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農(nóng)業(yè)管理節(jié)水技術(shù)應(yīng)用分析
摘要：節(jié)水農(nóng)業(yè)是綜合氣候、水、土和作物資源研究于一體的系統(tǒng)工程。為此，通過對現(xiàn)有節(jié)水技術(shù)的分析，著重從管理節(jié)水方法進(jìn)行研究，并將其結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)嵌入到節(jié)水管理系統(tǒng)中，從管理角度闡述了農(nóng)業(yè)管理節(jié)水技術(shù)的節(jié)水潛力以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中不可忽視的作用。
關(guān)鍵詞：節(jié)水農(nóng)業(yè);管理節(jié)水;節(jié)水技術(shù)
0、引言
水資源短缺已對生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的危害，受到了全世界的普遍關(guān)注。在我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人生活用水中，農(nóng)業(yè)一直是用水大戶，占總用水量的70% ，因此水資源短缺對農(nóng)業(yè)發(fā)展起著決定性的制約作用。我國農(nóng)業(yè)水資源的利用效率較低，普遍存在水資源浪費(fèi)現(xiàn)象，加上管理不善和人為水資源污染現(xiàn)象還沒有得到有效遏制，進(jìn)一步加劇了水資源供需之間的矛盾，因此發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢在必行。如何利用好有限的水資源，提高自然降水和灌溉用水的利用效率，減少水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的浪費(fèi)已成為一個(gè)國際性的研究目標(biāo) J。為了解決或緩解農(nóng)業(yè)水資源緊缺的問題，依靠科技創(chuàng)新大幅度提高水的利用效率成為發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路。目前，愈來愈多的國家以提高灌溉(降)水的利用率、單方水的利用效率、水資源再生利用率作為研究方向，積極進(jìn)行各種節(jié)水技術(shù)的研究與推廣，勢必將對相關(guān)節(jié)水的發(fā)展產(chǎn)生巨大的促進(jìn)與推動(dòng)作用。
1、節(jié)水技術(shù)現(xiàn)狀
目前的節(jié)水灌溉技術(shù)主要包括了工程節(jié)水、農(nóng)藝與生物節(jié)水、管理節(jié)水以及其它節(jié)水技術(shù)等。農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)主要都是圍繞著這幾方面進(jìn)行研究的。
1.1 農(nóng)藝節(jié)水農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)主要包括利用耕作覆蓋措施和化學(xué)制劑調(diào)控農(nóng)田水分狀況與蓄水保墑。研究適宜當(dāng)?shù)刈匀粭l件的節(jié)水高效型作物種植結(jié)構(gòu)，提出相應(yīng)的節(jié)水高效間作套種與輪作種植模式，以及抗旱節(jié)水作物品種的選育和水肥耦合高效利用技術(shù)的研究等 ，其目的都是通過研究應(yīng)用作物、土壤和氣候等綜合指標(biāo)來減少農(nóng)田水分的無效蒸發(fā)，防止風(fēng)蝕和地下滲漏，改善土壤結(jié)構(gòu)和作物生理生態(tài)條件，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，對改善和維護(hù)生態(tài)環(huán)境起到一定的穩(wěn)定作用。國內(nèi)外一直致力于研究農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)，并將其快速推廣到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。許多國家根據(jù)自身的綜合條件提出了切實(shí)可行的農(nóng)藝節(jié)水措施，并取得了可觀的成果。我國推廣應(yīng)用的農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)種類繁多，針對性研究應(yīng)用了一些實(shí)用性技術(shù)，如作物調(diào)虧灌溉技術(shù)、控制性分根交替灌溉技術(shù)、深耕蓄水保墑技術(shù)以及農(nóng)田覆蓋節(jié)水技術(shù)等。目前，農(nóng)藝節(jié)水研究主要應(yīng)用在北方。南方因氣候因素復(fù)雜、季節(jié)性缺水明顯、熟制多、造成用水效率低和很難把握降雨時(shí)空分布特點(diǎn)。對于如何因地制宜地實(shí)施農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)，需要展開進(jìn)一步研究 。
1.2 工程節(jié)水工程節(jié)水技術(shù)就是通過工程方法避免水分的損失，主要包括了由傳統(tǒng)的地面灌溉技術(shù)向現(xiàn)代地面灌溉技術(shù)的轉(zhuǎn)變研究，如激光平地、采用水平畦田灌和波涌灌等先進(jìn)的地面灌溉方法。除地面灌溉技術(shù)外，發(fā)達(dá)國家十分重視對噴微灌技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別重視微灌系統(tǒng)的配套性、可靠性和先進(jìn)性的研究，開發(fā)高水力性能的微灌系列新產(chǎn)品、微灌系統(tǒng)施肥裝置和過濾器。為減少來自農(nóng)田輸水系統(tǒng)的水量損失，許多國家已實(shí)現(xiàn)灌溉輸水系統(tǒng)的管網(wǎng)化和施工手段的機(jī)械化。近年來，國內(nèi)外將高分子材料應(yīng)用在渠道防滲方面，開發(fā)出高性能、低成本的新型土壤固化劑和固化土復(fù)合材料，研究具有防滲和抗凍脹性能的復(fù)合襯砌工程結(jié)構(gòu)形式。管道輸水技術(shù)因成本低、節(jié)水明顯和管理方便等特點(diǎn)，已作為許多國家開展灌區(qū)節(jié)水改造的必要措施。開展渠道和管網(wǎng)相結(jié)合的高效輸水技術(shù)研究和大口徑復(fù)合管材的研制，是渠灌區(qū)發(fā)展輸水灌溉中亟待解決的關(guān)鍵問題。
在受益于現(xiàn)代高科技力量的同時(shí)，也應(yīng)該注意到輸配水工程設(shè)施的功能落后、衰退和老化失修等問題對水資源所造成的極其嚴(yán)重的浪費(fèi)。因此，必須重視對工程設(shè)備狀況進(jìn)行評估檢測和管理，以便及時(shí)地做出處理。
1.3 污水和雨洪利用技術(shù)在尋求節(jié)水道路的同時(shí)，人類意識到雨洪、海水咸水等非常規(guī)水資源、污水及再生水的開發(fā)潛能。世界多數(shù)國家已經(jīng)廣泛開展了對雨水集流、污水回收利用的應(yīng)用研究。由于農(nóng)業(yè)用水需求量很大，對水質(zhì)的要求也不高，因此雨洪與污水的再生利用基本上可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求。我國現(xiàn)有雨洪利用方法主要是收集雨水用于人畜飲用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。國外用于農(nóng)業(yè)的再生水量占有較大的比例。國內(nèi)外通過長期對雨洪與污水的再生利用研究表明，雨洪、污水及再生水利用不僅可以成為開發(fā)新水源的有效途徑，同時(shí)它還具有節(jié)水、防洪和生態(tài)環(huán)境等3個(gè)方面的效益，對于緩解水資源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用有著深遠(yuǎn)的意義 。
由于使用這些水源進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難以保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，此外降雨的隨機(jī)性、土質(zhì)結(jié)構(gòu)、土壤的下滲與蒸發(fā)速度及污水的污染指數(shù)都無法確切把握，加上劣質(zhì)水資源化、管理機(jī)制不夠完善等問題都難以解決，致使這些水源的利用只能達(dá)到一定程度，目前也沒有引起國家有關(guān)部門的足夠重視，其研究無論從規(guī)模到投資等方面與水利工程研究都無法相比…… 。
1.4 管理節(jié)水中國水資源問題的根源并不是缺少工程技術(shù)措施，而是沒有建立起促進(jìn)節(jié)水、治污、管理等先進(jìn)、高效和優(yōu)良技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的制度框架 �，F(xiàn)代節(jié)水管理體系是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水的重要措施之一。它可以實(shí)現(xiàn)灌溉水資源的合理配置和灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)目的，使有限水資源獲得最大的效益。管理節(jié)水包括了管理體制、管理層次和管理技術(shù)幾方面，這里主要從管理技術(shù)節(jié)水方面闡述。
如圖1所示，管理節(jié)水技術(shù)主要是通過硬件設(shè)備和軟件設(shè)備的集成使系統(tǒng)良好地應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田水分的高效利用和管理的技術(shù)。通過對農(nóng)田信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)報(bào)，根據(jù)作物需水規(guī)律、缺水診斷指標(biāo)及灌溉控制指標(biāo)進(jìn)行水分調(diào)控，從而確保灌溉的適時(shí)適量，實(shí)現(xiàn)最佳效益。對農(nóng)田水分利用進(jìn)行管理是減少水資源浪費(fèi)、合理高效管理利用水資源、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的根本途徑之一，其主要技術(shù)有農(nóng)田信息數(shù)據(jù)采集技術(shù)、農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測預(yù)報(bào)、精確灌溉控制決策與管理技術(shù)、用水調(diào)度控制及管理(量水和配水技術(shù))、節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)以及農(nóng)業(yè)水資源政策管理等方面。良好的管理技術(shù)可以充分發(fā)揮工程技術(shù)帶來的效益，使整個(gè)節(jié)水系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水過程中普遍存在的現(xiàn)象是農(nóng)業(yè)用水管理水平較低，管理辦法需進(jìn)一步完善，缺乏與之相適應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備，不能對農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行科學(xué)和高效的管理。我國灌區(qū)過去普遍存在重建設(shè)、輕管理的現(xiàn)象，灌溉用水管理過程中造成很大的水量浪費(fèi)。實(shí)踐證明，灌溉節(jié)水50% 的潛力在管理上 。因此，管理節(jié)水的潛力巨大，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)該盡量杜絕因管理不善造成水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，在推廣和應(yīng)用各項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)該注重提高節(jié)水管理水平。
先進(jìn)的灌溉設(shè)備與落后的管理技術(shù)不能使其發(fā)揮效益，落后的灌溉設(shè)備與先進(jìn)的管理技術(shù)也不能使其發(fā)揮效益，只有先進(jìn)的灌溉設(shè)備和現(xiàn)代管理技術(shù)的有效結(jié)合，才能發(fā)揮最大效益。
2、管理節(jié)水技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用
隨著高科技技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、紅外遙感技術(shù)以及其它技術(shù)的應(yīng)用，使得在土壤水分動(dòng)態(tài)、氣象動(dòng)態(tài)、作物水分狀況等方面的數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集與處理手段得到長足發(fā)展，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)用水管理水平的提高，推動(dòng)灌溉管理向現(xiàn)代化、自動(dòng)化和智能化發(fā)展 9j。人們也逐漸認(rèn)識到計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備的結(jié)合在水管理中發(fā)揮的巨大作用，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)用水的高效管理，涉及到方方面面的技術(shù)，主要有以下幾個(gè)方面。
2.1 地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析技術(shù)GIS是融計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫、地理科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)于一體，存儲和處理空間信息的高新技術(shù)，它把地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來，準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂地輸出給用戶，并借助其獨(dú)有的空間分析和可視化表達(dá)，進(jìn)行各種輔助決策。
樣式地圖，將實(shí)時(shí)采集或操作控制的點(diǎn)按照需要在地圖上顯示出來，直觀形象地描述作物生長環(huán)境的空間變量信息和作物的地理位置信息，為決策者管理整個(gè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)提供一種方便快捷的分析方法和信息支持。
2.2 信息采集監(jiān)測預(yù)報(bào)技術(shù)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段(如遙感監(jiān)測技術(shù)或各種傳感技術(shù)等)來監(jiān)測土壤墑情。研究作物水分區(qū)域分布監(jiān)測技術(shù)、作物蒸騰過程快速監(jiān)測技術(shù)和區(qū)域土壤墑情監(jiān)測預(yù)報(bào)技術(shù)，提出區(qū)域土壤水分空問變異性與最佳動(dòng)態(tài)監(jiān)測布點(diǎn)方式，獲得土壤水分動(dòng)態(tài)快速測定與預(yù)報(bào)技術(shù)及新產(chǎn)品。通過合適的模型和選擇相應(yīng)的參數(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理后生成實(shí)時(shí)墑情監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)，如圖3所示。
對適宜灌水時(shí)間灌水量進(jìn)行預(yù)報(bào)，為系統(tǒng)做出控制決策提供需要的信息，可以做到適時(shí)適量灌溉，有效地控制土壤含水量，達(dá)到節(jié)水又增產(chǎn)。
2.3 精確灌溉控制決策技術(shù)精確灌溉控制決策是根據(jù)外部檢測設(shè)備對土壤墑情、氣象因素、水源狀況和作物本身各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)控。
根據(jù)墑情預(yù)報(bào)，通過綜合分析盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算出作物確切的需水量，并制定合理的灌溉制度，從而有效地執(zhí)行灌溉管理。如圖4所示，灌溉控制決策主要分為粗略灌溉控制決策和精確灌溉控制決策。粗略灌溉控制決策主要以人工經(jīng)驗(yàn)控制的定時(shí)、定量灌溉控制技術(shù);精確灌溉控制決策是根據(jù)外部檢測設(shè)備對土壤墑情、氣象因素、水源狀況和作物本身各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)控。根據(jù)墑情預(yù)報(bào)，通過綜合分析盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算出作物確切的需水量，并制定合理的灌溉制度，從而有效地執(zhí)行灌溉管理。
2.4 用水調(diào)度控制及管理(量水和配水技術(shù))能否實(shí)現(xiàn)高效用水關(guān)鍵在于能否管理好工程，即能否實(shí)施好用水調(diào)度和管理等措施。無論是大小灌區(qū)，都需要實(shí)行計(jì)劃用水，在水源充足或者是缺乏的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)地區(qū)問和作物間灌水量的最優(yōu)分配。根據(jù)氣象資料，利用預(yù)測技術(shù)編制出月、季或年的灌溉用水計(jì)劃，如圖5所示。與相似水文年份做對比，確定未來時(shí)間的水源狀況，并根據(jù)灌溉設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和農(nóng)田及作物分布狀況，按照水源可供水量和作物各個(gè)生育階段的需水量函數(shù)(專家決策)，應(yīng)用系統(tǒng)工程手段編制灌區(qū)水量優(yōu)化調(diào)度方案，合理調(diào)配灌溉水量。
通過對水源的集中管理，解決灌溉實(shí)時(shí)調(diào)度問題，減少在輸配水過程中水量的損失。隨著量水裝置的普遍應(yīng)用和按量收費(fèi)管理措施的實(shí)施，在大幅度提高灌區(qū)的量水效率和精度的㈨時(shí)促進(jìn)了節(jié)約用水。
2.5 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和灌區(qū)管理的不斷細(xì)化，灌溉運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)愈來愈多。為了解決時(shí)空跨度和數(shù)據(jù)繁多問題對灌區(qū)灌溉管理所帶來的影響，引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使工程產(chǎn)生了更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 ' 。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種用水信息(數(shù)據(jù)流、語音流和視頻流等)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸越來越快，覆蓋范圍越來越廣。軟件的設(shè)計(jì)也應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)展平臺進(jìn)行改進(jìn)，支持多種通信協(xié)議，滿足GSM，GPRS，MODBUS等各種有線和無線的通信方式。其最終目的是能夠保證整個(gè)農(nóng)業(yè)用水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，提高數(shù)據(jù)傳輸速度和準(zhǔn)確率。此外，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，將各類信息以一定的形式和結(jié)構(gòu)有效的組織起來，為信息的處理表達(dá)、存儲和快速檢索方面提供了技術(shù)支撐，有利于系統(tǒng)優(yōu)化和提高整個(gè)用水系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。
3、結(jié)論與展望
水是人類和地球上其他生物的生命源泉，是人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國的水資源危機(jī)不僅十分突出，而且已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)增長和現(xiàn)代化進(jìn)程中的根本性限制因素。借助計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)等輔助手段全方位的對農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行精確控制和管理，能有效地減輕水資源浪費(fèi)的狀況。隨著生物和電子信息技術(shù)的發(fā)展，合理的管理技術(shù)配合高效的節(jié)水措施以及信息網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的結(jié)合，將更大程度地節(jié)約水資源，使有限的水資源得到充分、合理、高效的應(yīng)用，為加速我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程以及迎接新的農(nóng)業(yè)科技革命做出貢獻(xiàn)。
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