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水利工程论文我国改进地面灌溉技术的发展趋势及展望摘要我国目前95以上的灌溉面积采用地面灌溉方法。改进地面灌溉技术,提高地面灌溉的灌水效果对缓解我国水资源短缺、保持灌溉农业的可持续发展具有重要意义。本文通过对国内地面灌溉技术的现状进行评价,分析了影响地面灌溉效果的因素。根据改进地面灌溉技术的发展趋势,总结介绍了国内外各项改进地面灌溉效果的应用技术,并结合国内实际,探讨了有关技术的应用效果和应用前景,对现代地面灌溉技术在农业生产中的作用进行了展望。关键词灌溉技术评价发展趋势1前言我国目前95%以上的灌溉面积仍采用不同形式的地面灌溉。传统的地面灌溉包括畦灌、沟灌、格田淹灌和漫灌,由于田间灌溉工程设施不完善,土地不平整,灌溉管理粗放等问题,水的浪费相当严重。地面灌溉不仅是发展中国家广泛应用的灌水技术,在发达国家也是主要的灌水方法。如美国,1997年地面灌溉面积仍占总灌溉面积的5071。随着土地集约化规模经营的发展,大型农业机具的使用以及激光平地技术的应用,使得地面灌溉在灌溉均匀度和灌溉效率两方面都有很大提高。计算机技术在地面灌溉管理和设计中的应用,为改进地面灌溉提供了更有力的工具。同时一些先进的地面灌水技术,如波涌灌溉技术、水平畦田灌溉技术和田间闸管系统等,在发达国家得到广泛应用,取得了显著的节水效益2,3。长期以来,对地面灌溉存有一种偏见,甚至将地面灌溉等同于大水漫灌。因此,对改进地面灌水技术给予高度重视,研究推广先进的地面灌溉方法,显得格外重要。随着水资源供需矛盾的突出,改进地面灌溉技术、提高地面灌溉方法的灌水质量正成为当今现代农业节水技术的重要组成部分“九五”期间“节水农业技术研究与示范”项目列入国家重点科技攻关计划,中国水科院承担的“田间节水灌溉新技术研究”专题对波涌灌溉技术和水平畦田灌溉技术进行了深入研究,取得了丰硕的成果4;结合“948”项目,中国水科院引进国外先进技术和设备,开发生产了田间柔性闸管,并对闸管灌溉技术进行了推广应用;中国水科院与欧盟开展的合作项目“华北平原农业持续发展水土资源管理研究”及“黄河流域节水策略研究”对改进地面灌水技术进行了系统研究5;国家节水灌溉北京工程技术研究中心通过承担科技部农业高效用水科技产业示范工程项目(新疆)中的“改进地面灌溉新技术集成”研究,对激光控制平地技术、田间闸管灌溉技术和高效沟灌技术进行了研究6。本文结合我国国情,总结了国内外改进地面灌溉技术的各项措施,探讨了现代灌溉技术的发展趋势,并对其在我国的应用前景进行了展望。2我国地面灌溉现状评价近几十年来地面灌溉技术已得到较大发展,其中最重要的进展之一就是建立了地面灌溉的田间评价方法。通过对地面灌水全过程内的不同阶段进行量化观测,了解和分析现有系统中可能存在的问题和不足,找出影响地面灌溉效果的主要因素,为改进地面灌溉系统的性能提供科学依据。地面灌溉的田间评价方法已在国外已得到广泛应用2,7。2.1田间灌溉效果地面灌水技术在旱作地区大多采用畦灌和沟灌的形式,在西北、华北地区,采用传统的大畦、长畦地面灌溉方式还相当普遍,管理粗放,沟渠规格不合理,田间水的浪费十分严重。如豫东平原井灌区的畦田,畦长小于50M的只占91,超过100M的占45,平均为100M;畦宽小于4M的只占14,大于6M的占34,平均为6M。田间灌溉水的利用率只有0507左右。西北不少地区仍沿用大畦大水漫灌的旧习,水的浪费更为严重。沟灌适用于宽行距中耕作物,如棉花、玉米等。目前我国各地灌水沟长度在砂壤土时为3050M,粘土时为50100M。入沟流量一般为0515L/S,沟距5080CM,应土壤质地而异。因此,沟灌使地面灌溉中较好的一种方法,能控制较小的灌水定额,沟灌一般比畦灌省水30左右。目前在井灌区,还采用细流沟灌,一般每条沟流量控制在0105L/S以下,沟长2050M,沟的深度为1520CM,宽度3040CM8。中国水科院与欧盟的合作项目以河北省雄县作为华北黄淮海平原的典型代表,对冬小麦生长期内的4次灌溉进行了持续跟踪评价5。总体上说,研究区内灌溉均匀度DU的变化范围在84到90之间,反映了在现有条件下畦灌系统可保持较高的灌溉均匀度值。而且对不同的灌溉时节,灌溉均匀度值没有明显差异。较高的DU值与田间过量灌溉有关,因为实测平均灌溉水深值ZAVG远大于实际灌溉需水量ZREQ;而田间灌溉水利用率EA值较低,变化范围在52到79之间。整个冬小麦生长期内的平均灌水量为545MM,灌溉需水量为330MM,畦灌条件下平均田间灌溉水利用率仅为60。沟灌的情况则可用新疆棉花的试验结果进行评价6。根据农七师127团灌溉科的统计资料,2000年全团棉花生育期平均灌水量为420MM(最大578MM),平均每次140MM(最大192MM)。其中,第1水平均138MM,第2水平均143MM,第3水平均140MM。田间实测3次灌水量的结果是,第1水192MM,第2水165MM,第3水120MM,平均每次159MM,3水合计为477MM。根据当地棉花需水量计算,沟灌条件下平均田间灌溉水利用率仅为45。现有研究成果表明我国地面灌溉条件下灌溉均匀度值较高,其原因与田间过量灌水直接相关;田间灌溉水利用率普遍较低,反映田间灌溉技术和灌溉管理方面问题突出,造成地面灌溉的灌溉效果较差。2.2影响地面灌效果的因素灌溉均匀度DU和田间灌溉水利用率EA可表达为如下技术要素的函数9(1)(2)其中(3)式中QIN为入地单宽流量;L为畦(沟)长;N为曼宁系数;S0为田块微地形条件;IC为土壤入渗参数;FA为畦(沟)横断面参数;TCO为灌溉供水时间;SMD为灌溉时土壤水分亏缺值;FC为土壤田间持水量;为灌溉时土壤含水量;RD为根区深度。在影响地面灌溉效果的诸多因素中,QIN、L、及FA可根据田间实测数据确定;S0可由田块地面高程确定;N和IC受土壤空间变异性影响难以在实地精确测定,但可通过地面灌溉模型反求;TCO为重要的管理参数,是改进现有地面畦灌管理的重要依据。灌溉均匀度DU反映了地面灌溉系统的自然特性,其值更多地取决于系统的自然条件与特征;田间灌溉水利用率EA除受这些特征参数的影响外,还取决于灌溉制度和田间灌溉管理水平,如作物需水量、SMD值等。以上灌水技术要素对地面灌溉特性的影响并不是独立的,各因素间往往存在着内在联系。在定量分析各技术要素对系统性能影响的基础上,找出最主要的也是最重要的因素,进而有针对性的对其加以改进是提高地面灌溉系统运行水平的重要基础工作。通过对田间实测资料的分析,得到地面灌溉条件下影响灌溉效果的主要因素如下5,10入地单宽流量QIN较大的QIN值意味着较快的推进过程,有助于获得较好的灌溉特性。畦田宽度是控制QIN值大小的主要因素。畦(沟)长度L畦(沟)较长时,微地形条件的影响更为显著。微地形条件田块的平整度对提高灌溉效率影响极大,较高的地面平整条件,将获得较高DU和EA值。入渗参数入渗参数对DU和EA都有影响。入渗参数值较大时,需要的灌溉供水时间TCO也较长,在田间管理水平较低的情况下,极易造成DU和EA值的降低。2.3地面灌溉节水潜力分析根据田间评价,可以对我国地面灌溉存在的主要问题概括如下灌溉均匀度低。一般的讲,畦灌条件下进地流量过小,与畦块长宽比例不当,造成水流推进缓慢,灌溉均匀度较低。田块地面高低不平,水流推进慢;或是地块尾部的反坡较大,造成壅水,影响了灌溉效果。田间灌溉管理粗放,灌溉时畦(沟)跑水、漏水现象严重。针对上述存在问题,根据影响地面灌溉效果的主要技术要素,可以利用计算机模拟模型对地面灌溉节水潜力进行分析。结果表明整个生长期内总灌水量得到降低,可节水138MM,整个生长期内总的田间灌溉水利用率高达8110。3改进地面灌溉的主要措施地面灌溉技术的改进包括灌溉系统设计的改进和田间管理水平的提高。式1和2中的诸因素可分为如下几类设计时的可控制变量QIN,L,S0;即地面灌溉的系统变量;土壤参数N,IC;不可控制变量,进行地面灌溉系统设计时要与这些参数协调;管理参数SMD,决定灌溉时间及灌溉需水量;灌溉管理的目标TCO值。因此,改进地面灌溉的措施可分为三个不同层次。第一是在技术层次上,应增加获得较好灌溉效果的能力,如通过应用土地平整技术改进田块微地形条件、应用高效节水地面灌溉技术等;第二是在设计层次上,要保证灌溉系统得到合理设计;第三则是在管理层次上,要强调农民的参与。下面则对目前国内外广泛应用的改进地面灌溉技术措施进行分析,评价不同技术措施的效果。3.1土地平整技术农田土地平整是地面灌溉系统的重要组成部分之一。平整的农田表面有利于进地水量和灌水深度分布的变化相对均匀,使根区内水分入渗保持较好的均一性,起到改善田间地面灌溉效率和灌水均匀度的作用。平整土地还有益于田间农机耕作和栽培措施的实施,增加作物种植密度,提高出苗率等,达到节水增产的目的。国内外的研究结果表明土地平整能有效地提高水、劳力和能源的利用率,是改善地面灌溉方法的重要技术措施之一7,9,10。土地平整方法包括常规土地平整措施和激光控制平地技术。常规平地方法采用的设备有推土机、铲运机和刮平机。它具有土方运移量大、平地费用相对较低的特点,适合于在地面起伏较大、原始平整度较差的田面内完成粗平,改变田块的宏观地形。激光控制平地技术是目前世界上最先进的平地技术,田间应用结果表明,激光控制平地方法可以使田块平整精度指标SD达到小于2CM的水平,在目前华北平原井灌区内现有农田地面平整状况下,土地平整精度每改善1CM所需投入的直接平地费用约为83RMB/HM2;考虑到我国渠灌区田块平整条件较差的现实,应先采用常规平地方法完成土地粗平,再实施激光控制下的土地精细平整11,12。不同田面平整精度处理下的小区畦灌试验资料表明,地面平整精度对入畦水流推进愈消退时间和畦田入渗分布状况具有较大的影响。田间灌溉水利用率EA、灌溉均匀度DU、用水效率WUE等参数随田面平整精度下降而递减的趋势当SD值高于2CM后较为明显,而低于2CM时彼此间的差异却不显著。受畦灌系统性能差异的影响,作物产量与田面平整精度间的关系也反映出与上述趋势相似的变化规律,当SD值高于2CM后,产量递减受地面平整状态的影响亦较为显著。这表明要实现改善畦田灌水质量、节水增产的目的,田面平整精度应以不大于2CM为最佳,为达到这个地面平整标准,则需实施激光控制下的土地精细平整技术13。利用不同田面平整精度处理下获得的田间畦灌试验资料,针对不同的灌水时间条件设置,采用地面灌溉模型SRFR模拟了3种典型地面平整状况下的水流推进与消退过程和畦田水分入渗分布状况,分析讨论田面平整精度对畦灌系统性能的影响。模拟结果表明,随着田面平整精度的改善,畦灌系统性能评价指标显著提高。与田面粗平状况相比,激光控制精细平地条件下的灌溉效率可提高34,灌水均匀度可提高2814。3.2闸管灌溉田间闸管是可以移动的管道,沿管道一测带有许多小型闸门,水通过这些闸门进入畦(沟)。闸门的间距可与畦(沟)间距一致,并且闸门开度可以调节,用以控制进入畦(沟)的流量。根据使用材料的不同,可将田间闸管分为柔性闸管系统和硬闸管系统。其中柔性闸管系统有时也称作地面软管,可采用塑料、橡胶或帆布等材料制成。具有造价低、易于应用等优点,但使用寿命相对较短;硬闸管系统采用抗老化PVC或铝等材料,配有快速接头,可根据畦(沟)条件在田间组装使用。与柔性闸管系统相比,硬闸管使用寿命长,但造价相对较高。我国目前普遍应用的田间闸管为柔性闸管。在实际应用中,田间闸管既可以替代土毛渠畦到田间配水的作用,同时通过闸阀控制,还可以调整配到畦(沟)水量。图1分别显示闸管灌溉在畦灌和沟灌条件下的应用情况。田间应用考核表明,该项技术投资少、见效快、施工方便、使用简单,适应我国大田作物节水灌溉技术发展的需要,它的推广应用将会产生明显的经济效益和社会效益。闸管灌溉系统可以有效地实现田间控制灌溉,田间灌溉水利用率达到了80,可比现状节水3040,而且具有减轻劳动强度、减少田间毛渠及田埂占地等优点。此外,从灌水沟长50M、100M、150M的节水效果看,随着沟长的增加,其节水效果不断下降。综合考虑节水及闸管设备投资等因素,在常规机械平地的条件下,闸管灌溉的灌水长度以100M为宜,最长150M6。闸管灌溉在畦灌中的应用闸管灌溉在沟灌中的应用图1闸管灌溉在畦灌和沟灌条件下的应用情况3.3水平畦田灌溉
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