第二节 农田水利学的研究对象和基本内容
一、农田水利学的研究对象
农田水利学是研究农田水分状况和有关地区水情的变化规律及其调节措施、消除水旱灾害和利用水资源为发展农业生产而服务的科学。农田水利在英、美等国称之为灌溉排水，原苏联称之为水利土壤改良。农田水利学科涉及水、土壤、作物、大气的相互关系以及工程设施、自然资源和生态环境的相互关系，是一门综合性的应用技术学科。其研究对象主要包括以下两个方面。
1.调节农田水分状况
农田水分状况一般指大气水、农田土壤水、地面水和地下水的状况及其相关的养分、通气、热状况。农田水分不足或过多，都会影响作物的正常生长和作物的产量。调节农田水分状况的水利措施一般有：
（1）灌溉措施。即按照作物的需要，通过灌溉系统有计划地将水分输送和分配到田间，以补充农田水分的不足。
（2）排水措施。即通过排水系统将农田内多余的水分（包括地面水和地下水）排入容泄区（河流或湖泊等），使农田处于适宜的水分状况。在易涝易碱地区，排水系统还有控制地下水位和排盐作用，控制地下水位对作物增产具有重要作用。
调节农田水分状况，需要研究的问题主要有：
（1）研究农田水分及盐分的运动规律。研究农作物需水、土壤水及其溶质的运动，探求水、土壤、作物和水分、盐分之间的相互关系，用以制定合理的灌排制度；控制适宜的土壤水分和地下水位，调节土壤的水、肥、气、热状况，改良土壤，促进农业高产、优质、高效。
（2）研究不同类型灌排系统的合理布置。由于地形、水文、土壤、地质和灌溉水源等自然条件不同，农业发展对灌区提出的要求不同，因而各地区不同类型灌区的布置形式也不同。研究各类型灌排系统的合理布置，做到山、水、田、林、路综合治理，既便于灌排和控制地下水位，又适应机耕。国外灌排系统的发展趋势是地下管道化。暗管排水和低压管道输水在我国有些地区也有一定的发展。因此，要进一步研究地下排灌理论，发展灌排新技术、寻求合适的管材和降低费用。
（3）研究节水灌溉的技术和理论。灌溉节水是充分利用水资源、提高灌溉效益，促进农业进一步发展的重要措施，在水资源并不丰富的我国，特别是严重缺水的北方，对此已得到了普遍重视，并开展了渠道防渗、低压管道输水、喷灌、滴灌、微灌、膜上灌、节水灌溉制度、井渠结合灌溉以及工程节水与农业节水相结合的措施等各种节水灌溉技术的试验研究和实施推广。但是各种节水灌溉措施都有一定的适用条件，在不同地区和不同情况下应采取哪种或哪些措施，还缺乏深入研究；而且每一种节水灌溉技术和节水灌溉理论，例如非充分灌溉（又称限额灌溉）的节水理论、高产省水的作物需水规律和作物水分生产函数等，都有待进一步开展试验研究加以充实提高。
（4）研究灌排工程施工机械化。灌排工程是面广量大的水利工程，实现机械化施工，对加速灌排工程的兴建与配套具有重要的意义。目前我国主要依靠人力施工，与技术先进的国家相比，差距很大，今后应在发展运输、浇筑、凿岩和机电排灌等机械的同时，研究发展开沟、衬砌、铺管等各种专用机械，以逐步实现农田水利施工机械化。
（5）研究灌排系统的运行管理与维修养护。加强灌排系统管理工作是当前首要任务之一，管理好坏直接影响灌排工程效益的发挥，因此必须针对当前灌排系统实际存在的问题，改革管理体制，研究切实的工程管理和用水管理措施，加强对水源工程、渠道工程、渠系建筑物等农田水利工程进行的调度、运行、检查、观测、养护维修的管理。做到适时适量灌水、及时排水和控制地下水位、减少渠道渗漏，防止次生盐碱化，充分发挥工程效益。今后还须加强遥测、遥控等自动化管理新技术的研究，实现灌排管理现代化。
（6）研究系统工程和数字技术在灌排水方面的应用。提高灌排工程规划设计和运行管理的技术水平。
（7）农田水利工程项目的经济分析与评价。研究的目的是要以经济效益为指标，对灌排工程规划设计和运行管理等方面的各种方案进行比较和优选，它是研究工程是否可行的前提，也是从经济上选取最优方案的依据。
2.改变和调节地区水情
随着农业生产的发展和需要，人类改造自然的范围越来越广，农田水利措施不仅限于改变和调节农田本身的水分状况，而且要求改变和调节更大范围的地区水情。
地区水情主要是指地区水资源的数量、分布情况及其动态。改变和调节地区水情的措施，一般可分为以下两种：
（1）蓄水保水措施。通过修建水库、河网和控制利用湖泊、地下水库以及大面积的水土保持和田间蓄水措施（土壤水库），拦蓄当地径流和河流来水，改变水量在时间上（季节或多年范围内）和地区上（河流上下游之间、高低地之间）的水分分布状况，通过蓄水保水措施可以减少汛期洪水流量，避免暴雨径流向低地汇集，可以增加枯水期河水流量以及干旱年份地区水量储备。
（2）调水、排水措施。调水排水措施主要是通过引水渠道，使地区之间或流域之间的水量互相调剂，从而改变水量在地区上的分布状况。用水时期借引水渠道及取水设备、自水源（河流、水库、河网和地下水库）引水，以供地区用水。我国已建成的引黄济青、引滦济津、南水北调等工程，都属于这种类型。在汛期，当某地区水量过剩时，可通过排水河渠将多余的水量调配到其他缺水地区或调送到地区内部的蓄水设施存蓄。但是，必须清醒地认识到，我国水资源总量短缺，靠修水库、建调水工程，不能从根本上解决水资源短缺问题，建设节水型社会才是解决我国干旱缺水问题最根本、最有效的战略举措。调水可以解决区域的部分水资源短缺问题，但如果不搞节水型社会建设，人们没有节约水资源的意识，就可能出现调水越多，浪费越严重的情形。
在改善和调节地区水情的措施方面需要研究以下一些问题：
（1）在深入调查水量供、需情况的基础上，研究制定流域或地区的水资源中长期规划及水土资源平衡措施。
（2）研究当地地面水、地下水和外来水的统一开发及联合运用，应用系统工程的理论与方法，寻求水资源系统的最优规划、扩建和运行方案。
（3）研究洪涝规律，采取有效措施，解除洪涝威胁，并同水资源开发利用结合起来统一规划，做到洪涝旱碱综合洽理。
（4）研究水资源开发、利用和保护等方面的经济效益、生态环境和社会福利问题，探求符合社会主义市场经济原则的水资源系统规划、管理的经济论证方法。
总之，随着水利技术的发展，我国的农田水利建设今后要树立系统全面开发的指导思想，建立按流域综合开发利用水资源和科学管理的完善体系。实现由工程水利到资源水利的转变，由传统水利向现代水利和可持续发展水利的转变。无论是调节农田水分状况，还是地区水情，坚持科学态度，讲究经济效益。要认识自然规律，总结水利建设的经验，并从理论和技术上解决农田水利现代化中出现的新问题，坚持人与自然和谐相处，进而实现以水资源的可持续利用，保障经济社会可持续发展的目标。推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。
二、农田水利学的基本内容
灌溉研究的主要内容有：农田（广义的农田包括粮食与经济作物、草场、园林、蔬菜等一切需要灌溉的农业用地）的需水规律和需水量，灌溉用水过程和用水量的确定；灌溉方法和灌水技术；水资源在农业方面的合理利用，水源的取水方式；输水渠道（或管道）系统的规划布置及设计施工与管理等。灌溉研究的内容可以概括为水源工程、输水工程和田间工程的规划设计、施工、管理的学科。
排水研究的主要内容有：产生农田水分过多的原因及相应的排水方法；田间排水工程的规划设计；排水输水沟道系统的规划设计、施工、管理和承纳排水系统排出水量的承泄区治理的学科。排水的对象一般有：
（1）雨涝排水，是在降雨过多，地势低洼的地区形成地面积水，使作物受淹会引起减产时，需要排除地面水。
（2）防渍排水，雨后地下水位高，土壤过湿，通气不良会引起渍害时，需要降低地下水位的排水。
（3）沼泽地排水，它是在地下水溢出带，形成苇湖沼泽。进行垦殖前首先要排除地面水，然后还需降低地下水位的排水。
（4）盐碱地排水，在干旱、半干旱地区，降雨量小，蒸发力强，当地下水位高，而且矿化度高时，水分通过地表蒸发，盐分在表土层中积累，形成土壤盐渍化或盐碱化，盐碱对作物有害，盐碱地的产量很低。因此，为了防止灌溉土地盐碱化和改良盐碱地，需要降低地下水位的排水。
灌溉排水是调节土壤水分状况以满足作物生长需要的适宜水分状况的措施。但是，在调节土壤水分状况的同时还可以起到调节农田小气候和调节土壤的温热、通气、溶液浓度等作用。例如，盛夏炎热季节灌水可以起到降温作用，冬灌可以起到防冻作用，盐碱地冲洗灌水可以使土壤脱盐，降低土壤盐溶液浓度。排水后土壤的自由孔隙度增加，改善了土壤的通气状况，有利于作物根系的呼吸，对好气性细菌活动有利，可以使有机质分解为无机养料，便于作物吸收利用。所以，灌溉排水是提高作物产量和改良土壤的重要工程措施。
世界各国的灌溉排水实践证明，进行科学的灌排能使作物产量成倍增长，在相应的农业技术措施配合下可以改良土壤，不断地提高土壤肥力。但是，在不合理的灌排条件下也会引起土地恶化，甚至产生一些不利的生态环境问题。
随着经济发展、人口增加、城市化发展及水资源的短缺，农业用水面临着严峻的挑战。农业用水量的90%用于种植业灌溉，其余用于林业、牧业、渔业以及农村人畜饮水等。尽管农业用水所占比重近年来明显下降，但农业仍是我国第一用水大户，占全国总用水量的70%以上，发展高效节水型农业是国家的基本战略。21世纪初期，我国农田水利科学技术应大力发展以下几方面。
1.高效输配水技术
农业用水在输配水过程中的水量损失所占比重很大，对输水损失大、输水效率低的支渠及其以上渠道因地制宜应用渠道防渗技术，提倡井灌区、提水灌区固定渠道全部防渗；加强不同气候和土质条件下渠道防渗新材料、新工艺、新施工设备的研究，加强渠道防渗防冻胀技术的研究和产品开发；发展管道输水技术，改造较小流量渠道时优先采用低压管道输配水技术、在高扬程提水灌区和有发展自压管道输水条件的灌区，优先发展自压式管道输水系统；积极研究输水建筑物老化防治技术、病害诊断技术和防腐蚀、修复、堵漏技术；加快发展输水建筑物加固技术和产品的开发。
2.现代节水灌溉技术的理论与设计方法研究应用
大力推广田间节水灌溉，进一步开展田间节水灌溉的节水增产机理研究，改进地面灌水技术。推广小畦灌溉、细流沟灌、波涌灌溉；科学控制入畦（沟）流量、水头、灌水定额、改水成数等灌水要素；大力推广稻田“薄、浅、湿、晒”等干湿交替灌溉技术为主的水管理技术。积极研究稻田适宜水层标准、土壤水分控制指标、晒田技术及相应的灌溉制度；因地制宜地发展和应用喷灌技术，鼓励发展微灌技术，积极研究和开发低成本、低能耗、使用方便的喷灌、微灌设备；鼓励应用精准控制灌溉技术，提倡适时适量灌溉。在干旱缺水地区大力发展各种非充分灌溉技术；研究和运用控制性分根交替灌溉技术。
3.灌溉管理理论、农业用水优化配置技术
农业用水水源包括降水、地表水、地下水、土壤水以及经过处理符合水质标准的回用水、微咸水、再生水等。通过工程措施与非工程措施，优化配置多种水源，高效使用地表水，合理开采地下水，在时间上和空间上合理分配与使用水资源，发展“长藤结瓜”灌溉系统及其灌溉水管理技术，实现“大、中、小，蓄、引、提”联合调度，提高灌区内的调蓄能力和反调节能力。
4.井渠结合灌区地表水与地下水联合运用技术
我国北方的引库、引河灌区，由于灌溉水源日趋紧张，大多数都采取井渠结合灌溉形式。在引库灌区采取井渠结合灌溉，既能重复利用渠道输水和田间灌溉渗漏的地表水，又能确保农作物适时适量灌溉用水，还可通过井灌抽水降低地下水位，增加土壤储水库容，防止内涝和次生盐碱化的发生和发展。在引河灌区运用井渠结合灌溉，则是抗旱、防涝、治碱、节水及减淤等综合开发利用河水和当地水资源的有效措施。因此，发展井渠结合灌溉技术；推广和应用地表水、地下水联合调控技术；提倡井渠双灌、渠水补源、井水保丰；重视地下水采补平衡技术研究。对这类灌区可利用的水资源进行优化配置和高效利用，已成为当前灌区节水技术改造研究的重要课题。
5.调水技术
国外解决水资源不足的途径，除采取节水措施外，主要是搞调水。较大的调水工程有巴基斯坦的西水东调工程、美国加州北水南调工程等，大规模调水工作，将灌溉工程技术、机电提水技术提高到一个新的水平，并促进了灌溉经济分析、灌溉生态环境等灌溉学科分支的发展。我国调水工程已完成的有引黄济青（青岛）、引黄济津、引滦济津（天津）和引滦济唐（唐山）等工程都已完成，效果良好，并解决了一系列规划、设计、施工、提水和环境评价等技术问题。举世瞩目的南水北调工程中线、东线已全线动工，可望在近期实现调水。
6.非常规水利用技术试验研究
研究试验安全使用污废水、再生水、微咸水和淡化后的海水等非常规水以及通过人工堵雨技术等非常规手段增加农业水资源。发展一水多用和分质用水技术；发展非常规水与淡水混合使用或交替使用技术；建立污水灌溉量化指标体系和咸水灌溉控制指标体系；发展非常规水利用时地下水质、地表水质、农作物产量与品质、土壤理化性状以及环境等影响监测与安全评价技术；研究非常规水利用灌溉制度、施肥方式及灌溉模式，以及灌溉后作物和农田残留物的快速测定技术和方法。加强生活污水、微咸水等排泄与处理技术的研究；重视发展人工增雨技术；鼓励在养殖业或其他农副业中合理利用海水资源；加强天然淡水稀释海水浇灌耐盐作物的技术研究；积极研究与开发经济有效的非常规水处理设备与水质监测仪器。
7.农业节水关键设备、产品及材料的产业化
考虑到我国农村劳动力向城镇的快速转移，农业生产向高效集约化经营发展的趋势，节省劳力、生产效率高、自动化程度高的节水灌溉机具应成为今后研究、开发和产业化的重点。如机械移管的喷灌机具，地下滴灌设备，大、中、小型的渠道防渗衬砌机具，农田精细平地、开沟、打畦机具，各种自动阀门，以及灌溉自动化控制设备等。
8.农田水利应用基础研究
土壤水与作物关系问题的研究是农田水利研究的基础，今后的研究应从匀质走向非均质，从点的研究走向面或区域的研究，从理论研究推进到应用研究。土壤水运移机理研究应重点放在优先流、土壤水参数的测定和确定、土壤水参数的空间变异性、土壤水分运动的随机模型等几个方面。由于灌溉排水规律的复杂、水资源日趋紧张、综合利用供需矛盾的增加，应加强灌排自动化、GIS、GPS、RS、水情自动测报系统等技术的研究。积极研究和开发土壤墒情、旱情监测仪器设备及预测技术。
9.土壤水分、盐分的运移规律及易涝易旱易碱区治理和盐碱地改良原理、工程技术措施研究
国内外在排水技术方面都很重视暗管、排水及竖井排水，我国在暗管、暗沟、鼠道排水及竖井排水的应用方面，无论在南方、北方都很广泛。南方低洼圩区、北方低洼易涝地区、沼泽地、内陆盐碱地和滨海盐碱地，采用形式多样的暗管、暗沟、竖井排水，在排渍、排咸及改良土壤方面都获得较好的效果，探求作物生长与土壤水分状况、盐分状况之间的内在联系。应继续对明沟排水、竖井排水、暗管排水和辐射井排水等方面开展研究，重点放在对田块、排域的排水模数研究上。
10.作物节水高效灌溉制度
作物节水高效灌溉制度是以最少的灌溉水量投入获取最高效益而制定的灌溉方案。加强农作物水分生理特性和需水规律研究；积极研究作物生长与土壤水分、土壤养分、空气湿度、大气温度等环境因素的关系。提倡在作物需水临界期及重要生长发育时期灌“关键水”技术；鼓励试验研究作物水分生产函数及其变化规律；研究作物的经济灌溉定额和最优灌溉制度；加强非充分灌溉和调亏灌溉节水增产机理研究。
11.节水高效农作物管理制度、生物节水与农艺节水技术
发展适水种植技术。根据当地水、土、光、热等资源条件，以高效、节水为原则，以水定作物，合理安排作物的种植结构以及灌溉规模；鼓励研究和应用水肥耦合技术。提倡灌溉与施肥在时间、数量和使用方式上合理配合，以水调肥、水肥共济，提高水分和肥料利用率。提倡深耕、深松等蓄水保墒技术和生物养地技术。加强保护性耕作技术中秸秆残茬覆盖处理、机械化生物耕作、化学除草剂施用3个关键技术的研究；发展覆膜和沟播技术；发展和应用蒸腾蒸发抑制技术，提倡在作物需水高峰期对作物叶面喷施抗旱剂；鼓励具有代谢、成膜和反射作用的抗旱节水技术产品的研究和产业化；推广抗（耐）旱、高产、优质农作物品种。加快发展抗（耐）旱节水农作物品种选育的分子生物学技术，选育抗旱、耐旱、水分高效利用型新品种。
12.灌区信息化建设
人类已经进入了21世纪的“信息”时代。信息科技的发展正在改变着我们的生产和生活，也必将进一步产生更加深刻的影响。水利信息化作为水利现代化的重要内容，是实现水资源科学管理、高效利用和有效保护的基础和前提。水利部制定了水利信息化发展的《全国水利信息化规划纲要》，提出要加快水利信息化发展，灌区信息化是灌区现代化的基础和重要标志。在这样的形势下，灌区信息化也必将得到快速的发展。
灌区信息化建设，是汇集了多种学科的多种技术，也是一个技术高度集成的信息化系统，包括信息的采集、传输、数据库存储、分析处理和信息表示等，需解决通信技术、末端量测技术、数字地理信息技术等相关问题。实现灌区管理所需的水情、农作物、工情等信息的采集、传输、存储、处理与分析的现代化和自动化，是以数字化、网络化、智能化和可视化为主要特征的信息化。我国灌区信息化建设的主要内容包括硬件建设和软件建设两个方面，具体为灌区数据库的建设、基础资料的数字化、信息采集系统的建设、通信系统、计算机网络系统、用水管理决策支持系统、渠系自动化系统、办公自动化系统、灌区信息共享和信息服务及一些特殊的问题等。
农田水利科学技术应紧密围绕节水、节能、节约投资等问题，对现有工程挖潜改造，同时发展基础理论研究，在以地面灌溉为主的灌溉技术的基础上，大力推广喷灌、微灌等现代节水灌溉技术，发展管道输水、渠道防渗、污水灌溉、雨水利用等可持续灌溉农业和科学的灌溉方法，推进激光平地技术、红外线遥测、遥控等新技术应用，改进农田水土管理，提高自动控制技术，提高灌溉水的利用系数，缓解水资源紧缺状况，将我国农田水利科学技术提升到新的高度。
总之，随着水利技术的发展，我国的农田水利建设今后要树立系统全面开发的指导思想，实现由工程水利、资源水利到环境水利的转变、由传统水利向现代水利和可持续发展水利的转变。无论是调节农田水分状况，还是地区水情，坚持科学态度，讲究经济效益。要认识自然规律，总结水利建设的经验，并从理论和技术上解决农田水利现代化中出现的新问题，坚持人与自然和谐相处，进而实现以水资源的可持续利用，推动农田水利事业的发展。