拧紧农业节水阀门——记中国水利水电科学研究院水利所所长李益农

□ 王 涵

李益农

中国缺水！人均水资源量只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4！

中国要节水！“实施国家节水行动，建设节水型社会”已经成为国家意志和全民行动！

“提倡生活节水和工业节水非常正确，但农业节水这道‘阀门’拧不紧，我国水资源短缺的现状还是很难改变。”中国水利水电科学研究院水利所所长、国家节水灌溉北京工程技术研究中心主任李益农说。农业灌溉用水量占全国总用水量的61.4%，是名副其实的用水大户，但效率极低。全国85%的灌溉土地使用传统的地面灌溉，存在灌水定额大、均匀性不高、深层渗漏严重等问题，造成灌溉水的利用系数仅为0.5左右，而这一个数字在发达国家可以达到0.7以上。

能不能在灌溉中实现需要多少水量就灌多少水量，需要何时给水就何时给水，以避免这种巨大的浪费？李益农认为，精细灌溉就能够实现灌溉用水量的有效、合理控制，为精准农业的发展奠定基础。“精准农业的核心理念，是按照农业操作每一个单元的具体条件，精细准确地调整各项农业管理措施，在每一个生产环节最大限度地优化各项农业投入，以获取最大的经济效益和环境效益。精细灌溉就是其中重要的一环。”

为精细灌溉铺平道路

2018年9月18日，中国农业节水和农村供水技术协会召开第三次会员大会暨农业节水科技奖颁奖大会。农业节水科技奖是代表我国农业节水行业科技发展水平的最高奖项。在这一届农业节水科技奖中，共产生了5项一等奖，李益农团队凭借“激光控制土地精细平整技术及其推广应用”项目列身其中。而这之前，在水利部科技推广中心给出的评价报告中，以著名农田水利专家、中国工程院院士茆智为首的专家组一致认为，该项目对推动我国农田土地精细平整、提高地面灌溉性能与效果具有重要意义，成果达到国际领先水平。

掌声迭起，穿越李益农团队近20年的努力，着落在20世纪90年代中期。

那时，经过了中国—欧共体国际科技合作项目的锤炼，中国水利水电科学研究院开始关注激光控制土地精细平整技术。

激光控制土地精细平整技术是利用激光作为非视觉控制手段代替常规机械平地设备中操作人员的目测判断能力，控制液压平地铲运机具的升降高度，达到精准平地的效果。20世纪80年代，该技术已经在美国开始推广应用。

很先进！先进到在当时听起来像天方夜谭，但中国水利水电科学研究院还是怦然心动。本着求真求是的原则，1995年起，他们引进国外的激光控制平地设备在北京、河北、新疆做了大量的田间试验来进行评估，证明了在提高田面平整精度的基础上去实施精细地面灌溉技术的确具有较大的节水潜力，也发现其中所隐藏的问题。这些进口激光平地设备价格高昂，而且更适合于大农场模式，想要在我国个体农田经营模式下大面积推广应用十分困难。

“怎么能把这种更适用于大规模农场模式的技术转嫁到国内的农田模式中来，好像遥遥无期。但我们认为，既然我国有85%以上的灌溉面积采用地面灌溉方法，就必须重视田面平整精度问题，因为它对灌溉效率和灌水均匀度的影响太显著了。”

归根结底，要改变传统的粗放式地面灌溉模式，实现精细灌溉，激光控制土地精细平整技术是一项基础和前提。中国水利水电科学研究院认为，在这项研究上有所为，是他们应当承担的责任。而研发适宜国情的激光控制土地精平装备、构建具有自主知识产权的激光控制土地精平技术与方法、创新地提出激光控制土地精平下的田面精平标准、建立与大面积推广应用激光控制土地精平技术配套的各类保障措施与模式，势在必行。在国家和行业部门各类课题的支持下，李益农团队展开了持续20年的研究工作，取得了多项创新性成果与突破性进展。

土地平整度差，但到底如何确定好一个适宜的平整精度？李益农团队需要从理论上给出支撑。为此，基于田面高程分布既具有随机性又具备空间相关性的物理特征，他们发明了田面微地形空间分布状况模拟方法。该方法破解了因微地形存在空间分布变异性而无法系统开展对地面灌溉性能影响评价的重大难题，首次从物理机制入手，提出了激光控制土地精平下的田面平整精度阈值为3cm，为大面积推广激光控制土地精平技术提供了科学依据。

与外宾野外调研合影

他们强调合理的土地平整方案设计，不再单纯以平面作为平整方案基准面，而是将田块适宜平整精度条件下的田面微地形分布方案作为基准面，提出了改进的土地精细平整工程优化设计方法。“与传统设计方法相比，我们的方法和实际施工情况更为接近。”如李益农所言，团队提出了适宜的平地施工测量网格间距，构建了土地精平工程优化设计与施工作业路径优化辅助决策系统，可提高土地精平效率15个百分点以上，解决了平地设计中土方量计算误差大和平地线路不经济的问题。同时，他们构建出精细地面灌溉技术应用体系，包括灌溉水流运动过程模拟模型的构建，精细地面灌溉过程反馈控制，灌水方案的优化决策和灌溉性能评价。“灌溉田块的时候要采用多大流量，需要多长时间才能实现更节水、更高效，这个体系能够给出一个合理的方案，这样一来，我们就能实现基于灌水过程预测和反馈控制的精准灌溉。”李益农说。

廿载耕耘，李益农始终无法忘记最初因为进口激光平地设备价格高昂难以在国内大面积推广的窘境。从“九五”攻关开始，他就带领团队与相关高校、企业联合研发国产激光控制平地成套设备。他们开发研制了最大幅宽达6.0m的精细平地铲运设备，完全可以适应国内大马力拖拉机进行土地平整作业的需求；他们创制出具有新型吸收滤光片的激光接收器，扩大垂向接收距离10cm，实现了无死角下的信号接收……至今，包括国产激光发射器、接收器、控制器以及激光控制土地精平设备等在内，他们形成的国产激光控制平地设备已经实现了系列化、批量化生产。与进口设备相比，他们开发的国产化土地精平铲运设备，造价降低了50%以上，国内市场占有率已经达到了70%～80%。而国产激光控制土地精细平整成套设备与机具已累计销售6000多套，销售额18000万元，出口创汇500万元。

该成果已被中华人民共和国水利行业标准《地面灌溉工程技术管理规程（SL 558-2011）》采纳，正在广泛用于指导我国农田土地精细平整工程实践，现已在新疆、宁夏、甘肃、河北、山东等10多个省、自治区得到不同程度的推广使用，累计应用面积3000万亩以上，提高平地作业效率30%以上，减少平地成本20%左右，取得了增产17%、节水28%的显著经济效益。

“如果真能做到全面推广，尤其是在我国土地实现规模化管理之后，这些技术成果会为我国农业生产形式带来根本性的改变。”李益农强调。

让灌区变身“节水大户”

团队会议

“地面灌溉水流以田面作为运动载体，土地平整度对其灌水性能影响显著，现有田间灌溉配套设施缺乏，管理粗放，可控性差。比如在地面灌溉开始10分钟之后，人们难以准确计算进入田块内的水流运动和水量分布状况，也没办法合理确定什么时候关口既可以满足作物需水，也不导致多余的水被浪费。”李益农认为，喷灌、滴灌等压力灌溉系统在灌溉效果和可控性上都要好很多，尤其滴灌将水连同溶于水的化肥均匀而缓慢地滴在作物根部的土壤中，具有用水量少、节省沟渠占地、减少肥料流失、提高肥效等优点，应用潜力非常大。“但它们也不是天生效率高，管理不好的话，效率照样提不上去。通过推广应用激光控制土地精平技术与方法，使精细灌溉取得与喷灌、滴灌等旗鼓相当的效果，这是我们现阶段想要实现的目标。”

李益农为这个目标给出了一个具象：精细灌溉真正实现应用之后，人们能够对灌溉过程进行精准把控，原计划灌溉1小时，通过过程反馈，也许缩短成50分钟即可，也许要延长至70分钟，使灌溉方案更合理地贴合实际。

窥一斑而知全豹。激光控制土地精平技术与方法为地面灌溉提供了更多的可能性，使其走向“精准”和“智慧”。当建设高标准农田、大力发展高效节水灌溉成为保障国家粮食安全和水安全的重要支撑条件，我国要在2020年实现新增1000亿公斤粮食的生产能力以及农田灌溉水有效利用系数达到0.55以上的目标，激光控制土地精平技术与方法的大力推广和应用不可或缺。李益农认为，该技术将在现代化灌区建设中发挥重要的作用。

作为我国农业用水的主要载体，灌区已经经过了多年的续建配套与节水改造，基本解决了“病险”“卡脖子”骨干工程输水效率低下问题，灌溉水利用系数由2000年的0.42提高到目前的0.54。看起来，距离“农田灌溉水有效利用系数达到0.55以上”已经不远了，但李益农并不那么乐观。实际上，从整个灌溉系统来讲，由于缺乏对土地平整等田间工程设施的配套改造，骨干工程的节水效果因较差的田间工程设施产生的浪费造成了一定程度的抵消，再加上用水调控技术储备不足、应用滞后，使灌区需（耗）水时空变异性与供水过程不确定性之间的矛盾日益升级，灌区用水效率效益想要进一步提升并不容易。

在李益农看来，现代灌区建设对信息感知诊断、决策智能优化、实时反馈调控等方面有迫切的需求。如何解决灌区供需（耗）水时空格局不匹配问题，实现灌溉区用水全过程的高效精准实时调控，已经成为现代灌区建设面临的重大科技问题。2017年，李益农领衔的“现代灌区用水调控技术与应用”获得“十三五”国家重点研发计划“水资源高效开发利用”专项的支持，正式立项启动。

创新灌区用水多过程耦合调控理论与方法！突破灌区供需（耗）水精准诊断、输配水全程量测、用水智慧决策与实时调控等关键技术与产品！构建现代灌区用水调控技术集成应用模式！实现现代灌区高效精准用水调控与相关政策机制的有机融合！几大亟须解决的问题清晰地出现在李益农的研究目标中。在该项目里，他秉持一贯的风格，将从基础理论研究、应用技术研究和设备研发全流程上进行突破。为此，他联合中国农业大学、西北农林科技大学、中国灌溉排水发展中心、京蓝云智科技有限公司等高校和单位，对项目任务进行了具体分工，预计到2020年前后完成“灌区用水多过程耦合调控理论与方法”“灌区需（耗）水信息时空诊断与预测技术”“灌区用水量测与调控技术及设备”“灌区智慧用水决策技术与平台”等关键技术研发，以及在自流灌区、提水灌区的用水调控技术集成与应用示范。

如何才能让灌区从“用水大户”变身为“节水大户”，李益农的“调控”从本质上是在做这样一个转变。与此同时，在现代化灌区管理中，节水与提质、增效是紧密结合在一起的。为了保证灌区用水的流量精度和流量布置数量，李益农团队研发了“灌区智能流量计”。该流量计仅利用水位信息，借助大规模深度算法，就能实时获取高精度流量信息，成本低且能够大规模布置。此前，他们在河北冶河灌区开展了3年的实测对比试验，结果显示，与德国高精度超声波流量计AWA-WD040相比，该流量计的误差能控制在4%以下，为开展“智慧水利”工作提供了良好的技术支撑。

而围绕“灌区用水全过程模拟与调控技术”，李益农团队实现了对全灌区众多水流与溶质运动过程的完整描述，并以此为基础，研发出具有三维实时动态场景的全灌区水循环动力学模拟与调控分析系统。该系统汇聚了GIS和CAD优点的地理信息和水动力学信息数据编辑功能，具有友好的人机交互界面，且融入了GPU大规模并行计算技术，能以实时动态方式开展全灌区众多水流与溶质运动过程的同时性或单个过程的精细三维仿真，相关成果已在河北、新疆和黑龙江等地得到了初步应用。

“灌区要为农民服务，要能为农业生产适时地提供适量的水。现在城市的自来水管网可以直接供应到千家万户，未来灌区的理念也将按照需求实时配水。”李益农平静地讲述着他的“小目标”，而当前，他会带领团队脚踏实地地开展符合现代灌区用水调控技术集成应用模式发展新常态的工作，为现代灌区用水调度提供先进实用的技术、产品、标准与模式。

不能与应用脱节

20世纪90年代末，李益农团队带着激光控制土地精平技术走到田间地头。“我们不可能只去平一亩地，肯定是平完几百亩之后再重新布置地面灌溉系统，性价比更高。”道理很直白，但几百亩地很可能牵涉到多户人家，李益农和他的队员们挨家挨户地去做工作，每一户都同意了，他们才能真的开始实践。

“放在单一农户上，我们技术的先进性其实不能得到充分体现，要到规模化作业时才能淋漓尽致地发挥作用。这也是我们的成果最早在新疆建设兵团和黑龙江农垦区顺利推广应用的原因。”李益农说。

这么多年下来，年轻的科研人员经常会感到困惑，为什么努力地做了先进的东西，却没有人愿意用。李益农也困惑，却并不悲观。他经常用智能手机、移动支付的普及度来鼓励学生们要有用户意识，科研不能与应用脱节。“一项技术的适用与否受到现有条件的束缚，但也与技术本身的实用性有关。不管我们用多么复杂的方法来做一项技术，从外在上一定要能让用户简单、简便地掌握。如果我们把成果做到智能手机这份儿上，还会推广不动吗？”

从“九五”到“十三五”，在精细地面灌溉技术、灌区水管理技术等方面多项国家级专项课题研究中，李益农都做出了重量级的工作，他领导的灌溉用水管理研究团队也逐渐成长起来。近5年来，这支拥有10余名核心成员的团队累计主持科研项目20余项，参加项目超过30项，遍及东北、华北、西北、西南和华东等地区。

在团队建设上，李益农重视学科交叉，将农田水利、水文水资源、生态环境、系统工程等多学科人才凝聚到团队中，而从业务范围上，他们也各有所长。“有精通理论研究的，有擅长硬件开发的，还有在应用技术模式研究能力比较强的。”李益农补充道。

整个研究队伍老中青结合，组成了合理的人才梯队。鉴于学科特点，李益农在学生培养上也专注实践能力的养成，来到水利所的研究生，都被要求去田间地头摸爬滚打。用李益农的话说，不去田里，灌溉过程都理解不了，做出来的模型可能就似是而非了。除此之外，团队协作精神和科学严谨性，也是李益农极力强调的科学素质。

“农田水利是一个传统的应用学科，它也需要创新。我们最起码要做的就是把最新的技术和传统学科嫁接起来。”李益农希望团队能够打开脑洞，做好进行颠覆性技术创新的准备。

采访中，他数次强调未来灌区管理应该向城市自来水管网模式看齐。“我国大部分灌区都有几十年的历史，运行管理经验的相关数据都在躺着睡大觉呢，我们下一步就想把这些传统经验提炼成规律性的东西，结合现代信息化技术、空天地测控技术等，形成具有一定智能化的调度灌区运行管理的方案模式，提高灌区的服务和管理水平。”

李益农再次描绘起他理想中的现代化灌区：具有恰当的感知能力和调度能力，能够精确地“知道”用户对用水量、用水时间的需求，以及不同用户之间需求的“轻重缓急”，并及时做好合理的调配。

“十四五”开始，国家将会加大对现代化灌区建设的投入。李益农将和他的团队一起站在新的风口上，寻找更加有力的切入点。在这之前，他们会通过“现代灌区用水调控技术与应用”项目推出一些实力派成果，为未来提供更坚实的技术支撑。“我们一路走下来，最大的期望就是如何把研究成果用得更好。”李益农说。