西北典型地區(qū)節(jié)水與生態(tài)修復技術集成提升與規(guī)模示范

王忠靜，呂華芳

（清華大學水利水電工程系水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

“西北典型地區(qū)節(jié)水與生態(tài)修復技術集成提升與規(guī)模示范”項目（項目編號：2016YFC0402900），隸屬國家“十三五”重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”專項“節(jié)水治污生態(tài)修復先進技術典型示范”方向，項目總經費2300萬元。項目團隊由青海大學、清華大學（對口支援）和甘肅、寧夏、青海三省（區(qū)）水利科學研究院（所）以及三?。▍^(qū)）示范區(qū)建設的相關協(xié)助單位組成。

項目研究內容包括8個方面17個技術要點，分配在4個課題進行交叉驗證、深度總結、標準提煉、集成提升。

（1）已有先進節(jié)水灌溉技術的水聯(lián)網特征提煉融合

物聯(lián)網在水利行業(yè)的應用，稱為水聯(lián)網，其特征是實時感知、水信互聯(lián)、過程跟蹤、智能處理；根據(jù)水聯(lián)網理論，研究先進灌溉技術應用中水流監(jiān)測、跟蹤和控制過程的信息流，判別物體感知、信息化、互聯(lián)網接入和過程跟蹤等物聯(lián)網關鍵環(huán)節(jié)以及各環(huán)節(jié)間的信息聯(lián)動機制，結合農業(yè)灌溉特征，融合提煉相應灌溉技術的水聯(lián)網特征，構建灌溉的水聯(lián)網鏈路過程。

（2）已有先進節(jié)水灌溉技術的生態(tài)修復功能挖掘

研究已有先進節(jié)水灌溉技術中水流循環(huán)轉化過程，評估已有先進節(jié)水灌溉技術通過水聯(lián)網集成、規(guī)?；瘧煤蟮墓喔裙?jié)水效果，分析示范區(qū)綜合水效率提升的過程，研究水效率提升過程中的灌溉節(jié)水量及其對于回補地下水、增加灌區(qū)尾閭濕地用水的作用，從節(jié)約農業(yè)耗水、增加生態(tài)可用水量的角度，挖掘灌溉技術的生態(tài)修復功能。

（3）已有先進節(jié)水技術的水聯(lián)網關鍵能力提升

研制低成本土壤墑情傳感器，提高灌溉水聯(lián)網對土壤墑情的感知精度、降低設備成本，實現(xiàn)大范圍農田土壤墑情的連續(xù)觀測，提升已有節(jié)水技術的水聯(lián)網感知能力，為將已有節(jié)水技術嵌入水聯(lián)網體系提供硬件基礎。根據(jù)灌溉規(guī)模、地下水條件和新能源資源特性，提出水泵選型和光伏陣列的最佳匹配模式，研發(fā)出集光伏提水、低壓灌溉和生態(tài)管控一體的第二代牧區(qū)提水補灌系統(tǒng)及成套設備，提升光伏水泵供水均衡度和灌溉均勻度。研究兩相介質的高含沙水流場特性，改進高含沙水測流傳感器的水位、流量、流速、水質、含沙量等參數(shù)的獲取、傳輸和處理技術，提升傳感器測流能力。

（4）多類型節(jié)水灌溉技術西北典型區(qū)規(guī)?；瘧檬痉?/p>

開展低碳提水灌溉技術、精量節(jié)水灌溉技術和水聯(lián)網節(jié)水灌溉在青海高寒草原、甘肅自流灌區(qū)和寧夏揚黃灌區(qū)的規(guī)?；痉丁Ｑ芯壳嗪２襁_木示范區(qū)提水灌溉系統(tǒng)，建設配套光伏提水機井、輸配水管網系統(tǒng)和田間灌溉設施，集成光伏提水+草場微灌的不同灌溉模式，進行牧草增效灌溉，開展不同微灌技術模式下的牧草多指標觀測；在甘肅省河西走廊疏勒河流域，建設2萬畝精量自流灌溉示范區(qū)，在寧夏安裝測灌聯(lián)控一體化閘門30套，控灌2萬畝。

（5）水管理政策工具技術西北典型區(qū)規(guī)?；瘧檬痉?/p>

研究甘肅疏勒河流域水權交易機制，進行自流灌區(qū)水權交易示范，完善水權交易系統(tǒng)。開展寧夏揚黃灌區(qū)水銀行制度體系、運行模式與機理、水權流轉方式與程序、水權交易價格與期限、水銀行與市場監(jiān)管等技術研究，并進行揚黃灌區(qū)水銀行運行示范。研究提出精量節(jié)水灌溉與水權交易聯(lián)合應用、水聯(lián)網節(jié)水灌溉與水銀行制度聯(lián)合應用的水資源效率提升一體化技術，研究水管理政策工具規(guī)模化應用對西北典型區(qū)域節(jié)水工程技術轉化的倒逼和激勵機制。

（6）不同類型節(jié)水技術的聯(lián)合應用技術與適宜性評價

根據(jù)研究區(qū)域特征選取典型節(jié)水灌溉技術，從區(qū)域、流域等角度研究討論不同節(jié)水灌溉技術在不同規(guī)模應用情況下的綜合性能與區(qū)域適宜性。從灌溉技術特性、設備接口以及應用條件等方面，研究不同類型灌溉節(jié)水技術的聯(lián)合應用模式。從能耗、水耗、精度、準度、生態(tài)影響、可控、可靠、經濟、持久等方面，研究節(jié)水灌溉技術聯(lián)合應用適宜性評價方法，建立以低碳化、精量化、生態(tài)化、智能化和經濟性等方面為內容的綜合評價體系，對不同類型節(jié)水灌溉技術及其聯(lián)合應用模式的適宜性進行評價。

（7）節(jié)水灌溉技術規(guī)?；蓱门c安全性評價

研究不同類型節(jié)水灌溉技術集成方法，提出集成技術規(guī)?；痉稇玫募夹g實施方案，通過青海、甘肅、寧夏應用示范過程和效果的跟蹤監(jiān)測分析，研究節(jié)水灌溉技術規(guī)?；蓱玫纳鷳B(tài)影響，評估其安全性。

（8）節(jié)水灌溉與生態(tài)修復互補銜接技術與持續(xù)性評價

研究草原提灌與草原生態(tài)保護的銜接和協(xié)同發(fā)展技術，研究農牧經濟用地向生態(tài)用地的功能轉換模式，提出光伏提水灌溉與牧場生態(tài)修復互補銜接技術。研究水聯(lián)網精量節(jié)水灌溉技術規(guī)劃化應用對于灌區(qū)地下水恢復和尾閭綠洲生態(tài)修復的影響，識別生態(tài)修復的入滲水量、下泄水量及流量需求，研究不同節(jié)水灌溉技術的組合方式、技術應用空間布局和時間規(guī)劃，研究生態(tài)修復與節(jié)水灌溉技術的銜接模式，提出節(jié)水灌溉與生態(tài)修復技術集成提升技術。

該項目技術路線包括：

（1）已有技術集成—交叉示范驗證—安全標準提煉的技術路徑

集成現(xiàn)有的水聯(lián)網、水資源智能調度、節(jié)水灌溉、水權交易和水銀行等技術，分別在青海省海西州牧場、甘肅省河西走廊疏勒河流域典型灌域和寧夏紅寺堡揚黃灌區(qū)典型灌域建設示范區(qū)，將低碳生態(tài)灌溉、精量節(jié)水灌溉、智能節(jié)水灌溉、制度節(jié)水灌溉等技術在不同示范區(qū)進行交叉示范和集成提升，多尺度、多元化地評價其適用性、經濟性和安全性，從而提煉出適宜西北干旱區(qū)不同地域的集低碳、精量、生態(tài)、智能、經濟于一體的精量節(jié)灌安全技術標準體系。

（2）國內獨立研發(fā)—國際技術改造—中外聯(lián)合提升的創(chuàng)新機制

凝結國內目前已有的相關技術，研制低成本土壤墑情傳感器和光伏提灌成套設備，改進高含沙水測流傳感器和揚黃渠道首部樞紐智設備，形成具有獨立知識產權的專利技術設備。引進澳大利亞全渠道閘門控制系統(tǒng)，改進太陽能供電系統(tǒng)、鋁合金材質主體閘門以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等關鍵部件和技術。充分發(fā)揮國內外相關研究領域的技術優(yōu)勢，實現(xiàn)低碳、精量、生態(tài)、智能和經濟的水聯(lián)網節(jié)水灌溉集成技術的聯(lián)合提升，達到國際領先水平。

（3）嵌套式規(guī)?；痉丁a中人員培訓—自我激發(fā)的推廣模式

整合研發(fā)的相關技術和設備，在青海、甘肅、寧夏開展嵌套式規(guī)?；痉丁Ｇ嗪Ｊ≡诤Ｎ髦菽翀鼋ㄔO集光伏提水、低壓灌溉和生態(tài)監(jiān)控于一體的示范區(qū)1萬畝，嵌套低成本墑情傳感器監(jiān)測500畝；甘肅省在疏勒河流域典型灌域建設水權交易示范區(qū)10 萬畝，嵌套灌測聯(lián)控閘門控灌2 萬畝和低成本墑情傳感器監(jiān)測1 000畝；寧夏在紅寺堡揚水灌域建設水銀行示范區(qū)20 萬畝，嵌套灌測聯(lián)控閘門控灌2 萬畝。示范應用中，對當?shù)丶夹g人員、農民群眾等進行全過程跟蹤式技術培訓。充分發(fā)揮出節(jié)水和生態(tài)修復的綜合效益，實現(xiàn)自我激發(fā)的推廣模式。

圖1 項目課題邏輯關系圖