农田灌溉系统水资源利用效率提升途径研究

农田灌溉系统水资源利用效率提升途径研究

郭光祖

新疆睿博工程项目管理有限公司 843300

摘要：本文通过深入分析现有农田灌溉系统的结构与特点，探讨了优化设计原则，并重点研究了节水灌溉原则、自动化控制技术及其灌溉方法。在水资源管理与调度策略方面，本文提出了集成化的灌区水资源管理模式、智能化调度系统以及科学的水资源分配机制，以达到提升水资源利用效率的目的。然后通过技术经济性评价，分析了投资成本、效益评估指标及成本收益，确立了节水灌溉技术的经济可行性。最后进行总结并展望了农田灌溉系统水资源利用效率提升途径的未来发展趋势。

关键词：农田灌溉；水资源利用效率；节水灌溉原则；自动化控制技术

1. 引言

随着全球气候变化和人口增长的压力不断增加，农业水资源的有效利用变得尤为重要。农田灌溉系统作为关键的农业水资源利用环节，其效率直接影响着农田产量和水资源可持续利用。因此，研究农田灌溉系统水资源利用效率提升的途径具有重要意义。本文旨在探讨灌溉系统优化设计原则、水资源管理与调度策略以及技术经济性评价等方面，希望通过深入研究为提高农田灌溉系统的水资源利用效率提供有益参考，并进一步推动农业水资源可持续发展。

2. 灌溉水资源利用效率概述

灌溉水资源利用效率反映了农业水资源在灌溉系统中的使用效益，是衡量水资源被作物吸收和利用程度的关键指标。随着科技进步和人们对水资源可持续利用意识的提高，通过改进灌溉技术和管理策略，提高灌溉水资源利用效率成为研究的热点。该领域主要集中在如何减少无效蒸发、渗漏和过量灌溉，确保水分直达根系，最大限度地提高作物产量与水资源的有效对接。增强灌溉水资源利用效率的探索涉及多个层面，从灌溉方法的创新到系统设计优化，再到智能化管理的应用，都是提升效率的重要途径。在这一过程中，实现精准灌溉和合理调度是关键。精准灌溉依托先进的灌溉设备和技术，比如滴灌和喷灌，将水直接输送到作物根部，大幅度降低水分损失。而合理的水资源调度则要求建立科学的水资源管理体系，通过数据分析和模型预测，合理规划水资源的分配与使用，以期达到节水增效的目标。

3. 农田灌溉系统结构与特点

农田灌溉系统是一个复杂的综合体，它包括水源获取、输水管网、灌溉方式和排水设施等多个组成部分[1]。这一系统的设计和运行旨在为农作物提供充足的水分，保障作物生长所需的水量和时机，同时考虑到水资源的有效利用和环境保护。农田灌溉系统的特点在于其复杂性和区域性，不同地区的气候、土壤类型和作物种类都会对灌溉系统的设计和运行产生影响。因此，灌溉系统需要具备高度的灵活性和适应性，以满足不同条件下的灌溉需求。除了基本的灌溉功能外，现代农田灌溉系统还强调技术的集成和智能化管理。通过引入自动化控制技术和信息监测设备，实现灌溉的精准控制和实时监测，从而优化水资源的利用和管理。例如，利用土壤湿度传感器和气象数据，可以精确调整灌溉时间和水量，避免过量灌溉或水分不足，确保作物健康生长的同时减少水资源浪费。

4. 灌溉系统优化设计原则

优化农田灌溉系统的设计首先要遵循节水灌溉原则，这包括选择高效灌溉设备和技术，如滴灌和微喷灌，这些方法能够将水直接输送到作物根部，显著减少蒸发和渗漏损失[2]。同时，应该根据作物的生长周期和水分需求，设计灵活的灌溉方案，实现水资源的合理分配和利用。此外，通过对灌溉操作的精确控制，进一步提升灌溉效率，减少不必要的水资源消耗。结合自动化控制技术是实现灌溉系统优化设计的另一个关键。利用先进的传感器和控制系统，可以实现对农田水分状况的实时监测和自动调节灌溉。通过数据分析，精确掌握作物需水量和最佳灌溉时机，从而实现按需灌溉。自动化技术不仅提升了灌溉水资源利用效率，还降低了人力成本，提高了农业灌溉的智能化水平。

5. 水资源管理与调度策略

5.1 灌区水资源管理模式

灌区水资源管理模式是确保水资源高效利用的关键环节。在传统灌区管理模式中，由于缺乏有效的监测和控制手段，水资源分配往往无法满足作物的实际需求，导致水资源浪费严重。为了提高灌区水资源利用效率，必须采取集成化和智能化的管理模式。集成化管理模式通过综合考虑灌区内的水资源状况、作物需水量以及环境因素，制定出合理的水资源调配和分配计划。而智能化管理则依托于信息技术和自动化设备，实现对灌区水资源的实时监控和动态调度。在实施智能化灌区水资源管理模式的过程中，建立一个中央控制系统是关键。该系统收集来自各种传感器的数据，分析灌区内的水资源使用情况和作物需水状况，然后根据预设算法自动调整水泵站的运行和灌溉阀门的开闭，以达到优化水资源分配的目的。这种模式不仅提高了灌区水资源的利用效率，也为农民减轻了劳动强度，推动了农业灌溉向智能化、精准化发展。

5.2 智能化调度系统

智能化调度系统在农田灌溉水资源管理中起着至关重要的作用，它通过集成最新的信息技术和自动控制技术，实现了对灌溉水资源的高效、精确调度。这种系统运用先进的传感器网络、卫星遥感技术以及地理信息系统（GIS）等手段，实时监测农田水分状态、土壤湿度、气象条件等参数，并通过数据分析确定灌溉需求。通过智能化调度系统，可以动态调整灌溉策略，实现“按需灌溉”，既保证了作物生长所需水分，又显著提高了水资源利用率。此外，该系统还能够减少人力投入，降低灌溉成本，提高农业生产效率。随着物联网技术的不断发展，智能化调度系统的应用范围和效能都得到了显著提升。农民可以通过移动设备远程控制灌溉设备，根据系统推荐的灌溉方案进行操作，极大地提高了灌溉的灵活性和便捷性。

5.3 水资源分配机制分析

水资源分配机制是决定灌溉系统效率的另一个关键因素。合理的水资源分配机制能够确保有限的水资源得到高效利用，满足不同农田和作物的需水量。为了实现这些要求，现代灌溉系统越来越多地采用基于数学模型和算法的水资源分配机制，这些机制能够综合考虑土壤类型、作物需水特性、气象条件等多种因素，通过优化计算实现水资源的科学分配。采用高级水资源分配机制的灌溉系统能够实现更为精确和灵活的水管理。例如，通过建立作物水分需求模型和水资源供给模型，系统能够自动计算出最优的灌溉量和灌溉时间，确保每个区域根据其具体条件获得恰当的水量。这种方法不仅提升了水资源的利用效率，还有助于提高作物产量和品质，实现农业生产的经济和生态双重收益。

6. 技术经济性评价

技术经济性评价是实施农田灌溉系统升级改造的前提和基础，通过投资成本与效益评估指标的分析，为项目的决策提供科学依据。初始投资成本是评估的首要内容，包括灌溉设备的购置费、安装费以及系统调试的费用。虽然智能化灌溉系统和高效节水技术初期投资相对较高，但从长远来看，通过节省水资源、减少能源消耗和提高作物产量，能够显著降低运营成本，实现良好的经济效益。效益评估指标主要涉及水资源节约量、能耗降低、产量增加及相应的经济收益等方面。成本收益分析是技术经济性评价的核心，通过比较项目实施前后的经济指标差异，计算出项目的净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资回收期等关键财务指标。这一分析过程要求综合考虑水价、电价、作物市场价格等多方面因素的变化，确保评估结果的准确性和可靠性。

7. 结论

优化设计原则、水资源管理与调度策略以及技术经济性评价是提升农田灌溉系统水资源利用效率的关键。采用节水灌溉原则和自动化控制技术，结合有效的节水灌溉方法，可显著提高系统效率。建立灌区水资源管理模式和智能化调度系统，优化水资源分配机制，有助于提升整体水资源利用效率。综合技术经济性评价将为系统改进提供指导，促进农业水资源可持续利用。未来应继续研究推动农业水资源管理智能化、高效化、可持续发展。

参考文献

[1]郑显军,张松松.枣庄市市中区水资源利用现状与优化配置研究[J].陕西水利,2024,(03):51-52+56.

[2]刘学浩,易秤云,邹金,等.流域水循环观测与水资源可持续利用研究-以赣南禾丰盆地为例[J/OL].中国地质,1-31[2024-03-29].