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            首都科學講堂第665期《節水灌溉,守護糧食安全“命脈”》

            信息來源:北京科學中心      發布時間:2020-09-26

              2020年9月25日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了中國水利水電科學研究院水利研究所所長,博士生導師李益農,為大家帶來題為 《節水灌溉,守護糧食安全“命脈”》的精彩講座。     

               

              節水灌溉,守護糧食安全“命脈”

              當前,保障糧食安全已成為全社會日益關注的重大政治、經濟和社會問題。人口增長,耕地減少,水資源緊缺,對我國未來的糧食安全產生直接影響。我國水資源現狀如何?農業節水灌溉技術有哪些?為何說節水灌溉是守護糧食安全的“命脈”?

              第一講 水資源短缺,農業必須節水灌溉

              “民以食為天”,人類的發展與糧食生產密切相關。人類文明的每一次進步都代表了糧食生產能力顯著的提升。所以說“手中有糧,心中不慌”。在糧食生產中還有一句俗話,“食以水為先”。也就是說離開了水,糧食生產是難以保障的。中國古代歷史也是一個灌溉技術進步發展歷史,灌溉技術的每一次進步都帶來了社會的一次飛躍。很多古代的灌溉工程到現在依然在發揮著作用。比如秦朝時候,李冰父子支持修建的都江堰工程,直到今天仍然在發揮著巨大的作用,它仍然是我國最大的,超過1000萬畝的灌區之一。

              我國的水資源總量是2.8萬億立方米,居世界第六位,但是我國的人均水資源量僅為世界人均占有量的28%。作為主要糧食生產基地的北方地區,擁有全國64%的耕地,但水資源量卻僅占全國總量的19%。農業用水占全國總用水量的60%,是第一用水大戶。我國的水資源非常短缺,而且分配不平衡,耕地多的地方水資源量反而很少。

              從我國糧食主產區的空間格局圖可以看出,灌溉使我國原本水資源不多,但最適宜耕種的土地變成了糧食的主產區。比如新疆、甘肅、青海、寧夏,包括內蒙古的東部,在這些地區加上灌溉設施可以成為一個比較好的農業耕作區。灌溉對農業生產的作用是巨大的,沒有灌溉,我國的糧食產量不可能有一個穩定的增長,也就難以滿足人們對于糧食的需求。

              由于我國水土資源匱乏,各行各業都有一個用水紅線,農業是用水大戶,要求必須進行節水灌溉。這樣才能滿足灌溉對農業生產的支撐作用。每年農業用水量基本上是在3600億方左右。為了達到這個總量控制,同時又保證我國的糧食生產有一個穩步的增長,也同樣需要采用節水灌溉。

              實際上,節水灌溉本身也是灌區可持續發展的一個要求,灌區作為一個公共服務的單位,它通過采納節水灌溉技術,可以不斷地提高灌區自身的管理水平以及服務能力。

              第二講 灌區節水灌溉的“四張網”

              節水灌溉不僅要知道有多少水可供使用,還要知道農作物到底需要多少水。在這個基礎上才能制定科學的配水方案,把水送到需要灌溉的農田里。以往農業輸配水的管理基本上是靠人力,憑經驗。這種灌溉方式的節水效果不好。從技術發展來說,擺脫傳統的管理模式,要靠科技,要憑數據,強調灌溉工程的整體作用,以及工程的服務管理能力。國外一些先進國家和地區基本上能達到測控一體化,而且用水量測控設備可以做到系列化。在供需匹配方面,也能做到合理的匹配,能夠達到一個水資源的最優調控。

              節水灌溉技術的第一張網稱之為物理網,也就是實體的一些工程,包括各級的渠道、各種各樣的閘門、控制建筑物。灌區節水還可以形成一個數據網,也就是說我們采集的各種各樣的信息,包括天上采集的、地上采集的,在不同的部位,土壤中的、作物的、水流的,這些所有的信息形成了一個數據網。有了數據網以后,就可以構建一個模擬網,把灌區的管理過程,它的物理機制,變成一個數學的模型。通過這些模型可以對整個灌區的運行狀況進行一個合理的預測,合理的評估,進而能夠為各級領導作管理決策的時候提供相應的場景分析,提供決策的一個依據。在模擬的基礎上,灌區管理的最后一個環節是決策網。在一張圖上,可以演示各種不同的情況,這樣能夠比較直觀地供決策者對灌區水資源調度控制來做決策。通過物理網、數據網、模擬網和決策網就可以形成一個灌區管理、節水的技術體系,形成節水灌溉的科學化、業務化、智慧化。物理網相當于人體的骨骼系統,支撐起整個灌區的管理體系;數據網相當于人體的神經系統,布滿了整個灌區的每一個角落;模擬網好像是人體的血脈系統,能夠把整個灌區的一些實時狀態展示出來;決策網就相當于人體的大腦,能夠決定現在系統的運行是不是高效,是不是合理,是不是最優化的。所以說這四網合一,就基本上構成了灌區管理節水的技術體系。

              第三講 滴灌技術是最節水的技術   

              節水灌溉技術的兩種方式是噴灌和滴灌。噴灌是一種通過壓力把管道中的水流送到田間,經過噴頭噴射到空中,形成非常細小的水滴,近似天然降雨一樣澆灌到作物身上。

              噴灌大概分為兩種,一種是管道式噴灌系統,也就是通過輸水干管,借助于噴灑支管上的噴頭,將有壓力的水噴到空中,均勻地撒灑在田間,能夠適時適量地灌溉農作物。管道式噴灌系統,根據管道的布置形式,基本上有三種類型。一種是固定管道式的噴灌系統,主要適用于勞動力貧乏的地區,或者管道移動不方便的地區。一般在園藝灌溉中應用相對多一些。

              第二種是半固定式管道灌溉系統,它的供水主管道是固定的,但它的噴灑支管是可以移動的,這樣就能節省管道。相對來說,它的投資應該比全固定的管道系統要便宜,也比較適合于大田作物或者是果園噴灌。

              第三種是完全移動的管道噴灌系統,它所有的管道都能移動,可以在不同的地塊使用,在一些經濟欠發達的地區和勞動力便宜的地區比較常見。

              除了管道式的噴灌系統以外,目前使用最多的還是機組式噴灌系統。其整個系統的動力機械、水泵、管道、噴頭等所有的設備都配套集成到一個可以移動的整體上面,或者說噴灌的機組。

              機組式噴灌系統也分幾種。第一種是輕小型的噴灌機組。可以是手提式、手推式,手提式的三種,基本上適用于自己家庭的一個小菜園,或者是一個小果園。在丘陵地區和地塊比較小的范圍內有比較廣泛的應用。

              第二種是卷盤式噴灌機組。一種是固定的卷盤式噴灌機組,一種是鋼索牽引的移動絞盤車。相對來說,卷盤式噴灌機能夠實現自動化的操作,適合大型農場或者集約化作業,維護也比較簡單,這種機組在國內也有很多的應用。

              第三種是圓形噴灌機。它是一種自動化程度非常高的節水灌溉技術,最早在歐美得到了廣泛應用,是一個比較適用于集約化作業、現代化作業的灌溉系統。隨著我國農田的規模化經營,更加高效節水、自動化程度更高的圓形噴灌機會不斷普及。

              第四種是平移式的機組。機組一邊在移動,一邊在灌溉農田。相應來說,其灌溉的均勻性應該會更高一些,也比較適用于牧草、谷類、蔬菜,各種作物。

              另外一種節水灌溉技術是滴灌。與噴灌不一樣,滴灌是通過設置在最末一級管道的滴頭,將水流滴入農作物,形成了非常細小的,一滴一滴的水流去滋潤土壤。滴灌變成了一種局部的灌溉,它可以把水放到最需要去的地方。根據灌水器放在不同的位置,滴灌分為地表滴灌和地下滴灌。作為一種局部灌溉,通過滴灌技術的用水量,可以更精確地計算出作物的需水量。從這個意義上說,滴灌技術是最節水的技術,也是最有可能達到在適當的時間,以適當的量,把水供給作物。滴灌技術的應用是非常廣泛的,棉花的滴灌在我國新疆得到了推廣應用。由于當地光熱條件非常好,蒸發量非常大,采用這種局部的灌溉,節水效果是最有效的。

              當地在實際應用中,還發明了覆膜技術,在地面鋪了一層塑料薄膜,這層薄膜不僅起到保墑作用,還能避免水分蒸發損失。這兩種技術的疊加,能夠使棉花的滴灌技術在新疆得到大面積的推廣使用。

              對滴灌技術來說,最現代化的應用是工廠化農業。它可以通過滴灌技術,完全實現無土栽培、立體栽培,單位面積上作物的產量、品質都會比普通的農田有大幅的提高。

              第四講 精準地面灌溉的效果不亞于滴灌  

              地面灌溉是水流利用重力,也就是地面的自然落差覆蓋了整個田塊的過程。相對噴灌和滴灌技術來說,它使用工程機械的需要較少,是目前應用最廣泛的一種灌溉技術。即使是在歐美等發達國家,仍然有大量的農田是采用地面灌溉技術。

              地面灌溉技術盡管很古老很傳統,而且在人們的認識中,覺得它可能是一種比較浪費水的灌溉技術。但是,經過科研人員合理的設計、精準的管理條件下,地面灌溉也能夠取得比較好的灌溉效果。

              其實,地面灌溉不能簡單地等同于“大水漫灌”。實際上,精細地面灌溉技術可以達到節水灌溉的效果。但是,實施精細地面灌溉技術需要有兩個前提條件。第一個條件是土地必須經過精細地、精確地平整。土地的平整為地面灌溉創造了一個最優的條件;然后對灌溉過程能施加精準的控制。把這兩者結合起來,就構成了精細地面灌溉技術。它能夠達到的效果不亞于噴灌,甚至滴灌。

              作為精細地面灌溉技術的條件,土地要做到精細平整。土地精平技術目前有兩大類,第一類叫激光控制土地平整技術。它的原理是在地塊中放置激光發生器,通過一個旋轉的棱鏡,將激光束輻射出來,做為土地精細平整的控制基準面。拖拉機上裝載有激光接收器,可以感應出激光束。把平地的要求、平地的設計輸進控制器以后,通過土地平整設備上的激光接收裝置感應激光束,就會使平地鏟上下運動,直到把地面平整到設想的地面跟激光基準面是完全平行的。

              還有一種衛星定位智能化土地平整技術。它使用衛星定位GPS的信號,在拖拉機上安裝有GPS天線,能夠實時地感知地面的狀態。因為平地的要求,它是需要達到厘米級,也就是說最大平地的誤差可能在1厘米或者是2厘米這么一個級上。

              土地精細平整需要一個良好的設計,也就是說在平地之前需要對地塊做一個高程的測量,然后進行土地平整的方案設計,對高的地塊挖掉,對低的地塊要填平,形成一個土地挖填的方案。然后,將方案輸到計算機里,形成一個控制方案。最后,通過拖拉機的往復運動,逐漸地把高低起伏不平的地塊平整到需要的平整狀態。這個平整的狀態可以是一個零坡度的,也就是一個水平的地面,也可以根據需要設置成一定的坡度,比如說千分之一,或者是千分之五,這個地面坡度也同樣是可以通過設計,通過平地的控制系統能夠完成的。土地精細平整以后,還要對灌溉過程進行精準控制。為了達到精準控制,需要實時地獲得地面灌溉的水流運動信息。也就是要知道水一旦被引入到地塊以后,5分鐘以后水到哪了,10分鐘以后水又到哪了,在這個田塊內它有不同的位置,所以要能實時地了解水流的運動信息。為了配合水肥一體化的應用,為了和施肥相結合,也需要有適合于地面灌溉的施肥裝置。這都是為了能夠精確地感知在地面灌溉條件下,水流跟肥料,也就是溶質的運動信息。獲得水流的運動信息以后,就可以對地面灌溉的過程進行一種實時的反饋控制。水流的前鋒在地面不停地從一頭推進到另一頭,相應的感應信息就會被感知,然后傳送到計算機,就可以描繪出水流在農田表面所處的位置。通過實測的位置與計算機里模擬出來的最優位置,進行對比,可以實時地調整灌溉過程。也就是說,當理論上的灌溉水流在田塊內的推進過程如果與設計中的不相符,可以通過對灌溉的控制方案進行相應的調整,最后還是能夠達到預期的灌溉水平。

              隨著技術的進步,社會經濟的發展,我國節水灌溉技術也在不斷更新,先進、實用、高效的技術不斷地被科技人員去發現,去掌握,然后變成一個實用的技術模式去示范,去推廣,從而確保我國糧食穩定增產。

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