干旱區水資源高效利用技術應用研究進展

胡 周

(大禹設計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

干旱區是指降水量少于或遠少于蒸發量的地區，其熱量充足，但水資源非常匱乏，干旱指數一般在0.05～0.20之間[1]。在干旱區，水分稀缺經常使農作物正常生命活動受損，導致大面積減產，因而水資源短缺已經成為制約區域經濟社會發展的主要因素之一[2]。隨著人口的增長和社會經濟的發展，干旱區的水資源問題越來越突出，如何利用有限的水資源，保障干旱區的生產生活用水，成為當今社會亟待解決的一個重要問題。

根據中國科學院資源環境領域系列研究報告《中國西北干旱區水資源與生態環境研究報告》，在過去的十年間(2012—2021年)，西北干旱區農業用水比例下降了4.90%，灌溉水有效利用系數提高了0.10左右，節水灌溉面積增加了68.2萬km2，水資源節約利用成效顯著[3]。以上成果都離不開西北干旱區農業節水技術的推廣應用和有關水資源高效利用政策的大力支持。20世紀90年代，作為擁有我國完全自主知識產權的節水灌溉技術——膜下滴灌技術，在新疆生產建設兵團率先應用于棉花等農作物[4]，之后膜下滴灌技術在全國范圍內開始推廣應用，如瓜果類、蔬菜類、麥類、藥材等作物膜下滴灌水分調虧，并取得了節水、穩產、提質、增效的良性農業生產模式[5]。

本論文旨在對干旱區水資源高效利用技術應用研究進展進行綜述，以期為干旱區水資源管理和利用提供參考。通過對干旱區水資源高效利用技術應用研究現狀和未來研究方向的分析，為干旱區水資源管理和利用提供科學依據，促進干旱區水資源的可持續利用。

1 干旱區水資源利用現狀

1.1 干旱區水資源特點

干旱區水資源的特點是水量少、集中度低、變化大、質量差，水資源的開發利用面臨著很多的困難。根據世界氣象組織的定義，干旱區是指年降水量小于250mm的地區，占全球陸地面積的41%。我國干旱區主要集中在西北地區，包括寧夏、新疆、青海、甘肅、陜西等省份。

1.2 干旱區水資源利用現狀

干旱區水資源的利用現狀主要表現為以下幾個方面：

(1)干旱區農業用水：干旱區農業用水主要依賴于地下水和降水，由于降水不足，地下水資源的開采量逐年增加，導致地下水位下降，水質惡化，甚至出現干井、干河等現象。

(2)干旱區工業用水：干旱區工業用水主要依賴于地下水和河流水，由于水資源的短缺，工業用水也面臨著很大的困難。

(3)干旱區城市用水：干旱區城市用水主要依賴于地下水和引水工程，城市用水量逐年增加，地下水位下降，水質惡化，城市供水面臨很大的壓力。

(4)干旱區生態用水：干旱區生態用水主要依賴于河流水和湖泊水，由于水資源的短缺，生態用水也面臨著很大的困難。

2 干旱區水資源高效利用技術應用研究進展

2.1 節水灌溉技術研究進展

節水灌溉技術是目前干旱區水分虧缺技術應用研究的重點之一。國內外學者和科研人員的研究主要以膜下滴灌技術研究為主。

(1)膜下滴灌技術：膜下滴灌技術是將工程節水和農藝節水相結合，是目前西北干旱區應用最為廣泛、節水效果最好的節水灌溉技術之一。膜下滴灌技術始于新疆地區，最初是為了研發一種適于棉花種植的節水灌溉技術，20世紀末，在此技術相對成熟之后，便大力推廣和試驗于其它作物[6]。如玉米、葡萄、甜菜等農作物。21世紀初，焦艷平等[7]在河套平原中部開展糯玉米的膜下滴灌研究，結果顯示：在膜下滴灌條件下，土壤基質勢在-10～-15kPa時，灌溉水利用效率最高，可達23.63kg/(hm2·mm)。同時期，謝陽等[8]在西北典型干旱區(河西走廊)研究膜下滴灌葡萄水分利用情況，結果顯示：戈壁栽培葡萄采用膜下滴灌的方式灌水，全年需水量為4500m3/hm2，相較于大水漫灌和滴灌的灌水方法，年均分別節約灌水量4500和1500m3/hm2，節水效果顯著。膜下滴灌技術經過20年的發展與應用，部分學者開始研究高寒干旱地區膜下滴灌技術對農作物生產的影響，樊福義等[9]在內蒙古自治區高寒干旱區研究膜下滴灌對甜菜產量及水分利用效率的影響，結果顯示：滴灌定額為450m3/hm2(生育期灌一次水處理)時，甜菜產糖量、水分利用效率等要素的膜下滴灌綜合效果最好，相較于灌2次、3次和4次的處理，該處理的甜菜產糖量最高，灌水最少、灌溉水分利用效率較優，綜合效益最好。隨著人類社會對生態環境(包括地上環境和地下環境)的重視，膜下滴灌研究也開始注重水分運移對土壤環境影響的變化方面。陳霖明等[10]在新疆準格爾盆地開展的棉花苗期膜下滴灌處理前后土壤環境(水分、鹽分和養分)變化情況，結果顯示：膜下滴灌處理影響土壤水分、鹽分和養分的運移及分布，滴灌后，土壤水分沿土層深度含水量逐步增加；鹽分和養分(硝態氮和銨態氮)均在土層深度方向和垂直于滴灌帶方向有雙向累積分布的特征，具體表現為由地表向土壤深層累積、由滴頭處向兩邊累積。

(2)微噴灌技術：微噴灌技術的發展是在解決滴灌技術采用的滴頭堵塞問題，其將滴灌的滴頭改為微噴頭，在一定程度上降低了滴頭堵塞的問題，也使得流量變大。微噴灌技術的應用一般以果園等較宜，同時會提高田間濕度，改善田間微環境，但是對空氣濕度較敏感的作物不太適宜使用該技術[11]。在早期，任玉忠等[12]對比了地面灌、滴灌和微噴灌3種灌溉方式對棗樹水分利用效率、果實品質的影響，結果顯示：微噴灌相較于地面灌溉，其水分利用效率和產量分別增加230%和16%，果實品質(橫徑、單果質量、維生素C和還原糖)顯著提高，是干旱區林果節水增產種植的適宜方法。

(3)噴灌技術：噴灌技術的發展早于膜下滴灌技術，20世紀90年代早期，國內便有全自動定時噴灌系統被研制，當時的自動噴灌系統不僅可以在早、晚時段為作物灌溉，且在發生電源故障時還可以觸發保護裝置，實用價值也較高[13]。經過20多年的探索與發展，噴灌技術已經應用在向日葵、苜蓿[14]等作物的生產中，均得到較好的評價，是一種適宜于干旱區作物節水、增產、提質、增效的節水灌溉技術。

2.2 雨水收集利用技術研究進展

雨水收集利用技術是目前干旱區水分虧缺技術應用研究的熱點之一。我國在秦漢時期便有修池-筑壩-蓄雨而加以利用的史料記載[15]。早期雨水集蓄僅作為人畜飲用水，到20世紀中葉，隨著利用窖水灌溉玉米等農作物的出現，人們的思想觀念開始轉變。到20世紀末，雨水集蓄利用開始迅猛發展，如甘肅省的“121雨水集流工程”、內蒙古自治區的“112集雨節水灌溉工程”試驗示范研究和陜西省的“甘露工程”等一大批重點示范項目，將雨水集蓄利用技術的發展推向高潮。近二十年來，隨著節水灌溉技術的發展，人們開始將雨水集蓄與節水灌溉相結合，為干旱區水資源節流及高效利用提供先進技術支撐[16]。

(1)屋頂雨水收集技術：屋頂雨水相較于路面雨水，其雜質和污染物少，因而凈化系統相對簡單，經過過濾和凈化后可排入蓄水系統用于灌溉和人畜飲用水。值得注意的是，要保持積水裝置的清潔，或者在每次使用前做一次清潔工作，以保證集蓄的水資源能夠為人們所利用[17]。

(2)道路雨水收集技術：道路雨水收集的理念主要考慮了路面排水后水資源重復利用，一直以來設計者在想方設法迅速排干路面積水的同時并未考慮這些水量如何更有利用空間，因此，路面雨水集蓄技術的研究和開發必將為路域生態可持續發展提供動力。張斌等[18]闡述了我國西部干旱區路面集雨技術要點、系統構成(包括集雨、蓄水、用以植被恢復的土壤持水和路域植被共4個子系統)和初步設計方案等，為路域水資源集蓄和高效利用提供技術借鑒。

2.3 水資源再生利用技術研究進展

水資源再生利用技術是目前干旱區水分虧缺技術應用研究的難點之一。目前再生水資源主要應用于城鎮周邊的生態綠化等方面，充分利用再生水資源可緩解地區農田灌溉的缺水現狀，尤其是干旱、半干旱地區。《甘肅省“十四五”水利發展規劃》明確提出，到2025年底，甘肅省縣域節水型社會建設達標比例達到80%以上，這將助力全省水資源高效利用目標的實現。

(1)物理化學處理技術：物理化學處理是通過物理化學反應，將水中的雜質和有害物質清除，達到人畜飲用或灌溉用水的安全等級。早期這一技術以格柵過濾、沉砂池過濾、明礬吸附等方法為主。近些年，隨著科學技術的發展，以及更多新材料的發現，技術人員通過應用新材料和新物理化學方法(氣浮法、電解質化學處理法等)，將污水處理效益達到最大，滿足了水資源重復高效利用和生態環保的雙重目標[19]。

(2)生物處理技術：生物處理技術是一種較新型的水資源再生利用技術，常見的生物生化處理技術包括厭氧生物處理技術、生物膜處理技術和活性泥處理技術等[19]。近半個世紀以來，化學肥料大面積、大量的使用，致使農田面源污染逐步加劇，從而使得地下水、河湖中水體氮磷等元素超負荷，在同等條件下，經化肥污染的常規水資源形成的污水再生處理較困難。因此，應用生物處理技術對污水的處理效果表現出更大的優勢，對應污水成分采用的生物處理技術使得水中的危害物質殘留更少，可以有效地將污水轉化為可再生利用的水資源[20]。

3 結語

膜下滴灌、微噴灌、噴灌等節水技術的應用節水效果明顯，適宜于干旱區農作物節水、增產、提質的實際生產；屋頂雨水收集、道路雨水收集等雨水收集利用技術能夠有效緩解干旱區作物缺水問題，實現農作物的增產增收和路域生態可持續發展；生物處理、物理化學處理等水資源再生利用技術不僅可以緩解干旱區水資源短缺問題，而且保護了生態環境，可謂一舉兩得。節水灌溉技術研發成為未來干旱區水資源高效利用研究的重點之一，努力做到提高其效益，降低其成本，推廣其應用。未來還需要加大水資源再生利用技術研究的投入，使水資源再生利用技術更成熟、發揮的效益更大。未來更需要推廣雨水收集利用技術，提高干旱區居民雨水收集的意識，推動節水產業全民行動。