郓城县中小型农田水利工程节水技术

摘 要 随着时代的发展和对农业现代化要求的提高，智能水资源管理技术的应用逐渐受到重视。山东省郓城县是我国农业发展的重要区域，却面临水资源短缺、灌溉效率低、农田水土流失严重及农田排水系统不完善等问题。为了提高水资源利用效率、优化农田排水系统，从而推动郓城县乃至更广泛区域的农业可持续发展，重点介绍了4种节水技术：智能水资源管理、精准灌溉、水土保持与恢复、农田综合排水系统改造。

关键词 智能水资源管理技术；精准灌溉技术；农田水土保持与恢复；山东省郓城县

中图分类号：S274 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.04.037

山东省郓城县作为我国农业发展的重要区域，面临水资源短缺、灌溉效率低、农田水土流失严重及农田排水系统不完善等问题。这些问题不仅影响了农业生产的可持续性，还对生态环境造成了负面影响。因此，采用现代化的水资源管理技术和节水灌溉方法，不仅可以提高水资源的利用效率，还有助于保护和恢复生态环境。这对于推动郓城县乃至更广泛区域的农业可持续发展具有重要意义。这些措施的实施，有助于平衡农业生产需求和生态保护的关系，确保水资源的高效和合理使用。通过提升农业技术水平，农民可以获得更高的收入，同时增强农业系统抵御气候变化的能力，为促进农业生产和实现环境保护奠定坚实基础。

1 郓城县中小型农田水利工程现状

郓城县作为一个以农业为主的地区，对水资源有着巨大的依赖。当地水资源有限，主要包括地表水、地下水和引自黄河的水源。地表水涵盖河流、湖泊和水库，而地下水则分为浅层和深层地下水。为改善灌溉条件，郓城县近年来着力发展中小型农田水利工程，其中城南水库工程作为一项综合性中型水利工程，扮演着灌溉、防洪、供水及发电等多重角色。该工程建造了容量达1.2亿m3的水库和相关输水灌溉设施，显著提升了南部地区的灌溉保证率，解决了约0.73万hm2农田的灌溉问题，并为城镇和工业提供稳定水源。郓城县还建有一系列小型水利工程，如小水库、塘坝、水窖、井灌设施及水利配套设施，包括渠道、管道、水闸和水塔等，充分利用多样水资源，增加灌溉面积和频率，促进农业产量和效益的提升。

2 现存的问题

2.1 水资源短缺

郓城县中小型农田水利工程在改善灌溉条件方面虽有成效，但依然面临水资源短缺这一重大挑战，而导致这一问题的主要原因包括气候变化和人口增长。近年来，郓城县气候趋于干旱少雨，导致地表水和地下水量减少，同时全球变暖使得农业用水需求上升，造成供需之间的矛盾。郓城县年均降水量600～700 mm，而蒸发量在1 500 mm左右，属于严重缺水地区。随着人口的持续增长，特别是城镇人口的快速上升，生活和工业用水需求增加，水资源压力加大[1]。郓城县人口已达110万，人均水资源量为296 m3，远低于国际公认的500 m3的标准。此外，人口密度的增加加剧了水资源的污染和破坏。

2.2 灌溉效率低

郓城县的中小型农田水利工程在某种程度上缓解了水资源短缺问题，然而灌溉效率依旧偏低，主要受两方面因素影响。1）普遍采用传统灌溉方法，如漫灌和渠灌等。这些方法虽然灌溉范围广，但伴随着显著的水分损失，包括蒸发、渗漏和流失等，使得灌溉效率通常只有0.4～0.5，导致水资源利用效率不高。2）缺乏有效的灌溉管理和调控机制。郓城县在灌溉时机、频率、量方面缺乏科学规划和监测，通常依赖传统经验或习惯，未能充分考虑作物需水量、土壤含水量、气候变化等关键因素。这种方式导致灌溉不合理和不均衡，进而造成水资源的浪费和农田的损害。

2.3 农田水土流失严重

水土流失在山区和丘陵地带对农业生产和生态环境造成严重影响，导致土地退化、沙漠化、泥沙淤积和水质恶化，威胁水资源安全和可持续利用。郓城县仍面临严重的水土流失问题，这主要归因于两个关键因素。1）缺乏有效的水土保持措施，如植被恢复、地表覆盖、梯田建设等。这些措施能有效减少水流侵蚀和冲刷，从而提高土壤稳定性和保水能力[2]。在这些措施缺失的情况下，郓城县农田水土流失严重，导致土壤贫瘠、肥力下降、农作物减产等问题。2）灌溉方式不合理。当前使用的一些灌溉方法，如过量灌溉、不均匀灌溉或不适时灌溉等，不仅造成水资源浪费，还加剧了农田淹水和水土流失的风险。

2.4 农田排水系统不完善

郓城县现有的排水设施包括沟渠、管道、水闸、水塔等，在数量、规模、质量及布局方面都不尽合理，未能充分满足农田排水需求。这导致郓城县农田频繁出现积水、涝灾、盐碱化等问题，严重影响了农田的正常使用和农作物的生长。

3 小型农田水利工程节水技术

3.1 智能水资源管理技术

为解决郓城县水资源短缺的问题，关键举措是引入智能水资源管理系統，结合信息技术和数据分析，对地表水、地下水及引黄客水进行实时监控和管理。智能水资源管理系统的核心部分包括水资源监测和预测技术，运用各类传感器、卫星、无人机等设备，收集关于水位、流量、水质和水量的数据，以及与气象、土壤、农作物相关的信息，形成全面的水资源监测网络[3]。无人机发挥关键作用，通过高分辨率航拍提高监测效率和范围，搭载多光谱、红外、雷达等传感器，对水资源的各种水质参数进行测量，如pH值和氮磷含量，以评估水资源的污染程度和生态状况。无人机收集的遥感数据和水源信息被传输到数据中心进行处理，使用大数据算法分析地下水资源相关信息，利用人工智能、大数据、云计算等技术，对水资源的变化趋势和未来需求进行预测和分析，为水资源调度和分配提供科学依据。水资源分配优化技术则通过数学模型、优化算法和决策支持系统，根据实时监测和预测数据及不同用水需求和优先级，制定最优的水资源分配方案，实现水资源的合理配置和高效利用。

3.2 精准灌溉技术

为了提升农业灌溉用水效率，郓城县采纳了精准灌溉这一概念，它涉及信息、通信和控制技术的综合应用，旨在最优化水资源的使用并最小化对环境的影响。精准灌溉考虑土壤的空间和时间变化、结构和水力特性、植物对缺水的响应及天气变量的有效监测，基于物联网技术，以做出更合理的灌溉决策，助力节水和产量提升。

精准灌溉主要采用滴灌和喷灌两种方式。1）滴灌通过低压、低流量方式将水和肥料直接输送至植物根部区域，减少水分蒸发和渗漏，提高水利用率，同时避免土壤盐渍化和硬化，改善土壤结构。这种技术使灌溉效率比传统灌溉提高了40%～50%。滴灌还实现了水肥一体化，将溶于水中的肥料按需、精准地输送至植物根部，提高肥料利用率，减少损失和污染，适用于经济作物、果树、蔬菜等的种植。2）喷灌通过高压、高流量将水均匀喷洒至作物上，模拟自然降雨过程，提高土壤表层水分分布和灌溉的均匀度。此技术灌溉效率比传统灌溉提高了15%左右，适用于大田作物、牧草、花卉等的栽培，同时可以改善作物生长环境，促进光合作用，提升品质和产量。无论滴灌还是喷灌，都需要与土壤湿度传感器和气象信息系统结合，实现按需灌溉，根据土壤含水量和作物耗水量来决定灌溉的时机和量；通过无线传感器网络、物联网、云計算、人工智能等技术，实现灌溉的智能化、自动化和远程化，提高灌溉的精准度和效率。

3.3 水土保持与恢复技术

有效的水土保持与恢复技术是小型农田水利工程节水技术的关键环节。1）植被作为水土保持的基础，通过根系固土、叶片截水、枝干拦沙等功能减少径流侵蚀，提升土壤渗透性和有机质含量，改善土壤结构与肥力，因此可通过恢复植被改善水土流失问题[4]。植被恢复的方式多样，包括种植乔木、灌木、草本植物等，根据地形、土壤、气候、水文条件选择合适的物种和方式，构建多层次、多样化的植被系统，增强植被的稳定性和适应性。例如，在坡度大、土壤肥力低的地区，种植沙棘、柠条、刺槐等深根性、抗旱性强的乔木和灌木，每667 m2种植500～1 500株，每株施用有机肥1～3 kg，每年浇水3次左右；其下可种植草本植物如苜蓿，每667 m2可撒播1.5～2.0 kg种子，每年施复合肥25 kg左右，每年可收割2次，提高植被覆盖度，增加土壤有机质，同时提供饲料和经济收入。2）地表覆盖可减少雨滴冲击和水流冲刷，可使用稻草、秸秆、落叶、枯枝、石块及塑料薄膜等材料，根据目的和条件选择材料和厚度，保持覆盖均匀连续。在坡度小、土壤肥力高的地区，使用农作物秸秆、落叶等材料，每667 m2覆盖1.0～1.5 t，厚度大约5 cm，覆盖后划开小沟利于水分渗透，撒播抗寒草种如黑麦草、燕麦草，每667 m2撒播10 kg左右，年施复合肥45 kg左右，可减少土壤侵蚀，缓解水土流失。3）构建梯田。通过在坡地上开垦出平台，减小坡度，增加土壤厚度，提高保水能力，有利于灌溉和耕作，提高农田产量。通过这些综合措施，可有效地防治水土流失，增强农田生产力和生态环境的可持续性。

3.4 农田综合排水系统改造技术

农田综合排水系统改造技术的重点在于利用现代技术和设备，对原有农田排水系统的结构、功能、规模和管理进行优化和升级。这种改造旨在提高排水效果和效率，并实现排水系统的智能化、节水化和生态化。

1）搭建地下排水管网是一项关键措施，涉及在农田地下铺设特定规格和间距的排水管道。这些管道通过孔隙或阀门排出农田中多余的水分，从而有效控制农田的水分情况。该系统的优势在于减少地表占地面积，节约了土地资源；减少地表水的蒸发，同时避免了污染，节约了水资源；防止地表水流失和冲刷，保护了土壤资源；并根据土壤水分和作物需水变化灵活调节排水量，增强了排水效果[5]。按照《农田排水工程技术规范》，地下排水管网可采用单管、双管、三管或多管等形式，管网内径规格一般不小于100 mm。管网间距应根据土壤渗透性、地下水位、作物需水等因素确定，一般不超过150 m。管网埋深根据地下水位、冻土层、耕作层等因素确定，一般不超过1.5 m。出水口设置在排水沟或河流侧壁上，高度低于排水沟或河流最低水位，并安装止回阀、涵闸等防止倒灌的装置。同时，需要注意与灌溉系统和地下水系统的协调，避免排水过度或不足，影响农田生态。

2）改善沟渠设计也是农田排水系统改造的一个重要方面。沟渠可根据其所在位置的坡度和截面将农田中的水分引流，从而实现排水目的。沟渠的改进根据农田排水的需求和条件进行，形状可采用梯形、矩形、梯形矩形组合等。沟渠的形状根据工程条件选择，但一般不采用抛物线形，因为其水力性能较差；沟渠水深与水宽的比值在0.5～1.0的是梯形沟渠；对于矩形沟渠，该比值应在0.3～0.6。一般情况下，沟渠的流速控制在0.3～1.0 m·s-1；对于易淤积的沟渠，流速应不小于0.5 m·s-1；对于易冲刷的沟渠，流速应不大于0.8 m·s-1。

以上这些改造措施共同作用于提高农田排水系统的整体效能，通过智能化、节水化和生态化的方法，增强排水系统的效果和效率，对农田生产和生态环境带来积极影响。

4 结语

通过实施智能水资源管理、精准灌溉、水土保持与恢复及农田综合排水系统改造技术，郓城县显著提升了水资源的利用效率和农田的可持续性。这些技术的应用不仅解决了水资源短缺、低效灌溉、水土流失及排水系统不完善等问题，还为郓城县的农业发展提供了可靠的支持。此外，这些措施在提高农业生产效率的同时，有助于保护生态环境，展示了现代水利技术与传统农业实践结合的巨大潜力，在促进农业生态系统健康、保护生物多样性、为农民提供更稳定高效的生产方式方面也发挥巨大作用，确保了农业的长期可持续性，为区域的经济发展和环境保护做出了重要贡献。

参考文献：

[1] 姜殿斌.中小型农田水利灌溉工程设计及节水技术探析[J].水利科学与寒区工程，2022，5（2）：67-68.

[2] 樊祥建.农田水利节水技术的必要性及发展措施[J].新农民，2021（16）：41.

[3] 杨友贵.农田水利工程中节水灌溉技术的应用研究[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2023（11）：44-46.

[4] 杨玉莲.农田水利工程中节水灌溉技术的应用分析[J].新农业，2021（19）：26-27.

[5] 陈友山，马珍德.节水灌溉技术在农田水利工程中的应用[J].农村经济与科技，2020，31（8）：51-52.

（责任编辑：张春雨）

收稿日期：2024-01-09

作者简介：刘明喆（2004—），在读本科生。E-mail：1500118960@qq.com。