灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的理念思路與關(guān)鍵技術(shù)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(qū)是一個(gè)半人工的生態(tài)系統(tǒng)，它是依靠自然環(huán)境提供的光、熱、土壤資源，加上人為調(diào)控手段而組成的一個(gè)具有很強(qiáng)的社會(huì)性質(zhì)的開(kāi)放式生態(tài)系統(tǒng)。我國(guó)灌區(qū)大多興建于20 世紀(jì)50年代～70 年代，由于當(dāng)時(shí)科技條件有限，加之多年的疲勞運(yùn)行，我國(guó)大多數(shù)灌區(qū)工程老化失修嚴(yán)重，處于超期服役或帶病運(yùn)行狀態(tài)，致使灌區(qū)水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰減，因此灌區(qū)的現(xiàn)代化建設(shè)勢(shì)在必行。推進(jìn)生態(tài)文明、建設(shè)美麗中國(guó)是“習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想”重要內(nèi)容之一[1-2]，而統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，則是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)美麗中國(guó)的具體路徑和重要手段，是新發(fā)展理念中綠色發(fā)展理念的具體化。灌區(qū)作為“田”元素，進(jìn)行灌區(qū)的的現(xiàn)代化改造也是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，是推進(jìn)生態(tài)建設(shè)的重要組成部分。

1 灌區(qū)的建設(shè)發(fā)展歷程

從目前的發(fā)展來(lái)看，我國(guó)灌區(qū)發(fā)展大致可分為3 個(gè)階段：第一階段為灌區(qū)初步建設(shè)階段，第二階段為灌區(qū)改造階段，第三階段則可稱為灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)階段。

1.1 灌區(qū)初步建設(shè)階段

建國(guó)后，為發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)自上世紀(jì)50 年代開(kāi)始在零基礎(chǔ)上開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)各類(lèi)灌區(qū)，并取得巨大的成就，為解決人民溫飽問(wèn)題提供了有力保障，見(jiàn)表1。該階段的灌區(qū)可稱為工程水利階段。

表1 大中型灌區(qū)數(shù)量匯總表

1.2 灌區(qū)改造階段

該階段在灌區(qū)建設(shè)初步完成的基礎(chǔ)上，于本世紀(jì)初期開(kāi)始實(shí)施，主要對(duì)全國(guó)大型灌區(qū)進(jìn)行續(xù)建配套和灌溉節(jié)水改造，以提高關(guān)稅利用率。該階段持續(xù)時(shí)間約為15 a，總投資約1950 億元，到2015 年前后基本完成規(guī)劃內(nèi)大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造建設(shè)。該措施有效地遏制了灌區(qū)灌溉面積的衰減、灌排設(shè)施老化運(yùn)行不安全等問(wèn)題，有效提高了灌溉用水效率。大型灌區(qū)有效灌溉面積由1998 年的1600 萬(wàn)hm2增加到2018 年的1800 萬(wàn)hm2，新增糧食生產(chǎn)能力約200 億kg。灌溉水利用系數(shù)由世紀(jì)初的0.47 逐年提高至0.54，提升效果明顯，但與國(guó)外的0.65 相比差距仍然較大。同時(shí)，國(guó)內(nèi)灌區(qū)在管理效率方面與國(guó)外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)相比也相差較遠(yuǎn)，國(guó)內(nèi)外分別為4.0 人/萬(wàn)畝和0.3 人/萬(wàn)畝。該階段的灌區(qū)可稱為工程水利+資源水利階段。

1.3 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)階段

順應(yīng)新時(shí)代發(fā)展需求，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)生活文化需求的提高，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人民的關(guān)注[1]。在我國(guó)生態(tài)文明發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，對(duì)灌區(qū)發(fā)展提出的更高的要求，因此出現(xiàn)了灌區(qū)的現(xiàn)代化建設(shè)。堅(jiān)持山水林田湖草是一個(gè)共同體的理念，基于節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力的水利工作新方針，持續(xù)開(kāi)展現(xiàn)代化建設(shè)。該階段的灌區(qū)可稱為工程水利+資源水利+生態(tài)水利+服務(wù)水利階段。

2 灌區(qū)在我國(guó)現(xiàn)代建設(shè)中的地位

2.1 是維護(hù)國(guó)家糧食安全的重要保障

我國(guó)是人口大國(guó)，也是農(nóng)業(yè)大國(guó)，人均耕地只有1.4 畝，不到世界人均耕地面積的一半。在國(guó)際形勢(shì)下，有效保證國(guó)家糧食安全是保障我國(guó)立足于世界發(fā)展大潮流，肩負(fù)維護(hù)世界和平歷史使命的重要保證。面對(duì)我國(guó)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(wèn)題的唯一出路。而廣泛分布于我國(guó)的各個(gè)灌區(qū)則是保障國(guó)家糧食安全的最有力保證[3]。在我國(guó)占耕地40%的灌區(qū)生產(chǎn)了75%的糧食和90%的經(jīng)濟(jì)作物。

圖1 糧食種植面積不斷增加

2.2 是解決水資源問(wèn)題的根本出路

水是人類(lèi)生存的根本，是社會(huì)生產(chǎn)最基本的資源之一，被譽(yù)為“農(nóng)業(yè)的命脈，工業(yè)的血液”。我國(guó)的水存在的一個(gè)主要問(wèn)題就是水資源短缺。據(jù)統(tǒng)計(jì)2017 年我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量為3766.4 億m3，灌溉消耗占同期國(guó)內(nèi)用水總量的62.32%，而灌溉水量多用于各個(gè)灌區(qū)中，我國(guó)有大中型灌區(qū)7839 處，占我國(guó)較大的耕地面積，因此高效合理開(kāi)展灌區(qū)管理工作，提高水資源利用效率，是解決我國(guó)水資源問(wèn)題的根本出路。

圖2 灌溉水利用系數(shù)逐年提高

2.3 是區(qū)域優(yōu)化布局、聯(lián)動(dòng)發(fā)展的載體

社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，工、農(nóng)、牧、副、漁等多產(chǎn)業(yè)協(xié)同融合發(fā)展，才能有效促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。與其他行業(yè)相比，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)則占有更廣大的自然區(qū)域空間，對(duì)維護(hù)生態(tài)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(lèi)社會(huì)幾千年的發(fā)展中，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上積累了無(wú)數(shù)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，也將文化與智慧書(shū)寫(xiě)在廣闊的大地上，四川樂(lè)山東風(fēng)堰、陜西涇陽(yáng)鄭國(guó)渠、陜西漢中三堰、四川都江堰[4]、寧夏引黃古灌區(qū)等，這些古老的工程也是歷史文化的傳承。

圖3 中國(guó)入選世界灌溉工程遺產(chǎn)

3 我國(guó)灌區(qū)發(fā)展的差距與不足

隨著兩個(gè)階段的發(fā)展，我國(guó)灌區(qū)發(fā)展取得了輝煌的成就，但灌區(qū)建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求以及國(guó)外的發(fā)展仍存在較大差距。

我國(guó)灌區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏低，總體上講工程配套完善程度不足。灌區(qū)管理不到位，量水設(shè)施覆蓋面低，缺乏精細(xì)化管理，僅1/3 的大型灌區(qū)開(kāi)展了不同程度信息化建設(shè)，大部分大型灌區(qū)灌溉管理與服務(wù)基本上采用傳統(tǒng)方式，服務(wù)意識(shí)和能力薄弱。灌區(qū)受益區(qū)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)度較大，生態(tài)環(huán)境受人為影響較大，仍存在因灌溉退水產(chǎn)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(tài)問(wèn)題。從灌區(qū)服務(wù)角度來(lái)講灌溉管理與服務(wù)基本上采用傳統(tǒng)方式，服務(wù)意識(shí)和能力較薄弱?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)灌區(qū)發(fā)展與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、節(jié)水型社會(huì)、生態(tài)文明建設(shè)的要求不相適應(yīng)，與國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的步伐不相協(xié)調(diào)。

4 現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)理念與技術(shù)

4.1 灌區(qū)建設(shè)理念

灌區(qū)現(xiàn)代化是一個(gè)逐步發(fā)展、不斷成熟、全面實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。通過(guò)技術(shù)設(shè)施革新和體制機(jī)制改革，不斷提高灌溉供水服務(wù)的安全性、公平性、可靠性和靈活性水平，達(dá)到“供水可靠、調(diào)度靈活、用水精準(zhǔn)、管理信息”，打造灌區(qū)“服務(wù)改善、效率提高、運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)、生態(tài)良好”的功能[5]。

轉(zhuǎn)變灌區(qū)發(fā)展理念，從人改變自然到人與自然和諧、人與人和諧轉(zhuǎn)變，從強(qiáng)調(diào)管理到重視管理+服務(wù)轉(zhuǎn)變，從工程滿足灌排需要到兼顧生態(tài)健康轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)手段管理到現(xiàn)代智慧管理轉(zhuǎn)變，從追求產(chǎn)量和效率到追求效率和效益轉(zhuǎn)變從單純保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到全社會(huì)發(fā)展的基石的轉(zhuǎn)變。建成一個(gè)防災(zāi)抗災(zāi)有力、灌排設(shè)施完備、灌溉用水高效、管理與服務(wù)先進(jìn)、生態(tài)環(huán)境健康的現(xiàn)代化灌區(qū)。

4.2 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的戰(zhàn)略定位

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的戰(zhàn)略定位是供水適需服務(wù)，是集多元視角、多用水戶、多目標(biāo)于一體的定位，是集節(jié)水、智慧、高效、價(jià)值、生態(tài)、人文于一體的灌區(qū)系統(tǒng)。灌區(qū)的發(fā)展不僅僅服務(wù)農(nóng)業(yè)，而是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)發(fā)展、人類(lèi)文明的載體，整個(gè)社會(huì)進(jìn)步的基石。

4.3 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)要是灌區(qū)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的重要基礎(chǔ)，達(dá)到用水管理手段智慧，用水全過(guò)程技術(shù)先進(jìn)、高效，“生產(chǎn)—生態(tài)—生活”和諧兼顧，“體現(xiàn)‘用水—護(hù)水’”人文歷史特色的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)資源配置合理、灌排高效節(jié)水、工程自動(dòng)監(jiān)控、決策智能高效、機(jī)制靈活可行、人水和諧共處。使灌區(qū)成為人文灌區(qū)、生態(tài)灌區(qū)、智慧灌區(qū)、效率灌區(qū)和生產(chǎn)灌區(qū)。

4.4 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)指導(dǎo)原則

現(xiàn)代化灌區(qū)的建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持“節(jié)水優(yōu)先，首先要判斷其是否真正、充分節(jié)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(tài)安全。通過(guò)工程安全運(yùn)行手段、管理信息化手段、監(jiān)控智能化手段、機(jī)制體制保證和服務(wù)保障手段，完成灌區(qū)輸配水工程、田間灌排工程、防洪工程和生態(tài)工程4 項(xiàng)艱巨任務(wù)，完成灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)。

4.5 現(xiàn)代化灌區(qū)具有的技術(shù)特征

現(xiàn)代化灌區(qū)應(yīng)保證多過(guò)程、多用戶、多目標(biāo)，以提升灌區(qū)服務(wù)能力為核心，通過(guò)各種技術(shù)的融合，帶到現(xiàn)代灌區(qū)的服務(wù)功能。常用的技術(shù)手段主要有：信息感知技術(shù)：多要素、時(shí)空多維、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、可靠；信息處理技術(shù)：有效傳輸、多源融合、尺度擴(kuò)展（或降維）；優(yōu)化決策技術(shù)：多用戶、多目標(biāo)、智能化/智慧化（數(shù)據(jù)挖掘）；反饋控制技術(shù)：管理預(yù)案與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)、反饋調(diào)整、機(jī)器學(xué)習(xí)。

4.6 灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)體系

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)體系按照信息的傳遞特征主要包括四大部分內(nèi)容，分別為灌區(qū)信息采集、灌區(qū)供給側(cè)調(diào)控、灌區(qū)需求側(cè)優(yōu)化以及供需耦合智能決策[5]。其中灌區(qū)信息采集主要包括基礎(chǔ)信息采集、種植信息采集和用水信息采集；灌區(qū)供給側(cè)調(diào)控包括輸配水系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控和田間水肥高效配施，輸配水系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)主要采用水動(dòng)力學(xué)仿真理論技術(shù)、輸配水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)和渠管道水流量調(diào)控技術(shù)，田間水肥高效配施技術(shù)主要采用滴灌水肥一體化技術(shù)、噴灌變量控制技術(shù)、精細(xì)地面灌溉技術(shù)、灌溉傳感自控技術(shù)；灌區(qū)需求側(cè)優(yōu)化包括作物水肥虧缺診斷與定量表征和灌區(qū)水肥虧缺預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；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(qū)水肥虧缺預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和氣候變化下需水預(yù)測(cè)；供需耦合智能決策技術(shù)主要包括多水源優(yōu)化配置技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化水肥方案集、灌區(qū)用水調(diào)控智能決策技術(shù)、灌區(qū)用水綜合評(píng)價(jià)和灌區(qū)用水云服務(wù)平臺(tái)建設(shè)[6-8]。

5 總結(jié)

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展愈受關(guān)注，各省各地區(qū)均不同程度地開(kāi)展了灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，但總體來(lái)說(shuō)仍處于摸索階段，各個(gè)地區(qū)各個(gè)省市應(yīng)根據(jù)各自灌區(qū)的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源特點(diǎn)，找到最適合自身發(fā)展需求的道路，因地制宜地開(kāi)展灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)。