农田的灌溉方式及发展

1.1节水节能灌溉新设备

研制完成节水节能灌溉新设备19种，并全部投入中试生产，其中11种产品实现产业化。喷微灌设备的研制在改变产品结构、实现优化设计、采用新材料提高使用寿命，改进加工工艺，提高整体性能和成品率，降低了造价。如外混式自吸泵采用CAD优化设计，优化回流孔位置和尺寸；解决了自吸泵效率与自吸性能之间矛盾；增设橡胶阀提高了泵的扬程和效率取得较大突破。金属快速接头设计了复合型密封圈，既保持了球形接头密封性良好的优点，又增加自泄功能。水动式施肥泵利用液压驱动活塞运动原理，设计了活塞组件的换向机构，产品体积小、重量轻、价格仅为国外同类产品的1/10～~1/8。采用耐久塑料作为基本原料，使旋转式微喷头使用寿命超过2000h。

1.2 黄河高含沙水滴灌净化处理模式

系统地测试了黄河水泥沙含量级配情况及其在输送、沉淀、过滤过程中的变化规律，并从理论上研究了泥沙在滴灌系统内的沉淀堵塞规律及数学模型，研究提出的二种组合过滤模式，即工程技术措施与过滤系统相结合的“沉淀—砂过滤器—抗堵滴头组合方式”和“无纺布过滤—沉淀—砂过滤器—抗堵滴头组合方式”过滤模式，结合抗堵塞性能强的平面迷宫式滴头和相应的大田粮食作物滴灌制度和运行管理技术，形成完整的引黄高含沙水滴灌技术体系。在甘肃、宁夏、内蒙建成333hm2滴灌示范区，取得节水增产的显著效益。

1.3 田间节水灌溉新技术

对波涌灌溉技术、水平畦田灌溉技术和地下滴灌技术进行比较深入的研究。在波涌阀设计结构中采用双阀形式和时间耦合方式，使设备具有独特的自动切断水流功能自控能力，对实现灌区输配水系统自动化控制管理十分有利，为波涌灌水技术的推广应用提供了可靠的技术支撑。采用将波涌灌溉设计管理模型从设备主机控制系统中分离出的设计方法，使整个设备操作使用过程简便明了，易于农民实际应用。

在国内首次系统开展激光控制土地精细平整技术的田间应用研究，对平地精度、作业效率、成本费用和经济可行性进行分析评价，提出了激光控制平地技术与常规机械平地技术相结合的组合平地技术的新概念和新模式。首次提出适合国情的水平畦田灌溉系统的设计方法、灌水设计参数及相应的田间工程布局模式和结构形式，具有较强的田间实用性。

开发研制的地下滴灌技术专用灌水器，可有效防止因系统负压引起的滴头堵塞，具有良好的水力学特性。在考虑根系吸水作用下的地埋点源非饱和土壤水运动和肥料溶质运移的数值模拟研究，为地下滴灌系统的合理设计、灌水设计参数确定、水肥最佳耦合期和系统运行管理提供了科学依据。

其成套技术在北京昌平区建成的80hm2田间节水灌溉新技术试验示范区，进行考核应用，取得节水增产的显著效益。与传统地面灌相比，果树地下滴灌田间水利用率可提高50%，增产28%。波涌灌溉技术，田间水利用率提高20%～30%，灌水均匀度达到85%，水平畦田灌，田间水利用率达80%以上。此外，还在新疆开展波涌灌水技术的推广应用工作，建成示范区267hm2，获得明显的节水增产效益。

1.4 节水高效灌溉制度

通过对主要农作物节水高效灌溉制度的研究，确定了节水高效灌溉条件下，冬小麦、夏玉米、棉花关键需水期及土壤水分控制指标，需水敏感指数等定量指标。根据水分胁迫的后效应和补偿效应建立的Jensen修正模型更加客观地反映了作物不同生育阶段，不同程度水分胁迫与产量的关系。综合考虑了水分调控的作物生理生态及作物补偿效应，形成了节水灌溉条件下三种作物的水分生产函数。通过研究提出了节水高效灌溉条件下冬小麦、夏玉米、棉花的调亏灌溉指标、适宜调亏期及其土壤水分控制指标。确定了三种作物的水分生理、光合作用、冠层 结构、干物质积累等生理生态节水高效灌溉指标，提出大田作物调亏灌溉综合技术体系。上述节水高效灌溉制度成果在山西霍泉灌区753.3hm2示范区应用后，冬小麦全生育期节约灌溉水量2985m3/hm2，节水45.3%，增产1035kg/hm2，增产幅度16.2%。夏玉米节约灌溉水量2010m3/hm2，节水47.2%，增产1725 kg/hm2，增产幅度22.4%。棉花节约灌溉水量1800m3/hm2，节水50%，增产幅度53.8%。粮食水分生产率达1.83kg/m3。

1.5 我国北方地区应用的节水灌溉与农业综合配套技术

提出了沟、畦、喷微灌条件下水肥结合、适宜调配、施肥方法的最佳耦合技术；提高农田水分利用效率的间套种植模式与深耕、免耕技术；多孔出流软管灌水技术；包复肥在农田覆盖条件下的应用技术；根据不同间套作物生育期需水规律及特点，确立其最经济供水量及组合，提出立体间套种植的高效灌水技术。将传统的夏、秋作物轮作改为间套种植，确定适宜的小麦-花生、小麦-玉米、小麦-棉花和小麦-花生/玉米这4种典型间套种植模式，采用周年一体化的农水措施，集种、水、肥、耕作、覆盖及化学制剂技术措施为一体，集成为8套节水灌溉与农业综合配套技术。在河南新乡古固寨镇769hm2田试验示范区和辐射区大面积推广应用，小麦、玉米、花生、棉花产量增长40%以上，水分生产率平均增长60%以上。小麦单方水生产效率由0.78kg/m3提高到1.51kg/m3，玉米由0.97kg/m3提高到1.86kg/m3。

1.6 不同集流面地表处理技术

系统研究了集雨工程参数，提出HEC土与沥青玻璃丝油毡2种新型地表处理材料及其施工技术；提出了适于黄土高原地区应用的砼球形水窖、砼薄壳圆柱形水窖和红胶泥瓶形水窖3种水窖形式，单厢式、迷宫式和旋流式3种沉沙池结构形式以及相配套的防渗抗冻技术、保鲜净化技术。提出了人工汇集雨水规划设计技术指南。创建了坡地活动式集雨节灌模式，提出了“上部坡地夏季种粮、秋季覆膜集雨、地边打窖蓄水，补灌下部作物”的一地多用、低耗高产、水保与集雨相结合的综合配套模式；建立了潜水泵加滴灌、手压泵配软管、汽油泵配微灌和自压灌溉四种水窖提水节灌系统，组装了小型汽油泵，开发了抗旱补灌机具。在系统分析主要农作物生理需水基础上，形成雨水高效利用及其配套技术体系。在甘肃定西县、陕西富平县建成166.67hm2试验示范区。示范区小麦单产达4630.5kg/hm2，增产156%。玉米单产达6075kg/hm2、增产33.5%。

1.7 基于实时灌溉预报的渠系动态配水技术

通过研究提出了墒情模拟及预测模型，墒情及旱情信息的监测和传递技术。灌溉系统配水关键技术在模型手段上有较大改进，解决了无调节能力的灌区的配水问题，并将随机方法及神经网络法用于源泉出流及作物蒸发蒸腾量预测模型，并提出了新的确定A。的方法。采用学科交叉的方法，把有明确物理概念的水文模型、作物需水和蒸发蒸腾模型结合起来建立的墒情模拟和预报模型，其结构和参数具有明确的物理概念，为量水提供了新理论、新方法。研究确定明渠测流长喉槽结构的优化设计方案，开发出智能型量水仪，为灌区节水管理提供了量测精度高、水头损失小、结构简单、造价低廉、便于推广的量水建筑物和仪表设备。

与此同期，各部门、各地区安排的研究项目和技术开发中，在渠道防渗技术、管道输水技术和膜下滴灌技术等方面也取得了明显的进展。

2.对我国节水农业技术今后发展的探讨

近期由于我国加大了对节水农业技术研究的力度，节水农业技术水平得到了了显著提高，有不少技术已经比较成熟，对推动我国农业生产的发展起到了重大的作用。但是，我国节水农业技术的总体技术水平与发达国家的差距还比较大，且在发展中仍存在一定的盲目性，具有自主知识产权的先进技术和产品很少，节水灌溉设备产业化程度低。因此，应按照“有所为，有所不为”的原则，重点研究和发展适合我国国情应用的节水农业技术。以下就我国今后节水农业技术应重点发展的方面，进行一些探讨。

2.1 作物节水高效灌溉制度

作物节水高效灌溉制度是以最少的灌溉水投入获取最高效益而制定的灌溉方案，包括农作物播种前及全生育期内的灌水次数、灌水时间、灌溉定额和灌溉定额。实施作物节水高效灌溉制度，不需要昂贵的工程和设备投入，农民易于掌握和操作，是我国今后发展节水农业技术的主要方面。作物灌溉制度的制订，依赖于灌区内农作物的组成情况和各种农作物的需水量，以及灌区内的水源供应情况和农作物生长期内的有效降水量等因素。其中作物需水量是制定灌溉制度的基础，联合国粮农组织对作物需水量的定义为“为满足健壮作物因蒸发蒸腾损耗而需要的水量深度。这种作物是在土壤水分和肥料充分供应的大田土壤条件下生长的，并在这一环境条件中发挥全部产量的潜力。”可见，作物需水量是作物生长在最佳的生长环境中，并最大限度发挥产量潜力状态下所需的水量。最佳生长环境包括播种时间和密度、土壤肥力水平、水分供给状况、病虫害防治等均处于最适宜的状态。实际生产中，作物在整个生长期内各项制约因素始终都处于最佳状态是几乎不可能的。真正反映作物在随机生长状况下的需水量是作物耗水量，即作物在任意生长状况和土壤水分条件下实际的蒸腾量、棵间蒸发量及构成作物体水量之和。由作物需水量作为依据制定的灌溉制度，主要是为灌溉工程设计服务的，在实际灌溉操作中可能连一次也用不上。由于作物在田间的生长条件的变异性，在研究作物节水高效灌溉制度时应更加重视作物耗水量的研究。

当前“非充分灌溉”成为节水农业研究中的一个热点，非充分灌溉是相对于传统的充分灌溉而言的，也即前者研究的重点是作物在水分供应不充足时的耗水量，后者是作物的需水量。但是非充分灌溉是一个很不确定的概念，到底非充分到什么程度？它的最终目标如何确定？而且由于品种改良、作物耕作栽培技术的突飞猛进，不少灌区作物灌溉用水量比过去大幅度减少，但产量却直线上升，这到底是非充分灌溉还是因生长条件改善作物灌这点水就足够了呢？现在都没有定论。非充分灌溉还给灌溉工程设计带来一定的误区，例如在各地进行的大型灌区节水改造规划中，有些灌区本来水源供水量比初建时大为减少，而为了在规划中保住甚至扩大原来的灌溉面积，就笼统地规划成采取非充分灌溉制度。当前对非充分灌溉的经济性解释为“在适当降低作物单产的同时，扩大灌溉面积增加总产量，使总效益最高”。但这是一个涉及到灌区上下游农民利益、灌溉工程投入产出效益（要发展灌溉就得修工程，不管是充分还是非充分灌溉）的复杂问题。因此，有不少灌溉专家认为，实行非充分灌溉相对于充分灌溉的单产降低不应大5%，而且要对灌溉工程的投入产出进行周密论证，是缩小灌溉面积维持高单产合算还是扩大灌溉面积降低单产保持总产或提高总产合算。实际上我国由于季风气候的特点，加上工业和城市生活用水的迅速增加，不管北方或是南方淡水资源日益紧缺的局面不可避免，灌溉水的取得又必须付出一定的经济代价，因此，无论灌溉供水充足还是不充足的地区都要实施节约灌溉用水，而且目标是通过灌溉取得高效益。从这个意义上来说，在节水农业技术领域不提“非充分灌溉制度”而提“节水高效灌溉制度”更合适。

要制定的作物节水高效灌溉制度，应是农民能实际操作的，这就需要在灌区开展不同作物、不同生长条件下的耗水量研究，特别是随着作物种植结构的调整，应加大对各种经济作物的耗水量研究，寻求作物在不同生长环境条件下的节水高效规律。以此为基础，制定灌区在不同的供水、气象、农艺、管理等条件下的节水高效灌溉用水方案，采用现代化手段对灌区进行实时灌溉预报，指导农民进行灌溉。

2.2井渠结合灌区地上水与地下水联合运用技术

我国北方的引库、引河灌区，由于灌溉水源日趋紧张，大多数都采取井渠结合灌溉的形式。在引库灌区采取井渠结合灌溉，既能重复利用渠道输水和田间灌溉渗漏的地表水，又能确保农作物适时适量灌溉用水，还可通过井灌抽水降低地下水位，增加土壤储水库容，防止内涝和次生盐碱化的发生和发展。在引河灌区运用井渠结合灌溉，则是抗旱、防涝、治碱、节水、减淤等综合开发利用河水和当地水资源的有效措施。因此，如何对这类灌区可利用的水资源进行优化配置和高效利用，已成为当前灌区节水技术改造研究的重要课题。

广义的井渠结合灌区实际上是渠井结合灌区和井渠结合灌区的通称，是采取井灌和渠灌相结合的方式联合运用地表水和地下水，力求在充分利用本地区水资源的条件下解决农业用水问题。严格来说，以地表水渠灌为主、地下水井灌为辅的灌区应称为渠井结合灌区；反之应称为井灌结合灌区。目前我国北方的大、中型灌区，大多数采用的是渠井结合灌溉的形式，只有少数单纯引洪补源的灌区才采取井渠结合形式。不管是渠井结合还是井渠结合，都是通过渠和井在灌区内的布局和调配灌溉用水量来优化灌区可用水资源，使其发挥最大效益。在井渠结合灌区，采用何种灌溉类型，直接关系到水资源的优化配置形式和农业高效用水，必须根据灌区的水源情况、作物种植结构、经济能力、环境保护等综合考虑，进行技术经济分析来确定。

井渠结合灌区的灌溉水源一般包括地表水（库水或河水）、地下水、降水。由于地表水和降水都属于地上水源，因此也可将这三种水源的联合运用称作地上水和地下水联合运用。要对井渠结合灌区水资源进行优化配置，必须在维持水环境良性循环的前提下，定时定量地安排使用好各种水源，并对他们的相互转化关系进行人为的调控。井渠结合灌区的多水源优化调度与联合运用，不但与水资源条件有关，而且与井和渠的布局、作物种植结构、灌溉方法等密切相关，直接影响灌区的灌溉规模和灌溉效益，需要进行多方案比较来确定。

井渠结合灌区可以将渠灌渗漏的部分水量通过井灌得到重复利用，因而提高了引进灌区的灌溉水的利用率。可重复利用水量的多少与渠、井工程布局、灌区水文地质情况、灌区外围的环境条件等有密切关系。用井灌重复利用渠灌的渗漏水量，相当于对引入灌区的灌溉水进行二次开发，需要修建井灌工程和消耗能源，因此相对于纯渠灌区来说，增加了一定的建设投入。如何确定井渠结合灌区渠道防渗率？渠道和机井在面上如何合理布局？是井渠结合灌区发展地上水与地下水联合运用技术中的难点，是今后节水农业技术应重点研究的方面。但是从定性来说，可以得出几点初步认识：（1）灌区内渠灌的固定渠道不需要全部防渗；（2）从灌区外输水进入灌区的干渠一般应进行防渗处理；（3）灌区内那一级或那一部分固定渠道需要防渗，须对渠道防渗可减少的渗漏水量所需要的投入与利用井灌可重复利用的渠灌渗漏水量所需的投入进行周密的技术经济比较后确定；（4）应在灌区上游多打井利用地下水发展井灌，灌区下游多用渠水灌溉少打井少用地下水，以稳定灌区的地下水位。

2.3再生水灌溉高效安全利用技术

再生水是对污废水（城镇生活污废水、工业污废水）进行一定的净化处理后，可重复应用于各种生产、生活用的水。我国1993年城镇生活与工业污废水排放量高达636亿m3，2000年，全国污废水排放总量估计达到900亿m3，随着国民经济的发展，污废水的排放量将会越来越大，这是我国一种潜在的待开发的水资源，但目前城市污废水处理率仅为6%左右。没有经过处理使其达到灌溉水质标准的污废水，不但不能作为灌溉水源，而且会对生态环境造成恶化。如经资源化处理，则成为宝贵的灌溉水资源，可缓解我国灌溉农业用水的巨大压力。我国污废水灌溉农田主要集中在北方的海、辽、黄、淮四大河流域，约占全国污废水灌溉面积的85%。据统计，我国1991年污废水灌溉面积达306.7万km2，2000年估计达426.7～440万km2，发展潜力很大。但是，我国目前灌溉农田的污废水大都未经过处理，已造成部分地区农田及地下水污染，农产品残毒量超标的不良后果。因此，研究和发展再生水灌溉高效安全利用技术，将是我国今后节水农业技术发展的一个重要方面。

污废水的水质处理是再生水灌溉高效安全利用的基础。污废水中的生活废水是人们在生活过程中排弃的污水，主要包括粪便水和各种洗涤水，一般生活废水量为0.11～0.12m3/人·天。生活废水中对水体影响较大的污染物所含有的固形物多为无毒物质，分无机物和有机物两种。这些污染物易产生富营养化，易产生恶臭物质，含有对人体有害的多种寄生病原微生物和洗涤剂。如不经过净化处理直接排放出去，势必造成水源及环境污染。用作农田灌溉的生活废水是经过二级处理过的低浓度生活废水，要防止浓度过高的生活污水或未经处理的生活废水灌入农田。可以根据作物生长季节调整生活污水处理的深度。在作物的生长时期，污水脱磷不脱氮，既保证作物对营养物质的需要，也可以降低处理费用；非作物生长期，污水既脱磷又脱氮，保证达到排放标准，不产生富营养化，引起二次污染。污废水中工矿企业排放的废水污染物繁多，成分复杂，含有多种重金属元素、有害的无机物或有机化合物、病原生物等，不能用于直接灌溉农田。必须经过严格净化处理达到灌溉水质标准，才能用于灌溉非直接食用的农作物。对于含有致病微生物的工业废水，还要辅以必要的消毒处理。工业废水用于回灌地下水前，必须进行相应处理，使回灌水的水质优于当地的地下水水质。要达到人工回灌水的水质指标，工业废水在回灌前必须进行三级处理，并达到饮用水的水质要求。

由于技术和经济上的原因，再生水要完全达到原始淡水的水质才用于灌溉农田是不现实的。因此，对再生水灌溉高效安全利用技术的研究重点应放在保证灌溉对作物和环境的安全性方面。为此需通过对污染物在土壤中的运移规律、污染物对作物生长及品质以及环境的影响进行研究，以此为基础，制定再生水灌溉的安全评价及控制指标体系，再以此为依据，研究再生水灌溉制度、施肥方式及灌溉模式，以及灌溉后作物和农田残留物的快速测定技术和方法。

2.4节水农业关键设备、产品及材料的产业化

随着我国节水农业的迅速而大规模发展，需要大批优质的节水农业新产品与设备及新材料来支撑，因此，需加大研制与开发力度，在工艺和配方上取得突破，投产一批节水农业新设备及新材料并形成产业化。包括：①田间节水灌溉设备及新产品：抗堵、耐用、价廉的微灌灌水器；新型微灌过滤器、注肥器及系统控制设备；节能异形喷嘴喷头、可调仰角及可调雾化程度喷头；适宜于园林喷灌的升降式喷灌装置；新型扇形转动机构的摇臂式喷头；新型机械移动式轻小型喷灌机组；智能控制低压变量自走式喷洒机组；激光平地铲运设备和相应的液压升降控制系统；田间波涌灌溉控制阀、田间多孔闸管系统、田间灌溉自动控制设备；集灌水、播种、施肥于一体的新型多功能行走式局部施灌机。②新型节水专用材料与生化制剂：高强度、轻型金属管材，高分子复合材料的大口径管材、管件及配套设备；新型土壤固化剂；新型复合土工膜料和填缝材料；新型保温复合材料和环保型混凝土补强新材料；适合旱区雨水集蓄的新型低成本、高效率的坡面集雨固化土材料、绿化环保型集雨面喷涂材料、生物集雨材料；可被微生物完全分解成对环境无害物质的农用地膜；具有增温、保墒、增产、无残留的多功能液体覆盖材料；新型长效保水剂与节水抗旱种衣剂、植物蒸腾抑制剂、土壤 结构改良剂、控制农田灌水水流入渗的化学制剂。③灌溉系统水量监控与调配新产品：水头损失小、价廉、精度高、抗干扰性能强的渠系量水设备，新型量水槽，具有量水和水量调控双重功能的取水口量水设施；新型管道量水仪表；适合北方高含沙渠道采用的量水装置；经济实用的灌区自动化量水二次仪表及设备；井灌区计量用水卡等。

考虑到我国农村劳动力向城镇的快速转移，农业生产向高效集约化经营发展的趋势，节省劳力、生产效率高、自动化程度高的节水灌溉机具应成为今后研究、开发和产业化的重点。如机械移管的喷灌机具，地下滴灌设备，大、中、小型的渠道防渗衬砌机具，农田精细平地、开沟、打畦机具，各种自动阀门，以及灌溉自动化控制设备等。

2.5节水农业技术的示范区建设

长期以来，我国推广节水农业技术是通过建设示范区显示其效果，为农民做出可以仿效的样板，激励农民采用新技术的模式进行的，无疑这种模式对我国推广节水农业技术起到了重要的作用，今后还将是技术推广的一种重要手段。但是总结我国节水农业技术示范区建设的经验，也发现存在一些值得注意的问题。这些问题的集中表现为示范区建成后难于巩固和持续发展，往往建设任务完成验收后，示范区的作用也就结束了。纵观发展节水农业的历程，过去建成的示范区现在仍存在而且发挥作用的为数不多。究其主要原因，一是示范区选择时，人为的行政干预还不时存在，没有真正按科学和经济规律办事；二是地方配套资金不到位，示范区建设质量和数量和原计划相差很远；三是科技人员的责权利没有与示范区效益很好挂勾；四是科技成果不够成熟。

为了使我国节水农业示范区建设能起到更好的作用，今后应采取更加切实可行的措施，这些措施包括：一是加强示范区选择时的科学论证，特别是在确定国家级示范区时，不能只听申报单位的书面汇报，应组织专家深入到待选示范区所在地进行调研，从示范区的代表性、原有基础、干群接受的程度、技术成果成熟度等进行现场论证。只有示范区选准了，示范区建成后才有生命力。二是示范区建设资金的使用应设立专门的帐户，国家下达示范区建设的资金和地方上认可的配套资金都要汇入这个专门账户，由示范区任务下达单位管理，以此克服地方配套资金不到位的常见现象；三是示范区的经济效益要与承担示范区建设的科技人员责权利挂勾，因技术原因造成效益增加的，科技人员要按比例提取报酬，造成效益降低的要承担一定的经济责任。以此加强示范区建设各方的责任，并减少和杜绝夸大示范区取得的效益。四是示范区建成后只进行初步验收，主要是检查建设项目完成的情况，正式验收要到示范区建成三年后，此时主要检验示范区效益发挥情况和能否进入良性循环。验收都应采取现场验收。一般来说如果示范区能良好地运转三年，巩固和持续发展的可能性就很大。