精準控制灌溉技術研究

牛永華

（山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002）

水資源短缺是我國農業生產的主要制約因素，農業灌溉用水面臨的主要問題仍然為粗放型灌溉，農業總產值的增長仍主要依靠生產要素的投入，科技進步的貢獻率還很低，農業的總體科技水平正處于由粗放經營向精準農業、傳統農業向現代農業的轉變時期，因此，如何提高灌溉水的利用率，實現灌溉用水管理手段的現代化與信息化，做到適時、適量地供水，精準灌溉及高效節水，是發展農業高效用水的關鍵。

由于地下水的嚴重不足，以及作物種植結構調整所帶來對水的更多的要求，造成地下水超采更為嚴重，在此情況下，發展精準灌溉技術就更加迫切。精準灌溉技術是采用最精準的灌溉設施對作物進行嚴格有效的施肥灌水，確保作物的生長需要，從而實現高產、優質、高效和節水的目的。

1 試驗基地概況

項目試驗基地位于山西晉中榆次區西長壽村，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。

2 發展精準控制灌溉技術的措施

2.1 政策措施

長期以來，我國用計劃手段配置水資源，水資源產權主題混亂，缺乏流轉制度，在農村實施小型水利產權制度改革以后，井、泵等提水設施的產權明晰了，但對于資源的開采權比較含糊，甚至達到掠奪性開采的狀況，特別是井渠結合灌區，由于“水”的來源不同，“水”的管理者不同，水費的受益者不同，導致亂開濫采，水環境惡化。

在井渠結合灌區，一般都有兩個管理單位，兩套灌溉系統。地面水由國有灌溉管理單位管理，水費由他們征收，國有單位通過供水獲得收益。而地下水水權不明晰，管理沒手段，水費利益的驅動導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。

在本次研究中，我們以水權、水市場理論為基礎，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體系，實行了基本水價和超定額用水累進加價制度，引洪補源制度，節水與“開源”并舉，推進了行政調控、市場引導、公眾參與的運行機制。通過調整種植結構，推廣節水技術，提高了水資源使用效率和效益，取得了明顯的效果。

2.2 技術措施

節水與節能不能有效統一是造成節水工程運行費用高和使用不佳的主要原因，特別是在用水隨機的大棚滴灌和蔬菜微噴中更為明顯。

為此，省水利科學研究院“863”項目組工作人員在和北京東方互聯合作的基礎上，自主開發研究了一套智能灌溉控制系統，不僅保留了原來東方互聯系統的優點，而且更加簡潔和實用。它是利用先進的信息采集系統將試驗區的降雨、日照等氣象信息，以及水分含水量等信息收集起來，利用信息分析系統將其進行綜合分析處理，決定灌溉的時間和數量，能真正做到按需灌溉，既節約了灌溉用水量，又提高了灌溉水利用效率，從而有效提高產出、節約投入，減少環境污染。

智能灌溉控制系統是利用傳感器技術、自動控制技術、計算機技術、變頻技術等多種高新技術組建而成的精準灌溉控制系統。按區域內要素的空間變量數據精確設定最佳灌溉時間，變傳統的粗放經營為精細生產，使每一份資源都發揮應有的作用，不僅能以最經濟的投入獲得最佳的產品，還能有效減少對環境的污染，保護農業生態環境，直接增加農民收入。作為一種先進、高效的灌溉方式，智能灌溉系統是國外農業發達國家普遍采用的一種灌溉方式，而在山西省尚處于研究試驗階段。

由傳統的充分灌溉向非充分灌溉發展，對灌區用水進行監測預報，實行動態管理。采用傳感器來監測土壤的墑情，實現灌溉管理的自動化。高效農業和精細農業要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實現水資源的高效，僅憑單項節水灌溉技術是不可能解決的，必須將水源開發、輸配灌水技術和降雨、蒸發等氣象因素、土壤墑情以及農作物需水規律等方面做統一考慮，做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水聯合調用，實現按期、按需、按量自動供水。

本系統包括硬件和軟件兩個部分。

硬件部分由中央控制計算機、數據傳輸設備、測量控制單元和相應傳感器、灌溉設備組成。所有測量、控制單元集中安裝在設備機箱中，便于維護管理。數據采集和灌溉通過通訊設備由計算機控制，實現對大棚及露地的灌溉參數的實時采集。

軟件部分可以實時顯示灌溉狀態，控制灌溉設備，實現定量自動灌溉并保存灌溉記錄，供管理人員研究分析。測控單元測量所有的田間傳感器，把數據送入中央計算機，在中央計算機進行灌溉參數設置，對灌溉情況進行統計，并通過專用軟件在計算機上存儲、顯示數據和圖表。同時可以人工進行特殊操作，系統最終可以進行4個電磁閥3個種植區的數據遙測、灌溉遙控。并以動態圖形顯示，軟件將采集到的數據進行分析運算等處理，確定田間作物需水量，控制灌溉時機，系統采集到的數據和控制參數均可存儲，實現了按條件、多參數定時、精確定量、人工手動四種模式，能夠最大程度地節約水資源。

該系統的采用取得了良好的經濟效益，灌區灌溉水利用率提高到70%～80%，作物水分生產率提高0.3 kg/m3以上，作物產量或產值提高20%～25%。

2.3 農藝措施

在采用先進技術的同時，必須加強農田基本建設，發展節水旱作農業。本試驗重點推廣了五大節水旱作農業技術：抗旱新品種的篩選及其配套栽培技術；秸桿還田保墑技術；薄膜覆蓋技術；農家肥、有機肥的施加，以肥調水技術；噴灌、滴灌、微灌技術。

這些農藝措施的實施，雖然取得的經濟效益不是很明顯，但如果長期堅持，定能取得理想效果。

2.4 經濟措施

2005年，山西省政府對全省水資源費征收標準作了大幅調整，這對促進水資源的合理開發、高效利用和節約保護具有重要意義，但農業用水目前仍不征收水資源費。本次試驗研究中，采取以水費調控的辦法，探索了保持項目區水資源采補平衡，促進水資源可持續利用的水價機制。

2.5 監控措施

水資源開發利用的監督管理是指通過監測、調查、評估等手段對各部門開發利用水資源的活動進行監督和控制。目的是防止水資源的污染、浪費和不合理的使用；監控開發利用狀態下水資源再生過程的消長變化；跟蹤檢驗水資源規劃和配置的科學合理性，以便修正和調整。為確保項目區能夠以水資源的可持續利用支撐經濟的可持續發展，對項目區的水資源進行了監控。

3 發展精準控制灌溉技術的優點

3.1 改善作物品質，增加產量

傳統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，導致大量的水資源通過溢流、蒸發和深滲等途徑流失，同時也將植物根部的肥料帶走，造成水資源浪費以及土壤結構的變化，從而直接影響作物的生長。而精準控制灌溉技術可實時地為作物供水供肥，從而改善和提高作物的產量和質量。

3.2 合理有效保護水資源

精準控制灌溉系統只提供作物生長所需的水量，最大限度地減少了水損失。同時也最大限度地減輕了由于農藥、化肥的滲漏而使地下水資源受到污染。

3.3 完善科學的節水灌溉制度

由于采用先進的監測、預報和自動化控制系統，可根據作物需水規律控制或調配水源，以最大限度地滿足作物對水分的需要，實現區域效益最佳的水分調控管理技術，實現真正意義上的農業節水灌溉。

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復雜的系統工程，涉及到技術、工程、管理、政策等諸多因素，只有處理好各方面的關系，采取綜合措施，才能真正收到實效。本試驗研究對井渠結合灌溉類型區節水工程的管理模式進行了全面探討，但由于工程管理體制、社會認知水平、群眾文化素質等方面的原因，真正意義上的高效管理模式的實施還存在一定困難，今后尚需加強節水政策、措施方面的研究。

第二，由于井渠結合灌溉類型區水資源、作物種植、節水工程措施、農藝措施等的多樣性，決定了其用水管理模式集成組合的多樣性和復雜性。本試驗研究在農業節水工程管理措施集成方面做了大量工作，但由于時間有限，僅就其中最主要的單因子組合進行研究，今后還需對多因子組合深入研究。

第三，試驗區多種水資源的合理調配涉及到許多因素，真正實施起來存在一定困難，特別是水資源還未實行統一管理，對水資源的調配起著阻礙作用。所以今后要積極探索水資源統一管理方法，從而實現節水、保水、補水一體化。

第四，試驗區中的地下水除降雨外，大部分是由國有灌溉管理部門的渠道輸配水和田間灌水滲漏補充的，這部分地下水是管理部門通過工程和管理措施引進的，應該說是其產品的一部分。但現行的水管理辦法，灌區內地下水開采管理基本處于失控狀態，管理者收不到這部分水費，從而影響了發展井渠結合灌溉的積極性，特別是在非灌溉季節，如何利用地面水資源，需要在用水管理研究中要認真研究。

第五，要重視投入的設備和技術的潛力得到充分發揮。本試驗投入了一批現代化的監測和控制設備，并應用了許多先進技術，實際利用的時間還并不長，應在運行管理中進一步完善取得的成果，使之具有的潛力得到充分發揮，但這些設備需要的運行費用和管理人員，試驗結束就有可能使昂貴的設施停止運行。

4.2 建議

第一，加大節水宣傳力度。節水是全社會的事，必須加大節水宣傳力度，要利用新聞媒體，采取多種形式，廣泛深入地宣傳我國水資源緊缺的嚴重狀況和節約用水的重大意義，增強全社會珍惜水、節約水、保護水的意識，提高公眾支持和參與節水的自覺性和主動性。

第二，增加節水資金投入。要建立國家節水發展基金，從供水增容費、水資源費、污水處理費、礦山排水費等項費用中籌集一定比例的資金，集中用于節水工程建設和監控設施建設。要采取節水專項獎勵、財政貼息、減免有關事業性收費等辦法，支持節水技術的應用和節水項目的實施。要按照“誰投資、誰建設、誰受益”的原則，采取股份合作、租賃承包、業主經營等多種形式發展節水事業，吸納民間資本，拓寬投資渠道。

第三，推進農業水價改革。要按照國家規定推行基本水價和計量水價相結合的兩部制水價，實行分類計價、超額加價的辦法，合理制定水價標準。通過水價改革，建立起科學合理的水價形成機制，特別是地面水和地下水相聯系的水價，促進水資源的高效利用和可持續利用。

第四，抓好節水技術創新。要大力推廣應用節水新技術、新工藝，在農業上推行以管灌和噴微灌為主的節水技術，逐步實行節水自動化管理。要加強節水技術指導、管理和服務，解決好節水建設的重大技術問題，抓好節水措施的落實，建立完善的節水技術支撐體系，努力提高節水建設的整體水平。

第五，加強節水工作領導。要把節水工作納入國民經濟和社會發展總體規劃，同步實施和推進。要充分發揮政府的宏觀調控作用和部門的行政管理職能，建立機制、落實政策、扶持引導、強化服務，形成一整套高效運作的組織管理體系。

5 結語

發展精準農業是構建和發展農業高效技術體系的必然選擇，而精準控制灌溉技術又是精準農業中最重要的一部分。因此，研究切合實際的精準控制灌溉技術及相關設施勢在必行，它代表著21世紀未來農業發展的趨勢和方向，將會對農業的發展產生巨大的推動作用。