摘要：地下水资源具有重要的自然资源价值和生态功能，是国家水资源主要战略储备，在确保城乡用水安全、推动社会经济发展及维护优美生态环境中扮演着不可或缺的角色，因此我国对地下水管理与保护工作极为关注，甚至多次强调保障地下水资源质量和可持续开发对于生态建设与民生改善是一项至关重要的工程。地下水作为我国主要淡水资源和供水资源，由于其时空分布特点，因此在一定程度上确保了我国各领域的生存与发展。而有效开展地下水管理，始终是我国农业灌溉水资源管理的技术瓶颈之一，加之我国大部分农业灌溉地区并未重视地下水管理的重要性，导致我国地下水资源正在不断减少。为促进水资源的可持续利用，加强地下水管理保护，本文对农业灌溉地下水管理的智能化转型路径进行了分析。

　　关键词：农业灌溉；地下水管理；智能化

　　水资源作为一切生命存活的基础资源，在生命繁衍、社会发展中有着不可忽视的作用。地下水作为水资源的主要组成部分，是我国农业灌溉、城市用水等领域主要供水资源。然而，由于缺乏有效管理，因此近年来我国地下水资源的储备量日益降低，尤其是农业灌溉领域，其地下水资源开采情况更为严重。因此，如何通过智能化地下水管理，实现保护地下水资源的目标，便成为目前农业灌溉领域的重中之重。

　　1对地下水资源的认识和利用方式

　　地下水资源是指在水分循环体系中处于地下不可见的水资源，良好状态下的地下水资源可有效维护湿地，确保河流基流。基于全球范围的角度分析，全球淡水资源储备中，有86%的淡水为冰盖和冰川储存，而地下水储备约占13.5%，剩余0.5%的淡水则储备在水库、大气、湖泊、土壤中。此外，地下水资源若要达到可观的储备，则需要长年累月地积累，这一特点是其相较河水而言，要更加平缓且稳定。若是开采合理、开发量不超出更新量且确保地下水资源不受污染，则其便是一种永久性资源。我国对于地下水资源的利用方式主要包括农业灌溉、农村生活、城市生活生产、环境用水，其中农业灌溉是主要利用方式[1]。

　　2我国地下水资源及开发利用特点

　　水资源调查结果表明，我国地下水资源总储量约为8219亿m3，以矿化度为标准，其中1g/L的储备量约为7972亿m3，1~2g/L的储备量为247亿m3，其分布情况为“南多北少”，南方约占七成。此外，其质量优劣主要受消耗和形成过程中地表水与地下水相互转化所影响，我国地表水资源开发和利用特点主要体现为以下几点。

　　我国地表水资源总量变化波动稳定，但局部地区的变化波动幅度较大。相较20世纪80年代我国第一次水资源调查结果，目前我国地下水资源总储备量约下降了62亿m3，减少了0.75%，这一变化波动相对稳定。但部分地区的地下水资源变化波动幅度较大，增长区域以辽河平原地区和松花江平原地区为主，辽河平原地区增长了7.9%，松花江平原地区增长了9.4%；而降低区域以海河平原地区和淮河平原地区为例，前者降低了10%，后者降低了6%。

　　地下水资源的开发利用主要以北方为主，且全国范围内地下水资源严重超采。北方由于平原地区较多，因此在地下水开采利用方面相较南方地区，要更为严重。然而，从全国范围内来看，地下水超采量约为169.68亿m3，主要以北方平原地区为主[2]。

　　3地下水在农业灌溉中的作用

　　在农业灌溉设计中，高效利用地下水资源具有双重效益，即所谓的井排效应。针对洪涝和盐碱问题，传统的方法，如挖掘排水沟和渠道，虽然旨在排水和改善土壤，但代价高昂，不仅占用大量耕地（约10%），还需投入大量人力、物力进行建设与维护，且常常因难以找到理想排水区域而效果有限。然而，实践中，特别是大部分区域，建造兼具灌溉和排水功能的井群，通过采用垂直井排技术，能够在节省土地的同时，不需要大规模土建工程，不受容泄区约束，可以一举实现排水和灌溉目标。这一策略在全球范围内已被广泛验证，被广泛赞誉为抵抗盐碱化的最佳手段。在我国，大约有三亿亩的土地为易涝、易碱的土地，这些土地亟待通过调整地下水位的方式进行改善，而垂直井排无疑是首选的技术手段。此外，为提高灌溉效率，以及预防水涝和盐渍化问题，并实现水资源的最大化利用，即便是在地表水资源丰富的灌溉区，适时地采用地下水进行灌溉也是极其关键的，这不仅能保障灌溉水量，还能有效防止次生渍涝和盐碱化问题的发生。因此，结合地下水灌溉，是促进灌溉面积扩大的关键策略。

　　4农业灌溉地下水管理存在的问题
      4.1缺乏地下水取水工程管理制度

　　地下水管理具有对象复杂、标准化管理难度大等特点。此外，用水户的用水需求是较为分散的，这就导致实现标准化管理具有一定难度。我国现阶段并未制定有关凿井管理制度的相关法律法规，且对于机井建设质量同样存在缺乏建设质量监督等问题，这就导致我国地下水取水工程管理缺乏可参考的制度标准。

　　4.2缺少完善的地下水取水许可管理制度

　　现阶段，我国大部分地区对于地下水取水许可采用的管理制度主要以两种模式为主，即行政区域管理模式、流域管理模式，而这两种模式的弊端便是在实际管理时，并未以水文地质单元为管理单元，从而导致部分地区某些跨区域、跨流域的大型地下水资源开采存在极为严重的不合理或过度开发的情况。农业取水许可制度并未充分落实到位，导致管理效果差强人意[3]。

　　4.3地下水开采计量设施缺失

　　农业灌溉往往是在农村地区进行，而我国大部分农村地区均不具备开采计量设施，相关部门无法进行有效的地下水开采监督，导致实际地下水开发和农业使用等基本数据出现严重的偏差，使得相关部门公布的地下水开发数据，特别是其中的农业地下水开发数据缺乏可参考性。

　　5农业灌溉地下水管理的智能化转型路径
      5.1计量设施的智能化转型

　　5.1.1地下水智能计量设施的组成

　　由于农业灌溉地下水开发主要使用对象为农民，因此，在设计智能计量设备时，应深入考虑农民在灌溉过程中的具体需求，确保设备满足“结构简约、易于操作、适用性广泛、稳定性高、后期保养费用低”等标准。目前，流行的智能计量仪器由以下部分构成：水表、智能控制单元、智能卡片、管理计算机及其配套软件系统。

　　5.1.2地下水智能计量设施各组成部分的基本功能和技术要求

　　水表作为最基础也是最重要的计量设备，可为水量控制提供基本保障，因此，必须保障水表的计量精确度和稳定性。在泥沙含量丰富、气候严寒、水中矿物质含量高及风沙频繁的地区，选用智能型计量设备时，水表需具备较强的耐磨损和防堵塞特性。除此之外，还应具备防雾、耐腐蚀和防尘等多重功能。水表的技术指标应达到以下条件：额定工作压力不低于1.0MPa，测量应精准，最小刻度值≤1.0m3，传输至管理系统的数据误差不应超过1.0m3。

　　智能控制箱在整个地下水智能计量设施中，起到了自动化控制效果。开关控制主要以水表计量数据为参考，由金属箱体、液晶显示屏、智能控制器、交流接触器、应急开关、保护装置组成。其基本功能应具备非接触式刷卡运行条件；在发生掉电等事故时，具有保护功能；应急供水功能；防盗水功能；查询功能；用户卡挂失功能；当发生短路时，保护水泵电机功能；自动诊断故障、报警、断电保护功能。智能控制箱的技术要求为前端应具备安装保险丝式手推闸刀等设备；刷卡取水、刷卡停水；显示屏应能直观体现农户基本信息和取水总量；具备多卡同时运行条件；应具备温度在-20~60℃条件下正常运行的功能；不同用户在进行操作时（用户甲通过刷卡停止给水，用户乙刷卡启动给水），如果两次操作间隔≤15s，机器需保持水泵持续工作；而间隔＞15s，则启动水泵自动断电保护功能；该设备内部电器设备的功率应与水泵电机功率一致，且应满足在电压变幅在220~480V范围内正常工作的要求；区域性功能，即用户卡仅能在本区域范围内使用；当水泵电机的运行功率为60kW时，应具备电机启动补偿电气设备的功能[4]。

　　智能卡主要分为用户卡、管理卡两种类型，而无论哪种类型的智能卡，均应具备基本的信息读写、存储、携带方便、防水、防消磁等功能。智能卡的技术要求为用户卡实名制，一户一卡；用户卡激活后，应具备即刷即用、即刷即停的功能；管理卡应具备在任何井上查询井和用户信息的功能。

　　管理计算机和管理软件围绕两级配置原则，总配置通常设置在当地农业灌溉水管所，子配置主要设置在工作区域，常规布置是每50口井配备一套设备。管理计算机分为主机、显示器、打印设备、智能卡读取设备及不可或缺的辅助软件。主机需具备文档编辑、信息存储、数据流通及网络连接等基本能力。管理软件应具备提供直观的用户界面、中文显示及便捷的操作流程等功能。此外，还应具备根据标准格式下载、传输数据信息和文本指令的进阶功能。管理计算机和管理软件的技术要求为总管理计算机应具备设置各机井最大取水量，且将相关指令传输给子管理计算机的功能；子管理计算机应具备用户卡充分功能。

　　5.1.3注意事项

　　上述内容是针对我国某一特定地点进行的功能设计探讨，但鉴于其运行初期阶段及地域间农民用水习惯的多样性，基础功能和技术规格的提炼与优化工作仍有待深化。考虑到我国尚未形成统一的地下水计量设备功能规范和技术标准，且市场上的生产商繁多，产品操作方法各异，安装智能计量控制器的公司有责任采取有效途径，对农民进行充分的培训，以确保设备易于操作。为了简化流程，建议同一地理区域内的安装任务应由单一供应商承担。鉴于各地气候条件、管理策略及农民灌溉习惯的差异，计量设备的性能和技术规格往往需要进行针对性调整。灌区管理部门需针对实际安装、操作、保养及售后等工作，灵活对设备功能和技术指标进行优化，以确保设备性能的最大化，满足农业生产的具体需求。在部署地下水计量设备时，应以独立的水文地质单元作为核心，并兼顾水资源调配及流转管控需求。划分出若干地下水管理板块，对各个板块的核心指标进行记录，包括农业灌溉井的挖掘深度、水泵电机的工作功率及电压波动的范围等，这些数据将作为安装智能计量控制系统的关键参考信息。
      5.2多灌溉水源联网调度与自动灌溉管理

　　5.2.1多灌溉水源联网调度

　　所在地区需要进行联网的水资源系统，从整体上可划分为供水系统与用水系统两大分支，供水系统涵盖该区域所有水资源，而用水系统则依据该区域农业灌溉的具体情形和特性，细分为多个独立的水使用单元。一旦该区域联网供水系统无法满足当地用水需求，可从其他区域进行调度。不同联网供水区域之间在进行水资源调度时，主要以彼此的连接节点作为途径，在进行水资源调度时，将水资源不足的区域定位于用水区域，以达到水资源的最优分配。

　　当不同区域的农业灌溉水源进行联网后，彼此间的水资源可相互调度，既可实现一对一的调度，又可实现一对多或多对一的调度。但各区域之间的水源距离不同、调水条件不同、用水费用不同。

　　5.2.2水源联网自动化控制技术

　　多水源联网自动化控制系统分为核心主机、配备单片机的控制中心（一般设置在中央控制室，简称为主控）及具备多个单片机的分控节点（通常位于水井房或监测现场，简称为分控）构成，能够实现分散式监控。在此系统中，分控站的等级为Ⅱ级。其树形拓扑结构，如图1所示。

　　如图1所示，控制总站为本系统的树形分布结构核心，各外节点为控制子站，原理上一台控制总站可控制多台控制子站，但子站数量一旦超出某个限制，便会对控制总站的系统运行速度产生一定影响[5]。

　　为确保系统的开放性，该系统自动控制系统软件并未将数据库设置在主系统中，而是通过运用先进的数据库管理工具—Access，构建新的数据库。与主系统的连接是通过ADO技术实现的，这一设计方法极大地提高了主系统在记录运行参数时的效率，并且使得实时查询数据库、执行搜索操作、展示历史数据树状结构成为可能。此外，该系统还能够以表格形式在数据库内存储修改后的环境参数和控制参数等信息。

　　该系统结合自动化操控、人机对话操控及智能操控。该系统的特点为可自动调节水泵的启停和电动阀的启闭；可实时搜集并处理水位、压力、流量、水泵及电动阀启闭状态等现场数据；自动化控制农田灌溉供水电子阀的开关，并实现农田灌溉情况、电磁阀开关情况现场数据的自动化收集。通过上述各种特点，该系统最终实现了农田灌溉的远程控制和精准灌溉[6]。

　　6结语

　　综上所述，当前农田灌溉地下水管理的革新方向明显倾向于智能化，构建针对特定灌溉区域水文特性、土壤水动力特性、微观地形空间异质性的分布式水文学模型，分析地下水智能管理系统的设计与开发，包括智能设备研发，正引领我国农田灌溉地下水管理步入现代化、自动化和智能化，这将是我国农业灌溉地下水管理的未来发展路径。

　　[1]朱会山.解析加强地下水机井灌溉用水管理的方法[J].水上安全,2024(10):94-96.

　　[2]杨美赞,李名威,高冰.黑龙港地区地下水灌溉管理存在的问题[J].农村经济与科技,2018,29(13):106-108.

　　[3]秦欢欢,黄丽想,王健泉.灌溉变化对华北平原地下水可持续利用的影响[J].长江科学院院报,2024,41(04):37-45.

　　[4]李兴朋.农田灌溉大口井施工管理的问题研究[J].江西农业,2024,(05):108-110.

　　[5]郭中磊,孙佳玮,王微.河北省农业灌溉取用地下水量监测项目实施方案探析[J].河北水利,2024,(05):28-30.

　　[6]向宇轩,赵鑫,牛攀,等.智慧灌溉技术推广效应评价体系研究与实证[J/OL].节水灌溉,1-16[2024-09-06].