農(nóng)田生態(tài)灌區(qū)建設(shè)和技術(shù)保障研究

安 軍

（梁山縣引黃灌區(qū)事務(wù)中心，山東梁山 272600）

0 引言

目前，全球有28億人生活在缺水地區(qū)，12億人面臨缺水問題。我國也是水資源高度匱乏的國家，多年來地下水位不斷下降，2022年全球極端干旱天氣又導(dǎo)致我國多地河流斷流。而農(nóng)業(yè)又是用水量極大的產(chǎn)業(yè)，在水環(huán)境破壞嚴(yán)重的背景下，迫切需要建立水資源持續(xù)利用的方案。灌區(qū)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的輸血管，對(duì)保障糧食安全，提高生產(chǎn)力水平，推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和維護(hù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)平衡都有著重要的意義。傳統(tǒng)灌區(qū)忽視生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)水文地貌氣候和動(dòng)植物多樣性都產(chǎn)生了巨大的影響。我國國土遼闊，水旱災(zāi)害頻發(fā)，在全球氣候惡化加劇的背景下，極端天氣也嚴(yán)重影響到我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展。這導(dǎo)致發(fā)生旱澇的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性更大，這不僅要求加強(qiáng)灌排功能，更要通過生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)，一方面實(shí)現(xiàn)旱澇保收，另一方面實(shí)現(xiàn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

1 農(nóng)田生態(tài)灌區(qū)建設(shè)的重要意義

通過生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)能夠有效解決我國水資源匱乏、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、地下水下降以及農(nóng)業(yè)缺水事故頻發(fā)的問題。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：一是提升灌區(qū)供水能力。灌區(qū)除了農(nóng)田灌溉，還要向企業(yè)和居民區(qū)供水，在城鄉(xiāng)建設(shè)中地位非常重要。生態(tài)灌區(qū)的工程體系和自然環(huán)境協(xié)調(diào)一致，配套水源工程、水渠管道、配套水工建筑物、田間工程等，提升了水體的凈化功能。和傳統(tǒng)灌區(qū)相比，生態(tài)灌區(qū)更須遵循生態(tài)規(guī)律，能夠合理調(diào)配水資源，充分補(bǔ)給地下水，涵養(yǎng)水源，凈化空氣，提升水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，為周邊居民提供清潔的飲用水。二是更有利于堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先原則，生態(tài)灌區(qū)地理位置優(yōu)越，水資源豐富。其得天獨(dú)厚的條件更有利于充分發(fā)揮環(huán)境和自然優(yōu)勢(shì)，以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，維護(hù)土壤，保護(hù)植被，延緩水土流失，打造節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高效的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)魚類洄游、動(dòng)物棲息的空間，為水生動(dòng)植物創(chuàng)造良好的生活環(huán)境。比如在荒漠地區(qū)，灌區(qū)能夠擴(kuò)大綠洲的面積，還能向生態(tài)惡化地區(qū)輸水，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善。三是有利于最大程度上節(jié)約水資源，持續(xù)建立節(jié)水意識(shí)，提升節(jié)水能力，發(fā)展節(jié)水工藝。在減少農(nóng)業(yè)取水量的前提下，還能夠?qū)崿F(xiàn)糧食增產(chǎn)，遏制灌區(qū)“病險(xiǎn)”，解決抗旱能力低的問題。傳統(tǒng)灌區(qū)強(qiáng)調(diào)多引水、多澆地，節(jié)水意識(shí)不足，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。比如很多地區(qū)多采用大量建設(shè)溝渠的引水方式，蒸發(fā)量大，水資源利用可持續(xù)性差。生態(tài)灌區(qū)可以建立持續(xù)節(jié)水能力，相同灌水量下，流程可以增加2倍以上。四是實(shí)現(xiàn)源頭治理，將灌區(qū)的污染物輸出降到最低，提高污水循環(huán)利用水平。傳統(tǒng)灌區(qū)雜物和污染物較多，采用管道引水等容易造成堵塞，通過加強(qiáng)源頭治理可以有效改變這一現(xiàn)象，更有利于管網(wǎng)鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。更有利于應(yīng)用水動(dòng)力凈污原理和領(lǐng)先的生物防控技術(shù)，在水體流動(dòng)過程中逐步稀釋污染物。五是灌區(qū)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。水旱災(zāi)害是制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素，有效的灌排設(shè)施是旱澇保收的根本保證，我國灌區(qū)占耕地總面積的40%以上，產(chǎn)量超過全國的1/3，提高生態(tài)灌區(qū)建設(shè)的質(zhì)量，對(duì)保障糧食安全意義重大。生態(tài)灌區(qū)也為農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境，是高效農(nóng)業(yè)和出口創(chuàng)匯的優(yōu)質(zhì)區(qū)域。

2 傳統(tǒng)灌區(qū)建設(shè)存在的問題

2.1 先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用水平有待提高

我國耕地灌溉率極高，一度超過世界平均水平的3倍。大型灌區(qū)多達(dá)456處，中型灌區(qū)7 300多處，小型灌區(qū)200多萬處，大中型灌區(qū)畝產(chǎn)能高于全國平均水平50%。目前，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)比新中國成立初期提升了將近1倍，但是和以色列高達(dá)95%的灌溉利用率還有一定的差距。在循環(huán)水利用方面效率較低，尤其是在一些經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)，先進(jìn)灌溉技術(shù)應(yīng)用較少。在輸水方面，大部分地區(qū)仍然以溝渠為主，自動(dòng)化程度低，低壓管道少。滴灌系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)仍需攻關(guān)，比如噴頭堵塞，設(shè)備昂貴等。智能化程度較低，信息化控制、自動(dòng)化應(yīng)用、田間監(jiān)測(cè)和大數(shù)據(jù)分析能力不足。

2.2 硬質(zhì)化人工技術(shù)造成生態(tài)退化

傳統(tǒng)灌區(qū)以攔蓄水工作為重中之重，一般將傳統(tǒng)河流通過人工方式改造成直線和折線渠道，比如將河道橫斷面改造成規(guī)則幾何圖形，使用混凝土和硬石等材料堆砌河床和邊坡，通過修建大壩和人工湖等方式讓河水流動(dòng)非連續(xù)化，這使得水流動(dòng)環(huán)境都發(fā)生了巨大的改變。我國是世界上水壩建設(shè)最多的國家，盡管水壩建設(shè)大大地提升了供水能力，但是也改變了傳統(tǒng)水系的自然生態(tài)和結(jié)構(gòu)。河道上下游水位狀態(tài)變化非常顯著，河道加寬會(huì)降低水深，斷面形狀會(huì)造成流速單一化，河床坡降會(huì)改變泥沙輸送量和形態(tài)，影響動(dòng)植物棲息地。溝渠河網(wǎng)的順直化會(huì)造成上游河床坡降變陡，泥沙裹挾增多，河勢(shì)不穩(wěn)。硬質(zhì)化河道雖然加強(qiáng)了防洪功能，但是也影響了河流的生態(tài)功能，對(duì)生態(tài)平衡有一定的破壞。

2.3 水資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重

原本我國工業(yè)用水重復(fù)利用率低，灌區(qū)的過度用水又造成了工程性缺水，并且嚴(yán)重?cái)D壓了生態(tài)用水量。過量飲水造成了河床抬高，河道退化，降低了水體凈化和水源涵養(yǎng)能力，嚴(yán)重時(shí)河流斷流、湖泊萎縮、濕地干涸、土地沙化。我國農(nóng)業(yè)用水過度開發(fā)利用的現(xiàn)象也較為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)用水消耗量巨大，尤其在旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水占總用水量的90%以上，比灌溉發(fā)達(dá)國家低0.7 kg/m3左右，水土資源生產(chǎn)效率仍然需要提升。我國渠道80%左右是土質(zhì)，配水系統(tǒng)的節(jié)水改造較差、渠道防滲率低、水質(zhì)含沙量大，泄漏率將近50%，降低系統(tǒng)節(jié)水使用的效率。很多灌區(qū)采用大水漫灌的方式，技術(shù)改造步伐較慢、灌溉系數(shù)低。在加壓灌溉模式下，能耗較高，耗電量較大，能源浪費(fèi)較為嚴(yán)重。

2.4 農(nóng)業(yè)生態(tài)污染現(xiàn)象嚴(yán)峻

由于水肥利用率低，農(nóng)藥化肥的大量使用，使灌區(qū)水體污染加劇，傳統(tǒng)粗放型施用方式讓大部分農(nóng)藥化肥進(jìn)入到土壤、水體中，并且逐漸從農(nóng)田水向河流水、地下水和海水轉(zhuǎn)移。很多地區(qū)土壤鹽堿化嚴(yán)重，比如在新疆地區(qū)1/3的土地存在鹽堿化的狀況，在節(jié)水灌溉下，對(duì)鹽堿地改良造成了一定的挑戰(zhàn)。此外，土壤重金屬富集也是一個(gè)較為嚴(yán)重的問題，造成生態(tài)惡化、農(nóng)業(yè)面源污染和食品安全等一系列問題。農(nóng)業(yè)用水超過區(qū)域承載能力，也引發(fā)了生態(tài)環(huán)境問題，造成土地肥力下降，區(qū)域污染嚴(yán)重。

3 農(nóng)田生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)優(yōu)化和技術(shù)保障措施

3.1 農(nóng)田生態(tài)灌區(qū)的優(yōu)化建設(shè)

一是做好功能優(yōu)化，合理規(guī)劃山、水、林、田、湖的生態(tài)功能，優(yōu)化景觀要素，系統(tǒng)解析蓄、輸、配水，防風(fēng)固土，環(huán)境保護(hù)和農(nóng)田生產(chǎn)等功能定位。二是結(jié)合本地灌溉區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行土地資源優(yōu)化，將農(nóng)田防護(hù)林用地規(guī)模控制在5%左右。在大型渠道岸邊設(shè)置環(huán)境保護(hù)區(qū)，隔離污染物。三是對(duì)有鹽堿威脅的區(qū)域，要通過定量分析的方法，通過循環(huán)排水處理等方式促進(jìn)其轉(zhuǎn)移?？刹捎霉嗯欧謪^(qū)調(diào)控模式對(duì)土壤水鹽進(jìn)行調(diào)控，延緩?fù)寥婪e鹽過程。四是對(duì)水資源進(jìn)行優(yōu)化配置，通過綜合水網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)水、土、生、環(huán)的協(xié)調(diào)，形成高效輸配、節(jié)能降耗、節(jié)水增效的灌排系統(tǒng)。比如采用高位水源調(diào)節(jié)，長(zhǎng)距離管道輸水，自壓節(jié)水灌溉等技術(shù)進(jìn)行處理。五是灌區(qū)骨干河道多采用草皮、樹木、水生植物、進(jìn)行護(hù)坡，在人工濕地將砂石、土壤和挺水植物、灌木分層次種植，更好地吸附污染物，提升凈化能力。

3.2 灌區(qū)控污技術(shù)措施

從源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染排放，使用先進(jìn)植保機(jī)械，嚴(yán)格控制農(nóng)藥化肥的使用量。應(yīng)用疏浚技術(shù)，挖出河道中污染物含量較高的底泥，既能降低河床高度，還能夠?qū)崿F(xiàn)資源化利用。對(duì)生活污水采用生物膜技術(shù)和人工濕地技術(shù)進(jìn)行集中處理，在清潔能源驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，并且充分利用水池、水塘、灘地等結(jié)構(gòu)形成人工濕地。除了對(duì)養(yǎng)殖污水進(jìn)行處理，還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)沼氣、沼液、沼渣的資源化利用。灌區(qū)農(nóng)田要?jiǎng)?chuàng)造綠色生態(tài)的農(nóng)耕環(huán)境，交通道路可采用透水材料鋪設(shè)，居民區(qū)設(shè)置排水系統(tǒng)和垃圾污水。

3.3 灌排渠系生技術(shù)措施

傳統(tǒng)人工景觀的硬質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)造成污染物質(zhì)更容易進(jìn)入水體，影響了污染物的凈化。過度依賴人工景觀還會(huì)造成珍貴植物消失、水體富營養(yǎng)化、生物多樣性喪失、灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化。因此河道盡量采用原生態(tài)設(shè)計(jì)，增加其曲折性和連續(xù)性，減少硬質(zhì)化結(jié)構(gòu)?？稍O(shè)置多級(jí)人工落差，以橡膠壩控制生態(tài)流量、水位和水量，溝渠河道中采用生物填料提升非點(diǎn)源污染的凈化能力。建設(shè)丁壩、挑流壩，形成多樣的河道和水邊環(huán)境，保護(hù)生物多樣性。對(duì)灌排渠系進(jìn)行優(yōu)化，在長(zhǎng)溝中分次灌水，改連續(xù)灌為波涌灌，通過加快水的流速，減少流水頻率，減少輸水過程的滲漏。設(shè)計(jì)多級(jí)人工落差、減緩坡降、保護(hù)河床，可提升魚類的洄游，提升水體自凈能力?？梢酝ㄟ^壤質(zhì)土地中擴(kuò)大流程，其節(jié)水量能超過30%，也能夠降低沖刷力。可采用網(wǎng)墊植被復(fù)合型技術(shù)等方法護(hù)坡，其柔韌性強(qiáng)，能夠有效應(yīng)對(duì)洪水沖擊和拉扯。

3.4 提升水體自凈能力

一是利用水生動(dòng)植物的凈化功能。比如蘆葦、香蒲等挺水植物，睡蓮、荇菜等浮葉植物，鳳眼蓮、浮萍等漂浮植物，狐尾藻、金魚藻等沉水植物。其凈化原理主要如下：通過水生植物的物理作用降低水流速度，去除懸浮固體沉淀，為人工濕地土壤提供隔熱層。通過植物的吸附作用吸收廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)，分解有生物等污染物，同時(shí)吸附水中的重金屬離子和含酚有機(jī)物。通過水生動(dòng)物和微生物的分解作用凈化污水，細(xì)菌和真菌攝取污染物，再被原生動(dòng)物所吞食，無機(jī)物被水生植物吸收，進(jìn)入到魚類的食物鏈。二是采用生物填料技術(shù)，使用鵝卵石等天然材料或者綠色纖維等人工合成材料，在聚集生長(zhǎng)中形成生物膜，接觸面積可擴(kuò)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，以細(xì)菌為生物源，在表面形成生物膜，實(shí)現(xiàn)凈化的目的。三是使用生物浮島技術(shù)，如使用質(zhì)量輕、抗腐蝕性強(qiáng)的發(fā)泡聚苯乙烯，島上種植植物形成凈化系統(tǒng)。四是生物沉床技術(shù)，將沉水植物種植在沉床上，對(duì)富營養(yǎng)水體進(jìn)行凈化。

3.5 提升灌區(qū)技術(shù)貢獻(xiàn)率

不斷加大科技創(chuàng)新力度，灌區(qū)大力推廣水肥一體化滴灌技術(shù)，重點(diǎn)解決堵漏等問題，配合低壓管網(wǎng)等設(shè)施，提升節(jié)水效率。應(yīng)用大數(shù)據(jù)、衛(wèi)星觀測(cè)和機(jī)器人監(jiān)測(cè)等技術(shù)，深入研究水體凈化和灌區(qū)水文規(guī)律，為科學(xué)制定生態(tài)灌區(qū)設(shè)施配套方案提供科學(xué)依據(jù)。使用智能化設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田墑情信息，做好數(shù)據(jù)采集和分析，以更好地輔助灌溉決策，實(shí)現(xiàn)水量調(diào)節(jié)。對(duì)渠、水、林、田、路全面監(jiān)控，分析水、肥、氣、熱、鹽、生、光、藥對(duì)作物生長(zhǎng)的脅迫，通過精準(zhǔn)灌溉實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)。同時(shí)對(duì)農(nóng)田小氣候進(jìn)行調(diào)控，如采用冠層遮光技術(shù)、作物間套作技術(shù)、土壤環(huán)境調(diào)控技術(shù)、地下水環(huán)境調(diào)控技術(shù)等。

4 結(jié)語

灌區(qū)承擔(dān)了我國大部分糧食和經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)，加之我國人口多、耕地少、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、水資源短缺、災(zāi)害頻發(fā)。因此在加強(qiáng)生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)、不斷優(yōu)化技術(shù)措施、減少大水漫灌、節(jié)約農(nóng)業(yè)用水量、提高水資源利用率，是未來工作的重點(diǎn)。