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1農(nóng)業(yè)水利現(xiàn)狀

水資源短缺是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要資源環(huán)境問(wèn)題之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源問(wèn)題日益顯現(xiàn),成為社會(huì)普遍關(guān)的問(wèn)題。據(jù)預(yù)測(cè),在2030年前后,我國(guó)人口將達(dá)到16億高峰,糧食需求為6.4億~7.2億t。根據(jù)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)水資源使用模式,灌溉面積需要發(fā)展到0.6億hm2,相應(yīng)的用水量將從目前的4000億m3增長(zhǎng)到6650億m3。從我國(guó)目前水資源供需狀況來(lái)看,如此大量的農(nóng)業(yè)水資源供給是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此,發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是唯一的出路。以華北為例:華北地區(qū)水資源短缺、利用效率低已成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素,農(nóng)業(yè)歷來(lái)是“用水大戶”。2004年華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水633.2億m3,占總用水量的70.7%,加上地表水體污染等,華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水存在許多問(wèn)題。據(jù)國(guó)際灌溉排水委員會(huì)的統(tǒng)計(jì),華北農(nóng)田用水的利用系數(shù)僅為0.3~0.5,不合理的灌溉方式,使灌溉水30%~50%被無(wú)效地滲漏、蒸發(fā)掉了,農(nóng)作物利用的水僅占灌溉總水量的1/4。

農(nóng)業(yè)灌溉又以利用地下水為主,到1993年,華北平原大部分地區(qū)的地下水開采率已經(jīng)接近150%,部分地區(qū)已經(jīng)超過(guò)150%。多年來(lái)由于地下水持續(xù)過(guò)量開采導(dǎo)致了華北平原地區(qū)地下水位連續(xù)下降,并引起一系列的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,如地面裂縫、地面下沉、河道干枯、海水入侵、地下水質(zhì)污染等。根據(jù)河北平原600眼淺層地下水觀測(cè)井的資料分析,地下水位的平均埋深由1983年的7.23m下降到1993年的11.52m,年平均下降0.43m。另外,全球氣候變暖、南北地區(qū)溫差縮小會(huì)使北方地區(qū)更趨干旱,其中氣溫升高1℃,農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加10%。由此可以看出我國(guó)在農(nóng)業(yè)水利方面的弊端,同時(shí)也體現(xiàn)了改變農(nóng)業(yè)水利現(xiàn)狀的迫切性。

2影響農(nóng)業(yè)水利的因素

農(nóng)業(yè)水利是一個(gè)系統(tǒng)的,復(fù)雜的工程。這之間涉及到很多方面的問(wèn)題,歸結(jié)起來(lái)主要是灌溉的因素,灌溉的主要參數(shù)灌溉水利用效率的高低決定了現(xiàn)在這種農(nóng)業(yè)用水狀況,因此,如何提高灌溉水利用效率是一個(gè)大問(wèn)題,通過(guò)一系列的研究得到一下。

(1)水價(jià)上升有助于提高灌溉用水效率。水價(jià)是改善水資源配置和緩解水資源短缺的經(jīng)濟(jì)手段之一。每個(gè)農(nóng)民都是理性的個(gè)體,水價(jià)提高引起成本增加,會(huì)使農(nóng)民更加關(guān)注對(duì)灌溉的管理。因此,水價(jià)上升會(huì)提高灌溉用水效率,但是,要充分考慮農(nóng)民的承受能力。

(2)渠水的灌溉效率要高于井水的灌溉效率。灌區(qū)以利用渠水灌溉為主,只因渠水的保證率不高,一些用水戶才改用井水灌溉。由于渠水灌溉的工程設(shè)施經(jīng)過(guò)多年的積累要比井水灌溉的工程設(shè)施條件好,加上渠水灌溉采取的是集中灌溉,而井水灌溉采取的幾乎都是零散灌溉,所以,渠水的灌溉效率要高于井水的灌溉效率。

(3)小畦灌溉有利于提高灌溉用水效率。小畦灌溉只需花費(fèi)人力,把原來(lái)的長(zhǎng)畦改為短畦即可,不存在技術(shù)和資金方面的制約。但是,由于傳統(tǒng)習(xí)慣,在具體實(shí)施中也存在一定困難。

(4)土壤的性質(zhì)對(duì)灌溉用水效率有顯著的影響。雖然土壤的性質(zhì)很難甚至不能改變,但該結(jié)論為土壤改良提供了有益的洞察。

(5)低壓管灌溉有利于提高灌溉用水效率。雖然低壓管灌溉對(duì)提高灌溉用水效率有顯著的影響,但低壓管灌溉是一種投入較高的節(jié)水技術(shù),目前普及率還很低。

(6)用水者協(xié)會(huì)對(duì)提高灌溉用水效率有積極的影響。成立用水者協(xié)會(huì)后,推行嚴(yán)細(xì)管理,田間水利工程誰(shuí)用誰(shuí)管,用水戶對(duì)工程的自我維護(hù)意識(shí)增強(qiáng),扭轉(zhuǎn)了以前工程維護(hù)不及時(shí),造成斗渠、農(nóng)渠破爛,不能正常發(fā)揮效益的局面,對(duì)提高灌溉用水效率起到了積極的影響。

3系統(tǒng)分析對(duì)與農(nóng)業(yè)用水的優(yōu)化

3.1系統(tǒng)分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工程系統(tǒng)分析

對(duì)節(jié)水農(nóng)業(yè)的優(yōu)化節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)包括農(nóng)藝、工程和管理技術(shù),是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,是綜合利用各種農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的技術(shù)集成。因此,在節(jié)水農(nóng)業(yè)實(shí)踐中,應(yīng)體現(xiàn)系統(tǒng)工程思想,追求整體效益及長(zhǎng)遠(yuǎn)效益,重視節(jié)水農(nóng)業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃及各種農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的有機(jī)配合。為此,需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)思路,充分利用已有工程,優(yōu)化配置,在不增加投資或少增加投資的條件下,提高現(xiàn)有工程的效益。我國(guó)節(jié)水灌溉的傳統(tǒng)模式主要是依靠增加水資源消耗來(lái)擴(kuò)大灌溉面積,但隨著水資源缺乏的日益加劇,這種模式顯然不再適用。而在20世紀(jì)60,70年代建造的水利工程,經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行其經(jīng)濟(jì)效益已明顯下降。這些灌溉工程雖然失修老化,但一般都具備相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施,如水源工程和輸水工程等,將這些原有工程設(shè)施加以充分利用改造,比新建工程的投資要低得多。節(jié)水農(nóng)業(yè)是知識(shí)密集、技術(shù)密集、橫跨多個(gè)自然學(xué)科(農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)保、氣象、農(nóng)業(yè)裝備)的一個(gè)多層次與多因素的系統(tǒng)工程。由于該系統(tǒng)具有因素多、不穩(wěn)定、邊界模糊及相互滲透等特點(diǎn),決定了該系統(tǒng)的復(fù)雜性和不易調(diào)控等特性。這就要求必須打破現(xiàn)有行業(yè)、部門與學(xué)科之間的界限,實(shí)行各部門、各學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān)和密切合作。目前,我國(guó)所采取的各種節(jié)水措施主要以引水為目的,其他各種非工程節(jié)水措施(如綜合農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)、水源優(yōu)化調(diào)度和節(jié)水灌溉預(yù)報(bào)等技術(shù))推廣普及程度較低,致使許多節(jié)水工程雖然投資很大,但水資源利用率卻未有顯著提高。因此,需要將工程技術(shù)與各種非工程技術(shù)相互配合、相互補(bǔ)充,針對(duì)水源、輸水、配水、田間作物吸收利用以及作物收獲的全過(guò)程,建立充分利用水、肥等各種資源的體系,最大限度地提高水資源利用率。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,近年來(lái)國(guó)際上越來(lái)越重視對(duì)將水資源融入到“水—肥—土—作物—大氣”這一系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的研究與開發(fā)。他們對(duì)土壤、水分和環(huán)境等各因素之間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)控,研究并建立了水、土、環(huán)境與作物之間的綜合生產(chǎn)函數(shù)和不同農(nóng)作物的水土管理模式。研究成果顯示,通過(guò)水肥同步監(jiān)測(cè),確定對(duì)作物進(jìn)行灌溉與施肥的時(shí)機(jī)和數(shù)量進(jìn)行相關(guān)調(diào)控,這一綜合性技術(shù)對(duì)節(jié)水、增產(chǎn)的效果非常顯著。以色列把節(jié)水農(nóng)業(yè)當(dāng)作系統(tǒng)工程,進(jìn)行綜合性研究與開發(fā),取得的成果尤為出色,其農(nóng)田水平均灌溉定額從1949年的8565m3/hm2已降到目前的5571m3/hm2,而灌溉作物的產(chǎn)量卻以每年3%的速度遞增。

3.2以系統(tǒng)分析尋找規(guī)律

系統(tǒng)分析對(duì)于灌溉制度的優(yōu)化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程的目的就在于對(duì)上述復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)、外各方面、各因素之間的關(guān)系進(jìn)行研究,從中找出其內(nèi)在規(guī)律,以便采取各種措施(包括規(guī)劃、預(yù)測(cè)、計(jì)劃、設(shè)計(jì)、組織管理等)使農(nóng)業(yè)的發(fā)展能滿足人類社會(huì)發(fā)展的需要。運(yùn)用農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程能滿足人類社會(huì)發(fā)展的需要,運(yùn)用農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程正確處理多因子關(guān)系,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,田間管理是貫穿在作物生育過(guò)程中充分發(fā)揮人的能動(dòng)作用的一系列技術(shù)措施?？茖W(xué)的田間管理,要根據(jù)土壤、農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、氣候變化等情況決定措施。例如施肥的種類、方法和數(shù)量、灌溉的時(shí)間、方式和水量等等找到這些因子和作業(yè)之間的關(guān)系,是合理施肥和合理灌溉的必要依據(jù),這就是要用電子計(jì)算機(jī)來(lái)處理許多單因子相關(guān)和復(fù)合因子的數(shù)據(jù),如在國(guó)外分析11500個(gè)單因子相關(guān)和綜合因子數(shù)據(jù),得出蒸騰量與平均氣溫平均空氣濕度相關(guān)的結(jié)論,為灌溉用水量提供了依據(jù),對(duì)肥料、成份、施肥量、施肥日期及灌溉方法與肥效的相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,選擇最好的施肥方案。作物合理灌溉制度的確定是水利科技中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)課題。在流域規(guī)劃中對(duì)灌溉規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化,確定水資源的優(yōu)化調(diào)度方案以及在灌溉管理中制定最佳配水、調(diào)水計(jì)劃,都需要以作物合理灌溉制度作為依據(jù)。在充分供水條件下,作物灌溉制度是以土壤水分能夠滿足作物的潛在騰發(fā)強(qiáng)度要求為原則而確定的。在我國(guó)由于水資源緊缺,不能滿足現(xiàn)有耕地用水,則應(yīng)限制作物灌水量,允許作物某些生育階段出現(xiàn)水分虧缺,以較小的灌水量獲得相同的產(chǎn)量,即單方灌水效益最大,或以相同的灌水量取得最大產(chǎn)量,據(jù)此來(lái)確定作物的灌溉制度,也就是實(shí)現(xiàn)非充分灌溉條件下的優(yōu)化灌溉制度。

3.3系統(tǒng)分析對(duì)于作物生產(chǎn)函數(shù)的優(yōu)化

作物水分生產(chǎn)函數(shù)即作物產(chǎn)量與水分之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。國(guó)外從20世紀(jì)60年代以來(lái)對(duì)作物水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,大多是圍繞小麥、玉米、棉花、洋蔥等作物展開的,其內(nèi)容包括作物騰發(fā)量與作物產(chǎn)量的關(guān)系,鹽分、水肥脅迫下作物生產(chǎn)函數(shù),以及利用水分生產(chǎn)函數(shù)建立“生產(chǎn)總凈效益”模型等。國(guó)內(nèi)對(duì)作物水分生產(chǎn)函數(shù)的研究主要有兩部分,一部分是水稻的水分生產(chǎn)函數(shù)研究,另一部分是圍繞旱作物冬小麥、夏玉米及棉花等展開的。作物水分生產(chǎn)函數(shù)是生產(chǎn)函數(shù)在特定條件下的一種表現(xiàn)形式。試驗(yàn)及調(diào)查結(jié)果表明,作物水分生產(chǎn)函數(shù)也存在生產(chǎn)過(guò)程的3階段。因此,作物水分生產(chǎn)函數(shù)所依據(jù)的實(shí)際資料是在哪一階段,則只反映該階段的生產(chǎn)特性。作物水分生產(chǎn)函數(shù)的變量是與水有關(guān)的參數(shù)(如蒸發(fā)蒸騰量、土壤含水量等)其他影響因素諸如管理水平、作物品種、施肥水平、氣象、土壤和水文地質(zhì)條件等都會(huì)對(duì)生產(chǎn)函數(shù)產(chǎn)生影響。因此,作物水分生產(chǎn)函數(shù)必須與這些條件相適應(yīng)。對(duì)于作物生產(chǎn)函數(shù)的各個(gè)影響因素的確定,因?yàn)樯婕暗拿婧艽?各種因素的錯(cuò)綜關(guān)系很多,所以很難加以確定,對(duì)于公式中的各個(gè)量可以通過(guò)農(nóng)業(yè)工程系統(tǒng)分析的知識(shí)觀點(diǎn)加以改變從而確定。

4結(jié)論

伴隨系統(tǒng)工程學(xué)科的知識(shí)進(jìn)展,以及系統(tǒng)工程在水利工程中的應(yīng)用,系統(tǒng)工程將作為一門重要的學(xué)科,手段應(yīng)用于流域規(guī)劃的工作,以及灌溉排水的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理諸多方面中。灌溉中的許多用水方面的問(wèn)題將應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)加以解決,不論是農(nóng)作物的灌溉制度制定、確定最優(yōu)灌水時(shí)間和灌水量,特別是制定供水不足的條件下的農(nóng)作物灌溉制度將有更大的作用。