【正文】 水量平衡與消耗規(guī)律分析 ...................... 18 冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)研究 ................................ 25 冬小麥水肥耦合關(guān)系分析 ................................ 30 灌溉水資源優(yōu)化配置中幾個(gè)基本問(wèn)題的探討 ................ 34 作物非充分灌溉制度優(yōu)化的模擬模型 ...................... 38 示范區(qū)主要作物節(jié)水灌溉制度 ............................ 41 作物高效用水集成模式研究 ................................... 42 冬小麥玉米組合種植管灌高效用水 模式 .................... 42 大棚蔬菜滴灌高效用水模式 .............................. 43 大田作物管灌高效用水模式 .............................. 44 大田蔬菜覆蓋微噴高效用水技術(shù) .......................... 45 第四章 井渠結(jié)合節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系及其評(píng)價(jià)體系 ........................ 47 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè) 技術(shù)的內(nèi)涵與目標(biāo) ................................ 47 井渠結(jié)合的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系 .................................. 47 節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)評(píng)價(jià)體系研究 .................................... 49 節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)效益評(píng)價(jià)指標(biāo) .............................. 49 節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 .............................. 51 節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)評(píng)價(jià) 結(jié)果與分析 ............................ 52 第五章 結(jié)論 ........................................................ 55 參考文獻(xiàn) ........................................................... 57 致 謝 .............................................................. 59 攻讀碩士期間發(fā)表的主要論文 ......................................... 60 太原理工大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 1 第一章 緒論 選題的背景及意義 水資源問(wèn)題是全世界普遍關(guān)注的問(wèn)題，它不僅影響、制約現(xiàn)代社會(huì)的 可持續(xù)發(fā)展，而且將成為本世紀(jì)全球資源環(huán)境的首要問(wèn)題。隨著世界人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源將嚴(yán)重不足。全世界 26 個(gè)國(guó)家約 億人口已經(jīng)面臨缺水，另有 4 億人口用水速度超過(guò)水資源的更新速度，世界上約有 1/5 人口得不到符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的淡水 [13]。占世界人口 40%的 80 多個(gè)國(guó)家，其淡水供應(yīng)短缺已成為限制其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，預(yù)計(jì)在 20~30 年內(nèi)淡水擁有量不足的人口數(shù)將達(dá)到 15 億 [45]。 從古至今，人類(lèi)的各項(xiàng)活動(dòng)都離不開(kāi)水，水作為一種不可替代的自然資源，為人類(lèi)的基本生存提供了必不可少的條件。水資源是一種 戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源， 更 是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要組成部分，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)和民生中起著舉足輕重的作用。但如今隨著世界人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)自然資源過(guò)度開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致水資源不斷遭到破壞，再加上基礎(chǔ)設(shè)施投入嚴(yán)重不足等因素的影響，水資源的供應(yīng)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需要， 這 嚴(yán)重制約了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展，如今水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)受到世人的 密 切關(guān)注，成為 21 世紀(jì) 亟待 解決的全球性問(wèn)題。 我國(guó)水資源現(xiàn)狀 我國(guó)是一個(gè)缺水國(guó)家，水資源短缺正在日益成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活提高及生態(tài)環(huán)境改善的重要因素。我國(guó)水資源總量 萬(wàn)億 m3，居世界第四位。但人均水資源量為 2200m3，僅相當(dāng)于世界人均占有量的 1/4，被聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)稱(chēng)為處于嚴(yán)重缺水的邊緣。預(yù)計(jì)到 2030 年，我國(guó)畝均水資源 1900m3，相當(dāng)于世界畝均占有量的 4/5。而到那時(shí)，我國(guó)人口將達(dá)到 16 億，人均水資源的占有量卻將僅為 1700m3，接近世界公認(rèn)的缺水警戒線(xiàn) [3]。而且我國(guó)水資源在時(shí)空分布上也很不均勻，同時(shí)水資源在空間上的分布也與土地資源分布極不匹配，普遍存在著南豐北枯的現(xiàn)象，華南地區(qū)年降水量為1400~2020mm，而北方地區(qū)年降水量卻少于 800mm。黃河、海河、 淮河三流域，土地面積占全國(guó)的 %，耕地面積占 %，人口占 35%，而水資源占有量?jī)H為 %，人均年占有量約為 500m3，是我國(guó)水資源最為緊張的地區(qū)。而且水資源在時(shí)間上的分布也十分不均，江水過(guò)于集中，一般地區(qū)每年汛期（一般 3~4 個(gè)月）降水量占全年的 70%太原理工大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 2 左右，這意味著將有大部分水量形成洪水徑流而流失 [4]。同時(shí)，北方干旱地區(qū)年蒸發(fā)量約為 1500~2020mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)降水量 [5]，造成嚴(yán)重干旱、洪澇災(zāi)害和土壤鹽堿化現(xiàn)象。 我國(guó)農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀 我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水比重過(guò)大，全國(guó)平均為 73%，而發(fā)達(dá)國(guó)家平均為 50%，農(nóng)業(yè)與其它各行業(yè)用水矛盾十分突出。長(zhǎng)期以來(lái) ， 由于技術(shù)和管理水平落后、灌溉設(shè)施老化失修等原因，目前我國(guó)灌溉水的利用率僅為 45%左右 ,與發(fā)達(dá)國(guó)家 80%的利用率相差甚遠(yuǎn)，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力很大。節(jié)水灌溉是提高農(nóng)業(yè)用水有效性的關(guān)鍵，它是科學(xué)進(jìn)步的產(chǎn)物，也是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)涵 [611]。 根據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)將在下個(gè)世紀(jì)中葉出現(xiàn)人口高峰值 ,突破 16 億人。按人均每年 400～440kg 糧食計(jì)算，人口高峰時(shí)的糧食需求量為 ～ 7 億 t。因此，在未來(lái)的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，我國(guó)糧食產(chǎn)量必須在現(xiàn)有 5 億 t 左右產(chǎn)量的基 礎(chǔ)上再提高 ～ 2 億 t,才能基本滿(mǎn)足人口增長(zhǎng)和生活水平提高的糧食需求。水和土地是糧食生產(chǎn)的戰(zhàn)略資源，在我國(guó)尤其如此，農(nóng)作物生產(chǎn)中灌溉面積上的生產(chǎn)占有舉足輕重的作用，近 80%的糧食產(chǎn)于灌溉農(nóng)田。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織發(fā)布的《生產(chǎn)年鑒》分析，雖然中國(guó)耕地面積只占世界總耕地的 7%，人均耕地也不足世界平均水平的 1/3，但是中國(guó)灌溉面積卻占了全球灌溉面積的 21%，人均灌溉面積與世界平均水準(zhǔn)相平。由此可見(jiàn)，中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展前景很大程度上依賴(lài)于灌溉面積的發(fā)展，而糧食安全則與水資源利用緊密相關(guān) [1219]。 農(nóng)業(yè)水資 源利用中存在的主要問(wèn)題 目前在水資源利用中存在的主要問(wèn)題是：一是重視水利工程建設(shè)，輕視農(nóng)業(yè)水資源管理。一些先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和現(xiàn)代化的管理措施得不到大面積推廣，大部分灌區(qū)灌溉水利用率低、灌水定額偏大，造成水資源的大量浪費(fèi)；二是對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重視不夠。井灌區(qū)出現(xiàn)大面積的地下水位下降漏斗區(qū)，全國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了 56 個(gè)地下水區(qū)域性下降漏斗，總面積大于 萬(wàn) km2。三是灌溉工程老化不配套，灌溉面積下降 [2022]。 針對(duì)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)水資源利用中存在的主要問(wèn)題，本課題選取了典型的井渠結(jié)合灌溉灌區(qū)，就華北半濕潤(rùn)偏旱 井渠結(jié)合灌區(qū)普遍存在的水資源利用不合理、水環(huán)境惡化、節(jié)水措施單一、節(jié)水效果得不到充分發(fā)揮、灌溉效益不高等一系列問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)研究和探索，將對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和水資源的可持續(xù)利用發(fā)揮重要作用，同時(shí)對(duì)類(lèi)似地區(qū)也有重要的指導(dǎo)意義。 太原理工大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 3 國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展概述 節(jié)水灌溉是根據(jù)作物需水規(guī)律及當(dāng)?shù)毓┧畻l件，為了有效的利用降水和灌溉水，獲取農(nóng)業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)環(huán)境效益而采取的多種措施的總稱(chēng) [23]。其最終目的是以最少的水量消耗獲取盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)量、最高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益。 國(guó)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展概述 近年來(lái)，許多學(xué)者進(jìn)行了水資源優(yōu)化配置研究 [2428]。 經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和研究，逐步發(fā)展到 噴灌、微噴灌、滴灌、 滲灌 、涌泉灌等節(jié)水高新技術(shù) 。 采用節(jié)水和節(jié)能的灌水方法是當(dāng)今世界灌溉技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。目前發(fā)達(dá)國(guó)家的管道輸水技術(shù)應(yīng)用已十分廣泛，美國(guó)早在 20 年代就已應(yīng)用管道輸水技術(shù)，低壓管道灌溉面積已占總灌溉面積的 50%；日本已有 30%的農(nóng)田實(shí)現(xiàn)了地下管道灌溉，并且管網(wǎng)的自動(dòng)化、半自動(dòng)化給水控制設(shè)備也較完善；以色列、美國(guó)、瑞典等國(guó)也已有 90%的土地實(shí)現(xiàn)了灌溉管道化 [3033]。 第二次 世界大戰(zhàn)以后，西方國(guó)家經(jīng)濟(jì)恢復(fù)很快，噴灌技術(shù)和機(jī)具設(shè)備的研制也得到了迅速發(fā)展。在美國(guó)干旱的西部 17 個(gè)州噴灌得到了廣泛使用， 1996 年美國(guó)噴灌面積達(dá)到了 1082 萬(wàn) hm2，占全美國(guó)灌溉面積的 44%，其中圓形和平移式大型自走噴灌機(jī)的噴灌面積占全國(guó)噴灌面積的 64%；羅馬尼亞的噴灌面積占全國(guó)耕地面積的 80%以上，絕大部分是移動(dòng)管道式噴灌。 滴灌技術(shù)隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。 20 世紀(jì) 50 年代末期，以色列研制長(zhǎng)流道滴頭成功，使得滴灌系統(tǒng)在技術(shù)上有了顯著的進(jìn)展。到 20 世紀(jì) 60 年代滴灌系統(tǒng)已發(fā)展成為一種新型的系統(tǒng)，在美國(guó) 、澳大利亞、墨西哥、英國(guó)、法國(guó)、意大利及中東地區(qū)、南非地區(qū)逐步得到推廣應(yīng)用 。 以色列是世界上滴灌領(lǐng)域的主導(dǎo)者， 60％的農(nóng)田使用滴灌技術(shù)； 以色列回收水用于農(nóng)業(yè)的比率世界最高，城市污水總量的 70％被回收用于農(nóng)業(yè)；以色列擁有水設(shè)備發(fā)展的前沿技術(shù)并提供多種多樣的先進(jìn)設(shè)備 。 世界上節(jié)水灌溉比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，都是根據(jù)各自的國(guó)情，綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境和技術(shù)因素，采取適合本國(guó)特點(diǎn)的農(nóng)業(yè)高效灌溉措施 [3436]。 國(guó)內(nèi)節(jié)水灌溉發(fā)展概述 我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉歷史悠久，但旱田是大水漫灌，水田是串畦淹灌的傳統(tǒng)灌水方法，不但浪費(fèi)了大量水資源，同時(shí)，還嚴(yán)重影響著農(nóng)作物產(chǎn)量。 1950~1970 年這 20 年間，我太原理工大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 4 國(guó)基本上是充分灌溉的節(jié)水灌溉發(fā)展階段，主要是開(kāi)發(fā)新水源、建設(shè)新灌區(qū)和改建擴(kuò)大舊灌區(qū)，采取渠道防滲技術(shù)，健全渠系建筑物，劃小畦塊，平田整地，按作物需水量進(jìn)行灌溉，以及加強(qiáng)灌區(qū)管理，合理配水等節(jié)水措施。 50 年代末期我國(guó)開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備，但這時(shí)期推廣使用的噴灌設(shè)備主要是柴油機(jī)或電機(jī)帶動(dòng)的單機(jī)單噴頭的手臺(tái)式或小推車(chē)式的輕小型噴灌機(jī)。 70 年代噴灌技術(shù)在我國(guó)受到普遍的重視，從而推進(jìn)了我國(guó)噴灌技術(shù)的發(fā)展。到了 80 年代 ，在噴灌方面，我國(guó)已經(jīng)具備了自己的一整套設(shè)備和技術(shù)，為噴灌的大面積推廣創(chuàng)造了條件 [37]。我國(guó)從 1974 年引進(jìn)滴灌，在 20 世紀(jì) 90 年代后期開(kāi)始得以較快發(fā)展，但其對(duì)技術(shù)要求比較高，投資也比較大，使得其在我國(guó)推廣應(yīng)用較少。 截止 2020 年底，全國(guó)灌溉面積 億畝，全年凈增灌溉面積 1061 萬(wàn)畝；全國(guó)農(nóng)田有效灌溉面積 億畝，占耕地總面積的 48%，全年凈增農(nóng)田有效灌溉面積 1035 畝。全國(guó)節(jié)水灌溉面積 億畝，全年凈增節(jié)水灌溉面積 1421 萬(wàn)畝。其中，渠道防滲節(jié)水灌溉面積 15672 萬(wàn)畝，占 %；低壓管 道輸水灌溉面積 8810 萬(wàn)畝，占 24%；噴微灌面積 6107 萬(wàn)畝，占 %；其他節(jié)水灌溉面積 6066 萬(wàn)畝，占 %。萬(wàn)畝以上灌區(qū)固定渠道防滲長(zhǎng)度所占比例 %，其中干支渠道防滲長(zhǎng)度所占比例 %。 2020 年全國(guó)灌溉用水量為 億 m3，大型灌區(qū)灌溉用水量占總灌溉用水量的比例最高，達(dá) %，中型、小型、井灌區(qū)的灌溉用水量分別占總灌溉用水量的 %、%和 ％。全國(guó)畝均灌溉用水量 。 2020 年全國(guó)灌溉用水有效利用系數(shù)平均值為 ，大型、中型、小型和純井灌 區(qū)灌溉用水有效利用系數(shù)平均值分別為 、 、 和 ，分別提高了 、 、 和 。在全國(guó) 31 個(gè)省級(jí)行政區(qū)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)中，灌溉用水有效利用系數(shù)均值超過(guò) 的有北京、天津、河北等 6 個(gè)?。ㄊ校?，占 19％； ～ 的有山西、遼寧、吉林等 14 個(gè)省（區(qū)），占 44％； ～ 的有內(nèi)蒙古、江西、湖南、廣東、廣西等 12 個(gè)?。▍^(qū)、市），占 37％。 綜上所述，可以看出，我國(guó) 灌溉水利用率相對(duì)較低，水的利用系數(shù)僅為 。 按現(xiàn)狀估計(jì)，灌溉用水利 用率提高一個(gè)百分點(diǎn)，可節(jié)約用水 80 億 m3。因此，大力 發(fā)展 節(jié)水灌溉，提高灌溉水的利用效率是緩解我國(guó)水資源緊缺狀況、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最有效、最根本的途徑。 太原理工大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 5 本文的研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線(xiàn)及研究方法 項(xiàng)目研究區(qū)的確定 晉中市是我省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主產(chǎn)區(qū)之一，其土地資源較好，但水資源極為匱乏。隨 著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，水資源矛盾更加突出，傳統(tǒng)的地面水源已不能保證 灌溉的需求，從上世紀(jì) 70 年代開(kāi)始，大量開(kāi)發(fā)地下水用于灌溉，形成了多水源（河井雙灌、井渠結(jié)合）的灌區(qū)。在這樣一個(gè)地區(qū)開(kāi)展節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)有限水資 源條件的最大農(nóng)業(yè)產(chǎn)出是 非常必要的。所以本項(xiàng)目的研究 試驗(yàn) 區(qū)確定在晉中市范圍內(nèi)。 研究?jī)?nèi)容 本文研究?jī)?nèi)容包括： (1) 主要作物節(jié)水抗旱品種的篩選 針對(duì) 項(xiàng)目 區(qū)的主導(dǎo)作物玉米和冬小麥，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、小區(qū)試驗(yàn)、產(chǎn)量調(diào)查，對(duì)不同品種的產(chǎn)量、水分利用率進(jìn)行分析，篩選適合于本 項(xiàng)目 區(qū)的冬小麥、玉米抗旱品種； (2) 主要作物水肥耦合關(guān)系及合理灌溉制度研究 以節(jié)水增產(chǎn)、增效為目標(biāo)，進(jìn)行坑測(cè)水肥生