农业节水灌溉技术与设备发展状况、态势

    节水灌溉技术及其配套设备，在我国经过近30多年的快速发展，在总结相关成果的基础上，初步形成了其技术体系，在某些方面已达到或接近国际先进水平。但由于我国经济发展水平及科研体制的限制，我国的节水灌溉技术与发达国家还有很大的差距。随着我国水资源供需矛盾日益尖锐，农业用水分配额减少的问题势必日益突出，同时为了缓解我国进入WTO外国农产品对我国农业发展的压力，如何快速发展我国的节水灌溉技术及其配套设备，从而缓解我国农业用水压力及发展高品质农产品以加大同国外产品的竞争已经是一个不容忽视的严峻问题。

一、国内外节水灌溉技术领域发展态势

    地面灌溉技术研究方面，水平畦灌、阶式水平畦灌的研究不断深入，传统的畦灌、沟灌也由过去单纯研究灌水技术要素对灌水均匀性、水分深层渗漏的影响，转向综合研究灌水技术要素对土壤水肥运移、对水肥淋失的影响；同时，开发了膜上灌等新型灌水技术，并得到较大面积推广。水平畦灌是田面非常平整条件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高，必须在进行大地测量后，采用激光平地技术。该技术在美国等发达国家被称为是地面灌溉最重要的进展之一。波涌灌溉利用了致密层在发展中不断减小田面糙率与土壤入渗特性这一客观规律，逐次为以后各周期的灌溉水流创造了一个加速水流推进与提高减渗效果的新接口。浑水波涌灌溉则是利用含沙量较高的水进行波涌灌溉，能够起到更加明显的效果。

    在喷、技术研究方面，国外一直非常重视喷灌水肥需求规律及水肥耦合高效利用方面的研究，施肥灌溉应用十分普遍。在微灌水肥高效利用方面，以色列、美国、荷兰等国家对不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉专用液体肥料进行了20-30年的研究，取得了丰富的成果，已经研制出了针对多种经济作物水肥高效利用的专家管理系统。我国从20世纪70年代起，就针对微灌开始了研究和试验示范工作，开展了微灌条件下的土壤水分与溶质运移规律、日光温室和大田经济作物的灌溉制度、水肥耦合模式、滴灌施肥技术等研究工作。在喷微灌设备方面，对注肥设备的研制取得了可喜的进展，但对滴灌施肥灌溉条件下养分的运移以及施肥灌溉系统运行参数几乎没有涉及。施肥灌溉自动控制环节薄弱，施肥灌溉软件方面研究严重滞后是造成这一局面的主要原因。国外现有滴灌施肥灌溉自动控制软件也只能在给定施肥量的情况下控制肥液浓度与施肥历时，而未能将作物施肥灌溉制度、土壤特性、氮素运移模式相结合，形成决策、管理一体化的软件。国外由于长期的技术积累，一些著名公司不断有新产品推出。在节水灌溉产品快速开发平台技术中，提出的高精度快速成型专用设备是快速成型领域研究的热点，但是目前没有见到开发成功的报道。特别是微涂层的实现是技术难点，由于受到材料性能的限制，依靠自然流平无法达到很小的层厚，并且受到表面浸润性能的影响，必须采取相应措施才能实现，目前正从材料、涂层方法方面力争有所突破。近几年，根据中国国情，我国已研发出大射程旋转式微喷头、长流道新型薄壁微灌带、带离心清洗装置的自动反冲过滤器、带稳压机构的连续精量水动式施肥泵、低压压力调节器、节能异形喷嘴、可调雾化程度及射程的多功能喷头、新型短流道喷头、轻小型喷灌机组、新型中远射程喷头、国产激光控制精细平地铲运设备等节水灌溉设备和系统。一批节水产品初步表现出较强的市场前景和进一步开发的潜力。如蜂窝管渗流集蓄新产品，长流道新型薄壁微灌带，带离心清洗装置的自动反冲过滤器，带稳压机构的连续精量水动式施肥泵，作物根区局部控水灌溉装置，国产激光控制精细平地铲运设备，控制性分根交替灌溉孔口灌灌水器和交替阀等将会取得较大突破。

    在工程节水技术方面, 国内外的研究主要集中在渠系建筑物建设技术方面。相对来说，技术正在趋于成熟，主要是探索新型建筑结构形式。而新材料配方及其应用技术的研究却相对要活跃得多。国内外都正在较普遍的将高分子材料应用在渠道防渗中，尤其是在高分子膜料的应用上已取得了不少实用的研究成果。但薄膜易刺破和冻胀地区冻融破坏的问题还没有很好的解决。因此，各国都正在不断研究开发技术可靠、经济合理的高分子合成新材料。我国目前采用的渠道防渗防冻技术主要是保温整体刚性防渗防冻胀措施，适应性较差、易损坏或成本高。刚柔结构具有适应冻融变形、胀而不裂和防渗、减轻冻胀的特性，能同时有效解决渗漏和冻胀的问题，应用高分子材料研制技术可靠、结构简单、经济合理的刚柔混合结构或纯柔性结构作为渠道的护砌结构是我国科技人员正在努力研究的方向。

    在灌区灌溉用水管理中，综合各种预测技术、优化技术的灌溉用水计算机管理系统已开始在我国灌区大面积应用，使灌区的灌溉用水实现了由静态用水向动态用水的转变，为提高灌区水资源的利用率提供了技术保障。为实现渠系优化配水的要求，应用计算机技术的渠道水量、流量实时调控的研究也在国内外逐步兴起。灌区用水管理系统方面，已逐步转向研究将数据库、模型库、知识库和地理信息系统有机结合的灌区节水灌溉综合决策支持系统。特别是近年来发达国家已开展了基于田间水肥等生产要素的巨大差异性，利用GPS和G1S、RS和计算机控制系统，精细准确调整灌水施肥的精准灌溉技术研究，为最大限度地优化各项农业投入，充分挖掘田间水肥差异性所隐含的增产潜力创造了条件。实现灌区现代化管理，首先要有灌溉工程控制设备的自动化，其次有先进的系统运行软件对系统控制问题进行决策，从而建立灌区现代化管理决策支持系统，指导灌溉用水过程。

二、我国在节水灌溉技术领域方面存在的问题及与国际之间的差距

    我国的节水农业技术虽然具备一定的基础积累，取得了一些在生产中发挥重要作用的科技成果，但仍存在许多重大的技术问题，主要有：①节水设备和材料的工艺落后，产品功能单一，配套性差。②在农艺节水技术领域取得的很多成果在研发阶段表现出显著的节水增产增收效果，但在农业生产实际应用中，却由于缺乏相应的技术产品、配套的应用设施和规范化的技术（产品）标准，而难以大面积推广应用。③农业节水技术的有机集成度低，整体效益难以发挥。在各单项技术之间缺乏有机的连接和集成，缺乏适宜于不同区域水土条件的节水农业技术集成体系和应用模式，节水农业技术体系的整体效益难以发挥。④农业节水技术产品的产业化和社会化程度低，无法满足现代农业的发展需求。

    根据王留运等(2001)对我国节水灌溉技术与设备发展状况的评价研究表明, 我国在管道输水灌溉技术及器材研发方面，管件及附件品种规格少、产品配套水平较低，部分附件性能质量差；管材、管件产品，特别是给水栓出水口向田间沟畦口放水的配水装置部件未形成标准化、通用化、系列化产品；缺少适合我国中型灌区中、高压输水用大管径管材、管件等产品。在该领域和发达国家相比还有很大差距。在喷灌技术及设备研发方面，我国与国外发达国家相比仍存在着较大的差距，主要表现在多数企业尤其是小企业的喷灌设备，产品质量不稳定，制造精度低，工艺陈旧落后，设备性能差、效率低。在微灌设备产品生产及开发研制方面，产品品种规格少、系列化程度和配套水平低；压力流量调节器、排气阀等品种规格少，未形成系列化，加工较粗糙，品位较低；过滤器和施肥罐产品品种规格少，内密封性差，大容积化肥罐和大型过滤器装置等仍是空缺；灌水器产品质量不稳定，部分产品质量差；微灌产品材质配方问题一直未能很好解决。在微灌技术试验研究及成果应用中，微灌同步施用化肥方法及机理成果很少，在微灌工程中应用更少。目前，我国的微灌技术及设备与国外发达国家相比，在设备产品、工艺设备、产品精度、品种多样化及系列化、配套程度、微灌技术试验研究成果及微灌技术总体水平等方面仍存在较大的差距。在微灌设备产品用材质配方研究成果及应用方面更是欠缺，差距更大。

    在精准灌溉和灌溉系统的自动控制方面，我国与国际领先水平的差距还较大。发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重视空间信息技术、计算机技术、网络技术等高新技术的应用，大多采用自动控制运行方式，特别是对大型渠道工程多采用中央自动监控（遥测、遥讯、遥调）方式。在大大减少调蓄工程的数量、降低工程造价费用的同时，既满足了用户的需求，又有效地减少了弃水，提高了灌溉系统的运行性能与效率。遥感等高新技术已大面积用于区域作物耗水监测和土壤墒情及灌溉预报。但我国在该领域还处于个别点的试验研究阶段。

三、我国的节水灌溉技术的发展目标

    从上文提到的我国节水灌溉技术领域存在的问题及与国外存在的差距，结合国外外发展趋势，并根据我国的国情，从作物用水、渠系及田间水分运输、灌溉设备和技术及用水管理等角度提出我国未来节水灌溉技术及设备的发展目标如下：

（1）植物高效用水生理调控技术  研究主要作物节水条件下产量形成及可视化的生产模型；维持农作物较高水分生产效率的生理和生态学过程参数；农作物根系微生态系统水分吸收功能调控模型和水分利用整体超补偿功能环境反应模型。不同生态区域内主要农作物（小麦、玉米、棉花、水稻）非充分灌溉条件下的需水量季节分布和计算模式，不同节水技术条件下作物需水和耗水模型，主要作物的需水指标体系及需水量数据库；水分生产函数与有限水量条件下的非充分灌溉制度，不同节水灌溉方式下非充分灌溉制度的实施技术。主要农作物（小麦、玉米、棉花、水稻、果树）调亏灌溉的指标体系（最佳调亏阶段和调亏程度），不同养分水平或施肥条件下的调亏灌溉指标与调亏灌溉模式，作物调亏灌溉田间实施技术。生态建设中主要林草的耗水模型和生理需水指标，林草植被保育与建设区的水分资源承载力，生态植被建设过程中有限水的最优利用与调控技术。通过上述研究，将获得作物生理节水潜力及降低作物耗水系数、提高作物水分生产效率的控制参数和节水条件下作物生产的可视化模型，建立小麦、玉米、水稻、棉花等主要作物及生态植被建设中主要林草非充分灌溉条件下的需水量估算模式和不同地区与不同水文年份的需水量数据库及非充分灌溉模式，形成节水高效的非充分灌溉与调亏灌溉综合技术模式。

（2）研制抗堵、耐用、价廉的微灌灌水器；新型微灌过滤器、注肥器及系统控制设备；研制节能异形喷嘴喷头、可调仰角及可调雾化程度的喷头、喷洒区域为矩形的喷头；适宜于园林喷灌的升降式喷灌装置；改进扇形转动的摇臂式喷头，提高其可靠性和耐久性；开发新型移动式轻小型喷灌机组，智能控制低压变量自走式喷洒机组；研制开发国产激光平地铲运设备和相应的液压升降控制系统，田间波涌灌溉技术的波涌控制阀，田间多孔闸管系统，田间灌溉自动控制设备；实施分根交替灌溉的田间灌水管道和灌水器的最优构造，实现分根交替灌溉技术的配套设备。研究利用小水源的新型微型提水机具，适合集雨水源和非管网化水源的新型微型局部灌溉系统及田间配套设备；适合家庭规模的可调式小型免耕坐水播种技术与设备，集灌水、播种、施肥于一体的新型多功能行走式局部施灌机；适合利用雨水造林的专用节水机具。

（3）作物需水信息采集与精量控制灌溉技术   研究作物对水分亏缺信息的感受、传递与信号转导的过程，作物水分信号诊断指标体系，利用作物茎杆变形测量诊断作物缺水状况的技术与新产品；作物水分区域分布的监测技术；作物蒸腾过程快速监测技术；土壤水分动态快速测定与预报技术及新产品；区域土壤水分的空间变异性与最佳动态监测布点方式；区域土壤墒情预报技术。以土壤墒情预报、作物水分动态监测信息与作物生长信息的结合为基础，运用模糊人工神经网络技术、数据通讯技术和网络技术建立具有监测、传输、诊断、决策功能的作物精量控制灌溉系统；研制智能化的灌溉信息采集装置、田间灌溉自动控制设备、智能化灌溉预报与决策支持软件。

（4）新型节水专用材料与生化制剂   研究微灌专用纳米材料及产品；高强度、轻型金属管材，高分子复合材料的大口径管材、管件及配套设备。利用纳米技术改进防渗材料的性能；新型土壤固化剂；新型复合土工膜料和添缝材料的改进；新型保温复合材料和环保型混凝土补强新材料，防冻抗裂剂的合成工艺与应用技术。研究和开发适合旱区雨水集蓄的新型低成本、高效率的坡面集雨固化土材料、绿色环保型集雨面喷涂材料、生物集雨材料。研究与开发可被微生物完全分解成对环境无害物质的农用地膜；生物全降解膜制造材料和工艺，低成本聚乳酸共聚物材料；田间生物材料成膜技术与设备；具有增温、保墒、增产、无残留的多功能液体覆盖材料；乳化剂原材料及配方技术、各类添加剂的复配技术、生产工艺及设备等。研制新型长效保水剂与节水抗旱种衣剂，植物蒸腾抑制剂，土壤结构改良制剂，控制农田灌水水流入渗的化学制剂。

（5）农艺节水技术与新产品研发   研究新型保墒耕作技术和覆盖保墒技术，土壤水库充蓄增容技术；抗旱节水作物品种筛选的定量指标，不同品种作物的抗旱性与节水效应对比，间作套种模式和节水高产栽培技术体系。研究喷微灌条件下不同灌溉技术参数组合时作物根区水分养分迁移、转化和吸收的动力学过程，喷微灌条件下作物根际水肥耦合、根际营养调控以及作物根际微生态系统中物质循环与调控模型，水肥一体化管理技术，以提高水肥耦合利用效率为目标的喷微灌技术参数最优组合，建立适用于喷微灌系统的水肥精量施用专家管理系统和模型。研究精细地面灌溉下作物根区水分养分的迁移过程和可视化模型，不同灌溉技术要素组合与不同灌溉制度对作物根区水分养分利用效率的影响，灌水均匀度与作物水分养分利用效率的关系，水肥互激作用，提高水分养分耦合利用效率的最佳灌水技术要素组合，主要作物的优质、高效施肥方法与灌溉制度，水肥一体化调控的配套技术。

（6）现代灌溉系统水量监控与调配技术及新产品    研究开发水头损失小、价廉、精度高、抗干扰性强的渠系量水设备、新型量水槽，具有量水和水量调控双重功能的取水口量水设施，新型管道量水仪表，适合北方高含沙渠道采用的量水装置，以及经济实用的灌区自动化量水二次仪表及设备、井灌区计量用水卡等。开发基于局域网络、Internet网络与RS和GPS技术相结合的灌区动态管理信息采集、传输和分析技术，灌溉系统的计算机识别技术；动态配水系统下非恒定流模拟仿真技术和水量流量实时调控技术，灌溉系统动态配水管理软件。研究灌区中央控制系统自动控制技术、水力自动控制技术、配水系统控制设施、当地及远端控制技术与设备；开发灌溉配水系统的闸门控制模式及基于模糊控制方法的灵活方便的控制器；灌区多水源联合调配模式与智能决策支持系统