灌区现代化建设的理念思路与关键技术浅谈

屈军宏，周 秦

（陕西省水利水电工程咨询中心，陕西 西安 710004）

0 前言

灌区是一个半人工的生态系统，它是依靠自然环境提供的光、热、土壤资源，加上人为调控手段而组成的一个具有很强的社会性质的开放式生态系统。我国灌区大多兴建于20 世纪50年代～70 年代，由于当时科技条件有限，加之多年的疲劳运行，我国大多数灌区工程老化失修严重，处于超期服役或带病运行状态，致使灌区水资源浪费严重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰减，因此灌区的现代化建设势在必行。推进生态文明、建设美丽中国是“习近平新时代中国特色社会主义思想”重要内容之一[1-2]，而统筹山水林田湖草系统治理，则是推进生态文明建设美丽中国的具体路径和重要手段，是新发展理念中绿色发展理念的具体化。灌区作为“田”元素，进行灌区的的现代化改造也是顺应时代发展的要求，是推进生态建设的重要组成部分。

1 灌区的建设发展历程

从目前的发展来看，我国灌区发展大致可分为3 个阶段：第一阶段为灌区初步建设阶段，第二阶段为灌区改造阶段，第三阶段则可称为灌区现代化建设阶段。

1.1 灌区初步建设阶段

建国后，为发展农业生产，促进经济发展，我国自上世纪50 年代开始在零基础上开始大规模建设各类灌区，并取得巨大的成就，为解决人民温饱问题提供了有力保障，见表1。该阶段的灌区可称为工程水利阶段。

表1 大中型灌区数量汇总表

1.2 灌区改造阶段

该阶段在灌区建设初步完成的基础上，于本世纪初期开始实施，主要对全国大型灌区进行续建配套和灌溉节水改造，以提高关税利用率。该阶段持续时间约为15 a，总投资约1950 亿元，到2015 年前后基本完成规划内大型灌区续建配套与节水改造建设。该措施有效地遏制了灌区灌溉面积的衰减、灌排设施老化运行不安全等问题，有效提高了灌溉用水效率。大型灌区有效灌溉面积由1998 年的1600 万hm2增加到2018 年的1800 万hm2，新增粮食生产能力约200 亿kg。灌溉水利用系数由世纪初的0.47 逐年提高至0.54，提升效果明显，但与国外的0.65 相比差距仍然较大。同时，国内灌区在管理效率方面与国外农业发达地区相比也相差较远，国内外分别为4.0 人/万亩和0.3 人/万亩。该阶段的灌区可称为工程水利+资源水利阶段。

1.3 灌区现代化建设阶段

顺应新时代发展需求，随着我国社会经济的发展和人民物质生活文化需求的提高，生态环境问题越来越受到人民的关注[1]。在我国生态文明发展战略的背景下，对灌区发展提出的更高的要求，因此出现了灌区的现代化建设。坚持山水林田湖草是一个共同体的理念，基于节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力的水利工作新方针，持续开展现代化建设。该阶段的灌区可称为工程水利+资源水利+生态水利+服务水利阶段。

2 灌区在我国现代建设中的地位

2.1 是维护国家粮食安全的重要保障

我国是人口大国，也是农业大国，人均耕地只有1.4 亩，不到世界人均耕地面积的一半。在国际形势下，有效保证国家粮食安全是保障我国立足于世界发展大潮流，肩负维护世界和平历史使命的重要保证。面对我国人均耕地占有量小的矛盾，合理高效利用耕地资源则是解决这一问题的唯一出路。而广泛分布于我国的各个灌区则是保障国家粮食安全的最有力保证[3]。在我国占耕地40%的灌区生产了75%的粮食和90%的经济作物。

图1 粮食种植面积不断增加

2.2 是解决水资源问题的根本出路

水是人类生存的根本，是社会生产最基本的资源之一，被誉为“农业的命脉，工业的血液”。我国的水存在的一个主要问题就是水资源短缺。据统计2017 年我国农业用水量为3766.4 亿m3，灌溉消耗占同期国内用水总量的62.32%，而灌溉水量多用于各个灌区中，我国有大中型灌区7839 处，占我国较大的耕地面积，因此高效合理开展灌区管理工作，提高水资源利用效率，是解决我国水资源问题的根本出路。

图2 灌溉水利用系数逐年提高

2.3 是区域优化布局、联动发展的载体

社会的发展离不开产业融合发展，工、农、牧、副、渔等多产业协同融合发展，才能有效促进社会发展。与其他行业相比，农业生产则占有更广大的自然区域空间，对维护生态健康具有重要意义，是合理划定“三生空间”，保障“三条红线”的重要角色。人类社会几千年的发展中，在农业生产上积累了无数的宝贵经验，也将文化与智慧书写在广阔的大地上，四川乐山东风堰、陕西泾阳郑国渠、陕西汉中三堰、四川都江堰[4]、宁夏引黄古灌区等，这些古老的工程也是历史文化的传承。

图3 中国入选世界灌溉工程遗产

3 我国灌区发展的差距与不足

随着两个阶段的发展，我国灌区发展取得了辉煌的成就，但灌区建设与社会经济发展需求以及国外的发展仍存在较大差距。

我国灌区建设标准相对偏低，总体上讲工程配套完善程度不足。灌区管理不到位，量水设施覆盖面低，缺乏精细化管理，仅1/3 的大型灌区开展了不同程度信息化建设，大部分大型灌区灌溉管理与服务基本上采用传统方式，服务意识和能力薄弱。灌区受益区人类生产活动强度较大，生态环境受人为影响较大，仍存在因灌溉退水产生面源污染、土壤盐渍化、地下水超采、自然植被与土壤退化等生态问题。从灌区服务角度来讲灌溉管理与服务基本上采用传统方式，服务意识和能力较薄弱。总的来说，我国灌区发展与现代农业发展、节水型社会、生态文明建设的要求不相适应，与国家现代化建设的步伐不相协调。

4 现代化灌区建设理念与技术

4.1 灌区建设理念

灌区现代化是一个逐步发展、不断成熟、全面实现的过程。通过技术设施革新和体制机制改革，不断提高灌溉供水服务的安全性、公平性、可靠性和灵活性水平，达到“供水可靠、调度灵活、用水精准、管理信息”，打造灌区“服务改善、效率提高、运转持续、生态良好”的功能[5]。

转变灌区发展理念，从人改变自然到人与自然和谐、人与人和谐转变，从强调管理到重视管理+服务转变，从工程满足灌排需要到兼顾生态健康转变，从传统手段管理到现代智慧管理转变，从追求产量和效率到追求效率和效益转变从单纯保障农业生产到全社会发展的基石的转变。建成一个防灾抗灾有力、灌排设施完备、灌溉用水高效、管理与服务先进、生态环境健康的现代化灌区。

4.2 灌区现代化建设的战略定位

灌区现代化建设的战略定位是供水适需服务，是集多元视角、多用水户、多目标于一体的定位，是集节水、智慧、高效、价值、生态、人文于一体的灌区系统。灌区的发展不仅仅服务农业，而是农业生产、社会发展、人类文明的载体，整个社会进步的基石。

4.3 灌区现代化建设目标

灌区现代化建设要是灌区成为现代农业生产体系的重要基础，达到用水管理手段智慧，用水全过程技术先进、高效，“生产—生态—生活”和谐兼顾，“体现‘用水—护水’”人文历史特色的目标，实现资源配置合理、灌排高效节水、工程自动监控、决策智能高效、机制灵活可行、人水和谐共处。使灌区成为人文灌区、生态灌区、智慧灌区、效率灌区和生产灌区。

4.4 灌区现代化建设指导原则

现代化灌区的建设应坚持“节水优先，首先要判断其是否真正、充分节水”的原则，以提高效率与效益为核心，保障保证水安全、粮食安全、生态安全。通过工程安全运行手段、管理信息化手段、监控智能化手段、机制体制保证和服务保障手段，完成灌区输配水工程、田间灌排工程、防洪工程和生态工程4 项艰巨任务，完成灌区现代化建设。

4.5 现代化灌区具有的技术特征

现代化灌区应保证多过程、多用户、多目标，以提升灌区服务能力为核心，通过各种技术的融合，带到现代灌区的服务功能。常用的技术手段主要有：信息感知技术：多要素、时空多维、精准、实时、可靠；信息处理技术：有效传输、多源融合、尺度扩展（或降维）；优化决策技术：多用户、多目标、智能化/智慧化（数据挖掘）；反馈控制技术：管理预案与实测数据对应、反馈调整、机器学习。

4.6 灌区现代化建设技术体系

灌区现代化建设技术体系按照信息的传递特征主要包括四大部分内容，分别为灌区信息采集、灌区供给侧调控、灌区需求侧优化以及供需耦合智能决策[5]。其中灌区信息采集主要包括基础信息采集、种植信息采集和用水信息采集；灌区供给侧调控包括输配水系统实时调控和田间水肥高效配施，输配水系统实时调控技术主要采用水动力学仿真理论技术、输配水系统优化调度技术和渠管道水流量调控技术，田间水肥高效配施技术主要采用滴灌水肥一体化技术、喷灌变量控制技术、精细地面灌溉技术、灌溉传感自控技术；灌区需求侧优化包括作物水肥亏缺诊断与定量表征和灌区水肥亏缺预测预报；作物水肥亏缺诊断与定量表征主要基于冠气温差水分诊断、光谱信息水肥诊断和作物水肥需求定量表征，灌区水肥亏缺预测预报主要包括空间变异定量表征、水肥亏缺智能诊断、水肥需求预测预报和气候变化下需水预测；供需耦合智能决策技术主要包括多水源优化配置技术、标准化水肥方案集、灌区用水调控智能决策技术、灌区用水综合评价和灌区用水云服务平台建设[6-8]。

5 总结

灌区现代化建设是我国生态文明建设的重要组成部分，灌区现代化发展愈受关注，各省各地区均不同程度地开展了灌区现代化建设，但总体来说仍处于摸索阶段，各个地区各个省市应根据各自灌区的特点，结合当地自然资源特点，找到最适合自身发展需求的道路，因地制宜地开展灌区现代化建设。