灌溉現代化核心內涵及水管理關鍵技術

謝崇寶，張國華

(中國灌溉排水發展中心，北京 100054)

1 灌溉現代化核心內涵

現代化(modernization)是以經濟工業化和政治民主化為主要標志，是人類社會從傳統的農業社會向現代工業社會轉變的必經階段。我國是一個農業大國，人口多、耕地少、水資源緊缺、水旱災害頻繁，特殊的氣候、地理等自然條件以及社會條件決定了我國農業必須走灌溉農業的發展道路，因此，灌溉現代化(Irrigation Modernization)也是農業現代化的必然要求。根據世界銀行和聯合國糧農組織的研究，國際上一般認為，灌溉現代化指結合灌區管理體制和運行機制的改革，通過技術上和管理上的改進，提高灌溉系統效率和效益的過程，其根本目的是提高勞動力資源和水資源的使用效率和效益，改善灌區供水服務質量。灌溉現代化不僅僅包括渠道襯砌、建筑物更新、自動化設備配置、計算機網絡鏈接等硬件設施的改變，也應包括灌區技術革新和管理水平提高，是由用水管理向供水服務的轉變過程。

1.1 灌溉現代化的定義

所謂灌溉，就是按照作物生長需要，借助水利設施有計劃地將水輸送和分配到田間，以補充農田水分的人工措施。所謂現代化，是人類文明的一種深刻變化，其核心是生產力的解放。現代化既是進步，也是選擇，更是淘汰。現代化是動態的，不是靜止的；是一個過程，也是一種狀態。因此，灌溉現代化也是一個過程，是一個不斷改進影響灌溉效率關鍵環節的過程，是一個不斷提升勞動力資源和水資源使用效率的過程。

灌溉現代化與灌區現代化、現代化灌區、現代灌區、現代化灌溉、現代灌溉等既有區別又有聯系。灌區現代化和現代化灌區包含了灌溉現代化，現代化灌溉和現代灌溉是灌溉現代化的一個重要組成部分，現代灌區包含了灌溉現代化的部分內容。因此，從整體上看，灌區現代化、現代化灌區、現代化灌溉、現代灌區、現代灌溉等概念，其核心為灌溉現代化。灌溉現代化是最基礎的工作，沒有灌溉現代化，上述各種現代化論述均很難成立；從供求整體關系來看，灌溉現代化條件下的來水和需水應是可預測可調節的，應能得到可靠的保障，有適當的預測預報和調蓄調節能力；從配送具體過程來看，灌溉現代化條件下的配水和用水應是可監控可計量的，有適當的監測控制和精準投放能力。因此，灌溉現代化應展現“供水可靠化”、“調度靈活化”、“用水精準化”和“管理信息化”等主要表現形式。本書在總結前人工作的基礎上，將灌溉現代化作如下定義：

灌溉現代化是指通過技術設施革新和體制機制改革，不斷提高灌溉供水服務的安全性、公平性、可靠性和靈活性水平，不斷提高灌溉勞動力資源和水資源的使用效率和效益，持續保障灌區節水省工增效的過程。

1.2 灌溉現代化的核心理念

灌溉現代化的根本目的是解放和發展生產力。就灌溉而言，其基本的生產要素包括“勞動力”和“水資源”，而且在開展灌溉的活動中，不能以犧牲環境為代價，反過來又影響人類的健康。因此，灌溉現代化必須堅持把“以人為本”、“節水優先”、“環境友好”作為其核心理念。

(1)以人為本。實現灌溉現代化是解放和發展生產力的根本要求，追求以最少勞動力投入為用水戶提供最優質供水服務這個根本目標，而且其服務質量應由用水戶來評判。在全心全意為用水戶服務的理念指導下，開展灌區的改造與改革，開展灌溉技術的選擇與升級。這些改造既包括硬件的改善也應包括管理體制和運行機制的改革，是一個不斷改進服務的過程，從這個意義上講，單純的節水技術不再是灌溉現代化的全部，灌溉現代化必須是解放生產力的，必須是節約勞動力的，因此，灌溉現代化必須堅持“以人為本”的核心理念。

(2)節水優先。實現灌溉現代化的基本要求是節水，從觀念、意識、措施等各方面都要把節水放在優先位置。堅持節水優先，深挖農業節水潛力，大力發展高效節水灌溉技術，積極推廣節約用水的生產方式和消費模式。要積極推廣低壓管道輸水、噴灌、微灌等高效節水灌溉技術、改進地面灌溉技術、節水型水稻控制灌溉技術，抓好輸水、配水、用水全過程節水，積極摒棄大水漫灌等粗放型灌溉方式，實現水資源的優化配置和用水效率的提高，因此，灌溉現代化必須堅持“節水優先”的核心理念。

(3)環境友好。灌溉現代化不是以犧牲環境為代價的現代化，而應充分堅持人與自然和諧發展的理念，按照生態規律辦事，以維持生態系統的相對穩定及脆弱生態系統的自我修復使其良性循環為底線，創造出比自然生態系統有更高生產力的“人-社會-自然”協調發展的灌溉現代化。灌溉現代化追求的是生態與經濟雙贏，通過建設現代化的水利設施和良好的生態環境，使經濟與生態形成合理、高效的良性循環，實現可持續發展，并為人們提供一個良好的生產和生活環境，因此，灌溉現代化必須堅持“環境友好”的核心理念。

1.3 灌溉現代化的基本特征

灌溉現代化是一個不斷改進服務和提高勞動力效率及水資源效率的過程，因此，必須始終準確把握灌溉現代化的基本特征。

(1)服務改善。從用水戶的角度來看，灌溉現代化開展的一切活動均應能促進灌區供水服務質量的改善，這種改善可以通過一定的規則來定量或定性評價，其結果應是積極而正面的，也就是這種服務的改善是可以測量和感知的，能夠為廣大用水戶所認可，也是廣大用水戶所期待的。

(2)效率提高。從管理者的角度來看，灌溉現代化主要指勞動力效率和水資源利用效率的雙提高，同樣，這種提高應該是可以測量的，能夠為廣大用水戶和灌區管理機構所認可，而且這種效率提高的幅度應高于一定范圍內的平均水平。

(3)運轉持續。從體制機制的保障措施來看，灌溉方式或技術的現代化必須滿足技術經濟的合理性，在沒有外界干預或者特定環境下，能夠自我維持良性發展，因此，可持續運行是灌溉現代化的又一重要特征。

2 灌溉現代化的表現形式

在開展灌溉現代化的建設過程中，必須自始至終堅持“以人為本、節水優先、環境友好”的核心理念，考察在多種措施的綜合作用下，灌區是否具備“服務改善、效率提高、運轉持續”的基本特征。但是如何實現灌溉現代化，則構建灌溉現代化的技術模式是十分必要的，這種技術模式具備“供水可靠化、調度靈活化、用水精準化、管理信息化”的特點，他們構成了灌溉現代化的重要表現形式。

(1)供水可靠化。灌溉現代化必須要有穩定可靠的水源，它與控制的灌溉面積應是相匹配的，灌區內種植的作物及相應的灌溉定額也應是滿足供求關系的，其設計理念應是以供定需。在水源優化運行的前提下，可通過調整區域經濟結構和灌區種植結構，采用節水灌溉技術等措施，滿足灌區控制范圍內的用水需求。

(2)調度靈活化。灌溉現代化必須要有靈活的調度手段。灌溉用水具有明顯的季節性和氣候性特點，尤其是干旱季節，來水少用水多，靈活的調度措施和高效的調度手段是確保灌溉現代化標準不降低的重要支撐，也是考驗灌溉是否達到現代化的關鍵環節。靈活的調度措施應能夠按照作物實時需水情況和灌區來水情況，有重點有次序的對灌區各類作物用水進行及時調配；高效的調度手段應能按照調度規則，及時快速調度各類測控設施，依靠可靠的渠系網絡，適時保障作物的用水需求。

(3)用水精準化。灌溉現代化必須要做到將灌溉水適時適量精準送至作物根部。過多或過少、提前或滯后灌溉都不符合作物的需水規律，難以滿足作物的用水需求，影響作物的產量和品質，因此在灌溉現代化的實施過程中，必須不斷研發或改進已有的灌溉技術，大力推廣和使用符合精準灌溉需求的新技術及新產品，確保灌溉水均勻、適量、及時送至作物根部，最高效地滿足作物需水。

(4)管理信息化。灌溉現代化必須要有簡便快捷的管理手段。影響灌溉的因素很多，收集和管理眾多的灌溉信息，是灌溉現代化的前提和基礎，應用大數據和云平臺等現代信息技術，分類管理各種信息，同時基于大量的信息監測和高效的信息分析，輔之各種數學模型，充分發揮現代信息技術的優勢，實現灌溉決策的科學化和灌溉管理的高效化。

3 灌溉現代化的評價標準

灌溉現代化的出發點和最終目標就是通過設施的改造和體制機制的改革為用水戶提供優質的服務。為評價灌溉現代化對提高供水服務質量的影響，本文提出采用灌溉供水的安全性、公平性、可靠性和靈活性等4個指標來衡量灌溉現代化的實現程度。要實現灌溉現代化，實現灌溉供水服務的安全性、公平性、可靠性和靈活性，需要從“灌溉水源”、“渠系配水”、“田間灌水”和“灌溉管理”4個方面同步改進，這四個環節構成了灌溉現代化的完整過程，不可或缺。圖1為灌溉現代化的基本框架。

(1)安全性。指灌溉對象不會因供水系統的修建和運行面臨不安全的潛在威脅。在整個灌溉區域涉及的范圍內，生命安全、工程安全、水質安全和生態安全等諸多方面不會因為灌溉行為而面臨現實的威脅或未來的潛在風險。

圖1 灌溉現代化的基本框架

評價生命安全性，可以從供水工程基礎設施在遭受自然或人為破壞后保障人和動物生命安全的能力等方面進行評價；評價工程安全性，主要對供水工程發生漫頂、垮塌的可能性進行評價；評價水質安全性，主要從劣質水灌溉可能造成的后果進行評價，可以根據農田灌溉水質標準，確定灌區供水服務環境安全性等級；評價生態安全性，主要是評價灌溉供水對灌區生態的影響，其中以灌區供水對灌區生態用水的滿足程度為主要評價指標。

(2)公平性。主要用來評價位于不同區域的用水戶是否都得到了適時適量的灌溉，重點表征灌溉系統的調度規則和各配水口得到水量的合理性。

上級渠道向下級渠道服務的公平性與調度規則、灌溉水費、灌溉效益、灌溉安全等眾多方面有著密切的聯系。因行政歸屬、渠道系統、種植結構、經濟發展水平等方面的差異，不同灌溉區域對灌溉供水的需求也不同。豐水年份，水源充足，不同區域的供水需求均能得到滿足；而枯水年份，灌溉水源有限，灌區用水供需矛盾突出。灌區公平合理的供水服務，不僅能夠提高灌區的經濟效益和生態效益，而且對提高用水戶繳納水費的積極性，促進灌區的社會和諧和公共安全具有重要的意義。末級配水點供水服務公平性水平直接關系著各用水單元能否獲得公平供水服務。灌區各田塊和用水單位對應灌區不同的末級配水點，而末級配水點之間也存在著密切的聯系，協調末級配水點間的供水關系，確保末級配水點控制區域內的水平衡關系，成為末級配水點供水服務是否公平的關鍵所在，也是衡量灌區供水服務公平性水平的基本標準。

(3)可靠性。供水日期、供水歷時、供水流量是衡量供水可靠性的指標，重點表征灌溉系統運行狀況和下級渠道或作物得到適當水量的及時性。

上級渠道向下級渠道的實際可靠性服務水平可以從下級渠道能否獲得所需水量的時間和年內下級渠道缺水次數等方面衡量。下級渠道所需水量和上級渠道配水時間是基于渠道的過水斷面和灌區的來水情況，通過預測下級渠道控制區域的各種作物需水量和需水時間綜合確定。因此，下級渠道能否獲得可靠的所需水量和供水時間，是灌區能否取得較大效益的關鍵，也是衡量上級渠道向下級渠道實際可靠性服務水平的落腳點。

末級配水點的服務可靠性水平主要從作物能否獲得生長發育所需灌水量、充足的灌溉持續時間和灌溉頻率等方面衡量。作物耗水量除與作物本身生理有關外，與自然氣候條件、土壤水肥狀況等也有密切的聯系。在豐水年份，若灌區的渠道系統完整，則灌區末級配水點能夠為各區域作物提供可靠的供水服務；但在枯水年份，灌溉水源緊張，可能會造成末級配水點供水服務可靠性水平下降。通過灌區科學合理的水量調度，以灌區社會效益、經濟效益和生態效益最大化為目標，合理配置不同用水單元農作物的供水量和供水時間，保證灌區獲得最大效益，也是衡量末級配水點供水服務可靠性的重要指標。

(4)靈活性。需求的改變是否能夠得到適當的響應是衡量靈活性的重要考慮因素，其響應時間是構成靈活性的主要指標。靈活性有助于實現水資源的高效利用，在灌區田間尺度上盡可能實現按需供水，重點表征系統的設計狀況和作物按需供水的可能性。

評價灌溉供水服務靈活性的指標與灌溉供水服務公平性指標基本一致，也從上級渠道對下級渠道服務靈活性水平和末級配水點服務靈活性水平等方面表征。上級渠道對下級渠道的供水次數、供水流量和供水時間的靈活性，供水計劃調整的靈活性；末級配水點能否根據計劃供水，供水次數和供水水量及時間是否固定；泵站的供水流量是否有較大的調節幅度，供水次數和供水流量及供水時間是否有較大的靈活性，是否能保證根據實際需要調整供水方案。所有這些因素構成了供水服務靈活性的基本要素。

4 灌溉現代化水管理關鍵技術

水源供水、渠系配水和田間用水是灌溉系統的基本組成部分，供水可靠化、調度靈活化、用水精準化及管理信息化是灌溉現代化的具體表現，灌溉現代化水管理技術是灌溉現代化的核心。灌溉現代化水管理技術主要包括灌溉水源配置現代化關鍵技術、灌區輸配水調度現代化關鍵技術、田間灌水現代化關鍵技術、灌溉管理現代化關鍵技術等4個方面。

4.1 灌溉水源配置現代化關鍵技術

灌溉水源優化配置是解決農業水資源緊缺的重要技術措施，也是灌溉現代化水管理的重要組成部分。無論是過去、現在、還是未來一段時間，灌溉始終是我國的用水大戶，《全國現代灌溉發展規劃(2012-2020年)》預計到2020年，在多年平均情形下，全國灌溉可用水量占總用水量的比重為56%；到2030年，在多年平均情形下，全國灌溉可用水量占總用水量的比重為53%。因此，針對灌區水資源緊缺以及灌區多水源特征，研究非充分灌溉條件下的農作物經濟灌溉定額、最優灌溉制度、最優種植比例，作物間灌溉水量最優分配、水庫優化調度、灌區多水源聯合調度及區間灌溉水量調配等關鍵技術，有效促進灌區水資源高效利用，減少地下水開采，緩解由于過度開采對生態環境造成的危害，促進灌區農業健康持續發展，具有十分重要的意義。

4.2 灌區輸配水調度現代化關鍵技術

灌區渠系水量調度是灌溉現代化水管理的核心，考察灌區渠系水量調度現代化的指標主要包括上級渠道向下級渠道供水服務水平、渠系建筑物配水服務水平、末級配水點供水服務水平、水量調度信息服務水平等，而評價灌區渠系水量調度現代化的基礎依然是基于供水服務安全性、公平性、可靠性和靈活性的服務理念。當調度系統完成之后，渠系上的各級測控建筑物及其運行調度是影響供水服務質量的關鍵因素。從灌溉現代化的理念出發，輸配水系統的現代化改造升級，主要體現在對渠道的防滲襯砌以減少輸水損失，對閘門或閘閥的信息化改造以提高調度質量、減少勞動強度、契合灌溉需求，這些措施可不同程度上實現節水和省工的雙重功效，是灌溉現代化的重要措施。因此，基于灌溉現代化水管理要求，應重點圍繞水情監測、水量控制、信息傳輸、流量配置等方面開展灌區渠系水量調度關鍵技術及設備研發。

4.3 田間灌水現代化關鍵技術

田間灌溉技術是灌溉現代化水管理的集中體現，集中體現灌溉現代化的成效。田間灌水技術的選擇和應用應因地制宜，合理確定。噴灌、微灌、管道輸水灌溉等現代灌溉技術近年來發展較快，但也存在一些亟需解決的技術問題。現有的田間取水設備，主要采用兩種方式，其一，依靠混凝土構筑物在地面以上或地下一定范圍內形成保護裝置；其二，在耕作層以下安裝取水閘閥，每次使用前開挖田間土壤連接取水設備，使用后卸下取水設備，回填土壤保護取水閘閥。導致的問題主要有影響耕作和收割，不便于田間機械化作業抑或損壞作業機械，尋找出水口困難，破壞土壤耕作層等。現有的噴微灌設備，灌溉之前需要與遍布田間的取水口配接豎管和噴頭，灌溉之后，再將這些設備全部拆卸，并搬運回庫房存放，金屬結構還需要防銹處理。地上取水口不僅影響耕作，而且灌溉過程還需要耗費大量的人力物力，并且不可避免會造成部分管件的損壞，占用庫房，額外增加倉儲管理費用等問題。因此，創新研發與現代農業要求相適應的灌溉現代化關鍵技術及設備，是發展現代農業實現農業現代化的必然要求。

4.4 灌溉管理現代化關鍵技術

(1)灌區作物需水預報關鍵技術。及時準確地掌握作物用水需求，做好灌區不同作物的需求管理，實現灌區灌溉需水的安全可靠預報是灌溉現代化水管理的前提。作物需水量是指作物在適宜的土壤水分和肥力條件下，經過正常生長發育，獲得高產時的植株蒸騰、株間蒸發以及構成植株體的水量之和。計算作物需水量的方法，可歸納為兩類，一類是直接計算出作物需水量，另一類是先計算參考作物需水量(ET0)，然后考慮作物系數的影響計算實際作物需水量。參考作物需水量計算一般采用彭曼-蒙特斯方程。作物系數反映作物本身的生物學特性、產量水平、土壤耕作條件等對作物需水量的影響。灌溉現代化必須適時適量精準供水，掌握需求是關鍵。需水量預報所需資料要少而易得，區域要大，精度要滿足要求，同時預報信息應可區域發布、定向發布和精準發布，因此，基于灌溉現代化水管理要求，應重點圍繞參考作物需水量動態估算和作物需水量估算開展灌區作物需水預報關鍵技術研發。

(2)水管理信息化關鍵技術。灌溉現代化水管理決策支持系統是實現灌區現代化的必要支撐手段。灌溉現代化水管理決策支持系統最主要的任務是實現用水調度決策的信息化、科學化，達到節水、高效的目的。基本思路是建成以灌區水管理信息采集與渠系建筑物監測監控系統為基礎、通信和計算機網絡平臺為支撐、灌區綜合數據庫和決策支持系統為核心的灌溉現代化水管理決策支持系統，提高灌區用水信息采集、傳輸、處理自動化程度，降低灌區水管理成本，實現灌區優化調度和現代化管理，促進灌區“節水、省工、增效”的進程，同時也為更好地促進灌區供水服務水平的提高，顯著改善供水服務的安全性、公平性、可靠性和靈活性，更好地為用水戶服務提供高效的技術平臺。灌溉現代化水管理決策支持系統建設任務應包括5個方面，即灌區識別技術、水情監測技術、信息通訊技術、閘門控制技術、水量調度技術。通過上述五個方面的高效融合與組裝集成，在來水預報模型、需水預報模型、水量優化調配模型等專業軟件的支持下，為灌區管理者提供用水決策依據，實現灌區水資源的高效利用和優化配置。

(3)農業水價綜合改革關鍵技術。推進農業水價綜合改革要以完善農田水利工程體系為基礎，以健全農業水價形成機制為核心，以創新體制機制為動力。改革的目標方向是逐步建立農業灌溉用水總量控制和定額管理制度，提高農業用水效率，促進農業現代化。主要任務包括以完善供水計量設施、建立農業水權制度、提高農業供水效率和效益、加強農業用水需求管理、探索創新終端用水管理方式為重點，夯實農業水價改革基礎，以明確定價權限、合理確定價格水平、創新價格機制為重點建立健全農業水價形成機制，建立農業用水精準補貼機制和節水獎勵機制。

(4)管理體制機制保障關鍵技術。以灌區水利設施“產權到位、權責明確、保障經費、管用得當、持續發展”為總目標，以改革灌區建設、管理體制和運行機制為重點，以提高灌區服務水平和用水效率為核心，探索建立市場在資源配置中起決定性作用和更好發揮政府作用的灌區建設管護新機制，推進創新組織發動機制、創新資金投入機制、創新項目管理機制、創新運行管護機制。充分發揮群眾的主動性和創造力，尊重和保護農民和基層的首創精神，加快推進農業水價綜合改革，實現灌區水資源的優化配置和高效利用，理順灌溉水價和水費計收方式，協調推進項目管理方式轉變、管護主體培育、基層水利服務體系建設等各項工作，增強灌區實現自主管理、自我發展的能力，為農業增效和農民增收提供長期的制度保障。

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