農田生態灌區建設和技術保障研究

安 軍

（梁山縣引黃灌區事務中心，山東梁山 272600）

0 引言

目前，全球有28億人生活在缺水地區，12億人面臨缺水問題。我國也是水資源高度匱乏的國家，多年來地下水位不斷下降，2022年全球極端干旱天氣又導致我國多地河流斷流。而農業又是用水量極大的產業，在水環境破壞嚴重的背景下，迫切需要建立水資源持續利用的方案。灌區是農業發展的輸血管，對保障糧食安全，提高生產力水平，推動農業產業升級和維護生態經濟平衡都有著重要的意義。傳統灌區忽視生態系統建設，對水文地貌氣候和動植物多樣性都產生了巨大的影響。我國國土遼闊，水旱災害頻發，在全球氣候惡化加劇的背景下，極端天氣也嚴重影響到我國的農業發展。這導致發生旱澇的風險和不確定性更大，這不僅要求加強灌排功能，更要通過生態灌區的建設，一方面實現旱澇保收，另一方面實現灌區可持續發展。

1 農田生態灌區建設的重要意義

通過生態灌區的建設能夠有效解決我國水資源匱乏、農業基礎薄弱、地下水下降以及農業缺水事故頻發的問題。主要表現為以下幾個方面：一是提升灌區供水能力。灌區除了農田灌溉，還要向企業和居民區供水，在城鄉建設中地位非常重要。生態灌區的工程體系和自然環境協調一致，配套水源工程、水渠管道、配套水工建筑物、田間工程等，提升了水體的凈化功能。和傳統灌區相比，生態灌區更須遵循生態規律，能夠合理調配水資源，充分補給地下水，涵養水源，凈化空氣，提升水質標準，為周邊居民提供清潔的飲用水。二是更有利于堅持生態優先原則，生態灌區地理位置優越，水資源豐富。其得天獨厚的條件更有利于充分發揮環境和自然優勢，以可持續發展為目標，維護土壤，保護植被，延緩水土流失，打造節水、優質、高效的復合生態系統，合理設計魚類洄游、動物棲息的空間，為水生動植物創造良好的生活環境。比如在荒漠地區，灌區能夠擴大綠洲的面積，還能向生態惡化地區輸水，實現生態環境的持續改善。三是有利于最大程度上節約水資源，持續建立節水意識，提升節水能力，發展節水工藝。在減少農業取水量的前提下，還能夠實現糧食增產，遏制灌區“病險”，解決抗旱能力低的問題。傳統灌區強調多引水、多澆地，節水意識不足，水資源浪費現象較為嚴重。比如很多地區多采用大量建設溝渠的引水方式，蒸發量大，水資源利用可持續性差。生態灌區可以建立持續節水能力，相同灌水量下，流程可以增加2倍以上。四是實現源頭治理，將灌區的污染物輸出降到最低，提高污水循環利用水平。傳統灌區雜物和污染物較多，采用管道引水等容易造成堵塞，通過加強源頭治理可以有效改變這一現象，更有利于管網鋪設，實現水生態系統的良性循環。更有利于應用水動力凈污原理和領先的生物防控技術，在水體流動過程中逐步稀釋污染物。五是灌區是現代農業發展的基礎。水旱災害是制約我國農業發展的主要因素，有效的灌排設施是旱澇保收的根本保證，我國灌區占耕地總面積的40%以上，產量超過全國的1/3，提高生態灌區建設的質量，對保障糧食安全意義重大。生態灌區也為農業發展創造了良好的環境，是高效農業和出口創匯的優質區域。

2 傳統灌區建設存在的問題

2.1 先進技術應用水平有待提高

我國耕地灌溉率極高，一度超過世界平均水平的3倍。大型灌區多達456處，中型灌區7 300多處，小型灌區200多萬處，大中型灌區畝產能高于全國平均水平50%。目前，農田灌溉水有效利用系數比新中國成立初期提升了將近1倍，但是和以色列高達95%的灌溉利用率還有一定的差距。在循環水利用方面效率較低，尤其是在一些經濟落后地區，先進灌溉技術應用較少。在輸水方面，大部分地區仍然以溝渠為主，自動化程度低，低壓管道少。滴灌系統關鍵技術仍需攻關，比如噴頭堵塞，設備昂貴等。智能化程度較低，信息化控制、自動化應用、田間監測和大數據分析能力不足。

2.2 硬質化人工技術造成生態退化

傳統灌區以攔蓄水工作為重中之重，一般將傳統河流通過人工方式改造成直線和折線渠道，比如將河道橫斷面改造成規則幾何圖形，使用混凝土和硬石等材料堆砌河床和邊坡，通過修建大壩和人工湖等方式讓河水流動非連續化，這使得水流動環境都發生了巨大的改變。我國是世界上水壩建設最多的國家，盡管水壩建設大大地提升了供水能力，但是也改變了傳統水系的自然生態和結構。河道上下游水位狀態變化非常顯著，河道加寬會降低水深，斷面形狀會造成流速單一化，河床坡降會改變泥沙輸送量和形態，影響動植物棲息地。溝渠河網的順直化會造成上游河床坡降變陡，泥沙裹挾增多，河勢不穩。硬質化河道雖然加強了防洪功能，但是也影響了河流的生態功能，對生態平衡有一定的破壞。

2.3 水資源浪費較為嚴重

原本我國工業用水重復利用率低，灌區的過度用水又造成了工程性缺水，并且嚴重擠壓了生態用水量。過量飲水造成了河床抬高，河道退化，降低了水體凈化和水源涵養能力，嚴重時河流斷流、湖泊萎縮、濕地干涸、土地沙化。我國農業用水過度開發利用的現象也較為嚴重，農業用水消耗量巨大，尤其在旱區農業用水占總用水量的90%以上，比灌溉發達國家低0.7 kg/m3左右，水土資源生產效率仍然需要提升。我國渠道80%左右是土質，配水系統的節水改造較差、渠道防滲率低、水質含沙量大，泄漏率將近50%，降低系統節水使用的效率。很多灌區采用大水漫灌的方式，技術改造步伐較慢、灌溉系數低。在加壓灌溉模式下，能耗較高，耗電量較大，能源浪費較為嚴重。

2.4 農業生態污染現象嚴峻

由于水肥利用率低，農藥化肥的大量使用，使灌區水體污染加劇，傳統粗放型施用方式讓大部分農藥化肥進入到土壤、水體中，并且逐漸從農田水向河流水、地下水和海水轉移。很多地區土壤鹽堿化嚴重，比如在新疆地區1/3的土地存在鹽堿化的狀況，在節水灌溉下，對鹽堿地改良造成了一定的挑戰。此外，土壤重金屬富集也是一個較為嚴重的問題，造成生態惡化、農業面源污染和食品安全等一系列問題。農業用水超過區域承載能力，也引發了生態環境問題，造成土地肥力下降，區域污染嚴重。

3 農田生態灌區的建設優化和技術保障措施

3.1 農田生態灌區的優化建設

一是做好功能優化，合理規劃山、水、林、田、湖的生態功能，優化景觀要素，系統解析蓄、輸、配水，防風固土，環境保護和農田生產等功能定位。二是結合本地灌溉區域特點進行土地資源優化，將農田防護林用地規模控制在5%左右。在大型渠道岸邊設置環境保護區，隔離污染物。三是對有鹽堿威脅的區域，要通過定量分析的方法，通過循環排水處理等方式促進其轉移。可采用灌排分區調控模式對土壤水鹽進行調控，延緩土壤積鹽過程。四是對水資源進行優化配置，通過綜合水網建設進行調控，實現水、土、生、環的協調，形成高效輸配、節能降耗、節水增效的灌排系統。比如采用高位水源調節，長距離管道輸水，自壓節水灌溉等技術進行處理。五是灌區骨干河道多采用草皮、樹木、水生植物、進行護坡，在人工濕地將砂石、土壤和挺水植物、灌木分層次種植，更好地吸附污染物，提升凈化能力。

3.2 灌區控污技術措施

從源頭控制農業面源污染排放，使用先進植保機械，嚴格控制農藥化肥的使用量。應用疏浚技術，挖出河道中污染物含量較高的底泥，既能降低河床高度，還能夠實現資源化利用。對生活污水采用生物膜技術和人工濕地技術進行集中處理，在清潔能源驅動下實現循環利用，并且充分利用水池、水塘、灘地等結構形成人工濕地。除了對養殖污水進行處理，還應該實現沼氣、沼液、沼渣的資源化利用。灌區農田要創造綠色生態的農耕環境，交通道路可采用透水材料鋪設，居民區設置排水系統和垃圾污水。

3.3 灌排渠系生技術措施

傳統人工景觀的硬質結構會造成污染物質更容易進入水體，影響了污染物的凈化。過度依賴人工景觀還會造成珍貴植物消失、水體富營養化、生物多樣性喪失、灌區生態系統退化。因此河道盡量采用原生態設計，增加其曲折性和連續性，減少硬質化結構。可設置多級人工落差，以橡膠壩控制生態流量、水位和水量，溝渠河道中采用生物填料提升非點源污染的凈化能力。建設丁壩、挑流壩，形成多樣的河道和水邊環境，保護生物多樣性。對灌排渠系進行優化，在長溝中分次灌水，改連續灌為波涌灌，通過加快水的流速，減少流水頻率，減少輸水過程的滲漏。設計多級人工落差、減緩坡降、保護河床，可提升魚類的洄游，提升水體自凈能力。可以通過壤質土地中擴大流程，其節水量能超過30%，也能夠降低沖刷力。可采用網墊植被復合型技術等方法護坡，其柔韌性強，能夠有效應對洪水沖擊和拉扯。

3.4 提升水體自凈能力

一是利用水生動植物的凈化功能。比如蘆葦、香蒲等挺水植物，睡蓮、荇菜等浮葉植物，鳳眼蓮、浮萍等漂浮植物，狐尾藻、金魚藻等沉水植物。其凈化原理主要如下：通過水生植物的物理作用降低水流速度，去除懸浮固體沉淀，為人工濕地土壤提供隔熱層。通過植物的吸附作用吸收廢水中的營養物質，分解有生物等污染物，同時吸附水中的重金屬離子和含酚有機物。通過水生動物和微生物的分解作用凈化污水，細菌和真菌攝取污染物，再被原生動物所吞食，無機物被水生植物吸收，進入到魚類的食物鏈。二是采用生物填料技術，使用鵝卵石等天然材料或者綠色纖維等人工合成材料，在聚集生長中形成生物膜，接觸面積可擴大百倍以上，大大地提高氧化和分解能力。也可采用仿生植物材料，以細菌為生物源，在表面形成生物膜，實現凈化的目的。三是使用生物浮島技術，如使用質量輕、抗腐蝕性強的發泡聚苯乙烯，島上種植植物形成凈化系統。四是生物沉床技術，將沉水植物種植在沉床上，對富營養水體進行凈化。

3.5 提升灌區技術貢獻率

不斷加大科技創新力度，灌區大力推廣水肥一體化滴灌技術，重點解決堵漏等問題，配合低壓管網等設施，提升節水效率。應用大數據、衛星觀測和機器人監測等技術，深入研究水體凈化和灌區水文規律，為科學制定生態灌區設施配套方案提供科學依據。使用智能化設備實時監測農田墑情信息，做好數據采集和分析，以更好地輔助灌溉決策，實現水量調節。對渠、水、林、田、路全面監控，分析水、肥、氣、熱、鹽、生、光、藥對作物生長的脅迫，通過精準灌溉實現農田水利和生態環境的協調。同時對農田小氣候進行調控，如采用冠層遮光技術、作物間套作技術、土壤環境調控技術、地下水環境調控技術等。

4 結語

灌區承擔了我國大部分糧食和經濟作物的生產，加之我國人口多、耕地少、農業基礎薄弱、水資源短缺、災害頻發。因此在加強生態灌區的建設、不斷優化技術措施、減少大水漫灌、節約農業用水量、提高水資源利用率，是未來工作的重點。