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1前言

我国目前95％以上的灌溉面积仍采用不同形式的地面灌溉。传统的地面灌溉包括畦灌、沟灌、格田淹灌和漫灌，由于田间灌溉工程设施不完善，土地不平整，灌溉管理粗放等问题，水的浪费相当严重。地面灌溉不仅是发展中国家广泛应用的灌水技术，在发达国家也是主要的灌水方法。如美国，1997年地面灌溉面积仍占总灌溉面积的50.7 %^[1]。随着土地集约化规模经营的发展，大型农业机具的使用以及激光平地技术的应用，使得地面灌溉在灌溉均匀度和灌溉效率两方面都有很大提高。计算机技术在地面灌溉管理和设计中的应用，为改进地面灌溉提供了更有力的工具。同时一些先进的地面灌水技术，如波涌灌溉技术、水平畦田灌溉技术和田间闸管系统等，在发达国家得到广泛应用，取得了显著的节水效益^{[2, 3]}。

长期以来，对地面灌溉存有一种偏见，甚至将地面灌溉等同于大水漫灌。因此，对改进地面灌水技术给予高度重视，研究推广先进的地面灌溉方法，显得格外重要。随着水资源供需矛盾的突出，改进地面灌溉技术、提高地面灌溉方法的灌水质量正成为当今现代农业节水技术的重要组成部分“九五”期间“节水农业技术研究与示范”项目列入国家重点科技攻关计划，中国水科院承担的“田间节水灌溉新技术研究”专题对波涌灌溉技术和水平畦田灌溉技术进行了深入研究，取得了丰硕的成果^[4]；结合“948”项目，中国水科院引进国外先进技术和设备，开发生产了田间柔性闸管，并对闸管灌溉技术进行了推广应用；中国水科院与欧盟开展的合作项目“华北平原农业持续发展水土资源管理研究”及“黄河流域节水策略研究”对改进地面灌水技术进行了系统研究^[5]；国家节水灌溉北京工程技术研究中心通过承担科技部农业高效用水科技产业示范工程项目（新疆）中的“改进地面灌溉新技术集成”研究，对激光控制平地技术、田间闸管灌溉技术和高效沟灌技术进行了研究^[6]。本文结合我国国情，总结了国内外改进地面灌溉技术的各项措施，探讨了现代灌溉技术的发展趋势，并对其在我国的应用前景进行了展望。

2我国地面灌溉现状评价

近几十年来地面灌溉技术已得到较大发展，其中最重要的进展之一就是建立了地面灌溉的田间评价方法。通过对地面灌水全过程内的不同阶段进行量化观测，了解和分析现有系统中可能存在的问题和不足，找出影响地面灌溉效果的主要因素，为改进地面灌溉系统的性能提供科学依据。地面灌溉的田间评价方法已在国外已得到广泛应用^{[2, 7]}。

2．1田间灌溉效果

地面灌水技术在旱作地区大多采用畦灌和沟灌的形式，在西北、华北地区，采用传统的大畦、长畦地面灌溉方式还相当普遍，管理粗放，沟渠规格不合理，田间水的浪费十分严重。如豫东平原井灌区的畦田，畦长小于50m的只占9.1%，超过100m的占45%，平均为100m；畦宽小于4m的只占14%，大于6m的占34%，平均为6m。田间灌溉水的利用率只有0.5~0.7左右。西北不少地区仍沿用大畦大水漫灌的旧习，水的浪费更为严重。

沟灌适用于宽行距中耕作物，如棉花、玉米等。目前我国各地灌水沟长度在砂壤土时为30~50m，粘土时为50~100m。入沟流量一般为0.5~1.5l/s，沟距50~80cm，应土壤质地而异。因此，沟灌使地面灌溉中较好的一种方法，能控制较小的灌水定额，沟灌一般比畦灌省水30%左右。目前在井灌区，还采用细流沟灌，一般每条沟流量控制在0.1~0.5l/s以下，沟长20~50m，沟的深度为15~20cm，宽度30~40cm^[8]。

中国水科院与欧盟的合作项目以河北省雄县作为华北黄淮海平原的典型代表，对冬小麦生长期内的4次灌溉进行了持续跟踪评价^[5]。总体上说，研究区内灌溉均匀度DU的变化范围在84%到90%之间，反映了在现有条件下畦灌系统可保持较高的灌溉均匀度值。而且对不同的灌溉时节，灌溉均匀度值没有明显差异。较高的DU值与田间过量灌溉有关，因为实测平均灌溉水深值Z_avg远大于实际灌溉需水量Z_req；而田间灌溉水利用率E_a值较低，变化范围在52%到79%之间。整个冬小麦生长期内的平均灌水量为545mm，灌溉需水量为330mm，畦灌条件下平均田间灌溉水利用率仅为60%。

沟灌的情况则可用新疆棉花的试验结果进行评价^[6]。根据农七师127团灌溉科的统计资料，2000年全团棉花生育期平均灌水量为420mm（最大578mm），平均每次140mm（最大192mm）。其中，第1水平均138mm，第2水平均143mm，第3水平均140mm。田间实测3次灌水量的结果是，第1水192mm，第2水165mm，第3水120mm，平均每次159mm，3水合计为477mm。根据当地棉花需水量计算，沟灌条件下平均田间灌溉水利用率仅为45%。

现有研究成果表明：我国地面灌溉条件下灌溉均匀度值较高，其原因与田间过量灌水直接相关；田间灌溉水利用率普遍较低，反映田间灌溉技术和灌溉管理方面问题突出，造成地面灌溉的灌溉效果较差。

2．2影响地面灌效果的因素

灌溉均匀度DU和田间灌溉水利用率E_a可表达为如下技术要素的函数^[9]：

                                              （1）

                                      （2）

其中：

                                                         （3）

式中q_in为入地单宽流量；L为畦（沟）长；n为曼宁系数；S₀为田块微地形条件；I_c为土壤入渗参数；F_a为畦（沟）横断面参数；t_co为灌溉供水时间；SMD为灌溉时土壤水分亏缺值；q_fc为土壤田间持水量；q为灌溉时土壤含水量；RD为根区深度。

在影响地面灌溉效果的诸多因素中，q_in、L、及F_a可根据田间实测数据确定；S₀可由田块地面高程确定；n和I_c受土壤空间变异性影响难以在实地精确测定，但可通过地面灌溉模型反求；t_co为重要的管理参数，是改进现有地面畦灌管理的重要依据。灌溉均匀度DU反映了地面灌溉系统的自然特性，其值更多地取决于系统的自然条件与特征；田间灌溉水利用率E_a除受这些特征参数的影响外，还取决于灌溉制度和田间灌溉管理水平，如作物需水量、SMD值等。以上灌水技术要素对地面灌溉特性的影响并不是独立的，各因素间往往存在着内在联系。在定量分析各技术要素对系统性能影响的基础上，找出最主要的也是最重要的因素，进而有针对性的对其加以改进是提高地面灌溉系统运行水平的重要基础工作。通过对田间实测资料的分析，得到地面灌溉条件下影响灌溉效果的主要因素如下^{[5, 10]}：

²          入地单宽流量q_in：较大的q_in值意味着较快的推进过程，有助于获得较好的灌溉特性。畦田宽度是控制q_in值大小的主要因素。

²          畦（沟）长度L：畦（沟）较长时，微地形条件的影响更为显著。

²          微地形条件：田块的平整度对提高灌溉效率影响极大，较高的地面平整条件，将获得较高DU和E_a值。

²          入渗参数：入渗参数对DU和E_a都有影响。入渗参数值较大时，需要的灌溉供水时间t_co也较长，在田间管理水平较低的情况下，极易造成DU和E_a值的降低。

2．3地面灌溉节水潜力分析

根据田间评价，可以对我国地面灌溉存在的主要问题概括如下：

²          灌溉均匀度低。一般的讲，畦灌条件下进地流量过小，与畦块长宽比例不当，造成水流推进缓慢，灌溉均匀度较低。 

²          田块地面高低不平，水流推进慢；或是地块尾部的反坡较大，造成壅水，影响了灌溉效果。

²          田间灌溉管理粗放，灌溉时畦（沟）跑水、漏水现象严重。

针对上述存在问题，根据影响地面灌溉效果的主要技术要素，可以利用计算机模拟模型对地面灌溉节水潜力进行分析。结果表明：整个生长期内总灌水量得到降低，可节水138mm，整个生长期内总的田间灌溉水利用率高达81%^[10]。

3改进地面灌溉的主要措施

地面灌溉技术的改进包括灌溉系统设计的改进和田间管理水平的提高。式1和2中的诸因素可分为如下几类：

²    设计时的可控制变量：q_in，L，S₀；即地面灌溉的系统变量；

²    土壤参数：n，I_c；不可控制变量，进行地面灌溉系统设计时要与这些参数协调；

²    管理参数：SMD，决定灌溉时间及灌溉需水量；

²    灌溉管理的目标：t_co值。

因此，改进地面灌溉的措施可分为三个不同层次。第一是在技术层次上，应增加获得较好灌溉效果的能力，如通过应用土地平整技术改进田块微地形条件、应用高效节水地面灌溉技术等；第二是在设计层次上，要保证灌溉系统得到合理设计；第三则是在管理层次上，要强调农民的参与。下面则对目前国内外广泛应用的改进地面灌溉技术措施进行分析，评价不同技术措施的效果。

3．1土地平整技术

农田土地平整是地面灌溉系统的重要组成部分之一。平整的农田表面有利于进地水量和灌水深度分布的变化相对均匀，使根区内水分入渗保持较好的均一性，起到改善田间地面灌溉效率和灌水均匀度的作用。平整土地还有益于田间农机耕作和栽培措施的实施，增加作物种植密度，提高出苗率等，达到节水增产的目的。国内外的研究结果表明：土地平整能有效地提高水、劳力和能源的利用率，是改善地面灌溉方法的重要技术措施之一^{[7, 9, 10]}。

土地平整方法包括常规土地平整措施和激光控制平地技术。常规平地方法采用的设备有推土机、铲运机和刮平机。它具有土方运移量大、平地费用相对较低的特点，适合于在地面起伏较大、原始平整度较差的田面内完成粗平，改变田块的宏观地形。激光控制平地技术是目前世界上最先进的平地技术，田间应用结果表明，激光控制平地方法可以使田块平整精度指标S_d达到小于2cm的水平，在目前华北平原井灌区内现有农田地面平整状况下，土地平整精度每改善1cm所需投入的直接平地费用约为83RMB/hm²；考虑到我国渠灌区田块平整条件较差的现实，应先采用常规平地方法完成土地粗平，再实施激光控制下的土地精细平整^{[11, 12]}。

不同田面平整精度处理下的小区畦灌试验资料表明，地面平整精度对入畦水流推进愈消退时间和畦田入渗分布状况具有较大的影响。田间灌溉水利用率E_a、灌溉均匀度DU、用水效率WUE等参数随田面平整精度下降而递减的趋势当S_d值高于2cm后较为明显，而低于2cm时彼此间的差异却不显著。受畦灌系统性能差异的影响，作物产量与田面平整精度间的关系也反映出与上述趋势相似的变化规律，当S_d值高于2cm后，产量递减受地面平整状态的影响亦较为显著。这表明要实现改善畦田灌水质量、节水增产的目的，田面平整精度应以不大于2cm为最佳，为达到这个地面平整标准，则需实施激光控制下的土地精细平整技术^[13]。利用不同田面平整精度处理下获得的田间畦灌试验资料，针对不同的灌水时间条件设置，采用地面灌溉模型SRFR模拟了3种典型地面平整状况下的水流推进与消退过程和畦田水分入渗分布状况，分析讨论田面平整精度对畦灌系统性能的影响。模拟结果表明，随着田面平整精度的改善，畦灌系统性能评价指标显著提高。与田面粗平状况相比，激光控制精细平地条件下的灌溉效率可提高34%，灌水均匀度可提高28%^[14]。

3．2闸管灌溉

田间闸管是可以移动的管道，沿管道一测带有许多小型闸门，水通过这些闸门进入畦（沟）。闸门的间距可与畦（沟）间距一致，并且闸门开度可以调节，用以控制进入畦（沟）的流量。根据使用材料的不同，可将田间闸管分为柔性闸管系统和硬闸管系统。其中柔性闸管系统有时也称作地面软管，可采用塑料、橡胶或帆布等材料制成。具有造价低、易于应用等优点，但使用寿命相对较短；硬闸管系统采用抗老化PVC或铝等材料，配有快速接头，可根据畦（沟）条件在田间组装使用。与柔性闸管系统相比，硬闸管使用寿命长，但造价相对较高。

我国目前普遍应用的田间闸管为柔性闸管。在实际应用中，田间闸管既可以替代土毛渠畦到田间配水的作用，同时通过闸阀控制，还可以调整配到畦（沟）水量。图1分别显示闸管灌溉在畦灌和沟灌条件下的应用情况。田间应用考核表明，该项技术投资少、见效快、施工方便、使用简单，适应我国大田作物节水灌溉技术发展的需要,它的推广应用将会产生明显的经济效益和社会效益。

闸管灌溉系统可以有效地实现田间控制灌溉，田间灌溉水利用率达到了80%，可比现状节水30%~40%，而且具有减轻劳动强度、减少田间毛渠及田埂占地等优点。此外，从灌水沟长50m、100m、150m的节水效果看，随着沟长的增加，其节水效果不断下降。综合考虑节水及闸管设备投资等因素，在常规机械平地的条件下，闸管灌溉的灌水长度以100m为宜，最长150m^[6]。

闸管灌溉在畦灌中的应用

闸管灌溉在沟灌中的应用

图1        闸管灌溉在畦灌和沟灌条件下的应用情况

3．3水平畦田灌溉

水平畦田灌溉技术是建立在激光控制土地精细平整技术应用基础上的一种地面灌溉技术，自80年代起在许多国家已得到推广应用^[15]。国外的水平畦田灌溉系统中的田面通常为水平状态，灌水时的流量较大，水能在较短的时间内充满田块，均匀地分布在整个土壤表面。畦田可以是任意形状，周边由田埂封闭。畦块规格的设计取决于供水流量、土壤入渗特性等因素，一般在4hm²左右，较大的可达到16hm²。国外目前采用的水平畦田灌溉技术，就畦田的规格形式和灌水方式而言，均类似于我国的格田灌溉技术。但不同之处首先在于，国外采用激光控制平地技术完成二维畦面的无坡度平整，我国则一直采用常规机械平地设备进行土地粗平，田面平整精度上的差异显然较大；其次水平畦田灌溉方式在国外的大田作物中得到推广应用，而格田灌溉方式主要应用于我国南方的水稻作物，大田作物中几乎没有采用；最后水平畦田灌溉技术中对入地流量的要求较高，只有较大的供水流量才能满足入渗水分在田块内均匀分布的要求，而我国农田灌溉工程系统的末级进地流量受井灌区农用机井出水量和渠灌区田间输配水设施容量的制约普遍较小，难以达到实施这项技术所需达到的流量标准。

考虑到从国情条件出发的原则，对水平畦田灌溉技术在我国北方大田作物耕地上的应用进行因地制宜地改造，即在对现有田间灌溉工程进行必要改进与配套的基础上，采用激光控制平地技术完成对现有畦块的田面平整工作。通过激光控制平地作业，在水流推进方向上减小田块坡面上下起伏的不平整程度，消除局部倒坡或反坡，保持田块具有适宜的畦面纵坡，提高水流在田间的平畅推进速度；在垂直水流运动方向的田面上，则通过改善地面平整精度，使之达到水平的无坡度状态，导致水流横向扩散的田面凸凹障碍点的消除有利于水流推进锋面保持较高的均匀一致性，便于水流快速推进到畦尾（图2）。

应用水平畦田灌溉技术，田间灌溉水利用率由平均50%提高到80%，灌溉均匀度由70%左右提高到85%左右；与其他农业综合技术措施配合后，采用常规机械进行粗平后年使可增产20%，采用激光控制进行精平后年使可增产30%；作物的水分生产效率由1.13kg/m³的提高到1.7kg/m³。因此，水平畦田灌溉技术的节水增产效益显著^[4]。

3．4波涌灌溉

波涌灌溉是一种新型的地面灌水方法，它采用间歇供水、大流量的方式向沟（畦）放水，整个灌水过程依据田块长度被划分为几个周期，入地水流不是一次性的连续推进到沟（畦）末端，而是分阶段的由首端推进至末端。这种供水与停水交替发生的间歇灌水方式可以形成表土致密层，能够降低土壤的入渗率，同时先期灌溉湿润的沟（畦）段上田面糙率的减少有利于加快后期灌溉水流的推进速度，进而提高田间灌溉效率和灌水均匀度^[2]。波涌灌溉技术在灌溉自动化程度较高的国家已得到较为广泛的应用，我国也已经完成了机理研究、波涌灌设备国产化开发及初步的田间试验示范^{[4, 16]}。

波涌灌溉系统一般由波涌阀、自控器和田间输配水管道等组成，其中波涌阀和自控器是整个系统的核心，称为波涌灌溉设备。在田间应用过程中，需要根据土壤墒情、作物、田块尺寸等条件确定波涌灌溉的次数、每次波涌灌溉的时间及波涌灌溉的间歇比等技术参数。

新疆棉花波涌沟灌结果显示，采用波涌沟灌方法下的田间水流推进速度明显高于连续沟灌，且在棉花浇第1水时的效果最为明显，高达2倍左右。随着浇水次数的增多，波涌灌水的效果有所减弱，但总体仍达到1.5倍。在同样的入地流量条件下，由于波涌沟灌的水流推进速度快，因而既减少了地块首末受水时间上的差别，又减少了灌水时间，起到节水和灌水均匀的双重效果。波涌灌与连续灌相比较，可节水10~23%，增产10%左右，节水增产效果显著^[4]。

4现代地面灌溉技术体系

传统地面灌溉是一门古老的技术。随着现代科技的发展，传统地面灌溉技术也得到巨大的改变。其中以精细地面灌溉技术为特征的现代地面灌溉技术已得到世界各国的普遍重视，并在发达国家开始实地应用。我国在“863”国家高技术研究发展计划中也专门立题开展精细地面灌溉技术研究，对国际上先进的地面灌溉技术进行跟踪研究。

4．1现代地面灌溉技术特征

与喷灌、微灌等压力灌溉系统相比，传统地面灌存在的最大不足在于缺乏对灌溉过程的控制。对喷灌、微灌而言，可以根据作物的需求精确控制灌溉水的总量及其在田块内的分布。传统地面灌溉虽然可对灌溉水总量进行控制，却难以控制灌溉水在田块内的分布，由此造成传统地面灌溉的灌溉效果较差。因此，现代地面灌溉具有如下技术特征：

1．应用激光控制平地技术构筑精细地面灌溉技术的基础。高精度的土地平整是现代精准农业的基础平台，只有具备了高精度的土地平整，才能真正实现精量播种、精量施肥、精确收割（机械采棉）等。国外在农田水利工程建设中，都把平地作为一项重要的基础工作。激光控制平地技术可实现高精度的土地平整，因此得到了广泛的应用。

2．应用地面灌溉实时反馈控制技术提高对灌溉过程的控制。与其他压力灌溉方法相比，地面灌溉条件下水流在田间运动扩散的过程较为复杂。世界各国一直都把改进地面灌溉技术的重点放在加强对灌溉全过程的控制和管理上，以便提高地面灌溉的灌水质量。随着计算技术的发展，利用数学模型对地面灌溉全过程进行分析已成为改进地面灌溉技术的重要手段。地面灌溉实时反馈控制技术通过对田间水流运动过程的监控，利用田间观测数据反求地面灌溉的控制参数，制定高效节水的地面灌溉方案，并对地面灌溉过程实施反馈控制，实现对地面灌溉全过程的精细控制。

3．应用高效节水地面灌溉技术和设备，提高地面灌溉的自动化。通过积极采用水平畦田灌溉技术、波涌灌溉技术、绳索灌溉技术等先进的地面灌溉技术，不仅使地面灌溉具有一定的自动化能力，而且也保证了高效节水效果的实现。

4．制定合理的灌溉制度，加强地面灌溉的田间管理。由于地面灌溉方法的局限，采用地面灌溉技术很难实现小定额灌溉。因此，在制定地面灌溉的灌溉制度时，要充分考虑到灌溉技术的制约。

4．2我国现代地面灌溉技术模式及其应用前景

我国现有灌溉面积8.0亿亩，其中地面灌溉占95%以上。由于农田土地平整程度差，田间灌溉工程规格不合理、地面灌溉技术落后、灌溉管理粗放等问题，致使我国地面灌溉的田间水利用率不高。通过应用现代地面灌溉技术，可以大幅度减少地面灌溉过程中的水量损失浪费。这对改变我国地面灌溉的落后状况、从整体上缓解农业水资源短缺的矛盾、促进灌溉农业的可持续发展具有重要的现实意义，也将为我国农业现代化奠定基础，促进我国传统农业向现代农业的转变。

根据上述现代地面灌溉技术特征，提出如下适合我国国情的现代地面灌溉技术模式：

1．以冬小麦等大田作物为代表的现代畦灌模式

该模式采用的主要技术为：采用激光控制平地技术实现高精度的土地平整，扩大田块规格，提高农机作业效率；采用精量播种技术，降低播种量；采用水平畦田灌溉、波涌灌溉及喷、微灌等高效节水灌溉技术，提高田间水的利用率；采用精量施肥技术，提高化肥利用率；采用联合收割机技术，实现收割机械化。通过上述技术组合配套，集成小麦等大田作物的农业节水技术体系：高精度土地平整+精量播种+高效节水灌溉技术+精量施肥技术+机械化收割。

2．以棉花为代表的现代沟灌模式

该模式采用的主要技术为：采用激光控制平地技术实现高精度的土地平整，扩大田块规格，提高农机作业效率；采用精量播种技术，降低播种量；采用闸管灌溉、波涌灌溉、膜下滴灌等高效节水灌溉技术，提高田间水的利用率；采用机采棉技术，实现棉花采摘机械化。通过上述技术组合配套，集成棉花作物的农业节水技术体系：高精度土地平整+精量播种+高效节水灌溉技术+机械化采棉。

3．以水稻为代表的现代地面灌溉模式

该模式采用的主要技术为：采用激光控制平地技术实现高精度的土地平整，扩大田块规格，提高农机作业效率；采用机插秧技术实现精量插秧，降低播种量；采用塑料隔板技术，减少原来土埂占地，提高土地利用率；采用水稻“浅、薄、湿、晒”控制节水灌溉技术，提高田间水的利用率；采用联合收割机技术，实现水稻收割机械化。通过上述技术组合配套，集成水稻作物的农业节水技术体系：高精度土地平整+机械化插秧+塑料隔板+控制节水灌溉技术+机械化收割。

现代地面灌溉技术不仅具有较好的节水增产效益，其具有的其他综合效益还可为农民带来实实在在的好处，例如提高土地利用率、提高农机作业效率、便于田间管理等。随着我国现代化进程的加快，现代地面灌溉技术模式也将得到广泛应用。

参考文献

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5.  李益农，改进地面灌溉方法，《农业持续发展的农田水土管理研究》，北京：中国水利水电出版社，2000。

6.  杨继富、李益农等，新疆规模化农业类型区改进地面灌溉技术的初步成果[J]，节水灌溉，2001，(4)。

7.  FAO，《地面灌溉系统的设计和评价指南》，北京：中国农业科技出版社，1992。

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13.    李益农、许迪等，田面平整精度对畦灌性能和作物产量影响的试验研究[J]，水利学报，2000，（12）。

14.    李益农、许迪等，田面平整精度对畦灌系统性能影响的模拟分析[J]，农业工程学报，2001，（4）。

15.    USDA, Irrigation Guide, National Engineering Handbook, 210-VI, Washington, 1999。

16.     王文焰等，《波涌灌溉试验研究与应用》，西安：西北工业大学出版社，1994。

Tendency and Prospects of the Improving Surface Irrigation Technologies in China

Li Yinong

National Center on Efficient Irrigation Technology Research-Beijing

Abstract

Now more than 85% irrigated areas are applied with surface irrigation method in China. Enhancing the surface irrigation performances through application of different improving technologies play very important rule for decreasing the water resources shortage and maintaining the sustainable development of the irrigated agriculture. Based on the evaluation of the surface irrigation performances under the current situations the effected factors are analyzed. The technologies for the improving of the surface irrigation are summarized according to the development tendency. The prospects of such technologies and their functions to irrigated agriculture are presented.

Key words: Irrigation technology  Evaluation  Development  Tendency