達國家相比依然存在較大差距，高效農業(yè)節(jié)水灌溉技術依然存在巨大發(fā)展空間和潛力。

　　袁其濤通過對比國外噴頭裝備、噴灌機、可再生能源節(jié)水灌溉技術及微灌技術，提出我國節(jié)水灌溉裝備應加大丘陵山區(qū)節(jié)水灌溉綜合配套技術研究，智能化精確噴灌機組研究，低成本高效噴、微灌和水肥藥協(xié)同精準控制技術與裝備研究，清潔能源節(jié)水灌溉裝備與技術研究[4]。金宏智綜合分析國外節(jié)水灌溉工程技術與設備及其應用，認為我國應該在節(jié)水灌溉設備選型和技術推廣方面需結合當地條件選擇因地制宜的農業(yè)灌溉模式 [2]。高雪梅分析國內外節(jié)水灌溉現狀和發(fā)展趨勢，目前我國節(jié)水灌溉存在的主要問題： 1)節(jié)水管理體制和政策不夠完善，水價偏低;2)節(jié)水灌溉技術水平偏低;3)資金投入不足，節(jié)水灌溉設備不夠完善; 4)盲目引進，國家、各級政府對節(jié)水灌溉支持力度不夠[5]。

　　2　農業(yè)節(jié)水灌溉技術

　　2.1 渠道防滲技術

　　渠道防滲是減少渠道輸水水量滲漏損失的工程技術措施。在渠道防滲工程中 ,主要防滲技術有[6]：

　　1)砌石防滲技術，砌筑卵石、塊石、料石和石板等石料作為護面層，具有抗沖、抗凍、抗磨和耐久性好，施工簡便的特點，適用于石料來源充足、有抗沖、抗凍、耐磨要求的渠道工程，但防滲效果不易保證。

　　2)混凝土防滲技術，澆筑或砌筑混凝土作為護面層，具有防滲效果、抗沖擊性和耐久性好，適用范圍廣的優(yōu)勢，是目前最為常見的一種渠道防滲措施，通過現澆、預制和噴射的施工方式進行施工。

　　3)瀝青混凝土防滲技術，鋪筑或砌筑瀝青混凝土作為護面層，該技術防滲效果好，適應地基變形能力強，造價與混凝土防滲技術相近，在有凍害地區(qū)優(yōu)勢明顯，但需保證瀝青料來源。

　　4)膜料防滲技術，鋪設土工膜、塑料薄膜，油氈、膨潤土防水毯等以減少渠道水量滲漏損失的措施，其優(yōu)勢在于防滲效果好，重量輕，運輸量小。當采用土料保護層時，造價較低，但占地多，允許流速小;當采用剛性保護層時，造價較高，適用于中小型渠道襯砌。

　　渠道防滲技術的應用，可有效提高輸水利用率，提高渠道穩(wěn)定性，增強水流流速和輸水能力，利于調控地下水位，可有效防止土壤次生鹽堿化和沼澤化，降低施工、管理和維護成本。工程實踐證明，該技術可減少滲漏損失達 70%～90%，減少管理養(yǎng)護費用 70%，可使渠系灌溉水利用系數提高到 0.6～0.85。近年來，我國在渠道防滲技術的研究中，不斷強化防滲材料性能且趨于復合型材料，渠道結構型式不斷豐富，施工方式向機械化、半機械化發(fā)展。

　　2.2 低壓管道輸水技術

　　低壓管道輸水技術是指用管道代替?zhèn)鹘y(tǒng)明渠的一種輸水工程措施，它通過一定的壓力(一般只有 0. 0 0 2 MPa～0.005MPa，最大壓力一般不超過 0.2MPa)將灌溉水由分水設施輸送到田間進行灌溉，管道一般都采用地埋式，屬于地面灌溉方式。主要由首部取水樞紐、各級輸配水壓力管道系統(tǒng)和田間出水口三大部分構成。

　　低壓管道輸水技術的主要特點：1)節(jié)約用水，由于低壓管道輸水一般采用地埋式，因此基本可以消除水在輸送過程中的滲漏和蒸發(fā)，灌溉水的利用系數可提高到 0.95～0.97，比混凝土板襯砌渠道、砌石渠道、土渠分別多節(jié)水約 7%、15%、30%;2)適時適量灌溉，輸水迅速，縮短了輪灌周期，有利于增產增收;3)成本低，效益高，灌溉水的利用率提高，抽水量減少，相比于渠道灌溉可減少能耗約 30%，還可適應各種地形，擴大灌溉面積;4)占用耕地少，便于機械耕作，輸水管道埋于地下，可減少 2%～3%的渠道占地;5)設備簡單，操作方便，對于不同水源、作物、土壤及流量的適應性強，便于推廣。

　　2.3 噴灌技術

　　噴灌是利用專門的設備 (水源工程、水泵機組、管道系統(tǒng)、噴頭等 )將壓力水噴射到空中分散成細小水滴，并均勻地灑落到田間的灌溉方法。噴灌按灌水方式可分為固定式、半固定式和移動式噴灌三種類型，在我國用得較多的有固定管道式噴灌、半移動式管道噴灌、滾移式噴灌、圓形式噴灌、平移式噴灌、絞盤式噴灌等[7]。噴灌幾乎適用于灌溉所有的旱作物，如蔬菜、果樹等，而且平原和山丘區(qū)均適用;并且可用于噴灑肥料、農藥、預防霜凍和熱風，而且不產生地表徑流和深層滲漏[8]。噴灌技術的主要特點：

　　1)優(yōu)點：①節(jié)水效果顯著，噴灌水量可控，灌溉均勻，一般情況下均勻度可達 0.8～0.9，灌溉水有效利用系數可達 0.8以上，比地面灌溉節(jié)水 30%～50%以上，在透水性強的砂質土可省水高于 70%;②適用范圍廣，適用于各種地形和作物;③能適時適量均勻灌溉，可避免過量灌溉導致土壤次生鹽堿化，還可防止地表徑流和深層滲漏，不易產生水土流失和土壤板結;④省工，可減少渠系建設和維護管理以及土地平整工作;⑤提高土地利用率，減少了地面的溝渠建設，能增加 15%～20%播種面積;⑥增產，糧食作物增產 10%～20%，經濟作物增產 20%～30%，蔬菜增產 1～2倍，果樹增產 15%～20%。

　　2)缺點：①受風力影響大，3～4 級風時，噴灌均勻系數達到 65%～75%，水滴飄移和蒸發(fā)損失增大到 10% 以上，因此在風大的地方不適宜采用噴灌;②深層土壤濕潤不理想，噴灌一般能濕潤土壤深度為 20cm～30cm，但對深層濕潤就比較困難;③不適合小型農戶，噴灌設備一次性投資大，技術含量高，管理難度大[9]。

　　2.4 微灌

　　微灌系統(tǒng)主要由水源、首部樞紐、輸配水管網、尾部設備等構成，通過管道末端的灌水器和連接的微灌系統(tǒng)將水和作物生長所需的養(yǎng)分均勻、精確地輸送到作物根部附近的土壤。微灌僅用少量的水去濕潤作物根區(qū)小面積的土壤，因而也被稱為局部灌溉技術 [9]。微灌是一種最為節(jié)水的精細灌溉技術，灌溉水有效利用系數高達 0.9以上，其灌水自動化程度高、田間管理工作量少，而且對于農田污染、沙漠化治理、水土保持等方面發(fā)揮巨大作用[10]。微灌包括微灌微噴灌、滴灌和滲灌等。合理規(guī)劃微灌系統(tǒng)以及提高灌水器的質量和優(yōu)化設計是今后發(fā)揮微灌技術優(yōu)勢、提升灌溉質量的關鍵問題。

　　2.5 滴灌

　　滴灌是微灌中的一種，滴水灌溉的簡稱，分為地表滴灌和地下滴灌。安裝在毛管上的滴頭或管網和滴灌帶等灌水器將具有一定壓力的水一滴一滴地、均勻而又緩慢地滴入作物根部附近土壤中，水分在毛細管作用和重力作用下擴散到整個根層供作物吸收利用的一種灌水方式[11]。滴灌技術誕生于以色列，目前美國的滴灌面積約占總灌溉面積的 4.2%，以色列則高達 60%。滴灌技術比噴灌更節(jié)水，節(jié)水量可達 30%～50%，而且能有效防止土壤鹽堿化和土壤板結，減少病蟲害，提高肥效，增產增收，節(jié)能省工，挺高土地利用率，但也存在滴口易堵塞，灌水均勻度控制難度大，作物需水期容易供水不足，操作運行和管理難度大等缺點。韓啟彪、馮紹元等認為未來中國滴灌技術的發(fā)展需要在理論技術上加強管網優(yōu)化、多水源滴灌系統(tǒng)、低能耗滴灌等方面研究，針對大流量過濾器、新型灌水器、精準施灌設備、智能化硬件和軟件、滴灌鋪設回收裝置等滴灌新產品的研發(fā)需進一步強化，同時需加強和完善滴灌基層服務隊伍建設[12]。

　　2.6 滲灌

　　滲灌是地下微灌的一種形式，在低壓條件下，埋于作物根系活動層的微孔滲灌管將灌溉水呈發(fā)汗狀滲出，憑借土壤毛細管作用給作物根系供水的一種先進的灌水方式，加大管網水壓力可變滲灌為涌泉灌。滲灌是目前灌溉水利用效率最高的一種節(jié)水灌溉技術，國內有低壓滲灌和重力滲灌兩種方式。滲灌具有節(jié)水節(jié)能、減輕病蟲害、抑制雜草、增產增收、改善土壤結構等優(yōu)點，也存在易堵塞、灌水均勻度不易控制、作物需水期易供水不足、滲灌管埋深與耕作存在矛盾等不足之處。美國、法國、日本等發(fā)達國家的滲灌技術已進入推廣應用階段[13]，李典認為滲灌技術研究最主要問題依舊是滲灌管堵塞問題，滲灌管堵塞不僅直接影響灌水均勻度，而且最終決定灌溉系統(tǒng)使用年限[14]。

　　3　結語

　　農業(yè)節(jié)水灌溉技術是我國鄉(xiāng)村振興中農業(yè)發(fā)展的一項重要工程舉措，我國農業(yè)灌溉需更合理、多樣化規(guī)劃水源開發(fā)利用，自主研發(fā)更多高新化、自動化、精準化、智能化高性能灌溉設備，不斷完善農業(yè)節(jié)水灌溉管理體制和政策。未來我國智慧農業(yè)發(fā)展需要更多高標準的節(jié)水灌溉裝備作為支撐，加強節(jié)水灌溉技術研究勢在必行，積極推動我國節(jié)水灌溉事業(yè)持續(xù)發(fā)展，取得更好的節(jié)水效果、經濟效益、社會效益和生態(tài)效益。