2015.11.19节水灌溉新技术

节水灌溉新技术栾利香第一部分节水灌溉技术发展现状第二部分节水灌溉技术原理第三部分节水灌溉新技术一地面灌水方法二喷灌灌水方法三微灌灌水方法四渗灌灌水方法第一部分节水灌溉技术发展现状我国的水资源总量为2.8亿方，排名世界各国的第六位，但我国人口占世界总人口的五分之一还多。人均占有水资源量仅2200方，不足世界人均数的四分之一，排在一百位之后，而且我国水资源在时间和空间的分布还极不均匀，南方多，北方少。海河流域人均水资源量仅占几百立方米，远低于世界贫水国家的平均水平。2030年，我国人口增至16亿峰值时，人均水资源将降到1760方，按国际上一般承认的标准，人均1760方为用水紧张的国家，所以，我国被列为世界上十三个贫水国之一。近几年，我国全国总供水量大约在5500亿立米左右，灌溉用水量大约在3600亿立方米，占全国总供水量的65%左右。2004年全国总用水量为5547.8亿方，其中工业用水1228.9亿立方，占总用水量的22.2%；生活用水651.2亿立米，占总用水量的11.7%；生态用水82亿立方米；农业用水为3585亿方，其中：农业灌溉用水量占农业总用水量的90%，占全国总用水量的63%。农业灌溉用水量占各行业总用水的60%以上，是名附其实的用水大户。我国农业灌溉用水是主要用水大户，随着社会经济的发展及人民生活水平的提高，工业、人民生活用水量将不断增加，农业用水总量不会有大的增加，而且可能会逐渐减少。一方面农业缺水，另一方面农业用水浪费现象又普遍存在，我国目前的农业用水有效利用率只有45%，也就是说有一多半的水在输送和灌溉过程中被白白浪费掉了，不能被农作物利用。而先进国家农业灌溉水的有效利用率高达70%～80%以上；我国单方水粮食生产能力只有1公斤左右，而先进国家为2公斤，以色列达2.35公斤。也就是说我国目前的农业灌溉用水利用率、生产效率都很低，若采用先进的节水灌溉技术措施，将水的利用率提高到60%的话，其灌溉面积可是现在的1.5～1.3倍。因此，推广节水灌溉技术，从农业用水内部挖潜解决我国农业灌溉缺水乃至节约用水，是非常有必要的。一、节水灌溉技术发展趋势随着节约用水工作广泛而深入的开展，“节约用水”一词人们已耳濡目染。但是，究竟“节约用水”是什么含义，其内涵是什么？至今尚无统一定义，是值得深入探讨，并具有实际意义的问题。单纯从字面上去理解节约用水，很容易被认为是用水的节约，或节省用水量。虽然节约用水含有节省用水之意，但显然同目前大力提倡的节约用水的本意不尽一致。且不说所述水资源开发利用中尖锐而复杂的矛盾远非单纯地通过节省用水量所能解决，即使对节省用水量本身而言，也存在条件、目标、途径、方法与评价尺度等问题。如果将节省用水量看作一种广泛的社会实践活动，总是需要一定的投入，因而就会产生这种投入与产出水的节约两者之间的协调与平衡问题。由此可见，若脱离一定的社会经济目标与限制，即便是单纯地节省用水量，也带有很大的盲目性，甚至连应该节约多少水都无从说起。随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧，世界各国，特别是发达国家都把发展节水灌溉作为农业可持续发展的重要措施。在生产实践中，始终把提高灌溉（降）水的利用率、作物水分生产效率、水资源的再生利用率和单方水的农业生产效益作为研究重点和主要目标，在研究节水灌溉基础理论和应用技术的基础上，将高新技术、新材料和新设备与传统节水灌溉技术相结合，加大了节水灌溉技术和产品中的高科技含量，加快了传统粗放农业向现代节水高效农业的转变。经济欠发达国家，由于受其经济条件和技术水平的限制，节水灌溉的发展主要采用以渠道防渗技术和地面灌水技术为主，配合相应的农业措施以及天然降水资源利用技术的模式。经济发达国家，节水灌溉的发展主要采用以高标准的固化渠道和管道输水技术、现代喷、微灌技术与改进后的地面灌水技术为主，并与天然降水资源利用技术，生物节水技术、节水灌溉技术与用水系统的现代化管理技术相结合的模式。1、节水灌溉研究开始由实验统计性质向具有较严谨理论体系和定量方法的科学转变,农田生态系统中水分迁移模拟与区域作物需水的定量计算模型得到较快的发展，尺度理论将是节水灌溉领域用定量方法解决实际问题的关键。国内外学者对微域的土壤—植物—大气系统（SPAC）水分运移进行了大量研究，但如何应用微观尺度的SPAC水分传输理论解决流域尺度水转化过程的描述仍有较大距离，这涉及到如何考虑土壤与植被的空间变异性以及水文地质条件的影响，把点上（微观尺度上）得到的模型扩展到面上、区域上应用的问题。为了解决这一问题，有关农田表面的空间变异性、尺度转换、各部分介质的非线性相互作用等将是未来研究的难点。有关作物需水量的计算方法目前应用最多的是Penman—Monteith（彭曼—蒙特斯）方法，但此方法主要适用于单点的单一作物需水量计算，对于区域多种作物组合的需水量计算首先要根据不同代表点的气象观测资料计算代表点的需水量，然后用插值法绘制区域需水量的分布图，再根据代表点控制的面积用加权平均法确定区域需水量，但这种方法很难克服气象因素和作物需水的空间变异所产生的较大计算误差，没有考虑多种作物组合中作物与作物间的交互作用。20世纪80年代以后，利用遥感作物冠层温度（冠层温度系指作物冠层茎、叶表面温度的平均值）估算区域需水量分布的研究变得十分活跃，并在一些发达国家得到了大量的应用。但目前在应用上还存在一些技术问题，如计算冠层表面热通量的SVAT模型（土壤-植被-大气传输模型）参数的空间分辨率问题，陆地卫星热映像（TM）波谱参数和SVAT模型参数的定量对应关系等。另外，由于作物高效用水理论突破和节水调控新途径的开拓，需要考虑利用作物本身的生理功能挖掘其节水的潜力，减少作物本身奢侈的蒸腾量，传统的按能量平衡理论估算作物需水的方法和在充分湿润条件下获得的作物系数均遇到了严峻的挑战，迫切需要建立作物高效用水和非均匀湿润条件下的需水量计算方法及相应的作物系数值，以满足节水灌溉发展之需要。2、水分胁迫对作物的后效性影响及其提高水分生产效率的机理已成为当前研究的热点，作物高效用水生理调控与非充分灌溉理论研究不断深入，利用作物生理特性改进水分利用效率（WUE）的研究引起从业人员的关注近年来，国内外提出了许多新的概念和方法，如限水灌溉(Limitedirrigation)、非充分灌溉(No-fullirrigation)与调亏灌溉(Regulateddeficitirrigation)等，对由传统的丰水高产型灌溉转向节水优产型灌溉，提高水的利用效率起到了积极作用。当作物在各个生育阶段所需的水分都得到充分满足，即作物生长发育处于最佳水分环境，配合相应的农业管理技术，使作物产量达到最高，此时大田作物的实际蒸发蒸腾量称ETc，这种灌溉则称为充分灌溉。非充分灌溉不以追求传统的单产最高为目标，而是求得高效用水条件下的净效益最大或费用目标最小。根据所应用的农田类型和条件不同，在实际中有许多提法，如：在水资源短缺的半干旱地区，为解决有限水量在作物生育期的最优分配问题，根据作物需水关键期进行有限次数或有限量灌溉提出的有限灌溉制度或优化灌溉制度。为追求农产品质量或区域持续发展所提出的调亏灌溉。它们都是为了提高水分利用效率，达到节水增产，提高经济效益的目的。作物具有一种有限缺水效应，在适度的水分亏缺情况下并不一定会显著降低产量。作物在适度水分亏缺的逆境下，对于有限缺水具有一定的适应和抵抗效应，在经受了短期和适度水分胁迫影响，虽对生长和发育产生了一定抑制，但经过灌水的补救，一段时间后又会加快生长，表现为一种补偿生长的效应。如我国总结棉花和玉米的“蹲苗”、水稻的控水“落干”增产经验。研究认为，早期适度水分亏缺，对小麦、玉米、向日葵、花生、豆科牧草也会有利于增产。水分亏缺对作物的有益作用水分亏缺尽管对作物生理过程及产量造成一些不利影响，但适度的水分亏缺会有益于作物产量的提高和作物果实品质的改善。调亏灌水技术，即是利用适度水分亏缺对作物有益作用的优点。调亏灌溉的实质是在作物生长发育的某些时期人为造成一定程度的水分亏缺。调亏灌溉（一种生物节水的方法）：主要是根据作物的生理生化作用受到遗传特性或生长激素影响的特性,在作物某些阶段有目的地施加一定程度的水分胁迫,既可影响其光合产物向不同组织器官的分配,舍弃营养器官的生长量和有机合成物质的总量,而获得提高籽粒或果实的产量,且可控制棉花、果树等作物枝叶长势,实现矮化密植,减小剪枝等工作量和奢侈的蒸腾耗水损失，即人为地让作物经受适度的缺水锻炼，从而影响光合产物向不同组织器官的分配，以调节作物的生长进程，改善产品品质，达到在不影响作物产量的条件下提高WUE（WaterUseEfficiency）的目的。控制性分根交替灌溉一种新的节水调控方法强调交替控制部分区域根系干燥、部分区域根系湿润，以利于交替使不同区域的根系经受一定程度的水分胁迫锻炼，刺激根系吸收补偿功能，诱导作物部分根系处于水分胁迫时的木质部汁液ABA（脱落酸：能引起芽休眠、叶子脱落和抑制细胞生长等生理作用的植物激素）浓度的升高，以调节气孔保持最适宜开度，达到以不牺牲作物光合产物积累而提高作物WUE的目的。同时，还可减少棵间蒸发损失和深层渗漏。3、节水灌溉新技术与产品研发速度较快，一批低成本、高效率的新型节水灌溉设备与制剂正在走向市场和大面积应用，产品日趋标准化、系统化，高效环保型节水材料与制剂是未来研发的亮点，高精度激光固化树脂快速成型技术应用将进一步提高节水灌溉设备的开发水平。地面灌溉技术研究方面，在土壤入渗过程中气阻影响研究的基础上，水平畦灌、阶式水平畦灌的研究不断深入，传统的畦灌、沟灌也转向综合研究灌水技术要素对土壤水肥运移、对水肥淋失的影响；同时，开发了膜上灌等新型灌水技术，并得到较大面积推广。水平畦灌是田面非常平整条件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高，用传统技术难以满足其精度要求，必须在进行大地测量后，采用激光平地技术。波涌灌溉利用了致密层在发展中不断减小田面糙率与土壤入渗特性这一客观规律，逐次为以后各周期的灌溉水流创造了一个加速水流推进与提高减渗效果的新接口。浑水波涌灌溉则是利用含沙量较高的水进行波涌灌溉，能够起到更加明显的效果。在喷、微灌技术研究方面，国外一直非常重视喷灌水肥需求规律及水肥耦合高效利用方面的研究，施肥灌溉应用十分普遍。在微灌水肥高效利用方面，对不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉专用液体肥料进行了多年的研究，已经研制出了针对多种经济作物水肥高效利用的专家管理系统。由于长期的技术积累，一些著名公司不断有新产品推出。在节水灌溉产品快速开发平台技术中，提出的高精度快速成型专用设备是快速成型领域研究的热点。节能型的低压重力式滴灌技术和防堵塞的脉冲灌等技术正在开发。地下灌溉由于能显著减少作物无效蒸发(土壤表面蒸发)而特别省水的优点，发展也十分迅速。工程节水技术方面，高精度激光固化树脂快速成型技术得到进一步发展，在微小光斑聚焦以及精密扫描系统、微涂层实现方法方面取得了突破，微小光斑（11μm）的聚焦和精密扫描系统的扫描精度在液面达到±0.005μm；解决了迷宫流道特征参数的提取与CAD建模问题。4、灌区水转化与农业水资源持续高效利用研究得到了广泛重视，农业水资源系统承载力模型、分布式灌区水转化模型、农业与生态用水的科学配置及节水高效和对环境友好的农业用水模式等研究将会更加活跃农业与生态用水的科学配置中有关生态需水的计算方法主要从物理的水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等方面考虑，而且主要是针对现有生态系统或生态水文条件，没有考虑生态系统和水文过程的相互反馈作用以及不同遗传特性物种的水分生产力关系，还缺乏系统的建立在严谨的生理学、生态学和物理学理论及定量的数学方法基础之上的生态需水量计算方法。此外，如何确定分布式灌区水转化模型的有效结构、如何对农业水资源利用在分布式模型中进行有效表达、如何在野外对模型参数进行原位测定和对分布式模型的栅格参数率定（在适当范围内，调整模型参数，使模型的预测结果更加接近观测数据），确定区