干旱區(qū)水資源高效利用技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

胡 周

(大禹設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

干旱區(qū)是指降水量少于或遠(yuǎn)少于蒸發(fā)量的地區(qū)，其熱量充足，但水資源非常匱乏，干旱指數(shù)一般在0.05～0.20之間[1]。在干旱區(qū)，水分稀缺經(jīng)常使農(nóng)作物正常生命活動(dòng)受損，導(dǎo)致大面積減產(chǎn)，因而水資源短缺已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要因素之一[2]。隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，干旱區(qū)的水資源問(wèn)題越來(lái)越突出，如何利用有限的水資源，保障干旱區(qū)的生產(chǎn)生活用水，成為當(dāng)今社會(huì)亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境領(lǐng)域系列研究報(bào)告《中國(guó)西北干旱區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境研究報(bào)告》，在過(guò)去的十年間(2012—2021年)，西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水比例下降了4.90%，灌溉水有效利用系數(shù)提高了0.10左右，節(jié)水灌溉面積增加了68.2萬(wàn)km2，水資源節(jié)約利用成效顯著[3]。以上成果都離不開西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的推廣應(yīng)用和有關(guān)水資源高效利用政策的大力支持。20世紀(jì)90年代，作為擁有我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉技術(shù)——膜下滴灌技術(shù)，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)率先應(yīng)用于棉花等農(nóng)作物[4]，之后膜下滴灌技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)開始推廣應(yīng)用，如瓜果類、蔬菜類、麥類、藥材等作物膜下滴灌水分調(diào)虧，并取得了節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)、提質(zhì)、增效的良性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式[5]。

本論文旨在對(duì)干旱區(qū)水資源高效利用技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為干旱區(qū)水資源管理和利用提供參考。通過(guò)對(duì)干旱區(qū)水資源高效利用技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀和未來(lái)研究方向的分析，為干旱區(qū)水資源管理和利用提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)干旱區(qū)水資源的可持續(xù)利用。

1 干旱區(qū)水資源利用現(xiàn)狀

1.1 干旱區(qū)水資源特點(diǎn)

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

1.2 干旱區(qū)水資源利用現(xiàn)狀

干旱區(qū)水資源的利用現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

(1)干旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水：干旱區(qū)農(nóng)業(yè)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(dǎo)致地下水位下降，水質(zhì)惡化，甚至出現(xiàn)干井、干河等現(xiàn)象。

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

(3)干旱區(qū)城市用水：干旱區(qū)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(zhì)惡化，城市供水面臨很大的壓力。

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

2 干旱區(qū)水資源高效利用技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 節(jié)水灌溉技術(shù)研究進(jìn)展

節(jié)水灌溉技術(shù)是目前干旱區(qū)水分虧缺技術(shù)應(yīng)用研究的重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研人員的研究主要以膜下滴灌技術(shù)研究為主。

(1)膜下滴灌技術(shù)：膜下滴灌技術(shù)是將工程節(jié)水和農(nóng)藝節(jié)水相結(jié)合，是目前西北干旱區(qū)應(yīng)用最為廣泛、節(jié)水效果最好的節(jié)水灌溉技術(shù)之一。膜下滴灌技術(shù)始于新疆地區(qū)，最初是為了研發(fā)一種適于棉花種植的節(jié)水灌溉技術(shù)，20世紀(jì)末，在此技術(shù)相對(duì)成熟之后，便大力推廣和試驗(yàn)于其它作物[6]。如玉米、葡萄、甜菜等農(nóng)作物。21世紀(jì)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(jié)果顯示：在膜下滴灌條件下，土壤基質(zhì)勢(shì)在-10～-15kPa時(shí)，灌溉水利用效率最高，可達(dá)23.63kg/(hm2·mm)。同時(shí)期，謝陽(yáng)等[8]在西北典型干旱區(qū)(河西走廊)研究膜下滴灌葡萄水分利用情況，結(jié)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(jié)約灌水量4500和1500m3/hm2，節(jié)水效果顯著。膜下滴灌技術(shù)經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展與應(yīng)用，部分學(xué)者開始研究高寒干旱地區(qū)膜下滴灌技術(shù)對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響，樊福義等[9]在內(nèi)蒙古自治區(qū)高寒干旱區(qū)研究膜下滴灌對(duì)甜菜產(chǎn)量及水分利用效率的影響，結(jié)果顯示：滴灌定額為450m3/hm2(生育期灌一次水處理)時(shí)，甜菜產(chǎn)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(chǎn)糖量最高，灌水最少、灌溉水分利用效率較優(yōu)，綜合效益最好。隨著人類社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境(包括地上環(huán)境和地下環(huán)境)的重視，膜下滴灌研究也開始注重水分運(yùn)移對(duì)土壤環(huán)境影響的變化方面。陳霖明等[10]在新疆準(zhǔn)格爾盆地開展的棉花苗期膜下滴灌處理前后土壤環(huán)境(水分、鹽分和養(yǎng)分)變化情況，結(jié)果顯示：膜下滴灌處理影響土壤水分、鹽分和養(yǎng)分的運(yùn)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(yǎng)分(硝態(tài)氮和銨態(tài)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(xiàn)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(shù)：微噴灌技術(shù)的發(fā)展是在解決滴灌技術(shù)采用的滴頭堵塞問(wèn)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(wèn)題，也使得流量變大。微噴灌技術(shù)的應(yīng)用一般以果園等較宜，同時(shí)會(huì)提高田間濕度，改善田間微環(huán)境，但是對(duì)空氣濕度較敏感的作物不太適宜使用該技術(shù)[11]。在早期，任玉忠等[12]對(duì)比了地面灌、滴灌和微噴灌3種灌溉方式對(duì)棗樹水分利用效率、果實(shí)品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示：微噴灌相較于地面灌溉，其水分利用效率和產(chǎn)量分別增加230%和16%，果實(shí)品質(zhì)(橫徑、單果質(zhì)量、維生素C和還原糖)顯著提高，是干旱區(qū)林果節(jié)水增產(chǎn)種植的適宜方法。

(3)噴灌技術(shù)：噴灌技術(shù)的發(fā)展早于膜下滴灌技術(shù)，20世紀(jì)90年代早期，國(guó)內(nèi)便有全自動(dòng)定時(shí)噴灌系統(tǒng)被研制，當(dāng)時(shí)的自動(dòng)噴灌系統(tǒng)不僅可以在早、晚時(shí)段為作物灌溉，且在發(fā)生電源故障時(shí)還可以觸發(fā)保護(hù)裝置，實(shí)用價(jià)值也較高[13]。經(jīng)過(guò)20多年的探索與發(fā)展，噴灌技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在向日葵、苜蓿[14]等作物的生產(chǎn)中，均得到較好的評(píng)價(jià)，是一種適宜于干旱區(qū)作物節(jié)水、增產(chǎn)、提質(zhì)、增效的節(jié)水灌溉技術(shù)。

2.2 雨水收集利用技術(shù)研究進(jìn)展

雨水收集利用技術(shù)是目前干旱區(qū)水分虧缺技術(shù)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。我國(guó)在秦漢時(shí)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(jì)中葉，隨著利用窖水灌溉玉米等農(nóng)作物的出現(xiàn)，人們的思想觀念開始轉(zhuǎn)變。到20世紀(jì)末，雨水集蓄利用開始迅猛發(fā)展，如甘肅省的“121雨水集流工程”、內(nèi)蒙古自治區(qū)的“112集雨節(jié)水灌溉工程”試驗(yàn)示范研究和陜西省的“甘露工程”等一大批重點(diǎn)示范項(xiàng)目，將雨水集蓄利用技術(shù)的發(fā)展推向高潮。近二十年來(lái)，隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，人們開始將雨水集蓄與節(jié)水灌溉相結(jié)合，為干旱區(qū)水資源節(jié)流及高效利用提供先進(jìn)技術(shù)支撐[16]。

(1)屋頂雨水收集技術(shù)：屋頂雨水相較于路面雨水，其雜質(zhì)和污染物少，因而凈化系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)過(guò)濾和凈化后可排入蓄水系統(tǒng)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?yàn)槿藗兯肹17]。

(2)道路雨水收集技術(shù)：道路雨水收集的理念主要考慮了路面排水后水資源重復(fù)利用，一直以來(lái)設(shè)計(jì)者在想方設(shè)法迅速排干路面積水的同時(shí)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(shù)的研究和開發(fā)必將為路域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力。張斌等[18]闡述了我國(guó)西部干旱區(qū)路面集雨技術(shù)要點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成(包括集雨、蓄水、用以植被恢復(fù)的土壤持水和路域植被共4個(gè)子系統(tǒng))和初步設(shè)計(jì)方案等，為路域水資源集蓄和高效利用提供技術(shù)借鑒。

2.3 水資源再生利用技術(shù)研究進(jìn)展

水資源再生利用技術(shù)是目前干旱區(qū)水分虧缺技術(shù)應(yīng)用研究的難點(diǎn)之一。目前再生水資源主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)周邊的生態(tài)綠化等方面，充分利用再生水資源可緩解地區(qū)農(nóng)田灌溉的缺水現(xiàn)狀，尤其是干旱、半干旱地區(qū)。《甘肅省“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》明確提出，到2025年底，甘肅省縣域節(jié)水型社會(huì)建設(shè)達(dá)標(biāo)比例達(dá)到80%以上，這將助力全省水資源高效利用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

(1)物理化學(xué)處理技術(shù)：物理化學(xué)處理是通過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)，將水中的雜質(zhì)和有害物質(zhì)清除，達(dá)到人畜飲用或灌溉用水的安全等級(jí)。早期這一技術(shù)以格柵過(guò)濾、沉砂池過(guò)濾、明礬吸附等方法為主。近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及更多新材料的發(fā)現(xiàn)，技術(shù)人員通過(guò)應(yīng)用新材料和新物理化學(xué)方法(氣浮法、電解質(zhì)化學(xué)處理法等)，將污水處理效益達(dá)到最大，滿足了水資源重復(fù)高效利用和生態(tài)環(huán)保的雙重目標(biāo)[19]。

(2)生物處理技術(shù)：生物處理技術(shù)是一種較新型的水資源再生利用技術(shù)，常見的生物生化處理技術(shù)包括厭氧生物處理技術(shù)、生物膜處理技術(shù)和活性泥處理技術(shù)等[19]。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，化學(xué)肥料大面積、大量的使用，致使農(nóng)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(fù)荷，在同等條件下，經(jīng)化肥污染的常規(guī)水資源形成的污水再生處理較困難。因此，應(yīng)用生物處理技術(shù)對(duì)污水的處理效果表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)應(yīng)污水成分采用的生物處理技術(shù)使得水中的危害物質(zhì)殘留更少，可以有效地將污水轉(zhuǎn)化為可再生利用的水資源[20]。

3 結(jié)語(yǔ)

膜下滴灌、微噴灌、噴灌等節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用節(jié)水效果明顯，適宜于干旱區(qū)農(nóng)作物節(jié)水、增產(chǎn)、提質(zhì)的實(shí)際生產(chǎn)；屋頂雨水收集、道路雨水收集等雨水收集利用技術(shù)能夠有效緩解干旱區(qū)作物缺水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收和路域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展；生物處理、物理化學(xué)處理等水資源再生利用技術(shù)不僅可以緩解干旱區(qū)水資源短缺問(wèn)題，而且保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，可謂一舉兩得。節(jié)水灌溉技術(shù)研發(fā)成為未來(lái)干旱區(qū)水資源高效利用研究的重點(diǎn)之一，努力做到提高其效益，降低其成本，推廣其應(yīng)用。未來(lái)還需要加大水資源再生利用技術(shù)研究的投入，使水資源再生利用技術(shù)更成熟、發(fā)揮的效益更大。未來(lái)更需要推廣雨水收集利用技術(shù)，提高干旱區(qū)居民雨水收集的意識(shí)，推動(dòng)節(jié)水產(chǎn)業(yè)全民行動(dòng)。