农田水利科技新进展及其展望（许建中,李英能,李远华）

关键词　农田水利　农业节水　节水灌溉

一、农田水利科学技术取得的新进展

1.学科领域扩大，应用基础理论研究更加深入

农田水利学科围绕着现代农业的发展，不断向节水、高效、环保的领域扩展，作物高效用水生理调控、作物水分信息采集与精量控用水、劣质水高效安全应用等成为新时期农田水利学科研究的热点。

国家自然科学基金项目、国家“863”计划、国家“973”计划等大幅度增加了对农田水利学科应用基础理论研究的资助力度。其基础理论研究不仅由单纯的土壤水分调控研究转向“土壤一植物一大气”连续体水分运移规律的研究，而且把水分运移规律与养分、水热、化学物质运移结合起来进行研究，为提高水分养分利用效率提供了理论基础；同时，更加重视局部灌溉和不同农业耕作条件下的水分养分运移规律的研究，开始了沟垄、带状种植、地膜覆盖、桔秆覆盖、滴灌、地下滴渗灌等条件下的土壤水分、水热、水肥及作物光合作用规律的研究，取得了新的成果。这些都为发展农业节水，把该领域的研究由实验统计性质转变为具有较严谨理论体系和科学定量方法奠定了良好基础。在继续研究农田“五水”(大气水、地表水、地下水、土壤水、植物水)的转化关系和农田作物蒸发蒸腾量与流域蒸散发量计算的同时，突出了以节水高效为目标的土壤水调节模型和各环节水量转化效率的原理与方法研究；水分胁迫对作物生理生态的影响及其提高水分生产率的机理研究进一步深入，非充分灌溉理论进一步丰富；由研究单点的作物水分生产函数转向研究区域范围内的作物水分生产函数及其水分敏感指数的时空分布；从传统地研究水稻、小麦、玉米等大田作物的水分生产函数转向研究经济作物水分生产函数；特别是把作物不同阶段水分敏感性与根系生长、叶面气孔效应、蒸腾速率、光合速率、光合产物的分配联系起来进行研究，探索作物的适度缺水效应，为农业节水奠定了理论基础；确立了主要作物经济灌溉定额、节水高效灌溉制度，以及适宜的调亏期、调亏指标。

2.研究和开发出成批节水新材料、新设备

研制完成节水节能灌溉新设备：外混式自吸泵、新型金属快速接头、地面移动铝合金管道系统设备、田间闸管系统设备、调压给水栓、竖管万向座、恒压喷灌设备、绞盘式喷灌机、折射式微喷头、旋转式微喷头、微灌用压力一流量调节器、微喷连接件、水动式施肥泵、水动反冲洗沙过滤器、平面迷宫式滴头、毛管移动机具、滴灌设计CAD系统、地下滴灌专用滴头、经济型内镶式滴灌管及配套设备、波涌灌设备、U型防渗渠道施工机械、SYZW-1智能型量水仪、WIS-2智能型量水仪、长喉槽量水槽等24种节水新设备，其中16种产品实现产业化。微喷灌设备的研制改变产品结构、实现优化设计、采用新材料，改进加工工艺，提高使用寿命，提高了整体性能和成品率，降低了造价。在节水新材料研究上，提出了适合U型渠道衬砌构件适宜的混凝土配合比，选用焦油塑料胶泥条和遇水膨胀橡胶止水条作为预制衬砌渠道伸缩缝材料，较好地解决了渠道接缝渗漏问题。

3.农业节水新技术发展迅速

(1)农用水资源的合理开发技术研究取得的新进展

①井灌区从加强雨洪利用入手，利用模拟地下水动态的Modflow软件，进行模拟预测，制定地下水开发与保护策略，形成井灌区地下水采补平衡水资源高效利用综合技术。②井渠结合灌区采取干支渠防渗衬砌，加大向下游输水能力，减少渗漏损失，斗农渠采用土渠输水加大汛期拦蓄降雨人渗量，结合相应的畦田规格获得较好的引洪补源效果。③水库灌区建立了流域水资源优化调度数学模型，根据径流来水量预测蓄水工程的调蓄能力，灌区作物的种植结构，并结合需水情况，以及输水渠系的输水能力等因素进行综合全面分析，对灌区水资源进行合理配置，并优化调度，有效提高供水保证率。④雨水汇集及坡地径流资源化综合小流域水资源综合调配、人工集水场建设及水土保持工程水资源利用等技术，形成了雨水汇集、引导、储存、合理利用的坡地径流资源化综合技术措施。⑤在多灌溉水源地区，将分散灌溉的地表水与地下水工程实行联网，确定了水资源优化配置方案，并与自动化控制技术集成，实现了向农田供水的分散水源的集中控制、统一调度，实现有限水资源的高效利用，提高了灌溉保证率。

(2)输配水节水工程技术取得的新进展

①在对不同形式和使用要求的刚性护面渠道冻胀破坏机理研究的基础上，提出了渠道刚性衬砌防冻胀破坏的内力计算与结构设计方法，并筛选出新型抗冻胀、防渗输水技术和先进实用的施工技术，形成了渠道抗冻胀、防渗高效输水技术集成模式。在冻胀问题较为严重的渠道，采用混凝土与复合土工膜相结合的板膜复合结构形式，基本上可以解决不受地下水影响的渠道渗漏冻胀问题。选用焦油塑料胶泥条和遇水膨胀橡胶止水条作为预制衬砌渠道伸缩缝材料，采用填缝材料的冷嵌法施工技术，解决了接缝渗漏问题。②新研究并投入生产应用的低压管道输水田间闸管系统改进了材料配方，实现原料国产化，提高了软管的技术性能，改进了配水闸门与输水软管的连接方式和闸门的止水结构，解决了配水口的脱落和滴漏问题，提出适于不同灌区的系列化产品。研制与低压管道输水配套的波涌灌溉设备，包括波涌阀和自控器。③配水技术在墒情监测和灌溉实时预报模型手段上有较大改进，将随机方法及神经网络法用于源泉出流及作物蒸发蒸腾模型，模型计算时间短，预测精度高；把水文模型与作物需水和蒸发蒸腾模型结合起来建立的墒情模拟和预报模型，可以由作物条件和气象条件来分析蒸发蒸腾量，解决田间的产汇流计算和田间水量平衡各要素的动态变化过程的连续模拟问题。提出北方多泥沙U型渠道量水技术体系，解决了渠灌区的斗分渠难以布设量水建筑物的问题。

(3)田间节水灌溉工程技术取得的新进展

①引黄高含沙水滴灌技术：研究提出两种组合过滤模式，即工程技术措施与过滤系统相结合的“沉淀一沙过滤器一抗堵滴头组合方式”和“无纺布过滤一沉淀一沙过滤器一抗堵滴头组合方式”过滤模式，结合抗堵塞性能强的平面迷宫式滴头和相应的大田粮食作物滴灌制度和运行管理技术，形成完整的引黄高含沙水滴灌技术体系。②膜下滴灌技术：综合滴灌技术和覆膜技术优点，将水、肥、农药等通过滴灌带直接作用于作物根系，加上地膜覆盖，棵间蒸发甚微，十分利于作物的生长发育，大田使用后，较常规灌溉省水50%左右，省肥20%，省农药10%，增产10%～20%，增加综合经济效益40%以上。另外，对地下滴灌技术也进行了试验和研究。③地面灌溉新技术：首次开展对激光控制土地精细平整技术的田间应用研究，提出了激光平地技术与常规机械平地技术相结合的组合平地技术模式，提出了水平畦田灌溉系统的设计方法、灌水设计参数及相应的田间工程布局模式。采用水量平衡两点法计算土壤入渗参数和糙率，为评价波涌灌溉下的入渗性能和田间参数提供了新方法。另外，在控制性分根交替灌溉技术上也取得新进展。④田间灌溉自动化技术方面：研究开发出智能式全自动喷灌系统、电子自控配水系统一新型智能IC卡控制阀、无人值守的全自动化灌溉技术、远程自动化灌溉控制技术、井群无线自动控制设备以及变频调节技术在节水灌溉中的应用等。

(4)提高作物从农田土壤中获取水分形成产量的技术取得的新进展

①在节水高效灌溉制度方面：明确了冬小麦、夏玉米、棉花的关键需水期及节水高效灌溉指标，建立了3种作物的节水高效灌溉决策模型，提出了节水高效的灌溉模式。提出了冬小麦在地面灌和喷灌条件下、夏玉米在地面灌溉与春玉米在滴灌条件下、棉花在地面灌溉与滴灌条件下的经济灌溉模式。明确了冬小麦、夏玉米、棉花的调亏灌溉指标，包括调亏时期、土壤含水量下限、调亏灌溉制度，提出了调亏灌溉的成套技术。②在节水灌溉与农业综合技术方面：通过进一步深入研究，更加丰富了内涵，提出了不同节水灌溉条件下的水肥耦合及调配施肥技术，间套作格式、耕作措施的优化与改进技术，农田覆盖及配套灌水、施肥技术，间套种植下不同灌水方式结合应用技术等。

4.大型灌区节水技术改造成效显著

大型灌区是我国粮食安全的重要保障。针对长期以来大型灌区投入严重不足、工程老化和水资源浪费严重、用水效率较低的情况，从1998年起国家发改委和水利部重点组织实施了大型灌区的续建配套节水改造项目。到2003年，已对247个大型灌区进行了续建配套和节水改造。衬砌干支防渗渠道5300多km，配套改造建筑物38000多座，新增、恢复灌溉面积173.33万hm2，改善灌溉面积386.66万hm2，取得了节水130多亿m3，增加粮食综合生产能力120多亿kg，增加输水能力1324m3/s，灌水周期平均缩短6天，渠系水利用率平均提高17%，共形成110亿m3的节水能力，平均每投入1.1元节水lm3。实施改造的项目区渠道基本没有跑、冒、滴、漏现象，渠道输水能力、用水效率大幅度提高，保证了灌区用水，缓解了过去农业用水的紧张矛盾。同时，发展灌区节水灌溉，还带来明显的综合效益，据统计，近几年仅大型灌区每年新增粮食生产能力90亿kg，平均每投入1.3元就增产粮食1kg。

5．农田生态保护、区域中低产田治理和南方的涝渍治理技术继续得到提高

以西部内陆河流域区农田生态保护为主要目标开展的“叶尔羌河平原绿洲四水转化关系研究”和“塔里木河干流整治及生态环境保护研究”开创了在内陆干旱区从水资源转化角度出发、以土壤水为中心研究水资源合理利用的先例，建立了不同层次的水资源平衡分析概念模型，包括平原绿洲总体水均衡或绿洲耗水模型、地下水均衡模型、农区一非农区水均衡模型、四水转化模型，把水资源开发利用与生态平衡和环境保护紧密结合，对于新疆内陆干旱区与类似地区的水资源转化消耗分析和水资源配置利用规划具有重要的指导意义和参考应用价值。以区域中低产田治理为主要内容的“黄淮海平原持续高效农业综合技术研究”，针对该区域中低产田水资源不足、农田肥力差、品种和栽培技术落后、水的利用效率和水分生产率低的特点，采取农水紧密结合的综合技术，对中低产田进行治理，取得了显著的增产增收效益。通过荷兰贷款项目“排水技术的引进配套及新型合成过滤材料在河套灌区的开发应用”的研究，率先在国内筛选出了暗管排水的新型外包合成过滤材料，并首次在田间进行了大面积的应用；开发生产出了优质的HDPE波纹塑料排水管，其主要性能刚度指标已超过了美国、德国、英国的标准；开发管材生产设备和引进的各种排水施工设备配套成龙，为大规模地下排水工程的实施奠定了基础。国家“九五”攻关项目“农业涝渍灾害防御技术研究”，针对农田排水工程建设中的关键技术，对涝渍兼治连续控制的动态排水指标、涝渍兼治的组合排水工程形式及其设计计算方法进行了深入研究，突破了以往涝渍分治的传统做法，针对实际存在的涝渍灾害特点，在国内外率先提出了涝渍兼治的连续控制的综合治理思路，建立了作物产量与涝渍综合排水指标的关系模型，提出了以经济效益最大为目标确定涝渍兼治综合排水标准的新方法和除涝治渍相结合的排水设计新方法；研究出地域特点有一定代表性的淮北平原综合防御涝渍灾害的组合排水工程形式、相应的规格标准，在该地区应用后取得明显的经济效益。

6．软科学研究为国家提供宏观决策依据

以《全国农业节水发展纲要》的研究与制订为标志，农业节水进入有序发展阶段。尽管过去开展了许多基础研究与应用研究，各级政府亦十分重视农业节水，但大多从局部和单项技术的角度进行。2001年开始，由中农办、水利部牵头，国家计委、财政部、农业部、国务院研究室、农业综合开发办等单位参加，对农业节水现状进行了广泛调查，经过近几年的努力，对《农业节水的战略地位》《农业用水与农业节水现状》《21世纪初农业节水的目标与任务》《农业节水的对策措施》《国外农业节水发展的现状与启示》等5个专题进行了深入研究。在多次研讨和广泛征求有关部门和专家意见的基础上，完成了《全国农业节水发展纲要》。同时，完成了《全国节水灌溉发展规划》《全国灌溉发展规划》《全国灌溉用水定额》《21世纪初中国农村水利发展战略》《大型灌区节水改造策略》等方面的研究也取得阶段性成果；内蒙古自治区等地制订了《农业灌溉节水条例》。这些研究均着眼全局、着眼长远，不但为农业节水的健康发展奠定了基础，而且为国家发展农业节水提供了可靠的决策依据。

7．科技成果示范推广应用取得了显著效益

通过“九五”国家攻关项目、国家重大科技产业示范工程项目，在全国开展农业节水工程示范，先后在甘肃、宁夏、内蒙古、新疆、山东、河北、河南、陕西、山西、北京等地建立了国家农业节水科技产业示范工程示范区和农业节水高科技示范园区。水利部建成了300个节水增效示范县，对208个大型灌区进行了以节水为中心的续建配套和技术改造，兴建了668个国家级节水增效示范区，探索出多种适合不同类型区的农业节水发展模式和技术体系，重点推广了渠道防渗、低压管道输水、大田喷灌、棉花膜下滴灌等灌溉节水技术，秸秆覆盖、地膜覆盖、旱地龙抗旱剂、保水剂、优良耐旱品种等农业节水技术。在北方井灌区优先推广了管道输水、喷灌、小畦灌；在黄淮海平原积极发展井渠结合、渠道防渗、管道输水、喷灌、小畦灌；在西北干旱、半干旱地区喷灌、滴灌、微喷灌、膜下滴灌、膜上灌等；在西北、西南山丘区，有条件的地方发展集雨节灌；在南方水稻区，大力推广水稻“薄、浅、湿、晒”等节水栽培技术；在东部及沿海发达地区、城近郊区建立现代化农业节水园区，调整作物种植结构建设高效高标准旱涝保收农田；在山区和丘陵地区，大力发展果树等的喷、微灌；在温室和蔬菜大棚重点发展滴灌；在干旱、少雨、缺水地区，大力推广地膜、生物覆盖、保水性耕作、坐水种等技术，选育抗旱品种，推广抗旱保水剂、蒸腾抑制剂、抗旱种衣剂等蓄水保墒措施。

通过示范推广，带动了我国农业节水的全面发展。“九五”期间新增节水灌溉工程面积766.7万hm2，是“八五”完成数的1.9倍，其中：喷微灌面积159.1万hm2，渠道防渗灌溉面积423.1万hm2(防渗渠道23万km)，管道输水灌溉面积184.4万hm2(输水管道13万km)。到2000年底，全国节水灌溉工程面积累计达到1866.7万hm2，占有效灌溉面积的34%。

在中西部贫困山区建设雨水集蓄水窖、水池、水柜560万个，配合各种节水措施使干旱的122万hm2基本农田增强了抗旱能力，并大面积推广了多种形式的农业节水技术措施，新增粮食生产能力7亿多kg，新增节水能力近11亿m3。多数地方灌溉水利用系数从“八五”末的0.30～0.40提高到0.40以上。同时，农产品耗水量也明显下降，粮油、菜、爪、果、肉、蛋、禽、淡水鱼等主要农产品产量分别增加了10%～50%，而万元农业产值(含林牧渔)耗水量却从1917m3下降到1591m3,共下降了326m3。

8．国际科技合作进一步加强

2001年，受欧盟科学技术委员会、澳大利亚国际农业研究中心、福特基金会等组织的资助，武汉大学、中国灌溉排水发展中心、中国水利水电科学研究院等单位分别与国际水管理研究院(IWMI)、国际水稻研究所(IRRI)和美国、澳大利亚、法国、葡萄牙、荷兰、瑞士、印度等国的大学和科研机构合作开展了“黄河流域节水灌溉策略研究”“中国节水灌溉技术及其影响研究”“提高灌区水分生产率研究”“劣质水利用研究”“中国灌溉水费政策研究”等，在北京和武汉分别召开了国际学术研讨会。鉴于中国农田水利学科研究所取得的丰硕成果，在2002年加拿大蒙特利尔市召开的第18届国际灌溉排水大会暨第53届执行理事会期间，国际灌排委员会(ICID)举办“中国日”活动，专门介绍中国的灌排成就及节水灌溉等方面的经验。2002年在北京召开了“雨水与再生水利用国际研讨会”，参加研讨会的有来自美国、德国、日本、以色列、中国台湾地区的专家学者以及北京、河北、中科院、甘肃等省(直辖市)，以及清华大学等高等院校、科研院所的专家、学者。

二、农田水利科学技术发展展望

21世纪初期，我国农田水利科学技术应重点发展的有以下几方面：

1.作物节水高效灌溉制度

作物节水高效灌溉制度是以最少的灌溉水投入获取最高效益而制定的灌溉方案，包括农作物播种前及全生育期内的灌水次数、灌水时间、灌溉定额。在灌区开展不同作物、不同生长条件下的耗水量研究，特别是随着作物种植结构的调整，应加大对各种经济作物的耗水量研究，寻求作物在不同生长环境条件下的节水高效规律。以此为基础，制定灌区在不同的供水、气象、农艺、管理等条件下的节水高效灌溉用水方案，采用现代化手段进行灌区实时灌溉预报，指导农民进行灌溉。

2．井渠结合灌区地表水与地下水联合运用技术

我国北方的引库、引河灌区，由于灌溉水源日趋紧张，大多数都采取井渠结合灌溉形式。在引库灌区采取井渠结合灌溉，既能重复利用渠道输水和田间灌溉渗漏的地表水，又能确保农作物适时适量灌溉用水，还可通过井灌抽水降低地下水位，增加土壤储水库容，防止内涝和次生盐碱化的发生和发展。在引河灌区运用井渠结合灌溉，则是抗旱、防涝、治碱、节水、减淤等综合开发利用河水和当地水资源的有效措施。因此，如何对这类灌区可利用的水资源进行优化配置和高效利用，已成为当前灌区节水技术改造研究的重要课题。

3．再生水灌溉高效安全利用技术

污废水的水质处理是再生水灌溉高效安全利用的基础。由于技术和经济上的原因，再生水要完全达到原始淡水的水质才用于灌溉农田是不现实的。因此，对再生水灌溉高效安全利用技术的研究重点应放在保证灌溉对作物和环境的安全性方面。为此需通过对污染物在土壤中的运移规律、污染物对作物生长及品质以及环境的影响进行研究，制定再生水灌溉的安全评价及控制指标体系，研究再生水灌溉制度、施肥方式及灌溉模式，以及灌溉后作物和农田残留物的快速测定技术和方法。

4．农业节水关键设备、产品及材料的产业化

考虑到我国农村劳动力向城镇的快速转移，农业生产向高效集约化经营发展的趋势，节省劳力、生产效率高、自动化程度高的节水灌溉机具应成为今后研究、开发和产业化的重点。如机械移管的喷灌机具，地下滴灌设备，大、中、小型的渠道防渗衬砌机具，农田精细平地、开沟、打畦机具，各种自动阀门，以及灌溉自动化控制设备等。

5．农田水利应用基础研究

土壤水与作物关系问题的研究是农田水利研究的基础，今后的研究应从均质走向非均质，从点的研究走向面(或区域)的研究，从理论研究推进到应用研究。土壤水运移机理研究应重点放在优先流、土壤水参数的测定和确定、土壤水参数的空间变异性、土壤水分运动的随机模型等几个方面。由于灌溉排水规律的复杂、水资源日趋紧张、综合利用供需矛盾的增加，应加强灌排自动化、GIS、GPS、RS、水情自动测报系统等技术的研究。水平畦田灌、波涌灌溉、地下滴灌、控制性分根交替灌溉是新发展起来的节水灌溉新技术，应进一步开展其节水增产的机理研究。

在排水控制涝渍和盐碱化治理方面，应继续对明沟排水、竖井排水、二元结构水文地质条件下的竖井排水、暗管排水、辐射井排水等开展研究，重点放在对田块、排域的排水模数研究上。分析节水灌溉技术的不同尺度影响，地理信息系统(GIS)在节水评价中的应用也是今后研究的热点问题。

参考文献：

1 钱蕴壁，李英能，杨刚等．节水农业新技术研究．郑州：黄河水利出版社，2002.12

2 李英能，段爱旺，吴景社等．作物与水资源利用．重庆：重庆出版社，2001.1

3 李英能，吴景社，黄修桥等．节水农业新技术．南昌：江西科学技术出版社，1998.12

4 水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心．农业节水探索．北京：中国水利水电出版社，2001.5

5 农业高效用水与可持续发展研究论文集．灌溉排水，1999

6 中国灌区协会．渠道防渗技术论文集．北京：中国水利水电出版社，2003.10