西北典型地區(qū)節(jié)水與生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成提升與規(guī)模示范

王忠靜，呂華芳

（清華大學(xué)水利水電工程系水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

“西北典型地區(qū)節(jié)水與生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成提升與規(guī)模示范”項目（項目編號：2016YFC0402900），隸屬國家“十三五”重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”專項“節(jié)水治污生態(tài)修復(fù)先進(jìn)技術(shù)典型示范”方向，項目總經(jīng)費2300萬元。項目團(tuán)隊由青海大學(xué)、清華大學(xué)（對口支援）和甘肅、寧夏、青海三省（區(qū)）水利科學(xué)研究院（所）以及三省（區(qū)）示范區(qū)建設(shè)的相關(guān)協(xié)助單位組成。

項目研究內(nèi)容包括8個方面17個技術(shù)要點，分配在4個課題進(jìn)行交叉驗證、深度總結(jié)、標(biāo)準(zhǔn)提煉、集成提升。

（1）已有先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的水聯(lián)網(wǎng)特征提煉融合

物聯(lián)網(wǎng)在水利行業(yè)的應(yīng)用，稱為水聯(lián)網(wǎng)，其特征是實時感知、水信互聯(lián)、過程跟蹤、智能處理；根據(jù)水聯(lián)網(wǎng)理論，研究先進(jìn)灌溉技術(shù)應(yīng)用中水流監(jiān)測、跟蹤和控制過程的信息流，判別物體感知、信息化、互聯(lián)網(wǎng)接入和過程跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及各環(huán)節(jié)間的信息聯(lián)動機(jī)制，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉特征，融合提煉相應(yīng)灌溉技術(shù)的水聯(lián)網(wǎng)特征，構(gòu)建灌溉的水聯(lián)網(wǎng)鏈路過程。

（2）已有先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的生態(tài)修復(fù)功能挖掘

研究已有先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)中水流循環(huán)轉(zhuǎn)化過程，評估已有先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)通過水聯(lián)網(wǎng)集成、規(guī)模化應(yīng)用后的灌溉節(jié)水效果，分析示范區(qū)綜合水效率提升的過程，研究水效率提升過程中的灌溉節(jié)水量及其對于回補地下水、增加灌區(qū)尾閭濕地用水的作用，從節(jié)約農(nóng)業(yè)耗水、增加生態(tài)可用水量的角度，挖掘灌溉技術(shù)的生態(tài)修復(fù)功能。

（3）已有先進(jìn)節(jié)水技術(shù)的水聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵能力提升

研制低成本土壤墑情傳感器，提高灌溉水聯(lián)網(wǎng)對土壤墑情的感知精度、降低設(shè)備成本，實現(xiàn)大范圍農(nóng)田土壤墑情的連續(xù)觀測，提升已有節(jié)水技術(shù)的水聯(lián)網(wǎng)感知能力，為將已有節(jié)水技術(shù)嵌入水聯(lián)網(wǎng)體系提供硬件基礎(chǔ)。根據(jù)灌溉規(guī)模、地下水條件和新能源資源特性，提出水泵選型和光伏陣列的最佳匹配模式，研發(fā)出集光伏提水、低壓灌溉和生態(tài)管控一體的第二代牧區(qū)提水補灌系統(tǒng)及成套設(shè)備，提升光伏水泵供水均衡度和灌溉均勻度。研究兩相介質(zhì)的高含沙水流場特性，改進(jìn)高含沙水測流傳感器的水位、流量、流速、水質(zhì)、含沙量等參數(shù)的獲取、傳輸和處理技術(shù)，提升傳感器測流能力。

（4）多類型節(jié)水灌溉技術(shù)西北典型區(qū)規(guī)模化應(yīng)用示范

開展低碳提水灌溉技術(shù)、精量節(jié)水灌溉技術(shù)和水聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉在青海高寒草原、甘肅自流灌區(qū)和寧夏揚黃灌區(qū)的規(guī)模化示范。研究青海柴達(dá)木示范區(qū)提水灌溉系統(tǒng)，建設(shè)配套光伏提水機(jī)井、輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)和田間灌溉設(shè)施，集成光伏提水+草場微灌的不同灌溉模式，進(jìn)行牧草增效灌溉，開展不同微灌技術(shù)模式下的牧草多指標(biāo)觀測；在甘肅省河西走廊疏勒河流域，建設(shè)2萬畝精量自流灌溉示范區(qū)，在寧夏安裝測灌聯(lián)控一體化閘門30套，控灌2萬畝。

（5）水管理政策工具技術(shù)西北典型區(qū)規(guī)模化應(yīng)用示范

研究甘肅疏勒河流域水權(quán)交易機(jī)制，進(jìn)行自流灌區(qū)水權(quán)交易示范，完善水權(quán)交易系統(tǒng)。開展寧夏揚黃灌區(qū)水銀行制度體系、運行模式與機(jī)理、水權(quán)流轉(zhuǎn)方式與程序、水權(quán)交易價格與期限、水銀行與市場監(jiān)管等技術(shù)研究，并進(jìn)行揚黃灌區(qū)水銀行運行示范。研究提出精量節(jié)水灌溉與水權(quán)交易聯(lián)合應(yīng)用、水聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉與水銀行制度聯(lián)合應(yīng)用的水資源效率提升一體化技術(shù)，研究水管理政策工具規(guī)模化應(yīng)用對西北典型區(qū)域節(jié)水工程技術(shù)轉(zhuǎn)化的倒逼和激勵機(jī)制。

（6）不同類型節(jié)水技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)與適宜性評價

根據(jù)研究區(qū)域特征選取典型節(jié)水灌溉技術(shù)，從區(qū)域、流域等角度研究討論不同節(jié)水灌溉技術(shù)在不同規(guī)模應(yīng)用情況下的綜合性能與區(qū)域適宜性。從灌溉技術(shù)特性、設(shè)備接口以及應(yīng)用條件等方面，研究不同類型灌溉節(jié)水技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用模式。從能耗、水耗、精度、準(zhǔn)度、生態(tài)影響、可控、可靠、經(jīng)濟(jì)、持久等方面，研究節(jié)水灌溉技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用適宜性評價方法，建立以低碳化、精量化、生態(tài)化、智能化和經(jīng)濟(jì)性等方面為內(nèi)容的綜合評價體系，對不同類型節(jié)水灌溉技術(shù)及其聯(lián)合應(yīng)用模式的適宜性進(jìn)行評價。

（7）節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)模化集成應(yīng)用與安全性評價

研究不同類型節(jié)水灌溉技術(shù)集成方法，提出集成技術(shù)規(guī)模化示范應(yīng)用的技術(shù)實施方案，通過青海、甘肅、寧夏應(yīng)用示范過程和效果的跟蹤監(jiān)測分析，研究節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)模化集成應(yīng)用的生態(tài)影響，評估其安全性。

（8）節(jié)水灌溉與生態(tài)修復(fù)互補銜接技術(shù)與持續(xù)性評價

研究草原提灌與草原生態(tài)保護(hù)的銜接和協(xié)同發(fā)展技術(shù)，研究農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)用地向生態(tài)用地的功能轉(zhuǎn)換模式，提出光伏提水灌溉與牧場生態(tài)修復(fù)互補銜接技術(shù)。研究水聯(lián)網(wǎng)精量節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)劃化應(yīng)用對于灌區(qū)地下水恢復(fù)和尾閭綠洲生態(tài)修復(fù)的影響，識別生態(tài)修復(fù)的入滲水量、下泄水量及流量需求，研究不同節(jié)水灌溉技術(shù)的組合方式、技術(shù)應(yīng)用空間布局和時間規(guī)劃，研究生態(tài)修復(fù)與節(jié)水灌溉技術(shù)的銜接模式，提出節(jié)水灌溉與生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成提升技術(shù)。

該項目技術(shù)路線包括：

（1）已有技術(shù)集成—交叉示范驗證—安全標(biāo)準(zhǔn)提煉的技術(shù)路徑

集成現(xiàn)有的水聯(lián)網(wǎng)、水資源智能調(diào)度、節(jié)水灌溉、水權(quán)交易和水銀行等技術(shù)，分別在青海省海西州牧場、甘肅省河西走廊疏勒河流域典型灌域和寧夏紅寺堡揚黃灌區(qū)典型灌域建設(shè)示范區(qū)，將低碳生態(tài)灌溉、精量節(jié)水灌溉、智能節(jié)水灌溉、制度節(jié)水灌溉等技術(shù)在不同示范區(qū)進(jìn)行交叉示范和集成提升，多尺度、多元化地評價其適用性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，從而提煉出適宜西北干旱區(qū)不同地域的集低碳、精量、生態(tài)、智能、經(jīng)濟(jì)于一體的精量節(jié)灌安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

（2）國內(nèi)獨立研發(fā)—國際技術(shù)改造—中外聯(lián)合提升的創(chuàng)新機(jī)制

凝結(jié)國內(nèi)目前已有的相關(guān)技術(shù)，研制低成本土壤墑情傳感器和光伏提灌成套設(shè)備，改進(jìn)高含沙水測流傳感器和揚黃渠道首部樞紐智設(shè)備，形成具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)設(shè)備。引進(jìn)澳大利亞全渠道閘門控制系統(tǒng)，改進(jìn)太陽能供電系統(tǒng)、鋁合金材質(zhì)主體閘門以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等關(guān)鍵部件和技術(shù)。充分發(fā)揮國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)低碳、精量、生態(tài)、智能和經(jīng)濟(jì)的水聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉集成技術(shù)的聯(lián)合提升，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

（3）嵌套式規(guī)模化示范—生產(chǎn)中人員培訓(xùn)—自我激發(fā)的推廣模式

整合研發(fā)的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，在青海、甘肅、寧夏開展嵌套式規(guī)模化示范。青海省在海西州牧場建設(shè)集光伏提水、低壓灌溉和生態(tài)監(jiān)控于一體的示范區(qū)1萬畝，嵌套低成本墑情傳感器監(jiān)測500畝；甘肅省在疏勒河流域典型灌域建設(shè)水權(quán)交易示范區(qū)10 萬畝，嵌套灌測聯(lián)控閘門控灌2 萬畝和低成本墑情傳感器監(jiān)測1 000畝；寧夏在紅寺堡揚水灌域建設(shè)水銀行示范區(qū)20 萬畝，嵌套灌測聯(lián)控閘門控灌2 萬畝。示范應(yīng)用中，對當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員、農(nóng)民群眾等進(jìn)行全過程跟蹤式技術(shù)培訓(xùn)。充分發(fā)揮出節(jié)水和生態(tài)修復(fù)的綜合效益，實現(xiàn)自我激發(fā)的推廣模式。

圖1 項目課題邏輯關(guān)系圖