農業(yè)管理節(jié)水技術應用分析

時間：2024-10-22 02:38:20 研究生論文我要投稿

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　　摘要：節(jié)水農業(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，通過對現有節(jié)水技術的分析，著重從管理節(jié)水方法進行研究，并將其結合計算機信息技術嵌入到節(jié)水管理系統(tǒng)中，從管理角度闡述了農業(yè)管理節(jié)水技術的節(jié)水潛力以及在農業(yè)生產活動中不可忽視的作用。

　　關鍵詞：節(jié)水農業(yè);管理節(jié)水;節(jié)水技術

　　0、引言

　　水資源短缺已對生存環(huán)境和經濟發(fā)展帶來了嚴重的危害，受到了全世界的普遍關注。在我國工業(yè)、農業(yè)和人生活用水中，農業(yè)一直是用水大戶，占總用水量的70% ，因此水資源短缺對農業(yè)發(fā)展起著決定性的制約作用。我國農業(yè)水資源的利用效率較低，普遍存在水資源浪費現象，加上管理不善和人為水資源污染現象還沒有得到有效遏制，進一步加劇了水資源供需之間的矛盾，因此發(fā)展節(jié)水農業(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，減少水資源在農業(yè)生產中的浪費已成為一個國際性的研究目標 J。為了解決或緩解農業(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)水農業(yè)的必經之路。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，積極進行各種節(jié)水技術的研究與推廣，勢必將對相關節(jié)水的發(fā)展產生巨大的促進與推動作用。

　　1、節(jié)水技術現狀

　　目前的節(jié)水灌溉技術主要包括了工程節(jié)水、農藝與生物節(jié)水、管理節(jié)水以及其它節(jié)水技術等。農業(yè)節(jié)水技術主要都是圍繞著這幾方面進行研究的。

　　1.1 農藝節(jié)水農藝節(jié)水技術主要包括利用耕作覆蓋措施和化學制劑調控農田水分狀況與蓄水保墑。研究適宜當地自然條件的節(jié)水高效型作物種植結構，提出相應的節(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的研究等，其目的都是通過研究應用作物、土壤和氣候等綜合指標來減少農田水分的無效蒸發(fā)，防止風蝕和地下滲漏，改善土壤結構和作物生理生態(tài)條件，提高作物產量和水分利用效率，對改善和維護生態(tài)環(huán)境起到一定的穩(wěn)定作用。國內外一直致力于研究農藝節(jié)水技術，并將其快速推廣到農業(yè)生產中。許多國家根據自身的綜合條件提出了切實可行的農藝節(jié)水措施，并取得了可觀的成果。我國推廣應用的農藝節(jié)水技術種類繁多，針對性研究應用了一些實用性技術，如作物調虧灌溉技術、控制性分根交替灌溉技術、深耕蓄水保墑技術以及農田覆蓋節(jié)水技術等。目前，農藝節(jié)水研究主要應用在北方。南方因氣候因素復雜、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空分布特點。對于如何因地制宜地實施農藝節(jié)水技術，需要展開進一步研究。

　　1.2 工程節(jié)水工程節(jié)水技術就是通過工程方法避免水分的損失，主要包括了由傳統(tǒng)的地面灌溉技術向現代地面灌溉技術的轉變研究，如激光平地、采用水平畦田灌和波涌灌等先進的地面灌溉方法。除地面灌溉技術外，發(fā)達國家十分重視對噴微灌技術的研究和應用，特別重視微灌系統(tǒng)的配套性、可靠性和先進性的研究，開發(fā)高水力性能的微灌系列新產品、微灌系統(tǒng)施肥裝置和過濾器。為減少來自農田輸水系統(tǒng)的水量損失，許多國家已實現灌溉輸水系統(tǒng)的管網化和施工手段的機械化。近年來，國內外將高分子材料應用在渠道防滲方面，開發(fā)出高性能、低成本的新型土壤固化劑和固化土復合材料，研究具有防滲和抗凍脹性能的復合襯砌工程結構形式。管道輸水技術因成本低、節(jié)水明顯和管理方便等特點，已作為許多國家開展灌區(qū)節(jié)水改造的必要措施。開展渠道和管網相結合的高效輸水技術研究和大口徑復合管材的研制，是渠灌區(qū)發(fā)展輸水灌溉中亟待解決的關鍵問題。

　　在受益于現代高科技力量的同時，也應該注意到輸配水工程設施的功能落后、衰退和老化失修等問題對水資源所造成的極其嚴重的浪費。因此，必須重視對工程設備狀況進行評估檢測和管理，以便及時地做出處理。

　　1.3 污水和雨洪利用技術在尋求節(jié)水道路的同時，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。世界多數國家已經廣泛開展了對雨水集流、污水回收利用的應用研究。由于農業(yè)用水需求量很大，對水質的要求也不高，因此雨洪與污水的再生利用基本上可以滿足農業(yè)灌溉需求。我國現有雨洪利用方法主要是收集雨水用于人畜飲用和農業(yè)生產。國外用于農業(yè)的再生水量占有較大的比例。國內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，同時它還具有節(jié)水、防洪和生態(tài)環(huán)境等3個方面的效益，對于緩解水資源危機、實現水資源可持續(xù)利用有著深遠的意義。

　　由于使用這些水源進行農業(yè)生產難以保證高產穩(wěn)產，此外降雨的隨機性、土質結構、土壤的下滲與蒸發(fā)速度及污水的污染指數都無法確切把握，加上劣質水資源化、管理機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到一定程度，目前也沒有引起國家有關部門的足夠重視，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措施，而是沒有建立起促進節(jié)水、治污、管理等先進、高效和優(yōu)良技術大規(guī)模應用的制度框架。現代節(jié)水管理體系是實現農業(yè)高效用水的重要措施之一。它可以實現灌溉水資源的合理配置和灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化調度，達到節(jié)水增產目的，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幾方面，這里主要從管理技術節(jié)水方面闡述。

　　如圖1所示，管理節(jié)水技術主要是通過硬件設備和軟件設備的集成使系統(tǒng)良好地應用，從而實現對農田水分的高效利用和管理的技術。通過對農田信息的實時監(jiān)控和預報，根據作物需水規(guī)律、缺水診斷指標及灌溉控制指標進行水分調控，從而確保灌溉的適時適量，實現最佳效益。對農田水分利用進行管理是減少水資源浪費、合理高效管理利用水資源、發(fā)展可持續(xù)農業(yè)的根本途徑之一，其主要技術有農田信息數據采集技術、農田土壤墑情監(jiān)測預報、精確灌溉控制決策與管理技術、用水調度控制及管理(量水和配水技術)、節(jié)水灌溉自動控制技術以及農業(yè)水資源政策管理等方面。良好的管理技術可以充分發(fā)揮工程技術帶來的效益，使整個節(jié)水系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。

　　現代農業(yè)節(jié)水過程中普遍存在的現象是農業(yè)用水管理水平較低，管理辦法需進一步完善，缺乏與之相適應的技術和設備，不能對農業(yè)用水進行科學和高效的管理。我國灌區(qū)過去普遍存在重建設、輕管理的現象，灌溉用水管理過程中造成很大的水量浪費。實踐證明，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，在農業(yè)生產過程中應該盡量杜絕因管理不善造成水資源浪費的現象，在推廣和應用各項節(jié)水灌溉技術的同時，應該注重提高節(jié)水管理水平。

　　先進的灌溉設備與落后的管理技術不能使其發(fā)揮效益，落后的灌溉設備與先進的管理技術也不能使其發(fā)揮效益，只有先進的灌溉設備和現代管理技術的有效結合，才能發(fā)揮最大效益。

　　2、管理節(jié)水技術與計算機信息技術的結合應用

　　隨著高科技技術的發(fā)展和深入應用，計算機技術、電子信息技術、紅外遙感技術以及其它技術的應用，使得在土壤水分動態(tài)、氣象動態(tài)、作物水分狀況等方面的數據監(jiān)測、采集與處理手段得到長足發(fā)展，促進了農業(yè)用水管理水平的提高，推動灌溉管理向現代化、自動化和智能化發(fā)展 9j。人們也逐漸認識到計算機與硬件設備的結合在水管理中發(fā)揮的巨大作用，實現對農業(yè)用水的高效管理，涉及到方方面面的技術，主要有以下幾個方面。

　　2.1 地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析技術GIS是融計算機圖形學、數據庫、地理科學、信息科學和管理科學于一體，存儲和處理空間信息的高新技術，它把地理位置和相關屬性有機結合起來，準確真實、圖文并茂地輸出給用戶，并借助其獨有的空間分析和可視化表達，進行各種輔助決策。

　　樣式地圖，將實時采集或操作控制的點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)測預報技術用先進的科學技術手段(如遙感監(jiān)測技術或各種傳感技術等)來監(jiān)測土壤墑情。研究作物水分區(qū)域分布監(jiān)測技術、作物蒸騰過程快速監(jiān)測技術和區(qū)域土壤墑情監(jiān)測預報技術，提出區(qū)域土壤水分空問變異性與最佳動態(tài)監(jiān)測布點方式，獲得土壤水分動態(tài)快速測定與預報技術及新產品。通過合適的模型和選擇相應的參數，對采集到的數據進行處理，經過數據統(tǒng)計分析處理后生成實時墑情監(jiān)測預報系統(tǒng)，如圖3所示。

　　對適宜灌水時間灌水量進行預報，為系統(tǒng)做出控制決策提供需要的信息，可以做到適時適量灌溉，有效地控制土壤含水量，達到節(jié)水又增產。

　　2.3 精確灌溉控制決策技術精確灌溉控制決策是根據外部檢測設備對土壤墑情、氣象因素、水源狀況和作物本身各項指標的監(jiān)控。

　　根據墑情預報，通過綜合分析盡可能準確地計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驗控制的定時、定量灌溉控制技術;精確灌溉控制決策是根據外部檢測設備對土壤墑情、氣象因素、水源狀況和作物本身各項指標的監(jiān)控。根據墑情預報，通過綜合分析盡可能準確地計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 用水調度控制及管理(量水和配水技術)能否實現高效用水關鍵在于能否管理好工程，即能否實施好用水調度和管理等措施。無論是大小灌區(qū)，都需要實行計劃用水，在水源充足或者是缺乏的時候實現地區(qū)問和作物間灌水量的最優(yōu)分配。根據氣象資料，利用預測技術編制出月、季或年的灌溉用水計劃，如圖5所示。與相似水文年份做對比，確定未來時間的水源狀況，并根據灌溉設備的技術參數和農田及作物分布狀況，按照水源可供水量和作物各個生育階段的需水量函數(專家決策)，應用系統(tǒng)工程手段編制灌區(qū)水量優(yōu)化調度方案，合理調配灌溉水量。

　　通過對水源的集中管理，解決灌溉實時調度問題，減少在輸配水過程中水量的損失。隨著量水裝置的普遍應用和按量收費管理措施的實施，在大幅度提高灌區(qū)的量水效率和精度的㈨時促進了節(jié)約用水。

　　2.5 網絡通信技術隨著市場經濟的發(fā)展和灌區(qū)管理的不斷細化，灌溉運行產生的數據愈來愈多。為了解決時空跨度和數據繁多問題對灌區(qū)灌溉管理所帶來的影響，引入計算機網絡技術，使工程產生了更大的經濟效益和社會效益 ' 。隨著網絡技術的發(fā)展，各種用水信息(數據流、語音流和視頻流等)在網絡上的傳輸越來越快，覆蓋范圍越來越廣。軟件的設計也應充分利用網絡發(fā)展平臺進行改進，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農業(yè)用水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，提高數據傳輸速度和準確率。此外，結合數據庫管理技術，將各類信息以一定的形式和結構有效的組織起來，為信息的處理表達、存儲和快速檢索方面提供了技術支撐，有利于系統(tǒng)優(yōu)化和提高整個用水系統(tǒng)的服務質量。

　　3、結論與展望

　　水是人類和地球上其他生物的生命源泉，是人類社會發(fā)展的重要物質基礎。我國的水資源危機不僅十分突出，而且已經成為經濟增長和現代化進程中的根本性限制因素。借助計算機與通信網絡等輔助手段全方位的對農業(yè)用水進行精確控制和管理，能有效地減輕水資源浪費的狀況。隨著生物和電子信息技術的發(fā)展，合理的管理技術配合高效的節(jié)水措施以及信息網絡與農業(yè)專家系統(tǒng)的結合，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、高效的應用，為加速我國現代化農業(yè)的發(fā)展進程以及迎接新的農業(yè)科技革命做出貢獻。

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