緒論

水是生命之源、生產之要、生態之基，水資源是國民經濟和社會發展的重要基礎資源。我國人均水資源占有量不足2200m3，僅為世界人均水平的1/4，居世界百位之后。由于降雨的時空分布不均，我國水資源呈現南多北少、東多西少，夏秋多、冬春少的特點。占國土面積50%以上的華北、西北、東北地區的水資源量僅占全國總量的20%左右。隨著人口增加、經濟發展和城市化水平的提高，水資源供需矛盾日益尖銳，水資源短缺已成為我國經濟和社會發展的重要制約因素，而且加劇了生態環境的惡化。

雨熱同季的氣候特點，為我國的農業種植提供了良好條件，但由于降雨的時空分布不均，旱澇災害仍然是我國農業生產的主要障礙因子，灌溉與排水對于提高我國糧經作物的產量至關重要。新中國成立以來，農業用水量雖然不斷增加，但占全國總用水量的份額已由1949年的95%左右降到2010年的60%左右，隨著工業化、城市化進程的加速，工業和城市擠占農業用水的現象比較普遍，農業用水的份額還會逐步降低。穩定和擴大灌溉面積是保障我國糧食安全的重要途徑，但農業灌溉用水的緊缺又是我國的基本國情，因此，節水農業是我國農業發展的必由之路。

一、高效灌排的涵義

灌溉措施是指按照作物的需水要求，通過灌溉系統有計劃地將水量輸送和分配到田間，以補充農田水分的不足。排水措施是指通過修建排水系統將農田內多余的水分（包括地面水和地下水）排入容泄區（河流或湖泊等），使農田處于適宜的水分狀況或適宜的地下水埋深。在農田灌溉與排水的過程中，都應該有節水的意識。

在我國，人們習慣用“節水”這一提法，更確切地提法應當是“高效用水”，國外多用后者。節水是相對的概念，不同的水源狀況、自然條件和社會經濟發展水平，對節水有不同的要求。

《節水灌溉工程技術規范》（GB/T 50363）對節水灌溉的定義是：根據作物需水規律和當地供水條件，高效利用降雨和灌溉水，以取得農業最佳經濟效益、社會效益和環境效益的綜合措施。節水灌溉的目的是提高水的利用率和水分生產率，其內涵包括水資源的合理開發利用，輸配水系統的節水，田間灌溉過程的節水，用水管理的節水以及農藝節水增產技術措施等方面。

通常認為節水灌溉就是減少或避免用水浪費的灌溉，或節約灌溉用水量的灌溉。灌溉輸水過程中大量的滲漏、過量配水造成的退水棄水、旱作物大水漫灌造成的田面水量流失與深層滲漏以及稻田長期淹灌造成的大量滲漏等，均是灌溉用水中的水量損失或水量浪費，造成這種情況的灌溉則是粗放或落后的灌溉，亦即用水浪費的灌溉。因此，渠道防滲或管道輸水、實行計劃用水、旱作物采用精細的地面灌溉技術或噴微灌、水稻節水灌溉模式等，均可以大幅度減少渠道與田間的滲漏量、地表流失量，這是目前節水灌溉的最主要措施，其目的就是節約灌溉用水量。這種傳統的節水灌溉概念與目的在以往無可非議，以這種概念指導節水灌溉實踐已取得了很好的效果。但是，在當前水資源緊缺問題日益嚴重和農業節水科技高度發展的條件下，節水灌溉應適應節約水資源、保護生態環境和有利于生產實踐的要求。

從水文循環的觀點出發，節水灌溉就是減少“四水轉化”過程中水資源的無效損失量。一般來說，從某一流域或地區排向大海的地表水與地下水、從地表失散的無效蒸發量和過多的作物騰發量，都是無法回收的水量，但我們可以通過各類工程技術措施和農藝措施來控制它，把它減少到最低程度，減少的水量就叫節約的水資源量，國外把它稱為“真實的節水量”?！罢鎸嵐澦钡母拍钤谥笇КF行的節水灌溉實踐時，會導致一個結論：渠道可以不進行襯砌防滲，讓其滲漏后進入地下水，它并沒有流失，抽上來又可再利用；田間深層滲漏和退水量，也不算浪費，流到地下水和回歸水中后，仍然進入了水文循環，總的水資源量并沒有損失等。

傳統的節水灌溉與“真實節水”的概念是有區別的，前者是解決現實中存在的問題，后者是從理論上討論水的循環和再利用問題，但兩者并不矛盾。節約灌溉用水量，可以減少引水量，實質上仍是節約了水資源量，兩者是統一的。一般灌溉水都是通過修建灌溉工程而取得的，它是通過投入大量資金和勞力換來的商品水，引入到灌溉系統以后，就不能任意浪費。所以在對某一流域或地區進行節水灌溉規劃時，應根據各地的自然和經濟條件，做好水資源的全面規劃，把地面水、地下水和灌區回歸水等進行統一調度和分配，既要實現節約灌溉用水量，又要實現節約水資源量。

排水對于作物生長具有和灌溉同等重要的作用，沒有適當的排水條件和設施，就不能保證良好的作物生長環境。由于農田排水不可避免地要帶走部分養分和化學物質，不適當的排水不僅會造成農田養分的流失和水環境的污染，而且還會使農田的地表水、地下水或土壤水流失，增加灌溉的壓力。同時，農田排水在水資源短缺的地區，還可以作為一個重要的水源加以再利用，從而緩解水資源短缺的矛盾。因此，農田排水中也有節水的內涵。

長期以來，由于單方面強調排水對農業增產的作用而忽視了水資源節約和對環境方面的影響，水資源浪費和水體污染的問題比較突出。人們逐步認識到了這一點，而開始關注排水的控制問題。自20世紀70年代末控制排水技術問世以來，已經在美國、荷蘭、日本等國家得到廣泛的應用，被認為是最好的水管理技術之一?？刂婆潘夹g不同于傳統的自由排水，它通過在排水出口（明溝或暗管）加設控制設施，按照作物生長要求和農田的水分狀況對農田排水的水位實行有效地管理。研究表明，控制排水不僅可以減少不必要的水量流失，使雨水和土壤水分得到充分利用，從而減少灌溉次數，減輕對水資源的需求壓力，同時還可以減少肥料的流失，從而減輕農田化學物質對水體的污染。

將節水灌溉與農田控制排水的理論與技術進行組合，形成農田高效用水灌排模式，是未來農田灌排發展方向。因此，我們將高效灌排的涵義定義為：根據作物需水規律、作物生長所需的農田水分適宜狀況和當地供排水條件，高效利用降水、灌溉水和地下水，以取得農業最佳經濟效益、社會效益和環境效益的綜合措施。

二、發展高效灌排技術的重要意義

由于降水的時空分布不均，導致我國水旱災害頻繁。據不完全統計，從公元前206年到1949年的2155年間，我國發生較大的水災1092次，較大的旱災1056次，幾乎每年都有一次較大的水旱災害。從1950年到2012年的63年間，水災年均受災面積980.385萬hm2，成災年均面積542.04萬hm2，平均成災率達55.3%；旱災年均受災面積2128.205hm2，成災年均面積946.885hm2，平均成災率達44.5%。因此，興修水利、發展灌溉、防治水患，是我國歷代安邦治國的一件大事。

新中國成立60多年來，我國的灌溉排水事業取得了巨大成就，灌溉面積由1949年的1600萬hm2加到2012年的6250萬hm2，占全國總耕地面積的50%以上；全國有易澇耕地2447萬hm2，漬害田766.7萬hm2，鹽堿耕地760萬hm2，到2012年全國除澇面積已達到2185.7萬hm2。農田灌溉與排水極大地提高了農業綜合生產能力，以全國耕地面積一半的灌排農田生產了全國75%以上的糧食和90%以上的經濟作物，為保障國家糧食安全做出了重大貢獻。

從我國目前的實際情況看，一方面水資源較緊缺，而另一方面又存在水量的嚴重浪費現象。不少灌區尤其北方灌區，由于灌水量偏大，渠道滲漏嚴重，加上管理不完善等原因，自流灌區灌溉水有效利用系數只有0.45左右，井灌區一般也只有0.7左右，全國的灌溉水有效利用系數僅為0.5，遠低于0.7～0.8的世界先進水平。由于糧食生產的極端重要性和灌溉用水量大、效率低的特殊性，為緩解我國水資源危機，認真搞好農業節水，大力發展高效灌排，具有十分重要的意義。

長期以來我國的農田灌溉與排水工作都是圍繞著促使農業高產穩產而進行的。過去，由于受主觀認識以及客觀條件的限制，沒有把節水工作放到應有的地位。隨著我國社會經濟的迅速發展，人口、資源與環境的問題日益突出，構建節約型社會是我國社會發展的唯一選擇。在新的歷史發展時期，大力發展高效灌排事業，是進一步改善農業生產條件，緩解農業用水供需矛盾的需要，是加強農業基礎設施建設，促使農業高產高效的有效措施，是農田水利基本建設的主要內容之一。發展高效灌排的意義不僅僅是節約灌溉用水，而且改變了傳統的農業用水、管水方法?，F代高效灌排，特別是先進的噴、滴灌技術和農田控制排水技術，大量采用高分子材料、信息采集、自動控制、計算機數據處理等先進科學技術和器材設備，能夠科學有效地控制灌水質量、灌排水時間、灌排水量等，大大促進了農田水利的科技進步，提高了灌溉的科技含量，高效灌排已成為水利現代化的主要標志之一。發展高效灌排不僅要研究作物需水規律和灌溉排水技術，還要研究開發一系列與之密切相關的新材料、新設備、新工藝、新技術，可帶動和促進水利產業的建設與發展。高效灌排為農作物生長創造了比較適宜的水分條件，通過水的作用，影響土壤的肥、氣、熱等因素，促使作物高產、穩產，同時，先進的灌排技術又反過來促進農業耕作栽培技術、良種培育等的變革。高效灌排與農機、施肥、植保等其他現代農業科技相配套，成為現代化農業不可缺少的組成部分。實行高效灌排所節省出的水量用在工業和城鎮生活方面，緩解城市和工業用水供需矛盾，有利于國民經濟快速、健康、持續發展。此外，發展高效灌排，還有利于促進人們在用水、管水方面的思想觀念更新，提高用水管理水平，促進建立適應社會主義市場經濟體制要求的用水、節水、管水新機制。因此，高效灌排是我國農田水利發展史上意義深遠的一場重大變革。

三、高效灌排理論依據

科技進步和生產發展，促進了人們對灌排原理的認識不斷深化，經濟發展與水資源緊缺的矛盾，給農田灌排科學提出了新的目標和要求。為了既能節約用水，又能保持農業持續發展，即最經濟地利用有限的水資源和最有效地進行灌排，必須要有一定的高效灌排理論作指導。

長期以來，人們對農田灌溉與排水中的節水理論作過許多有益探索。20世紀70年代，在水資源緊缺的形勢下，比較廣泛地開展了節水灌溉的試驗探索與有限水量條件下灌溉水的優化管理理論的研究。Hillel（1972）指出，節水灌溉理論研究的根本目的并非單純節約用水，而是通過供水和其他環境變量的優化提高勞動生產率。福田仁志（1973）也認為，灌溉的目的是土地和勞動生產率二者協調一致的提高，即缺水時每立方米水所獲得的產量和水管理的集約化問題。郭元裕（1983）利用最優化技術確定平原湖區排澇最優水面率時，考慮河網供水需要的調蓄水量，開始用灌排經濟學和系統工程學的原理評價灌排行為。Skaggs.R.W和G.J.Kriz（1979）在美國的北卡羅來納州采用地下水位管理的方式進行地下灌溉與排水，進而提出了控制排水技術，將節水、減排的理念引入農田排水領域。經過幾代人的努力，逐漸形成了近代灌排目標，即不但要取得最優的灌排效果，同時要具有更高的灌排效率。因此，高效灌排的根本目標是在有限的供水量和排水條件下，能以最小的費用、最大限度地獲得單位水量的灌排產值（或產量），即力爭以最小費用獲得最大的凈效益。

水分在時空上的分布不均，作物在生育過程的需水要求不同，要保持二者間的平衡往往是暫時的或相對的。從全過程和整體觀察，在許多情況下，水分虧缺脅迫和澇漬脅迫的矛盾總是不可避免。水分虧缺脅迫包括：供給土壤水數小于土壤水分消耗量的“土壤水分虧缺”；蒸騰失水大于根系吸水的“作物水分虧缺”。澇漬水脅迫是指農田地表滯水較深或受地下水浸漬，使土壤還原作用強烈，水、熱、氣和養分失調，土壤理化性狀惡化，使作物生長產生危害。灌溉排水的關鍵問題是在不同的可供水量和排水條件下，為了獲得最佳產量，允許作物在什么時候發生虧缺脅迫或澇漬脅迫及允許脅迫到什么程度？作物對水分脅迫逆境適應的能力有多大？當某生育階段發生水分脅迫，經過灌溉排水補救之后，其后遺影響的大小及延續時間的長短，它們最終會對產量和產品質量構成哪些影響？揭示并依據這些規律便可科學地制定農田灌溉排水的策略，成為高效灌排的理論依據。

物種資源中存在著一系列的對水分脅迫的適應機制。這種機制表現為干旱時的耐旱（或抗旱）作用和受淹時的耐澇漬作用。水分生理學研究表明，受水分虧缺脅迫的許多作物都表現了脯氨酸（Pro）和脫落酸（ABA）的積累，Pro增加對于滲透性的調節具有重要作用，作物通過滲透調節，能使細胞內滲透勢大于周圍環境的滲透勢，以便維持細胞內一定膨壓，利于保持水分和各種代謝過程的進行及抗滲透脅迫能力的增強。ABA的積累可能對氣孔關閉有某種作用，從而減少和調節蒸騰強度，有利于作物體保持一定水分。植物的抗澇漬能力主要取決于植物的形態結構和生理代謝對缺氧的適應能力。澇漬脅迫環境下，形成不定根是植物對澇漬脅迫的一種主要適應方式，不定根能夠迅速代替因缺氧而死亡的初生根，有利于根部形成有氧呼吸結構，既能滿足植物根系生理活動的需求，還能避免葉片碳水化合物的過量積累，維持光合速率不變。與此同時，植物體內誘導合成了一些新的蛋白及酶類物質，如植物葉片的游離脯氨酸累積，游離脯氨酸可促進蛋白質水合作用，進而增強植物耐滲透脅迫的能力，防止水分散失以及維持細胞質的穩定性，從而對植物體內的酶和膜具有保護作用，提高了植物體抗性。這種生物適應能力隨作物種類和品種不同有較大的差異，對作物的耐性增加和延遲脅迫的適應性機制作出生理解釋和揭示，有助于高效灌排作物品種、種類的分析和選擇。

大量的研究表明，適度的水分虧缺脅迫和澇漬脅迫并不一定會顯著降低作物產量。作物在適度水分虧缺脅迫或澇漬脅迫下具有一定的適應和抵抗效應，在經受短期水分脅迫時，作物生長和發育雖受到一定的抑制，但經過灌水或排水的補救，一段時間后又會加快生長，表現為一種補償生長的效應。適度的水分脅迫雖然會影響作物葉片的生長擴張，但并不影響葉片的氣孔開放，不至對光合作用速率產生明顯影響，最終不會影響產量。由于水分脅迫對蒸騰的影響遲緩于生長，在水分脅迫過程中，蒸騰作用卻超前于光合作用的下降，因此即使在輕、中度脅迫情況下，氣孔開度減小，蒸騰速率可能較大幅度下降，但光合作用仍不致顯著下降，最終并不一定會造成產量的明顯降低。

四、高效灌排技術體系

灌溉用水從水源到田間，再到被作物吸收、形成產量，主要包括水資源調配、輸配水、田間灌水和作物吸收等四個環節。在各個環節采取相應的節水措施，組成一個完整的節水灌溉技術體系，包括水資源優化調配技術、節水灌溉工程技術、農藝及生物節水技術和節水管理技術。其中節水灌溉工程技術是該技術體系的核心，已相對成熟并得到普及，其他技術相對薄弱，急需加強研究開發和推廣應用。

1.灌溉水資源優化調配技術

該技術主要包括地表水與地下水聯合調度技術、灌溉回歸水利用技術、多水源綜合利用技術、雨洪利用技術。

2.節水灌溉工程技術

該技術主要包括渠道防滲技術、管道輸水技術、噴灌技術、微灌技術、改進地面灌溉技術、水稻節水灌溉技術及抗旱點澆技術。直接目的是減少輸配水過程的跑漏損失和田間灌水過程的深層滲漏損失，提高灌溉效率。

（1）渠道防滲技術：采用混凝土護面、漿砌石襯砌、塑料薄膜等多種方法進行防滲處理，與土渠相比，渠道防治可減少滲漏損失60%～90%，并加快了輸水速度。

（2）管道輸水技術：用塑料或混凝土等管道輸水代替土渠輸水，可大大減少輸水過程中的滲漏和蒸發損失，輸配水的利用率可達到95%。另外還能有效提高輸水速度，減少渠道占地。低壓管道輸水技術在我國北方井灌區已經普及，但大型自流灌區尚處于試點階段。

（3）噴灌技術：噴灌是一種機械化高效節水灌溉技術，具有節水、省勞、節地、增產、適應性強等特點，被世界各國廣泛采用。噴灌幾乎適用于除水稻外的所有大田作物，以及蔬菜、果樹等，對地形、土壤等條件適應性強。與地面灌溉相比，大田作物噴灌技術可節水30%～50%，增產10%～30%，但耗能多、投資大，不適宜在多風條件下使用。

（4）微灌技術：包括微噴和滴灌，是一種現代化、精細高效的節水灌溉技術，具有省水、節能、適應性強等特點，灌水同時可兼施肥，灌溉效率能夠達到90%以上。微灌已由果樹、蔬菜等少數經濟作物向行播大田作物發展，如近年來新疆棉花滴灌發展迅速，取得了良好的節水增產效果。微灌的主要缺點是易于堵塞、投資較高。我國在引進、消化吸收國外先進技術的基礎上，已基本形成了自己的微灌產品生產能力。

（5）改進地面灌溉技術：在今后相當長的時期內，地面灌溉仍將是我國主要灌溉方式。地面灌溉并非“大水漫灌”，只要在土地平整的基礎上，采用合理的灌溉技術并加強管理，其田間水利用率可以達到70%以上。多年來，我國普遍推廣的溝、畦灌水技術，在土地平整的基礎上，大畦改小畦，長溝改短溝，使溝畦規格合理化，可減少灌水定額1/5～1/4。改進畦（溝）灌溉技術、田間閘管灌溉技術、波涌灌溉技術等改進地面灌溉技術的集成配套與組合應用，形成了適合不同類型灌區的田間工程設計和應用模式，取得了良好的節水增產效果。

3.農藝及生物節水技術

該技術包括耕作保墑技術、覆蓋保墑技術、優選抗旱品種、土壤保水劑及作物蒸騰調控技術。目前，農藝節水技術已基本普及，但生物節水技術尚待進一步開發。如采用保水劑拌種包衣，能使土壤在降水或灌溉后吸收相當自身重量數百倍至上千倍的水分，在土壤水分缺乏時將所含的水分慢慢釋放出，供作物吸收利用，遇降水或灌水時還可再吸水膨脹，重復發揮作用。此外，噴施黃腐酸（抗旱劑1號），可以抑制作物葉片氣孔開張度，使作物蒸騰減弱。

4.節水灌溉管理技術

該技術包括灌溉用水管理自動信息系統、輸配水自動量測及監控技術、土壤墑情自動監測技術、節水灌溉制度等。其中，輸配水自動量測及監控技術采用高標準的量測設備，及時準確地掌握灌區水情，如水庫、河流、渠道的水位、流量以及抽水泵站運行情況等技術參數，通過數據采集、傳輸和計算機處理，實現科學配水，減少棄水。土壤墑情自動監測技術采用張力計、中子儀、TDR等先進的土壤墑情監測儀器監測土壤墑情，以科學制定灌溉計劃、實施適時適量的精細灌溉。

5.控制排水技術

控制排水技術起源于20世紀70年代歐美一些國家，是在田間排水系統的出口設置控制設施，通過調節控制設施來調節田間的地下水位，達到排水再利用、治理澇漬害、減少排水對承泄區污染的目的?？刂婆潘ㄟ^抬高地下水位，可以使土壤水分得到充分利用，從而減少灌溉次數，減輕對水資源的需求壓力，同時可以改善排水水質。大量研究表明，常年對農田實行控制排水措施可以減少大約30%的排水量，可以減少硝態氮含量的20%左右，總氮減少量約為45%，而磷大約可減少35%?？刂婆潘呀浽诿绹?、荷蘭、日本等國家得到廣泛的應用，被認為是最好的水管理技術之一。國內對控制排水的研究始于20世紀90年代后期，安徽淮北地區為治理洪澇災害，開挖了大量的深溝大渠用于排水，90年代起，當地農民開始自發地在大溝中建壩蓄水灌溉，在我國率先進行了控制排水的實踐。水稻控制排水技術從上世紀末開始重視，1997—2000年沈榮開教授結合水利部“948項目”“控制排水田間工程及水管理成套技術”，在廣東臺山開展了水稻控制排水自動化控制的有關研究；2004年羅紈教授在寧夏銀南灌區進行了控制排水技術的相關研究；2006年以來，河海大學系統開展了水稻控制排水技術研究，提出了水稻節水、減排、高產灌排技術指標和田-溝-塘協同調控技術模式。