劉明喆

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

山東省鄆城縣作為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要區(qū)域，面臨水資源短缺、灌溉效率低、農(nóng)田水土流失嚴(yán)重及農(nóng)田排水系統(tǒng)不完善等問題。這些問題不僅影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)面影響。因此，采用現(xiàn)代化的水資源管理技術(shù)和節(jié)水灌溉方法，不僅可以提高水資源的利用效率，還有助于保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。這對(duì)于推動(dòng)鄆城縣乃至更廣泛區(qū)域的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。這些措施的實(shí)施，有助于平衡農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求和生態(tài)保護(hù)的關(guān)系，確保水資源的高效和合理使用。通過提升農(nóng)業(yè)技術(shù)水平，農(nóng)民可以獲得更高的收入，同時(shí)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)抵御氣候變化的能力，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 鄆城縣中小型農(nóng)田水利工程現(xiàn)狀

鄆城縣作為一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，對(duì)水資源有著巨大的依賴。當(dāng)?shù)厮Y源有限，主要包括地表水、地下水和引自黃河的水源。地表水涵蓋河流、湖泊和水庫，而地下水則分為淺層和深層地下水。為改善灌溉條件，鄆城縣近年來著力發(fā)展中小型農(nóng)田水利工程，其中城南水庫工程作為一項(xiàng)綜合性中型水利工程，扮演著灌溉、防洪、供水及發(fā)電等多重角色。該工程建造了容量達(dá)1.2 億m3的水庫和相關(guān)輸水灌溉設(shè)施，顯著提升了南部地區(qū)的灌溉保證率，解決了約0.73 萬hm2農(nóng)田的灌溉問題，并為城鎮(zhèn)和工業(yè)提供穩(wěn)定水源。鄆城縣還建有一系列小型水利工程，如小水庫、塘壩、水窖、井灌設(shè)施及水利配套設(shè)施，包括渠道、管道、水閘和水塔等，充分利用多樣水資源，增加灌溉面積和頻率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和效益的提升。

2 現(xiàn)存的問題

2.1 水資源短缺

鄆城縣中小型農(nóng)田水利工程在改善灌溉條件方面雖有成效，但依然面臨水資源短缺這一重大挑戰(zhàn)，而導(dǎo)致這一問題的主要原因包括氣候變化和人口增長。近年來，鄆城縣氣候趨于干旱少雨，導(dǎo)致地表水和地下水量減少，同時(shí)全球變暖使得農(nóng)業(yè)用水需求上升，造成供需之間的矛盾。鄆城縣年均降水量600～700 mm，而蒸發(fā)量在1 500 mm 左右，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。隨著人口的持續(xù)增長，特別是城鎮(zhèn)人口的快速上升，生活和工業(yè)用水需求增加，水資源壓力加大[1]。鄆城縣人口已達(dá)110 萬，人均水資源量為296 m3，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的500 m3的標(biāo)準(zhǔn)。此外，人口密度的增加加劇了水資源的污染和破壞。

2.2 灌溉效率低

鄆城縣的中小型農(nóng)田水利工程在某種程度上緩解了水資源短缺問題，然而灌溉效率依舊偏低，主要受兩方面因素影響。1）普遍采用傳統(tǒng)灌溉方法，如漫灌和渠灌等。這些方法雖然灌溉范圍廣，但伴隨著顯著的水分損失，包括蒸發(fā)、滲漏和流失等，使得灌溉效率通常只有0.4～0.5，導(dǎo)致水資源利用效率不高。2）缺乏有效的灌溉管理和調(diào)控機(jī)制。鄆城縣在灌溉時(shí)機(jī)、頻率、量方面缺乏科學(xué)規(guī)劃和監(jiān)測，通常依賴傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)或習(xí)慣，未能充分考慮作物需水量、土壤含水量、氣候變化等關(guān)鍵因素。這種方式導(dǎo)致灌溉不合理和不均衡，進(jìn)而造成水資源的浪費(fèi)和農(nóng)田的損害。

2.3 農(nóng)田水土流失嚴(yán)重

水土流失在山區(qū)和丘陵地帶對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致土地退化、沙漠化、泥沙淤積和水質(zhì)惡化，威脅水資源安全和可持續(xù)利用。鄆城縣仍面臨嚴(yán)重的水土流失問題，這主要?dú)w因于兩個(gè)關(guān)鍵因素。1）缺乏有效的水土保持措施，如植被恢復(fù)、地表覆蓋、梯田建設(shè)等。這些措施能有效減少水流侵蝕和沖刷，從而提高土壤穩(wěn)定性和保水能力[2]。在這些措施缺失的情況下，鄆城縣農(nóng)田水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤貧瘠、肥力下降、農(nóng)作物減產(chǎn)等問題。2）灌溉方式不合理。當(dāng)前使用的一些灌溉方法，如過量灌溉、不均勻灌溉或不適時(shí)灌溉等，不僅造成水資源浪費(fèi)，還加劇了農(nóng)田淹水和水土流失的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 農(nóng)田排水系統(tǒng)不完善

鄆城縣現(xiàn)有的排水設(shè)施包括溝渠、管道、水閘、水塔等，在數(shù)量、規(guī)模、質(zhì)量及布局方面都不盡合理，未能充分滿足農(nóng)田排水需求。這導(dǎo)致鄆城縣農(nóng)田頻繁出現(xiàn)積水、澇災(zāi)、鹽堿化等問題，嚴(yán)重影響了農(nóng)田的正常使用和農(nóng)作物的生長。

3 小型農(nóng)田水利工程節(jié)水技術(shù)

3.1 智能水資源管理技術(shù)

為解決鄆城縣水資源短缺的問題，關(guān)鍵舉措是引入智能水資源管理系統(tǒng)，結(jié)合信息技術(shù)和數(shù)據(jù)分析，對(duì)地表水、地下水及引黃客水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。智能水資源管理系統(tǒng)的核心部分包括水資源監(jiān)測和預(yù)測技術(shù)，運(yùn)用各類傳感器、衛(wèi)星、無人機(jī)等設(shè)備，收集關(guān)于水位、流量、水質(zhì)和水量的數(shù)據(jù)，以及與氣象、土壤、農(nóng)作物相關(guān)的信息，形成全面的水資源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[3]。無人機(jī)發(fā)揮關(guān)鍵作用，通過高分辨率航拍提高監(jiān)測效率和范圍，搭載多光譜、紅外、雷達(dá)等傳感器，對(duì)水資源的各種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測量，如pH 值和氮磷含量，以評(píng)估水資源的污染程度和生態(tài)狀況。無人機(jī)收集的遙感數(shù)據(jù)和水源信息被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，使用大數(shù)據(jù)算法分析地下水資源相關(guān)信息，利用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，對(duì)水資源的變化趨勢和未來需求進(jìn)行預(yù)測和分析，為水資源調(diào)度和分配提供科學(xué)依據(jù)。水資源分配優(yōu)化技術(shù)則通過數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化算法和決策支持系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)測數(shù)據(jù)及不同用水需求和優(yōu)先級(jí)，制定最優(yōu)的水資源分配方案，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和高效利用。

3.2 精準(zhǔn)灌溉技術(shù)

為了提升農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，鄆城縣采納了精準(zhǔn)灌溉這一概念，它涉及信息、通信和控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，旨在最優(yōu)化水資源的使用并最小化對(duì)環(huán)境的影響。精準(zhǔn)灌溉考慮土壤的空間和時(shí)間變化、結(jié)構(gòu)和水力特性、植物對(duì)缺水的響應(yīng)及天氣變量的有效監(jiān)測，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以做出更合理的灌溉決策，助力節(jié)水和產(chǎn)量提升。

精準(zhǔn)灌溉主要采用滴灌和噴灌兩種方式。1）滴灌通過低壓、低流量方式將水和肥料直接輸送至植物根部區(qū)域，減少水分蒸發(fā)和滲漏，提高水利用率，同時(shí)避免土壤鹽漬化和硬化，改善土壤結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)使灌溉效率比傳統(tǒng)灌溉提高了40%～50%。滴灌還實(shí)現(xiàn)了水肥一體化，將溶于水中的肥料按需、精準(zhǔn)地輸送至植物根部，提高肥料利用率，減少損失和污染，適用于經(jīng)濟(jì)作物、果樹、蔬菜等的種植。2）噴灌通過高壓、高流量將水均勻噴灑至作物上，模擬自然降雨過程，提高土壤表層水分分布和灌溉的均勻度。此技術(shù)灌溉效率比傳統(tǒng)灌溉提高了15%左右，適用于大田作物、牧草、花卉等的栽培，同時(shí)可以改善作物生長環(huán)境，促進(jìn)光合作用，提升品質(zhì)和產(chǎn)量。無論滴灌還是噴灌，都需要與土壤濕度傳感器和氣象信息系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)按需灌溉，根據(jù)土壤含水量和作物耗水量來決定灌溉的時(shí)機(jī)和量；通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌溉的智能化、自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化，提高灌溉的精準(zhǔn)度和效率。

3.3 水土保持與恢復(fù)技術(shù)

有效的水土保持與恢復(fù)技術(shù)是小型農(nóng)田水利工程節(jié)水技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。1）植被作為水土保持的基礎(chǔ)，通過根系固土、葉片截水、枝干攔沙等功能減少徑流侵蝕，提升土壤滲透性和有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)與肥力，因此可通過恢復(fù)植被改善水土流失問題[4]。植被恢復(fù)的方式多樣，包括種植喬木、灌木、草本植物等，根據(jù)地形、土壤、氣候、水文條件選擇合適的物種和方式，構(gòu)建多層次、多樣化的植被系統(tǒng)，增強(qiáng)植被的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。例如，在坡度大、土壤肥力低的地區(qū)，種植沙棘、檸條、刺槐等深根性、抗旱性強(qiáng)的喬木和灌木，每667 m2種植500～1 500 株，每株施用有機(jī)肥1～3 kg，每年澆水3 次左右；其下可種植草本植物如苜蓿，每667 m2可撒播1.5～2.0 kg種子，每年施復(fù)合肥25 kg 左右，每年可收割2 次，提高植被覆蓋度，增加土壤有機(jī)質(zhì)，同時(shí)提供飼料和經(jīng)濟(jì)收入。2）地表覆蓋可減少雨滴沖擊和水流沖刷，可使用稻草、秸稈、落葉、枯枝、石塊及塑料薄膜等材料，根據(jù)目的和條件選擇材料和厚度，保持覆蓋均勻連續(xù)。在坡度小、土壤肥力高的地區(qū)，使用農(nóng)作物秸稈、落葉等材料，每667 m2覆蓋1.0～1.5 t，厚度大約5 cm，覆蓋后劃開小溝利于水分滲透，撒播抗寒草種如黑麥草、燕麥草，每667 m2撒播10 kg 左右，年施復(fù)合肥45 kg 左右，可減少土壤侵蝕，緩解水土流失。3）構(gòu)建梯田。通過在坡地上開墾出平臺(tái)，減小坡度，增加土壤厚度，提高保水能力，有利于灌溉和耕作，提高農(nóng)田產(chǎn)量。通過這些綜合措施，可有效地防治水土流失，增強(qiáng)農(nóng)田生產(chǎn)力和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性。

3.4 農(nóng)田綜合排水系統(tǒng)改造技術(shù)

農(nóng)田綜合排水系統(tǒng)改造技術(shù)的重點(diǎn)在于利用現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備，對(duì)原有農(nóng)田排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、規(guī)模和管理進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)。這種改造旨在提高排水效果和效率，并實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的智能化、節(jié)水化和生態(tài)化。

1）搭建地下排水管網(wǎng)是一項(xiàng)關(guān)鍵措施，涉及在農(nóng)田地下鋪設(shè)特定規(guī)格和間距的排水管道。這些管道通過孔隙或閥門排出農(nóng)田中多余的水分，從而有效控制農(nóng)田的水分情況。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于減少地表占地面積，節(jié)約了土地資源；減少地表水的蒸發(fā)，同時(shí)避免了污染，節(jié)約了水資源；防止地表水流失和沖刷，保護(hù)了土壤資源；并根據(jù)土壤水分和作物需水變化靈活調(diào)節(jié)排水量，增強(qiáng)了排水效果[5]。按照《農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范》，地下排水管網(wǎng)可采用單管、雙管、三管或多管等形式，管網(wǎng)內(nèi)徑規(guī)格一般不小于100 mm。管網(wǎng)間距應(yīng)根據(jù)土壤滲透性、地下水位、作物需水等因素確定，一般不超過150 m。管網(wǎng)埋深根據(jù)地下水位、凍土層、耕作層等因素確定，一般不超過1.5 m。出水口設(shè)置在排水溝或河流側(cè)壁上，高度低于排水溝或河流最低水位，并安裝止回閥、涵閘等防止倒灌的裝置。同時(shí)，需要注意與灌溉系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，避免排水過度或不足，影響農(nóng)田生態(tài)。

2）改善溝渠設(shè)計(jì)也是農(nóng)田排水系統(tǒng)改造的一個(gè)重要方面。溝渠可根據(jù)其所在位置的坡度和截面將農(nóng)田中的水分引流，從而實(shí)現(xiàn)排水目的。溝渠的改進(jìn)根據(jù)農(nóng)田排水的需求和條件進(jìn)行，形狀可采用梯形、矩形、梯形矩形組合等。溝渠的形狀根據(jù)工程條件選擇，但一般不采用拋物線形，因?yàn)槠渌π阅茌^差；溝渠水深與水寬的比值在0.5～1.0 的是梯形溝渠；對(duì)于矩形溝渠，該比值應(yīng)在0.3～0.6。一般情況下，溝渠的流速控制在0.3～1.0 m·s-1；對(duì)于易淤積的溝渠，流速應(yīng)不小于0.5 m·s-1；對(duì)于易沖刷的溝渠，流速應(yīng)不大于0.8 m·s-1。

以上這些改造措施共同作用于提高農(nóng)田排水系統(tǒng)的整體效能，通過智能化、節(jié)水化和生態(tài)化的方法，增強(qiáng)排水系統(tǒng)的效果和效率，對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來積極影響。

4 結(jié)語

通過實(shí)施智能水資源管理、精準(zhǔn)灌溉、水土保持與恢復(fù)及農(nóng)田綜合排水系統(tǒng)改造技術(shù)，鄆城縣顯著提升了水資源的利用效率和農(nóng)田的可持續(xù)性。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了水資源短缺、低效灌溉、水土流失及排水系統(tǒng)不完善等問題，還為鄆城縣的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了可靠的支持。此外，這些措施在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)，有助于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，展示了現(xiàn)代水利技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實(shí)踐結(jié)合的巨大潛力，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康、保護(hù)生物多樣性、為農(nóng)民提供更穩(wěn)定高效的生產(chǎn)方式方面也發(fā)揮巨大作用，確保了農(nóng)業(yè)的長期可持續(xù)性，為區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)做出了重要貢獻(xiàn)。