提高农业灌溉用水效率研究

侯 波

(塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

1 概 述

多年来，灌溉系统的类型发生了巨大的变化。地表灌溉从1979年占总灌溉量的63%下降至1994年的50%，而低压系统(如滴灌、喷灌)从1979年占总灌溉量的0.6%上升至1994年的近4%。尽管地下灌溉占相当小的数量，但在使用地下排水系统(包括水位控制技术)改善作物性能和水质的地区，这一点非常重要。当然，滴灌系统(和其他低压系统)的大幅增长是因为它们的数量很少[1]。20世纪90年代以来，我国每年遭受干旱灾害的耕地达0.2×108hm2，粮食产量比正常年份每年减少100×108至250×108kg。在灾害最严重的年份，粮食产量最多减少500×108kg，经济作物损失达600亿元。这几年，农村有2.6亿人饮水困难。全市工业缺水约60×108m3，直接损失达200亿元，建设节水型社会势在必行[2-3]。

2 农业用水效率现状

农业用水效率的现状：①灌溉用水效率低，仅为43%左右，与发达国家70%～80%的用水效率相差甚远。渠道损失占灌溉水损失的80%以上，全国大型灌溉骨干建筑物损坏率达到40%，约有40%的大中型水库存在不同程度的险情；②灌溉定额普遍偏高，采用传统灌溉方式，全国平均每公顷实际灌溉量达到6 750～7 500 m3，超过实际需水量的1倍，部分地区甚至高达2倍；③自然降水利用率低，0.733 3×108hm2旱地中70%位于中国北方年降水量250～600 mm的地区。由于蓄水和节水设施不足，农田利用对自然降水率的影响只有56%左右；④作物水分生产率不高，仅为1.0 kg/m3左右，远低于发达国家2.0 kg/m3的水平；⑤不同地区用水差距较大，比如滦河流域与珠江流域的差距高达2.5倍；⑥现代灌溉技术应用程度太低。根据有关科研机构对16个国家灌溉现状的分析，以色列、德国、奥地利和塞浦路斯的现代灌溉技术总灌溉面积比应用面积达到61%以上，美国、澳大利亚、埃及和意大利的现代灌溉技术总灌溉面积比应用面积约为11%至30%。而我国喷灌滴灌面积仅为80×104hm2左右，占有效灌溉面积的1.5%。因此，我国农业节水潜力巨大[4-5]。

3 提高农业用水效率的途径

提高农业用水效率主要从农业节水、工程节水和节水管理3个方面进行改进，具体见表1。

表1 提高农田灌溉效率的改进方案

3.1 灌溉系统的选择

迄今为止，灌溉模型已将重点放在运河输水和农场灌溉管理上，以满足灌溉人员和方案管理人员的具体需求。不过，它对水资源规划人员和广大决策者的支持肯定非常有限。其根本原因在于，灌溉模式通常只关注水平衡的有限部分，缺少重要水源以及灌溉项目中的用水。特别是，没有考虑到灌溉回流的可能性和再循环。然而，回流的循环利用会对水的利用效率、生产力和平衡产生重大影响，特别是在缺水的情况下。

绿洲模型的设计是为了解决其他灌溉模式的主要缺点。它基于一个综合建模框架，该框架包括主要灌溉系统组件(包括地下水和排水系统)及其相互作用的概念表示(图1)。绿洲模型的主要特点：

1) 具有灌溉项目内水平衡的所有主要因素的能力，包括休耕地和非作物植被的非过程消耗。

2) 考虑灌溉回流循环的能力，从而允许连接渠道、地下水和排水的使用。

3) 在实际或假设条件下适当量化用水效率、生产力和平衡性的能力。

图1 绿洲灌溉模型

3.2 工程节水

3.2.1 采用先进的节水技术

应采取因地制宜的合理灌溉措施，在经济实力较强的缺水地区发展喷灌和微灌，经济实力薄弱地区应考虑采用田间简易节水灌溉技术，如小农滴灌系统(图2)，这些系统试图保留传统滴灌的好处，同时消除阻碍小农户采用滴灌的因素，例如高昂的购买成本和复杂的操作和维护。

1) 蓄水池：水在所需压力下从蓄水池(桶或桶)流向管道系统。

2) 控制：管道系统中的阀门(龙头)控制流量和压力。

3) 主干线和侧线：连接储层和油田中的发射器。侧面可以是多孔管或具有多个出口分配器(发射器)。

4) 排放器/滴头：这些装置控制从侧面到工厂的水流。

小农滴灌系统有几个共同的特点：20～1 000 m2小块土地的成套设备；0.5～4 m范围内的低压；防止颗粒进入侧面的简单过滤器；以及设计为可移动的主管道和侧面管道。

尽管水必须被带到桶里，但少量的水可以灌溉大面积的土地。假设作物需水量为5 mm/天，通常用于日平均温度约为20℃的高地地区，一个200 L的水桶可灌溉面积为100 m2。可以通过使用多个水桶来增加灌溉面积。

图2 小农滴灌系统

3.2.2 改进传统地面灌溉技术

小沟灌“三变”技术是指长边改短沟，宽沟改窄沟，大垄改小垄。关键是要做好田间灌溉水量分配，节约灌溉时间，减少灌溉用水损失。长边段畦灌是将长垄分成多个有小垄沟的横垄，然后用塑料软管或垂直地面将灌溉水沟渠入库的灌溉方法。该方法比一般长沟灌溉节水40%～60%，田埂少，省力，便于耕作。对土地多人少、劳动力短缺、缺水的地区有好处。涌流灌溉又称间歇灌溉或涌灌溉，它是指灌溉技术在一定时期内间歇地向沟(畦)内涌水，使水流向沟(畦)的末端像涌水一样，使表层土壤湿润。该方法具有省时、节水、节能、优质灌溉、设备少、投资少、节水效果明显等优点，节水率为30%～50%。

3.3 农业节水

通常将用水效率定义为WUE=作物产量(通常是经济产量)/生产用水，如果作物产量以g·m-2表示，用水量以mm表示，则WUE在单位水量基础上的单位为kg·m-3，或在单位水量基础上的单位为g·kg-1。表达式可以写成ETWUE和IWUE。

(1)

(2)

式中：Yi为灌溉期间产量；ETi为灌溉水平年i的作物需水量；Yd为干旱期间产量；ETd为等效旱地或仅旱地的净需水量；Ii为灌溉水平年i的灌溉量。

式(1)中的用水量很难精确确定。因此在某些情况下，许多灌溉从业者使用基准WUE可以定义为：

(3)

式中：HI为收获指数(单位干物质的干产量)；DM为物质干重量，g·m-2(必须与用于计算收获指数的干物质成分相同，无论是地上干物质还是包括根在内的总干物质)；T为蒸腾作用，mm；WC为经济产量的标准含水量；E为土壤水分蒸发量，mm；P为降水量，mm；I为灌溉量；SW为根区土壤水分耗竭量，mm；D为根区以下的深层渗透量，mm；Q为地表径流，mm。

式(3)代表了提高WUE提供的所有农艺和工程机制。①通过作物育种或管理提高收获指数；②通过改良的物种选择、品种选择或作物育种来减少蒸腾比率(T/DM)；③通过提高肥力、病虫害防治和最佳种植来最大化干物质产量；④相对于其他水平衡成分增加蒸腾成分。

3.4 节水管理

3.4.1 加强联合多部门建立水资源统一管理制度

节水农业是一项系统工程，涉及农业、水利、科技、城建、环保、气象、宣传、规划等多个部门。各部门之间缺乏合作机制，效率低下。因此，有必要建立一个全面的协调机制，为各部门的联合创造条件。

3.4.2 相关部门联合实施项目管理办法。

制定多部门节水农业规划，并将其作为相关部门工作的重要组成部分。充分重视地方部门的效益，地方部门在节水工作中起着至关重要的作用，节约用水只能靠地方部门的积极性。

3.4.3 从供水管理的水资源管理理念转变为用水需求管理理念

传统的水资源管理可以统称为供水管理，其主要特点是以工农业用水需求为基础，通过建立大中型水利工程来实现水资源供需平衡。供水管理最大的缺陷是忽视了节约用水的可能性，希望解决供水中的水资源供需矛盾，造成水资源浪费和效率低下。供水管理必须转变为用水需求管理。用水需求管理是综合运用行政、法律和经济手段，规范人类在水资源开发利用中的行为，从而实现有限水资源的合理利用和优化配置。强调水资源是稀缺商品，通过建立合理的水价，实现现有水资源利用的优化。

3.4.4 充分发挥农民节水积极性

为了提高农业用水效率，必须有用户的参与。所有的技术和措施最终都被用户使用。用户是节水的主体，其行为和质量在一定程度上决定着节水效率。因此，民主管理机制是节水的重要因素之一。同时，还必须对农业灌溉水价进行改革。否则，农民节约用水的积极性就无法发挥。

4 结 语

灌溉作为一种提高产量和提高水分利用效率的手段，在国内和世界范围内仍然至关重要。许多农艺、工程和管理技术可以减少灌溉农业的非生产用水，然而在某些情况下，提高灌溉效率并不能简单地获得新的分配用水，除非实际减少了转移用水的消耗性使用部分。为优化水资源配置和高效利用，提供充足的粮食，改善生态环境，满足工农业发展需要，发展节水农业，提高农业用水效率，完善用水效率控制体系，建立节水型社会势在必行。