利用智能水利技术实现高效用水

陈莉莉

摘要 为应对全球水资源紧张与气候变化带来的挑战，智能水利技术逐渐成为提高水资源利用效率的关键。探讨了传统灌溉向数字化灌溉的转型过程，以及通过利用智能水利技术实现高效用水的途径，并分析了不同的智能灌溉系统及其优势，讨论了这一转型对农业、环境和社会的影响。

关键词 智能水利技术；数字化灌溉；传统灌溉；水资源管理；高效用水

中图分类号：S274 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

水资源是地球上最宝贵的资源之一，而农业是淡水消耗最大的领域之一[1]。随着人口增长、气候变化和水资源短缺问题的加剧，实现高效用水变得尤为重要。渗漏灌溉、洪水灌溉等传统灌溉方法，在许多情况下已经无法满足可持续发展和水资源保护的需要。为了应对这些挑战，数字化灌溉技术应运而生，利用智能水利技术实现高效用水已成为大势所趋。

1 传统灌溉方法的局限性

1.1 低效用水

洪水灌溉、地漏灌溉和渠道灌溉等传统灌溉方法在用水效率方面存在很大的局限性。首先，傳统灌溉方法无法将水分均匀地分布在土壤中，会导致大量的水资源浪费，使得作物无法充分吸收水分，从而降低作物产量。据估计，传统灌溉方法的用水效率通常在30%～60%之间，远低于现代灌溉技术[2]。其次，灌溉系统的设计和管理不当会出现漏水、蒸发和径流等问题，进一步加剧水资源的浪费。最后，传统灌溉方法由于灌溉水量的不稳定，作物可能在某些时期缺水而在其他时期水分过多，导致作物生长环境的不均衡，致使作物生长受限，影响农业产量和作物品质。同时，土壤湿度的不均衡还可能引发病虫害等问题，进一步影响农业生产。

1.2 引发环境问题

首先，过度抽取地下水用以满足灌溉需求会导致地下水位下降，可能使得河流和湖泊干涸，进而影响生态系统的稳定。其次，大量抽取地下水还可能引发地面沉降，对基础设施造成损害。再次，过量的灌溉水会导致土壤中的养分被冲走，导致水土流失和土地贫瘠。最后，灌溉过程中的水分蒸发会导致土壤盐分上升，进而引发土地盐碱化问题。盐碱化会影响土壤肥力和农业生产，尤其是在干旱地区。

1.3 消耗能源

传统灌溉方法通常需要大量能源输送和分配水资源。例如：抽水机在将地下水抽取到地表时会消耗大量电力。为了维护灌溉基础设施，如水渠和堰塘等，需要耗费大量人力和物力。这种能源消耗不仅会增加农业生产成本，还可能对环境产生负面影响，如温室气体排放。在一些发展中国家，能源短缺问题使得传统灌溉方法的运行和维护变得更加困难。缺乏可靠的能源供应可能导致灌溉系统无法正常运作，进一步降低农业生产效率和水资源利用率。

1.4 管理困难

传统灌溉方法往往缺乏有效的监测和调控手段。农民通常根据经验判断灌溉的时机和水量，而这种方式难以满足作物生长过程中不同阶段的水分需求，可能导致作物缺水或过水，影响产量和品质。由于缺乏实时数据和先进的管理工具，农民在调整灌溉计划以应对气象条件变化方面也存在困难。此外，水资源分配和分时灌溉的协调管理也是一个挑战。在水资源紧张的地区，农民可能需要与其他用户争夺有限的水资源，进一步加剧了水资源利用的不均衡和低效。

1.5 对气候变化的适应性较差

随着全球气候变暖加剧，干旱和洪涝灾害日益频发，传统灌溉方法在应对极端气候条件下灌溉需求方面的适应性较差。受气候变化的影响，水资源分布和可用性可能发生很大变化，传统灌溉方法很难及时调整以满足作物需求。气候变化还可能导致新的病虫害和作物品种发生变化，传统灌溉方法很难适应这些变化。

2 智能水利技术概要

2.1 信息技术

信息技术在智能水利技术中发挥着关键作用。通过安装各种传感器和监测设备，可以实时收集有关气象条件、土壤湿度、作物需水量、水质、水位等方面的数据[3]。这些数据经过处理和分析后，可以为决策者提供关键信息，有助于优化灌溉方案、节约水资源并增强灌溉效果。

2.2 物联网

物联网技术使各种监测设备、控制器和执行器通过网络实现互联互通。这种连接方式使得智能水利系统可以实现远程监控和控制，提高系统的自动化水平。通过物联网技术，可以实现对灌溉系统的实时监测、自动调节和远程操作，以精确控制作物的需水量。

2.3 人工智能

人工智能技术在智能水利技术中具有重要应用。通过深度学习和分析大量数据，人工智能可以预测气候变化、作物需水量、水资源供需状况等信息，为决策者提供有针对性的建议。此外，人工智能还可以辅助灌溉系统的优化设计和运行管理，提高水资源利用效率。

2.4 数字化灌溉系统

数字化灌溉系统是智能水利技术的重要组成部分。这些系统通过利用先进的灌溉技术（滴灌、喷灌和地下滴灌等）和智能控制设备，实现对灌溉水量和频率的精确控制。数字化灌溉系统可以根据作物需水量、土壤湿度和气象条件等信息，自动调整灌溉参数，从而实现高效用水。

3 数字化灌溉系统的类型与优势

3.1 滴灌系统

滴灌系统是一种通过在地表或植物根系附近设置滴头，将水分以逐滴进行输送的灌溉方式[4]。滴灌系统的优势如下：

（1）节水：滴灌系统将水直接输送至植物根部，可以减少水分在途中的蒸发和渗漏损失，大幅提高用水效率。

（2）提高作物产量：滴灌系统能够根据作物需求精确调整灌溉水量，保证作物在生长过程中的水分需求得到满足，从而提高作物产量。

（3）减少病虫害：滴灌系统可以避免叶片和地表的过度湿润，有助于减少病虫害的发生。

（4）节能：滴灌系统通常需要的水压较低，相对于其他灌溉方式，能耗较低。

（5）灵活性强：滴灌系统可以根据作物类型、生长阶段和气候条件进行调整，具有较强的灵活性。

3.2 喷灌系统

喷灌系统是通过设置喷头将水以雾状进行喷洒的灌溉方式。喷灌系统的优势如下：

（1）节水：喷灌系统可以根据作物需求精确控制水量，减少水资源浪费。

（2）均匀灌溉：喷灌系统可以实现较为均匀的水分分布，有助于提高作物对水分的吸收利用率。

（3）减轻对环境的不良影响：喷灌系统可以减少地表径流和地下水渗漏，减少水土流失和盐碱化等环境问题的发生。

（4）提高灌溉效率：喷灌系统可以通过自动控制实现对灌溉的精确调节，提高灌溉效率。

3.3 地下滴灌系统

地下滴灌系统是在地下植物根系附近设置滴头，将水分直接输送至植物根部的一种灌溉方式。地下滴灌系统的优势如下：

（1）节水：地下滴灌系统将水直接输送至植物根部，可以大幅减少水分在途中的蒸发和渗漏损失，从而极大提高用水效率。

（2）高产量：地下滴灌系统能够根据作物需求精确调整灌溉水量，充分满足作物在生长过程中的水分需求，从而提高作物产量。

（3）減少病虫害：地下滴灌系统可以避免叶片和地表的湿润，有助于减少病虫害的发生。

（4）节肥：地下滴灌系统可实现肥料的精确施用，避免肥料的过量施用和浪费，提高肥料利用率。

（5）适应性强：地下滴灌系统可适应不同作物类型、生长阶段和气候条件，具有较强的适应性。

3.4 微灌系统

微灌系统是一种结合滴灌和喷灌优点的灌溉方式，通过设置微喷头或微滴头，将水以细小的水珠或雾状进行喷洒或滴灌。微灌系统的优势如下：

（1）高水利用效率：微灌系统可以将水分均匀地分布在作物根部，提高水资源利用效率，节约水资源。

（2）提高作物产量：微灌系统能够根据作物需求精确调整灌溉水量和频率，保证作物在生长过程中的水分需求得到满足，从而提高作物产量。

（3）减少环境污染：微灌系统可以减少农药和肥料的使用量，减轻农药对环境的污染。

（4）降低能耗：微灌系统通常需要的水压较低，相对于其他灌溉方式，能耗较低。

4 智能水利技术的应用案例

4.1 以色列的智能滴灌系统

以色列是一个典型的干旱国家，拥有世界上最先进的滴灌技术。Netafim公司是以色列的一家著名滴灌设备制造商，其开发了一种名为“NetBeat”的智能滴灌系统。该系统通过实时监测气象条件、土壤湿度和作物需水量等数据，可以精确地控制灌溉水量和频率。NetBeat系统采用云计算和物联网技术，实现了远程监控和管理，帮助农民实现高效用水，提高了作物产量和品质。除智能滴灌系统外，以色列还开发了一种名为“沙漠农业”的生产模式，通过利用现代化的农业技术和设施，实现了在沙漠地区种植蔬菜和水果等农作物。他们还开发了一系列节水灌溉技术，如混合式灌溉、低压灌溉和微喷灌溉等，有效地降低了灌溉水量和成本，提高了水资源利用效率。在全球范围内，滴灌技术已经被广泛应用于干旱和半干旱地区的农业生产。

4.2 美国加州的农业水资源管理系统

美国加州是一个农业生产大州，同时面临着严重的水资源短缺问题。为了更高效地利用水资源，加州引入了智能水利技术进行农业水资源管理。其中，一家名为“JainIrrigation”的公司开发了一款名为“FieldNET”的智能农业水资源管理系统。FieldNET系统可以实时收集和分析有关气象条件、土壤湿度、作物需水量等方面的数据，并根据这些数据自动调整灌溉方案。除FieldNET系统外，加州开发了一种名为“AgNet”的无线传感器网络，用于监测土壤湿度、温度、光照等环境因素，以及作物生长情况等信息。这些数据可以通过互联网实时传输至农民的电脑或手机等终端设备上，帮助他们制定科学、合理的灌溉方案，减少水资源浪费和成本开支。

此外，加州还广泛应用低流量灌溉技术、混合式灌溉、滴灌和微喷灌溉等技术，帮助农民实现精准浇灌，减少水资源浪费和污染，提高农作物的产量和品质。同时，加州政府还制定了一系列水资源管理政策和法规，鼓励农民采用节水灌溉技术，约束地下水开采和水资源的污染排放等行为，促进水资源的可持续利用。

4.3 荷兰的水质监测与管理系统

荷兰是一个水资源丰富的国家，但由于高密度的城市化和农业活动，水质污染问题较为严重。荷兰政府采用了智能水利技术来监测和管理水质。荷兰水务公司（Waternet）开发了一种名为“AquaVista”的智能水质监测与管理系统。该系统通过部署在水体中的传感器实时收集水质数据，并通过物联网技术将这些数据传输至中央数据库。通过实时分析数据，AquaVista系统可以预警水质异常情况，帮助政府提高水质监测和管理能力。荷兰政府在全国范围内部署了一系列名为“Dijkgraaf”的水文监测网络，用于监测和预警河流洪水和干旱等自然灾害。同时，荷兰还采用了许多先进的污水处理技术，如膜生物反应器、微生物聚集物和生物转化等技术，将污水处理成符合国家和欧盟环保标准的可再利用水源。此外，荷兰还积极开展水资源的节约和循环利用工作。例如：他们采用了名为“水智能城市”的概念，将城市中的水资源作为一种可再利用的能源，通过设计和建造智能水利设施和建筑，实现了水资源的循环利用。他们还推广了名为“蓝色农业”的生产模式，利用雨水和废水等水源进行农业灌溉和生产，减少了水资源的浪费和污染，实现了可持续农业生产。

5 智能水利技术的应用趋势

5.1 智能水文监测

第一，智能水文监测技术可以实现对水文要素的实时监测，包括水位、流量、水质等，通过互联网技术和物联网技术实现对数据的实时共享和分析，可以及时发现问题并采取相应措施[5]。

第二，智能水文监测技术可以实现对灌溉水的精准调控，根据农作物的需要和土壤湿度等因素，合理控制水量，提高水资源利用效率，减少水资源浪费。

第三，智能水文监测技术可以通过大数据分析技术，对水文要素进行预测和预警，及时发现可能出现的问题，并采取相应的措施，保障农业生产的安全和稳定。

第四，通过智能水文监测技术，可以建立智能控制系统，实现对农田的水资源调控和灌溉控制。例如：可以利用大数据分析技术分析和管理不同灌溉区域的水资源，实现水资源的最优分配和利用。

第五，智能水文监测技术可以与气象监测系统相结合，建立农业气象监测系统。通过监测气象因素和水文要素，可以预测农作物的生长情况和灌溉需求，实现对农作物的精准灌溉和管理。

5.2 智能泵站管理

智能泵站管理是指利用物联网、云计算、大数据等技术，实现对泵站设备的远程监控和控制，提高泵站的管理效率和安全性。首先，通过物联网技术，可以实现对泵站设备的远程监控。例如：通过传感器监测泵站设备的运行状态和性能指标，实时上传至云端，实现设备的远程监控和数据分析。其次，通过物联网技术和云计算技术，可以实现对泵站设备的远程控制。例如：可以通过手机或电脑控制泵站设备的开关、调整泵站的水位等操作，实现泵站设备的智能化控制和调度。最后，通过大数据分析技术，可以分析和预测泵站设备的运行数据，实现对泵站设备的状态监测和预警。例如：通过对设备的数据分析，可以发现设备故障的可能性，及时采取维护和修复措施，保障设备的安全和稳定运行。

基于上述优势，智能泵站管理可以应用于农业灌溉，通过远程监控和控制技术，实现对灌溉设备的智能化管理。例如：可以实现对灌溉水的精准调控，提高水资源利用效率和农业生产效益。智能泵站管理也可以应用于农田排水系统，通过远程监控和控制技术，实现对排水设备的智能化管理。例如：可以实现对排水渠的远程监控和调度，提高排水系统的管理效率和安全性。

6 结束语

智能水利技術为解决全球水资源短缺、提高水资源利用效率和实现可持续发展提供了新的契机。从传统灌溉方式向数字化灌溉系统的转型，将有力地推动农业生产实现现代化，减少水资源浪费，减轻环境污染，保护生态系统。应用案例表明，智能水利技术在实际操作中取得了显著的成果，为未来更广泛地推广和应用提供了宝贵经验。

参考文献

[1] 胡娜，杨刚.青贮玉米智能化灌溉的探索与研究[J].陕西水利，2022，91（10）：63-66.

[2] 罗朝传，代伟嵩，肖熊，等.智慧灌区管理系统的设计与实现[J].四川水利， 2019，40（6）：133-137，150.

[3] 牟斌.农田水利工程高效节水灌溉技术的应用与技术要点研究[J].黑龙江水利科技，2020，48（11）：165-167.

[4] 付廷荣.农业灌区水利工程设计指标及综合研究[J].水利科技与经济，2022，28 （12）：125-128.

[5] 娄国正.小型农田水利节水灌溉存在的问题及解决措施[J].乡村科技，2020，11 （26）：121-122.

Intelligent Water Technology for Efficient Water Use

—Transformation from Traditional Irrigation to Digital Irrigation

Chen Li-li （Shule River Water Resources Utilization Center of Gansu Province， Yumen， Gansu 735211）

Abstract In order to respond global water scarcity and climate change， intelligent water conservancy technology has gradually become the key to improving water resource utilization efficiency. Explored the transformation process from traditional irrigation to digital irrigation， as well as the ways to achieve efficient water use through the use of intelligent water conservancy technology. Analyzed different intelligent irrigation systems and their advantages， and discussed the impact of this transformation on agriculture， environment， and society.

Key words Intelligent water conservancy technology; Digital irrigation; Traditional irrigation; Water resources management; Efficient water use