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首都科学讲堂第665期《节水灌溉,守护粮食安全“命脉”》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-09-26

  2020年9月25日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国水利水电科学研究院水利研究所所长,博士生导师李益农,为大家带来题为 《节水灌溉,守护粮食安全“命脉”》的精彩讲座。     

   

  节水灌溉,守护粮食安全“命脉”

  当前,保障粮食安全已成为全社会日益关注的重大政治、经济和社会问题。人口增长,耕地减少,水资源紧缺,对我国未来的粮食安全产生直接影响。我国水资源现状如何?农业节水灌溉技术有哪些?为何说节水灌溉是守护粮食安全的“命脉”?

  第一讲 水资源短缺,农业必须节水灌溉

  “民以食为天”,人类的发展与粮食生产密切相关。人类文明的每一次进步都代表了粮食生产能力显著的提升。所以说“手中有粮,心中不慌”。在粮食生产中还有一句俗话,“食以水为先”。也就是说离开了水,粮食生产是难以保障的。中国古代历史也是一个灌溉技术进步发展历史,灌溉技术的每一次进步都带来了社会的一次飞跃。很多古代的灌溉工程到现在依然在发挥着作用。比如秦朝时候,李冰父子支持修建的都江堰工程,直到今天仍然在发挥着巨大的作用,它仍然是我国最大的,超过1000万亩的灌区之一。

  我国的水资源总量是2.8万亿立方米,居世界第六位,但是我国的人均水资源量仅为世界人均占有量的28%。作为主要粮食生产基地的北方地区,拥有全国64%的耕地,但水资源量却仅占全国总量的19%。农业用水占全国总用水量的60%,是第一用水大户。我国的水资源非常短缺,而且分配不平衡,耕地多的地方水资源量反而很少。

  从我国粮食主产区的空间格局图可以看出,灌溉使我国原本水资源不多,但最适宜耕种的土地变成了粮食的主产区。比如新疆、甘肃、青海、宁夏,包括内蒙古的东部,在这些地区加上灌溉设施可以成为一个比较好的农业耕作区。灌溉对农业生产的作用是巨大的,没有灌溉,我国的粮食产量不可能有一个稳定的增长,也就难以满足人们对于粮食的需求。

  由于我国水土资源匮乏,各行各业都有一个用水红线,农业是用水大户,要求必须进行节水灌溉。这样才能满足灌溉对农业生产的支撑作用。每年农业用水量基本上是在3600亿方左右。为了达到这个总量控制,同时又保证我国的粮食生产有一个稳步的增长,也同样需要采用节水灌溉。

  实际上,节水灌溉本身也是灌区可持续发展的一个要求,灌区作为一个公共服务的单位,它通过采纳节水灌溉技术,可以不断地提高灌区自身的管理水平以及服务能力。

  第二讲 灌区节水灌溉的“四张网”

  节水灌溉不仅要知道有多少水可供使用,还要知道农作物到底需要多少水。在这个基础上才能制定科学的配水方案,把水送到需要灌溉的农田里。以往农业输配水的管理基本上是靠人力,凭经验。这种灌溉方式的节水效果不好。从技术发展来说,摆脱传统的管理模式,要靠科技,要凭数据,强调灌溉工程的整体作用,以及工程的服务管理能力。国外一些先进国家和地区基本上能达到测控一体化,而且用水量测控设备可以做到系列化。在供需匹配方面,也能做到合理的匹配,能够达到一个水资源的最优调控。

  节水灌溉技术的第一张网称之为物理网,也就是实体的一些工程,包括各级的渠道、各种各样的闸门、控制建筑物。灌区节水还可以形成一个数据网,也就是说我们采集的各种各样的信息,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,这些所有的信息形成了一个数据网。有了数据网以后,就可以构建一个模拟网,把灌区的管理过程,它的物理机制,变成一个数学的模型。通过这些模型可以对整个灌区的运行状况进行一个合理的预测,合理的评估,进而能够为各级领导作管理决策的时候提供相应的场景分析,提供决策的一个依据。在模拟的基础上,灌区管理的最后一个环节是决策网。在一张图上,可以演示各种不同的情况,这样能够比较直观地供决策者对灌区水资源调度控制来做决策。通过物理网、数据网、模拟网和决策网就可以形成一个灌区管理、节水的技术体系,形成节水灌溉的科学化、业务化、智慧化。物理网相当于人体的骨骼系统,支撑起整个灌区的管理体系;数据网相当于人体的神经系统,布满了整个灌区的每一个角落;模拟网好像是人体的血脉系统,能够把整个灌区的一些实时状态展示出来;决策网就相当于人体的大脑,能够决定现在系统的运行是不是高效,是不是合理,是不是最优化的。所以说这四网合一,就基本上构成了灌区管理节水的技术体系。

  第三讲 滴灌技术是最节水的技术   

  节水灌溉技术的两种方式是喷灌和滴灌。喷灌是一种通过压力把管道中的水流送到田间,经过喷头喷射到空中,形成非常细小的水滴,近似天然降雨一样浇灌到作物身上。

  喷灌大概分为两种,一种是管道式喷灌系统,也就是通过输水干管,借助于喷洒支管上的喷头,将有压力的水喷到空中,均匀地撒洒在田间,能够适时适量地灌溉农作物。管道式喷灌系统,根据管道的布置形式,基本上有三种类型。一种是固定管道式的喷灌系统,主要适用于劳动力贫乏的地区,或者管道移动不方便的地区。一般在园艺灌溉中应用相对多一些。

  第二种是半固定式管道灌溉系统,它的供水主管道是固定的,但它的喷洒支管是可以移动的,这样就能节省管道。相对来说,它的投资应该比全固定的管道系统要便宜,也比较适合于大田作物或者是果园喷灌。

  第三种是完全移动的管道喷灌系统,它所有的管道都能移动,可以在不同的地块使用,在一些经济欠发达的地区和劳动力便宜的地区比较常见。

  除了管道式的喷灌系统以外,目前使用最多的还是机组式喷灌系统。其整个系统的动力机械、水泵、管道、喷头等所有的设备都配套集成到一个可以移动的整体上面,或者说喷灌的机组。

  机组式喷灌系统也分几种。第一种是轻小型的喷灌机组。可以是手提式、手推式,手提式的三种,基本上适用于自己家庭的一个小菜园,或者是一个小果园。在丘陵地区和地块比较小的范围内有比较广泛的应用。

  第二种是卷盘式喷灌机组。一种是固定的卷盘式喷灌机组,一种是钢索牵引的移动绞盘车。相对来说,卷盘式喷灌机能够实现自动化的操作,适合大型农场或者集约化作业,维护也比较简单,这种机组在国内也有很多的应用。

  第三种是圆形喷灌机。它是一种自动化程度非常高的节水灌溉技术,最早在欧美得到了广泛应用,是一个比较适用于集约化作业、现代化作业的灌溉系统。随着我国农田的规模化经营,更加高效节水、自动化程度更高的圆形喷灌机会不断普及。

  第四种是平移式的机组。机组一边在移动,一边在灌溉农田。相应来说,其灌溉的均匀性应该会更高一些,也比较适用于牧草、谷类、蔬菜,各种作物。

  另外一种节水灌溉技术是滴灌。与喷灌不一样,滴灌是通过设置在最末一级管道的滴头,将水流滴入农作物,形成了非常细小的,一滴一滴的水流去滋润土壤。滴灌变成了一种局部的灌溉,它可以把水放到最需要去的地方。根据灌水器放在不同的位置,滴灌分为地表滴灌和地下滴灌。作为一种局部灌溉,通过滴灌技术的用水量,可以更精确地计算出作物的需水量。从这个意义上说,滴灌技术是最节水的技术,也是最有可能达到在适当的时间,以适当的量,把水供给作物。滴灌技术的应用是非常广泛的,棉花的滴灌在我国新疆得到了推广应用。由于当地光热条件非常好,蒸发量非常大,采用这种局部的灌溉,节水效果是最有效的。

  当地在实际应用中,还发明了覆膜技术,在地面铺了一层塑料薄膜,这层薄膜不仅起到保墒作用,还能避免水分蒸发损失。这两种技术的叠加,能够使棉花的滴灌技术在新疆得到大面积的推广使用。

  对滴灌技术来说,最现代化的应用是工厂化农业。它可以通过滴灌技术,完全实现无土栽培、立体栽培,单位面积上作物的产量、品质都会比普通的农田有大幅的提高。

  第四讲 精准地面灌溉的效果不亚于滴灌  

  地面灌溉是水流利用重力,也就是地面的自然落差覆盖了整个田块的过程。相对喷灌和滴灌技术来说,它使用工程机械的需要较少,是目前应用最广泛的一种灌溉技术。即使是在欧美等发达国家,仍然有大量的农田是采用地面灌溉技术。

  地面灌溉技术尽管很古老很传统,而且在人们的认识中,觉得它可能是一种比较浪费水的灌溉技术。但是,经过科研人员合理的设计、精准的管理条件下,地面灌溉也能够取得比较好的灌溉效果。

  其实,地面灌溉不能简单地等同于“大水漫灌”。实际上,精细地面灌溉技术可以达到节水灌溉的效果。但是,实施精细地面灌溉技术需要有两个前提条件。第一个条件是土地必须经过精细地、精确地平整。土地的平整为地面灌溉创造了一个最优的条件;然后对灌溉过程能施加精准的控制。把这两者结合起来,就构成了精细地面灌溉技术。它能够达到的效果不亚于喷灌,甚至滴灌。

  作为精细地面灌溉技术的条件,土地要做到精细平整。土地精平技术目前有两大类,第一类叫激光控制土地平整技术。它的原理是在地块中放置激光发生器,通过一个旋转的棱镜,将激光束辐射出来,做为土地精细平整的控制基准面。拖拉机上装载有激光接收器,可以感应出激光束。把平地的要求、平地的设计输进控制器以后,通过土地平整设备上的激光接收装置感应激光束,就会使平地铲上下运动,直到把地面平整到设想的地面跟激光基准面是完全平行的。

  还有一种卫星定位智能化土地平整技术。它使用卫星定位GPS的信号,在拖拉机上安装有GPS天线,能够实时地感知地面的状态。因为平地的要求,它是需要达到厘米级,也就是说最大平地的误差可能在1厘米或者是2厘米这么一个级上。

  土地精细平整需要一个良好的设计,也就是说在平地之前需要对地块做一个高程的测量,然后进行土地平整的方案设计,对高的地块挖掉,对低的地块要填平,形成一个土地挖填的方案。然后,将方案输到计算机里,形成一个控制方案。最后,通过拖拉机的往复运动,逐渐地把高低起伏不平的地块平整到需要的平整状态。这个平整的状态可以是一个零坡度的,也就是一个水平的地面,也可以根据需要设置成一定的坡度,比如说千分之一,或者是千分之五,这个地面坡度也同样是可以通过设计,通过平地的控制系统能够完成的。土地精细平整以后,还要对灌溉过程进行精准控制。为了达到精准控制,需要实时地获得地面灌溉的水流运动信息。也就是要知道水一旦被引入到地块以后,5分钟以后水到哪了,10分钟以后水又到哪了,在这个田块内它有不同的位置,所以要能实时地了解水流的运动信息。为了配合水肥一体化的应用,为了和施肥相结合,也需要有适合于地面灌溉的施肥装置。这都是为了能够精确地感知在地面灌溉条件下,水流跟肥料,也就是溶质的运动信息。获得水流的运动信息以后,就可以对地面灌溉的过程进行一种实时的反馈控制。水流的前锋在地面不停地从一头推进到另一头,相应的感应信息就会被感知,然后传送到计算机,就可以描绘出水流在农田表面所处的位置。通过实测的位置与计算机里模拟出来的最优位置,进行对比,可以实时地调整灌溉过程。也就是说,当理论上的灌溉水流在田块内的推进过程如果与设计中的不相符,可以通过对灌溉的控制方案进行相应的调整,最后还是能够达到预期的灌溉水平。

  随着技术的进步,社会经济的发展,我国节水灌溉技术也在不断更新,先进、实用、高效的技术不断地被科技人员去发现,去掌握,然后变成一个实用的技术模式去示范,去推广,从而确保我国粮食稳定增产。

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