论文日本新型地下水控制系统的特性与营农效果，该文是控制系统相关论文范本与地下水和营农效果和控制系统相关函授毕业论文范文.
摘 要：近年来,日本研究并推广了新型地下水控制系统FOEAS,可以灵活地控制地下30cm到地表20cm的水位,可以根据植物的生育期进行任意调节并维持水位,几乎能满足水稻、小麦、大豆和各类蔬菜对地表和地下水位的要求,避免了水田连作障碍,更加容易实现水旱轮作.该系统的推广有利于作物结构调整,改善农业经营效率,提高地力,具有稳产增产省工省力的特点,可以节约水资源和动力能源,减少环境污染,提高农作物质量.研究日本新型地下水控制系统FOEAS的原理、特性及营农效果,对中国农田基础设施建设具有很强的借鉴意义.
关键词：日本农田水利；FOEAS；土地改良；水旱轮作
DOI：10.13856/j.cn111097/s.2017.02.007
“藏粮于地、藏粮于技”是中国国家“十三五”规划的重要战略目标.也就是说要向土地和科技要粮,其中的土地即要求大规模推进农田水利、土地整治、中低产田改造和高标准农田建设,而中国的农田基础设施建设还很不完善,洪涝和干旱仍然严重困扰中国农业的发展.日本与中国同属于东亚小农国家,该国经过第二次世界大战后几十年的大规模土地改良,建成了完整的水利体系.兴修了大中小型水利工程,普及了农业机械耕作,大面积实现了水旱轮作.但是,传统的暗渠存在的水位不能灵活控制、田块供水不均匀等缺点使得水旱轮作存在湿害等难题.为了克服普通暗渠的不足,日本近年来又研究并推广新型地下水控制系统——FOEAS,即FarmOriented Enhancing Aquatic System的英文缩写.FOEAS最大的特点是可以根据植物的生育期特点在地下30cm到地表20cm灵活地任意调节并维持水位.研究FOEAS的原理、特性和功效,对于中国农田基础设施建设具有重要的现实意义.
1日本农田水利的起缘与变迁
日本农田水利设施建设伴随着稻作的发展而兴起,它的历史可追溯至2 000多年前对中国古代技术的引进和改良.随后,以明治维新为契机引进了欧美的近代技术,使日本农业用水得到了迅速发展.近代以《土地改良法》为标志,农业用水事业进入大变革时期,农田水利设施建设有了质的飞跃,为日本农业现代化奠定了坚实的基础.
1.1传统的土木技术时期
早在2 000多年前,日本农田水利设施与水稻耕作发展相伴而生,开始是“天水田稻作”.最初从中国或者经由朝鲜半岛而传入日本.日本对传过去的水利技术进行了改良.后来又导入并应用中国宋、元、明代优秀的水利技术,战国时代(1467—1575)日本的水利技术取得了飞跃发展.中国土木技术书籍如《天工开物》和《农政全书》都被应用到日本的水利技术上,参考都江堰水利工程修建了日本冈山县高粱川的湛井堰、筑后川的山田堰以及佐贺的象鼻堰等工程.后来,德川家族统一了日本,江户时代（1603—1867）引入了中国清代的水利技术,与日本各地原有的技术进行组合,形成了所谓的“传统的”土木技术[1].
1.2农业用水迅速发展时期
幕府禁止同欧洲交流,在锁国政策中,唯一的开放地是长崎,通过长崎,引入了荷兰的近代技术.在农田水利方面,荷兰人积累了丰富的经验.荷兰对印度尼西亚爪哇岛殖民地控制时期,对东南亚稻作、农田水利建设积累了大量的经验.这些经验,后来在日本明治前期对农田水利做出了贡献.以1868年明治维新为契机,日本选择了资本主义道路,从欧美先进国家引入了近代的水利技术,修建水库、堤坝、隧洞等现代化施工技术,农业用水迅速发展.1897年前后,日本的土木技术者消化吸收了欧洲的近代技术,适合日本自然条件的工法开始实施了[1].
1.3农田水利事业的变革时期
第二次世界大战后,日本出现了经济萧条、粮食紧缺的困难时期,增加粮食产量、开发水源、治水已经成为国民经济的重要课题.这时,农业土木技术迅速制定了标准化和制度化,这是日本水田供水技术的变革时期.随着土地改良制度的工业化发展,给日本农田水利事业带来了质的飞跃.20世纪60年代,水田进行全面平整并导入了暗渠排水工程.土地平整事业是以《土地改良法》为基础的辅助事业,在1963年设立的标准是水田一块为0.3hm2,对给排水设施和农用道路进行综合改良.政府开始对土地改良事业进行巨额的财政投资,对提高农业生产起到了十分重要的作用,农田水利设施作为国家长期以来积累的一项宝贵的固定资产,支撑着日本的农业和国民经济.由于传统的暗渠排水工程对水位不能灵活控制等缺点,近年来日本农村工学研究所和Paddy研究所研究了新型地下水控制系统——FOEAS.FOEAS克服了传统暗渠的缺点,且费用并不高于传统暗渠的费用.
2地下水控制系统FOEAS的原理、实施条件与意义
日本《食料·农业·农村基本计划》要求在保证水田农业稳定经营的前提下,积极推进规模化、省力、低费用,积极推进多种农作物的轮作.但是水旱轮作的最大难题是湿害,不利于机械操作,而且旱作收入不稳定.在此背景下,近年来日本研究并推广新型地下水控制系统——FOEAS,可以避免上述问题的发生,而且操作简单,费用低.
2.1FOEAS的原理
FOEAS构造如图1所示,给水主线管直径100mm、支线管直径50mm,管子的上端到田面距离50cm,在地下水平铺设,辅助孔的下端在地面以下40cm处,支线管间隔10m,辅助孔间隔1m.给水侧设置有水位管理器,排水侧设置有水位调节器,水位的控制通过排水侧的水位调节器调节.给水侧的水位管理器是根据水位的不同,可以自动控制给水和停水,防止给水过多而导致从排水侧流走造成水的浪费.
如图2所示,当水位比设定水位低的时候,通过调节水位调节器里边的浮动管和水位管理器,供水开始经过主线管→支线管→辅助孔→给水田供水；当供水达到了设定水位,水位管理器的阀门关闭,停止供水；如果降雨时,水位超出了设定水位,排水侧水位调节器浮动管以上的水会自动溢出.
2.2FOEAS的实施条件
FOEAS施工之前需要对其地形、土壤、地下水位和气象等条件做事前调查,其中以土壤条件为重点,主要是透水系数的测定,通过对土壤断面进行测试,一般测试地下60cm土壤的透水系数,然后根据土壤的属性和透水系数的大小来判断是否适合施工地下水控制系统.测试时,发现看不到地下水位上升或者水位上升并不均一,可以判断该地为不适合做地下水控制系统区域.一般情况下,如果表土层的透水系数在1×10-3以上,下层土透水系数在1×10-6以上的土壤是适合做地下水控制系统的；而表土层透水系数在1×10-6以上,下层土透水系数在1×10-3以上可以判断是不适合做地下水控制系统的.另外,需要具体结合种植的作物和栽培方式来考虑.
2.3FOEAS实施的意义
日本的农业用水主要取自河流,为了保护生态环境,严格限制抽取地下水,并不断采用新技术和新方法来节约用水.如改变农田水利传统做法,把水渠分为灌溉渠和排水沟,水田排水有地表明渠和地下暗渠；铺设管道来防止明渠渗水、漏水.日本自20世纪60年始对田地进行规划,标准规划一块是100m×30m,在30m一侧设有农用通道,以方便农业机械的使用,同时修建了给水路、暗渠排水路,这对推进日本近代农业的发展做出了巨大的贡献.暗渠可以降低地下水位,改善土壤通气性；提高土壤温度、改善土壤结构、促进土壤微生物的活动,使作物的根扎得更深,生长旺盛；与明渠相比,土地利用率较高,不妨碍交通和机械作业；干旱时能用排水系统倒灌,减轻旱情,肥料的流失也相应减少.传统暗渠对地下水位不能进行灵活调节,会导致收获季节农业机械在水分多的田间行走困难,作业质量降低.
伴随着日本农业结构的调整,需要减少水稻的种植面积,增加大豆和小麦的种植,越来越多的水田需要进行水旱轮作,但是有些旱作,如大豆水量过多会严重影响大豆的产量.传统的暗渠虽然可以进行水旱轮作,但是旱作的产量却非常不稳定,其中一个主要原因就是受浸水和干旱的影响,如果能合理地控制水的供给和快速排出,旱作的产量就会提高.20世纪70年代后期,随着日本土地利用型农业结构的调整,为了降低生产费用需要扩大标准田块面积,为机械耕作和土地流转创造条件,以适应大规模化经营.FOEAS通过对地下和地表水位的调节,可以更加容易地实现水旱轮作,有利于作物结构调整,可以提高作物的产量,省时省力等,因此,可以有效改善农业经营效率,最大限度地发挥农地的价值,提高土地生产率.同外,可以大量节约水资源和动力能源,减少环境污染.
3地下水控制系统FOEAS的特征
施工FOEAS的田块,可以灵活地控制地下30cm至地表20cm的水位,下急雨大雨的时候,不会有积水发生,田地里的水位很快会退到设定的水位.如种大豆的田地,可以很快使水位退到地下30cm左右.当间隔数日不降雨,避免干旱可利用FOEAS,根据大豆的成长期调节水位在地下50cm至地表20cm.对于稻田,同样可以根据水稻的生育期进行调节给排水.也就是说,根据不同作物生长期对水位要求的不同,可以灵活地调整地下和地表水位并能维持设定的水位,这是FOEAS最大的特点.而且FOEAS实施的田地供水均匀,这一点跟以往日本的暗渠有很大区别,以往的暗渠供水并不均匀.另外,FOEAS可以长期使用,暗渠透水材料不容易腐烂,延长了耐用年限；并且暗渠可以简单进行冲洗,0.3hm2（100m×30m）的田块只需要10min可以把管道清洗干净；属于环境友好型工程,可以防止农药和肥料的流出对河川造成的污染.
与传统的暗渠相比FOEAS具有以下优点[3]：
3.1种植水稻其用水量减少四成
如表1所示,FOEAS田块用水量542mm,对照田块是925mm,实施传统暗渠的田块与实施FOEAS田块用水量对比发现,总用水量减少四成.整地放水和插秧时期比对照田块多用了32mm的水,但是在分蘖初期,由于水位管理器对水位的控制,比对照田块节省了242mm的水.分蘖晚期比对照田块多用了66mm水.但是出穗成熟期节省了239mm的水,主要是因为对照田块实行间断灌溉造成了水的浪费,而FOEAS田块是通过水位管理器控制水位在5cm深恒定,减少了水的浪费.
3.2具有增收和省工效果
日本对对照田块进行比较发现,FOEAS具有明显的增收效果,其中,水稻增收了1.12倍（13块地的平均值）,大豆增收了1.4倍（22块地的平均值）,小麦增收了1.42倍（11块地的平均值）.从省工效果看,2008年对照水稻田块水位管理时间是102天,而FOEAS实施的田块水位管理时间是92天,由于有水位调节器和水位管理器,可以大大节省劳动时间.
3.3FOEAS施工的田块透水性良好
收获季节过后,通过对表层和地下30cm透水系数进行测定结果表明FOEAS施工的田块其透水系数大大提高了.
3.4低廉的施工费用
根据施工方法和水位管理装置的不同,地下水控制系统FOEAS可分为4种类型,在耕地区划面积为0.3hm2情况下,4种类型的施工费用每公顷分别为160万日元（100日元约合5.60元人民币,2016）、180万日元、190万日元和210万日元,而传统的暗渠费用大约为每公顷180万日元；随着区划面积的增大FOEAS施工费用有降低的趋势,如耕地区划面积0.5hm2,FOEAS的费用约为每公顷176万日元.
4地下水控制系统FOEAS的营农效果
FOEAS在给水侧有水位管理器、排水侧有水位调节器,可以根据不同作物的不同生长期对水量要求的不同进行地下30cm到地表20cm任意调节,而且能维持设定的水位.因此,几乎能满足水稻、小麦、大豆和各类蔬菜对地表和地下水位的要求,能够保证作物稳定的产量.从农户角度看,由于有稳定的产量,农户对轮作会非常积极,可以提高土地利用率,减少土地抛荒现象,对农业种植结构调整和提高食料自给率起到积极促进作用.
4.1FOEAS的导入效果
（1）对水稻种植而言,可以满足水稻不同生长期对地表水位和地下土壤中水分的要求,使旱田直播变为可能,放水打浆后的浑浊水分不会对地下水造成污染；晒田后,排水路是干燥状态,用水路是湿润状态,地下水位可以保持在20cm深；传统的暗渠要进行间断的灌溉,这样既浪费水又浪费劳动时间,而且晒田后不能保证地下水位的均一化,容易造成田面龟裂,老鼠洞易发生漏水,造成水的浪费,肥料和农药的流失,造成对河流山川的污染.如果能够保持地下一定水位,既可以满足植物生长对水分的要求,不会发生田面龟裂；收获季节田面比较干燥,确保收割机能够进入田地进行收割；排水迅速,给水侧有水位调节器,防止一边灌水一边排水造成不必要的浪费[4].
（2）对旱作而言,可以避免旱涝,保证作物稳产.传统的暗渠种植旱作后,容易造成土壤干燥、表面龟裂等现象,而FOEAS施工的田块不会发生类似的现象,可以有效地保持水田土壤的功能,避免水田连作障碍,提高地力,提高作物产量,减少水源浪费,有利于国家进行种植业结构调整[4].另外间接的效果,可以提高作物品质,从日本福井县九头龙川地区的实例可以发现[5].
4.2水旱田轮作农业所得增加效果试算
例如,北关东地区,4个专业农民共同经营40hm2水田,农忙季节每个月劳动时间合计是720小时,如果在原本就是水田的田地只种一季水稻,一般是5月中旬开始移栽苗、插秧、打除草剂等作业.按照4个人1个月工作时间上限是720小时计算的话,只能插秧20.9hm2（轮作体系A）.这样农业所得是849万日元,每个人平均212万日元.但是如果在这样的水田施工FOEAS,就可以轻松地进行各种轮作模式.①水稻—大豆轮作经营模式,如上所述,由于农忙季节用工的限制,只能经营水稻20.9hm2,这样可以在其余19.1hm2种植大豆（轮作体系B）,这样农业收入就是1 562万日元,平均每人收入390万日元.②小麦—大豆轮作经营模式,水稻种植18.7hm2,剩余的21.3hm2用来种植小麦和大豆,这样播种面积达到了61.3hm2（轮作体系C）,农业收入达到2 097万日元,平均每人收入524万日元.③扩大规模,增加收入（轮作体系D）.另外流转土地29.2hm2,这样水稻控制在20.3hm2,大豆43.3hm2,小麦和大豆轮作5.6hm2.这样的种植模式总播种面积是74.8hm2,农业所得2 794万日元,平均每人收入699万日元.④扩大规模、干田直播、种植大麦,提高水田利用效率（轮作体系E）.水稻插秧17.6hm2,干田直播4.6hm2,大豆单作播种22.9hm2,小麦—大豆轮作5.3hm2,大麦—大豆轮作19.3hm2.其中流转土地29.7hm2,与轮作体系D差异并不大,但是累计播种面积达到94.3hm2,与轮作体系D差异较大,农业所得达到了3 366万日元,平均每人收入842万日元（表２、表３）.
5日本地下水控制系统FOEAS的启示
日本实施的地下水控制系统FOEAS,到2013年3月已经普及了38个县、149个地区的5 600hm2田地.2016年年末预计普及面积达到1万hm2[6],相对于日本耕地面积449.6万hm2来说比重很小,其中一个原因是日本水田面积的45%都修建了暗渠系统或灌排水分离并沿用至今,今后伴随着传统暗渠系统的老化,普及面积将会越来越大.目前,中国面临着耕地面积日益缩小、水资源紧缺、洪涝灾害频繁、水质严重污染和水生态环境恶化等问题[7],在借鉴日本的有关做法当中得到以下几点启示.
5.1加快立法进程,使水资源的开发、利用做到有法可依有法必依,减少不必要的地下水开采,避免地面沉降,严格控制水域污染
日本主要靠立法、遵法、执法和责任协调达到统一,促使水资源合理开发,综合利用[8].1896年的《河川法》和1899年的《耕地整理法》是日本治水和土地改良具备的基本法律,《耕地整理法》的重点是灌溉和排水事业的改良.1919年,日本出台了《开垦助成法》,开始重视排水条件的改善,随之暗渠排水事业开始盛行.1923年,日本制定了《给排水改良事业辅助纲领》文件.1949年,日本出台了《土地改良法》,关于土地改良事业真正从法律上给予了保障,并给出了土地改良事业的基本体系,其中农田水利事业是土地改良事业的重要内容.继日本经济高速发展阶段,要求农业必须进行结构调整,日本农田开始统一规划,同时排水系统更多地采用暗渠排水系统.进入21世纪,日本研发并推广了新型的地下水控制系统——FOEAS,在经济和社会发展的不同阶段,顺应其发展的特点和农业政策,制定了不同的法律,对农业水利事业为核心的农田基础事业支持经久不衰.中国关于农业用水的法律还很不健全,许多农田水利工程都是以文件形式下达,然后由政府组织实施,农民只是被动的受益者,后期的管理和维护主体还很缺失.
5.2农田水利事业应该做到“自上而下”和“自下而上”相结合,即政府和农民共同参与、共同管理和维护
日本农业灌溉、排水的水管理,是以土地改良区为核心进行全面管理的.国家直接管理的主要是大型水利枢纽和水渠工程,国家委托都道府县管理的工程主要是大型排水泵站和防潮闸,都道府县自主管理规模较小的综合利用工程,土地改良区直接管理当地农业灌溉服务的小型工程.日本土地改良区是农民自愿联合成立的农业团体,水利工程的管理维修和筹集管理经费,是它的主要任务之一.也就是说,政府、各县级政府部门和基层农民联合起来,由国家财政支持,由农民申请并管理维护,同时支付少部分费用.当前,中国农民并没有相当于日本土地改良区这样的基层组织,对国家兴修好的水利工程缺少维护管理的意识和责任,因此,严重影响农田基础设施建设的成效,今后应该考虑让农民出一小部分费用,参与到农田水利事业中来,这样就有参与管理和维护的责任感.
5.3各地区因地制宜进行土地改良和兴修农田水利,条件允许的地区可以考虑导入暗渠系统,使水旱轮作,做到高标准农田旱涝保收,提高土地利用率,促进种植业结构调整
日本高度重视农田基础设施建设,国家和地方政府投入大量的资金用于土地改良、兴修农田水利设施.2013年日本农田基础设施投资占农业投资中的一般服务支持的84%.相比之下,中国的农田基础设施建设还很不完善,在中国耕地中,高产田的比重不足1/3,而且要实现旱涝保收的目标任务非常艰巨.今后不但要完善高标准农田的基本建设,而且在农业水利方面加大力度,争取在标准农田区域做到旱涝保收,力争能够做到水旱轮作,以减少水资源的浪费,提高农业用水效率.目前的农业用水占水资源总量超过六成,但是其使用效率很低,1997—2006年10年的平均用水效率仅为0.49[9].
5.4农田水利事业着眼于可持续农业的发展,避免化肥农药的流失和水资源的浪费,增强土壤的地力,提高土地利用率,同时考虑节省人工费用和有利于大型机械作业的相应措施
日本的农田水利事业是土地改良事业的重点,在经济发展的不同时期,根据国家战略的需要,农业的功能也并不相同,其相应的水利灌溉事业目的迥异.至今,日本的农田水利事业评价已经不但局限于经济效益评价,而更加注重社会效益和生态效益评价.像FOEAS不仅能提高作物的产量、减少用工时间、增加水旱轮作面积、提高土地利用率等,而且避免水资源的浪费和化肥农药流失所导致的河川水体污染,更加有利于机械操作,提高农作物品质,有利于国家种植业结构调整.
参考文献
[1]旗手勲.第2章水利開発史をめぐる技術と推進者,玉城哲,旗手勲,今村奈良臣.《水利の社会構造》[M]．：国际联合大学1984.5588.
[2]地下水位制御システム（FOEAS）調査·設計·施工マニュアル：改訂版[S].農村工学研究所,2011.
[3]藤森新作,小野寺恒雄．PART2,FOEASは暗渠·明渠·従来型地下灌漑施設と何が遣うか,《水田農業自由自在地下水位制御システムFOEAS―導入と活用のポイント》[M]．：农山渔村文化协会,2012：1836.
[4]全国農業協同組合連合会（JA全農）営農総合対策部.地下水位制御システム「FOEAS」とは,《土地利用型農業の経営安定に向けた地下水位制御システム「FOEAS」の活用》[G]．：全国农业协同组合联合会营农综合对策部,2009：114.
[5]健.地下水位制御システムの魅力と地球環境への貢献[EB/OL](20160428).http://seneca21st.eco.coocan.jp/working/koizumi/53.pdf.
[6]望月秀俊.地下水位制御システムFOEASによる土壌水分分布について.2014年农业农村工学会讲演会演讲摘 要集[G].：农业农村共学会：6667.
[7]戴明龙,叶莉莉.日本的水资源利用与管理[J].水资源保护,2010(1):8790.
[8]吴锡瑾.赴日考察报告：第一部分：日本的国土资源和水资源[J].广西水利水电科技,1987(1):6167+7.
[9]陈伟忠.日本土地改良区的农田基础建设及其对中国的启示[J].世界农业,2013(12):2227.
该文结束语，此文是适合地下水和营农效果和控制系统论文写作的大学硕士及关于控制系统本科毕业论文，相关控制系统开题报告范文和学术职称论文参考文献.
参考文献：
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