节水灌溉技术

一、节水灌溉技术开展趋势 随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧，世界各国，特别是兴旺国家都把开展节水灌溉作为 农业可持续开展的重要措施。在生产实践中，始终把提高灌溉降水的利用率、作物水分 生产效率、水资源的再生利用率和单方水的农业生产效益作为研究重点和主要目标，在研究 节水灌溉根底理论和应用技术的根底上，将高新技术、新材料和新设备与传统节水灌溉技术 相结合，加大了节水灌溉技术和产品中的高科技含量，加快了传统粗放农业向现代节水高效 农业的转变。经济欠兴旺国家，由于受其经济条件和技术水平的限制，节水灌溉的开展主要 采用以渠道防渗技术和地面灌水技术为主，配合相应的农业措施以及天然降水资源利用技术 的模式。经济兴旺国家，节水灌溉的开展主要采用以高标准的固化渠道和管道输水技术、现 代喷、微灌技术与改进后的地面灌水技术为主，并与天然降水资源利用技术，生物节水技术、 节水灌溉技术与用水系统的现代化管理技术相结合的模式。1、节水灌溉研究开场由实验统计性质向具有较严谨理论体系和定量方法的科学转变,农田生 态系统中水分迁移模拟与区域作物需水的定量计算模型得到较快的开展，尺度理论将是节水 灌溉领域用定量方法解决实际问题的关键国内外学者对微域的土壤一植物一大气系统SPAC水分运移进展了大量研究，但如何应 用微观尺度的SPAC水分传输理论解决流域尺度水转化过程的描述仍有较大距离，这涉及到 如何考虑土壤与植被的空间变异性以及水文地质条件的影响，把点上微观尺度上得到的 模型扩展到面上、区域上应用的问题。为了解决这一问题，有关农田外表的空间变异性、尺 度转换、各局部介质的非线性相互作用等将是未来研究的难点。有关作物需水量的计算方法目前应用最多的是PenmanMonteith方法，但此方法主要适用 于单点的单一作物需水量计算1-3，对于区域多种作物组合的需水量计算首先要根据不同 代表点的气象观测资料计算代表点的需水量，然后用插值法绘制区域需水量的分布图，再根 据代表点控制的面积用加权平均法确定区域需水量，但这种方法很难克制气象因素和作物需 水的空间变异所产生的较大计算误差，没有考虑多种作物组合中作物与作物间的交互作用 4。20世纪80年代以后，利用遥感作物冠层温度估算区域需水量分布的研究变得十分活泼， 并在一些兴旺国家得到了大量的应用。但目前在应用上还存在一些技术问题，如计算冠层外 表热通量的SVAT模型参数的空间分辨率问题，陆地卫星热映像TM波谱参数和SVAT 模型参数的定量对应关系等。另外，由于作物高效用水理论突破和节水调控新途径的开拓， 需要考虑利用作物本身的生理功能挖掘其节水的潜力，减少作物本身奢侈的蒸腾量，传统的 按能量平衡理论估算作物需水的方法和在充分湿润条件下获得的作物系数均遇到了严峻的 挑战，迫切需要建立作物高效用水和非均匀湿润条件下的需水量计算方法及相应的作物系数 值，以满足节水灌溉开展之需要。2、水分胁迫对作物的后效性影响及其提高水分生产效率的机理已成为当前研究的热点，作 物高效用水生理调控与非充分灌溉理论研究不断深入，利用作物生理特性改进水分利用效率WU E的研究将会更加引人关注近年来，国内外提出了许多新的概念和方法，如限水灌溉(Limited irrigation)、非充分灌溉 (No-full irrigation)与调亏灌溉(Regulated deficit irrigation)等，对由传统的丰水高产型灌溉转 向节水优产型灌溉，提高水的利用效率起到了积极作用。大量研究结果说明，植物各个生理 过程对水分亏缺的反响各不一样，而且水分胁迫可以改变光合产物的分配。同时一些研究还 说明，水分胁迫并非完全是负效应，特定发育阶段、有限的水分胁迫对提高产量和品质是有 益的。植物在水分胁迫解除后，会表现出一定的补偿生长功能。调亏灌溉就是基于上述认识， 在作物生长发育的某些阶段主动施加一定的水分胁迫，即人为地让作物经受适度的缺水锻 炼，从而影响光合产物向不同组织器官的分配，以调节作物的生长进程，改善产品品质，到 达在不影响作物产量的条件下提高WUE的目的。控制性作物根系分区交替灌溉节水新技术， 强调交替控制局部区域根系枯燥、局部区域根系湿润，以利于交替使不同区域的根系经受一 定程度的水分胁迫锻炼，刺激根系吸收补偿功能，诱导作物局部根系处于水分胁迫时的木质 部汁液 ABA 浓度的升高，以调节气孔保持最适宜开度，到达以不牺牲作物光合产物积累而 提高作物WUE的目的。同时，还可减少棵间蒸发损失和深层渗漏。3、节水灌溉新技术与产品研发速度较快，一批低本钱、高效率的新型节水灌溉设备与制剂 正在走向市场和大面积应用，产品日趋标准化、系统化，高效环保型节水材料与制剂是未来 研发的亮点，高精度激光固化树脂快速成型技术应用将进一步提高节水灌溉设备的开发水平 地面灌溉技术研究方面，在土壤人渗过程中气阻影响研究的根底上，水平畦灌、阶式水平畦 灌的研究不断深入，传统的畦灌、沟灌也转向综合研究灌水技术要素对土壤水肥运移、对水 肥淋失的影响；同时，开发了膜上灌等新型灌水技术，并得到较大面积推广。水平畦灌是田 面非常平整条件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高，用传统技术难以满足其精度 要求，必须在进展大地测量后，采用激光平地技术9。波涌灌溉利用了致密层在开展中不 断减小田面糙率与土壤入渗特性这一客观规律，逐次为以后各周期的灌溉水流创造了一个加 速水流推进与提高减渗效果的新接口。浑水波涌灌溉那么是利用含沙量较高的水进展波涌灌 溉，能够起到更加明显的效果10。在喷、微灌技术研究方面，国外一直非常重视喷灌水肥 需求规律及水肥耦合高效利用方面的研究，施肥灌溉应用十分普遍。在微灌水肥高效利用方 面，对不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉专用液体肥料进展了多年的研究，已经研制 出了针对多种经济作物水肥高效利用的专家管理系统。由于长期的技术积累，一些著名公司不断有新产品推出。在节水灌溉产品快速开发平台技术 中，提出的高精度快速成型专用设备是快速成型领域研究的热点。节能型的低压重力式滴灌 技术和防堵塞的脉冲灌等技术正在开发12。地下灌溉由于能显著减少作物无效蒸发（土壤外 表蒸发）而特别省水的优点，开展也十分迅速。工程节水技术方面，高精度激光固化树脂快速成型技术得到进一步开展，在微小光斑聚焦以及精细扫描系统、微涂层实现方法方面取得了突破，微小光斑11啊的聚焦和精细扫描 系统的扫描精度在液面到达0.005呵；解决了迷宫流道特征参数的提取与CAD建模问题。4、灌区水转化与农业水资源持续高效利用研究得到了广泛重视，农业水资源系统承载力模 型、分布式灌区水转化模型、农业与生态用水的科学配置及节水高效和对环境友好的农业用 水模式等研究将会更加活泼 农业与生态用水的科学配置中有关生态需水的计算方法主要从物理的水量平衡、水热平衡、 水沙平衡、水盐平衡等方面考虑，而且主要是针对现有生态系统或生态水文条件，没有考虑 生态系统和水文过程的相互反响作用以及不同遗传特性物种的水分生产力关系，还缺乏系统 的建立在严谨的生理学、生态学和物理学理论及定量的数学方法根底之上的生态需水量计算 方法。此外，如何确定分布式灌区水转化模型的有效构造、如何对农业水资源利用在分布式 模型中进展有效表达、如何在野外对模型参数进展原位测定和对分布式模型的栅格参数率 定，确定区域农业水资源多维调控的决策方法将是该领域研究的重点和难点5、非常规水将是农业用水中“开源的主要对象，非常规水资源化及其高效平安利用技术研 究十分活泼 开发利用非常规水资源已成为众多国家和地区解决用水危机的新途径而受到普遍重视。从地 域范围看，污水灌溉的实践那么普及世界上大多数地区，污水回用农业方面也有丰富的实践。 区域性咸水利用和改造的研究方面尚待形成完整的技术体系。污水灌溉需要进一步研究污水 灌溉条件下作物需水量和耗水量的计算模型以及对污水灌溉响应的产量模型；污水灌溉对植 株、土壤及地下水环境的影响。在雨水集蓄利用方面，不仅仅是为了解决人畜生活用水和农业用水，逐步开场对雨水资源化 和水资源的保护与高效利用进展探索，与集蓄雨水高效利用相配套的免耕技术及机械化机具 在一定程度上解决了半干旱地区的播种出苗和灌溉问题。6、高新技术在节水灌溉现代化管理中的应用日益广泛，3S技术的应用将全面提升节水灌溉管理的现代化水平，数字渠道、数字灌区的开展将大大促进精准灌溉和农业水资源精准调度的实践3S 技术的应用产生了数字渠道、数字灌区等概念。在灌区用水管理中，综合各种预测技术优化技术的灌溉用水计算机管理系统已开场在我国灌区大面积应用14，使灌区的灌溉用水实现了由静态用水向动态用水的转变，为提高灌区水资源的利用率提供了技术保障。为实现 渠系优化配水的要求，应用计算机技术的渠道水量、流量实时调控的研究也在国内外逐步兴 起。二、节水灌溉技术支撑体系现状与差距1、现状目前，我国拥有国家和省部级重点学科20余个，国家和省部级重点实验室31个，国家工程 技术研究中心8个，拥有国内一流的从事节水灌溉技术研究的专业人员和相关领域的高级研 究人员，具有较强的技术研究与设备开发能力。此外，拥有较为精干的技术人才和实验设备 的地方水利科研单位和水利部门所属的 400多个灌溉试验站以及基层水管站和农业技术推 广站。近年来，中央与地方科研机构严密协作下，联合攻关，完成了上百项与节水灌溉有关 的国家攻关工程、全国协作工程及自然科学基金工程，其中多项获得了国家级与省部级奖励， 为节水灌溉的开展做了大量的技术和根底理论的储藏。 近20年来，在节水灌溉前沿与关键技术研究方面，较为系统地提醒了土壤 植物大气连 续体水分、养分迁移规律和调控理论以及作物非充分灌溉理论与模式，取得了水资源的合理 开发利用技术、高效输配水技术、田间节水灌溉技术、灌溉用水管理技术、农田高效用水技 术、保水保肥的农田耕作制度、节水抗旱作物栽培管理技术、作物抗旱特性改进与利用技术 等一系列科技成果，生物节水技术取得实质性进展，精细地面灌水技术与非充分灌溉技术挤 身世界先进展列，创立了生物集雨新理念，集雨材料研究达世界先进水平，研发一批新产品， 如行走式局部施灌机、旱地蓄水保墒耕作机具、喷微灌设备、各类输水专用管材和管件、抗 旱节水生化制剂、液体地膜等。2、差距1节水灌溉高新技术研究相对薄弱，新技术储藏少 节水灌溉高新技术研究相对薄弱，缺乏应用根底领域和研发前沿技术的战略考虑，对滴灌施 肥灌溉条件下养分的运移以及施肥灌溉系统运行参数几乎没有涉及，施肥灌溉自动控制环节 薄弱，施肥灌溉软件方面研究严重滞后；在节水灌溉机理探讨和相关模拟手段上，没有形成 完整的、实用化的成套技术与模式，申报技术与产品专利的数量非常有限，且真正形成具有 自主独立知识产权的产品专利较少，灌区量水缺乏先进的微电脑和网络技术。2节水灌溉企业未形成规模、节水设备和材料的工艺落后，产品功能单一，配套性差 节水灌溉设备与产品生产企业普遍存在生产规模小、技术开发能力缺乏；节水产品与设备质 量差，性能不稳定；缺乏有效的质量技术监视和认证体系，缺乏完善的质量监管方法和市场 准入制度；大宗产品多仿制国外，其中的关键技术和工艺不过关，市场竞争力差；生产厂家 的设计研制开发能力有限，产品质量欠缺，引进技术和国产设备在规格和制式上的差异，造 成国产节水灌溉设备的通用性、兼容性、互换性、多功能性较差。由于生产企业很难汇入农 业和农村经济开展的主流，节水灌溉的社会化效劳体系很难形成。3缺乏节水灌溉开展的根底数据资料积累和对农业用水状况的有效监测与控制 对农业与生态节水的应用根底理论研究未给予足够重视，节水灌溉工作还缺乏科学的应用根 底理论指导和前沿技术储藏。对与农业和生态节水有关的问题还缺少建立在科学试验根底上 的探索；对不同区域的灌溉水利用率、渠系水利用率、田间水利用率、降水有效利用率、作 物水分利用效率等参数还缺少准确确实定方法和多年的根底数据积累；，对不同地区、不同 灌区的用水水平和节水状况缺乏有效监测。4节水技术措施标准化和标准性不够，可操作性差 我国目前应用的许多节水技术措施尚未实现标准化，也缺乏标准性的技术指导，使得这些技 术措施难于适应我国复杂的气象、作物、水源、灌溉工程类型等实际条件，造成推广普及应 用上的困难，也严重制约着这些节水技术措施的应用效果。三、节水灌溉开展技术支撑体系目标 到2021年我国灌溉科技将接近目前兴旺国家水平，节水灌溉技术水平的全面提升、节水灌 溉设备与产品根本更新换代，初步形成节水农业开展的新模式与新机制，并初步建立起以高 新技术为主体的节水农业技术创新体系和产业体系。1、节水灌溉根底理论体系初步建立生产实际中迫切需要的节水优产型非充分灌溉理论及分区指标体系初步建立，作物水分信息 快速监测诊断技术、土壤水分动态快速测定技术、区域作物水分分布监测技术、土壤墒情预 报及作物水分动态监测信息等技术日趋成熟，使节水灌溉技术走向精准化和可控化。同时， 为各地区高效水土资源配置奠定根底。节水灌溉产品设备开发的根底水力学理论、运动力学理论根本成熟，为大规模开发具有自主 知识产权的节水灌溉设备提供支撑。2、节水灌溉产品根本实现“三化 通过开展新材料、新工艺、新技术研究，将形成标准化、系列化、产业化的农业节水集成产 品。同时，通过应用技术研究，降低工程本钱，提高工程效益，促进农村经济开展。3、节水灌溉分区模式根本建立 在华北平原井灌区，通过研究地下水合理开发、四水转化、非常规水利用技术，采用非充分 灌溉理论改进灌溉制度，建立“适水型农业高效种植构造，使该地区农业水资源紧缺状况 得到缓解，农业得到可持续开展 在西北内陆少雨区，通过研究水资源开发对生态环境的影响，协调农牧业开展用水要求，重 视生态环境对水的要求，建立水资源利用和高效用水技术措施。在山丘缺水区，通过研究当地水资源的高效利用、防止水土流失、改善生态环境等技术措施， 建立集雨农业高效水资源利用模式。在大型灌区，通过研究水资源联合调控，利用先进的田间节水灌溉技术，配合大型灌区更新 改造，建立现代化的灌溉管理技术，灌溉水利用效率提高到一个新台阶。在南方水稻种植区，通过研究水稻节水灌溉新技术，改善农田水环境，解决水资源污染，提 出高效农田排灌新技术，促进水稻优质高产。四、节水灌溉开展技术支撑体系建立为了适应水资源供需矛盾不断加剧的现实，为我国社会和经济的持续稳定开展提供可靠的保 障，需要在“十一五期间的节水灌溉开展过程中重点抓好以下几方面技术支撑体系建立： 1、加快实施现代节水灌溉技术创新工程，提高节水灌溉技术创新能力 实行技术创新与传统技术升级，建立和完善我国节水灌溉技术体系。加强对节水灌溉应用根 底的理论研究和高新技术的应用研究，加强对常规节水灌溉技术的研究，使之升级为具有现 代化气息的实用形节水灌溉技术与方法。在“十一五的节水灌溉开展中，要充分发挥大专 院校、科研院所和节水设备生产企业的人才优势和技术优势，积极进展节水灌溉技术和设备 的研究开发，加快现代节水灌溉科技成果的集成、转化和应用。1加强节水灌溉创新基地的建立 通过人才、设备与资金的相对集约化，建立一批节水灌溉创新基地，提高我国节水灌溉的科 技创新能力。“十一五期间规划建立1-2个国家节水灌溉重点实验室，为节水灌溉根底研究 及产品设备研制提供高水平试验研究平台。2加强节水灌溉根底研究工作 建立先进、实用、具有中国特色的现代节水灌溉技术核心体系，创制适合国情的节水关键设 备与重大产品，促进其产业化，因地制宜地开展适合不同地区特点的节水灌溉技术集成模式， 在生物节水技术、非传统水资源开发技术、精量控制用水管理技术、节水产品产业化开发等 方面实现重点突破和创新3加强国家节水灌溉试验与监测网络建立一是通过该网络组织全国性的协作研究，促进节水灌溉技术创新；二是通过该网络采集节水 灌溉开展所需的各类根底数据，并对全国节水灌溉的开展状况进展实际监测，效劳于节水灌 溉政策的制定与宏观调控；三是通过该网络推广应用各类节水灌溉技术，效劳当前的节水灌 溉实践。因此，“十一五需在全国灌溉试验网络建立的根底上，加大野外试验台站的建立， 并提供常年的试验观测经费。4加快节水灌溉技术的标准化和标准化建立 制定、修订节水措施技术标准及实施标准，生产与使用标准化节水设备和制剂，逐步实现节 水灌溉开展规划的制定、节水工程的建立管理、节水技术措施的选择实施等各个环节的标准 化与标准化，提高节水灌溉的整体技术水平与效益。2、培育节水灌溉产品与设备企业集团，提升国产节水产品与设备的市场竞争能力 在引进、消化、吸收和借鉴国外先进节水灌溉技术的根底上，逐步建立适合我国国情的节水 灌溉设备、产品的研究开发和中试应用体系，提高我国节水技术研发水平和设备制造水平， 生产质优价廉的节水设备和产品。利用高新技术培育节水灌溉产品与设备产业、 节水制剂 与材料两大支柱产业。积极扶持和培育一批与节水灌溉相关的高科技企业公司，扶持建 立一批具有较大规模的节水设备和产品生产的龙头企业或企业集团，降低节水灌溉设备和产 品的生产本钱，提高节水产品和设备的市场竞争能力，提升我国节水灌溉产业化开展水平。 通过公共财政、金融等政策支持，扶植节水灌溉科技型企业，提升企业技术研发与产业化能 力。“十一五期间将节水设备和产品生产企业的技术改造纳入国家重大技术改造方案，规 划建立具有创新能力的龙头企业5-8家。3、加强节水灌溉技术效劳体系建立 针对我国的农业生产目前仍然实行的是以家庭承包为根底的模式，经营规模小而分散，涉及 到千千万万个家庭。除了大中型灌区骨干工程技术改造等少数技术措施可由国家组织实施 外，大局部节水灌溉技术的应用都需要这千千万万个家庭的参与。综合运用行政、法律、经 济等各种手段，调动全社会的力量共同推进节水灌溉技术的普及推广及技术效劳体系建立。 “十一五期间，国家应把节水灌溉技术的推广和技术效劳体系的建立放在十分重要的高度 上，一是建立健全以基层水利和农业效劳组织为主体，高等学校、科研单位和企业广泛参与， 政府扶持和市场引导相结合的节水灌溉技术推广效劳体系；二是建立基于互联网络的节水灌 溉技术实时效劳体系，提供根底数据和产品信息查询、人员技术培训等方面的效劳，以及节 水工程规划设计与施工、节水技术及产品应用等方面的技术指导。