王 超，王沛芳，侯 俊，錢 進(jìn)，饒 磊，敖燕輝

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098；3.河海大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇常州 213022)

生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)的主要內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

王 超1，2，王沛芳1，2，侯 俊1，2，錢 進(jìn)1，2，饒 磊3，敖燕輝1，2

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098；3.河海大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇常州 213022)

針對傳統(tǒng)灌區(qū)建設(shè)中存在的重工程和經(jīng)濟(jì)效益、輕生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象,以及由此造成灌區(qū)面源污染嚴(yán)重、水生態(tài)環(huán)境惡化的問題,在總結(jié)分析國內(nèi)外灌區(qū)理論研究和建設(shè)實踐的基礎(chǔ)上,提出生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)的建設(shè)思路、構(gòu)建模式和技術(shù)體系,旨在為我國灌區(qū)節(jié)水、減污、綠色、生態(tài)、智能的科學(xué)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)借鑒。

灌區(qū)建設(shè)；生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)；灌區(qū)技術(shù)體系；研究進(jìn)展

灌區(qū)是我國糧食安全的基礎(chǔ)保障,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要基地,區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐,生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基本依托。截至2011年年末,全國共有灌溉面積6680萬hm2,其中建成了456處大型灌區(qū)、7316處中型灌區(qū)。我國2013年末農(nóng)田有效灌溉面積6346.67萬hm2,生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)的75%,經(jīng)濟(jì)作物占90%,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位[1]。而我國以往的灌區(qū)建設(shè)由于受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、資源等條件的限制,存在著重工程建設(shè)和經(jīng)濟(jì)效益、輕灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的傾向,引起灌區(qū)面源污染嚴(yán)重,水環(huán)境惡化,可利用水資源減少與生態(tài)用水無法保障,地下水超采與地下水水位下降,土壤復(fù)合污染與次生鹽漬化,生物多樣性下降與生態(tài)群落退化等問題,極大地影響了灌區(qū)功能的發(fā)揮,灌區(qū)成為江河湖庫的主要污染來源。全國用水總量約60%用于農(nóng)田灌溉,據(jù)《第一次全國污染源普查公報》[2],農(nóng)業(yè)污染源COD、TP、TN排放量分別占全國排放總量的44%,38%和59%,農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為我國流域性水體污染的重要來源。

生態(tài)型灌區(qū)是灌區(qū)發(fā)展過程中,是解決灌區(qū)水生態(tài)環(huán)境安全和資源節(jié)約、農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的重要途徑。水利部農(nóng)水司姜開鵬副司長[3]在2004年就運用生態(tài)文明的觀點對灌區(qū)進(jìn)行了剖析,提出了建設(shè)生態(tài)灌區(qū)的任務(wù)和內(nèi)容。2005年顧斌杰[4]提出了生態(tài)型灌區(qū)的概念,并對其構(gòu)建原理、建設(shè)技術(shù)進(jìn)行了研究。隨后,關(guān)于灌區(qū)生態(tài)建設(shè)的概念內(nèi)涵、研究內(nèi)容、建設(shè)理論、關(guān)鍵技術(shù)等方面的研究備受關(guān)注[5-8]。然而,灌區(qū)是一個人類活動自然資源物質(zhì)生產(chǎn)高度集中的生態(tài)系統(tǒng),在自然資源特別是水資源有限以及強(qiáng)人類活動干擾下,如何實現(xiàn)灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展、資源節(jié)約與排水綠色,仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實踐。

筆者在總結(jié)分析傳統(tǒng)灌區(qū)建設(shè)特點及現(xiàn)代灌區(qū)生態(tài)建設(shè)經(jīng)驗和生態(tài)灌區(qū)建設(shè)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,提出生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)的建設(shè)思路、構(gòu)建模式和技術(shù)體系,旨在為當(dāng)前灌區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)和灌區(qū)節(jié)水減污提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 傳統(tǒng)灌區(qū)建設(shè)特點與存在的問題

我國大部分灌區(qū)是在中華人民共和國成立后建成的。20世紀(jì)50—60年代以建設(shè)新灌區(qū)、改建和擴(kuò)建舊灌區(qū)為主,20世紀(jì)70年代著重農(nóng)田水利配套工程建設(shè),全國有效灌溉面積大幅增加,糧食產(chǎn)量顯著提高。隨著水資源緊缺的矛盾日益顯著,我國大型灌區(qū)從2000年開始陸續(xù)進(jìn)行續(xù)建配套與節(jié)水改造工作,灌溉面積萎縮和灌溉效益衰竭的趨勢得到了初步遏制。2005年水利部組織對大型灌區(qū)節(jié)水改造項目進(jìn)行中期評估,灌溉水利用系數(shù)由0.425提高到0.499,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增幅達(dá)46.1%,灌區(qū)信息化試點工作也取得初步成效,灌區(qū)管理水平顯著提高。自20世紀(jì)90年代以來,隨著全國生態(tài)農(nóng)業(yè)縣和生態(tài)示范區(qū)建設(shè)試點工作的開展和深入,生態(tài)灌區(qū)的研究成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的熱點領(lǐng)域之一,灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康逐漸成為倍受人們關(guān)注的熱點問題,國內(nèi)外對灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受損機(jī)理及修復(fù)措施進(jìn)行了探討,以生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo),使灌區(qū)生態(tài)與水土資源開發(fā)利用、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展走向相協(xié)調(diào)。國家“十一五”和“十二五”規(guī)劃進(jìn)一步明確加大灌區(qū)改造力度,并強(qiáng)調(diào)以科學(xué)的發(fā)展觀和新的治水思路為指導(dǎo),調(diào)整灌區(qū)建設(shè)的發(fā)展理念,探索以灌區(qū)生產(chǎn)力和生態(tài)環(huán)境并重為核心的灌區(qū)建設(shè)新模式。

我國灌區(qū)建設(shè)中存在的突出問題主要包括以下幾個方面。

a.灌溉渠道問題。當(dāng)前,我國灌溉渠道總長約450萬km,其中約5/6為土質(zhì)渠道,土質(zhì)渠道生態(tài)性與凈污性較好,但難以滿足高效灌溉輸水需求。①渠系水利用系數(shù)約0.52(我國最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”之一要求農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)達(dá)到0.60),滲漏損失嚴(yán)重,48%寶貴的灌溉水資源在輸水過程中損失。①渠道沖刷、淤積及坍塌嚴(yán)重,輸水安全難以保證。③渠道內(nèi)容易雜草叢生,影響輸水,增加管理費用。渠道襯砌防滲是保障農(nóng)田灌溉水高效利用和輸水安全的必要措施。

b.渠道襯砌與防滲工程的問題。在灌區(qū)的發(fā)展中,為減輕渠道滲漏、強(qiáng)化邊坡穩(wěn)定、控制地下水水位,實施了渠道全襯的“三面光”及邊坡防護(hù)的硬質(zhì)化工程,有效提高了灌區(qū)渠道的輸水能力,但傳統(tǒng)灌區(qū)產(chǎn)生了渠道襯砌與防滲工程的典型問題:①硬質(zhì)襯砌使水生植物無法生長,生物棲息環(huán)境喪失,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭到破壞。①渠道水體自凈能力下降,面源污染物通過襯砌護(hù)坡很容易進(jìn)入水體,進(jìn)一步加重了水體的污染負(fù)荷。如何保證高效灌溉和邊坡穩(wěn)定的同時,滿足生態(tài)功能成為渠道構(gòu)建難點。③襯砌渠道對地表水和地下水的交換、周圍的氣候環(huán)境等有顯著的負(fù)面影響。

c.農(nóng)田排水面源污染問題。排除農(nóng)田里多余的地表水和地下水,控制地表徑流以消除內(nèi)澇,控制地下水水位以防治漬害和土壤沼澤化、鹽堿化,為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造良好條件,是農(nóng)田排水的根本任務(wù)。然而,目前排水溝多為“三面光”和硬質(zhì)化襯砌,很少考慮排水對環(huán)境的影響和雨水資源的有效利用,地表徑流和地下排水(淋溶)流失進(jìn)入環(huán)境水體是稻田氮磷污染的主要途徑。如何在保證農(nóng)業(yè)排水要求下減少氮磷流失,成為解決農(nóng)田排水面源污染問題的關(guān)鍵。

2 生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)的內(nèi)涵

生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)是傳統(tǒng)灌區(qū)的繼承和發(fā)展,與傳統(tǒng)灌區(qū)相比,生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)的基本特點是,既擁有較高的生產(chǎn)力,又能實現(xiàn)與水資源和灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,具體表現(xiàn)為現(xiàn)代性、發(fā)展性和協(xié)調(diào)性3大特點?，F(xiàn)代性是指用現(xiàn)代社會理念和先進(jìn)科技成果指導(dǎo)灌區(qū)建設(shè),灌區(qū)技術(shù)裝備凝聚著社會進(jìn)步的新成果；發(fā)展性是指生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)的要求不是一成不變,而是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷變化和發(fā)展；協(xié)調(diào)性就是要求灌區(qū)不僅要提高和鞏固生產(chǎn)力,而且要處理好與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系,二者緊密結(jié)合,協(xié)調(diào)發(fā)展。生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)的協(xié)調(diào)性是灌區(qū)發(fā)展和實現(xiàn)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。

生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)是指灌區(qū)渠系工程布局合理、水資源開發(fā)利用高效,水植物土壤生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)環(huán)境優(yōu)美,農(nóng)副業(yè)生產(chǎn)效益顯著、產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良,灌區(qū)建設(shè)與流域生態(tài)環(huán)境發(fā)展相協(xié)調(diào),是“自然社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)”可持續(xù)和諧發(fā)展的灌區(qū)[4]。

3 生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)的主要研究內(nèi)容

當(dāng)前生態(tài)灌區(qū)建設(shè)中技術(shù)創(chuàng)新的重點是灌區(qū)溝渠系統(tǒng)的生態(tài)化。大量的研究和探索工作集中于灌區(qū)溝渠生態(tài)護(hù)岸建設(shè)[9-12]、灌區(qū)護(hù)岸生態(tài)材料選擇[13-15]等方面,目標(biāo)是建設(shè)有利于護(hù)岸凈污和生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的溝渠系統(tǒng)。節(jié)水技術(shù)也是灌區(qū)建設(shè)的重要工作和研發(fā)任務(wù)。學(xué)者們主要從灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、灌溉方式、施肥方法等方面進(jìn)行了大量研究[16-20],這些研究對節(jié)水減污起到了重要作用。另外,灌區(qū)的自動化建設(shè)與信息化逐漸受到重視,部分灌區(qū)進(jìn)行了自動化控制設(shè)計,實現(xiàn)了干渠的水量控制[21]。目前在國際上,美國、日本、丹麥等國家已經(jīng)構(gòu)建成熟的灌區(qū)規(guī)劃管理體系,實現(xiàn)了水量控制、水質(zhì)監(jiān)控、節(jié)約用水、內(nèi)部循環(huán)等生態(tài)化、信息化、現(xiàn)代化的生態(tài)灌區(qū)建設(shè)模式[22]。我國當(dāng)前的研究和建設(shè)工作大多集中在生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)的某些方面,對生態(tài)溝渠建設(shè)技術(shù)的研究和應(yīng)用還不夠系統(tǒng),大量工作還停留在技術(shù)創(chuàng)新的理念上,距離應(yīng)用還有一定距離。我國的灌區(qū)節(jié)水研究不能僅僅停留在灌溉層面,尚需對灌區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃,以實現(xiàn)節(jié)水減排和再生水循環(huán)利用。同時,亟須對大量灌區(qū)產(chǎn)生的廢棄物(秸稈)等進(jìn)行低耗能、廣適性技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用,最終實現(xiàn)灌區(qū)的生態(tài)建設(shè)目標(biāo),達(dá)到資源、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的和諧統(tǒng)一。

3.1 生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)規(guī)劃方法與生態(tài)建設(shè)模式

針對灌區(qū)總體布局灌排水系堵塞不暢、規(guī)劃生態(tài)觀念薄弱、溝渠硬質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重、洼陷濕地布局不合理、系統(tǒng)凈污和調(diào)蓄水能力下降等突出問題,應(yīng)重點開展以下研究:①基于生態(tài)學(xué)原理的灌區(qū)規(guī)劃與生態(tài)建設(shè)模式；①生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)灌排系統(tǒng)和濕地布局規(guī)劃方法；③灌區(qū)生態(tài)環(huán)保型農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)與調(diào)整規(guī)劃方法。目標(biāo)是實現(xiàn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局和生態(tài)環(huán)境的合理規(guī)劃,灌區(qū)灌排系統(tǒng)暢通和濕地布局合理,生態(tài)建設(shè)模式先進(jìn),良性發(fā)展。

3.2 灌區(qū)生態(tài)環(huán)境需水與水資源高效優(yōu)化配置

針對灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水、生活用水、工業(yè)用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境用水,水資源配置不合理,灌區(qū)生態(tài)環(huán)境用水得不到保障,灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化等問題,要開展的研究有:灌區(qū)生態(tài)環(huán)境需水與水資源綜合配置理論,維持灌區(qū)生態(tài)水量的控制方法和工程措施,灌區(qū)農(nóng)田退水循環(huán)利用技術(shù)和系統(tǒng)控制,灌區(qū)水資源綜合管理模型的研發(fā)及其應(yīng)用,不同類型灌區(qū)水量控制方法和工程措施,水資源高效利用和農(nóng)田退水循環(huán)利用的原則、準(zhǔn)則、指標(biāo)、方法、技術(shù)及其政策措施。

3.3 灌區(qū)溝渠和濕地生態(tài)化建設(shè)

針對溝渠順直化、單一化、硬質(zhì)化引起的面源污染截留能力減弱、基底生境退化、水生生物消失和生物多樣性下降等突出問題,要開展以下工程技術(shù)研究:灌區(qū)溝渠縱橫形態(tài)與斷面形式生態(tài)化技術(shù),溝渠生態(tài)護(hù)坡與基底生態(tài)修復(fù)技術(shù),溝渠退水水質(zhì)強(qiáng)化凈化生物裝置技術(shù),灌區(qū)濕地系統(tǒng)構(gòu)建和水質(zhì)凈化技術(shù)。目的是既實現(xiàn)“邊坡生態(tài)化、面源截留凈化、溝渠綠色化”,又確保溝渠“輸水高效、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工便捷、管理簡單和投資節(jié)省”。

3.4 灌區(qū)污染物截留凈化與資源化高效利用

針對農(nóng)田退水、養(yǎng)殖廢水、田間秸稈塑料、村莊生活污水和垃圾等引起灌區(qū)污染的突出問題,要開展以下核心技術(shù)研究:灌區(qū)村鎮(zhèn)地表徑流攔蓄與資源化利用技術(shù),灌區(qū)農(nóng)田排水生態(tài)攔截與養(yǎng)分再利用技術(shù),灌區(qū)農(nóng)田廢棄物(特別是秸稈)處置與資源化技術(shù),灌區(qū)村莊生活污水和垃圾處理與資源化技術(shù),畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污水和垃圾處理與資源化技術(shù)。采用灌區(qū)污染物有效截留凈化、秸稈資源化高效利用系列技術(shù),在治理灌區(qū)污染的同時,可實現(xiàn)灌區(qū)潛在資源的高效開發(fā)和利用。

3.5 灌區(qū)水肥精準(zhǔn)灌溉與水量水質(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng)

以灌區(qū)作物生長、化肥施用、農(nóng)田排水、水體污染為重點,開展灌區(qū)水肥精準(zhǔn)灌溉的計量與水量水質(zhì)自動監(jiān)控技術(shù)的研究,這些研究包括:灌區(qū)水肥精準(zhǔn)灌溉的計量裝置與自動化控制技術(shù),灌區(qū)土壤水分、作物生長信息監(jiān)測與水肥精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng),灌區(qū)田間水分長期監(jiān)測和反饋調(diào)控系統(tǒng),各級灌溉渠道水量、水位和農(nóng)田排水量、水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。目的是形成不同類型灌區(qū)水肥精準(zhǔn)灌溉與水量水質(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對灌區(qū)水肥、污染物“智能、節(jié)約、生態(tài)、高效”自動化管理。

4 生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)的技術(shù)思路與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 技術(shù)思路

生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)應(yīng)該在流域的層面上,以綜合治理為指導(dǎo)方針,以水肥高效利用與面源污染物協(xié)同控制為理念,以灌區(qū)渠道、排水溝、水塘、濕地和村鎮(zhèn)居民生活污水為對象,以面源污染物削減、生態(tài)攔截與溝道修復(fù)為重點,以節(jié)水為關(guān)鍵,以生態(tài)改善為目的,實現(xiàn)灌區(qū)“節(jié)水、減源、截留、生態(tài)”的總體目標(biāo)。

在生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)技術(shù)體系中,應(yīng)遵照總體設(shè)計思路,以灌區(qū)各類污染源控制技術(shù)研發(fā)為重點,通過溝渠系統(tǒng)的生態(tài)工程建設(shè)和污染物強(qiáng)化凈化及生態(tài)截留技術(shù)的創(chuàng)新,實現(xiàn)對灌區(qū)氮磷、農(nóng)藥、重金屬等污染物的有效截留,同時,在灌區(qū)中因地制宜地構(gòu)建洼陷生態(tài)濕地系統(tǒng),對灌區(qū)溝道排放出的污染物進(jìn)行強(qiáng)化凈化,實現(xiàn)灌區(qū)水資源和肥料農(nóng)藥的循環(huán)利用,并通過灌區(qū)灌溉排水信息化、智能化管理,形成生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)的最佳管理模式。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

針對傳統(tǒng)灌區(qū)存在的突出問題,圍繞生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)內(nèi)容,筆者認(rèn)為,灌區(qū)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)包括灌區(qū)生態(tài)規(guī)劃方法與生態(tài)建設(shè)模式、灌區(qū)生態(tài)環(huán)境需水與水資源高效優(yōu)化配置、灌區(qū)溝渠生態(tài)化建設(shè)、灌區(qū)污染物資源化處置與高效利用、灌區(qū)生態(tài)環(huán)境信息自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)等5個方面。本文就當(dāng)前最受關(guān)注的溝渠系統(tǒng)生態(tài)化建設(shè)和修復(fù)技術(shù)、污染物強(qiáng)化凈化技術(shù)和截留技術(shù)、洼陷濕地系統(tǒng)與退水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)、灌區(qū)水肥精準(zhǔn)灌溉和水量水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)等4個方面進(jìn)行重點分析,闡述生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)的主要問題及關(guān)鍵技術(shù)難點,旨在為灌區(qū)節(jié)水、控源、高產(chǎn)、生態(tài)的良好愿景提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

4.2.1 灌區(qū)溝渠系統(tǒng)生態(tài)化建設(shè)和修復(fù)技術(shù)

灌區(qū)溝渠系統(tǒng)的生態(tài)化建設(shè)是國內(nèi)外灌區(qū)建設(shè)者及學(xué)者非常重視的熱點問題[23-25]。本文針對灌區(qū)輸水渠道“三面光”全襯砌導(dǎo)致生物棲息地破壞和水陸生物通道阻隔的突出問題,提出采用防滲型護(hù)岸砌塊、水陸動物聯(lián)通帶等系列生態(tài)工程建設(shè)技術(shù),通過混凝土材料改性、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化、植物組合配置等方法,實現(xiàn)渠道輸水效率的提高和生物生境條件的改善。對已經(jīng)建成的混凝土全襯砌渠道,采用現(xiàn)場修復(fù)改造防滲性生態(tài)槽、生物逃逸通道等核心技術(shù)。針對灌區(qū)排水溝道邊坡硬質(zhì)化防護(hù)導(dǎo)致凈污能力下降和生物棲息環(huán)境破壞的突出問題,通過構(gòu)建生態(tài)排水溝道,運用生態(tài)凈污砌塊、溝道水生植物、生物凈化器,實現(xiàn)對農(nóng)田排水氮磷的生態(tài)攔截；在生態(tài)排水溝中設(shè)置便攜式水質(zhì)凈化器、復(fù)合人工濕地凈化箱等,充分利用微生物凈污介質(zhì)耦合微生物作用增強(qiáng)溝系凈污能力,使溝系不僅具有顯著凈污效應(yīng)和生態(tài)功能,而且不影響排水功能的發(fā)揮。同時,針對順直化排水溝對農(nóng)田排水持留時間不足和面源凈污能力有限的突出問題,開發(fā)排水溝帶狀濕地、梯級平底濕地,實現(xiàn)排水間歇期水體滯留和濕地原位凈化,并根據(jù)排水面積、排水量和污染負(fù)荷調(diào)節(jié)濕地面積和植物種植密度,對灌區(qū)面源污染進(jìn)行有效凈化。借助植生凈水石籠、水生植物、柳捆、凈水小溪等,構(gòu)建縱向蜿蜒的結(jié)構(gòu)形態(tài),增加排水停留時間,增強(qiáng)面源凈化能力,改善水環(huán)境質(zhì)量,營造適宜生物棲息環(huán)境,形成生物多樣的健康溝渠。

4.2.2 灌區(qū)污染物源頭控制和截留凈化技術(shù)

針對灌區(qū)面源污染物類型多、來源廣、成分復(fù)雜等突出問題,按照“因地制宜、高技術(shù)、低建設(shè)與運行成本、低維護(hù)、資源化利用”的原則,開發(fā)適合灌區(qū)農(nóng)田退水、農(nóng)村生活污水、農(nóng)村生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、村鎮(zhèn)地表徑流等不同類型污染物的源頭控制和截留凈化整裝成套的創(chuàng)新技術(shù)體系,實現(xiàn)灌區(qū)污染物控制技術(shù)在高效、節(jié)能、節(jié)地方面的重要突破。利用置于田埂的水稻田退水水質(zhì)凈化裝置[26],攔截退水中氮磷物質(zhì),利用活性炭吸附水中重金屬、殘留的農(nóng)藥等有害物質(zhì),實現(xiàn)水質(zhì)凈化裝置結(jié)合退水排放過程中形成的生態(tài)型排水方式,在不改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局的前提下實現(xiàn)水質(zhì)凈化、排水通暢。針對灌區(qū)生活污水的處理凈化問題,在傳統(tǒng)污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用生活污水復(fù)合滲濾強(qiáng)化凈化系統(tǒng),因地制宜,利用岸坡大小坡度設(shè)置厭氧發(fā)酵池、厭氧濾床槽、反應(yīng)槽、接觸曝氣槽、生物濾料池及滲濾墻等污水凈化單元,借助活性炭、零價鐵和微生物的協(xié)同強(qiáng)化作用,實現(xiàn)對灌區(qū)面源污水的強(qiáng)化、凈化[27-28]。

4.2.3 灌區(qū)洼陷濕地系統(tǒng)的構(gòu)建與農(nóng)田退水的循環(huán)利用技術(shù)

灌區(qū)農(nóng)田退水濕地凈化與循環(huán)利用技術(shù)是灌區(qū)技術(shù)體系的重要組成部分。人們開始重視農(nóng)田區(qū)域洼陷結(jié)構(gòu)的利用和重構(gòu),以實現(xiàn)對灌區(qū)排水污染物的進(jìn)一步截留凈化[29-34]。通過長期研究和工程實踐,筆者研究團(tuán)隊從節(jié)水高效控污的灌排系統(tǒng)的設(shè)計與工程形式方面進(jìn)行技術(shù)開發(fā)與集成創(chuàng)新,提出了適合灌區(qū)不同灌排系統(tǒng)格局的洼陷濕地系統(tǒng)與農(nóng)田退水循環(huán)利用技術(shù)體系[35-36],實現(xiàn)灌區(qū)水肥的高效利用和節(jié)約。研發(fā)灌排耦合水循環(huán)利用節(jié)水減污技術(shù),利用循環(huán)調(diào)節(jié)濕地,對灌區(qū)田間排水進(jìn)行凈化減污,減小農(nóng)田面源污染物外排對河流和湖泊造成的影響,處理后的水體通過灌排耦合系統(tǒng)回用灌區(qū),提高了灌區(qū)水肥利用效率。依據(jù)地勢特征因地制宜地構(gòu)建灌排功能相結(jié)合的生態(tài)凈污系統(tǒng)或自灌自排生態(tài)型灌區(qū)系統(tǒng),達(dá)到自灌自排和水資源高效循環(huán)利用的目的,并通過多級階梯形生物強(qiáng)化人工濕地的凈污作用,有效控制灌區(qū)排水面源污染物[37]。同時利用灌區(qū)內(nèi)水塘、斷頭浜等洼陷結(jié)構(gòu)構(gòu)建水田排水濕地系統(tǒng),有效攔截面源污染,改善水質(zhì),為動物提供棲息空間、生存環(huán)境和生物保育條件。

4.2.4 灌區(qū)水肥精準(zhǔn)灌溉和水量水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)

節(jié)水減排、節(jié)水減污是生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)的重要內(nèi)容,也是農(nóng)業(yè)面源控制的根本途徑和建設(shè)目標(biāo)。當(dāng)前,國內(nèi)外在灌區(qū)建設(shè)中已經(jīng)在嘗試開展自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究[38-39]、采用作物智能化精準(zhǔn)灌溉監(jiān)測控制技術(shù)[40-42]。針對灌區(qū)用水量大和準(zhǔn)確計量困難的突出問題,研究者采用多種非電量間接測量及嵌入式程控技術(shù)對灌溉渠系過水量實施精準(zhǔn)計量,研發(fā)了水量計量及自動閘門一體化、田間灌溉自升降式、灌溉溝渠傾角式等田間灌溉水量計量自動化和一體化裝置,形成不同類型灌區(qū)水肥精準(zhǔn)灌溉與水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng),提升對灌區(qū)水分、肥料、退水污染物的“智能、節(jié)約、生態(tài)、高效”自動化管理水平。通過精準(zhǔn)計量的用水總量控制,依靠經(jīng)濟(jì)杠桿作用,實現(xiàn)高效節(jié)水和有效控污的目標(biāo)。同時,在水量水質(zhì)監(jiān)控管理方面,采用農(nóng)田灌區(qū)水量監(jiān)控及調(diào)配信息系統(tǒng),實現(xiàn)實時監(jiān)控灌區(qū)渠系水情及閘門運行狀況,及時準(zhǔn)確反饋和預(yù)測灌區(qū)水量分配狀態(tài),為灌區(qū)水量調(diào)配提供決策依據(jù)。對灌區(qū)各級閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,可有效提高灌區(qū)水量計數(shù)和水價計算,強(qiáng)化節(jié)水意識和經(jīng)濟(jì)杠桿作用[43]。采用農(nóng)田肥力及土壤溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng),對農(nóng)田進(jìn)行長周期全天候監(jiān)控,統(tǒng)計分析監(jiān)控周期內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)、肥力元素(N、P、K)含量,并基于相關(guān)數(shù)學(xué)模型對農(nóng)田運行狀態(tài)給出評級,自動形成分析報告,為優(yōu)化資源配置、提高勞動生產(chǎn)率提供指導(dǎo)[44]。農(nóng)田灌區(qū)面源污染監(jiān)控及預(yù)報系統(tǒng),主要針對農(nóng)田灌區(qū)排水系統(tǒng)水體中的TP、TN、NH3-N、NO3-N、PO4-P以及重金屬元素Mn等重要污染物質(zhì)量濃度進(jìn)行長周期監(jiān)控,并對這些質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計分析,為灌區(qū)面源污染控制提供依據(jù)[45]。利用最終形成的不同類型灌區(qū)生態(tài)環(huán)境信息自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng),實現(xiàn)對灌區(qū)水分、肥料、面源的“智能、節(jié)約、生態(tài)、高效”自動化管理。

5 結(jié) 論

生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)適應(yīng)當(dāng)前我國灌區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略與生態(tài)文明建設(shè)的要求,可為實現(xiàn)灌區(qū)“節(jié)水、減源、截留、生態(tài)”的總體目標(biāo)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。但我國地域廣闊,不同區(qū)域的灌區(qū)特點、土壤特征和作物種類各異,不同灌區(qū)需因地制宜合理選擇灌區(qū)生態(tài)建設(shè)技術(shù)。

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[41]周海蓮,張軍國,楊睿茜,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)監(jiān)控軟件開發(fā)[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(15): 169-172,173.(ZHOUHailian,ZHANGJunguo,YANG Ruiqian,etal.Developmentofmonitoringsoftwarefor preciselyagriculturalirrigationsystembasedonthe internetofthings[J].HunanAgriculturalSciences,2011 (15):169-172,173.(inChinese))

[42]朱洪清,于利娟,汪燁歡,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能遠(yuǎn)程精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的研制和應(yīng)用[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報, 2014,35(2):246-249.(ZHUHongqing,YULijuan, WANGYehuan,etal.Developmentandapplicationof remoteprecisionirrigationsystembasedoninternetof thingsandsolarpower[J].JournalofChineseAgricultural Mechanization,2014,35(2):246-249.(inChinese)).

[43]河海大學(xué).農(nóng)田灌區(qū)水量監(jiān)控及調(diào)配信息系統(tǒng):江蘇, 2015SR070151[P].2014-09-10.

[44]河海大學(xué).灌區(qū)農(nóng)田肥力及土壤溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng):江蘇,2015SR070145[P].2014-09-10.

[45]河海大學(xué).農(nóng)田灌區(qū)面源污染監(jiān)控及預(yù)報系統(tǒng):江蘇, 2015SR070142[P].2014-09-23.

《水資源保護(hù)》高影響力論文名單揭曉

2015年適逢《水資源保護(hù)》創(chuàng)刊30周年。為了鼓勵高水平論文在《水資源保護(hù)》上發(fā)表,進(jìn)一步提升《水資源保護(hù)》的學(xué)術(shù)質(zhì)量和影響力,《水資源保護(hù)》主辦單位河海大學(xué)和中國水利學(xué)會環(huán)境水利專業(yè)委員會決定對2005—2014年《水資源保護(hù)》高影響力論文作者進(jìn)行表彰。

2005—2014年最具影響力論文1篇：

吳建強(qiáng),阮曉紅,王雪:人工濕地中水生植物的作用和選擇,發(fā)表在《水資源保護(hù)》2005年第1期(截至2015年10月15日,被引次數(shù):190次,下載次數(shù):2408次)

2013—2014年高影響力論文2篇：

唐克旺:水生態(tài)文明的內(nèi)涵及評價體系探討,發(fā)表在《水資源保護(hù)》2013年第4期(截至2015年10月15日,被引次數(shù):15,下載次數(shù):428。

崔東文:支持向量機(jī)在水資源類綜合評價中的應(yīng)用:以全國31個省級行政區(qū)水資源合理性配置為例,發(fā)表在《水資源保護(hù)》2013年第5期,(截至2015年10月15日,被引次數(shù):17,下載次數(shù): 40)。(本刊編輯部供稿)

M ain contents and key technologies of constructing ecological water-saving irrigation district

WANG Chao1,2,WANG Peifang1,2,HOU Jun1,2,QIAN Jin1,2,RAO Lei3,AO Yanhui1,2
(1.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development on Shallow Lakes, Ministry ofEducation,HohaiUniversity,Nanjing 210098,China；2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China；3.School ofMechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China)

To change the phenomenon of weighing the engineering and economic profit while ignoring ecological environmentwhen constructing traditional irrigation district,and the results of heavy pollution in irrigation district and poor water environment caused by it,construction routine,buildingmode and technology system were proposed based on analyzing irrigation theoretical research and constructing practice from home and abroad.All these provide theoretical basis and technology reference for water-saving,pollution-free,green and intelligent science development of irrigation district in our country.

irrigation district construction；ecological water-saving irrigation district；technological system of irrigation district；research advances

S274

：A

：1004 6933(2015)06 0001 07

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.001

20150920 編輯:彭桃英)

國家自然科學(xué)基金(51421006)；江西省水利科技重大項目(KT201410)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(2015B25314)

王超(1958—),男,院士,主要從事水資源保護(hù)研究。E-mail:cwang@hhu.edu.cn

王沛芳,教授,博士生導(dǎo)師。pfwang2005@hhu.edu.cn