灌區現代化建設的理念思路與關鍵技術淺談

屈軍宏，周 秦

（陜西省水利水電工程咨詢中心，陜西 西安 710004）

0 前言

灌區是一個半人工的生態系統，它是依靠自然環境提供的光、熱、土壤資源，加上人為調控手段而組成的一個具有很強的社會性質的開放式生態系統。我國灌區大多興建于20 世紀50年代～70 年代，由于當時科技條件有限，加之多年的疲勞運行，我國大多數灌區工程老化失修嚴重，處于超期服役或帶病運行狀態，致使灌區水資源浪費嚴重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰減，因此灌區的現代化建設勢在必行。推進生態文明、建設美麗中國是“習近平新時代中國特色社會主義思想”重要內容之一[1-2]，而統籌山水林田湖草系統治理，則是推進生態文明建設美麗中國的具體路徑和重要手段，是新發展理念中綠色發展理念的具體化。灌區作為“田”元素，進行灌區的的現代化改造也是順應時代發展的要求，是推進生態建設的重要組成部分。

1 灌區的建設發展歷程

從目前的發展來看，我國灌區發展大致可分為3 個階段：第一階段為灌區初步建設階段，第二階段為灌區改造階段，第三階段則可稱為灌區現代化建設階段。

1.1 灌區初步建設階段

建國后，為發展農業生產，促進經濟發展，我國自上世紀50 年代開始在零基礎上開始大規模建設各類灌區，并取得巨大的成就，為解決人民溫飽問題提供了有力保障，見表1。該階段的灌區可稱為工程水利階段。

表1 大中型灌區數量匯總表

1.2 灌區改造階段

該階段在灌區建設初步完成的基礎上，于本世紀初期開始實施，主要對全國大型灌區進行續建配套和灌溉節水改造，以提高關稅利用率。該階段持續時間約為15 a，總投資約1950 億元，到2015 年前后基本完成規劃內大型灌區續建配套與節水改造建設。該措施有效地遏制了灌區灌溉面積的衰減、灌排設施老化運行不安全等問題，有效提高了灌溉用水效率。大型灌區有效灌溉面積由1998 年的1600 萬hm2增加到2018 年的1800 萬hm2，新增糧食生產能力約200 億kg。灌溉水利用系數由世紀初的0.47 逐年提高至0.54，提升效果明顯，但與國外的0.65 相比差距仍然較大。同時，國內灌區在管理效率方面與國外農業發達地區相比也相差較遠，國內外分別為4.0 人/萬畝和0.3 人/萬畝。該階段的灌區可稱為工程水利+資源水利階段。

1.3 灌區現代化建設階段

順應新時代發展需求，隨著我國社會經濟的發展和人民物質生活文化需求的提高，生態環境問題越來越受到人民的關注[1]。在我國生態文明發展戰略的背景下，對灌區發展提出的更高的要求，因此出現了灌區的現代化建設。堅持山水林田湖草是一個共同體的理念，基于節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力的水利工作新方針，持續開展現代化建設。該階段的灌區可稱為工程水利+資源水利+生態水利+服務水利階段。

2 灌區在我國現代建設中的地位

2.1 是維護國家糧食安全的重要保障

我國是人口大國，也是農業大國，人均耕地只有1.4 畝，不到世界人均耕地面積的一半。在國際形勢下，有效保證國家糧食安全是保障我國立足于世界發展大潮流，肩負維護世界和平歷史使命的重要保證。面對我國人均耕地占有量小的矛盾，合理高效利用耕地資源則是解決這一問題的唯一出路。而廣泛分布于我國的各個灌區則是保障國家糧食安全的最有力保證[3]。在我國占耕地40%的灌區生產了75%的糧食和90%的經濟作物。

圖1 糧食種植面積不斷增加

2.2 是解決水資源問題的根本出路

水是人類生存的根本，是社會生產最基本的資源之一，被譽為“農業的命脈，工業的血液”。我國的水存在的一個主要問題就是水資源短缺。據統計2017 年我國農業用水量為3766.4 億m3，灌溉消耗占同期國內用水總量的62.32%，而灌溉水量多用于各個灌區中，我國有大中型灌區7839 處，占我國較大的耕地面積，因此高效合理開展灌區管理工作，提高水資源利用效率，是解決我國水資源問題的根本出路。

圖2 灌溉水利用系數逐年提高

2.3 是區域優化布局、聯動發展的載體

社會的發展離不開產業融合發展，工、農、牧、副、漁等多產業協同融合發展，才能有效促進社會發展。與其他行業相比，農業生產則占有更廣大的自然區域空間，對維護生態健康具有重要意義，是合理劃定“三生空間”，保障“三條紅線”的重要角色。人類社會幾千年的發展中，在農業生產上積累了無數的寶貴經驗，也將文化與智慧書寫在廣闊的大地上，四川樂山東風堰、陜西涇陽鄭國渠、陜西漢中三堰、四川都江堰[4]、寧夏引黃古灌區等，這些古老的工程也是歷史文化的傳承。

圖3 中國入選世界灌溉工程遺產

3 我國灌區發展的差距與不足

隨著兩個階段的發展，我國灌區發展取得了輝煌的成就，但灌區建設與社會經濟發展需求以及國外的發展仍存在較大差距。

我國灌區建設標準相對偏低，總體上講工程配套完善程度不足。灌區管理不到位，量水設施覆蓋面低，缺乏精細化管理，僅1/3 的大型灌區開展了不同程度信息化建設，大部分大型灌區灌溉管理與服務基本上采用傳統方式，服務意識和能力薄弱。灌區受益區人類生產活動強度較大，生態環境受人為影響較大，仍存在因灌溉退水產生面源污染、土壤鹽漬化、地下水超采、自然植被與土壤退化等生態問題。從灌區服務角度來講灌溉管理與服務基本上采用傳統方式，服務意識和能力較薄弱。總的來說，我國灌區發展與現代農業發展、節水型社會、生態文明建設的要求不相適應，與國家現代化建設的步伐不相協調。

4 現代化灌區建設理念與技術

4.1 灌區建設理念

灌區現代化是一個逐步發展、不斷成熟、全面實現的過程。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，達到“供水可靠、調度靈活、用水精準、管理信息”，打造灌區“服務改善、效率提高、運轉持續、生態良好”的功能[5]。

轉變灌區發展理念，從人改變自然到人與自然和諧、人與人和諧轉變，從強調管理到重視管理+服務轉變，從工程滿足灌排需要到兼顧生態健康轉變，從傳統手段管理到現代智慧管理轉變，從追求產量和效率到追求效率和效益轉變從單純保障農業生產到全社會發展的基石的轉變。建成一個防災抗災有力、灌排設施完備、灌溉用水高效、管理與服務先進、生態環境健康的現代化灌區。

4.2 灌區現代化建設的戰略定位

灌區現代化建設的戰略定位是供水適需服務，是集多元視角、多用水戶、多目標于一體的定位，是集節水、智慧、高效、價值、生態、人文于一體的灌區系統。灌區的發展不僅僅服務農業，而是農業生產、社會發展、人類文明的載體，整個社會進步的基石。

4.3 灌區現代化建設目標

灌區現代化建設要是灌區成為現代農業生產體系的重要基礎，達到用水管理手段智慧，用水全過程技術先進、高效，“生產—生態—生活”和諧兼顧，“體現‘用水—護水’”人文歷史特色的目標，實現資源配置合理、灌排高效節水、工程自動監控、決策智能高效、機制靈活可行、人水和諧共處。使灌區成為人文灌區、生態灌區、智慧灌區、效率灌區和生產灌區。

4.4 灌區現代化建設指導原則

現代化灌區的建設應堅持“節水優先，首先要判斷其是否真正、充分節水”的原則，以提高效率與效益為核心，保障保證水安全、糧食安全、生態安全。通過工程安全運行手段、管理信息化手段、監控智能化手段、機制體制保證和服務保障手段，完成灌區輸配水工程、田間灌排工程、防洪工程和生態工程4 項艱巨任務，完成灌區現代化建設。

4.5 現代化灌區具有的技術特征

現代化灌區應保證多過程、多用戶、多目標，以提升灌區服務能力為核心，通過各種技術的融合，帶到現代灌區的服務功能。常用的技術手段主要有：信息感知技術：多要素、時空多維、精準、實時、可靠；信息處理技術：有效傳輸、多源融合、尺度擴展（或降維）；優化決策技術：多用戶、多目標、智能化/智慧化（數據挖掘）；反饋控制技術：管理預案與實測數據對應、反饋調整、機器學習。

4.6 灌區現代化建設技術體系

灌區現代化建設技術體系按照信息的傳遞特征主要包括四大部分內容，分別為灌區信息采集、灌區供給側調控、灌區需求側優化以及供需耦合智能決策[5]。其中灌區信息采集主要包括基礎信息采集、種植信息采集和用水信息采集；灌區供給側調控包括輸配水系統實時調控和田間水肥高效配施，輸配水系統實時調控技術主要采用水動力學仿真理論技術、輸配水系統優化調度技術和渠管道水流量調控技術，田間水肥高效配施技術主要采用滴灌水肥一體化技術、噴灌變量控制技術、精細地面灌溉技術、灌溉傳感自控技術；灌區需求側優化包括作物水肥虧缺診斷與定量表征和灌區水肥虧缺預測預報；作物水肥虧缺診斷與定量表征主要基于冠氣溫差水分診斷、光譜信息水肥診斷和作物水肥需求定量表征，灌區水肥虧缺預測預報主要包括空間變異定量表征、水肥虧缺智能診斷、水肥需求預測預報和氣候變化下需水預測；供需耦合智能決策技術主要包括多水源優化配置技術、標準化水肥方案集、灌區用水調控智能決策技術、灌區用水綜合評價和灌區用水云服務平臺建設[6-8]。

5 總結

灌區現代化建設是我國生態文明建設的重要組成部分，灌區現代化發展愈受關注，各省各地區均不同程度地開展了灌區現代化建設，但總體來說仍處于摸索階段，各個地區各個省市應根據各自灌區的特點，結合當地自然資源特點，找到最適合自身發展需求的道路，因地制宜地開展灌區現代化建設。