基于農(nóng)田水利灌溉技術(shù)提升水資源利用率分析

摘 要：為達到提升農(nóng)田水資源利用率的目標(biāo)，文章將結(jié)合農(nóng)田水利工程項目的現(xiàn)狀，詳細闡述了不同灌溉方法的技術(shù)要點，之后結(jié)合某地區(qū)的實際經(jīng)驗，總結(jié)了農(nóng)田水利灌溉技術(shù)的實施路徑與效果，最后對水利灌溉技術(shù)的未來發(fā)展進行展望。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田水利灌溉；水資源利用率；土壤水分

長期以來，水資源供給不足是影響地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要因素，在這一背景下，提升農(nóng)田水利資源利用率對于提升農(nóng)作物產(chǎn)量有重要意義。從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，農(nóng)田水利灌溉技術(shù)種類多樣，所能取得的節(jié)水效果存在明顯差異。為更好地適應(yīng)未來農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，應(yīng)結(jié)合地區(qū)實際情況合理運用水利灌溉技術(shù)。

1農(nóng)田水利灌溉技術(shù)

1.1噴灌技術(shù)

在噴灌技術(shù)實施階段，應(yīng)根據(jù)農(nóng)田灌溉要求建立噴灌系統(tǒng)，并根據(jù)農(nóng)田生產(chǎn)實際情況合理選擇移動式、半固定式、固定式三種噴灌系統(tǒng)，三種噴灌系統(tǒng)的基本內(nèi)容如表1所示。

從技術(shù)優(yōu)勢來看，固定式噴灌系統(tǒng)具有操作方便的優(yōu)點，可以滿足未來自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，但整個水利灌溉系統(tǒng)的投入成本偏高，常用于大范圍蔬菜與經(jīng)濟作物灌溉區(qū)的生產(chǎn)要求。移動式噴灌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，并且相關(guān)技術(shù)方案的使用靈活，但在設(shè)備移動、更換中需要投入較多的成本。半固定式噴灌系統(tǒng)則介于兩者之間，是未來發(fā)展的主流趨勢。

目前噴灌系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，將該技術(shù)被運用在大田作物與經(jīng)濟作物灌溉中，并且實踐結(jié)果證明，該技術(shù)的整體節(jié)水效果滿意，主要表現(xiàn)為：在農(nóng)田水利灌溉中運用噴灌技術(shù)不會出現(xiàn)地面徑流與深層灌溉情況，且經(jīng)灌溉后能保持地面濕潤，灌溉的均勻度大于等于0.8；噴灌技術(shù)采用管道輸水模式，在水利輸送中不會出現(xiàn)水資源損失情況，與明渠輸水技術(shù)相比，噴灌技術(shù)的省水量超過40%；噴灌技術(shù)在不同類型土層中有良好的適用性，若土壤類型為砂質(zhì)土，噴灌技術(shù)的省水量超過60%[1]；噴灌技術(shù)有助于改善農(nóng)田的田間小氣候，在該技術(shù)的支持下可顯著提升地表空氣濕度，并沖刷掉殘留在農(nóng)作物表面的塵土，為植物光合作用提供支持。因此在上述機制的作用下有助于提升農(nóng)作物產(chǎn)量，其中經(jīng)濟作物增產(chǎn)超過20%，糧食作物增產(chǎn)15%以上，果樹的增產(chǎn)量則超過10%。

1.2微灌技術(shù)

微灌技術(shù)是根據(jù)農(nóng)作物的需水要求按照相應(yīng)的管道系統(tǒng)及其末端裝置，將植物所需的水分與養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確地灌輸?shù)街参锔?。與噴灌技術(shù)相比，微灌技術(shù)的地面灌溉節(jié)水效果將超過50%，且與噴灌技術(shù)相比，該技術(shù)的節(jié)水量超過20%，但總投資成本較高，因此該技術(shù)常用于花卉、水果等收益高的經(jīng)濟作物中。

該微灌技術(shù)運用階段，其灌水定額計算方法如公式（1）所示。

公式（1）" M=0.1rHp（βmax-βmin）/η

在公式（1）中，m表示微灌技術(shù)的灌水定額，其計量單位為“mm”；r表示農(nóng)田地層的土壤容重，計算單位為“g/cm3”；H表示灌溉期間的計劃濕潤層深度，單位為“m”；p表示土壤灌溉中的濕潤比。Βmax表示土壤最適宜的含水量上限；βmin表示農(nóng)作物生長的最適宜含水量下降；η表示微灌水利用系數(shù)。

除此之外，在微灌技術(shù)運用階段需要制定最適宜的灌水周期，其計算方法如公式（2）所示。

公式（2） Ｔ＝m/eη

在公式（2）中，T表示微噴灌技術(shù)的灌水周期，其計算單位為“d”；e表示灌溉體系的耗水強度，其計算單位為“mm/d”。

從農(nóng)田水利灌溉項目發(fā)展現(xiàn)狀來看，微灌技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：有良好的省水效果，微灌技術(shù)實際上屬于局部微灌技術(shù)，能減少土層的水分蒸發(fā)；該技術(shù)具有更理想的灌水均勻度，整體可超過90%；微灌技術(shù)對不同地形與土壤的適應(yīng)能力強，尤其是在高溫或地形起伏多變的耕地中有更廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1.3集雨節(jié)灌技術(shù)

該技術(shù)實際上是收集雨水完成灌溉的技術(shù)手段，主要組成部分如下：

1.3.1集流設(shè)施：是指滿足雨水匯集的相關(guān)設(shè)施，包括自然坡面、路面及人工集水場等。

1.3.2雨水凈化設(shè)施：即對雨水完成初步凈化，其目的是清除集流雨水中的各種雜質(zhì)，確保其滿足日常灌溉要求。

1.3.3存儲設(shè)施：將凈化后的雨水匯集在一起，結(jié)合各地區(qū)的成功經(jīng)驗，常見儲水設(shè)施包括旱井、水窖。

1.3.4提取設(shè)施：指的是確保用戶能夠輕松地從存儲設(shè)施中提取雨水，用于灌溉。

在該技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)中，集雨灌溉技術(shù)經(jīng)常與深松深耕、增施有機肥、覆蓋保墑等農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)組裝配套，達到顯著提升自然降水利用率的效果，延長農(nóng)作物抗旱時間，達到強化抗旱效果的目的。在實施階段需要注意的是，存儲設(shè)施應(yīng)優(yōu)先選擇在地表徑流與雨水匯流位置，且土層越厚則保濕效果越好。

從實施效果來看，當(dāng)集水存儲設(shè)施的內(nèi)部容量達到25m3時，即能滿足3600m2園地或1300m2旱地的澆灌要求。正常情況下每個雨水窖池每年能持續(xù)蓄水4次左右，在季節(jié)性干旱發(fā)生后可配合穴灌等技術(shù)實現(xiàn)節(jié)水灌溉，即可基本滿足旱情條件下的保產(chǎn)保收。

1.4畦灌、溝灌技術(shù)

與上述技術(shù)方案相比，畦灌、溝灌是農(nóng)田水利灌溉中較為常見的方法。

溝灌是指將水引入田地中，在其中開鑿出一條或多條間隔較遠的溝渠道路，逐漸擴散至整個田地，以滿足農(nóng)作物對水分的需求。該技術(shù)的優(yōu)點是能在短時間內(nèi)快速補充水分，常見于大面積田地的灌溉需求，還能有效預(yù)防傳統(tǒng)大水漫灌造成的交叉污染問題，切實提升水資源質(zhì)量[3]。

畦灌是指在田地中開鑿若干個小平行間距的畦道，在正常引入水源后，水分即可緩慢滲透到田地中從而實現(xiàn)灌溉。

從技術(shù)優(yōu)勢來看，畦灌技術(shù)能減少水分流失，解決因為溝渠堵塞、管線損壞等原因?qū)е碌乃Y源浪費問題。從技術(shù)特性來看，兩種技術(shù)各有優(yōu)劣勢，其中溝灌常見于耕地面積大、土層較淺的土層中，此類地形能滿足農(nóng)作物快速吸收水分的要求，保證了農(nóng)作物生長效果。畦灌則常見于耕地面積小、土層厚的田地中，種植戶通過在根系周圍開挖小型洞口，即可使水源快速滴入其中以實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。

對于種植戶而言，在灌溉技術(shù)選擇上應(yīng)充分結(jié)合種植地的基本情況，其判斷依據(jù)主要包括：土壤狀況。針對土壤滲透效果好且土層厚度較厚的情況則可選擇畦灌技術(shù)。植物生長情況。不同植物生長情況對水資源的需求存在差異，其中在根系不發(fā)達的情況下建議采用溝灌技術(shù)；而植物根系發(fā)育較差的情況，可利用畦灌技術(shù)提升灌溉效果。水資源效果。在水資源充足的情況下可選擇溝灌技術(shù)；而地區(qū)水資源供給量明顯不足的情況下，應(yīng)利用畦灌技術(shù)保證水資源供給效果。

2農(nóng)田水利灌溉技術(shù)的應(yīng)用實例分析

2.1項目背景

某地區(qū)于2013年引進了成套微灌系統(tǒng)，并在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟作物生產(chǎn)種植中開展試驗示范，并且隨著相關(guān)節(jié)水灌溉技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，該節(jié)水技術(shù)的適用范圍逐漸拓展至甜菜、小麥、玉米、番茄等農(nóng)作物中。在經(jīng)過十余年時間發(fā)展后，截至2023年12月，當(dāng)?shù)毓?jié)水灌溉面積增長約1.7倍，節(jié)水灌溉項目的占比達到超過61%，取得滿意效果。

2.2農(nóng)田節(jié)水灌溉具體措施

2.2.1微灌方案設(shè)計

在方案規(guī)劃與設(shè)計之前，需要組織專業(yè)團隊結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件針對微灌設(shè)計耗水強度、設(shè)計灌溉補充強度等相關(guān)指標(biāo)進行明確。例如，對于保護地蔬菜，滴灌模式設(shè)計耗水強度一般為2—3mm/d；對于露地蔬菜，滴灌模式設(shè)計耗水強度一般為4—7mm/d，微噴灌模式設(shè)計耗水強度一般為5—8mm/d；對于小麥、玉米等糧食作物而言，滴灌模式設(shè)計耗水強度一般為4—6mm/d。此外，要充分確保土壤濕潤比、灌水均勻度、水利用效率等指標(biāo)達到預(yù)期要求。當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員在進行方案設(shè)計與規(guī)劃的同時，需要針對微灌系統(tǒng)的最大灌水間隔以及單次灌溉持續(xù)時間等指標(biāo)進行精準(zhǔn)掌握。例如，對于當(dāng)?shù)靥鸩?、番茄等蔬菜的種植而言，主要采用了單行毛管直線布置的方式，從而有效兼顧了微灌模式灌溉效果以及農(nóng)田灌溉節(jié)水水平。

2.2.2節(jié)水技術(shù)宣傳

針對現(xiàn)階段微灌節(jié)水等相關(guān)技術(shù)的推廣與應(yīng)用現(xiàn)狀進行研究與分析后能夠發(fā)現(xiàn)，受制于長期以來形成的觀念因素影響，很多農(nóng)民對于節(jié)水灌溉技術(shù)的認(rèn)知與了解往往不夠深刻，嚴(yán)重影響了農(nóng)田節(jié)水灌溉的發(fā)展。因此當(dāng)?shù)鼗鶎愚r(nóng)技部門需要從實際出發(fā)，針對農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)的價值、要求與主要內(nèi)容，結(jié)合線上線下等多方渠道進行全面推廣與宣傳，一方面需要提高農(nóng)民對于節(jié)水灌溉技術(shù)的接受程度，另一方面還要有效強化灌溉工作開展進程當(dāng)中的水資源利用率，有效減少水資源浪費現(xiàn)象的發(fā)生。

為了盡可能確保灌溉過程當(dāng)中的水資源利用效率，使其能夠成為農(nóng)業(yè)發(fā)展進程當(dāng)中的重要支撐點，相關(guān)部門需要從經(jīng)濟、技術(shù)等角度不斷強化支持力度，使微灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)能夠在農(nóng)田種植實踐過程當(dāng)中得到更加充分有效地利用，使節(jié)水灌溉技術(shù)能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境發(fā)展情況以及農(nóng)作物種植情況，帶動并引領(lǐng)節(jié)水技術(shù)的全面進步。

2.2.3設(shè)備維護管理

在長期的節(jié)水灌溉實踐中，我們發(fā)現(xiàn)微灌和滴灌設(shè)備系統(tǒng)的運行狀況與節(jié)水效果緊密相關(guān)。然而，由于經(jīng)濟、環(huán)境和管理認(rèn)知等多方面因素的限制，這些節(jié)水灌溉設(shè)備的維護管理常常存在不足，設(shè)備老化、功能失效等問題頻繁發(fā)生，這嚴(yán)重制約了節(jié)水技術(shù)的有效應(yīng)用。因此當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)農(nóng)技單位需要積極組織專業(yè)力量，從實際出發(fā)對微灌、噴灌、滴灌等相關(guān)技術(shù)設(shè)備的運行狀態(tài)進行相應(yīng)評估與統(tǒng)計，對于失效或損壞的設(shè)備進行及時更換，對于存在問題的設(shè)備進行及時維護與處理，可有效保障灌溉節(jié)水設(shè)備的正常運行，全面強化設(shè)備利用率，使農(nóng)田灌溉過程中的節(jié)水效果得到進一步保障。

3農(nóng)田水利灌溉技術(shù)未來發(fā)展展望

智能灌溉通過運用自動化和精準(zhǔn)化系統(tǒng)來實現(xiàn)水資源的優(yōu)化利用，其主要技術(shù)構(gòu)成如下：

3.1傳感器技術(shù)

作為智能噴灌系統(tǒng)的核心部分，利用傳感器能密切監(jiān)測農(nóng)作物的生長發(fā)育情況，配合相應(yīng)的溫度、濕度與氣象條件等關(guān)鍵指標(biāo)，為農(nóng)作物生長提供完整的數(shù)據(jù)支持。以土壤濕度傳感器為例，該裝置能在監(jiān)測土層水含量變化的情況下，將測量數(shù)據(jù)上傳至中央控制系統(tǒng)中，解決傳統(tǒng)種植模式中的過度灌溉問題。溫度傳感器則能夠辨識不同溫度變化與農(nóng)作物生長之間的關(guān)聯(lián)性，為種植者優(yōu)化生長環(huán)境提供輔助，從而避免陽光高溫帶來的損害。除此之外，在智能灌溉系統(tǒng)中也可利用作物生長監(jiān)測等相關(guān)技術(shù)方案密切觀測葉片總的含水量、光合作用效率等關(guān)鍵指標(biāo)，在上述數(shù)據(jù)的支持下能觀察不同時間段的農(nóng)作物生長發(fā)育情況，根據(jù)所處環(huán)境數(shù)據(jù)與生長狀態(tài)等快速制定最優(yōu)化的灌溉方案[4]。從技術(shù)先進性的角度來看，借助傳感器技術(shù)的支持，可以顯著提升農(nóng)作物種植對環(huán)境參數(shù)的適應(yīng)能力。在持續(xù)強化環(huán)境數(shù)據(jù)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，確保系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)且高效地優(yōu)化灌溉過程，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

3.2數(shù)據(jù)采集與處理

智能灌溉系統(tǒng)能夠迅速捕捉農(nóng)作物生長狀況和環(huán)境信息，并將這些數(shù)據(jù)實時上傳至中央控制系統(tǒng)。這一數(shù)據(jù)傳輸過程完全依賴于物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在確保數(shù)據(jù)的可擴展性和穩(wěn)定性的同時，系統(tǒng)能夠利用大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)技術(shù)高效處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。通過建立數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，系統(tǒng)能夠預(yù)測農(nóng)作物對水資源的需求，并據(jù)此指導(dǎo)灌溉系統(tǒng)在特定時間段內(nèi)精確控制灌溉量，從而顯著提高水資源的利用效率。

3.3控制功能軟件

為了滿足農(nóng)田水利灌溉的基本需求，在設(shè)計控制功能軟件時，我們可以針對智能灌溉系統(tǒng)完善其附屬功能軟件，主要包括：

3.3.1參數(shù)設(shè)置功能：可根據(jù)現(xiàn)場的溫度和濕度合理調(diào)整灌溉用水量。系統(tǒng)也能利用后臺監(jiān)控系統(tǒng)控制灌溉的起始時間、停止時間與灌溉時間等。

3.3.2顯示功能：在人機交互界面上可以顯示農(nóng)作物的生長數(shù)據(jù)，并且配置監(jiān)控系統(tǒng)，以圖表、圖形等方式動態(tài)顯示灌溉區(qū)的運行情況，使所有灌溉數(shù)據(jù)都能實時顯示在線灌溉信息。

3.3.3報警功能：在農(nóng)田水利灌溉系統(tǒng)中，能夠及時識別運行異常并發(fā)出報警信息至關(guān)重要。例如，當(dāng)系統(tǒng)檢測到灌溉過程中水管破裂等問題時，它會立即采取措施停止水泵運行，并向相關(guān)人員發(fā)出報警信號。

3.3.4通信功能：通過系統(tǒng)通信功能模塊，可以上傳農(nóng)田水利灌溉系統(tǒng)中的異常工況數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)采集并傳輸至后臺服務(wù)器，以便進行數(shù)據(jù)處理和展示。在系統(tǒng)運行期間，它能夠存儲、統(tǒng)計和查詢關(guān)鍵數(shù)據(jù)。例如，閥門的開啟次數(shù)和水流量。

4結(jié)語

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展進程中，農(nóng)田水利灌溉技術(shù)的合理應(yīng)用與水資源的高效利用緊密相連。本研究結(jié)果表明，為了最大程度地減少水資源的浪費，相關(guān)工作者需深入探索微灌、噴灌、集雨節(jié)灌技術(shù)、畦灌和溝灌技術(shù)，并掌握這些灌溉技術(shù)方案的適用條件，同時優(yōu)化其應(yīng)用流程。這樣，才能確保這些技術(shù)在提高水資源利用率方面發(fā)揮更顯著的作用。從長期發(fā)展視角來看，積極從智能化角度優(yōu)化水利灌溉技術(shù)的實施路徑，對于奠定農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)至關(guān)重要。

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