我國節(jié)水灌溉技術的對比分析

我國節(jié)水灌溉技術的對比分析

水資源危機是未來10年人類面臨的最嚴重挑戰(zhàn)之一。農業(yè)是一個偉大的水資源大國，農業(yè)灌溉占總農業(yè)水量的大部分。世界各國非常重視水資源保護技術的發(fā)展。中國水資源也非常不足。不僅人均占有量小，而且時空分布不均勻，水資源區(qū)域分布與生產力配置極不一致。目前，我國每年水資源保護400億3m，農業(yè)缺水300億3m，每年農業(yè)生產垃圾處理能力1000億3m。在我國，尤其是灌木的節(jié)水能力建設要實現(xiàn)0.6.0.7，水分生產增長率應提高到1.5.1.8kg/3m，實現(xiàn)灌木節(jié)水600億hm，確保中國的糧食安全，實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，學習和借鑒國外節(jié)水灌溉技術的成果，以及中國國情的節(jié)水灌溉技術，是非常重要的。1國內外節(jié)水技術的比較與分析1.1噴灌的關鍵技術噴灌技術是大面積機械化解決大田作物節(jié)水灌溉的主要形式.在噴灌機械中,平移(包括中心支軸)式全自動噴灌機、軟管卷盤式自動噴灌機及人工移管式噴灌機是世界上應用的三種主要機型.在美國,噴灌的機械化、自動化水平很高,廣泛應用了高度自動化噴灌設備,噴灌類型中69.74%為中心支軸式系統(tǒng),干旱地區(qū)人工移動式系統(tǒng)約占10.05%,東部濕潤地區(qū)自走式系統(tǒng)達20.33%.在西班牙LQD灌區(qū)應用的固定式、中心支軸式和平移式噴灌機,其均勻度分別達到68%,75.5%和80%.目前發(fā)達國家的噴灌技術均朝著低壓、節(jié)能型方向發(fā)展,并借鑒微灌技術的特點,積極發(fā)展噴灌的多目標利用功能,例如美國得克薩斯州,采用的大型自走噴灌機中具有低壓精準灌溉功能的占使用面積的25%,應用化學制劑的占50%.北部(內布拉斯加州)采用圓形和平移的大型噴灌機占全州灌溉面積的63.19%,對當?shù)毓喔群头N植業(yè)的發(fā)展起了重要的作用.此外,激光、紅外線、電子計算機等新技術在噴灌中應用也日益廣泛,主要有應用于噴灌系統(tǒng)上的激光準直技術和激光測量雨滴直徑技術,用于檢測噴灌效果的遙感技術,新技術的應用大大提高了噴灌質量.我國的噴灌技術研究始于20世紀50年代,在噴灌參數(shù)、噴灌灌溉制度、噴灌影響因素和影響效果等方面取得了開拓性進展,研制生產了手抬式、手推式、人工移管式噴灌機以及大型電動圓形噴灌機和電動平移式噴灌機,并在全國示范、推廣和應用.我國噴灌技術主要應用在濕潤、半濕潤地區(qū)以及經濟較發(fā)達地區(qū),應用作物為附加值較高的經濟作物.目前大面積推廣的主要噴灌形式有固定式、半固定式和機組移動式三種.1.2新技術響應了微灌產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)國際灌溉排水委員會(ICID)2000年的調查,世界微灌面積增長迅速.美國在20世紀90年代間微灌面積增加了73%,達105萬hm2,占世界總微灌面積的29.7%.灌溉方式上由地表微灌向地下滴灌發(fā)展,以延長設備的使用年限和發(fā)展污水滴灌,同時,地下滴灌沒有大田滴灌系統(tǒng)滴灌帶回收及鋪設問題.試驗結果表明,結合施肥技術的地下滴灌系統(tǒng),可提高氮肥利用率,減少硝態(tài)氮污染.2000年加利福尼亞地下滴灌面積達7.04萬hm2,成為美國發(fā)展地下滴灌面積最多的州.在灌溉作物上美國微灌技術的應用逐步由果樹蔬菜等少數(shù)經濟作物向行播和大田作物發(fā)展,與傳統(tǒng)地面灌溉和噴灌相比,應用于棉花的微灌分別實現(xiàn)增產93%和60%~100%的經濟成效.以色列25萬hm2的有效灌溉面積全部實施了噴灌和微灌,且80%是灌溉與施肥同步進行.2000年,以色列微灌面積發(fā)展到16.6萬hm2,占總灌溉面積的66%以上,現(xiàn)代化的滴灌系統(tǒng)都帶有施肥裝置,并在田間設水分、養(yǎng)分傳感器和測定計算水肥需求量的計算機,按時按量將水和肥料直接送入作物根部.這種全封閉式的配肥與灌水系統(tǒng)使水肥的利用率達到90%以上,用水量減少30%,節(jié)省肥料30%~50%,有效地防止了土壤鹽堿化和板結,增加了作物產量.澳大利亞也是世界上推廣微灌面積較多的國家之一,除開發(fā)研制各種先進灌溉設備以外,還提供各種噴灑圖例以滿足作物在不同生育期的灌溉要求.我國2002年微灌面積約為27.9萬hm2,占我國總灌溉面積的0.5%,主要應用在北方的果樹滴灌,南方茶園微噴灌,大中城市郊區(qū)蔬菜地、花卉滴灌以及西北嚴重干旱缺水地大田作物的集雨工程滴灌中.經濟欠發(fā)達地區(qū)應用了一些較簡易的微灌技術,如“小管出流”就是一種介于微灌與管道輸水地面灌溉之間的一類過渡型的微灌技術.灌溉設備生產也已具備一定的規(guī)模,生產能力基本上可以滿足現(xiàn)階段技術發(fā)展需求,但國產設備在產品配套、品種規(guī)模等方面存在問題.總體來講,推動我國微灌技術發(fā)展的內在動力不足,管理、維護水平不高,經濟效益不太理想,雖已有了20多年的發(fā)展歷史,但目前尚處于從示范向推廣過渡的階段.1.3美國、日本和我國的管道灌溉技術以色列的國家輸水管道工程堪稱國際一流,全國除個別偏遠山區(qū)外,全部實現(xiàn)輸水管網化.以色列全國的輸水管道連接了大多數(shù)地區(qū)的供水系統(tǒng),形成一個平衡的網絡系統(tǒng),可根據(jù)需要輸水供水且避免了輸水過程中因蒸發(fā)和滲漏引起的損失.輸水管道不僅用于供水,在冬季和旱季還是以色列北方地區(qū)的排水管,使水重新進入地下水層,提高了水的回歸和再利用率,加速了以色列引、輸、灌水的自動化水平.在美國,低壓管道灌溉被認為是節(jié)水最有效、投資最省的一種灌水技術,全美近一半大型灌區(qū)實現(xiàn)了管道化,干旱地區(qū)的考契拉(CVWD)灌區(qū)、鹽河(SRP)灌區(qū)等,灌區(qū)支渠以下的輸水系統(tǒng)大部分均采取了地埋管道形式.美國還采用大口徑地面可移管道,一般為快速連接鋁制管材和塑料軟管,通過帶有閘管的管道輸水,可便于進行波涌灌溉.日本早在20世紀80年代,就有一半以上的新建渠系實現(xiàn)了管道化.舊灌區(qū)改造中發(fā)展管道輸水技術也很受一些國家的重視,如加拿大伯塔灌區(qū),灌溉水利用率由改造前的35%~60%提高到75%,澳大利亞的倫馬克灌區(qū),改建地下管道后節(jié)約灌溉用水33%.在我國“七五”期間,低壓管道輸水灌溉技術被列入重點科技攻關項目,在管道管材及配套裝置的研制上取得了一批成果.平原井灌區(qū)、渠灌區(qū)和提水灌區(qū)管道輸水灌溉技術得以廣泛應用,應用推廣面積約520萬hm2.在自流灌區(qū),采用大口徑低壓管道代替明渠輸水已開展實驗研究.現(xiàn)階段,主要存在投資、設備質量、配套和運行管理等問題,仍需加大研究力度.1.4渠道襯砌材料渠道襯砌仍是大多數(shù)國家灌區(qū)改造中用以提高大型渠道水利用率的主要措施.在美國、意大利和日本,剛性襯砌材料尤其是混凝土襯砌應用較為廣泛,取得了較好的節(jié)水效果.鋼絲網水泥由于具有低滲透性、耐久性好、維修費用低等優(yōu)點,近來得到較大發(fā)展,成為代替常規(guī)混凝土的襯砌材料.另外,膜料和土料也是渠道襯砌常用材料,因各自不同的應用優(yōu)勢而具有各自發(fā)展的良好前景.渠道輸水仍是我國農業(yè)灌溉的主要輸水形式,自1998年實施大型灌區(qū)配套節(jié)水改造以來,全國累計襯砌干支渠道5300多km,配套改造建筑物3.8萬座,2002年節(jié)水110億m3.根據(jù)渠道土壤凍層厚度、渠道流量大小、運行情況和地下水位情況,我國實踐發(fā)展了不同的防滲措施,如砌石、混凝土預制板、塑料薄膜及塑料薄膜加保護層的復式結構、U形渠等.1.5污水灌溉技術將工業(yè)和生活污水用于農業(yè)灌溉正隨著水資源的日益緊缺而備受各國關注,以色列、美國、澳大利亞和日本均發(fā)展了比較成熟的污水灌溉技術.以色列有57%的污水經過凈化后用于農業(yè)灌溉和園林草地灌溉,預計到2010年,以色列全國1/3的農業(yè)灌溉將使用處理過的廢污水,這些污水經加工成凈水,通過國家輸水管道輸送,采用滴灌等先進灌水技術對作物進行灌溉.希臘則將處理過的污水用于棉花和谷物作物的灌溉,取得了良好的經濟效益.日本在污水處理后用于農業(yè)方面較先進,已建成的2000個污水處理廠多數(shù)采用日本農村污水處理協(xié)會研制的ARUS小型污水處理系統(tǒng),保證處理過的廢污水各項指標均達到污水處理水質標準.美國在20世紀50年代初就開展了對適宜灌溉水質進行評價的工作,建立了相應的灌溉水質評價方法,并不斷進行更新和改進,美國的劣質水灌溉發(fā)展了作物輪作,咸、淡水輪灌,小定額多次灌等方法.我國目前已采用了包括雨水利用、劣質水和回歸水重復利用等新水源開發(fā)技術來彌補灌溉水的不足,其中污水灌溉面積占全國灌溉面積的7.3%(1998年),主要集中于水資源嚴重缺乏的黃、淮、海、遼四大流域.由于污水灌溉的管理體系嚴重滯后,與污水灌溉相關的理論和技術研究不足,污水處理能力相對薄弱,污水灌溉技術落后等使污水灌溉中存在著嚴重的隱患,一些地區(qū)污水灌溉直接導致了糧食污染、土壤污染及地下水污染,需要引起足夠的重視.1.6數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測,是提高灌溉管理水平的重要內容之一.建立現(xiàn)代化的灌溉管理技術體系,應用高、新技術使農業(yè)灌溉向精準化方向發(fā)展是當今發(fā)達國家的普遍趨勢.在美國、以色列等國,空間信息技術和計算機模擬技術被大量用于監(jiān)測和預報作物水分和土壤墑情,灌溉預報技術得到迅速發(fā)展,一些具有代表性的節(jié)水灌溉預報程序也廣泛應用于灌區(qū)水管理.美國的大型灌區(qū)均設有調度中心,隨時掌握各渠道的位置、輸配水情況以及各閘門的水位流量、閘門啟閉等情況,并結合遙感技術進行灌溉情況調查,及時準確反映灌溉效果,此外,流域的天氣情況、河湖水位、水質等信息均可傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,用于輔助灌溉決策.日本通常在一個水系上設中央管理站,采用電子計算機和遙控裝置對各級渠道和設備進行集中監(jiān)控,并發(fā)布指令,自動啟閉閘門和水泵以進行科學的分水和配水.法國普羅旺斯渠道工程可實現(xiàn)中央控制室對整個工程的自動監(jiān)測控制,4800個信息采集點對水位、流量、閘門開度和水質進行遙控,15min便可自動采集一次數(shù)據(jù).在我國干旱與半干旱地區(qū),土壤墑情監(jiān)測預報工作廣為重視,但以人工作業(yè)記錄測量為多,各灌區(qū)限于設備和儀器的原因,沒有準確測定土壤墑情、土壤溫度等信息的能力.自20世紀50年代起,我國便對主要農作物需水量、需水規(guī)律、灌溉制度進行了較多的試驗研究,繪制了全國主要農作物需水量等值線圖,建立了全國灌溉試驗資料數(shù)據(jù)庫.最近幾年,又逐步趨向于節(jié)水高效灌溉制度,如非充分灌溉制度、調虧灌溉制度等的研究和應用.目前我國灌區(qū)現(xiàn)代化集成、配套灌溉管理技術水平較低,灌區(qū)缺乏數(shù)據(jù)自動收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),全灌區(qū)測試數(shù)據(jù)參差不齊,很難作匯總分析.控制系統(tǒng)方面已開發(fā)的產品多為面向溫室的灌溉施肥系統(tǒng),還沒有形成規(guī)模大、應用范圍廣的成套灌溉控制產品.高效農業(yè)和精準農業(yè)要求的水資源高效利用體系尚處于研究示范階段.因而國內專家提出需建設國家節(jié)水灌溉試驗與監(jiān)測網絡的建議,以期提升我國的灌溉管理水平,提高灌溉水利用效率,改善生態(tài)環(huán)境.1.7水稻節(jié)水灌溉技術我國對水稻節(jié)水灌溉技術的研究始于20世紀80年代,發(fā)展迅速.目前,各地根據(jù)不同的自然條件,在試驗研究基礎上,發(fā)展了水稻控制灌溉技術,薄露灌溉技術,薄、淺、濕、曬灌溉技術,水稻葉齡模式灌溉、旱育稀植以及覆膜節(jié)水灌溉等技術.實踐應用中,如在廣西推廣的薄、淺、濕、曬灌溉技術,山東、江蘇和寧夏引黃灌區(qū)大面積推廣的水稻控制灌溉技術均取得了顯著的經濟和社會效益.此外,國內專家在SPAC系統(tǒng)中水、熱、溶質傳輸機理和作物對水分虧缺響應機制、作物水分光合生理機理以及水分生產函數(shù)等基礎理論研究方面取得的大量成果也對水稻節(jié)水灌溉技術的進一步發(fā)展提供了重要依據(jù).但是,大水漫灌、過度淹灌等現(xiàn)象仍廣泛存在于我國的稻田灌溉中,據(jù)統(tǒng)計,我國西南地區(qū)稻田灌溉用水量為9000~13500m3/hm2,西北地區(qū)為15000~22500m3/hm2,遠遠高于當?shù)厮緦嶋H需要灌水量.隨著節(jié)水觀念深入人心以及水稻節(jié)水灌溉技術的進一步推廣和發(fā)展,這一局面必將得以改善.國外也有一些國家發(fā)展了比較成熟的水稻節(jié)水灌溉技術,例如在日本,水稻節(jié)水灌溉技術主要有強調前期以“露”為主、中后期淺水灌溉結合的原正灌溉法和地膜覆蓋旱作等節(jié)水技術.印度多采用水稻間歇灌溉技術.埃及則利用縮短水稻生長期的方法達到節(jié)水目的.2我國節(jié)水技術的發(fā)展2.1地膜覆蓋灌溉技術a.地面灌溉因其滲漏費水、灌水不均勻等缺點,一度被認為是沒有發(fā)展前途、落后的灌水技術.近幾年來,國外的經驗和國內的大量試驗和示范結果表明,改進的地面灌水方法如果合理應用,其田間水有效利用系數(shù)可達0.9以上.目前國內主要應用了優(yōu)化的畦灌技術,包括小畦灌、長畦分段短灌、寬淺式畦溝結合灌等;節(jié)水型溝灌技術,包括封閉式直形溝灌、方形溝灌、細流溝灌、溝畦灌等;地膜覆蓋灌水技術;波涌灌技術以及土地平整、少耕免耕等田間管理技術,還開展了水平畦灌這一先進的地面灌溉技術的田間灌溉試驗研究.在我國,地面灌溉占總灌溉面積的97%以上,該技術因其不需要能源、投資少、易操作等優(yōu)點,很符合我國現(xiàn)階段實際情況,因而應得到合理推廣利用.b.國內外的微灌在總灌溉面積中占有的比重都不算大,主要是受微灌自身特點的限制.微灌的用水效益雖高,但是以科技含量較高的裝備和大量消耗管材為代價的.在我國這樣以地面灌溉為主,農業(yè)生產水平較低,糧食生產任務很重的國家里,不可能將微灌作為主要的節(jié)水灌溉方法加以全面推廣,其推廣重點主要在干旱缺水地區(qū)或作物種類為經濟價值較高的花卉、蔬菜等,主要用于提高作物質量,增強產品的競爭力.噴灌面積在各國的灌溉總面積中所占比重較大,應用也較廣泛.其節(jié)水、省事省力、提高農產品品質等優(yōu)點得到廣泛認可,但噴灌本身的投資相對高,發(fā)展規(guī)模多取決于國家或地區(qū)的經濟實力,對我國這樣一個經濟基礎相對薄弱的發(fā)展中國家而言,更應首先注重噴灌系統(tǒng)的節(jié)水效果、工作可靠性和勞動力技術水平等方面.另外,噴灌質量還受到自然條件、氣候條件等的制約,只注重優(yōu)點而不論條件地加以盲目應用是不科學的.2.2研究問題的提出將計算機、3S技術、太陽能等現(xiàn)代化高科技應用于灌溉領域,對農作物土壤墑情、氣候等進行監(jiān)測預測,并根據(jù)監(jiān)控結果,采用精確的灌溉設施對作物進行嚴格有效地施肥和灌水,是世界節(jié)水灌溉技術發(fā)展的方向.我國目前在這方面的開發(fā)研究力量仍顯薄弱,整體水平不高,仍局限在單項技術的研究和推廣,尤其在灌溉管理技術方面,如灌溉實時預報、灌溉自動化控制等實際的技術水平和科技成果轉化應用水平還很低.面對21世紀的數(shù)字農業(yè)時代,單憑單項技術是不可能滿足參與國際競爭所需的高效農業(yè)和精準農業(yè)的要求的.因而在已有的研究工作基礎上,認真學習、吸收國外先進的灌溉技術,開發(fā)我國的信息化節(jié)水灌溉系統(tǒng),尤其是目前發(fā)達國家普遍采用而我國剛剛開始應用的遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等技術,是擺在我們面前一項長期的挑戰(zhàn)和一項緊要的任務.2.3地下水位下降沒有灌溉,就沒有農業(yè),人們越來越重視節(jié)水灌溉的成效,卻忽略了隨之而來的生態(tài)環(huán)境問題.滲漏水引起的地下水位上升,導致土壤次生鹽堿化;地下水位持續(xù)下降,引起草場退化、樹木死亡和沙化威脅;河流上游一味擴大灌溉面積,致使下游河道斷流(黃河、塔里木河),土地沙化等.華北平原地區(qū)由于地下水嚴重超采