井灌区节水增温技术研究进展

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　　摘  要：高寒地区井水灌溉由于水温偏低，影响作物的产量和品质，且随着井灌区面积的扩大，地下水超载严重。该文介绍了当前国内井水灌溉的一系列节水和增温技术，分析了井灌节水增温技术的研究现状，对井灌节水增温技术的发展进行了展望，旨在为优化井灌区灌水技术提供参考借鉴。
　　关键词：井水灌溉;增温技术;节水技术
　　中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）13-0096-03
　　Abstract：The temperature of well water is low in high cold region，easily reducing crop yield and quality. With the well-irrigation area expanded，the overload phenomenon of groundwater has become serious. The passage introduces a series of water-saving and warming technologies in the field of well irrigation in china. The authors propose that the technologies of water-saving and warming should be combine with practice to make a best project，and point out the research should be based on the advanced technology and overcome technical difficulties. The article is aimed at providing more references for the optimization of irrigation technologies in well-irrigation areas.
　　Key words：Well irrigation;Water-saving technologies;Warming technologies
　　黑龙江省三江平原地区地处高寒地区，是我国重要的商品粮生产基地。自20世纪以来，该地区大力发展井灌水稻种植，截至2000年底，井灌面积高达约80%左右[1]。当前，井灌水稻的种植发展面临以下2大难题：（1）井水温度过低。水稻是喜温作物，适宜的生长温度为25～35℃，而用4～6℃井水灌溉[2]，极大地影响着水稻的生长发育，致使水稻生育期延长，分蘖减少，品质下降[3]，导致井灌水稻大面积减产甚至绝产，造成严重后果。（2）造成地下水超载。黑龙江省多年平均水资源量为810.3亿m3，人均水量2160m3，均低于全国平均水平，耕地的85%集中在松嫩平原、三江平原，而这2个地区的水资源量仅占全省水资源量的50%[4]。井灌的灌溉方式使得全省每年超采地下水达30亿m3，形成地下水漏斗30余个[5]，对资源环境形成了一定的影响。研究表明，提高井水灌溉温度，对寒地水稻植株形态特征、光合特性、产量及水肥利用效率均会产生显著的积极影响[6]。因此，如何通过一定的增温措施，将井水温度（5～6℃）提高到水稻生长发育所必需的下限温度（13℃左右），对于水稻种植非常重要[7]。另外，在提升井灌增温技术的同时，还应大力发展井灌节水栽培技术，这对于解决水资源短缺与有效利用问题，提高井灌区节水能力具有重要意义。
　　1 井灌增温技术研究现状
　　我国井灌区主要分布在北方的东北平原，华北平原等平原地区，内蒙草原区，西北黄土高原区，江淮山丘旱洪区以及西北内陆区。为了减轻井水温度低造成的作物冻害，一系列科学研究提供了较为有效的解决措施。
　　1.1 工程措施 井灌稻增温灌溉的有效方法有设晒水池、延长渠道增温等，其机理是通过增大水流与外界空气的接触面积和接触时长来缩小水温与气温之间的差距，从而实现井水温度的提升。曹印龙[2]等通过对25组晒水池内井水增温的影响因素数据进行处理，利用回归分析，得出水温随着流程和气温的增加而增加，随着流速的增加而减小。与晒水池相似，渠道增温主要与渠道长度、流量、流速、气温、渠道宽深比等有关[8，9]，当渠道增长、流速减小、气温升高，使得渠道内井水与外界接触面积变大或时间变长，有利于改善渠道中水流的增温效果。因此，一般宽浅式输水渠道增温效果较好[10]。除此之外，过水埝子、升温田[10]等工程措施也具有一定的升温效果，其机理与晒水池、輸水渠道大致相同，即通过增加水流流动路径的长度延长与空气中热能交换的接触面积与时间。
　　1.2 非工程措施 井灌增温的非工程措施有设备增温和水管理增温2种。设备增温主要有小白龙喷雾、渠道和晒水池覆膜、散水器、增温水车、修建跌水、溅水物、挡水板、晒水板等。小白龙喷雾、散水器、增温水车、溅水物和挡水板（类似于消力坎）均为利用设备使得水流分散并充分暴露于空中，大大增加了水与空气的接触面积，即与光热充分接触，增温效果良好。水管理增温措施有快灌、少灌、早泡田、控制灌水时间、水量和次数等[2]。遵循温度的昼夜变化规律，白天太阳辐射热已经与灌溉水充分交换，且夜间低温对作物影响较小[11]，可以采取午夜灌水代替白天灌水的措施。为寻找合适的井灌灌溉制度，顾春梅等对井间控与井间歇等不同灌水方式的水温变化展开了实验和分析，研究认为井间控利用了快、少的灌水原则，与井间歇长时间、大水量的灌水方法相比，增温速度快，增温幅度大，增温效果好[12]。冷水灌溉在灌水方法上杜绝大灌大排，以小水缓流进地为好[13]。
　　1.3 组合措施 采取“工程措施+设备增温措施”形式，在晒水池内设置若干交错分布的挡板，这一措施可延长水流的流动路径[7]，保证晒水池正常功能不受影响，同时避免了土地资源的浪费;采取多种设备增温组合形式，例如把溅水物、增温板、挡水板组合在一起使用，可以明显提升增温的效果。采取组合式增温技术更容易达到理想的增温效果。在实际生产活动中，可以尝试多种增温技术方式的排列组合，并因地制宜，综合运用，采取达到最佳增温效果的组合措施。 　　2 井灌节水技术研究现状
　　2.1 井渠节水 要实现机井和渠道的节水管理，首先，需要精准掌控机井的提水量，了解当地灌溉用水的现状以及存在的问题;其次控制水在传输过程中的渗漏量，使水资源送达田间的效率更高。
　　2.1.1 机井开采的信息化管理 创建灌溉节水智能控制与信息化管理系统，是近年来井灌区水资源管理的新方向。对机井实行有效的取水管理，尤其是水的计量和井灌信息的收集，为推动井灌区灌溉节水做好了信息资源储备和硬件条件。该系统还可以同时显示出地下水位等值线和土壤墒情情况，可为实时掌握旱情、掌握灌溉节水进程提供准确的数值数据[14]。通过在机井处实行这项信息化管理技术，点对点地将数据传输至手机等终端设备上，农户可以根据历次灌溉的定量数据记录，掌握节水灌溉的技巧，水资源管理部门可以利用各户灌溉用水的数据进行定向的节水灌溉指导与节水知识普及，水费的计量收取也更加方便，从而有效地促进了当地农民主动采取节水灌溉措施。
　　2.1.2 井渠防渗 井渠防渗可以提高井水利用率，减少水资源的渗漏量，扩大可灌溉区域的面积。在施工条件允许的情况下，优先选用U型渠道，U型渠又分预制混凝土、现浇混凝土宽浅式和窄式3种[15]，其次选用梯形和矩形断面;通常需要对渠道进行衬砌，保证表面糙率小[16]。井灌区在输水过程中常采用低压管道，一般单井自成管网系统，需结合实际情况寻求管径的最优组合[17]，使得水头损失较小、经济效益较高。
　　2.2 田间节水 井灌区现采用的主要灌溉形式为畦灌，在输水过程中容易造成水资源的浪费，通常可通过调整井灌区的灌溉方式和灌溉制度来达到田间节水的效果。
　　2.2.1 节水灌溉方式 滴灌、喷灌适用于各种水资源短缺的农业种植场合，井灌区同样可行。滴灌不破坏土壤结构，蒸发损失小，不产生地面径流，几乎没有深层渗漏，水资源的利用率可达95%，具有很好的节水增产效果;喷灌节水效果不及滴灌，但水的利用率相较漫灌大为提高，大约可节省水量30%～50%。滴灌和喷灌不仅提高了水资源利用率，还无需田间灌水沟渠和畦埂，节约了土地资源。井间控和渠间控是井灌区行之有效的节水灌溉方式。研究人员通过对比4种不同的灌溉方式（井水间控灌溉、井水间歇灌溉、渠水间控灌溉、渠水间歇灌溉）对水稻生育及产量的影响，认为井间控与渠间控的灌溉方式利用了“快、少”的灌水原则，不仅增温有效，还有较明显的节水和增产效应，是理想的节水灌溉方式[12]。
　　2.2.2 节水灌溉制度 制定作物节水灌溉制度，首先要掌握作物各生育阶段和作物需水敏感期计划湿润层土壤含水量的下限[17]，至少需要保证作物田间需水量，才不至于导致减产等严重后果，节水灌溉才有意义。井灌区的节水灌溉制度，需要根据当地的气候条件、种植作物、水文及地形情况等制定。为使得灌溉制度更加合理并显著提升节水效果，必须因地制宜，进行相关的试验研究。
　　2.2.3 节水配套措施 覆盖保墒技术可有效减少植物的叶面蒸腾、棵间蒸发所丧失的水量。目前，覆盖措施与滴灌措施的结合技术膜下滴灌在新疆等蒸发作用较强的地区得到了广泛的应用，既可以蓄水保墒，又能减少灌溉用水，还能提温保苗[17]，节水措施的结合运用为技术的创新提供了新思路。
　　3 结语
　　（1）我国在增温技术上仍以沿用过去的经验为主，对于组合式增温技术的经验较少，这将成为未来井灌增温技术攻关的技术要点与难点。
　　（2）节水技术随时代发展逐步走上“互联网+”道路。曾经大部分机井没有计量设施，是导致灌水粗放，水资源浪费的因素之一;如今，创建灌溉节水智能控制与信息化管理系统，有利于进行水量的计量和人为的密切监控，这对从根源上节水起到了至关重要的作用。
　　（3）节水工程措施与灌水管理需因地制宜。井灌地区的特点如下：降水时空分布不均，且与作物生长不同步，夏季多雨，春季干旱，地表水源在灌溉季节往往供给不足等。今后需结合当地的实际情况，制定相应的工程措施与标准，实现灌水管理的科学化，从而提升节水效率。
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　　（责编：张宏民）
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