三、农业水土工程
农业水土工程是指合理开发和有效利用与保护农业水土资源的工程措施。该学科是农业工程学科中发展最早的二级学科之一，曾先后称为“农田水利”和“农田灌溉”。基于农业水资源的科学利用和土壤改良、水土保持等科学技术关系密切，国际上普遍采用水土工程名词，中国于1990年定名为“农业水土工程”。
水和空气是植物生长的必要条件。水和空气不仅可以供给植物所需的氧和氢，而且是植物吸取养料的媒介，并可补充叶面的发散。除浸水作物外，土壤中能起上述作用的是毛细管水。土壤结构中水分过多、过密实、缺乏足够的空气或空气不能流通时，植物的根容易腐烂，日久便会窒死。因此，为了使土壤中的水分符合植物生长的需要，必须针对具体情况对农田进行灌溉或排水。
1．农田灌溉
农田灌溉是运用农田水利工程设施，从水源引水，通过输水工程，把水输送到田间，并按照作物的需水要求进行灌水。常用的灌水方法有地面灌溉、地下灌溉、喷溉和微溉。
（1）地面灌溉 地面灌溉是将灌溉水通过地面渠道系统或地下管道系统输送到田间，水流在田块表面形成薄层水或细水流向前移动，通过水的重力和毛细管作用渗入土壤。这种方法设备简单，应用最广，但田间跑水、流失、蒸发、深层渗漏损失大。地面灌溉又有畦灌、沟灌、淹灌三种。畦灌是将农田用土埂分成许多畦田，将水引入畦内，每块畦田的地面应平整，以利水流均匀漫散。畦灌及田间管理工作都较简单，多用于水稻及其他密植作物，如小麦、大麦、谷类等，其缺点是灌水过程中容易破坏土壤结构，干时表土易结成硬盖。沟灌是在农田内修建灌水沟网，将水引进作物行间的灌水沟的灌溉方法。沟灌时水分借毛细管作用浸湿土壤，不致破坏土壤结构，可以使作物根部得到适宜的水分和通气条件。这种灌水方法较好，适用于中耕作物，如棉花、玉米、蔬菜等。淹灌与畦灌类似，只是农田分块较畦田大。淹灌前将田地用土埂隔成格田，然后灌水，此法多用于水稻灌溉和冲洗灌溉。
（2）地下灌溉 地下灌溉又称渗灌，利用农田地面以下的工程设施使灌溉水通过土壤毛细管作用，自下而上润湿作物根系活动层，供作物吸收利用。它可使土壤保持疏松和团粒结构，减少蒸发和渗漏损失，不用开沟筑畦，节省土地，便于机耕，但需铺设管道，造价高，管道易淤塞，常用于水源不足地区。
（3）喷灌 喷灌利用管道将压力水输送、分配到田间，再由喷头射到空中，形成细小的雨滴，均匀地洒落在灌溉面积上，以满足作物生长的需要。可以用水泵从水源取水加压或利用地形落差，形成自压水头。
中国自50年代起即研究喷灌技术，80年代以来进行了大量的试验研究和应用推广。实践证明，喷灌有以下优点：①灌水均匀，用水量省。与地面灌溉相比，一般可节水20％～30％；②作物产量高。由于能适时适量进行灌溉，有效地调节土壤水分状况，灌溉后土壤中水、热、气、营养状况良好，有利作物生长，一般可增产10％～20％；③适应性强。对土地平整要求不高，对于地形复杂的岗地、缓坡地也可采用喷灌；④可以用来防止或减少灾害性天气对作物的影响，如可用喷灌防止春天霜冻，在干热风时期喷灌可提高空气湿度，降低气温；⑤省地、省工，喷灌可节省田间渠系占地。但喷灌也有一些缺点，主要是喷灌受风的影响大、需要较大的投资、能耗大等。
喷灌系统一般由水源、动力、水泵、管道、喷头及田间工程系统部分组成。据不同的分类标准可将喷灌系统分成若干种类。按系统获得压力的方式分为机压式喷灌系统和自压式喷灌系统；按系统设备组成可分为管道式喷灌系统和机组式喷灌系统；按喷洒特性可分为定喷式喷灌系统和行喷式喷灌系统；按系统中主要组成部分是否移动和移动的程度分为固定式、移动式和半固定式喷灌系统。
（4）微灌 微灌是利用一套称之为微灌系统的设备，将有压水（由水泵增加或地形差形成的压力）过滤并输送、分配到田间，以小流量均匀、准确地直接灌于作物根部土壤。
微灌包括滴灌和微喷灌等灌溉方式。滴灌靠滴头在作物周围滴水灌溉，所以特别省水；但是滴头的堵塞问题限制了滴灌的应用。各国对出流部件做了大量研究，70年代后期出现了脉冲式滴灌、微型喷灌、涌泉灌溉。这些灌溉方式的基本特点都是流量小，灌水次数多，能精确控制水量，湿润作物根区部分土体。因此，国际灌溉排水委员会将这一类灌溉方法统称为“微灌”，并成立国际微灌工作小组。1982年国际微灌委员会在印度召开工作会议，指出微灌包括滴灌、微喷灌。目前微灌主要用于果树、蔬菜、花卉及温室栽培等。
中国1974年引进滴灌技术进行田间应用实验和设备的研制，以后批量制造出满足应用推广要求的滴灌设备。辽宁、河北、山东等地果园的滴灌发展较早、较快，而江西、福建等地的柑橘及其他一些果树则采用微喷灌。实践证明，微灌具有显著的增产、节水效益，一般比地面灌溉省水1/3～1/2，比喷灌省水15％～25％。微灌有很强的适应性，不论何种作物和土壤都可微灌。据中国的实践经验，微灌主要适用于果园、蔬菜、花卉、大棚作物等经济价值高的作物；也用于干旱缺水但有一定水源条件的地区。
微灌有以下特点：①灌水量小，灌水周期短。一般滴头的流量为1.5～12L/h，微喷头的流量为50～200L／h，灌水时间间隔对于蔬菜为1～3天，对果树作物为7～15天；②局部湿润土壤，微灌只湿润作物根部附近的部分土壤，不破坏土壤结构，湿润区土壤水、热、养分状况良好；③减少土壤表面蒸发，节约用水，工作压力低。滴头的工作水头7～10m，微喷头工作水头10～15m。另外，还可以结合微灌进行施肥或施用农药。
按灌水时的出流方式不同，可以将微灌分为四种类型：滴灌、地表下滴灌、微型喷洒灌溉和涌泉灌溉。
滴灌是通过安装在毛管上的滴头、孔口或滴灌带等灌水器将水一滴一滴地、均匀而又缓慢地滴入作物根部附近土壤的灌水形式。由于滴水流量小，水滴缓慢入土，水的入渗主要借助于毛细管力的作用。水滴进入土壤后，在滴头下形成很小的饱和区，并向下和四周扩散，形成湿润土体。湿润土体的几何形状（称为湿润模式）和尺寸取决于土壤性质、滴水流量、滴水总量和土壤前期含水量。
地表下滴灌是将毛管和灌水器埋入地表下20～30cm，灌溉水从灌水器渗出湿润土壤的灌溉方式。这种灌水方式可以减缓毛管和灌水器的老化，防止毛管损坏或丢失，同时方便于田间作业。但是，一旦灌水器堵塞时，不便查找和清洗。
微型喷洒灌溉或微喷灌是指灌溉水通过微喷头喷洒作物和地面或直接喷洒在树冠下的地面上的灌溉方式。微喷不仅可以补充土壤水分，又可提高空气湿度调节田间小气候。
涌泉灌溉是通过安装在毛管上的涌水器形成小股水流，以涌泉方式局部湿润土壤的灌溉方式。涌泉灌溉的流量比滴灌和微喷灌大，一般超过土渗的渗吸速度。为防止产生地面径流，在涌水器附近挖一小水坑暂时储水。涌泉灌溉可以避免灌水器堵塞，适合于水源较丰富的果园林地灌溉。
2．农田排水
农田排水的任务是排除农田多余的地面水，控制地下水位，改造低产田，提高土壤肥力，建设稳产高产农田，为农业发展服务。
农田排水可以分为排地面水和排地下水两种。排地面水是排除当地降雨超渗部分在田间形成的径流水层和低洼地汇集的地面积水。这方面的排水又称为除涝排水。排地下水的任务又可分为防渍排水和防治沼泽化及盐碱化排水。
较大降雨后，平原坡度较小的地区和低洼地，在排除地面积水后，地下水位往往仍然过高，根系活动层土壤含水率过大，通气不良，有机质不能充分分解，作物能够吸收的矿物养料不足，作物根系呼吸困难，甚至在缺氧情况下会产生乙醇、甲烷、硫化氢等有毒物质，轻者使作物减产，重者使作物死亡。同时，由于水的比热容是土壤的2～5倍，是空气的4倍，含水率过高的土壤升温慢、温度低，使作物的生长期推迟，产量降低。因此，这些地区必须进行防渍排水。
沼泽化土壤是由于地表经常过湿或有薄层积水，导致湿生或沼生植物入侵而形成的。沼泽化土壤含水率高，保水性强，更容易使土壤向着多水、少气、缺养的方向发展。盐碱化土地主要是因为地下水位过高，潜水的蒸发强度大，在潜水矿化度较高的情况下，水分蒸发，盐分存留地表，形成土壤盐渍化。所以要降低地下水位，减少潜水蒸发。排地下水的实质是，通过控制地下水位，达到调节土壤水分、通气、温热和盐分的目的。
农田排水据排水的目的不同其要求也不一样。除涝排水主要是防止作物受淹减产。旱作物一般不能受淹，棉花、小麦、春谷等作物，10cm水深时受淹一天就要减产。防渍排水是通过降低地下水位，减少地下水位以上根系活动层中过多的土壤水。而预防灌溉土地次生盐渍化和改良盐碱化土地，要求用排水措施将地下水位控制在一定的深度。对盐碱土冲洗来说，地下水位低，可以加速冲洗水下渗，提高冲洗脱盐效果，将盐分排出灌区。冲洗以后，降低地下水位，可以减少潜水蒸发，防止反盐。同样，对于防止灌区土地盐渍化，地下水位低时灌溉水的淋洗作用大，潜水蒸发量少，不至于使表层土壤积盐。
农田排水的方式分明沟、暗沟、竖井、生物和机械5种。
在有排水出路的前提下，可用明沟排水。这种排水方式排量大、迅速、造价低、便于维修；但占用土地较多，不便于机械操作。竖井排水是利用浅井抽排地表以下第一层潜水，以降低水位，除涝防渍，可防止土壤返盐。生物排水是通过大面积造林，通过林木的蒸腾作用将地下水散发到大气中去，一般需与工程排水相结合。机械排水是指利用抽水机械、设备排水。这种排水方式能适应各种自然环境，不受地形、水位的限制，排水及时，效率高；但费用较大，耗能较多，适用于不具备自流排水条件的地区。
3．渠系建筑
渠系建筑包括渠道和渠系建筑物。
渠道是从水库、水坝、抽水站等处将水输送到用水地点，或从积水区排水至承泄地点的人工河槽。渠道有灌渠和排渠，按等级分为干、支、斗、农、毛五级，较小的灌区也可少于五级。干渠又称输水渠，将渠首的水输送到各灌溉区；支、斗渠又称配水渠；将干渠送来的水分配到各需水单位；农（毛）渠为末级固定渠。
为了调节流量、控制水位、测定流量、保证渠道的安全以及渠道穿越河流、道路等，渠道系统上需要建设一些建筑物，如水闸及一些交叉建筑物等。水闸是渠道上的控水建筑物，能控制闸前水位并调节过闸流量。节制闸是横跨渠道的建筑物，用来控制所在渠道的水位，调节流量，一般为敞开式。分水闸设置在节制闸前渠道的两侧，是从干渠向下一级渠道分水的建筑物，有单股、双股、三股3种。斗门设在支渠与斗渠交接处，用来控制流量和分配水量。泄水闸的溢洪道用来将渠道内高出正常水位的水量排出渠道，以免渠堤被水漫溢冲垮。
当渠道需要跨过道路、河流时，就需要相应的交叉建筑物。一般来说，交叉建筑物有渡槽、倒虹吸管、涵洞和桥。渡槽是一个过水桥，用明渠导引水流跨越河沟。倒虹吸管是一个中间向下弯曲的压力弯道，借助水压将水由此端压向彼端。水流通过倒虹吸管时要损失水头，用以克服倒虹吸管对水流的阻力。涵洞一般修筑在道路下面用以连接道路两边的渠道。桥梁横跨渠道，用以衔接渠道两侧的道路。
4．农用水泵
水泵又称抽水机，可以将水从低处扬到高处，或由一个地方送到另一个地方。农用水泵多数为叶片式泵，主要用于农田灌溉，使用最多的是离心泵、轴流泵和混流泵。
离心泵的主要工作部件是叶轮。叶轮固定在泵轴上，位于蜗壳形泵体内，中心部分通过进水管与水源相通。泵体出水口通过出水管与出水池相连。工作前，先将泵壳和进水管灌满水，排净空气。再使动力机带动叶轮旋转，叶片间的水受离心力作用被甩向叶轮四周，沿泵壳内蜗壳形流道流出，最后沿出水管被压送到需水处。叶轮内的水被甩出后，原来被水占据的地方形成低压，水源的水在大气压力作用下，冲开进水管下部的底阀被吸入泵内。叶轮连续旋转水就不断被吸入和压出。
轴流泵由泵壳、叶轮和导水叶片等组成。叶轮上有螺旋桨状的叶片若干，靠叶片的斜面对水产生的轴向推力提水，又称螺旋泵。
混流泵介于离心泵和轴流泵之间，既有离心力的甩水作用，又有叶片斜面直接推水的作用。
二、农业生物环境与能源工程