现代节水型灌区建设探索与实践——以镫口灌区为例

苗桃叶，王 凡，苗兴乐，董雨昕，韩文霆，3❋

（1.内蒙古自治区黄河镫口灌区管理中心，内蒙古 包头 014030；2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100）

全球约40%的人口生活在由于稀缺和竞争而导致水资源分配不足的地区。中国的水资源短缺且分布不均，特别是在中国的北部和西北部[1]。习近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，为破解我国水安全问题指明了方向。党中央多次提出加快推进农业农村现代化，确保国家粮食安全。灌区建设是农业现代化建设的重要内容，也是农村现代化发展的基础设施[2]。农村群众灌溉需求由渴望能够灌上水、提高亩产转变为旱涝保收、优质高效。可持续和高效的水资源管理是许多国家关注的重要问题，在全球淡水资源使用中，农业已成为用水大户，占全球淡水资源消耗的69%，其中灌溉用水占90%以上[3-4]。在人多水少、水资源短缺及分配不均、城市化扩张、全球气候变化影响加大的总体形势下[5]，国家从保障粮食安全、高质量发展、巩固脱贫攻坚成果推进乡村振兴三个方面提出了现代化节水型灌区建设的新要求。现代化节水灌区是应用先进的科学理念、先进的节水技术、先进的设备工艺和先进的智慧管理集成一体的灌区[6]。不同组织和学者针对现代节水型灌区建设进行了探索和实践，永济灌域围绕灌区的排灌工程、水生态文明建设和智慧水管理等方面对灌域进行建设探索[7]；人民胜利渠灌区以农民需求为中心，利用先进技术寻求更加匹配自身发展的灌区建设方案[8]；淠史杭灌区以节水、生态、智慧、共享、魅力五大任务为重点，推进现代化灌区建设研究与改造[9]。灌区的发展既要确保国家粮食安全，又要保障水安全和生态安全，还要为绿色农业现代化发展提供支撑，亟须建成节水高效、设施完备、管理科学、防灾有力、生态良好、智慧文化的现代化节水型灌区。河套灌区作为我国三个特大型灌区之一，其管理、建设、发展方向具有一定的指导意义。本文以内蒙古镫口扬水灌区为例，围绕灌区信息化建设、灌溉水保障措施和新技术推广等方面进行总结描述，以资为现代化节水型灌区建设提供经验参考。

1 镫口灌区概况及灌溉管理存在的问题

内蒙古黄河镫口扬水灌区地处大青山南麓土默川平原，地理坐标为东经110°8′55″～111°48′00″，北纬42°34′15″～42°24′00″，西起包头市东河区，东至呼和浩特市托克托县，北依大青山南麓，南至黄河干流，主要为包头市东河区、土默特右旗及呼和浩特市土默特左旗提供灌溉服务，同时为哈素海进行生态补水。灌区包括总干渠1条、干渠3条，支渠160余条，设计灌溉面积67万亩（包括哈素海灌域10 万亩），现状有效灌溉面积63.5 万亩，粮食作物以玉米为主，经济作物以葵花为主。图1为内蒙古镫口扬水灌区平面示意图。

图1 内蒙古镫口扬水灌区平面示意图Fig.1 Layout plan of Dengkou irrigation area Inner Mongolia

内蒙古镫口扬水灌区以黄河为水源，从黄河岸边提水，镫口一级泵站位于京包铁路东兴车站西南850 m 处的黄河北岸。该站由临河式泵站（西泵房）和进水闸式泵站（东泵房）组成，直列布置，已运行40 多年。设计提水能力60 m3/s，多年平均提水量为2.4×108～2.5×108m3，总扬程6.3 m，总装机10台，总装机容量5 000 kW。

内蒙古黄河镫口灌区管理中心所下设三个基层管理所，分别是总干渠管理所、民生渠管理所和跃进渠管理所。目前的管理延续传统的人工值班、人工巡检与手工操作方法和信息系统化相结合的管理模式，管理方法较以前传统单一的方法逐渐完善，新技术应用不多。同时，受县域经济发展缓慢影响，农业灌溉调水监控设施和监测设备不足，灌区信息化建设提升空间较大。“十三五”之前，灌溉管理一直处于粗放型管理阶段，仍有大量人工或其他形式的闸门应用于各灌区渠道或水系中，已建成的标准断面经多年运行使用破损严重，骨干渠系逐年淤积[10]，农业灌溉计量精确度低。以总干渠管理所为例，分水闸闸门为老式铸铁闸门，自动化程度低，不能实现远程控制，不能精准计量或没有计量能力，给总干渠管理所的管理工作带来诸多不适。其次，由于灌区测水工作目前还是人工测量为主、自动化测量为辅的测量方式，受天气影响和人为因素造成测量水量精度不高、稳定性差等情况的发生，都亟须进行信息系统化管理更新改造。再次，总干渠管理所处在偏远的乡村地带，通信不畅通，故需对信息系统的通信网络及设备进行提档升级。由于镫口灌区农业现代化与信息化发展缓慢，导致水资源利用率不高，制约着灌区农业生产现代化的持续发展[11]。

2 镫口灌区信息化系统设计及工程建设

图2 是镫口灌区信息化系统总体设计示意图。“十三五”期间，镫口扬水灌区实施完成信息化建设工程，其目标是建设成以机关为中心的覆盖灌区各管理所、闸和信息点，集遥测、遥信、遥调和遥控于一体的水资源利用和管理网络，借助信息化系统，通过灌溉水资源的优化配置，最终实现节水增效、可持续发展的目标。灌区建设完成了信息采集/监视系统、闸门控制系统、通信系统、计算机网络系统以及软件系统等内容，灌区干渠分水闸、节制闸安装自动控制与量水17处，51孔；视频监控51 台枪机，36 台球机。支渠进水口安装建筑物量水73处，82孔；安装测控一体化闸门27处，28孔；安装箱式一体化量水8处，8孔。通过自动量测水，可以比较精准地测量渠道瞬时流量和累计水量，减少了日常测流次数与强度，初步实现了合理配水，通过数据分析，更准确、科学制定灌水定额，合理分配灌溉资源，实现了节水增效的目的。

图2 信息化系统总体设计图Fig.2 Overall design diagram of information system

测控一体化板闸流量计（图3）是由渠道分水闸和流量计集合而成的自动化灌溉设备，可满足灌溉用水的精准计量及远程输送。箱式一体化流量计（图4）通过计算灌溉水流经管道内的节流装置所造成的净压力差来计算流量，是实现精准灌溉用水管理的基础设施之一。闸门电动控制系统（图5、图6）是通过传感技术、自动化控制技术、计算机技术和网络通信技术等，远程开闭闸门的控制系统，是机关构建的集遥测、遥信、遥调和遥控于一体的水资源利用和管理网络的信息平台，可实现水量计量和收费管理。水位计（图7）用来自动测定和记录灌渠等水体水位。有线气象站（图8）和土壤墒情仪（图9），配合设计的软件系统实现网络远程数据传输和网络实时气象和土壤墒情的状况监测，科学合理地指导调水配水。在重要干渠安装视频监测系统，与前述系统联合使用，方便管理人员及时把握实时水量，提高灌溉利用效率。图3至图9分别是测控一体化板闸流量计、闸门电动控制柜、水位计、雨量计及土壤墒情仪等现场安装及工作照片，图10 是现场视频监测系统。

图3 测控一体化板闸流量计Fig.3 Integrated measurement and control gate flowmeter

图4 箱式一体化流量计Fig.4 Box integrated flow meter

图5 闸门电动控制柜Fig.5 Gate electric control cabinet

图6 闸门电动控制系统界面Fig.6 Gate electric control system interface

图7 水位计Fig.7 Water level gauger

图8 气象站Fig.8 Weather station

图9 土壤墒情仪Fig.9 Soil moisture meter

图10 现场视频监测系统Fig.10 On-site video monitoring system

3 镫口灌区节水型灌区建设主要措施

3.1 节水型灌区创建要求与标准

为贯彻落实《国家节水行动方案》，推动灌区节水工作，国家率先以大中型灌区续建配套和现代化改造工作为契机，提出到2030 年，力争将30%的大中型灌区创建达到节水型灌区标准。节水型灌区创建需要满足基本条件和评分条件[12]。基本条件需要满足三点，否则将被“一票否决”。一是现状灌溉面积不低于1万亩，且具有相对独立统一的管理主体；二是灌区已办理取水许可证，且灌溉水量不超过取用水许可或分配用水量指标；三是近3年内未发生工程安全、水质安全或重大水事纠纷等事件。评分条件主要包括工程设施、用水管理、灌区管理和节水宣传等4 类共9 项指标。工程设施指标包括灌溉供水保障率、有效灌溉面积占比；用水管理指标包括灌溉水有效利用系数、用水计量率；灌区管理指标包括“两费”落实率、执行水价、水费收缴率、取水许可；节水宣传指标包括节水宣传与培训。镫口灌区节水型灌区评分达到了要求，本文主要总结重要指标达标工作经验。

3.2 灌溉供水保障率

供水管理是灌区最重要的生产工作[13]。为了加强灌溉供水管理，提高区域灌溉和其他供水保障程度，镫口灌区每年年初由基层管理所提前汇总梳理农民用水需求计划，管理中心根据取水指标制订年度用水计划，对水量进行统一调配、统一调度，做到了科学合理调配供水，水量调度及时、准确，最大限度保障了农民用水需求。例如，2020 年、2021 年、2022 年农业灌溉用水量分别为2.200 8×108m3、1.695 3×108m3、2.427 2×108m3，连续三年用水量均未超批复指标水量，并且保障了农民的用水需求。

3.3 灌溉水有效利用效率

农田灌溉水利用系数是水资源管理的一项重要指标，农田的高效灌溉是农作物生产的必然要求，其测算分析是一项长期而重要的工作[14-15]。

镫口灌区农田灌溉水有效利用系数测算已由2013 年的0.351 提升到2022 年的0.503，呈现出逐年递增的趋势。利用系数提高显著，主要得益于续建配套与节水改造、现代化改造及水权转让等工程项目的实施完成，提高了输水能力和灌水保证率。从2021 年开始，灌区管理中心委托技术支撑单位开展灌区灌溉水利用系数测算工作。每次采样都有专业人员全程技术指导、全时跟踪采样，保证了测算结果的准确性和可靠性。根据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》的要求，采用“首尾测算”分析法，分别在跃进渠、民生渠沿渠上、中、下游选取了21 个典型田块，作物种类是玉米，形成镫口灌区的农田灌溉水有效利用系数测算分析网络，通过上、中、下游灌区的典型田块试验结合理论分析，一定程度上更加精准地反映了灌区的真实灌溉水有效利用系数。

3.4 用水计量率

镫口灌区加强灌溉供用水管理，做到了科学合理调配供水，水量调度及时、准确。同时定期开展用水户及服务对象用水满意度调查，征求用水主体对灌区在用水计划、灌溉调度、灌溉及时性、灌溉公平度、灌溉保证率及灌溉满意度等方面的意见和建议，针对反馈意见及时整改，灌溉服务水平得到显著提高，灌溉服务质量和用水户服务满意度得到提升。截至2021 年底，灌区所有大闸、干支渠（干斗）口全部有量水设施，目前灌区灌溉用水计量采用的主要方法是测控一体化闸门、建筑物量水等，同时配有流速仪，测流总体效果良好，干支渠（干斗）口用水计量率100%。

3.5 水费收缴率

灌区实行“计划用水、按方计费、轮次结算、先钱后水”的原则，用多少水收多少费。管理所与包水员结算水费的水量以支渠口计量设施的实际测流数据为依据，水费收缴情况均留有文字及数据资料，按照“三公开两监督”原则，对水量水价进行公示。为方便缴费，实施科学的供用水管理，管理中心计财科开发了收费电子票据系统，改变了以往现金收费的方式和水费征收流通环节多的状况，优化了原有业务的受理流程、办理手段、办理质量，提升了收费便捷度，加强了管理能力，水费实收率为100%。

3.6 新技术推广应用

在20 多年来的灌区节水改造实践中，灌区管理中心与设计单位积极创新节水改造工程模式，对于新技术、新工艺都进行了积极的尝试。如图11 所示，在衬砌形式方面，在总结过去预制混凝土板、模袋混凝土的基础上，逐步改进为现浇钢丝网混凝土与保温一体化衬砌结构形式；在伸缩缝的填缝材料选取上，先后选用焦油塑料胶泥+沥青砂浆、高压闭孔聚苯乙烯泡沫+聚氨酯砂浆等材料，便于施工，适应变形，起到缓冲的作用；田间建筑物方面，采用“一字板与预制钢筋混凝土管组合”结构形式，投资小，施工简单，能满足水闸设计过流、渗透稳定、抗冻胀等指标，是灌区中小型水闸设计采用较好的结构形式；信息化建设工程的实施，为推进灌区节水、合理分水、有效用水等提高了工作效率[16]。由于管理中心工作职能是负责灌区干渠的运行管理与维护[17]，主要通过工程措施方式进行节水，目前已实现了干渠全部衬砌为现浇混凝土，干渠建筑物完好率高，总干渠输水效率达到98%，干渠达到90%，明显提高了渠道输水效率和节水水平。

图11 渠道衬砌Fig.11 Canal lining materials

4 结语

灌区的建设是一个多层次、多维度、多要素的综合设计过程，为响应国家从保障粮食安全、高质量发展、巩固脱贫攻坚成果推进乡村振兴三个方面提出的节水型灌区建设的新要求，本文以内蒙古镫口扬水灌区为例，设计并实现了以机关为中心的覆盖灌区各管理所、闸和信息点，集遥测、遥信、遥调和遥控于一体的水资源利用和管理网络。利用先进的科学技术、科学方法、科学理念来积极探索匹配自身的现代化节水型灌区的建设方案，对建成节水高效、设施完备、管理科学、防灾有力、生态良好、智慧文化的现代化节水型灌区提供了经验参考。