平原井灌区节水农业综合配套技术研究中国节水灌溉网
2020-03-02 15:59:40 来源：范文大全收藏下载本文
平原井灌区节水农业综合配套技术研究
近年来，农业节水技术已取得许多研究成果，但仍不适应水资源匮乏的严峻形势。主要原因在于：一是节水技术应用单一，水利、农艺节水措施结合不紧密；二是工程标准偏低；三是管理水平低，难以实现合理实时灌溉；四是选择节水灌溉技术方案带有盲目性。
针对上述问题，河北平原建立了３个大型节水农业综合试验区（即山前平原栾城试验区、黑龙港流域低平原景县试验区和冀东平原丰润试验区），开展节水农业宏观决策支持系统、田间工程配套标准、节水农艺配套技术以及灌溉用水管理及服务体系等专题研究。通过试验研究，针对不同区域的自然与社会经济条件提出了相应的节水工程形式、配套标准、农艺技术以及管理制度，将工程、农艺、管理等节水技术集成，形成了节水农业综合配套技术。
一、节水灌溉工程技术方案的选择 １．评价指标分析
影响节水灌溉工程技术方案选择的因素有技术、经济、自然条件、资源与环境、农艺配套、管理措施等，在优选系统软件中被称为评价分系统，每个系统中又包含若干个具体评价指标（或称影响因素），如经济因素分系统中的单位工程投资、回收年限，技术因素分系统中的节水率、节能，对土壤、地形的适应性等等。评价分系统及其包含的评价指标组成评价指标体系。根据３个试验区的试验资料，将主要评价指标对方案选择的影响分析如下：
（１）节水效果
喷灌和管道输水小畦灌溉（以下简称管畦灌）与传统的土垄沟输水大畦漫灌比较，均有效地减少了输水损失和深层渗漏损失，提高了水的利用率。从试验结果看（见表１），两者的节水率接近或喷灌节水率稍高。
（２）节能效果
从表１中看出，管畦灌节能效果好于喷灌，这是因为喷灌需要增加４０～４５ｍ左右扬程才能喷洒，而管畦灌增加扬程很小。另外，喷灌能否节能还与节水率和机井动水位埋深有关。经试验计算，当喷灌比传统地面灌节水４０％～４５％，机井动水位埋深大于５５～６０ｍ时，喷灌才有节能效果。因此，中浅井地区不宜发展喷灌，而沙土地区地面灌溉渗漏损失严重，采用喷灌节水率高，效果好。
（３）增产效果
发展节水灌溉增产包括提高灌水质量增产和节地增产两部分。根据试验资料，河北省井灌区喷灌节地５％～９％，局部地区节地还多些；管畦灌节地３％～５％。提高灌水质量、节地以及采用农艺、管理综合节水增产措施，综合分析，两者基本持平，增产在１０％左右。水分生产率喷灌稍高或持平（见表１）。发展喷灌只有在可以扩大灌溉面积时，增产效果才显著。
（４）单位工程投资和还本年限
根据研究结果，在原有机井工程基础上，管道输水工程（二级管道１０５～１３５ｍ／ｈｍ２）投资为１６５０～１９５０元／ｈｍ２，喷灌（管道半固定或全移动式）为３７５０～４５００元／ｈｍ２。按目前粮食、管材和能源价格计算，管畦灌还本年限为２年，喷灌为３～５年，考虑到当前粮食价格偏低、农民承受能力有限的情况，选择管道输水小畦灌溉的工程节水形式比较适宜。
（５）风力对喷灌的影响
一是影响灌水均匀度，二是增加喷灌的飘移损失和蒸发损失。根据试验资料，小畦灌溉水均匀度可达８５％～９０％；半固定或全移动管道式喷灌，在设计风速下为７５％～８０％，喷灌灌水均匀度低于小畦灌溉。为了弥补这一缺陷，不得不增加喷灌时间，因而也就增加了灌溉水量和能耗。
（６）生产经营管理体制对发展喷灌的影响
喷灌适应规模经营、机械化半机械化农业生产，如经济发达的城镇郊区农村、农场、生产经营大户宜用喷灌，其节水效果、灌水效率、省工等优点能充分显现；对于实行家庭土地承包责任制的农村地区，作物种植的分散性、田间管理的随意性与喷灌作业的统一性相矛盾，农户宁愿应用传统的地面灌溉，这是影响使用喷灌的一个主要原因。
（７）微咸水和淡水混浇
在有微咸水（矿化度小于３ｇ／Ｌ）地区，深机井旁打一微咸水浅机井，深浅机井同时抽水，混合水矿化度不大于２ｇ／Ｌ，通过管道输水到田间小畦灌溉，可节约淡水资源２５％～３０％。试验表明咸淡混浇不影响作物生长，经雨季淋洗耕层土壤不会积盐。
（８）大棚蔬菜采用滴灌技术，具有节水、节电的显著效果
冬春季棚内湿度小，病害少，地温高，蔬菜品质好，比采用地面灌早上市７～１０ｄ，有显著的增产增收效果。花卉和苗木设施栽培应用微喷灌技术，更有利于苗木生长。
２．寻优原理
在评价指标中，既有定量指标，又有定性指标（因子），定量指标量纲不同，级差很大。进行节水技术方案的比较与选择，既要以统一尺度对不同评价指标进行量化，又要根据各指标（因子）在评价中的重要性赋予特定权值。将定性指标与定量指标结合、结构与非结构问题结合的决策模型优选过程如下：
①定量指标在分系统中的相对优属度：
式中，ｒｉｊ为方案ｊ指标ｉ在分系统中的相对优属度；ｊ为节水技术方案ｊ＝１，２，……，ｎ；ｉ为指标（由大到小或由小到大）排列序号 ｉ＝１，２，……，ｍ；Ｘｉｊ为指标特征值；Ｘｉｍｉｎ、Ｘｉｍａｘ为指标ｉ的最小与最大特征值。
②定性各因子在方案比较中以及在分系统中相对优越性排序（可请专家问卷）。
③各因子在不同方案之间进行二元对比，赋值、建立模糊优属度矩阵。 ④对模糊优属度矩阵横向求和，引进语气因子，求其相对优属度，并进行归一化处理，求权重。
⑤用如下公式求各因子在分系统中的优属度：
式中，ｂ为分系统；ｗｉ为各因子在不同方案中的权值；ｒｉｊ为指标ｉ在分系统中的相对优属度。
⑥求各分系统在总系统中的权重及相对优属度，数值最大者为最优方案。 ３．优选结果
将方案比较的评价指标输入到优选模型中，优选结果如下：平原中、浅井灌区以管畦灌技术方案最优；深机井（动水位埋深８０ｍ）灌区，当有微咸水（小于３ｇ／Ｌ）可利用时，以咸淡混浇管道输水小畦灌溉最优，其次是管道输水小畦灌和喷灌；沙土地区喷灌节水、节能效果显著；城镇郊区经济条件好，与机械化生产规模经营相适应，喷灌优属度大；大棚蔬菜滴灌方案优，花卉微喷方案优。
二、管道输水小畦灌溉的田间工程配套标准
当前管道输水灌溉工程仅有一级输水管道，管道密度４５～６０ｍ／ｈｍ２，畦田过大，节水效果不明，宜采用管道输水小畦灌溉的工程配套标准。根据实测输水土垄沟入渗强度，利用地面灌溉水运动原理，定量研究输水土垄沟的输水时间、输水距离和入渗量，其关系式：
式中，Ｗ为入渗量（ｍ３），Ｃ为土壤质地系数，Ｌ为输水土垄沟长度，Ｑ为土垄沟输水量（ｍ３），ｘ为湿周。
将输水损失限制在１０％以内，可求出土垄沟最大适宜长度（输水管道的工作支管间距），并考虑缩小畦田规格，从而确定出管道输水小畦灌溉的田间工程配套标准（见表２）。应用此标准，经实测灌溉水利用系数可达０．８５，节地３％～５％，灌水均匀度０．９。
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三、农艺节水配套技术
通过对水、肥、土与作物根系发育关系，土壤水分亏缺对冬小麦产量构成的影响以及保墒技术等的深入研究，以充分利用土壤水，减小田面无效蒸发，提高灌溉水的利用效率为目标，提出了包括对路优种在内的不同灌水技术条件下的水肥运筹及配合阈值、节水型灌溉制度、促控结合的田间管理技术等一系列指标和措施。
①喷灌、畦灌对作物根系发育的影响。冬小麦喷灌浅层（０～５０ｃｍ土层）土壤中根系密度多于畦灌１３％～１５％，而畦灌中下层土壤冬小麦根系密度高于喷灌１３％～１５％。喷灌灌水定额小，湿润层浅，冬小麦根系集中在浅层，中下土层根量较少，影响对深层土壤水的吸收利用，抗旱性稍差，一般情况下比畦灌多浇１～２水。
②通体土壤冬小麦根长密度在垂直剖面上呈均匀减少分布，夹黏层土壤（６０～８０ｃｍ为胶泥层）在夹黏层上边界根长密度较大，夹黏层以下明显减少。因而决定了不同土体条件下的不同的灌溉制度。
③合理的水肥调控能促进作物根系发育，激发对土壤水的吸收利用。平水年冬小麦冬后灌两水总根长最大为２２．６ｋｍ／ｍ２，不灌水和灌三水分别为１９．５１ｋｍ／ｍ２和１８．０９ｋｍ／ｍ２；冬小麦施氮肥１５０～２２５ｋｇ／ｈｍ２、（平水年）冬后灌两水１２０ｍｍ，吸收利用土壤水最多，可达１００ｍｍ，占总耗水量的３０％；水、肥具有替代效应，当供水量不足时，在一定范围内，可通过增产增施肥料来达到一定的产量。
④试验表明，冬小麦返青至起身阶段土壤水分亏缺（为田间持水量的５０％）对产量构成影响很小，拔节至开花期土壤水分亏缺减少有效穗数，孕穗及开花期土壤水分亏缺影响穗粒数，灌浆前期水分亏缺千粒重降低。生产实践中，采用了冬小麦在足墒播种条件下，免浇返青水的节水型灌溉制度以及加强中后期肥水管理的促控结合的增产技术。
⑤冬小麦（穗重型品种）窄行种植（行距１０ｃｍ）与常规种植（行距２０ｃｍ）比较，封垄早，可减少田间蒸发３２ｍｍ，增产５．４％～１５．５％，水分生产率达１．７７～２．１９ｋｇ／ｍ３。
四、灌溉用水管理及服务体系
建立健全县、乡、村三级灌溉用水管理组织和服务体系，特别要加强村级管理组织和制度建设，这是落实各项节水措施的关键。
适应当前农村土地家庭联产承包责任制的用水管理组织有３种形式：一是集体、统建统管式。农村经营管理统分结合较好的村，灌溉设施由村集体建设并管理。实行村委会领导下的井长负责制，或由村民选出３～５人组成管理服务小组。二是承包制。灌溉机井实行竞价承包，产权归村集体所有，承包者负责维修和使用，按照承包协议，实行有偿服务，既要节约用水，又为农户浇好地。三是独资或股份合作浇地公司。产权归股东所有，依据用户申请进行浇地服务并收取浇地服务费用。
灌溉用水管理制度是：按照节水型灌溉制度，实行限时定量，用户排队按顺序浇地，依电表走字收取费用。改变了水利设施“有人用、无人管”和“自由”用水、大水漫灌的灌溉方式。
五、建立农田土壤墒情监测及灌溉预警系统，实行水资源优化管理 １．农田土壤墒情监测及灌溉预警系统
农田土壤墒情监测及灌溉预警系统由气象卫星遥感监测、计算机土壤水分模拟模型和农田灌溉预警器３部分组成。农田灌溉预警器采用组合电阻式湿度传感器石膏块做探头，埋设在预定的土层内，通过电阻值的变化来监测土壤湿度的变化，并根据计划湿润层土壤含水率下限值设置预警指标，当土壤含水率低于预警指标时，红灯亮，表明应灌溉，土壤含水率高于预警指标时绿灯亮，不需灌溉。 气象卫星遥感技术可迅速监测土壤水分状况、干旱程度并实现等级划分，从宏观上掌握全省不同地区的旱情分布，为领导决策提供依据，但分辨率低，限制了对复杂下垫面的监测。土壤水分模拟技术可以对不同土壤类型、田间管理水平和灌溉条件下的农田墒情实现进一步解译，提高分辨率，弥补卫星遥感资料分辨率低的不足，指导科学灌溉，但土壤水分模拟模型的运行依赖于大量的气象及农业生产信息资料，服务时限受限制。安装在田间的灌溉预警器，可将农田土壤墒情和灌溉信息迅速传给农民，指导灌溉，同时还可对土壤水分模型数据进行校对。
２．水资源优化管理模型
水资源优化管理模型是在水资源评价、供需分析的基础上，采用大系统分解协调模型，将全灌区多种作物间的水量优化分配与单一作物不同生育阶段水量优化分配结合起来，合理调配水资源，使水资源利用效率达到最佳。
农田土壤墒情监测及灌溉预警系统与水资源优化管理模型结合，可以及时掌握土壤墒情和水资源形势，制订节水型灌溉制度，在灌溉水量有限的情况下进行时空上的合理分配，并根据气象变化、作物长势以及土壤墒情动态变化进行实时灌溉。
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