灌区节水技术改造论文

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1.前言

全国大型灌区续建配套与节水改造规划工作已经圆满完成，但从规划审查中所接触的一些问题看，大型灌区续建配套与节水改造的技术论证和决策，仍是一个有待进一步研究和总结的问题。不同地区、不同条件、不同类型的大型灌区应该因地制宜、科学地论证和选择自己的技术方案和技术路线、本文仅就规划审查中反映出的共性技术问题，谈几点对北方大型灌区节水改造的认识，供参考。

2.北方大型灌区节水改造任务艰巨

根据水利部1999年组织的大型灌区续建配套与节水改造规划成果，规划灌溉面积30万亩以上的大型灌区共402处，现状有效灌溉面积2.37亿亩，占全国耕地面积的12.2%，规划灌溉面积2.88亿亩。其中位于北方地区的大型灌区有252处，占总数的62.7%，现状有效灌溉面积1.55亿亩,占全国现状有效灌溉面积的65.4%，规划灌溉面积1.82亿亩，占大型灌区规划灌溉面积的63.2%。由此可见，北方大型灌区在节水改造中占有非常重要的位置。

北方大型灌区和全国大型灌区同样面临工程不够配套、建设标准偏低、老化失修、管理落后等一系列问题，还面临灌溉水量不足的严峻问题。通过节水改造，不但要解决现状缺水，而且在不增加灌溉用水总量的前提下，还要在灌区控制范围内扩大灌溉面积。大型灌区节水改造建设周期长，综合性强，投入巨大，技术方案和技术路线既要立足于生产上已经得到验证的成套技术，同时应有必要的前瞻性，制定科学、合理的改造标准，积极、慎重地采用新技术、新材料、新工艺，以增加灌区改造的科技含量、提升灌区功能，保证工程质量，降低建设费用和运行成本，提高灌区经济效益。

3.北方大型大型灌区节水改造共性技术问题

北方和南方大型灌区所处气候条件有显著差异，节水改造方向和技术路线也有明显的差别，但就北方大型灌区而言，节水改造技术决策也存在一定的共性，可归纳为下述几个主要方面：

3.1以水资源承载能力确定灌区发展规模

我国农业面临的水资源严峻形势不仅表现为水资源的人均占有量和亩均占有量低，而且更突出地表现为水土资源配置失衡。黄河、淮河、海河三大流域的土地面积占全国的13.4%，耕地占39%，人口占35％，GDP占32％，而水资源仅占7.7%，是水资源最为紧张的地区。我国西部大部分灌区垦殖率仅为50％左右，即灌区控制范围有近一半的面积为各类荒地。充足的光热资源和丰富的土地资源诱发起人们以扩大灌溉面积发展农业生产的愿望，但往往忽视了水资源承载能力的限制，造成上游开荒、下游弃耕，湖泊干涸，河道断流，绿州萎缩，自然生态恶化的严重后果。因此大型灌区改造必须正确把握水资源的承载能力，确立以水资源承载能力决定灌区发展规模的技术原则。

水资源承载能力主要取决于水资源条件，一般而言，水资源丰富地区的水资源承载能力大，而水资源匮乏地区的水资源承载能力小。但是，水资源的承载能力又表现出明显的可变性，广义上讲开源、节流都是为了提高水资源的承载能力，当然这种提高是有限制的。水资源开发程度超出安全限度意味着水资源的承载风险加大；超出技术、经济合理性的节流，也必然带来运行、管理上的风险。水资源承载能力还表现为相当大的弹性，例如超采浅层地下水的短期合理性与长期危害性是并存的。正确利用水资源承载能力的弹性可以大大提高水利工程的经济合理性，超出限度则最终会影响农业生产。

在考虑水资源承载能力时，还必须考虑对生态环境的影响。水资源短缺的北方地区，在当前技术水平下，提高水资源对经济发展的承载能力，不能不影响到生态环境用水，因此生态环境脆弱地区应首先保证必要的生态环境用水，其他地区也要同时从长远上考虑生态环境的承受能力。

3.2根据作物要求分别确定灌溉标准

大型灌区通常采用单一灌溉设计保证率，例如有关规范规定的影响因素中，作物影响是以“作物组成”的形式出现的，并未明确同一灌区的不同作物可采用不同的灌溉设计保证率。这种状况与我国农业传统上强调粮食生产有关，也与规划设计的粗放有关。大型灌区节水改造中如何正确选择灌溉设计保证率是一个有争议的问题，一方面北方水资源短缺，不可能选择过高的灌溉标准，另一方面灌区节水改造的效果又应该体现在灌溉保证率的提高上。

我国大型灌区多建于50~70年代，灌溉设计保证率是根据当时的水文气象、水土资源、作物组成、灌区规模等因素确定的。80年代以来全国气候呈现北旱南涝的态势，北方河流年径流量明显减少，不少灌区的灌溉实际保证率并未达到设计保证率。例如山西省有65％的灌溉面积每年只能灌水1~2次，且远低于设计灌溉定额。因此，北方大型灌区节水改造的效果首先不是体现为提高灌溉设计保证率，而应该体现在恢复灌溉保证率上。

我国农业种植面临重大结构调整，即由目前以粮为主的“粮、经”二元结构变为“粮、经、饲”均衡发展的三元结构，农业用水形态呈多样化趋势。优质、专用粮食作物和大多数经济作物因产值高、适用水肥条件好等原因，要求较高的灌溉保证率，而耐旱牧草和一般粮食作物则不要求较高的灌溉保证率，因此同一灌区应该针对作物要求确定不同的灌溉设计保证率，这是适应农业种植结构调整，发展灌区经济的必然选择。

采用多种灌溉设计保证率给灌区规划设计和运行管理带来技术上的难度，解决的办法应依水源条件不同而异。在单一水源条件下，可通过调整作物种植布局和实行作物区域种植、规模经营的方法解决，在多水源特别是开发利用地下水的条件下，应在供水保证率高的水源受益地区种植要求灌溉保证率高的作物。渠道也可以参照国外经验，采用既适合大流量输水，也适合较小流量输水的形式。

3.3实现水资源的合理开发和联合运用

我国大型灌区均以河流、湖泊、水库等为主水源，但通常并未对区内全部水资源实行有效的统一管理。

降雨形成的土壤水是水资源的重要赋存形式，有效利用降水是提高农田水份生产效率，解决水资源短缺的重要技术方向。除西北部年降水量小于200mm的地区外，北方大部地区属补充灌溉农业，对降水有较大的依赖性。据有关研究表明，北方地区土壤水的资源量占降水资源量的60%~70%，小麦生育期土壤水可达其全部耗水量的1/3，但多数地区土壤水并未得到充分利用。北方地区有为数不少的高扬程灌区，总扬程达200~300m，运行费用高，多年来一直由地方政府给予补助或享受优惠电价，但农民负担仍然很重。有效利用降雨给高扬程灌区节水改造提示了新的出路。例如陕西省东雷灌区实行九级扬水，最高扬程331.7m，平均扬程214.7m，因运行费用高，有的二级泵站不能正常开机，灌溉效益也无法发挥。当地农民针对这种情况，开始在有效利用降水，种植果树上做文章。但是降水集中在7、8、9三个月，春季少雨，为此农民打水窖，分散集蓄雨水，降水不足时则少量利用渠水补足蓄水，形成了“渠引窖蓄”的用水模式。这种用水模式大大减少了灌溉用水量，对该类灌区节水改造方向影响深远。

地下水是北方灌区的重要水资源，我国在井渠结合方面取得了不少经验，地下水开发利用对大型灌区的意义并不仅仅是增加可供水量，而且能控制耕地盐渍化，为种植结构调整提供便利的水利条件。西北地区降水少，浅层地下水主要靠灌溉补给；浅层地下水往往矿化度较高，且在垂直方向和水平方面呈不均匀分布；灌区垦殖率低，灌区内各类荒地大量分布，潜水蒸发损失大，这些因素都给西北灌区的地下水开发利用带来多方面的特殊性。实行井渠结合是大型灌区节水改造的重要内容，但处于不同自然条件的西北大型灌区，实行井渠结合的技术方案、工程布局、工程形式、管理方式等，仍有必要认真研究和总结。

3.4骨干渠道应是渠道防渗的重点

大型灌区渠系复杂，渠线长、渠道的工程地质条件和施工条件不同，输水损失大，以渠道防渗作为节水改造主要措施是符合实际情况的。但是渠道防渗耗资巨大，而且还普遍存在冻涨破坏的威胁，如何正确选择渠道防渗重点是大型灌区节水改造面临的技术决策。骨干渠道与田间渠道比较有以下特点：①骨干渠道一般按续灌方式运行，行水时间长；田间渠道一般按轮灌方式运行，行水时间短。②各级渠道的合计设计流量，田间渠道一般为骨干渠道的几倍至十几倍，即一级田间渠道的合计断面远大于一级骨干渠道的合计断面。③比较单条渠道长度，骨干渠道较田间渠道要大得多，但比较单位灌溉面积的渠道长度，结果正好相反。由此可以看出，骨干渠道输水损失水量一般大于田间渠道输水损失水量，骨干渠道防渗亩均费用一般小于田间渠道防渗亩均费用。因此，从投入的有效性考虑，大型灌区的渠道防渗应以骨干渠道为重点。

渠道的功能主要是输水、配水，但同时还要求不冲、不淤，尽可能减少洇渗对周围农田的影响，缩短行水时间，保证行水安全等等。从这些要求上看，骨干渠道防渗也应优先于田间渠道防渗。井渠结合灌区，渠道通常都有引水补源的作用，因此田间渠道除确有必要的渠段外，一般不易采取防渗措施。

3.5田间工程运行应与骨干工程运行相协调

大型灌区节水改造要求田间工程与骨干工程同步进行，以充分发挥改造效益。从技术上看，田间节水灌溉工程选型必须考虑田间用水过程和渠道供水过程的一致性。如前所述，大型灌区的田间渠道多以轮灌方式运行，尽管灌区灌水周期一般为15~20日，但某条田间渠道的行水时间不过1~2日。采用地面灌溉方式可以适应田间渠道的这种运行特点，但如采用喷灌、微灌，则供水过程往往难以满足用水过程。可以通过修建田间调节池解决这个问题，但一是需增加投资，二是调节池的蒸发渗漏损失不容忽视，技术上、经济上应进行论证。

北方大型灌区的田间工程，技术上应以改进地面灌溉为主要方向，有地形条件的应积极发展低压管道输水灌溉。农业种植结构调整要求采用喷灌、微灌等灌溉方式时，尽可能实行井渠结合，以地下水作为水源。

3.6适度发展喷灌、微灌，支持种植结构调整。

我国农业面临农业资源特别是水资源不足的制约，同时还面临比较效益低和加入WTO的挑战，农业结构特别是种植结构的调整势在必行。大型灌区具有较好的水利条件，而且不少都位于大中城市周围的经济圈、经济带内，进行种植结构调整既是大型灌区面临的挑战，也是大型灌区发展的机遇，因此大型灌区节水改造应高度重视提高农业经济效益和有利于发展农村经济。喷灌、微灌是先进的灌溉方式，对经济作物有广泛的适用性，应适度发展。其技术上的考虑是：不应照搬国外通过修建田间调节池协调田间用水过程和渠道供水过程的作法，而应提倡合理开发利用地下水，实行井渠结合运行模式。

3.7农艺措施是充分发挥节水改造效益的关键

提高降水利用率和生产效率的农艺措施主要是：以平整土地为中心的坡地整治措施，以秸秆和地膜覆盖为重点的覆盖保墒措施，以少耕、免耕为主的耕作保墒措施，以平衡施肥和施用抗旱剂为重点的化学调控措施，以选用抗旱品种为重点的生物节水措施，以优化农业资源配置为主的产业化发展措施等等。大型灌区节水改造的目的是为了提高水利用率和水分生产效率，应在技术方案和技术路线中明确农艺措施的重要作用，也应对农艺措施的筛选和配套提出指导性要求。

北方大型灌区多数面临水资源短缺的困扰，提倡非充分灌溉的呼声很高。但是应该看到，农业技术进步已经迫使人们对充分灌溉重新认识。例如棵间蒸发被认为是作物需水量的一部分，传统上对其合理性并未有过什么苛求，仅仅要求进行较好的耕作和管理。但据河北省的试验资料，桔秆覆盖麦田可减少35%~66%的土壤水分消耗，其中大部分为棵间蒸发减少量。显然这种覆盖措施并不会造成作物水分的亏缺，也不会对作物生长环境造成显著影响。因此在决定采用非充分灌溉之前，首先应该研究农艺措施对作物需水量的影响，使充分灌溉和非充分灌溉都建立在当代科学的基础上。

3.8以信息化推动灌区生产服务的社会化

信息技术在大型灌区的传统应用是水管理自动化和办公自动化，显而易见这种信息技术应用仅局限于灌区管理机构内部，并非服务于灌区社会。

基于对信息化认识的不断深化，有些灌区已经在探索服务于灌区社会的信息化道路。例如山西省夹马口灌区利用信息技术把农户用水情况完全向社会公布，使农民理解节约用水和自身利益是息息相关的，收到很好的节水效益和经济效益，也为大型灌区信息化提示了新的思路。

4.北方大型灌区节水改造的几项关键技术

北方大型灌区的具体条件不尽相同，面临的问题有其特殊性，对节水改造技术需求有显著差异，但其中也有一些比较具有共性的需求：

4.1灌区水循环的模拟和评价技术

灌区引水量的减少以及渠道防渗等节水措施的广泛采用将影响灌区水循环，特别是地下水的补给和消耗将发生显著变化，并进一步影响到土壤盐分运动以及自然植被、人工植被的生态耗水。如何依据节水改造实施前后条件的变化比较准确地推演未来的状况和变化趋势，是对这项技术的基本要求。

4.2渠道防冻涨技术

造成北方防渗渠道破坏的主要原因是冻涨，这种状况与北方灌区普遍进行冬灌、秋浇等有直接关系。冬灌、秋浇一般定额较大，抬高了地下水位，特别是骨干渠道沿线的地下水位有时甚至高于渠底，致使冻涨量过大。国内外渠道防冻涨研究成果和成功经验不少，技术上似乎没有大的障碍，问题在于防冻涨措施的有效性往往和建设费用、运行费用成正比，对于发展中国家尚难以承受。北方灌区渠道防冻涨问题不宜单纯依靠防冻涨措施解决，应提倡针对渠段实际情况采用综合措施解决。例如，骨干渠道两侧地下水补给条件好，水质也较好，可以沿渠布设机井（或埋设水平排水管），将地下水提入渠中，一方面增加了可供水量，另一方面也可有效降低骨干渠道两侧的地下水位，减轻冻涨威胁，比单纯排水的经济性好。

4.3管道输水技术

管道输水、配水系统在井灌区已有较广泛应用，但在大型灌区除水泵进出水管道外，尚未得到真正应用。从节水改造初步规划来看，少数具有地形条件的灌区已经注意到这项技术的应用前景。北方灌区中有为数不少的高扬程灌区，运行费用很高，减少输水损失不仅节约用水，而且减少能耗，经济上、技术上都是可行的，应着手该项技术的开发和应用。如何根据灌区的基本条件合理规划设计配套完善的管道输配水系统，开发低成本大口径管材，解决管道输水管理上的困难等等是对管道输水技术的主要需求。

4.4大规模、高精度平整土地技术

高精度平整土地是提高大型灌区田间水利用率的基础性工作，以往用人工和推土机进行这项工作，精度不高，耕地大平小不平，致使灌水仍不够均匀，灌水定额过大。目前提高田间水利用率的有效措施是划小畦块，缩短沟长，但不利于农机作业。国外降低农业生产成本，提高竞争能力的方向是扩大地块，并同时采用激光平地，保证灌溉效率。激光平地在我国尚处于试验阶段，应该在大型灌区节水改造中推广该项技术，这符合农业现代化的长远要求。激光平地除机械、电子设备外，还应包括测量技术、规划技术、施工技术等等。

4.5非充分灌溉技术

非充分灌溉是北方相当一部分缺水灌区的必然选择，但如前所述，由于农艺节水技术的进步和广泛应用，充分灌溉和非充分灌溉界限已发生明显变化。故这里所讲的非充分灌溉，应该是在较好农艺节水措施条件下进行的灌溉。对于大型灌区，普遍采用非充分灌溉的关键在于需要对灌溉系统功能重新定位，对灌区运行调度也提出严格要求，否则如果按照目前的工程条件和调度能力，作物水分的“短期亏缺”很可能成为“永久亏缺”。

4.6耕地盐渍化的控制技术

西北地区的大型灌区因降水稀少，蒸发强烈，以及排水工程不配套等原因，开灌后都不同程度存在盐渍化问题，因此必要的排水配套措施应该是这次灌区节水改造的重要内容之一。引黄灌溉曾在60年代初期发生过盐渍化的问题，部分灌区一度被迫停灌，此后在盐渍化综合治理方面积累了不少经验，但是这些经验在多大程度上适合于西北的干旱、半干旱条件尚缺乏分析和验证。

4.7灌区分析评价技术

灌区分析评价包括二方面的目的：一是对现状灌排设施进行调查，总结经验，找准问题；二是根据水资源条件、农业种植结构等变化趋势，提出灌区节水改造的目标、标准、技术方案、技术路线、经济技术指标、管理体制等等。灌区分析评价是灌区节水改造规划工作的基础，也是一项重要的前期性研究工作，但目前这项工作非常薄弱，仍停留在常规现场调查的水平上。

4.8信息技术

大型灌区节水改造对信息技术的需求是明显的，但对信息技术的定位又很不明确。信息技术不同于传统的自动化技术，它除采集数据和执行指令外，更强调信息的共享性。因此用于大型灌节水改造的信息技术将涉及信息网络、信息平台、信息仓库、信息决策、信息服务等广泛的领域，信息技术只有更直接地为农业生产和农村经济服务，才能发挥提升传统灌排工程系统的作用。

5.结束语

北方大型灌区在农业和农村经济发展中，发挥着不可替代的基础作用，但也面临着严峻的水资源短缺、工程设施老化和实现农业现代化等多方面的挑战，进行以节水为中心的续建配套和改造势在必行。大型灌溉节水改造涉及复杂的社会、经济、环境因素，规划的科学性、全局性、经济性、可操作性显得尤为重要，其中正确把握技术方向，制定科学、合理的技术路线是完成大型灌区节水改造的重要支撑条件。