节水灌溉技术的研究现状与发展趋势

1.2.3　节水灌溉技术的研究现状与发展趋势

1.2.3.1　改进地面灌水技术的研究现状与发展趋势

传统的地面灌水技术有畦灌、沟灌、格田淹灌和漫灌四种方法。地面灌水技术仍是目前世界上，特别是发展中国家普遍采用的灌水方法，其面积占全世界灌溉面积的90%以上，我国则有98%以上的灌溉面积仍采用的是地面灌水技术。由于传统的地面灌水技术灌水均匀度差、田间水利用率低和灌水定额大，所以许多国家均投入力量对其进行改进，形成了多种比传统地面灌水方法要节水的地面灌水技术，也称改进地面灌水技术。它包括改进灌水沟畦规格(如小畦等)、先进的地面灌水技术(如波涌灌、隔沟灌、膜上灌、绳索灌等)以及利用先进的激光平地技术开展水平畦灌等。

1.2.3.1.1　改进灌水沟畦规格的小畦灌、长畦分段灌、细流沟灌

我国从20世纪70年代开始进行改进地面灌水技术的研究与应用工作。平整土地之后，大畦改小畦，推行短沟灌和细流沟灌是最早采用的改进地面灌水技术，陕西省洛惠渠、渭惠渠灌区，推广了长畦改短畦，宽畦改窄畦，大水漫灌改小畦浅灌后，灌水定额一般为每公顷600～900立方米，作物生育期灌水量降低了20%～30%。20世纪80年代以来，在陕西省宝鸡峡灌区和冯家山水库灌区，群众开发了长畦分段灌溉法，可以达到与小畦灌同样的节水效果，细流沟灌用小管控制入沟流量不大于0.3m³/s。总之，与传统长畦灌相比，具有明显的节水节能、提高灌水效率和灌水质量的优点。

1.2.3.1.2　膜上灌

膜上灌是新疆维吾尔自治区首先提出的，它是把膜侧水流改为膜上流，利用地膜输水，通过膜孔和膜边侧渗给作物进行灌溉，这项技术在新疆等地推广20多万公顷，取得了较好的节水增产效果。一般可节水30%以上，增产10%～15%。开发适用于膜上灌的成套农业机具，解决地膜污染，研究适合当地的膜上灌技术要素及灌溉制度，水肥生产函数是今后的一个研究趋势。

1.2.3.1.3　波涌灌

波涌灌是美国20世纪70年代末期推出的适用于旱作物灌溉的一种新技术，它是用加大流量的方法把水灌到部分沟长时暂停供水，过一段时间再用加大流量供水，如此时断时续，使水流呈波涌状推进。用相同水量灌溉时，波涌灌的水流前进距离为连续灌的2～3倍。同时由于波涌灌的水流推进速度快，在土壤表层形成薄紧密层，大大减少了深层渗漏，使纵向水均匀分布。根据美国十多年的实践和研究表明，它具有灌水均匀、省水省时、田间水利用率高等优点。

在国内，陕西机械学院王文焰、王云涛、汪志荣、费良军对波涌灌进行了较深入地研究。但是与波涌灌等灌水技术相适应的田间灌水控制设备及设施还没有生产，所以，波涌灌与其他改进地面灌相比的适用性及开发适合我国国情的波涌灌灌水设备和系统设计技术，使其步入应用阶段是今后的发展趋势。

1.2.3.1.4　水平畦灌

水平畦灌是在激光平地基础上产生的又一个重要的畦灌进展，可大大提高灌水效率和质量。“向发展中国家推广激光平地水平畦灌技术将显著提高这些国家地面灌溉的效果”，这是美国犹他州州立大学W.R.沃克教授基于发达国家和一些发展中国家推广此技术取得的经验。在激光平地基础上开展水平畦灌技术的应用研究，目前在我国刚刚起步。

1.2.3.1.5　灌水技术要素的确定

改进沟(畦)灌水技术，提高田间水利用率和灌水均匀度，减小灌水定额是一项投资小、操作简便、效果显著的农业节水增产措施。改进沟(畦)灌水技术的基础在于根据当地条件，合理研究各种灌水技术要素。

确定灌水要素是以给定的灌水定额为前提进行的。确定方法有两种：一是针对不同土质、不同田面坡度等基本条件，通过对比试验选择灌水均匀度、田间水利用率及灌溉水储存率均较高的灌水技术要素组合作为灌水的依据。二是以沟、畦水流的推进曲线和消退曲线为依据，确定沟、畦纵向各点的入渗历时，进而根据累计入渗曲线得到该点的入渗水深。累计入渗曲线可用田间土壤水分入渗仪测定，水流推进曲线和消退曲线可在田间测定，但工作量大。故也可用各种理论计算的方法得出。

灌水技术要素最优组合是指田间水利用率、灌溉水储存率、灌水均匀度均处于最高值的一组灌水技术要素组合。很多学者对沟、畦灌技术要素作过优化研究。W.A.Hall提出了最优灌水效率畦灌系统的设计方法，但是，即使以灌水效率为100%进行灌溉，也不一定会使作物生长良好，这是因为灌水效率没有考虑与作物需水量有关的灌水均匀性。E.A.Holzapfel根据引水时间与水流前锋抵达灌水沟末端的时间之比和允许的深层渗漏量，提出了仅考虑沟灌系统中行水长度的优化方法。J.M.Reddy和W.Clyma使用几何规划技术确定沟灌系统的最小费用，同样，这种方法不能保证达到总的最优解。清华大学惠士博从试验角度出发，对畦田灌水技术要素进行了优化组合研究。E.A.Holzapfel等人建立了既能提高灌水效率，又能提高灌溉效益的沟(畦)灌技术要素的非线性最优决策模型，尽管对其进行了线性化处理，使得求解方便，但约束方程中的常数项指标大都是通过预测、估计和分析而定的，具有某种不确定性。我国孔祥元先生(1995)提出了沟(畦)灌技术要素模糊优化模型，选择RDE或RE作为沟(畦)技术要素优化的目标函数，选择流量、沟畦长度、灌水延续时间、灌水质量指标作为约束条件，经优化计算，沟灌的需水分配效率较原问题提高了11.57%，畦灌的需水分配效率较原问题提高了5.52%。但是各种改进地面灌水技术要素之间的优化组合方式等问题尚未有明确的结论，这应是今后的一个研究方向。

改进地面灌水技术的研究趋势除了以上分项中叙述的以外，改进地面灌水技术的节水机理、适用条件、灌水均匀度对作物产量的影响、改进地面灌水技术的质量评估体系和方法，也是今后的一个研究方向。

1.2.3.2　管灌技术的研究现状与发展趋势

低压管道输水灌溉，简称“管灌”，群众形象地称之为“田间水龙头”。国外许多国家都在新建灌区内实行管道化输水。美国自20世纪20年代在加利福尼亚的图尔洛克灌区采用混凝土管道代替明渠输水以来，经过数十年的推广发展，使一半以上的大型灌区实现了管道化。前苏联在1985年明确规定新建灌区都要实现管道化，并且采用硬质管材逐渐替代软管。以色列自20世纪50年代以来，建成了覆盖全国主要用水地区，堪称世界第一的国家管道输水工程。日本在20世纪60年代初，先在旱地灌溉系统中采用管道代替明渠，由于效果好，在十年时间里得到推广，到1985年，新建灌区系统50%以上都实现了管道化输水。除灌区外，也有不少国家将旧灌区的渠道输水系统改建为管灌系统。如加拿大艾伯塔灌区，20世纪80年代初改建后，使灌溉水利用率由35%～60%提高到75%以上。

我国低压管灌技术从20世纪50年代就开始试点应用，但因技术设备不配套、造价较高以及当时我国农村经济水平较低而未能大面积推广应用。进入20世纪80年代以来，这项技术在北京平原井灌区迅速发展起来。为了保证该项技术的健康发展，“七五”期间国家科委将其列入重点科技攻关项目，取得了成套的技术成果。在井灌区推广低压管灌的同时，近年来我国在山东、陕西等地对自流灌区、扬水灌区的低压管灌也进行了研究，但取得的进展还十分有限。

当前低压管灌研究有三大发展趋势：一是管件、安全保护装置、田间地面移动多孔闸管、量水设备等向定型化、标准化、系列化、工厂化方向发展;二是渠灌区管灌向研制优质低价大口径低压管材、管件和研究规划、设计、施工管理规律方向发展;三是引黄灌区向管网系统规划设计、管道系统防泥沙淤积及高寒地区低压管道系统的抗冻方向发展。

1.2.3.3　喷灌技术的研究现状与发展趋势

喷灌是喷洒灌溉的简称。喷灌技术近几十年发展很快，全世界喷灌面积由1973年的10公顷发展到1996年的2000多万公顷，美国、前苏联的喷灌面积已占总灌溉面积的40%以上，英国、德国、奥地利、日本等国家的旱地灌溉面积中90%以上采用喷灌。目前，在一些发达国家的喷灌系统中广泛使用多功能压力流量控制设备，以保持各支管压力均匀并控制水量，如法国和日本均开发并使用集给水栓、压力控制、流量显示、水量控制等功能于一体的多功能压力流量控制给水栓。随着能源的日趋紧张，世界各国均注重喷灌系统的节能问题，大力开发节能高效产品，如美国开发的雨鸟异型喷嘴喷头，其动能转化效率达91.3%。此外，节能效果良好的恒压喷灌等技术也得到迅速发展，如日本在大多数旱地灌溉系统的加压泵站中使用调压罐控制，不仅能节省能耗，同时也实现了喷灌泵站的自动控制;保加利亚自20世纪70年代初以来在新建的喷灌区主要用恒压喷灌泵站加压，至20世纪70年代末恒压喷灌面积已接近全国喷灌面积的一半;原联邦德国绝大多数喷灌工程均安装有体积较小的室内调压罐;等等。

世界喷灌技术的发展趋势可概括为以下几个方面：一是朝低压、节能型方向发展;二是喷灌、微灌相互配合，既发挥了喷灌射程远、效率高和微灌节能节水等优点，同时又克服了喷灌耗能大、滴灌的灌水器易堵塞等缺点;三是开展喷灌的多目标利用;四是改进设备、提高性能，并使产品日趋标准化、系列化，为使用和维修带来极大的方便。

我国从20世纪70年代开始发展喷灌技术。经过20多年的努力，喷灌面积已发展到80万公顷，取得了比较显著的节水、增产效益。例如北京市已推广8.67万公顷，占全市灌溉面积的21%。仅顺义县就已建成2600套喷灌系统，喷灌小麦面积近4万公顷，占全县灌溉面积的80%。统计结果表明，喷灌比原有土渠畦灌节水30%～50%，由于省去了输水渠及畦埂占地，土地的实际利用率提高了15%～20%，增产20%～30%，省工50%。

当前我国喷灌设备的生产已经具备一定的规模，数量上基本可以满足现阶段的需要，但在产品种类、材质、性能等方面与发达国家相比还有相当大的差距，致使相当一部分工程由于设备不过关或管理不善等原因，不能正常发挥效益，甚至报废。我国喷灌技术的发展趋势：一是着力解决喷灌关键设备及配套设备存在的问题，如喷灌关键设备耐久性差，移动式喷灌快速接头漏水严重，缺乏提高喷灌均匀度的控制设备，山丘地区喷灌设备配套差;二是着力解决节能喷灌设备及其系列化程度低的问题，如恒压喷灌设备、喷灌泵站的自动调压控制系统及节能喷头等;三是着重干旱多风地区喷灌区划与经济评价，如干旱多风地区喷灌的可靠性与经济合理性尚未有定论。

1.2.3.4　微灌的研究现状与发展趋势

微灌是一种新型的节水灌溉技术，包括滴灌、微喷灌和涌泉灌三种形式。

微灌是一些水资源匮乏的发达国家非常重视的灌水技术。以色列在20世纪70年代中期把发展重点由喷灌转向微灌，20世纪90年代初微灌面积已占总灌溉面积的2/3。美国在1981～1991年的10年间，微灌面积增加了3倍多。日本于20世纪80年代后随着保护地栽培技术的迅速发展，微灌技术发展也十分迅速。在微灌技术领域，以色列和美国代表着当今世界的最高水平。以色列在微灌产品的开发利用上走在世界的前列，其微喷头、滴头、微灌带、过滤器、施肥灌等，不仅工艺水平高，而且出水均匀。

我国的微灌技术发展是从1974年开始的，截至1996年，已经发展微灌面积2万多公顷，其中滴灌面积约占一半。20多年来，我国微灌技术的发展大致经历了三个阶段：

第一阶段(1974年至20世纪80年代初)，主要是引进、消化和试制阶段。科研单位和生产厂家联合试制微灌设备，并在不同作物上开展试验、推广应用。在国家有关部门的支持下，微灌面积曾一度发展到1万公顷，灌溉作物主要为果树。1979年在河南偃师县严重缺水的邙岭上建成77.6公顷的大田粮食作物半固定式滴灌系统，经济效益显著，与不灌相比增产100%～200%。

第二阶段(20世纪80年代初至20世纪90年代初)，为深入研究和缓慢发展阶段。主要针对微灌设备品种少、不配套、质量差等问题，先后研制和改进了等流量滴灌设备、微喷灌设备、微灌带、孔口滴头、补偿式滴头、折射式和旋转式喷头、过滤器和进排气阀等设备。在理论上总结出一套适合我国条件的设计参数和计算方法，建立了一批新的试验示范基地，如辽宁苹果滴灌、河北唐山的燕山滴灌和山东苹果的微喷灌等示范点，促进了微灌技术的发展。但由于缺乏适合我国农村生产责任制的管理制度，科研经费投入有限，且设备大多尚未过关，建成的微灌试点大部分未能巩固下来。

第三阶段(20世纪90年代初以来)，为重视发展阶段。由于北方连年干旱，水资源更加短缺，国家对节水农业十分重视，投入相对增加，促进了微灌技术的发展。改进和研制出了新的微灌设备和脉冲滴灌设备、调压器和施肥器等，并引进了以色列的部分先进技术和设备，使北方的果树微喷灌、瓜果滴灌、保护地蔬菜滴灌、南方柑橘园和茶园微喷灌等都有较大发展，同时制定了微灌设备技术标准和技术规范，开展了地下滴灌、渗灌和涌泉灌的试验研究。

我国微灌技术的发展趋势是：一是着重微灌设备的改进，解决种类少、性能差、工艺水平落后和材质不耐老化的问题;二是着重水净化技术的研究，解决过滤设备种类少、性能差和堵塞问题，特别对高含沙水、污水、咸水等水质的微灌要取得突破;三是着重对大田作物微灌技术的大面积推广;四是着重管理的科学化与自动化，解决设备生产自动化程度低、工艺落后、产品质量不稳定的问题和推广应用中的管理体制问题。

1.2.3.5　控制性分根交替灌溉的研究现状与发展趋势

控制性分根交替灌溉(Controlled Roots-Divided Alternative Irrigation，简称CRAI)，是人为控制或保持根区土壤交替在某个区域干燥，在某个区域湿润，最终达到以不牺牲作物的光合产物积累而大量节省水量目的的一种新型灌溉节水技术。其特点：一是将传统的追求田间作物根系层的充分和均匀湿润变为交替局部湿润，限制根系吸水，让其产生水分胁迫信号传递至叶气孔，形成最优气孔开度，而使另一部分生长在湿润区的根系正常吸水，减少作物奢侈的蒸腾耗水;二是减少棵间全部湿润时的无效蒸发和总的灌溉用水数量，亦可通过对不同区域根系进行交替干旱锻炼和其存在的补偿功能来刺激根系的生长，提高根系对水分和养分的利用率。该技术经西北农林科技大学在甘肃省民勤沙漠绿洲进行的玉米交替隔沟灌溉试验表明，在保持高产的水平下，比常规地面灌节水33.3%。目前，该技术的研究在国内才刚刚起步，近期内应对适用性和机理进行研究。

1.2.3.6　调亏灌溉的研究现状与发展趋势

调亏灌溉，是在作物生长发育的某些时期，主动施加一定的水分胁迫，影响光合产物向不同组织器官倾斜，从而提高作物产量的一种新方法。其特点不同于传统的丰水高产灌溉，也有别于非充分灌溉。非充分灌溉(Non-Full Irrigation)，是指在灌溉水源有限的条件下，把有限的水量最优分配至作物各阶段，使有限水的经济效益最大。某些阶段的缺水受旱是被动型的，而调亏灌溉则是从作物生理角度出发，在一定时期施加一定程度的有益的亏水度，使作物经历有益的亏水锻炼后，达到既可控制地上部的旺长、实现矮化密植和减少剪枝等工作量，又可节水增产和改善农产品品质的目的。该方法经西北农业大学试验，不仅适用于果树等经济作物，而且也适用于大田作物。在渭北旱源对玉米进行调亏灌溉的结果表明：苗期进行中度亏水处理，拔节期辅以轻度亏水，既有利于提高作物水分的利用率，又有利于提高产量，是较为适宜的调亏灌溉方案。该技术的研究在国内不多见，近期内应对适用性和机理进行研究。

1.2.3.7　精准灌溉的研究现状与发展趋势

精准灌溉(Precision Irrigation)，是运用全球卫星定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)和计算机控制系统，按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地灌溉作物，以获取最高产量和最大经济效益的一种灌水新技术。它是精准农业(Precision Agriculture)的一个组成部分。目前精准灌溉在我国的应用似乎是十分遥远的事情，但农业水利工作者应积极推动这方面的工作，为21世纪精准灌溉管理系统在我国的应用作好技术准备。