论我国水资源危机与节水农业(1)程力学毕业论

　　论我国水资源危机与节水农业(1)程力学毕业论水是一种特殊的物质和资源，是任何物质不可代替的，是人类生存的基本条件和生产活动最重要的物质基础。随着人类的进步和发展，对水的需求不断增加，尤其第二次世界大战以后，世界经济发展突飞猛进，用水量急剧增加，全世界用水量1900年为5790亿m3，到1980年增至33200亿m3，是1900年的5.7倍，并且在这80年中，农业用水增加了近3.4倍，工业用水增加了19.6倍[1]。然而，水也不是取之不尽的，在一定地区水总是有限的，而且往往由于水的不合理利用，导致产生各种危害人类社会本身的生态与环境问题，进而制约人类社会经济的发展。早在1972年，联合国第一次环境与发展大会就已经发出警告“石油危机之后，下一个危机就是水”。缺水与人口、环境、能源问题一样，已成为很多国家和地区面临的四大危机之一。目前，全球平均每5人中就有1人缺水。估计2050年世界将有30亿人缺水，涉及的国家和地区达40多个，主要为非洲和中东。中国、印度、秘鲁等部分地区都有影响。水资源的严重短缺，很可能成为地区或全球性冲突的潜在根源和战争爆发的导火索。为此，联合国第47届大会上决定从1993年开始，每年的3月22日为“\n世界水日”。目前我国北方和沿海地区已出现水资源短缺和水质污染的严重局面，可用水已成为社会经济持续发展的重要制约因素。1.2水资源时空分布极不均匀我国水资源受降水影响，其时空分布具有年内、年际变化大以及区域分布不均匀的特点。首先是水资源的地区分布很不均匀，北方贫乏，南方丰富，差距悬殊。长江及其以南地区的流域土地面积、人口和耕地分别仅占全国的36.4%、55%和36%，却拥有占全国81%的水资源，北方的土地、人口和耕地相应地占全国的63.6%、45%和64%，水资源却仅占19%[3]。此外，西北内陆及额尔齐斯流域面积占全国的63.5%，拥有的水资源量也仅占全国的4.6%。其次，水资源年际年内变化很大。主要是雨水集中在夏秋6-8月，冬春少雨，而且长江以南十年中最大降雨与最小降雨的比值为1.5-1.7，而黄淮海为2.2-2.9；最大与最小年径流的比值，长江以南的中等河流在5以上，北方河流多在10以上。径流量的逐年变化存在明显的丰平枯水年交替出现及连续数年为丰水段和枯水段的现象，由此使我国经常发生旱、涝及连旱、连涝现象，从而加重了水资源调节利用的困难。\n1.3我国大部都处在季风气候控制下，旱涝是经常的绝对的据不完全统计，从公元前206年到1949年的2155年期间，我国发生较大的水灾1092次，较大旱灾1056次，也就是几乎每年都有一次较大的水灾或旱灾，其中尤以黄淮海平原和长江中下游最为严重。又据1950-1995年，全国平均受旱灾和水灾面积约2133万ha和933万ha，分别占耕地面积的22%和9.1%，成灾率分别为43%和55%。共7页:12.1.2我国缺水严峻，尤其缺水区形势不容乐观我国水资源主要补给是大气降水，全国年平均降水量为628mm，远低于世界陆地年均降水834mm，而广大西北内陆地区年均降水还不到400mm，塔里木盆地、河西走廊、柴达木盆地、阿拉善高原等地年均降水量还不到100mm[9]。90年代初，我国476个城市中，缺水城市近300个，其中严重缺水城市就有58个[37]。而且1995年，我国10个缺水省年人均可再生水资源量为458.6m3，不足该类型标准的50%。比如天津人均量163m3，宁夏193m3，上海207m3，河北369m3，北京379m3，山东385m3等。气候变暖致使青藏高原冰川每年是退缩量为2-17米，天山冰川也在退缩之中。未来气候条件下，黄淮海三个流域水资源短缺可能进一步加剧[12]。\n根据国内外经验，当一个国家用水超过其可用水资源量的20%，就会发生危机。目前我国用水量占到我国可用水量的19%左右，处在水危机的临界状态。到21世纪中叶，这个比例将会升高到28%，需水压力加大，人水矛盾将更加尖锐[10]，水资源危机将空前深重。2.5传统的水管理体制力不从心，新的体系尚待建立与先进国家相比，我国水资源管理水平是落后的，水利工程的“重建轻管”现象依然未达到根本扭转。尽管国家颁布了水法，但因部门间利益、地区间利益冲突，各种保护主义盛行，又缺乏行之有效的法律实施细则，致使水管理工作进展缓慢。而且当代及未来的水危机是以水资源不足、水质污染为主导的危机，大大不同于传统水危机主要特征是洪水泛滥。因而急需从比较单一的传统措施如起坝、疏导、开渠等转变为全方位的迎战措施。应充分通过行政、立法和经济手段等建立新的管理体制，以此来缓解我国水资源供求矛盾。综上所述，我国水资源状况清楚地表明：①我国是发展中国家，工业化、城市化及人口增长对水的需求将会快速增长，对水量水质都提出更高的要求；②水资源的开发利用仍受到经济水平的制约，特别是在可利用水量有限的情况下，经济发展将受制于水资源的条件；③\n目前缺水形势十分严峻，危机初露端倪，而未来供水能力并不能与经济增长同步增加；④水污染已直接影响国民饮用水的安全供应，旧的水管理体制还未解体，新的管理体制尚未建立，都人为加剧了水资源的短缺。很显然的是，现在可经济开发的大型水源越来越少，即使具有可开发的资源，其开发难度将越来越大，所需的费用将十分昂贵。因此单纯靠兴建水利工程来增加水的供应将日趋艰难，实施南水北调虽然可以缓解北方地方水短缺的矛盾，但调水量是有限的，仍难以满足人口、经济和社会对水的日益增长的需求。对我国而言，节约用水，提高水资源利用效率显然是当务之急。共7页:2指在缺水地区利用灌溉仅能满足作物对水分部分需求的一种补充供水方法，被视为旱地栽培和有限供水结合的一种作物管理制度。山仑[6]院士认为有限灌溉是节水农业的一种趋向，在技术不断进步基础上，如能做到对灌溉水的定时定量精确控制，则有限灌溉可能成为未来农业供水的一种主要方式。2.3作物调亏灌溉（RegulatedDefitIrrigation）\n70年代中期提出的一种新的灌溉方式，其既不同于丰水高产灌溉，也不同于前两种灌溉方式。调亏灌溉是舍弃生物产量总量，追求经济产量（籽粒或果实）最高。它主要是根据作物的遗传和生态生理特性，在其生育期内的某些阶段（时期）人为地主动施加一定程度的水分（亏缺），调节其光和产物向不同组织器官的分配，调控地上地下生长动态，促进生殖生长，控制营养生长，从而提高经济产量，舍弃生物总量，达到节水高效高产和增加灌溉面积的目的。其关键在于从作物的生理角度出发，根据其需水特性进行主动的调亏处理。贾大林[15]认为调亏灌溉开辟了一条最佳调控水-土-植物-环境关系的有效途径，不失为一种更科学、更有效的新的灌水策略。这是目前国际上灌溉及其有关领域研究的一个热点，但国内尚属起步阶段，报告资料较少。2.4旱作农业与集水（抗旱）灌溉旱农指受干旱威胁地区的非灌溉农业。一般在无灌条件的地区如半干旱和半湿润地区，高效利用自然降水（包括集水措施）以达到有限增产的农业，也属节水农业的范畴。有的学者提出在无灌溉条件（或无充分灌溉条件）的地区应广泛采取包括集水措施在内的抗旱灌溉。即目前在黄淮海平原采取的打吊管井提取浅层淡水；在东北地区从坐水种的车拉人担发展到半机械化（节水喷淋机灌溉）；在西北地区，采取多种集水、窖水和微灌形式。2.5农水结合\n指农艺措施（主要包括秸秆和地膜覆盖，耕作栽培、合理密植和化学调控等）与节水灌溉技术（主要包括间歇灌和膜上灌及喷灌、微灌等）有机结合，实现节约灌溉用水、减少土壤蒸发和抑制作物奢侈蒸腾，增加产量，进而提高作物水分利用效率的目标。2.6农田水循环（FWC）与土壤-作物-大气连续体（SPAC）理论前者是农田水的大循环（即降水、地表水、土壤水和地下水相互转化），后者是农田水的小循环。从农田水到作物产量，即在降水、地下水、地表水、土壤水、植物水转换和运行中有三个环节：（1）由降水、地下水、地表水转化为土壤水；（2）由土壤水转化为生物水；（3）通过作物生理过程形成经济产量。每个环节都会有水的损失。第一环节可靠水资源合理利用和节水工程与管理，以提高水的利用率。后两个环节，土壤水部分蒸发进入大气，另一部分为根系吸收，其中仅1%成为生物水，其它为蒸腾所消耗，蒸腾直接与作物生产联系，宜用节水农业措施，以提高作物对水的利用效率。共7页:3\n众所周知，我国人口增长要求农业持续增产，增加灌溉面积和灌溉保证率是主要途径之一。然而随着大农业内部争水矛盾进一步加剧，以及目前农业用水存在的种种问题，即用水量过大浪费严重；地下水超采，引起地面沉降、地裂缝和地面塌陷，海水入侵；灌溉工程老化不配套；农业用水的管理体制和制度尚不健全等，造成了农业用水势必短缺的局面。胡和平[22]等指出，未来农业用水只能是零增长或负增长，用水量由于以上局限的确难以扩大。因此，唯一的选择只能是采取积极对策，提高水的利用效益，减少水的浪费，从农业节水上挖潜，以达到扩大灌溉面积、提高粮食产的目的。共7页:4目前国际上渠道防渗技术的发展重点有：一是为了解决混凝土衬砌延伸性差、易开裂等缺点，试验用玻璃纤维、钢纤维等加筋混凝土替代常规混凝土衬砌。二是随着化学工业的发展和机械化施工技术的日益进步，膜料衬砌在渠系衬砌中的比重逐步增加，将有可能成为未来渠系衬砌材料发展的主方向，在各种膜料中，聚乙烯膜和聚氯乙烯膜占主导地位。三是土料衬砌在经济发达的地区和国家仍有很好的发展前景。共7页:52.3农艺节水技术\n根据不同节水农业区的自然、经济特点，可采取深耕蓄水保墒的耕作技术、地膜和秸秆覆盖保墒技术、调整作物种植结构，选用耐旱作物及节水高产型品种（即需水和降水耦合性好、耐旱和水分利用率高的作物品种）、作物节水高产的化学调控技术（即保水剂拌种包衣、作物蒸腾的化学调控如黄腐酸抗蒸腾剂、促进根系的化学调控如CCC矮壮素）增施有机肥和水肥耦合技术（即冬小麦、玉米等存在水肥耦合阈值反映，在阈值范围，水肥互作增产效应显著）等，以充分利用灌水、降水和地下水，提高水利用效率，达到节水、高产、优质和低耗的目标。针对传统灌溉管理的弊病，多数国家已对灌溉管理体制改革进行了一些有效探索：权力下放；运行职责转移；改组已有的灌溉管理组织（即成为农民和其他用户供水和提供咨询服务的多功能组织）；灌溉工程的私有化；灌溉管理的商业化。当然，我国要根据自己的国情在以下方面做一些工作：一是制度管理，制定工程管理和经营管理制度，以计划用水、优化配水，合理征收水费；二是制定节水灌溉制度，对作物灌溉进行预测预报实现灌溉用水管理自动化。指采取节水综合措施后的年均节约水量。即现代节水管理制度后的节约水量，以及采用节水灌溉工程和技术后的节水量等。一般微灌节水效果最好，喷灌次之，低压管道输水及渠道防渗也有明显效果。3.2增产效益指采用节水农业综合技术措施后增加的产量和产值。理由如下：先进的节水措施能按作物需水量要求适时供水，灌水均匀度高；在总水量和灌溉面积不变下缩短灌溉周期；在灌溉面积较大但水少的灌区，扩大了实灌面积和提高了保证率。3.3节能量（k2）\n指采用节水灌溉技术后节约出的耕地面积。即喷微灌、管道输水可取消农渠、毛渠，相应地少占用耕地。3.5省工效益（工日）指实施节水灌溉措施如喷微灌后年节省的灌溉用工数量。3.6转移效益（元/a）指采取节水农业综合技术措施后，将节约出来的水用于工业和城市而产生的效益。工业和城市用水急剧增长，灌溉向其他行业让水不可避免。节水量未转移出去不计。3.7环境效益（元/a）指缺水地区采取节水综合技术措施后，减轻了引水和地下水超采的压力，保护了生态环境，也保证了经济发展而由此产生的效益。3.8替代效益（元/a）由于北方大部分省区都缺水，解决之法无外乎开源和节流。可以说，节流就是一种开源。由此新增供水减少，用于开辟新水源的投入降低。而减少的这部分新辟水源投入即为节水灌溉的替代效益。4、发展节水农业，要从全方位考虑\n现代农业是高效用水的农业，而发展高效用水的现代化农业将是我国长期的战略任务。发展节水农业所涉及的不仅仅是技术问题，而是社会的各个方面。遗憾的是目前讲节水大多数只从技术角度考虑。然而，由于投入不足、管理不善、用水粗放、教育落后等众多原因使得现有的技术并没发挥出来。科研成果要么束之高阁，要么停留在示范区做样板。4.1发展节水农业，经济是基础。只有随着经济的发展，才能增加农田水利基础设施的投入。4.2制定和完善相应的法律法规是发展节水农业的必要保障。发展节水农业，从某种意义上是对水资源使用权力的一种重新调整，是对人们用水行为的一种约束。尽管1988年我国颁布了《中华人民共和国水法》，但水法体系远未形成。因而法律有待进一步完善。4.3理顺管理体制，健全经营机制。如水价问题，有些地方农民是水费并未少交，关键是农民的水费并没有直接交到灌溉管理机构，而是通过各级基层政府上缴，层层加码，层层截留的现象屡见不鲜。这种机制如不改革，单纯提高水价并不能真正解决问题。另则，大部分地区水费只按亩征收，并非按方收费。4.4\n发展教育，培养基层水利科技人才。发展节水农业最终还是要靠广大的基层技术人员和农民用水户才能实施。因此，节水意识的教育和节水技术的培训也是至关重要的一环。4.5加大基础理论研究，并联系实际进行节水技术研究，推行时要因地制宜。共7页:65、未来农业高效用水技术展望5.1生物技术用于农业节水抗旱节水高产作物品种在农业高效用水中十分重要。但目前常规育种技术很难满足农业节水需求，未来生物技术在作物种类和品种改良中将发挥重要作用。即可利用生物技术在破译抗旱/抗逆基因组成和结构基础上，进行编码合成和培养多抗基因作物，使抗旱、耐瘠薄、抗病虫害、优质、丰产等形状达到相对统一。同时通过基因工程研究微生物农药、生物化肥等技术，以与先进的节水灌溉技术相配套，更好的实现节水增产优质的目的。5.2农业管理措施一体化技术\n在工程节水技术的基础上发展综合一体化农业管理节水技术，发挥各项农业节水技术的综合优势，达到节水、高产、高效的目的，并成为当前国际上研究的热点。未来的田间农业管理，如灌溉、施肥、农药、除草剂等同时在智能系统控制和引导下，依据农田作物的水分、养分、病虫害等信息，以便使智能控制系统可定时、定量、定点使用水肥药等。5.3高效用水的精细灌溉技术3S（RS、GIS、GPS）与信息高速公路相结合，使得农田抗旱和灌溉精细化成为可能。如作物估产、土壤含水率分布监测等。目前应重点开展各种精细地面灌溉技术要素优化组合软件开发，环境胁迫下遥感机理和遥感标志研究，遥感和GIS的集成对作物胁迫作用的诊断理论等。5.4农业高效用水智能决策系统在发达国家，信息技术已成为提高农业生产的最有效手段，世界各国学者相继开发了有关节水灌溉方面的专家系统，如滴灌系统中过滤设备选择专家系统，灌溉水质与作物产量间关系的决策支持系统，渗灌技术要素与氮素间关系的决策系统等。国内在农业高效用水专家系统方面也进行了一些尝试，但针对灌溉中某一具体技术开发距较复杂的农业生产有一定差距。今后的发展是可将专家系统、模拟模型、资源数据库、控制技术、计算机网络等技术有机结合起来，形成适合不同水资源状况的水开发调配、农田输水和灌溉方式、农田水分与养分管理的农业高效用水决策支持系统。\n