农业灌溉系统优化设计与水资源配置研究

引言

农业作为我国国民经济的基础产业，其发展状况直接关系到国家粮食安全和社会稳定。随着全球气候变化以及工业化、城镇化进程加快，我国部分地区水资源短缺问题日益严峻，农业用水供需矛盾突出。在此背景下，开展农业灌溉系统优化设计与水资源配置研究，对提高水资源利用效率、保障农业可持续发展具有重要的现实意义。

一、传统农业灌溉系统现状与问题分析

（一）灌溉技术落后

我国大部分地区仍在使用漫灌、畦灌等传统地面灌溉方式，这些方式依赖大量水资源，水在输送和灌溉过程中蒸发、渗漏损失严重。据统计，漫灌方式下农田灌溉水的有效利用率不足 30% 。喷灌、滴灌等先进节水灌溉技术虽然在部分地区有所推广，但应用比例仍然较低 [1]。部分地区由于经济条件限制、农民节水意识薄弱等原因，未能及时引入和应用高效节水灌溉技术，导致水资源浪费现象普遍存在。

（二）灌溉系统设计不合理

传统农业灌溉系统在规划设计时，往往缺乏科学论证，未充分考虑地形地貌、土壤质地、作物需水特性等因素。在地形复杂的丘陵地区，若采用统一的灌溉管道布局和灌溉设备，容易出现部分区域灌溉不足，而部分区域过度灌溉的情况。此外，灌溉系统的输水管道老化、破损严重，部分管道存在跑冒滴漏现象，进一步降低了灌溉水的利用效率。同时，灌溉设备的选型和配置不合理，喷头喷洒均匀度低、滴灌带出水不均匀等问题，也影响了灌溉效果。

（三）水资源配置缺乏科学性

在水资源配置方面，传统模式主要依据经验进行分配，缺乏对水资源总量、时空分布以及农业用水需求的精准分析。不同作物在不同生长阶段的需水量差异较大，但实际灌溉中往往采用统一的灌溉定额，导致水资源分配不合理。此外，区域间水资源调配缺乏统筹规划，部分地区过度开采地下水用于灌溉，造成地下水位下降、地面沉降等生态环境问题。同时，农业用水与工业用水、生活用水之间的协调不足，进一步加剧了水资源供需矛盾。

二、农业灌溉系统优化设计策略

（一）灌溉技术的合理选择与应用

根据不同地区的自然条件、作物类型和经济发展水平，选择合适的灌溉技术。在地势平坦、规模化种植的地区，优先推广喷灌技术。喷灌通过喷头将水均匀喷洒在田间，可减少地表径流和深层渗漏，灌溉水有效利用率可达 70‰ 80%_⨀ 。对于高附加值的经济作物，如果树、蔬菜等，以及干旱缺水地区，滴灌技术是较好的选择。滴灌将水直接输送到作物根部附近，水分利用率可高达 90% 以上，同时还能结合施肥，实现水肥一体化，提高肥料利用率。

（二）基于智能化技术的灌溉系统设计

引入（GIS）、（IoT）、大数据分析等智能化技术，构建智能灌溉系统。GIS技术可对地形、土壤、水系等地理信息进行分析和处理，为灌溉系统的规划布局提供科学依据 [2]。GIS 绘制的地形图和土壤分布图，能够合理确定灌溉水源位置、管道走向和灌溉设备安装位置，避免因地形和土壤因素导致的灌溉不均问题。物联网技术则实现了对灌溉系统的实时监测与远程控制。在田间布置土壤湿度传感器、气象站、流量计等设备，实时采集土壤含水量、降雨量、风速、蒸发量等数据，并通过无线网络传输至控制中心。

（三）灌溉系统的工程优化

对灌溉系统的工程设施进行优化设计。在输水管道设计方面，采用新型抗老化、抗渗漏的塑料管材，如PVC 管、PE 管等，替代传统的混凝土管和铸铁管，减少输水过程中的水量损失。同时，根据地形和灌溉面积，合理确定管道管径和铺设坡度，降低管道沿程水头损失和局部水头损失。在灌溉设备选型上，选择喷洒均匀度高、能耗低的喷头和出水均匀的滴灌带。对于喷灌系统，可采用旋转式喷头和折射式喷头相结合的方式，提高灌溉均匀度；对于滴灌系统，选用压力补偿式滴灌带，确保在不同地形和压力条件下，各滴头出水均匀一致。

三、农业水资源优化配置方法

（一）水资源供需分析

开展全面的水资源供需分析是实现优化配置的基础。收集和整理区域内的水资源总量、时空分布数据，包括地表水资源量、地下水资源量、过境水资源量等。同时，分析不同作物在不同生长阶段的需水规律，结合区域内的种植结构和灌溉面积，预测农业用水需求。考虑气候变化、经济发展等因素对水资源供需的影响，建立水资源供需预测模型，为水资源配置提供科学依据。

（二）基于供需平衡的水资源配置模型构建

以水资源供需平衡为目标，构建数学模型进行水资源优化配置。模型以区域内水资源总量为约束条件，以农业经济效益最大化、水资源利用效率最高等为优化目标，通过线性规划、非线性规划等方法，确定不同作物的灌溉水量、灌溉时间和灌溉方式。

（三）水资源的动态调配与管理

建立水资源动态调配机制，根据实时的水资源状况和农业用水需求变化，及时调整水资源配置方案。利用智能化监测系统实时获取水资源和农业用水信息，当遇到干旱、洪涝等极端天气情况时，动态调整灌溉水量和灌溉时间。加

强区域间水资源的协调调配，通过跨区域调水工程、水系连通工程等，优化水资源的空间分布。同时，建立健全水资源管理制度，实行用水总量控制和定额管理，加强对农业用水的计量和监管，提高水资源管理水平。

五、优化设计与配置方案的实施与挑战

农业灌溉系统优化与水资源配置方案的落地，切实推动了农业高质量发展。高效节水与智能灌溉技术的应用，大幅提升水资源利用率，使农田灌溉水有效利用系数从 0.5 左右攀升至 0.6-0.7，节水成效达 30%-40% ；水肥一体化技术的融合，不仅让作物产量提升 10%-20%^[3] ，更通过减少 20% 左右的肥料农药使用量实现降本增效。生态层面，地下水超采态势得到遏制，区域水生态退化问题显著缓解，湿地与植被恢复面积逐年扩大。然而，推广之路并非坦途，动辄数万元的智能设备投入让中小农户望而却步，部分地区财政补贴覆盖率不足40% ，加之农技推广体系薄弱，基层专业技术员缺口超 30% ，农户操作不规范导致设备闲置率高达 25% ，多重挑战亟待政策、资金与技术的协同破局。

五、结论

农业灌溉系统优化设计与水资源配置是解决农业用水问题、实现农业可持续发展的关键举措。本研究通过分析传统农业灌溉系统存在的问题，提出了灌溉系统优化设计策略和水资源优化配置方法。实践表明，优化后的灌溉系统和配置方案能够显著提高水资源利用效率，增加农业经济效益，保护生态环境。然而，在推广应用过程中，仍需加大资金投入、加强技术培训和完善管理体制机制。

参考文献：

[1] 王海涛 . 传感器网络在精准灌溉系统中的自动调控研究 [J]. 南方农机 ,2025, 56 (07): 168-171.

[2] 王荣辉 , 王东辉 , 王东福 , 等 . 基于设备的有压管道智慧输水系统可行性研究 [J]. 阀门 ,2025,(03):343-350.