农业灌溉区的灌溉管理与节水增效的路径分析

摘 要：随着农业水利工程的不断创新，高效节水灌溉已成为农业灌溉领域的重要课题。深入探讨了农业水利工程中高效节水灌溉的技术要点，涉及潜在耗水量计算、基于高效节水的灌溉制度边界条件设定以及灌溉制度设计等关键技术问题。通过实证分析，结合特定农业水利灌溉工程的概况、机组选型、灌溉区供水模式以及灌溉区田间布置等数据，深入剖析了高效节水灌溉技术的实际应用效果。

关键词：高效节水；农业水利工程；灌溉制度；潜在耗水量

中图分类号：S274 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）05–0-03

随着全球人口持续增长和气候变化日益严重，农业水利灌溉管理和水资源利用面临着紧迫的挑战。在这样的背景下，研究和应用高效节水灌溉技术成为提高农田水分利用效率、促进农业可持续发展的关键。探讨了灌溉管理和节水增效的方法，涵盖了潜在耗水量计算、灌溉制度设计、机组选型、供水模式到田间布置等方面的实证研究。通过深度分析关键技术并评估实际应用效果，旨在为农业水利灌溉工程的科学规划和实际操作提供有力支持。面对全球日益紧缺的水资源，高效节水灌溉技术不仅对农业可持续发展具有重要意义，也为应对全球农业在面临的水资源压力挑战提供了启示[1]。综合应用这些节水灌溉技术，有望在实践中推动农业水资源管理迈向更智能、高效、可持续发展的台阶。

1 农业水利工程中高效节水灌溉的技术关键点

1.1 潜在耗水量的计算

在农业灌溉管理中，准确计算潜在耗水量是确保高效节水灌溉的关键。潜在耗水量直接关系到农田水分需求的准确预测。为了精确计算潜在耗水量，必须依赖土壤水分特性曲线。这需要通过实地采样和试验，获取不同土壤类型的水分特性曲线参数，包括田间持水量、田间枯水量等，从而精确描述土壤对水分的吸收和释放特性[2]。

建立水分平衡方程是计算潜在耗水量的重要环节，需要考虑降水、蒸发、渗漏等因素，水分平衡方程可描述为：

潜在耗水量=降水-蒸发-渗漏（1）

式（1）中，降水需考虑降水的时空分布特征，蒸发涉及气象因素，渗漏则与土壤渗透性有关，该方程的建立使得潜在耗水量计算更加全面和准确[3]。

为了更准确地估算潜在耗水量，需要引入水分需求模型，考虑作物的生育期和生长阶段对水分需求的差异性，以精准地反映出潜在耗水量时空变化规律。建立水分需求的基本框架，选择基于它的根系吸收、蒸腾散失和蒸发蒸腾3个主要过程来描述作物的水分需求，基本框架如下：

WDM=WU+ET+E（2）

式（2）中，WDM为总水分需求，WU为根系吸收的水分，ET为作物的蒸腾散失，E为土壤表面的蒸发蒸腾。

考虑作物在不同的生育期和生长阶段对水分需求的不同，将水分需求模型分段建模。以生育期为基本单位，将其划分为若干个阶段，每个阶段内采用不同的水分需求函数。以i表示生育期阶段，模型可表示为：

WDMi=WUi+ETi＋Ei（3）

式（3）中，WDMi为第i生育期阶段的总水分需求，WUi、ETi和Ei分别为该阶段的根系吸收、蒸腾散失和土壤表面蒸发蒸腾。

不同作物在相同生育期和生长阶段对水分的需求存在差异，因此引入水分需求函数进行模型拟合。以fi（WUi，ETi，Ei）表示第i阶段水分需求函数，该函数应当综合考虑植物生理特性、土壤状况和气象条件等因素。因此，水分需求模型可进一步表示为：

WDMi=fi（WUi，ETi，Ei）（4）

为了使模型更贴近实际情况，需要通过实测数据对水分需求模型的参数进行拟合，利用实地观测数据，采用参数优化方法（如最小二乘法），对水分需求函数的参数进行拟合，验证模型的可行性和精度，通过对比模型估算的水分需求与实际灌溉数据的一致性。

1.2 基于高效节水的灌溉制度边界条件的设置

为达到高效节水目标，在确定灌溉制度以前要确定边界条件，农业灌溉符合图1所示的水资源循环转化。

以图1的水循环为基础，从地理、生态环境和经济方面入手确定边界条件。地理方面，灌溉制度的设计应充分考虑地形、土壤类型和气候等因素，按大气—植被—土壤间的水汽循环和农作物需求情况。在生态环境方面，不仅需要考虑水资源利用的可持续性和水质的保护，而且还要结合生态群落，避免生态环境被破坏后无法恢复，可采用多种类型的水资源灌溉和利用方式。在经济方面，灌溉制度设计必须兼顾农业经济的可持续发展，考虑灌溉与经济作物产量之间的关系，确保实现较高的经济效益。

1.3 灌溉制度的设计

按照上述灌溉制度边界条件，确定出科学、合理的农业节水灌溉制度，要给予灌溉最大净水定额，若最大净灌水定额采用hf，则算式如下：

hf=f" （5）

式（5）中，f是湿润层土壤干容重，L为土壤湿润深度，Qm为土壤含水率上限，d b为土壤含水率下限。确定出最大净灌水定额后，还要给出灌溉周期，假定灌溉周期为T，则T应满足如下算式：

T≤Tmax=（6）

式（6）中，Tmax为最大灌溉周期，ms为最大净灌水定额，Ia是耗水强度。确定灌水定额和灌溉周期以后，还要建立灌溉自动化运行机制。因灌溉区域为壤土，可达到的最大灌溉强度为12 mm/h，为防止灌溉时存在地表径流，要根据农作物生长周期差异来确定需水量，进而选择出最优的灌溉强度。

1.4 土壤水分的监测与调控

土壤水分监测与调控是实现高效节水灌溉的关键环节，应用现代传感技术，建立科学的土壤水分监测系统，能够实时监测土壤水分状况，根据实际需求智能调控灌溉水量，提高水资源利用效率。电阻式传感器通过电阻的变化反映土壤水分含量，适用于多种土壤类型，但需要注意其对盐分敏感。电容式传感器可以利用电容的变化来测量土壤水分含量，对盐分不敏感，适用于不同土壤类型。微波传感器通过测量土壤中水分对微波的吸收程度，具有较大的测量深度，适用于深层土壤水分监测[4]。定期对系统进行效果评估，通过比较实际灌溉水量和系统推荐的水量，评估智能调控对节水效果的贡献，这种循环的监测与调控机制能够不断优化土壤水分监测系统，提高其在实际灌溉管理中的适应性和准确性[5]。

2 实证分析

2.1 某农业水利灌溉工程的概况

某农业水利灌溉工程作为一项重要水利基础设施，在提高农田灌溉效率，保障农业生产的稳定发展等方面发挥着重要作用。该农业水利灌溉工程涉及12个乡镇，服务范围覆盖约1.03万hm2农田。工程规模庞大，通过建设灌溉渠道、水库、泵站等设施，形成了完备的水利网络。不仅为广大农户提供了稳定的灌溉水源，还为农业生产提供了坚实的水利支持。工程主要依赖于附近河流水源，通过建设引水渠道和拦河坝等设施，将水引入灌溉网络。在干旱季节，工程还能够通过配备的蓄水池和地下水井，保障农田（主要作物是玉米）的灌溉需求，工程的水源供应相对充足，能够有效减轻季节性水源波动对农业生产的影响。该工程采用了现代化的灌溉设施与技术，包括滴灌、喷灌、定量灌溉等灌溉方式，引入智能化灌溉系统实现对灌溉水量和频率的智能调控，提高了水资源的利用效率，灌溉渠道采用优质防渗材料，减少水分损失，确保水资源能够高效地传递到每一片农田。工程对农田进行了合理布局，确保每块农田都能够受益于灌溉工程，在灌溉区域，根据土壤类型和地形特点，采用差异化的灌溉方案，对不同作物的需水量和生长周期进行了科学评估，建立了灵活多样的种植结构，提升了农业生产的多样性和可持续性。为确保工程的高效运行，建立了完善的灌溉管理与监测系统，通过实时监测水位、水质、灌溉量等关键指标，及时调整灌溉方案，保障了农田的灌溉需求。灌溉管理团队采用科学的管理手段，对农户进行培训，提高了农民对灌溉设施的使用效率和增强了对水资源的节约意识。

2.2 机组选型

选择Nelson R3000系列中心支轴式喷灌机，采用精密设计的旋转喷头，实现了水流的均匀分布，避免了过度灌溉或漏灌的问题，配备智能化控制系统，可根据土壤湿度、气象条件等方面数据进行实时调整来实现精准灌溉。采用高强度材料，提高了机组的耐用性，降低了维护成本。配合雨滴喷头进行灌溉，流量范围为1.9～7.6 L/min，雨滴喷头可形成雨滴形状的水滴，适用于需要减少水分蒸发的玉米，该系统机型参数如表1所示。

2.3 灌溉区供水模式

灌溉区供水模式是农业水利灌溉工程中至关重要的环节，直接关系到水资源的利用效率和灌溉效果。在灌溉工程中，常见的供水模式包括地面灌溉、滴灌、喷灌等形式，每种供水模式都有自身特定的优势和适用场景。地面灌溉通过灌溉渠道或管道将水源引入田地，然后通过自由流水或灌溉设备实现灌溉，而滴灌将水通过管道和滴头滴到植物根区，实现点对点的精准灌溉。喷灌利用喷头将水以雾状或雨状形式均匀喷洒在植物上，可以覆盖较大面积。

由表2可知，平均水分利用效率为指植物对灌溉水分的利用效率，百分比越高表示水分利用效果越好。从灌溉水量减少率方面来看，相对于地面灌溉，其他供水模式下的灌溉水量减少百分比；从产量增加率方面来看，相对于地面灌溉，其他供水模式下的产量增加百分比。

2.4 灌溉区的田间布置

灌溉区田间布置直接关系到灌溉水分的利用效率，在灌溉区不同的田间布置方案设计要从行距、作物种植密度、排水系统等方面考虑，并比较疏植与密植、不同行距、不同排水系统等布置方案。

由表3可知，平均水分利用效率指的是植物对灌溉水分的利用效率，百分比越高表示水分利用效果越好。灌溉水量减少率方面，相对于传统布置方案，其他布置方案下的灌溉水量减少百分比。产量增加率方面，相对于传统布置方案，其他布置方案下的产量增加百分比。密植布置在平均水分利用效率上表现较好，但同时灌溉水量减少率相对较低，产量增加率较一般。疏植布置在水分利用效率和产量增加率上均表现较好，但灌溉水量减少率相对较高。大行距、小行距两者在平均水分利用效率和产量增加率上存在差异，需要综合考虑成本和效益。采用先进排水系统的布置方案在水分利用效率和产量增加率上均表现较好，同时灌溉水量减少率最高。

3 结论

第一，采用先进的潜在耗水量计算方法，能够更准确地预测农田的水分需求，避免了灌溉中的浪费或不足；第二，先进的灌溉制度设计和机组选型增强了灌溉效果，减少了水资源的使用量，同时提高了农田产量；第三，采用高效的供水模式，如滴灌和喷灌，显著提高了水分的利用效率，实现了可持续灌溉；第四，合理的田间布置方案在提高水分利用效率和增加产量方面表现出色，尤其是采用疏植和先进排水系统的效果更为显著。

综上所述，通过对高效节水灌溉技术的实证应用，验证了所提出的灌溉管理与节水增效的途径在实际中的可行性和效果，这些技术的综合应用不仅增强了灌溉效果，减少了水资源浪费，还为农业生产的可持续发展提供了坚实基础。

参考文献

[1] 陈卫星.庐江灌区农业节水灌溉的实践与发展建议[J].现代农业科技，2023（23）：137-140.

[2] 努尔比耶·艾散.棉花种植高效节水灌溉方案比选分析[J].水利技术监督，2023（11）：278-280，285.

[3] 吕文金.农业水利灌溉模式与节水技术措施研究[J].当代农机，2023（11）：39-40.

[4] 闫小龙.农田水利节水灌溉技术要点分析[J].当代农机， 2023（11）：50-51，53.

[5] 台淑萍.基于高效节水灌溉技术在农田水利工程中的实践研究[J].当代农机，2023（11）：93，96.

作者简介：盛金奇（1986—），男，甘肃高台人，水利工程师，主要从事农村人饮工程及灌溉用水运行管理工作。