淺析我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)研究及進(jìn)展

廖佐毅 ， 張廬陵 ， 廖章一 ， 鄧勇杰

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但水資源時(shí)空分布不均嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。節(jié)水灌溉技術(shù)在提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率、促進(jìn)生態(tài)綠色發(fā)展和增產(chǎn)增收等方面發(fā)揮著重要作用。據(jù)國(guó)家水利部《2019年中國(guó)水資源公報(bào)》公布數(shù)據(jù)顯示[1]，當(dāng)年全國(guó)水資源總量為29 041.0億m3，全國(guó)用水總量為6 021.2億m3，占當(dāng)年水資源總量的20.7%，其中，農(nóng)業(yè)用水量3 682.3億m3，占用水總量的61.2%，耕地實(shí)際灌溉畝均用水量368m3，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)0.559。灌溉是第一耗水大戶，我國(guó)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的0.7～0.8，由此可見，我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前國(guó)家農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，所以發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)是緩解水資源短缺、提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的國(guó)家重要戰(zhàn)略舉措。

1 國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

世界發(fā)達(dá)國(guó)家節(jié)水灌溉技術(shù)均呈現(xiàn)高技術(shù)、高投入和管理現(xiàn)代化的特點(diǎn)，美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)研究起步較早，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和精細(xì)化水平較高，灌溉控制體系已經(jīng)相當(dāng)成熟。

其中最具代表性的國(guó)家為以色列，創(chuàng)造了由“沙漠之國(guó)”打造成農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的“沙漠奇跡”，科學(xué)管理、充分整合水資源，以色列先進(jìn)的咸水淡化技術(shù)和廢水循環(huán)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)55%的國(guó)內(nèi)用水來自海水淡化，廢水處理率高達(dá)75%，位居世界第一；大力研發(fā)高新、精準(zhǔn)、智能灌溉設(shè)備，以色列生產(chǎn)的80%灌溉設(shè)備用以出口，農(nóng)業(yè)科技貢獻(xiàn)率在90%以上，其水肥一體化技術(shù)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(guó)基本上實(shí)現(xiàn)灌溉管理節(jié)約化、精準(zhǔn)化和智能化的以色列現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。

美國(guó)是世界上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化程度最高的國(guó)家，據(jù)FAO（聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織）統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的噴灌面積占總灌溉面積的48%（2010年），微噴面積占全美微灌面積的52.8%。近年來，美國(guó)的微灌面積發(fā)展很快，到2010年已發(fā)展到1.53×106hm2，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46.3%，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(xiàn)代信息技術(shù)不斷發(fā)展，美國(guó)、以色列、加拿大和日本等國(guó)率先采用計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、航測(cè)、衛(wèi)星遙感控制等技術(shù)不同程度實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、智能化。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來，連續(xù)11個(gè)“中央一號(hào)文件”和中央水利工作會(huì)議，都把節(jié)水灌溉作為重大戰(zhàn)略，我國(guó)節(jié)水灌溉產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展快車道。根據(jù)《第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查》結(jié)果顯示[3]，截至2016年末，我國(guó)節(jié)水灌溉的基本現(xiàn)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(shè)施的耕地面積10 018khm2，占灌溉耕地面積的16.2%。2019年全年我國(guó)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(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.559。如今我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比依然存在較大差距，高效農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)依然存在巨大發(fā)展空間和潛力。

袁其濤通過對(duì)比國(guó)外噴頭裝備、噴灌機(jī)、可再生能源節(jié)水灌溉技術(shù)及微灌技術(shù)，提出我國(guó)節(jié)水灌溉裝備應(yīng)加大丘陵山區(qū)節(jié)水灌溉綜合配套技術(shù)研究，智能化精確噴灌機(jī)組研究，低成本高效噴、微灌和水肥藥協(xié)同精準(zhǔn)控制技術(shù)與裝備研究，清潔能源節(jié)水灌溉裝備與技術(shù)研究[4]。金宏智綜合分析國(guó)外節(jié)水灌溉工程技術(shù)與設(shè)備及其應(yīng)用，認(rèn)為我國(guó)應(yīng)該在節(jié)水灌溉設(shè)備選型和技術(shù)推廣方面需結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件選擇因地制宜的農(nóng)業(yè)灌溉模式[2]。高雪梅分析國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，目前我國(guó)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(jià)偏低；2）節(jié)水灌溉技術(shù)水平偏低；3）資金投入不足，節(jié)水灌溉設(shè)備不夠完善；4）盲目引進(jìn)，國(guó)家、各級(jí)政府對(duì)節(jié)水灌溉支持力度不夠[5]。

2 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)

2.1 渠道防滲技術(shù)

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

1）砌石防滲技術(shù)，砌筑卵石、塊石、料石和石板等石料作為護(hù)面層，具有抗沖、抗凍、抗磨和耐久性好，施工簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，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(shù)，澆筑或砌筑混凝土作為護(hù)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(shì)，是目前最為常見的一種渠道防滲措施，通過現(xiàn)澆、預(yù)制和噴射的施工方式進(jìn)行施工。

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

4）膜料防滲技術(shù)，鋪設(shè)土工膜、塑料薄膜，油氈、膨潤(rùn)土防水毯等以減少渠道水量滲漏損失的措施，其優(yōu)勢(shì)在于防滲效果好，重量輕，運(yùn)輸量小。當(dāng)采用土料保護(hù)層時(shí)，造價(jià)較低，但占地多，允許流速??；當(dāng)采用剛性保護(hù)層時(shí)，造價(jià)較高，適用于中小型渠道襯砌。

渠道防滲技術(shù)的應(yīng)用，可有效提高輸水利用率，提高渠道穩(wěn)定性，增強(qiáng)水流流速和輸水能力，利于調(diào)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(hù)成本。工程實(shí)踐證明，該技術(shù)可減少滲漏損失達(dá)70%～90%，減少管理養(yǎng)護(hù)費(fèi)用70%，可使渠系灌溉水利用系數(shù)提高到0.6～0.85。近年來，我國(guó)在渠道防滲技術(shù)的研究中，不斷強(qiáng)化防滲材料性能且趨于復(fù)合型材料，渠道結(jié)構(gòu)型式不斷豐富，施工方式向機(jī)械化、半機(jī)械化發(fā)展。

2.2 低壓管道輸水技術(shù)

低壓管道輸水技術(shù)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0.002 MPa～0.005MPa，最大壓力一般不超過0.2MPa）將灌溉水由分水設(shè)施輸送到田間進(jìn)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(jí)輸配水壓力管道系統(tǒng)和田間出水口三大部分構(gòu)成。

低壓管道輸水技術(shù)的主要特點(diǎn)：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(shù)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(shí)適量灌溉，輸水迅速，縮短了輪灌周期，有利于增產(chǎn)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(yīng)各種地形，擴(kuò)大灌溉面積；4）占用耕地少，便于機(jī)械耕作，輸水管道埋于地下，可減少2%～3%的渠道占地；5）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)于不同水源、作物、土壤及流量的適應(yīng)性強(qiáng)，便于推廣。

2.3 噴灌技術(shù)

噴灌是利用專門的設(shè)備(水源工程、水泵機(jī)組、管道系統(tǒng)、噴頭等)將壓力水噴射到空中分散成細(xì)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(dòng)式噴灌三種類型，在我國(guó)用得較多的有固定管道式噴灌、半移動(dòng)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(nóng)藥、預(yù)防霜凍和熱風(fēng)，而且不產(chǎn)生地表徑流和深層滲漏[8]。噴灌技術(shù)的主要特點(diǎn)：

1）優(yōu)點(diǎn)：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(dá)0.8～0.9，灌溉水有效利用系數(shù)可達(dá)0.8以上，比地面灌溉節(jié)水30%～50%以上，在透水性強(qiáng)的砂質(zhì)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(shí)適量均勻灌溉，可避免過量灌溉導(dǎo)致土壤次生鹽堿化，還可防止地表徑流和深層滲漏，不易產(chǎn)生水土流失和土壤板結(jié)；④省工，可減少渠系建設(shè)和維護(hù)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(shè)，能增加15%～20%播種面積；⑥增產(chǎn)，糧食作物增產(chǎn)10%～20%，經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)20%～30%，蔬菜增產(chǎn)1～2倍，果樹增產(chǎn)15%～20%。

2）缺點(diǎn)：①受風(fēng)力影響大，3～4級(jí)風(fēng)時(shí)，噴灌均勻系數(shù)達(dá)到65%～75%，水滴飄移和蒸發(fā)損失增大到10%以上，因此在風(fēng)大的地方不適宜采用噴灌；②深層土壤濕潤(rùn)不理想，噴灌一般能濕潤(rùn)土壤深度為20cm～30cm，但對(duì)深層濕潤(rùn)就比較困難；③不適合小型農(nóng)戶，噴灌設(shè)備一次性投資大，技術(shù)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(wǎng)、尾部設(shè)備等構(gòu)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(zhǎng)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(rùn)作物根區(qū)小面積的土壤，因而也被稱為局部灌溉技術(shù)[9]。微灌是一種最為節(jié)水的精細(xì)灌溉技術(shù)，灌溉水有效利用系數(shù)高達(dá)0.9以上，其灌水自動(dòng)化程度高、田間管理工作量少，而且對(duì)于農(nóng)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(zhì)量和優(yōu)化設(shè)計(jì)是今后發(fā)揮微灌技術(shù)優(yōu)勢(shì)、提升灌溉質(zhì)量的關(guān)鍵問題。

2.5 滴灌

滴灌是微灌中的一種，滴水灌溉的簡(jiǎn)稱，分為地表滴灌和地下滴灌。安裝在毛管上的滴頭或管網(wǎng)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(xì)管作用和重力作用下擴(kuò)散到整個(gè)根層供作物吸收利用的一種灌水方式[11]。滴灌技術(shù)誕生于以色列，目前美國(guó)的滴灌面積約占總灌溉面積的4.2%，以色列則高達(dá)60%。滴灌技術(shù)比噴灌更節(jié)水，節(jié)水量可達(dá)30%～50%，而且能有效防止土壤鹽堿化和土壤板結(jié)，減少病蟲害，提高肥效，增產(chǎn)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(yùn)行和管理難度大等缺點(diǎn)。韓啟彪、馮紹元等認(rèn)為未來中國(guó)滴灌技術(shù)的發(fā)展需要在理論技術(shù)上加強(qiáng)管網(wǎng)優(yōu)化、多水源滴灌系統(tǒng)、低能耗滴灌等方面研究，針對(duì)大流量過濾器、新型灌水器、精準(zhǔn)施灌設(shè)備、智能化硬件和軟件、滴灌鋪設(shè)回收裝置等滴灌新產(chǎn)品的研發(fā)需進(jìn)一步強(qiáng)化，同時(shí)需加強(qiáng)和完善滴灌基層服務(wù)隊(duì)伍建設(shè)[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(dòng)層的微孔滲灌管將灌溉水呈發(fā)汗?fàn)顫B出，憑借土壤毛細(xì)管作用給作物根系供水的一種先進(jìn)的灌水方式，加大管網(wǎng)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(shù)，國(guó)內(nèi)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(chǎn)增收、改善土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，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(guó)、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的滲灌技術(shù)已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段[13]，李典認(rèn)為滲灌技術(shù)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(jié)語

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)是我國(guó)鄉(xiāng)村振興中農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要工程舉措，我國(guó)農(nóng)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(dòng)化、精準(zhǔn)化、智能化高性能灌溉設(shè)備，不斷完善農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理體制和政策。未來我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需要更多高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)水灌溉裝備作為支撐，加強(qiáng)節(jié)水灌溉技術(shù)研究勢(shì)在必行，積極推動(dòng)我國(guó)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(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。