干旱区水资源高效利用技术应用研究进展

胡 周

(大禹设计咨询集团有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

干旱区是指降水量少于或远少于蒸发量的地区，其热量充足，但水资源非常匮乏，干旱指数一般在0.05～0.20之间[1]。在干旱区，水分稀缺经常使农作物正常生命活动受损，导致大面积减产，因而水资源短缺已经成为制约区域经济社会发展的主要因素之一[2]。随着人口的增长和社会经济的发展，干旱区的水资源问题越来越突出，如何利用有限的水资源，保障干旱区的生产生活用水，成为当今社会亟待解决的一个重要问题。

根据中国科学院资源环境领域系列研究报告《中国西北干旱区水资源与生态环境研究报告》，在过去的十年间(2012—2021年)，西北干旱区农业用水比例下降了4.90%，灌溉水有效利用系数提高了0.10左右，节水灌溉面积增加了68.2万km2，水资源节约利用成效显著[3]。以上成果都离不开西北干旱区农业节水技术的推广应用和有关水资源高效利用政策的大力支持。20世纪90年代，作为拥有我国完全自主知识产权的节水灌溉技术——膜下滴灌技术，在新疆生产建设兵团率先应用于棉花等农作物[4]，之后膜下滴灌技术在全国范围内开始推广应用，如瓜果类、蔬菜类、麦类、药材等作物膜下滴灌水分调亏，并取得了节水、稳产、提质、增效的良性农业生产模式[5]。

本论文旨在对干旱区水资源高效利用技术应用研究进展进行综述，以期为干旱区水资源管理和利用提供参考。通过对干旱区水资源高效利用技术应用研究现状和未来研究方向的分析，为干旱区水资源管理和利用提供科学依据，促进干旱区水资源的可持续利用。

1 干旱区水资源利用现状

1.1 干旱区水资源特点

干旱区水资源的特点是水量少、集中度低、变化大、质量差，水资源的开发利用面临着很多的困难。根据世界气象组织的定义，干旱区是指年降水量小于250mm的地区，占全球陆地面积的41%。我国干旱区主要集中在西北地区，包括宁夏、新疆、青海、甘肃、陕西等省份。

1.2 干旱区水资源利用现状

干旱区水资源的利用现状主要表现为以下几个方面：

(1)干旱区农业用水：干旱区农业用水主要依赖于地下水和降水，由于降水不足，地下水资源的开采量逐年增加，导致地下水位下降，水质恶化，甚至出现干井、干河等现象。

(2)干旱区工业用水：干旱区工业用水主要依赖于地下水和河流水，由于水资源的短缺，工业用水也面临着很大的困难。

(3)干旱区城市用水：干旱区城市用水主要依赖于地下水和引水工程，城市用水量逐年增加，地下水位下降，水质恶化，城市供水面临很大的压力。

(4)干旱区生态用水：干旱区生态用水主要依赖于河流水和湖泊水，由于水资源的短缺，生态用水也面临着很大的困难。

2 干旱区水资源高效利用技术应用研究进展

2.1 节水灌溉技术研究进展

节水灌溉技术是目前干旱区水分亏缺技术应用研究的重点之一。国内外学者和科研人员的研究主要以膜下滴灌技术研究为主。

(1)膜下滴灌技术：膜下滴灌技术是将工程节水和农艺节水相结合，是目前西北干旱区应用最为广泛、节水效果最好的节水灌溉技术之一。膜下滴灌技术始于新疆地区，最初是为了研发一种适于棉花种植的节水灌溉技术，20世纪末，在此技术相对成熟之后，便大力推广和试验于其它作物[6]。如玉米、葡萄、甜菜等农作物。21世纪初，焦艳平等[7]在河套平原中部开展糯玉米的膜下滴灌研究，结果显示：在膜下滴灌条件下，土壤基质势在-10～-15kPa时，灌溉水利用效率最高，可达23.63kg/(hm2·mm)。同时期，谢阳等[8]在西北典型干旱区(河西走廊)研究膜下滴灌葡萄水分利用情况，结果显示：戈壁栽培葡萄采用膜下滴灌的方式灌水，全年需水量为4500m3/hm2，相较于大水漫灌和滴灌的灌水方法，年均分别节约灌水量4500和1500m3/hm2，节水效果显著。膜下滴灌技术经过20年的发展与应用，部分学者开始研究高寒干旱地区膜下滴灌技术对农作物生产的影响，樊福义等[9]在内蒙古自治区高寒干旱区研究膜下滴灌对甜菜产量及水分利用效率的影响，结果显示：滴灌定额为450m3/hm2(生育期灌一次水处理)时，甜菜产糖量、水分利用效率等要素的膜下滴灌综合效果最好，相较于灌2次、3次和4次的处理，该处理的甜菜产糖量最高，灌水最少、灌溉水分利用效率较优，综合效益最好。随着人类社会对生态环境(包括地上环境和地下环境)的重视，膜下滴灌研究也开始注重水分运移对土壤环境影响的变化方面。陈霖明等[10]在新疆准格尔盆地开展的棉花苗期膜下滴灌处理前后土壤环境(水分、盐分和养分)变化情况，结果显示：膜下滴灌处理影响土壤水分、盐分和养分的运移及分布，滴灌后，土壤水分沿土层深度含水量逐步增加；盐分和养分(硝态氮和铵态氮)均在土层深度方向和垂直于滴灌带方向有双向累积分布的特征，具体表现为由地表向土壤深层累积、由滴头处向两边累积。

(2)微喷灌技术：微喷灌技术的发展是在解决滴灌技术采用的滴头堵塞问题，其将滴灌的滴头改为微喷头，在一定程度上降低了滴头堵塞的问题，也使得流量变大。微喷灌技术的应用一般以果园等较宜，同时会提高田间湿度，改善田间微环境，但是对空气湿度较敏感的作物不太适宜使用该技术[11]。在早期，任玉忠等[12]对比了地面灌、滴灌和微喷灌3种灌溉方式对枣树水分利用效率、果实品质的影响，结果显示：微喷灌相较于地面灌溉，其水分利用效率和产量分别增加230%和16%，果实品质(横径、单果质量、维生素C和还原糖)显著提高，是干旱区林果节水增产种植的适宜方法。

(3)喷灌技术：喷灌技术的发展早于膜下滴灌技术，20世纪90年代早期，国内便有全自动定时喷灌系统被研制，当时的自动喷灌系统不仅可以在早、晚时段为作物灌溉，且在发生电源故障时还可以触发保护装置，实用价值也较高[13]。经过20多年的探索与发展，喷灌技术已经应用在向日葵、苜蓿[14]等作物的生产中，均得到较好的评价，是一种适宜于干旱区作物节水、增产、提质、增效的节水灌溉技术。

2.2 雨水收集利用技术研究进展

雨水收集利用技术是目前干旱区水分亏缺技术应用研究的热点之一。我国在秦汉时期便有修池-筑坝-蓄雨而加以利用的史料记载[15]。早期雨水集蓄仅作为人畜饮用水，到20世纪中叶，随着利用窖水灌溉玉米等农作物的出现，人们的思想观念开始转变。到20世纪末，雨水集蓄利用开始迅猛发展，如甘肃省的“121雨水集流工程”、内蒙古自治区的“112集雨节水灌溉工程”试验示范研究和陕西省的“甘露工程”等一大批重点示范项目，将雨水集蓄利用技术的发展推向高潮。近二十年来，随着节水灌溉技术的发展，人们开始将雨水集蓄与节水灌溉相结合，为干旱区水资源节流及高效利用提供先进技术支撑[16]。

(1)屋顶雨水收集技术：屋顶雨水相较于路面雨水，其杂质和污染物少，因而净化系统相对简单，经过过滤和净化后可排入蓄水系统用于灌溉和人畜饮用水。值得注意的是，要保持积水装置的清洁，或者在每次使用前做一次清洁工作，以保证集蓄的水资源能够为人们所利用[17]。

(2)道路雨水收集技术：道路雨水收集的理念主要考虑了路面排水后水资源重复利用，一直以来设计者在想方设法迅速排干路面积水的同时并未考虑这些水量如何更有利用空间，因此，路面雨水集蓄技术的研究和开发必将为路域生态可持续发展提供动力。张斌等[18]阐述了我国西部干旱区路面集雨技术要点、系统构成(包括集雨、蓄水、用以植被恢复的土壤持水和路域植被共4个子系统)和初步设计方案等，为路域水资源集蓄和高效利用提供技术借鉴。

2.3 水资源再生利用技术研究进展

水资源再生利用技术是目前干旱区水分亏缺技术应用研究的难点之一。目前再生水资源主要应用于城镇周边的生态绿化等方面，充分利用再生水资源可缓解地区农田灌溉的缺水现状，尤其是干旱、半干旱地区。《甘肃省“十四五”水利发展规划》明确提出，到2025年底，甘肃省县域节水型社会建设达标比例达到80%以上，这将助力全省水资源高效利用目标的实现。

(1)物理化学处理技术：物理化学处理是通过物理化学反应，将水中的杂质和有害物质清除，达到人畜饮用或灌溉用水的安全等级。早期这一技术以格栅过滤、沉砂池过滤、明矾吸附等方法为主。近些年，随着科学技术的发展，以及更多新材料的发现，技术人员通过应用新材料和新物理化学方法(气浮法、电解质化学处理法等)，将污水处理效益达到最大，满足了水资源重复高效利用和生态环保的双重目标[19]。

(2)生物处理技术：生物处理技术是一种较新型的水资源再生利用技术，常见的生物生化处理技术包括厌氧生物处理技术、生物膜处理技术和活性泥处理技术等[19]。近半个世纪以来，化学肥料大面积、大量的使用，致使农田面源污染逐步加剧，从而使得地下水、河湖中水体氮磷等元素超负荷，在同等条件下，经化肥污染的常规水资源形成的污水再生处理较困难。因此，应用生物处理技术对污水的处理效果表现出更大的优势，对应污水成分采用的生物处理技术使得水中的危害物质残留更少，可以有效地将污水转化为可再生利用的水资源[20]。

3 结语

膜下滴灌、微喷灌、喷灌等节水技术的应用节水效果明显，适宜于干旱区农作物节水、增产、提质的实际生产；屋顶雨水收集、道路雨水收集等雨水收集利用技术能够有效缓解干旱区作物缺水问题，实现农作物的增产增收和路域生态可持续发展；生物处理、物理化学处理等水资源再生利用技术不仅可以缓解干旱区水资源短缺问题，而且保护了生态环境，可谓一举两得。节水灌溉技术研发成为未来干旱区水资源高效利用研究的重点之一，努力做到提高其效益，降低其成本，推广其应用。未来还需要加大水资源再生利用技术研究的投入，使水资源再生利用技术更成熟、发挥的效益更大。未来更需要推广雨水收集利用技术，提高干旱区居民雨水收集的意识，推动节水产业全民行动。