山东省滨海地区农业节水技术体系研究

吕宁江，杜贞栋，孙 力，黄 乾，于晓蕾

(1.山东省水利科学研究院，山东 济南250013;2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南250013)

山东省滨海地区包括青岛、威海、烟台、潍坊、日照、东营等地，该区域工业发展迅速，城市集中，人口密集，而且气候适宜，土壤肥沃，物产丰富，是我国粮食、蔬菜、水果的主要产地。随着区域经济的发展，工业用水剧增，原来向农业供水的水源地大部分转向城市供水，加剧了该地区水资源供需的矛盾，农业发展受到严重威胁，制约了国民经济的发展。针对山东省滨海地区经济发展遇到的制约瓶颈问题，研究提出了与山东省滨海地区自然和社会发展相适应的综合的农业节水技术体系，作为该地区发展现代化农业节水的技术支撑，以实现水资源的高效利用和国民经济的可持续发展。

1 区域多水源联合调控技术

1.1 区域地表水、地下水优化配置技术

该成果将项目区供水与用水系统结合成一个整体，采用大系统优化理论，确定以经济效益最大为目标，建立地表水、地下水联合调控模型，采用非线性规划法进行优化求解，提出地表水、地下水优化调控方案。

根据项目区经济发展的总体要求，在地表水、地下水联合调度多目标大系统递阶管理模型中，选择经济效益作为目标函数，确定了决策变量、约束条件。经过优化调算确定了各用水单元不同作物的种植面积，使有限的水资源得到了科学合理配置利用。

数学模型[1]:

1)目标函数:

本区经济作物种植量大，以区域净效益最大化作为目标函数，可表达为:

即:maxf(x)=供水效益减去地表水、地下水的供水成本

其中:

式中:f(x)为灌溉工程的年综合供水净效益;i为项目区作物种植类型的序号;n为项目区种植作物种类的总数;nt为管理时段数;ε为灌溉效益分摊系数;γi为第i种作物考虑副产品收入后的产量扩大系数;yi为第i种作物单位面积产量;A”i为第i种作物的优化种植面积;Vi为第i种作物的价格;Cm为地下水的单方提水成本;Wtm为第t时段地下水的开采量;Cqm为地表水的供水单价;Wtqm为第t时段地表水的供水量;Cgm为抽取地下水的动力费用;Cwm为抽取地下水的维修费用;Ctm为井灌工程的投资折算费用;Cqsm为引用地表水的动力和管理费用;Cqwm为引用地表水灌溉的维修费用;Cqtm为引用地表水灌溉的投资。

2)决策变量:

决策变量包括各水源各时段优化配水量和农作物的优化种植面积，地表水各时段的引水量和地下水各时段的提水量。

1.2 多水源联网与调度技术

本部分包括多水源联网技术与调度技术两部分。由于灌溉水源的不规则性，各水源的水量差别大，区域地下水较少，因此将分散水源联网调度，是实现地表水地下水优化配置的关键。

建立的大区域多水源联网调度工程，将各水源的子管网相互连接起来，形成各水源之间调度自如的树状、环状混合网络系统。

1.2.1 多水源联网工程形式[1]

考虑目前农村生产承包责任制及行政划分的特点，示范区多水源联网首先做到各村自成一个联网系统，然后各村之间逐渐相互连接。多水源联网的形式基本上可分为三种，即树状管网、环状管网和混合管网。随着区域经济的发展，各村联网系统可以彼此连通，形成一个四通八达的工程网络，实现整个区域水资源优化配置，提高区域水资源的利用效率。

1.2.2 多水源联网调度技术

以多水源联网工程为基础，每个水源既可单独运行又可相互调度。以输水费用最小为目标，建立各水源间的水量调配模型。

数学模型[1]:

1)目标函数:

多灌溉水源联网后，水源之间可互相调水，某个水源可向任意一个或多个用水区域供水，联网水源供水应以输水费用最小为目标函数，即

式中:z为多水源联网工程的总输水费用;cijt为第t时段第i水源向第j用水区域供水的单位输水费用;xijt为第t时段第i水源向第j用水区域的供水量;m为联网水源的总数;n为划分的用水区域总数。

2)决策变量:

时段内第i水源向第j用水区域的供水量xij为决策变量。

2 地下水回灌补源生态修复技术

2.1 地下水回灌补源工程措施

2.1.1 河道拦蓄工程

针对滨海地区汛期大量地表径流直接入海的情况，为充分利用雨洪水，在滨海地区河流上建设拦河坝、闸等拦蓄工程，蓄拦河川径流，增加对地下水的补给。

2.1.2 地下截流坝工程

在河道上建设各种形式的地下截流坝，河流靠近入海口下游建造的地下截流坝不但防止了海水入侵，而且可以拦蓄很多雨洪水。

2.1.3 渗井补源工程[2]

渗井补源工程是回灌补源的主要工程措施，在滨海地区河流的河床中布置人工渗井、机钻渗井。渗井与地下含水层沟通，增加了地下水入渗量。

2.1.4 渗沟补源工程[2]

利用排水沟渠作为地下水回灌工程使用，为了增加其渗补地下水量，在排水沟适当位置建造一些控制水流的小型简易建筑物(如土坎等)，使排水沟变为排水、回灌两用沟。

2.2 地下水自动监测[2]

根据项目区的水位、地质条件等，在项目区内布设地下水情自动监测站，建设地下水自动监测网络，各自动监测站通过GSM通讯系统可完成监测数据的回收和监测设备的管理。

自动监测站功能:按照设定的工作方式和采样模式自动采集信息，并分析处理、存储和控制通讯单元，向中心站发送最新监测信息。

中心站功能:能够对数据采集、处理，实时接收自动监测站发来的数据，自动检查数据的帧格式，并进行合理性判断，分类自动存贮，以立即数的形式实时显示。

3 现代化农业节水工程技术

3.1 基于信息技术的高效经济作物精准灌溉技术

3.1.1 精准灌溉技术的设计原理

利用气象资料、土壤条件、作物不同生长期的需水参数等资料建立专家系统知识库，再由推理机形成灌水决策方案。系统能够精确可靠地实现对湿度、温度、降雨量、蒸发量、土壤水分含量及作物生长因子的自动采集、传输、分析，并作出综合判断;根据不同作物不同生育阶段的适宜土壤含水量及其他因素实时发出控制机泵开启的指令，并根据预置的灌水计划有序的启闭闸阀，实现自动控制系统灌溉。

3.1.2 系统组成

系统设备主要包括主控中心、灌溉自动气象观测站、田间测控设备及远程监控通讯设备等。

3.2 现代节水工程技术

根据滨海地区种植结构特点，大田作物主要采用管道输水配套田间软管灌溉、喷灌，果树和露地花卉、蔬菜、苗圃等经济作物主要采用喷灌、微喷、滴灌、喷水带喷灌、小管出流灌溉，大棚蔬菜、花卉、果树等主要采用膜下滴灌、微喷、喷水带喷灌、小管出流灌溉等灌溉技术，并且较常规的喷、微灌技术进行了技术改进。

3.2.1 喷微灌与地面精细灌溉技术改进

1)喷灌技术改进

在目前农村生产体制情况下，由于传统喷灌工程投资较大、管理要求标准较高、设备配套不完善、使用不方便等因素，影响了这些高效节水措施的推广。进一步完善改进经济实用的喷灌技术和成套设备，并进行大面积推广应用。

(1)管道固定式喷灌系统规划设计方法改进

采用了“垂直于作物种植行方向布置支管，每条支管单喷头工作”的设计方法。其工作制度是顺作物行向的支管上的喷头同时工作，一般一条支管上只有一个喷头工作，只承担一个喷头的流量。设计时一般将一个系统划分为两片以上，每一片设一条分干管来控制该片的所有支管，分干管设阀门控制，以解决系统轮灌问题。

(2)半固定式喷水带喷灌节水技术

灌水器选用喷水带，工作压力可用范围较大，喷水带组合后的喷水灌溉均匀度也较高。在作物有改善小气候和除尘要求时，可按额定工作压力进行喷灌;在作物(如果树、葡萄等)怕水淋湿时，可调节压力进行低压喷灌或滴灌，因而喷水带可根据灌溉需要作为喷灌灌水器或微灌灌水器使用，扩大了喷水带喷灌系统的应用范围。

2)微灌技术集成与改进

(1)大棚膜下滴灌与棚内悬防滴式微喷灌模式

项目区大棚蔬菜主要以高标准无公害蔬菜生产为主。大棚膜下滴灌主要供给冬季作物灌溉，棚内悬挂微喷主要配合叶面冲洗和降温。

工程模式为:以地下固定管网向棚内供水，棚内设水表、施肥设备、过滤器等棚内首部枢纽一套，棚内悬挂微喷系统，地面设膜下滴灌系统;棚上微喷采用防滴漏式微喷头，地面滴灌系统采用∮8内镶管式滴灌管。

(2)滴灌和喷水带联合灌溉模式

针对大棚蔬菜定植问题，在棚内地面膜下滴灌的基础上，增加一套地面移动式的喷水带喷灌系统。

工程模式为:以地下固定管网向棚内供水，棚内设水表、施肥设备、过滤器等棚内首部枢纽一套，棚内首部枢纽后设一控制阀和喷水带活接头;地面设膜下滴灌系统;喷水带活接头后可根据灌溉需要随时安装可移动的喷水带系统，地面滴灌系统采用∮8滴灌管。

3)改进地面灌水技术

(1)地面灌水田间沟畦规格[3]

利用SRFR软件，模拟灌水时的水流推进过程，并与试验实测资料进行拟合，根据试验测试资料和SRFR软件模拟分析结果，在灌水定额一定的条件下，地面坡降较大的畦田的灌水均匀度较低，同一坡降的畦田在坡降较大时，入畦单宽流量较小的灌水均匀度较好;同样情况下，短畦的灌水均匀度高于长畦的灌水均匀度;对于地面坡降小于1‰的畦田，在按一定的停水成数灌水时，在保证灌水均匀度不小于90%的前提下，畦田的长度不大于100m，入畦单宽流量控制在3～6 L/(s·m)比较适宜。

(2)地面灌溉田间工程技术[3]

田间闸管灌溉技术是一种先进的地面灌水技术，其主要特点是通过渠道或管道输水与田间闸管的配套，实现无损输水与田间节水技术相结合。田间闸管灌溉系统主要由移动管道和管道上配置的多个闸门组成，移动管道代替田间毛渠成为一条“移动毛渠”，其上闸门间距及规格可根据田间沟(畦)间距及所需流量配置。该系统可替代毛渠完成田间配水，通过启闭闸门及调节闸门开度来控制进入沟(畦)的流量。

4 主要作物节水高效灌溉制度

根据滨海地区的作物种植结构，研究的作物及灌溉方式主要有:主要粮食作物(冬小麦、夏玉米)喷灌、地面灌;主要果树(苹果、黄金梨、葡萄)微喷、滴灌。

4.1 冬小麦节水高效灌溉制度

在山东省滨海地区小麦麦田底墒充足的情况下，在一般气候年份灌2～3水即可获得500 kg/亩以上的高产，其关键是确定小麦最佳灌溉期和灌水量。

考虑降雨、地下水利用，多年平均地面畦灌条件下冬小麦节水高效灌溉制度见表1。

表1 地面畦灌条件下冬小麦节水高效灌溉制度

喷灌条件下，冬小麦生育期内拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期共喷灌4水，喷灌灌水定额40 mm左右，灌溉定额160 mm左右。见表2。

表2 喷灌条件下冬小麦节水高效灌溉制度

4.2 夏玉米节水高效灌溉制度

根据高产玉米需水规律、不同生育时期对水分的要求和山东省滨海地区的降水特点，制定了玉米节水高效灌溉制度。

地面灌溉条件下夏玉米节水高效灌溉制度见表3。

表3 地面灌溉条件下夏玉米灌溉制度

4.3 黄金梨节水高效灌溉制度

微灌条件下黄金梨节水高效灌溉制度见表4。

表4 微灌条件下黄金梨节水高效灌溉制度

4.4 葡萄节水高效灌溉制度

根据葡萄需水规律试验结果，提出葡萄的灌溉制度:滴灌条件下葡萄节水高效灌溉制度见表5。

表5 滴灌条件下葡萄节水高效灌溉制度

5 农艺节水综合技术体系

5.1 节水抗旱农作物品种筛选与应用

根据山东省滨海地区气候和土壤特点，筛选和应用节水抗旱农作物品种，筛选原则:以丰产性为主，兼顾抗病性、抗倒性等，选用大田和干旱条件下产量均高的品种。

筛选与应用品种:花生品种:“鲁花11号”和“潍花6号”两个品种;玉米品种:“郑单958”一个品种;小麦品种:“烟农475”一个品种。

5.2 小麦农艺节水技术

5.2.1 小麦沟垄轮换、深耕秸秆还田节水增效技术

深耕秸秆还田和沟垄轮换还田种植方式能够保持土壤水分，减少从播种到拔节前各生育阶段麦田耗水量，进而提高水分生产率，达到节水增产的目的。

5.2.2 小麦秸秆还田和氮肥耦合节水增效技术

秸秆还田和氮肥耦合对抑制冬前和早春麦田蒸发效果明显，提高土壤有机质含量，大幅度提高了水分生产率。试验结果还发现增加施肥对小麦光合速率产量增加等影响较大。

5.3 果树农艺节水技术

5.3.1 梨树树下覆草技术

以麦草、花生秸、玉米秸等为覆盖材料。4月中旬覆盖，厚度为20cm左右。

覆草减少了梨树棵间蒸发，在灌水次数和灌水量均较少的情况下，覆草可显著提高土壤含水量，提高土壤有机质含量。在较干旱的时期，可保证梨树的正常营养生长，提高产量和质量。

5.3.2 梨树使用保水剂技术

保水剂用量分别为每株使用100g，将保水剂均匀的撒在树盘上，然后翻入土中，与土混匀。

梨园使用保水剂，在灌水量较少的情况下，干旱时期可保证梨树正长生理功能代谢进行，提高土壤含水量，特别是20～40 cm土壤含水量;保证正常的营养生长;可明显提高梨的产量和质量。

6 农业节水工程的运行管理机制

由于农业节水工程产权不同，管理模式也各不相同，对中小型节水灌溉工程，目前主要有以下几种模式:

6.1 农民用水协会[4]

农民用水协会(WUA)是指由灌(排)区范围内受益农民在自愿的原则下，依法成立的非盈利性的农民用水合作组织，属社会团体范畴。它由协会及协会下若干用水组，每个用水组由若干用水户组成完整的管水、用水组织系统，其最高权利机构是会员代表大会，协会执行委员会是会员代表大会的执行机构。

农民用水协会与原有的农村基层管水组织不同，最主要的区别在于:原有农村基层管水组织具有一定的行政色彩，而农民用水协会没有行政色彩，实行自主管理。农民用水协会的管理人员完全由农民用水户民主选举产生，真正代表用水户自己的利益，不受其他因素干扰。

6.2 承包经营管理模式

这是一种在全民或集体所有权不变的基础上，按照所有权和经营权相分离的原则，以承包经营合同的形式，明确所有者和承包者之间的关系，该种管理方式的实施，改变了工程无人负责或责任不明确的状态，降低了对工程管护的监督成本，这种模式，刺激了承包者的积极性。

6.3 租赁经营管理模式

租赁是两个独立的产权实体，通过签定租赁合同，将工程经营权在一定的期限内让给经营者的一种模式。租金由租赁市场的供求关系来确定，可退租、转租，但转租的工程不能随意改变其用途。

7 山东省滨海地区节水农业综合技术体系集成模式

通过上述综合技术研究，提出了山东省滨海地区节水农业综合技术模式[5]。在单独水源形成管网的基础上建立分散多水源联网，水源之间相互调配，地表水、地下水联合调控。采用先使用地表水，后用地下水的方案，前期可减少地表水蒸发，汛前腾空地下库容，模拟结果证明了其正确性。兴建拦蓄回灌补源工程，充分利用多余供水回补地下水。多水源联网工程建设促进了自动化控制系统的建设，多水源联网工程加自动化控制系统，使联网工程真正实现集中控制，远距离操作水资源集中管理，达到优化配置的目的，而这种集中管理的形式又产生了新的运行管理机制—农民用水协会。山东省滨海地区节水农业综合技术模式。

[1]徐征和，赵钰.多灌溉水源联网调度与自动灌溉管理技术研究[J].中国农村水利水电.2008，(9).

[2]徐征和，陈吉亭，刘健勇，等.地下水回灌补源生态修复技术研究[J]. 地下水.2006，(3).

[3]吕宁江，焦建廷，赵洪涛，等.低压管道输水田间精细灌溉技术研究[J].山东水利.2007，(2).

[4]张庆华，姜文岱.农民用水协会建设与管理[M].中国农业科学技术出版社.2007.7.

[5]杜贞栋，王昕，于发彬.山东丘陵区农业节水工程运行管理模式研究[J].节水灌溉.2003，(3).