生態節水型灌區建設的主要內容與關鍵技術

王 超，王沛芳，侯 俊，錢 進，饒 磊，敖燕輝

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098；2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098；3.河海大學機電學院,江蘇常州 213022)

生態節水型灌區建設的主要內容與關鍵技術

王 超1，2，王沛芳1，2，侯 俊1，2，錢 進1，2，饒 磊3，敖燕輝1，2

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098；2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098；3.河海大學機電學院,江蘇常州 213022)

針對傳統灌區建設中存在的重工程和經濟效益、輕生態環境的現象,以及由此造成灌區面源污染嚴重、水生態環境惡化的問題,在總結分析國內外灌區理論研究和建設實踐的基礎上,提出生態節水型灌區的建設思路、構建模式和技術體系,旨在為我國灌區節水、減污、綠色、生態、智能的科學發展提供理論依據和技術借鑒。

灌區建設；生態節水型灌區；灌區技術體系；研究進展

灌區是我國糧食安全的基礎保障,現代化農業發展的主要基地,區域經濟發展的重要支撐,生態環境保護的基本依托。截至2011年年末,全國共有灌溉面積6680萬hm2,其中建成了456處大型灌區、7316處中型灌區。我國2013年末農田有效灌溉面積6346.67萬hm2,生產的糧食產量占全國糧食總產的75%,經濟作物占90%,在農業生產和農村經濟發展中占有舉足輕重的地位[1]。而我國以往的灌區建設由于受到經濟、技術、資源等條件的限制,存在著重工程建設和經濟效益、輕灌區生態環境的傾向,引起灌區面源污染嚴重,水環境惡化,可利用水資源減少與生態用水無法保障,地下水超采與地下水水位下降,土壤復合污染與次生鹽漬化,生物多樣性下降與生態群落退化等問題,極大地影響了灌區功能的發揮,灌區成為江河湖庫的主要污染來源。全國用水總量約60%用于農田灌溉,據《第一次全國污染源普查公報》[2],農業污染源COD、TP、TN排放量分別占全國排放總量的44%,38%和59%,農業面源污染已經成為我國流域性水體污染的重要來源。

生態型灌區是灌區發展過程中,是解決灌區水生態環境安全和資源節約、農業高產的重要途徑。水利部農水司姜開鵬副司長[3]在2004年就運用生態文明的觀點對灌區進行了剖析,提出了建設生態灌區的任務和內容。2005年顧斌杰[4]提出了生態型灌區的概念,并對其構建原理、建設技術進行了研究。隨后,關于灌區生態建設的概念內涵、研究內容、建設理論、關鍵技術等方面的研究備受關注[5-8]。然而,灌區是一個人類活動自然資源物質生產高度集中的生態系統,在自然資源特別是水資源有限以及強人類活動干擾下,如何實現灌區生態系統良性發展、資源節約與排水綠色,仍需要進一步加強生態節水型灌區關鍵技術的研究與實踐。

筆者在總結分析傳統灌區建設特點及現代灌區生態建設經驗和生態灌區建設內涵的基礎上,提出生態節水型灌區的建設思路、構建模式和技術體系,旨在為當前灌區的生態文明建設和灌區節水減污提供理論依據和技術支持。

1 傳統灌區建設特點與存在的問題

我國大部分灌區是在中華人民共和國成立后建成的。20世紀50—60年代以建設新灌區、改建和擴建舊灌區為主,20世紀70年代著重農田水利配套工程建設,全國有效灌溉面積大幅增加,糧食產量顯著提高。隨著水資源緊缺的矛盾日益顯著,我國大型灌區從2000年開始陸續進行續建配套與節水改造工作,灌溉面積萎縮和灌溉效益衰竭的趨勢得到了初步遏制。2005年水利部組織對大型灌區節水改造項目進行中期評估,灌溉水利用系數由0.425提高到0.499,農業總產值增幅達46.1%,灌區信息化試點工作也取得初步成效,灌區管理水平顯著提高。自20世紀90年代以來,隨著全國生態農業縣和生態示范區建設試點工作的開展和深入,生態灌區的研究成為區域可持續發展研究的熱點領域之一,灌區生態系統健康逐漸成為倍受人們關注的熱點問題,國內外對灌區生態系統受損機理及修復措施進行了探討,以生態學理論為指導,使灌區生態與水土資源開發利用、經濟的發展走向相協調。國家“十一五”和“十二五”規劃進一步明確加大灌區改造力度,并強調以科學的發展觀和新的治水思路為指導,調整灌區建設的發展理念,探索以灌區生產力和生態環境并重為核心的灌區建設新模式。

我國灌區建設中存在的突出問題主要包括以下幾個方面。

a.灌溉渠道問題。當前,我國灌溉渠道總長約450萬km,其中約5/6為土質渠道,土質渠道生態性與凈污性較好,但難以滿足高效灌溉輸水需求。①渠系水利用系數約0.52(我國最嚴格水資源管理制度“三條紅線”之一要求農田灌溉水有效利用系數達到0.60),滲漏損失嚴重,48%寶貴的灌溉水資源在輸水過程中損失。①渠道沖刷、淤積及坍塌嚴重,輸水安全難以保證。③渠道內容易雜草叢生,影響輸水,增加管理費用。渠道襯砌防滲是保障農田灌溉水高效利用和輸水安全的必要措施。

b.渠道襯砌與防滲工程的問題。在灌區的發展中,為減輕渠道滲漏、強化邊坡穩定、控制地下水水位,實施了渠道全襯的“三面光”及邊坡防護的硬質化工程,有效提高了灌區渠道的輸水能力,但傳統灌區產生了渠道襯砌與防滲工程的典型問題:①硬質襯砌使水生植物無法生長,生物棲息環境喪失,生態系統結構遭到破壞。①渠道水體自凈能力下降,面源污染物通過襯砌護坡很容易進入水體,進一步加重了水體的污染負荷。如何保證高效灌溉和邊坡穩定的同時,滿足生態功能成為渠道構建難點。③襯砌渠道對地表水和地下水的交換、周圍的氣候環境等有顯著的負面影響。

c.農田排水面源污染問題。排除農田里多余的地表水和地下水,控制地表徑流以消除內澇,控制地下水水位以防治漬害和土壤沼澤化、鹽堿化,為改善農業生產條件和保證高產穩產創造良好條件,是農田排水的根本任務。然而,目前排水溝多為“三面光”和硬質化襯砌,很少考慮排水對環境的影響和雨水資源的有效利用,地表徑流和地下排水(淋溶)流失進入環境水體是稻田氮磷污染的主要途徑。如何在保證農業排水要求下減少氮磷流失,成為解決農田排水面源污染問題的關鍵。

2 生態節水型灌區的內涵

生態節水型灌區是傳統灌區的繼承和發展,與傳統灌區相比,生態節水型灌區的基本特點是,既擁有較高的生產力,又能實現與水資源和灌區生態環境的協調發展,具體表現為現代性、發展性和協調性3大特點。現代性是指用現代社會理念和先進科技成果指導灌區建設,灌區技術裝備凝聚著社會進步的新成果；發展性是指生態節水型灌區的要求不是一成不變,而是隨著社會經濟的發展而不斷變化和發展；協調性就是要求灌區不僅要提高和鞏固生產力,而且要處理好與生態環境的關系,二者緊密結合,協調發展。生態節水型灌區的協調性是灌區發展和實現現代化的基礎。

生態節水型灌區是指灌區渠系工程布局合理、水資源開發利用高效,水植物土壤生態系統健康、生態環境優美,農副業生產效益顯著、產品品質優良,灌區建設與流域生態環境發展相協調,是“自然社會經濟生態”可持續和諧發展的灌區[4]。

3 生態節水型灌區建設的主要研究內容

當前生態灌區建設中技術創新的重點是灌區溝渠系統的生態化。大量的研究和探索工作集中于灌區溝渠生態護岸建設[9-12]、灌區護岸生態材料選擇[13-15]等方面,目標是建設有利于護岸凈污和生態系統良性循環的溝渠系統。節水技術也是灌區建設的重要工作和研發任務。學者們主要從灌區水資源優化配置、灌溉方式、施肥方法等方面進行了大量研究[16-20],這些研究對節水減污起到了重要作用。另外,灌區的自動化建設與信息化逐漸受到重視,部分灌區進行了自動化控制設計,實現了干渠的水量控制[21]。目前在國際上,美國、日本、丹麥等國家已經構建成熟的灌區規劃管理體系,實現了水量控制、水質監控、節約用水、內部循環等生態化、信息化、現代化的生態灌區建設模式[22]。我國當前的研究和建設工作大多集中在生態型灌區建設的某些方面,對生態溝渠建設技術的研究和應用還不夠系統,大量工作還停留在技術創新的理念上,距離應用還有一定距離。我國的灌區節水研究不能僅僅停留在灌溉層面,尚需對灌區系統進行科學規劃,以實現節水減排和再生水循環利用。同時,亟須對大量灌區產生的廢棄物(秸稈)等進行低耗能、廣適性技術的研發應用,最終實現灌區的生態建設目標,達到資源、經濟、社會、生態的和諧統一。

3.1 生態節水型灌區規劃方法與生態建設模式

針對灌區總體布局灌排水系堵塞不暢、規劃生態觀念薄弱、溝渠硬質化現象嚴重、洼陷濕地布局不合理、系統凈污和調蓄水能力下降等突出問題,應重點開展以下研究:①基于生態學原理的灌區規劃與生態建設模式；①生態節水型灌區灌排系統和濕地布局規劃方法；③灌區生態環保型農業結構與調整規劃方法。目標是實現灌區農業結構的優化布局和生態環境的合理規劃,灌區灌排系統暢通和濕地布局合理,生態建設模式先進,良性發展。

3.2 灌區生態環境需水與水資源高效優化配置

針對灌區農業用水、生活用水、工業用水擠占生態環境用水,水資源配置不合理,灌區生態環境用水得不到保障,灌區生態系統退化等問題,要開展的研究有:灌區生態環境需水與水資源綜合配置理論,維持灌區生態水量的控制方法和工程措施,灌區農田退水循環利用技術和系統控制,灌區水資源綜合管理模型的研發及其應用,不同類型灌區水量控制方法和工程措施,水資源高效利用和農田退水循環利用的原則、準則、指標、方法、技術及其政策措施。

3.3 灌區溝渠和濕地生態化建設

針對溝渠順直化、單一化、硬質化引起的面源污染截留能力減弱、基底生境退化、水生生物消失和生物多樣性下降等突出問題,要開展以下工程技術研究:灌區溝渠縱橫形態與斷面形式生態化技術,溝渠生態護坡與基底生態修復技術,溝渠退水水質強化凈化生物裝置技術,灌區濕地系統構建和水質凈化技術。目的是既實現“邊坡生態化、面源截留凈化、溝渠綠色化”,又確保溝渠“輸水高效、結構穩定、施工便捷、管理簡單和投資節省”。

3.4 灌區污染物截留凈化與資源化高效利用

針對農田退水、養殖廢水、田間秸稈塑料、村莊生活污水和垃圾等引起灌區污染的突出問題,要開展以下核心技術研究:灌區村鎮地表徑流攔蓄與資源化利用技術,灌區農田排水生態攔截與養分再利用技術,灌區農田廢棄物(特別是秸稈)處置與資源化技術,灌區村莊生活污水和垃圾處理與資源化技術,畜禽和水產養殖業污水和垃圾處理與資源化技術。采用灌區污染物有效截留凈化、秸稈資源化高效利用系列技術,在治理灌區污染的同時,可實現灌區潛在資源的高效開發和利用。

3.5 灌區水肥精準灌溉與水量水質自動監控系統

以灌區作物生長、化肥施用、農田排水、水體污染為重點,開展灌區水肥精準灌溉的計量與水量水質自動監控技術的研究,這些研究包括:灌區水肥精準灌溉的計量裝置與自動化控制技術,灌區土壤水分、作物生長信息監測與水肥精準灌溉系統,灌區田間水分長期監測和反饋調控系統,各級灌溉渠道水量、水位和農田排水量、水質監控系統。目的是形成不同類型灌區水肥精準灌溉與水量水質自動監控系統,實現對灌區水肥、污染物“智能、節約、生態、高效”自動化管理。

4 生態節水型灌區建設的技術思路與關鍵技術

4.1 技術思路

生態節水型灌區建設應該在流域的層面上,以綜合治理為指導方針,以水肥高效利用與面源污染物協同控制為理念,以灌區渠道、排水溝、水塘、濕地和村鎮居民生活污水為對象,以面源污染物削減、生態攔截與溝道修復為重點,以節水為關鍵,以生態改善為目的,實現灌區“節水、減源、截留、生態”的總體目標。

在生態節水型灌區建設技術體系中,應遵照總體設計思路,以灌區各類污染源控制技術研發為重點,通過溝渠系統的生態工程建設和污染物強化凈化及生態截留技術的創新,實現對灌區氮磷、農藥、重金屬等污染物的有效截留,同時,在灌區中因地制宜地構建洼陷生態濕地系統,對灌區溝道排放出的污染物進行強化凈化,實現灌區水資源和肥料農藥的循環利用,并通過灌區灌溉排水信息化、智能化管理,形成生態節水型灌區的最佳管理模式。

4.2 關鍵技術

針對傳統灌區存在的突出問題,圍繞生態節水型灌區建設內容,筆者認為,灌區建設關鍵技術應包括灌區生態規劃方法與生態建設模式、灌區生態環境需水與水資源高效優化配置、灌區溝渠生態化建設、灌區污染物資源化處置與高效利用、灌區生態環境信息自動化監測與控制系統等5個方面。本文就當前最受關注的溝渠系統生態化建設和修復技術、污染物強化凈化技術和截留技術、洼陷濕地系統與退水循環系統構建技術、灌區水肥精準灌溉和水量水質監控技術等4個方面進行重點分析,闡述生態節水型灌區建設的主要問題及關鍵技術難點,旨在為灌區節水、控源、高產、生態的良好愿景提供技術支持和理論依據。

4.2.1 灌區溝渠系統生態化建設和修復技術

灌區溝渠系統的生態化建設是國內外灌區建設者及學者非常重視的熱點問題[23-25]。本文針對灌區輸水渠道“三面光”全襯砌導致生物棲息地破壞和水陸生物通道阻隔的突出問題,提出采用防滲型護岸砌塊、水陸動物聯通帶等系列生態工程建設技術,通過混凝土材料改性、結構形式優化、植物組合配置等方法,實現渠道輸水效率的提高和生物生境條件的改善。對已經建成的混凝土全襯砌渠道,采用現場修復改造防滲性生態槽、生物逃逸通道等核心技術。針對灌區排水溝道邊坡硬質化防護導致凈污能力下降和生物棲息環境破壞的突出問題,通過構建生態排水溝道,運用生態凈污砌塊、溝道水生植物、生物凈化器,實現對農田排水氮磷的生態攔截；在生態排水溝中設置便攜式水質凈化器、復合人工濕地凈化箱等,充分利用微生物凈污介質耦合微生物作用增強溝系凈污能力,使溝系不僅具有顯著凈污效應和生態功能,而且不影響排水功能的發揮。同時,針對順直化排水溝對農田排水持留時間不足和面源凈污能力有限的突出問題,開發排水溝帶狀濕地、梯級平底濕地,實現排水間歇期水體滯留和濕地原位凈化,并根據排水面積、排水量和污染負荷調節濕地面積和植物種植密度,對灌區面源污染進行有效凈化。借助植生凈水石籠、水生植物、柳捆、凈水小溪等,構建縱向蜿蜒的結構形態,增加排水停留時間,增強面源凈化能力,改善水環境質量,營造適宜生物棲息環境,形成生物多樣的健康溝渠。

4.2.2 灌區污染物源頭控制和截留凈化技術

針對灌區面源污染物類型多、來源廣、成分復雜等突出問題,按照“因地制宜、高技術、低建設與運行成本、低維護、資源化利用”的原則,開發適合灌區農田退水、農村生活污水、農村生活垃圾、畜禽養殖、水產養殖、村鎮地表徑流等不同類型污染物的源頭控制和截留凈化整裝成套的創新技術體系,實現灌區污染物控制技術在高效、節能、節地方面的重要突破。利用置于田埂的水稻田退水水質凈化裝置[26],攔截退水中氮磷物質,利用活性炭吸附水中重金屬、殘留的農藥等有害物質,實現水質凈化裝置結合退水排放過程中形成的生態型排水方式,在不改變農業生產格局的前提下實現水質凈化、排水通暢。針對灌區生活污水的處理凈化問題,在傳統污水處理技術的基礎上,利用生活污水復合滲濾強化凈化系統,因地制宜,利用岸坡大小坡度設置厭氧發酵池、厭氧濾床槽、反應槽、接觸曝氣槽、生物濾料池及滲濾墻等污水凈化單元,借助活性炭、零價鐵和微生物的協同強化作用,實現對灌區面源污水的強化、凈化[27-28]。

4.2.3 灌區洼陷濕地系統的構建與農田退水的循環利用技術

灌區農田退水濕地凈化與循環利用技術是灌區技術體系的重要組成部分。人們開始重視農田區域洼陷結構的利用和重構,以實現對灌區排水污染物的進一步截留凈化[29-34]。通過長期研究和工程實踐,筆者研究團隊從節水高效控污的灌排系統的設計與工程形式方面進行技術開發與集成創新,提出了適合灌區不同灌排系統格局的洼陷濕地系統與農田退水循環利用技術體系[35-36],實現灌區水肥的高效利用和節約。研發灌排耦合水循環利用節水減污技術,利用循環調節濕地,對灌區田間排水進行凈化減污,減小農田面源污染物外排對河流和湖泊造成的影響,處理后的水體通過灌排耦合系統回用灌區,提高了灌區水肥利用效率。依據地勢特征因地制宜地構建灌排功能相結合的生態凈污系統或自灌自排生態型灌區系統,達到自灌自排和水資源高效循環利用的目的,并通過多級階梯形生物強化人工濕地的凈污作用,有效控制灌區排水面源污染物[37]。同時利用灌區內水塘、斷頭浜等洼陷結構構建水田排水濕地系統,有效攔截面源污染,改善水質,為動物提供棲息空間、生存環境和生物保育條件。

4.2.4 灌區水肥精準灌溉和水量水質監控技術

節水減排、節水減污是生態節水型灌區建設的重要內容,也是農業面源控制的根本途徑和建設目標。當前,國內外在灌區建設中已經在嘗試開展自動化監測系統研究[38-39]、采用作物智能化精準灌溉監測控制技術[40-42]。針對灌區用水量大和準確計量困難的突出問題,研究者采用多種非電量間接測量及嵌入式程控技術對灌溉渠系過水量實施精準計量,研發了水量計量及自動閘門一體化、田間灌溉自升降式、灌溉溝渠傾角式等田間灌溉水量計量自動化和一體化裝置,形成不同類型灌區水肥精準灌溉與水量水質監控系統,提升對灌區水分、肥料、退水污染物的“智能、節約、生態、高效”自動化管理水平。通過精準計量的用水總量控制,依靠經濟杠桿作用,實現高效節水和有效控污的目標。同時,在水量水質監控管理方面,采用農田灌區水量監控及調配信息系統,實現實時監控灌區渠系水情及閘門運行狀況,及時準確反饋和預測灌區水量分配狀態,為灌區水量調配提供決策依據。對灌區各級閘門進行遠程控制,可有效提高灌區水量計數和水價計算,強化節水意識和經濟杠桿作用[43]。采用農田肥力及土壤溫濕度自動監控系統,對農田進行長周期全天候監控,統計分析監控周期內的溫濕度數據、肥力元素(N、P、K)含量,并基于相關數學模型對農田運行狀態給出評級,自動形成分析報告,為優化資源配置、提高勞動生產率提供指導[44]。農田灌區面源污染監控及預報系統,主要針對農田灌區排水系統水體中的TP、TN、NH3-N、NO3-N、PO4-P以及重金屬元素Mn等重要污染物質量濃度進行長周期監控,并對這些質量濃度數據的變化情況進行統計分析,為灌區面源污染控制提供依據[45]。利用最終形成的不同類型灌區生態環境信息自動化監測與控制系統,實現對灌區水分、肥料、面源的“智能、節約、生態、高效”自動化管理。

5 結 論

生態節水型灌區建設內容和關鍵技術適應當前我國灌區發展戰略與生態文明建設的要求,可為實現灌區“節水、減源、截留、生態”的總體目標提供理論基礎和技術支持。但我國地域廣闊,不同區域的灌區特點、土壤特征和作物種類各異,不同灌區需因地制宜合理選擇灌區生態建設技術。

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《水資源保護》高影響力論文名單揭曉

2015年適逢《水資源保護》創刊30周年。為了鼓勵高水平論文在《水資源保護》上發表,進一步提升《水資源保護》的學術質量和影響力,《水資源保護》主辦單位河海大學和中國水利學會環境水利專業委員會決定對2005—2014年《水資源保護》高影響力論文作者進行表彰。

2005—2014年最具影響力論文1篇：

吳建強,阮曉紅,王雪:人工濕地中水生植物的作用和選擇,發表在《水資源保護》2005年第1期(截至2015年10月15日,被引次數:190次,下載次數:2408次)

2013—2014年高影響力論文2篇：

唐克旺:水生態文明的內涵及評價體系探討,發表在《水資源保護》2013年第4期(截至2015年10月15日,被引次數:15,下載次數:428。

崔東文:支持向量機在水資源類綜合評價中的應用:以全國31個省級行政區水資源合理性配置為例,發表在《水資源保護》2013年第5期,(截至2015年10月15日,被引次數:17,下載次數: 40)。(本刊編輯部供稿)

M ain contents and key technologies of constructing ecological water-saving irrigation district

WANG Chao1,2,WANG Peifang1,2,HOU Jun1,2,QIAN Jin1,2,RAO Lei3,AO Yanhui1,2
(1.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development on Shallow Lakes, Ministry ofEducation,HohaiUniversity,Nanjing 210098,China；2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China；3.School ofMechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China)

To change the phenomenon of weighing the engineering and economic profit while ignoring ecological environmentwhen constructing traditional irrigation district,and the results of heavy pollution in irrigation district and poor water environment caused by it,construction routine,buildingmode and technology system were proposed based on analyzing irrigation theoretical research and constructing practice from home and abroad.All these provide theoretical basis and technology reference for water-saving,pollution-free,green and intelligent science development of irrigation district in our country.

irrigation district construction；ecological water-saving irrigation district；technological system of irrigation district；research advances

S274

：A

：1004 6933(2015)06 0001 07

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.001

20150920 編輯:彭桃英)

國家自然科學基金(51421006)；江西省水利科技重大項目(KT201410)；中央高校基本科研業務費項目(2015B25314)

王超(1958—),男,院士,主要從事水資源保護研究。E-mail:cwang@hhu.edu.cn

王沛芳,教授,博士生導師。pfwang2005@hhu.edu.cn