山東省濱海地區農業節水技術體系研究

呂寧江，杜貞棟，孫 力，黃 乾，于曉蕾

(1.山東省水利科學研究院，山東 濟南250013;2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南250013)

山東省濱海地區包括青島、威海、煙臺、濰坊、日照、東營等地，該區域工業發展迅速，城市集中，人口密集，而且氣候適宜，土壤肥沃，物產豐富，是我國糧食、蔬菜、水果的主要產地。隨著區域經濟的發展，工業用水劇增，原來向農業供水的水源地大部分轉向城市供水，加劇了該地區水資源供需的矛盾，農業發展受到嚴重威脅，制約了國民經濟的發展。針對山東省濱海地區經濟發展遇到的制約瓶頸問題，研究提出了與山東省濱海地區自然和社會發展相適應的綜合的農業節水技術體系，作為該地區發展現代化農業節水的技術支撐，以實現水資源的高效利用和國民經濟的可持續發展。

1 區域多水源聯合調控技術

1.1 區域地表水、地下水優化配置技術

該成果將項目區供水與用水系統結合成一個整體，采用大系統優化理論，確定以經濟效益最大為目標，建立地表水、地下水聯合調控模型，采用非線性規劃法進行優化求解，提出地表水、地下水優化調控方案。

根據項目區經濟發展的總體要求，在地表水、地下水聯合調度多目標大系統遞階管理模型中，選擇經濟效益作為目標函數，確定了決策變量、約束條件。經過優化調算確定了各用水單元不同作物的種植面積，使有限的水資源得到了科學合理配置利用。

數學模型[1]:

1)目標函數:

本區經濟作物種植量大，以區域凈效益最大化作為目標函數，可表達為:

即:maxf(x)=供水效益減去地表水、地下水的供水成本

其中:

式中:f(x)為灌溉工程的年綜合供水凈效益;i為項目區作物種植類型的序號;n為項目區種植作物種類的總數;nt為管理時段數;ε為灌溉效益分攤系數;γi為第i種作物考慮副產品收入后的產量擴大系數;yi為第i種作物單位面積產量;A”i為第i種作物的優化種植面積;Vi為第i種作物的價格;Cm為地下水的單方提水成本;Wtm為第t時段地下水的開采量;Cqm為地表水的供水單價;Wtqm為第t時段地表水的供水量;Cgm為抽取地下水的動力費用;Cwm為抽取地下水的維修費用;Ctm為井灌工程的投資折算費用;Cqsm為引用地表水的動力和管理費用;Cqwm為引用地表水灌溉的維修費用;Cqtm為引用地表水灌溉的投資。

2)決策變量:

決策變量包括各水源各時段優化配水量和農作物的優化種植面積，地表水各時段的引水量和地下水各時段的提水量。

1.2 多水源聯網與調度技術

本部分包括多水源聯網技術與調度技術兩部分。由于灌溉水源的不規則性，各水源的水量差別大，區域地下水較少，因此將分散水源聯網調度，是實現地表水地下水優化配置的關鍵。

建立的大區域多水源聯網調度工程，將各水源的子管網相互連接起來，形成各水源之間調度自如的樹狀、環狀混合網絡系統。

1.2.1 多水源聯網工程形式[1]

考慮目前農村生產承包責任制及行政劃分的特點，示范區多水源聯網首先做到各村自成一個聯網系統，然后各村之間逐漸相互連接。多水源聯網的形式基本上可分為三種，即樹狀管網、環狀管網和混合管網。隨著區域經濟的發展，各村聯網系統可以彼此連通，形成一個四通八達的工程網絡，實現整個區域水資源優化配置，提高區域水資源的利用效率。

1.2.2 多水源聯網調度技術

以多水源聯網工程為基礎，每個水源既可單獨運行又可相互調度。以輸水費用最小為目標，建立各水源間的水量調配模型。

數學模型[1]:

1)目標函數:

多灌溉水源聯網后，水源之間可互相調水，某個水源可向任意一個或多個用水區域供水，聯網水源供水應以輸水費用最小為目標函數，即

式中:z為多水源聯網工程的總輸水費用;cijt為第t時段第i水源向第j用水區域供水的單位輸水費用;xijt為第t時段第i水源向第j用水區域的供水量;m為聯網水源的總數;n為劃分的用水區域總數。

2)決策變量:

時段內第i水源向第j用水區域的供水量xij為決策變量。

2 地下水回灌補源生態修復技術

2.1 地下水回灌補源工程措施

2.1.1 河道攔蓄工程

針對濱海地區汛期大量地表徑流直接入海的情況，為充分利用雨洪水，在濱海地區河流上建設攔河壩、閘等攔蓄工程，蓄攔河川徑流，增加對地下水的補給。

2.1.2 地下截流壩工程

在河道上建設各種形式的地下截流壩，河流靠近入?？谙掠谓ㄔ斓牡叵陆亓鲏尾坏乐沽撕Ｋ肭?，而且可以攔蓄很多雨洪水。

2.1.3 滲井補源工程[2]

滲井補源工程是回灌補源的主要工程措施，在濱海地區河流的河床中布置人工滲井、機鉆滲井。滲井與地下含水層溝通，增加了地下水入滲量。

2.1.4 滲溝補源工程[2]

利用排水溝渠作為地下水回灌工程使用，為了增加其滲補地下水量，在排水溝適當位置建造一些控制水流的小型簡易建筑物(如土坎等)，使排水溝變為排水、回灌兩用溝。

2.2 地下水自動監測[2]

根據項目區的水位、地質條件等，在項目區內布設地下水情自動監測站，建設地下水自動監測網絡，各自動監測站通過GSM通訊系統可完成監測數據的回收和監測設備的管理。

自動監測站功能:按照設定的工作方式和采樣模式自動采集信息，并分析處理、存儲和控制通訊單元，向中心站發送最新監測信息。

中心站功能:能夠對數據采集、處理，實時接收自動監測站發來的數據，自動檢查數據的幀格式，并進行合理性判斷，分類自動存貯，以立即數的形式實時顯示。

3 現代化農業節水工程技術

3.1 基于信息技術的高效經濟作物精準灌溉技術

3.1.1 精準灌溉技術的設計原理

利用氣象資料、土壤條件、作物不同生長期的需水參數等資料建立專家系統知識庫，再由推理機形成灌水決策方案。系統能夠精確可靠地實現對濕度、溫度、降雨量、蒸發量、土壤水分含量及作物生長因子的自動采集、傳輸、分析，并作出綜合判斷;根據不同作物不同生育階段的適宜土壤含水量及其他因素實時發出控制機泵開啟的指令，并根據預置的灌水計劃有序的啟閉閘閥，實現自動控制系統灌溉。

3.1.2 系統組成

系統設備主要包括主控中心、灌溉自動氣象觀測站、田間測控設備及遠程監控通訊設備等。

3.2 現代節水工程技術

根據濱海地區種植結構特點，大田作物主要采用管道輸水配套田間軟管灌溉、噴灌，果樹和露地花卉、蔬菜、苗圃等經濟作物主要采用噴灌、微噴、滴灌、噴水帶噴灌、小管出流灌溉，大棚蔬菜、花卉、果樹等主要采用膜下滴灌、微噴、噴水帶噴灌、小管出流灌溉等灌溉技術，并且較常規的噴、微灌技術進行了技術改進。

3.2.1 噴微灌與地面精細灌溉技術改進

1)噴灌技術改進

在目前農村生產體制情況下，由于傳統噴灌工程投資較大、管理要求標準較高、設備配套不完善、使用不方便等因素，影響了這些高效節水措施的推廣。進一步完善改進經濟實用的噴灌技術和成套設備，并進行大面積推廣應用。

(1)管道固定式噴灌系統規劃設計方法改進

采用了“垂直于作物種植行方向布置支管，每條支管單噴頭工作”的設計方法。其工作制度是順作物行向的支管上的噴頭同時工作，一般一條支管上只有一個噴頭工作，只承擔一個噴頭的流量。設計時一般將一個系統劃分為兩片以上，每一片設一條分干管來控制該片的所有支管，分干管設閥門控制，以解決系統輪灌問題。

(2)半固定式噴水帶噴灌節水技術

灌水器選用噴水帶，工作壓力可用范圍較大，噴水帶組合后的噴水灌溉均勻度也較高。在作物有改善小氣候和除塵要求時，可按額定工作壓力進行噴灌;在作物(如果樹、葡萄等)怕水淋濕時，可調節壓力進行低壓噴灌或滴灌，因而噴水帶可根據灌溉需要作為噴灌灌水器或微灌灌水器使用，擴大了噴水帶噴灌系統的應用范圍。

2)微灌技術集成與改進

(1)大棚膜下滴灌與棚內懸防滴式微噴灌模式

項目區大棚蔬菜主要以高標準無公害蔬菜生產為主。大棚膜下滴灌主要供給冬季作物灌溉，棚內懸掛微噴主要配合葉面沖洗和降溫。

工程模式為:以地下固定管網向棚內供水，棚內設水表、施肥設備、過濾器等棚內首部樞紐一套，棚內懸掛微噴系統，地面設膜下滴灌系統;棚上微噴采用防滴漏式微噴頭，地面滴灌系統采用∮8內鑲管式滴灌管。

(2)滴灌和噴水帶聯合灌溉模式

針對大棚蔬菜定植問題，在棚內地面膜下滴灌的基礎上，增加一套地面移動式的噴水帶噴灌系統。

工程模式為:以地下固定管網向棚內供水，棚內設水表、施肥設備、過濾器等棚內首部樞紐一套，棚內首部樞紐后設一控制閥和噴水帶活接頭;地面設膜下滴灌系統;噴水帶活接頭后可根據灌溉需要隨時安裝可移動的噴水帶系統，地面滴灌系統采用∮8滴灌管。

3)改進地面灌水技術

(1)地面灌水田間溝畦規格[3]

利用SRFR軟件，模擬灌水時的水流推進過程，并與試驗實測資料進行擬合，根據試驗測試資料和SRFR軟件模擬分析結果，在灌水定額一定的條件下，地面坡降較大的畦田的灌水均勻度較低，同一坡降的畦田在坡降較大時，入畦單寬流量較小的灌水均勻度較好;同樣情況下，短畦的灌水均勻度高于長畦的灌水均勻度;對于地面坡降小于1‰的畦田，在按一定的停水成數灌水時，在保證灌水均勻度不小于90%的前提下，畦田的長度不大于100m，入畦單寬流量控制在3～6 L/(s·m)比較適宜。

(2)地面灌溉田間工程技術[3]

田間閘管灌溉技術是一種先進的地面灌水技術，其主要特點是通過渠道或管道輸水與田間閘管的配套，實現無損輸水與田間節水技術相結合。田間閘管灌溉系統主要由移動管道和管道上配置的多個閘門組成，移動管道代替田間毛渠成為一條“移動毛渠”，其上閘門間距及規格可根據田間溝(畦)間距及所需流量配置。該系統可替代毛渠完成田間配水，通過啟閉閘門及調節閘門開度來控制進入溝(畦)的流量。

4 主要作物節水高效灌溉制度

根據濱海地區的作物種植結構，研究的作物及灌溉方式主要有:主要糧食作物(冬小麥、夏玉米)噴灌、地面灌;主要果樹(蘋果、黃金梨、葡萄)微噴、滴灌。

4.1 冬小麥節水高效灌溉制度

在山東省濱海地區小麥麥田底墑充足的情況下，在一般氣候年份灌2～3水即可獲得500 kg/畝以上的高產，其關鍵是確定小麥最佳灌溉期和灌水量。

考慮降雨、地下水利用，多年平均地面畦灌條件下冬小麥節水高效灌溉制度見表1。

表1 地面畦灌條件下冬小麥節水高效灌溉制度

噴灌條件下，冬小麥生育期內拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期共噴灌4水，噴灌灌水定額40 mm左右，灌溉定額160 mm左右。見表2。

表2 噴灌條件下冬小麥節水高效灌溉制度

4.2 夏玉米節水高效灌溉制度

根據高產玉米需水規律、不同生育時期對水分的要求和山東省濱海地區的降水特點，制定了玉米節水高效灌溉制度。

地面灌溉條件下夏玉米節水高效灌溉制度見表3。

表3 地面灌溉條件下夏玉米灌溉制度

4.3 黃金梨節水高效灌溉制度

微灌條件下黃金梨節水高效灌溉制度見表4。

表4 微灌條件下黃金梨節水高效灌溉制度

4.4 葡萄節水高效灌溉制度

根據葡萄需水規律試驗結果，提出葡萄的灌溉制度:滴灌條件下葡萄節水高效灌溉制度見表5。

表5 滴灌條件下葡萄節水高效灌溉制度

5 農藝節水綜合技術體系

5.1 節水抗旱農作物品種篩選與應用

根據山東省濱海地區氣候和土壤特點，篩選和應用節水抗旱農作物品種，篩選原則:以豐產性為主，兼顧抗病性、抗倒性等，選用大田和干旱條件下產量均高的品種。

篩選與應用品種:花生品種:“魯花11號”和“濰花6號”兩個品種;玉米品種:“鄭單958”一個品種;小麥品種:“煙農475”一個品種。

5.2 小麥農藝節水技術

5.2.1 小麥溝壟輪換、深耕秸稈還田節水增效技術

深耕秸稈還田和溝壟輪換還田種植方式能夠保持土壤水分，減少從播種到拔節前各生育階段麥田耗水量，進而提高水分生產率，達到節水增產的目的。

5.2.2 小麥秸稈還田和氮肥耦合節水增效技術

秸稈還田和氮肥耦合對抑制冬前和早春麥田蒸發效果明顯，提高土壤有機質含量，大幅度提高了水分生產率。試驗結果還發現增加施肥對小麥光合速率產量增加等影響較大。

5.3 果樹農藝節水技術

5.3.1 梨樹樹下覆草技術

以麥草、花生秸、玉米秸等為覆蓋材料。4月中旬覆蓋，厚度為20cm左右。

覆草減少了梨樹棵間蒸發，在灌水次數和灌水量均較少的情況下，覆草可顯著提高土壤含水量，提高土壤有機質含量。在較干旱的時期，可保證梨樹的正常營養生長，提高產量和質量。

5.3.2 梨樹使用保水劑技術

保水劑用量分別為每株使用100g，將保水劑均勻的撒在樹盤上，然后翻入土中，與土混勻。

梨園使用保水劑，在灌水量較少的情況下，干旱時期可保證梨樹正長生理功能代謝進行，提高土壤含水量，特別是20～40 cm土壤含水量;保證正常的營養生長;可明顯提高梨的產量和質量。

6 農業節水工程的運行管理機制

由于農業節水工程產權不同，管理模式也各不相同，對中小型節水灌溉工程，目前主要有以下幾種模式:

6.1 農民用水協會[4]

農民用水協會(WUA)是指由灌(排)區范圍內受益農民在自愿的原則下，依法成立的非盈利性的農民用水合作組織，屬社會團體范疇。它由協會及協會下若干用水組，每個用水組由若干用水戶組成完整的管水、用水組織系統，其最高權利機構是會員代表大會，協會執行委員會是會員代表大會的執行機構。

農民用水協會與原有的農村基層管水組織不同，最主要的區別在于:原有農村基層管水組織具有一定的行政色彩，而農民用水協會沒有行政色彩，實行自主管理。農民用水協會的管理人員完全由農民用水戶民主選舉產生，真正代表用水戶自己的利益，不受其他因素干擾。

6.2 承包經營管理模式

這是一種在全民或集體所有權不變的基礎上，按照所有權和經營權相分離的原則，以承包經營合同的形式，明確所有者和承包者之間的關系，該種管理方式的實施，改變了工程無人負責或責任不明確的狀態，降低了對工程管護的監督成本，這種模式，刺激了承包者的積極性。

6.3 租賃經營管理模式

租賃是兩個獨立的產權實體，通過簽定租賃合同，將工程經營權在一定的期限內讓給經營者的一種模式。租金由租賃市場的供求關系來確定，可退租、轉租，但轉租的工程不能隨意改變其用途。

7 山東省濱海地區節水農業綜合技術體系集成模式

通過上述綜合技術研究，提出了山東省濱海地區節水農業綜合技術模式[5]。在單獨水源形成管網的基礎上建立分散多水源聯網，水源之間相互調配，地表水、地下水聯合調控。采用先使用地表水，后用地下水的方案，前期可減少地表水蒸發，汛前騰空地下庫容，模擬結果證明了其正確性。興建攔蓄回灌補源工程，充分利用多余供水回補地下水。多水源聯網工程建設促進了自動化控制系統的建設，多水源聯網工程加自動化控制系統，使聯網工程真正實現集中控制，遠距離操作水資源集中管理，達到優化配置的目的，而這種集中管理的形式又產生了新的運行管理機制—農民用水協會。山東省濱海地區節水農業綜合技術模式。

[1]徐征和，趙鈺.多灌溉水源聯網調度與自動灌溉管理技術研究[J].中國農村水利水電.2008，(9).

[2]徐征和，陳吉亭，劉健勇，等.地下水回灌補源生態修復技術研究[J]. 地下水.2006，(3).

[3]呂寧江，焦建廷，趙洪濤，等.低壓管道輸水田間精細灌溉技術研究[J].山東水利.2007，(2).

[4]張慶華，姜文岱.農民用水協會建設與管理[M].中國農業科學技術出版社.2007.7.

[5]杜貞棟，王昕，于發彬.山東丘陵區農業節水工程運行管理模式研究[J].節水灌溉.2003，(3).