农田生态灌区建设和技术保障研究

安 军

（梁山县引黄灌区事务中心，山东梁山 272600）

0 引言

目前，全球有28亿人生活在缺水地区，12亿人面临缺水问题。我国也是水资源高度匮乏的国家，多年来地下水位不断下降，2022年全球极端干旱天气又导致我国多地河流断流。而农业又是用水量极大的产业，在水环境破坏严重的背景下，迫切需要建立水资源持续利用的方案。灌区是农业发展的输血管，对保障粮食安全，提高生产力水平，推动农业产业升级和维护生态经济平衡都有着重要的意义。传统灌区忽视生态系统建设，对水文地貌气候和动植物多样性都产生了巨大的影响。我国国土辽阔，水旱灾害频发，在全球气候恶化加剧的背景下，极端天气也严重影响到我国的农业发展。这导致发生旱涝的风险和不确定性更大，这不仅要求加强灌排功能，更要通过生态灌区的建设，一方面实现旱涝保收，另一方面实现灌区可持续发展。

1 农田生态灌区建设的重要意义

通过生态灌区的建设能够有效解决我国水资源匮乏、农业基础薄弱、地下水下降以及农业缺水事故频发的问题。主要表现为以下几个方面：一是提升灌区供水能力。灌区除了农田灌溉，还要向企业和居民区供水，在城乡建设中地位非常重要。生态灌区的工程体系和自然环境协调一致，配套水源工程、水渠管道、配套水工建筑物、田间工程等，提升了水体的净化功能。和传统灌区相比，生态灌区更须遵循生态规律，能够合理调配水资源，充分补给地下水，涵养水源，净化空气，提升水质标准，为周边居民提供清洁的饮用水。二是更有利于坚持生态优先原则，生态灌区地理位置优越，水资源丰富。其得天独厚的条件更有利于充分发挥环境和自然优势，以可持续发展为目标，维护土壤，保护植被，延缓水土流失，打造节水、优质、高效的复合生态系统，合理设计鱼类洄游、动物栖息的空间，为水生动植物创造良好的生活环境。比如在荒漠地区，灌区能够扩大绿洲的面积，还能向生态恶化地区输水，实现生态环境的持续改善。三是有利于最大程度上节约水资源，持续建立节水意识，提升节水能力，发展节水工艺。在减少农业取水量的前提下，还能够实现粮食增产，遏制灌区“病险”，解决抗旱能力低的问题。传统灌区强调多引水、多浇地，节水意识不足，水资源浪费现象较为严重。比如很多地区多采用大量建设沟渠的引水方式，蒸发量大，水资源利用可持续性差。生态灌区可以建立持续节水能力，相同灌水量下，流程可以增加2倍以上。四是实现源头治理，将灌区的污染物输出降到最低，提高污水循环利用水平。传统灌区杂物和污染物较多，采用管道引水等容易造成堵塞，通过加强源头治理可以有效改变这一现象，更有利于管网铺设，实现水生态系统的良性循环。更有利于应用水动力净污原理和领先的生物防控技术，在水体流动过程中逐步稀释污染物。五是灌区是现代农业发展的基础。水旱灾害是制约我国农业发展的主要因素，有效的灌排设施是旱涝保收的根本保证，我国灌区占耕地总面积的40%以上，产量超过全国的1/3，提高生态灌区建设的质量，对保障粮食安全意义重大。生态灌区也为农业发展创造了良好的环境，是高效农业和出口创汇的优质区域。

2 传统灌区建设存在的问题

2.1 先进技术应用水平有待提高

我国耕地灌溉率极高，一度超过世界平均水平的3倍。大型灌区多达456处，中型灌区7 300多处，小型灌区200多万处，大中型灌区亩产能高于全国平均水平50%。目前，农田灌溉水有效利用系数比新中国成立初期提升了将近1倍，但是和以色列高达95%的灌溉利用率还有一定的差距。在循环水利用方面效率较低，尤其是在一些经济落后地区，先进灌溉技术应用较少。在输水方面，大部分地区仍然以沟渠为主，自动化程度低，低压管道少。滴灌系统关键技术仍需攻关，比如喷头堵塞，设备昂贵等。智能化程度较低，信息化控制、自动化应用、田间监测和大数据分析能力不足。

2.2 硬质化人工技术造成生态退化

传统灌区以拦蓄水工作为重中之重，一般将传统河流通过人工方式改造成直线和折线渠道，比如将河道横断面改造成规则几何图形，使用混凝土和硬石等材料堆砌河床和边坡，通过修建大坝和人工湖等方式让河水流动非连续化，这使得水流动环境都发生了巨大的改变。我国是世界上水坝建设最多的国家，尽管水坝建设大大地提升了供水能力，但是也改变了传统水系的自然生态和结构。河道上下游水位状态变化非常显著，河道加宽会降低水深，断面形状会造成流速单一化，河床坡降会改变泥沙输送量和形态，影响动植物栖息地。沟渠河网的顺直化会造成上游河床坡降变陡，泥沙裹挟增多，河势不稳。硬质化河道虽然加强了防洪功能，但是也影响了河流的生态功能，对生态平衡有一定的破坏。

2.3 水资源浪费较为严重

原本我国工业用水重复利用率低，灌区的过度用水又造成了工程性缺水，并且严重挤压了生态用水量。过量饮水造成了河床抬高，河道退化，降低了水体净化和水源涵养能力，严重时河流断流、湖泊萎缩、湿地干涸、土地沙化。我国农业用水过度开发利用的现象也较为严重，农业用水消耗量巨大，尤其在旱区农业用水占总用水量的90%以上，比灌溉发达国家低0.7 kg/m3左右，水土资源生产效率仍然需要提升。我国渠道80%左右是土质，配水系统的节水改造较差、渠道防渗率低、水质含沙量大，泄漏率将近50%，降低系统节水使用的效率。很多灌区采用大水漫灌的方式，技术改造步伐较慢、灌溉系数低。在加压灌溉模式下，能耗较高，耗电量较大，能源浪费较为严重。

2.4 农业生态污染现象严峻

由于水肥利用率低，农药化肥的大量使用，使灌区水体污染加剧，传统粗放型施用方式让大部分农药化肥进入到土壤、水体中，并且逐渐从农田水向河流水、地下水和海水转移。很多地区土壤盐碱化严重，比如在新疆地区1/3的土地存在盐碱化的状况，在节水灌溉下，对盐碱地改良造成了一定的挑战。此外，土壤重金属富集也是一个较为严重的问题，造成生态恶化、农业面源污染和食品安全等一系列问题。农业用水超过区域承载能力，也引发了生态环境问题，造成土地肥力下降，区域污染严重。

3 农田生态灌区的建设优化和技术保障措施

3.1 农田生态灌区的优化建设

一是做好功能优化，合理规划山、水、林、田、湖的生态功能，优化景观要素，系统解析蓄、输、配水，防风固土，环境保护和农田生产等功能定位。二是结合本地灌溉区域特点进行土地资源优化，将农田防护林用地规模控制在5%左右。在大型渠道岸边设置环境保护区，隔离污染物。三是对有盐碱威胁的区域，要通过定量分析的方法，通过循环排水处理等方式促进其转移。可采用灌排分区调控模式对土壤水盐进行调控，延缓土壤积盐过程。四是对水资源进行优化配置，通过综合水网建设进行调控，实现水、土、生、环的协调，形成高效输配、节能降耗、节水增效的灌排系统。比如采用高位水源调节，长距离管道输水，自压节水灌溉等技术进行处理。五是灌区骨干河道多采用草皮、树木、水生植物、进行护坡，在人工湿地将砂石、土壤和挺水植物、灌木分层次种植，更好地吸附污染物，提升净化能力。

3.2 灌区控污技术措施

从源头控制农业面源污染排放，使用先进植保机械，严格控制农药化肥的使用量。应用疏浚技术，挖出河道中污染物含量较高的底泥，既能降低河床高度，还能够实现资源化利用。对生活污水采用生物膜技术和人工湿地技术进行集中处理，在清洁能源驱动下实现循环利用，并且充分利用水池、水塘、滩地等结构形成人工湿地。除了对养殖污水进行处理，还应该实现沼气、沼液、沼渣的资源化利用。灌区农田要创造绿色生态的农耕环境，交通道路可采用透水材料铺设，居民区设置排水系统和垃圾污水。

3.3 灌排渠系生技术措施

传统人工景观的硬质结构会造成污染物质更容易进入水体，影响了污染物的净化。过度依赖人工景观还会造成珍贵植物消失、水体富营养化、生物多样性丧失、灌区生态系统退化。因此河道尽量采用原生态设计，增加其曲折性和连续性，减少硬质化结构。可设置多级人工落差，以橡胶坝控制生态流量、水位和水量，沟渠河道中采用生物填料提升非点源污染的净化能力。建设丁坝、挑流坝，形成多样的河道和水边环境，保护生物多样性。对灌排渠系进行优化，在长沟中分次灌水，改连续灌为波涌灌，通过加快水的流速，减少流水频率，减少输水过程的渗漏。设计多级人工落差、减缓坡降、保护河床，可提升鱼类的洄游，提升水体自净能力。可以通过壤质土地中扩大流程，其节水量能超过30%，也能够降低冲刷力。可采用网垫植被复合型技术等方法护坡，其柔韧性强，能够有效应对洪水冲击和拉扯。

3.4 提升水体自净能力

一是利用水生动植物的净化功能。比如芦苇、香蒲等挺水植物，睡莲、荇菜等浮叶植物，凤眼莲、浮萍等漂浮植物，狐尾藻、金鱼藻等沉水植物。其净化原理主要如下：通过水生植物的物理作用降低水流速度，去除悬浮固体沉淀，为人工湿地土壤提供隔热层。通过植物的吸附作用吸收废水中的营养物质，分解有生物等污染物，同时吸附水中的重金属离子和含酚有机物。通过水生动物和微生物的分解作用净化污水，细菌和真菌摄取污染物，再被原生动物所吞食，无机物被水生植物吸收，进入到鱼类的食物链。二是采用生物填料技术，使用鹅卵石等天然材料或者绿色纤维等人工合成材料，在聚集生长中形成生物膜，接触面积可扩大百倍以上，大大地提高氧化和分解能力。也可采用仿生植物材料，以细菌为生物源，在表面形成生物膜，实现净化的目的。三是使用生物浮岛技术，如使用质量轻、抗腐蚀性强的发泡聚苯乙烯，岛上种植植物形成净化系统。四是生物沉床技术，将沉水植物种植在沉床上，对富营养水体进行净化。

3.5 提升灌区技术贡献率

不断加大科技创新力度，灌区大力推广水肥一体化滴灌技术，重点解决堵漏等问题，配合低压管网等设施，提升节水效率。应用大数据、卫星观测和机器人监测等技术，深入研究水体净化和灌区水文规律，为科学制定生态灌区设施配套方案提供科学依据。使用智能化设备实时监测农田墒情信息，做好数据采集和分析，以更好地辅助灌溉决策，实现水量调节。对渠、水、林、田、路全面监控，分析水、肥、气、热、盐、生、光、药对作物生长的胁迫，通过精准灌溉实现农田水利和生态环境的协调。同时对农田小气候进行调控，如采用冠层遮光技术、作物间套作技术、土壤环境调控技术、地下水环境调控技术等。

4 结语

灌区承担了我国大部分粮食和经济作物的生产，加之我国人口多、耕地少、农业基础薄弱、水资源短缺、灾害频发。因此在加强生态灌区的建设、不断优化技术措施、减少大水漫灌、节约农业用水量、提高水资源利用率，是未来工作的重点。