牛永華

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

水資源短缺是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素，農(nóng)業(yè)灌溉用水面臨的主要問題仍然為粗放型灌溉，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的增長(zhǎng)仍主要依靠生產(chǎn)要素的投入，科技進(jìn)步的貢獻(xiàn)率還很低，農(nóng)業(yè)的總體科技水平正處于由粗放經(jīng)營(yíng)向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變時(shí)期，因此，如何提高灌溉水的利用率，實(shí)現(xiàn)灌溉用水管理手段的現(xiàn)代化與信息化，做到適時(shí)、適量地供水，精準(zhǔn)灌溉及高效節(jié)水，是發(fā)展農(nóng)業(yè)高效用水的關(guān)鍵。

由于地下水的嚴(yán)重不足，以及作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整所帶來(lái)對(duì)水的更多的要求，造成地下水超采更為嚴(yán)重，在此情況下，發(fā)展精準(zhǔn)灌溉技術(shù)就更加迫切。精準(zhǔn)灌溉技術(shù)是采用最精準(zhǔn)的灌溉設(shè)施對(duì)作物進(jìn)行嚴(yán)格有效的施肥灌水，確保作物的生長(zhǎng)需要，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和節(jié)水的目的。

1 試驗(yàn)基地概況

項(xiàng)目試驗(yàn)基地位于山西晉中榆次區(qū)西長(zhǎng)壽村，氣候特征屬溫帶大陸性半干旱氣候，四季分明，光熱資源豐富；年平均氣溫9.3℃，無(wú)霜期約171 d；降雨年際變化大，多年平均降雨量430 mm，最大年降雨量為601.5 mm，最小降水量200.9 mm，示范基地內(nèi)地形平坦，起伏不大，海拔高程在776～803 m之間，主要土壤類型為淺色草墊土，全剖面質(zhì)地多為重壤土或黏土，土壤耕作層深度一般為20～25 cm，田間持水量大，保水抗旱力強(qiáng)。

2 發(fā)展精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)的措施

2.1 政策措施

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)用計(jì)劃手段配置水資源，水資源產(chǎn)權(quán)主題混亂，缺乏流轉(zhuǎn)制度，在農(nóng)村實(shí)施小型水利產(chǎn)權(quán)制度改革以后，井、泵等提水設(shè)施的產(chǎn)權(quán)明晰了，但對(duì)于資源的開采權(quán)比較含糊，甚至達(dá)到掠奪性開采的狀況，特別是井渠結(jié)合灌區(qū)，由于“水”的來(lái)源不同，“水”的管理者不同，水費(fèi)的受益者不同，導(dǎo)致亂開濫采，水環(huán)境惡化。

在井渠結(jié)合灌區(qū)，一般都有兩個(gè)管理單位，兩套灌溉系統(tǒng)。地面水由國(guó)有灌溉管理單位管理，水費(fèi)由他們征收，國(guó)有單位通過供水獲得收益。而地下水水權(quán)不明晰，管理沒手段，水費(fèi)利益的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致水井的管理者抵制地面水，大量提取地下水，破壞了地下水的良性循環(huán)。

在本次研究中，我們以水權(quán)、水市場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，積極探索了新的用水管理體制，建立了宏觀總量控制和微觀定額管理兩套指標(biāo)體系，實(shí)行了基本水價(jià)和超定額用水累進(jìn)加價(jià)制度，引洪補(bǔ)源制度，節(jié)水與“開源”并舉，推進(jìn)了行政調(diào)控、市場(chǎng)引導(dǎo)、公眾參與的運(yùn)行機(jī)制。通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，推廣節(jié)水技術(shù)，提高了水資源使用效率和效益，取得了明顯的效果。

2.2 技術(shù)措施

節(jié)水與節(jié)能不能有效統(tǒng)一是造成節(jié)水工程運(yùn)行費(fèi)用高和使用不佳的主要原因，特別是在用水隨機(jī)的大棚滴灌和蔬菜微噴中更為明顯。

為此，省水利科學(xué)研究院“863”項(xiàng)目組工作人員在和北京東方互聯(lián)合作的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)研究了一套智能灌溉控制系統(tǒng)，不僅保留了原來(lái)東方互聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且更加簡(jiǎn)潔和實(shí)用。它是利用先進(jìn)的信息采集系統(tǒng)將試驗(yàn)區(qū)的降雨、日照等氣象信息，以及水分含水量等信息收集起來(lái)，利用信息分析系統(tǒng)將其進(jìn)行綜合分析處理，決定灌溉的時(shí)間和數(shù)量，能真正做到按需灌溉，既節(jié)約了灌溉用水量，又提高了灌溉水利用效率，從而有效提高產(chǎn)出、節(jié)約投入，減少環(huán)境污染。

智能灌溉控制系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)等多種高新技術(shù)組建而成的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)。按區(qū)域內(nèi)要素的空間變量數(shù)據(jù)精確設(shè)定最佳灌溉時(shí)間，變傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營(yíng)為精細(xì)生產(chǎn)，使每一份資源都發(fā)揮應(yīng)有的作用，不僅能以最經(jīng)濟(jì)的投入獲得最佳的產(chǎn)品，還能有效減少對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，直接增加農(nóng)民收入。作為一種先進(jìn)、高效的灌溉方式，智能灌溉系統(tǒng)是國(guó)外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用的一種灌溉方式，而在山西省尚處于研究試驗(yàn)階段。

由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理。采用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤的墑情，實(shí)現(xiàn)灌溉管理的自動(dòng)化。高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實(shí)現(xiàn)水資源的高效，僅憑單項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)是不可能解決的，必須將水源開發(fā)、輸配灌水技術(shù)和降雨、蒸發(fā)等氣象因素、土壤墑情以及農(nóng)作物需水規(guī)律等方面做統(tǒng)一考慮，做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按期、按需、按量自動(dòng)供水。

本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。

硬件部分由中央控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、測(cè)量控制單元和相應(yīng)傳感器、灌溉設(shè)備組成。所有測(cè)量、控制單元集中安裝在設(shè)備機(jī)箱中，便于維護(hù)管理。數(shù)據(jù)采集和灌溉通過通訊設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚及露地的灌溉參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。

軟件部分可以實(shí)時(shí)顯示灌溉狀態(tài)，控制灌溉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)定量自動(dòng)灌溉并保存灌溉記錄，供管理人員研究分析。測(cè)控單元測(cè)量所有的田間傳感器，把數(shù)據(jù)送入中央計(jì)算機(jī)，在中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置，對(duì)灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過專用軟件在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時(shí)可以人工進(jìn)行特殊操作，系統(tǒng)最終可以進(jìn)行4個(gè)電磁閥3個(gè)種植區(qū)的數(shù)據(jù)遙測(cè)、灌溉遙控。并以動(dòng)態(tài)圖形顯示，軟件將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算等處理，確定田間作物需水量，控制灌溉時(shí)機(jī)，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)均可存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了按條件、多參數(shù)定時(shí)、精確定量、人工手動(dòng)四種模式，能夠最大程度地節(jié)約水資源。

該系統(tǒng)的采用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，灌區(qū)灌溉水利用率提高到70%～80%，作物水分生產(chǎn)率提高0.3 kg/m3以上，作物產(chǎn)量或產(chǎn)值提高20%～25%。

2.3 農(nóng)藝措施

在采用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，必須加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)，發(fā)展節(jié)水旱作農(nóng)業(yè)。本試驗(yàn)重點(diǎn)推廣了五大節(jié)水旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)：抗旱新品種的篩選及其配套栽培技術(shù)；秸桿還田保墑技術(shù)；薄膜覆蓋技術(shù)；農(nóng)家肥、有機(jī)肥的施加，以肥調(diào)水技術(shù)；噴灌、滴灌、微灌技術(shù)。

這些農(nóng)藝措施的實(shí)施，雖然取得的經(jīng)濟(jì)效益不是很明顯，但如果長(zhǎng)期堅(jiān)持，定能取得理想效果。

2.4 經(jīng)濟(jì)措施

2005年，山西省政府對(duì)全省水資源費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)作了大幅調(diào)整，這對(duì)促進(jìn)水資源的合理開發(fā)、高效利用和節(jié)約保護(hù)具有重要意義，但農(nóng)業(yè)用水目前仍不征收水資源費(fèi)。本次試驗(yàn)研究中，采取以水費(fèi)調(diào)控的辦法，探索了保持項(xiàng)目區(qū)水資源采補(bǔ)平衡，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用的水價(jià)機(jī)制。

2.5 監(jiān)控措施

水資源開發(fā)利用的監(jiān)督管理是指通過監(jiān)測(cè)、調(diào)查、評(píng)估等手段對(duì)各部門開發(fā)利用水資源的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)督和控制。目的是防止水資源的污染、浪費(fèi)和不合理的使用；監(jiān)控開發(fā)利用狀態(tài)下水資源再生過程的消長(zhǎng)變化；跟蹤檢驗(yàn)水資源規(guī)劃和配置的科學(xué)合理性，以便修正和調(diào)整。為確保項(xiàng)目區(qū)能夠以水資源的可持續(xù)利用支撐經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)項(xiàng)目區(qū)的水資源進(jìn)行了監(jiān)控。

3 發(fā)展精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 改善作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量

傳統(tǒng)的灌溉方法是快速將水供給工作層，而植物的根帶吸收能力有限，導(dǎo)致大量的水資源通過溢流、蒸發(fā)和深滲等途徑流失，同時(shí)也將植物根部的肥料帶走，造成水資源浪費(fèi)以及土壤結(jié)構(gòu)的變化，從而直接影響作物的生長(zhǎng)。而精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)可實(shí)時(shí)地為作物供水供肥，從而改善和提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.2 合理有效保護(hù)水資源

精準(zhǔn)控制灌溉系統(tǒng)只提供作物生長(zhǎng)所需的水量，最大限度地減少了水損失。同時(shí)也最大限度地減輕了由于農(nóng)藥、化肥的滲漏而使地下水資源受到污染。

3.3 完善科學(xué)的節(jié)水灌溉制度

由于采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可根據(jù)作物需水規(guī)律控制或調(diào)配水源，以最大限度地滿足作物對(duì)水分的需要，實(shí)現(xiàn)區(qū)域效益最佳的水分調(diào)控管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉。

4 存在問題及建議

4.1 存在問題

第一，水資源高效利用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到技術(shù)、工程、管理、政策等諸多因素，只有處理好各方面的關(guān)系，采取綜合措施，才能真正收到實(shí)效。本試驗(yàn)研究對(duì)井渠結(jié)合灌溉類型區(qū)節(jié)水工程的管理模式進(jìn)行了全面探討，但由于工程管理體制、社會(huì)認(rèn)知水平、群眾文化素質(zhì)等方面的原因，真正意義上的高效管理模式的實(shí)施還存在一定困難，今后尚需加強(qiáng)節(jié)水政策、措施方面的研究。

第二，由于井渠結(jié)合灌溉類型區(qū)水資源、作物種植、節(jié)水工程措施、農(nóng)藝措施等的多樣性，決定了其用水管理模式集成組合的多樣性和復(fù)雜性。本試驗(yàn)研究在農(nóng)業(yè)節(jié)水工程管理措施集成方面做了大量工作，但由于時(shí)間有限，僅就其中最主要的單因子組合進(jìn)行研究，今后還需對(duì)多因子組合深入研究。

第三，試驗(yàn)區(qū)多種水資源的合理調(diào)配涉及到許多因素，真正實(shí)施起來(lái)存在一定困難，特別是水資源還未實(shí)行統(tǒng)一管理，對(duì)水資源的調(diào)配起著阻礙作用。所以今后要積極探索水資源統(tǒng)一管理方法，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、保水、補(bǔ)水一體化。

第四，試驗(yàn)區(qū)中的地下水除降雨外，大部分是由國(guó)有灌溉管理部門的渠道輸配水和田間灌水滲漏補(bǔ)充的，這部分地下水是管理部門通過工程和管理措施引進(jìn)的，應(yīng)該說(shuō)是其產(chǎn)品的一部分。但現(xiàn)行的水管理辦法，灌區(qū)內(nèi)地下水開采管理基本處于失控狀態(tài)，管理者收不到這部分水費(fèi)，從而影響了發(fā)展井渠結(jié)合灌溉的積極性，特別是在非灌溉季節(jié)，如何利用地面水資源，需要在用水管理研究中要認(rèn)真研究。

第五，要重視投入的設(shè)備和技術(shù)的潛力得到充分發(fā)揮。本試驗(yàn)投入了一批現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備，并應(yīng)用了許多先進(jìn)技術(shù)，實(shí)際利用的時(shí)間還并不長(zhǎng)，應(yīng)在運(yùn)行管理中進(jìn)一步完善取得的成果，使之具有的潛力得到充分發(fā)揮，但這些設(shè)備需要的運(yùn)行費(fèi)用和管理人員，試驗(yàn)結(jié)束就有可能使昂貴的設(shè)施停止運(yùn)行。

4.2 建議

第一，加大節(jié)水宣傳力度。節(jié)水是全社會(huì)的事，必須加大節(jié)水宣傳力度，要利用新聞媒體，采取多種形式，廣泛深入地宣傳我國(guó)水資源緊缺的嚴(yán)重狀況和節(jié)約用水的重大意義，增強(qiáng)全社會(huì)珍惜水、節(jié)約水、保護(hù)水的意識(shí)，提高公眾支持和參與節(jié)水的自覺性和主動(dòng)性。

第二，增加節(jié)水資金投入。要建立國(guó)家節(jié)水發(fā)展基金，從供水增容費(fèi)、水資源費(fèi)、污水處理費(fèi)、礦山排水費(fèi)等項(xiàng)費(fèi)用中籌集一定比例的資金，集中用于節(jié)水工程建設(shè)和監(jiān)控設(shè)施建設(shè)。要采取節(jié)水專項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)、財(cái)政貼息、減免有關(guān)事業(yè)性收費(fèi)等辦法，支持節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用和節(jié)水項(xiàng)目的實(shí)施。要按照“誰(shuí)投資、誰(shuí)建設(shè)、誰(shuí)受益”的原則，采取股份合作、租賃承包、業(yè)主經(jīng)營(yíng)等多種形式發(fā)展節(jié)水事業(yè)，吸納民間資本，拓寬投資渠道。

第三，推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)改革。要按照國(guó)家規(guī)定推行基本水價(jià)和計(jì)量水價(jià)相結(jié)合的兩部制水價(jià)，實(shí)行分類計(jì)價(jià)、超額加價(jià)的辦法，合理制定水價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過水價(jià)改革，建立起科學(xué)合理的水價(jià)形成機(jī)制，特別是地面水和地下水相聯(lián)系的水價(jià)，促進(jìn)水資源的高效利用和可持續(xù)利用。

第四，抓好節(jié)水技術(shù)創(chuàng)新。要大力推廣應(yīng)用節(jié)水新技術(shù)、新工藝，在農(nóng)業(yè)上推行以管灌和噴微灌為主的節(jié)水技術(shù)，逐步實(shí)行節(jié)水自動(dòng)化管理。要加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)指導(dǎo)、管理和服務(wù)，解決好節(jié)水建設(shè)的重大技術(shù)問題，抓好節(jié)水措施的落實(shí)，建立完善的節(jié)水技術(shù)支撐體系，努力提高節(jié)水建設(shè)的整體水平。

第五，加強(qiáng)節(jié)水工作領(lǐng)導(dǎo)。要把節(jié)水工作納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展總體規(guī)劃，同步實(shí)施和推進(jìn)。要充分發(fā)揮政府的宏觀調(diào)控作用和部門的行政管理職能，建立機(jī)制、落實(shí)政策、扶持引導(dǎo)、強(qiáng)化服務(wù)，形成一整套高效運(yùn)作的組織管理體系。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是構(gòu)建和發(fā)展農(nóng)業(yè)高效技術(shù)體系的必然選擇，而精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)又是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最重要的一部分。因此，研究切合實(shí)際的精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)及相關(guān)設(shè)施勢(shì)在必行，它代表著21世紀(jì)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和方向，將會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。