节水灌溉和控制技术研究

王运圣，男，出生于1971年，安徽肥东人。副研究员，博士，毕业于中国农业科学院。现在上海市农业科学院工作，主要从事农业智能系统的研究。主持和参与并完成农业成果转化项目、科技支撑项目、上海市农委重点攻关项目和上海市科委项目等多项，研制开发软硬件一体的农业智能系统和多个农业应用软件，获得软件著作权10余项，主笔发表文章20余篇，指导培养硕士研究生5名。

章我国水资源概况和节水灌溉()

一、我国水资源概况()

二、节水灌溉()

三、节水灌溉控制技术()

第二章土壤和植物需水规律()

一、土壤()

二、作物需水规律()

第三章微灌技术()

一、概述()

二、微灌主要设备()

三、微灌工程的规划设计()

第四章微灌工程施工组织设计()

一、组织施工原则()

二、施工总体布置()

三、工程质量技术保证措施()

四、工期保证措施()

第五章PLC节水灌溉控制技术()

一、PLC()

二、组态软件()

三、基于PLC的组态软件节水灌溉控制实例()

第六章单片机节水灌溉控制技术()

一、单片机()

二、基于AT89C51节水灌溉控制实例()

第七章电力线载波节水灌溉控制技术()

一、电力线载波通信()

二、基于电力线载波通信节水灌溉控制实例()

参考文献()

章我国水资源概况和节水灌溉

　　一、我国水资源概况

　　（一）水资源量

　　2015年全国水资源总量279626亿m3。全国水资源总量占降水总量的447%，平均单位面积产水量295万m3/km2。

　　2015年全国地表水资源量269008亿m3，折合年径流深2841mm。从水资源分区看，北方6区地表水资源量为38362亿m3，折合年径流深633mm，比常年值偏少124%；南方4区为230646亿m3，折合年径流深6758mm，比常年值偏多33%。

　　2015年，从国境外流入我国境内的水量2136亿m3，从我国流出国境的水量51397亿m3，流入界河的水量10612亿m3；全国入海水量176009亿m3。

　　全国矿化度小于等于2g/L地区的地下水资源量77970亿m3，比常年值偏少33%。其中，平原区地下水资源量17114亿m3；山丘区地下水资源量63835亿m3；平原区与山丘区之间的地下水资源重复计算量2979亿m3。

　　（二）水资源开发利用

　　2015年全国总供水量61032亿m3，占当年水资源总量的218%。其中，地表水源供水量49695亿m3，占总供水量的814%；地下水源供水量10692亿m3，占总供水量的175%；其他水源供水量645亿m3，占总供水量的11%。在地表水源供水量中，蓄水工程供水量占339%，引水工程供水量占321%，提水工程供水量占305%，水资源一级区间调水量占35%。在地下水供水量中，浅层地下水占911%，深层承压水占85%，微咸水占04%。在其他水源供水量中，主要为污水处理再生利用量和集雨工程利用量，分别占815%和174%。

　　2015年全国总用水量61032亿m3。其中，生活用水占总用水量的130%；工业用水占219%；农业用水占631%；人工生态环境补水（仅包括人为措施供给的城镇环境用水和部分河湖、湿地补水）占20%。

　　按省级行政区统计，用水量大于400亿m3的有新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）、江苏和广东3个省（自治区），用水量少于50亿m3的有天津、青海、西藏自治区（以下简称西藏）、北京和海南5个省（自治区、直辖市）。农业用水占总用水量75%以上的有新疆、西藏、宁夏回族自治区（以下简称宁夏）、黑龙江、甘肃、青海和内蒙古自治区（以下简称内蒙古）7个省（自治区），工业用水占总用水量35%以上的有上海、江苏、重庆和福建4个省（直辖市），生活用水占总用水量20%以上的有北京、重庆、浙江、上海和广东5个省（直辖市）。

　　2015年全国用水消耗总量32170亿m3，耗水率（消耗总量占用水总量的百分比）527%。各类用户耗水率差别较大，农业为643%，工业为232%，生活为419%，人工生态环境补水为808%。

　　废污水排放量指工业、第三产业和城镇居民生活等用水户排放的水量，但不包括火电直流冷却水排放量和矿坑排水量。2015年全国废污水排放总量770亿t。

　　2015年用水指标，全国人均综合用水量445m3，万元国内生产总值（当年价）用水量90m3。耕地实际灌溉亩均用水量394m3，农田灌溉水有效利用系数0536。

　　（三）水资源质量

　　2015年，对全国235万km的河流水质状况进行了评价。全年Ⅰ类水河长占评价河长的81%，Ⅱ类水河长占443%，Ⅲ类水河长占218%，Ⅳ类水河长占99%，Ⅴ类水河长占42%，劣Ⅴ类水河长占117%。

　　2015年，对116个主要湖泊共28万km2水面进行了水质评价。全年总体水质为Ⅰ～Ⅲ类的湖泊有29个，Ⅳ～Ⅴ类湖泊60个，劣Ⅴ类湖泊27个，分别占评价湖泊总数的250%、517%和233%。

　　2015年，对全国289座大型水库、424座中型水库及23座小型水库共736座主要水库进行了水质评价。全年总体水质为Ⅰ～Ⅲ类的水库有596座，Ⅳ～Ⅴ类水库104座，劣Ⅴ类水库36座，分别占评价水库总数的810%、141%和49%。

　　二、节水灌溉

　　（一）节水灌溉的必要性

　　世界淡水资源日益紧缺，而人类对粮食的需求也不断上升，淡水资源已经成为农业发展和世界粮食供应的安全威胁。据预测，到2050年，世界总人口将由目前的70亿人增加到90亿人，人类对粮食的需求将在当前的水平上再增长70%～100%。要破解耕地面积有限、淡水资源紧缺和世界粮食需求上涨之间的难题，发展节水灌溉成为关键。

　　节水灌溉是以限度的用水量获得的产量或收益，也是限度地提高单位灌溉水量的农作物产量和产值的灌溉措施。当前世界各国节水灌溉的主要措施包括渠道防渗、低压管灌、喷灌和微灌等。

　　实行节水灌溉工程后，可以减少灌溉过程中劳动力配置，滴灌通过局部湿润灌溉，田间土壤疏松，通透气性良好，易溶性肥料、植物生长调节剂、内吸杀虫剂等可随水滴入，可减少中耕、施肥、喷药、锄草等的作业次数和劳动力投入，节省了大量的人力物力。通过节水灌溉，农作物得到及时的灌溉，提高了灌溉保证率，能有效促进粮食增产增收，这也是节水灌溉工程的主要效益。此外，节水灌溉还能实现节水、节地、节电等效益。

　　目前，欧美等农业发达国家在节水灌溉方面已经取得重大进展，节水灌溉的普及程度较高。在发达国家，喷灌、微灌、渠道防渗、管道输水等节水灌溉技术已经较为成熟。其中，喷灌、滴灌又是的节水灌溉技术，欧美发达国家60%～80%的灌溉面积采用喷灌、滴灌的灌溉方法，农业灌溉率约为70%以上。数据显示，目前全世界的总耕地面积仅为15亿hm2，有灌排设施的耕地面积仅占27%，却生产出全世界55%的粮食，预计今后新增的粮食产量中80%～90%将来自有灌排设施的耕地。

　　（二）节水灌溉主要技术

　　1渠道防渗

　　渠道输水是目前我国农田灌溉的主要输水方式。传统的土渠输水渠系水利用系数一般为04～05，差的仅03左右，也就是说，大部分水都渗漏和蒸发损失掉了。渠道渗漏是农田灌溉用水损失的主要方面。采用渠道防渗技术后，一般可使渠系水利用系数提高到06～085，比原来的土渠提高50%～70%。渠道防渗还具有输水快、有利于农业生产抢季节、节省土地等优点，是当前中国节水灌溉的主要措施之一。

　　根据所使用的材料，渠道防渗可分为三合土护面防渗、砌石（卵石、块石、片石）防渗、混凝土防渗和塑料薄膜防渗（内衬薄膜后再用土料、混凝土或石料护面）等。

　　2管道输水

　　管道输水是利用管道将水直接送到田间灌溉，以减少水在明渠输送过程中的渗漏和蒸发损失。发达国家的灌溉输水已大量采用管道。目前中国北方井灌区的管道输水推广应用也较快。常用的管材有混凝土管、塑料硬（软）管和金属管等。管道输水与渠道输水相比，具有输水迅速、节水、省地、增产等优点，其效益为：水的利用系数可提高到095；节电20%～30%；省地2%～3%；增产幅度10%。目前，如采用低压塑料管道输水，不计水源工程建设投资（以下同），亩投资为100～150元。

　　在有条件的地方应结合实际积极发展管道输水。但是，管道输水仅仅减少了输水过程中的水量损失，而要真正做到高效用水，还应配套喷、滴灌等田间节水措施。目前尚无力配套喷、滴灌设备的地方，对管道布设及管材承压能力等应考虑今后发展喷、滴灌的要求，以避免造成浪费。

　　3喷灌

　　喷灌是利用管道将有压水送到灌溉地段，并通过喷头分散成细小水滴，均匀地喷洒到田间，对作物进行灌溉。它作为一种先进的机械化、半机械化灌水方式，在很多发达国家已广泛采用。

　　喷灌的主要优点是节水效果显著，水的利用率可达90%。一般情况下，喷灌与地面灌溉相比，1m3水可以当2m3水用。作物增产幅度大，一般可达20%～40%。其原因是取消了农渠、毛渠、田间灌水沟及畦埂，增加了15%～20%的播种面积；灌水均匀，土壤不板结，有利于抢季节、保全苗；改善了田间小气候和农业生态环境；大大减少了田间渠系建设及管理维护和平整土地等的工作量；减少了农民用于灌水的费用和投劳，增加了农民收入；有利于加快实现农业机械化、产业化、现代化；避免由于过量灌溉造成的土壤次生盐碱化。常用的喷灌有管道式、平移式、中心支轴式、卷盘式和轻小型机组式。

　　移动管道式喷灌通常将输水干管固定埋设在地下，田间支管和喷头可拆装搬移、周转使用，因而降低了投资。北京市顺义区数万亩粮田均采用这种灌溉形式。十多年来的实践证明，移动式管道喷灌除了具有一般喷灌省水、增产、省工、减轻农民负担和有利于农业机械化、产业化、现代化等优点以外，还具有设备简单、操作简便、投资低、对田块大小和形状适应性强、一户或联户均可使用等优点，是目前较适合中国国情、可以大力推广的一种微型喷灌形式，可适用于大田作物、蔬菜等，亩（1亩≈667m2。全书同）投资为200～250元。

　　固定管道式喷灌是将管道、喷头安装在田间固定不动，其灌溉效率高，管理简便，适用于蔬菜、果树以及经济作物灌溉。但是投资较高（亩投资一般在1000元左右），不利于机械化耕作。

　　中心支轴式与平移式大型喷灌机，只能在预定范围内行走，行走区域内不能有高大障碍物，土地要求较平整。其机械化和自动化程度高，适用于大型农场或规模经营程度较高的农田。使用国产设备，每亩投资为300～400元。

　　绞盘式喷灌机是靠管内动水压力驱动行走作业，与中心支轴式及平移式的大型喷灌机相比，具有机动灵活、适应大小田块、亩设备投资低等优点。目前进口设备每亩投资为50元左右，设备国产化后可进一步降低投资，这是一种适合中国国情、有发展前景的喷灌形式，可适用于大田作物、蔬菜等。绞盘式喷灌机有喷枪式和折架式两种，后者具有雾化好、耗能低的优点。

　　轻小型机组式喷灌，可以手抬或装在手推车或拖拉机上，具有机动灵活、适应性强、价格较低等优点，通常用于较小地块的抗旱喷灌。每亩投资为100～200元。

　　4微灌

　　微灌包括微喷和滴灌两种方式。微喷是新发展起来的一种喷灌形式，微喷又分为吊挂微喷和地插微喷，特别适合农业温室大棚内投入使用，它比一般喷灌更省水，更均匀地喷洒于作物上，它是通过PE塑料管道输水，通过微喷头喷洒进行局部灌溉的。更可以扩充成自动控制系统，同时结合施用化肥，提高肥效。一个标准大棚微喷系统设备投资一般在800元左右。

　　滴灌是利用塑料管道将水通过直径约16mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉。它是目前干旱缺水地区有效的一种节水灌溉方式，其水的利用率可达95%。滴灌较喷灌具有更高的节水增产效果，同时可以结合施肥，提高肥效一倍以上。可适用于果树、蔬菜、经济作物以及温室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。其不足之处是滴头易结垢和堵塞，因此应对水源进行严格的过滤处理。目前，国产设备已基本过关，有条件的地区应积极发展滴灌。

　　按管道的固定程度，滴灌可分固定式、半固定式和移动式3种类型。固定式滴灌，其各级管道和滴头的位置在灌溉季节是固定的。其优点是操作简便、省工、省时，灌水效果好，国产设备亩投资为700（果树）～1400元（大棚蔬菜）。半固定式滴灌，其干、支管固定，毛管由人工移动，亩投资为500～700元。移动式滴灌，其干、支、毛管均由人工移动，设备简单，较半固定式滴灌节省投资，但用工较多，亩投资为200～500元。

　　结合中国劳动力多、资金缺乏的具体情况而研究开发的半固定式、移动式滴灌系统大大降低了工程造价，为滴灌在大田作物和经济欠发达地区推广应用创造了条件。

　　储水滴灌，是通过雨水集流或引用其他地表径流到水窖（或其他微型蓄水工程）内，或利用储水罐蓄水作为小型移动水源，再配上滴灌以解决干旱缺水地区的农田灌溉问题。它具有结构简单、造价低、家家户户都能采用的特点。对于干旱贫困山区实现每人有半亩到一亩旱涝保收农田，解决温饱问题和发展庭院经济有重要作用，应在干旱和缺水山区大力推广。

　　地下滴灌，是把滴灌管埋入地下作物根系活动层内，灌溉水通过微孔渗入土壤供作物吸收。有的地方在塑料管上隔一定距离钻一个小孔，埋入地下植物根部附近进行灌溉，群众俗称“渗灌”。地下滴灌具有蒸发损失少、省水、省电、省肥、省工和增产效益显著等优点，果树、棉花、粮食作物等均可采用。其缺点是:当管道间距较大时灌水不够均匀，在土壤渗透性很大或地面坡度较陡的地方不宜使用。亩投资为400～1000元。其效益为：节水50%～60%，省电40%～50%，增产30%左右。

　　5膜上灌溉和膜下滴灌

　　用地膜覆盖田间的垄沟底部，引入的灌溉水从地膜上面流过，并通过膜上小孔渗入作物根部附近的土壤中进行灌溉，这种方法称为膜上灌溉，在新疆等地已大面积推广。采用膜上灌溉，深层渗漏和蒸发损失少，节水显著，在地膜栽培的基础上不需再增加材料费用，并能起到对土壤增温和保墒作用。

　　在我国水资源较匮乏地区可将滴灌管放在膜下，或利用毛管通过膜上小孔进行灌溉，这称为膜下滴灌。这种灌溉方式既具有滴灌的优点（提高水的利用率），又具有地膜覆盖的优点（提高积温），尤其在北方节水增产效果更好。

　　6控制灌溉

　　根据水稻不同生育期对水分的不同需求，进行“薄、浅、湿、晒”的控制灌溉，既节约用水，又有利于农作物生长，改变了以往水稻大水漫灌、串灌的旧习惯。它不需增加工程投资，只要按照节水灌溉制度灌水即可。“薄、浅、湿、晒”（薄水插秧、浅水育秧、分蘖前期湿润、分蘖后期晒田）、“旱育稀植”（旱育旱栽，稀植，适当补水）等技术均属这一范畴，近年已在广西、吉林等10多个省、自治区大面积推广。一般每亩可节水100m3，增产稻谷25kg，效益显著。水稻节水灌溉技术已获国家科技进步一等奖，应在水稻区大力推广。

　　江苏、上海、浙江等经济条件好的地区采用铺设暗管系统进行控制灌溉和田间排水，有利于节水、节肥和作物生长，为实现高产、高效、优质农业创造了有利的条件。

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