1 河套灌区概况

内蒙古河套灌区是亚洲最大的一首制灌区和全国三个特大型灌区之一，引黄控制面积1743万亩，有效灌溉面积861万亩，灌区年引黄水量约50亿m3，年粮食总产量约20亿公斤，是我国和内蒙古自治区重要的粮油生产基地。目前，灌区水利工程已初步形成灌排配套的骨干工程体系。1998年开始实施以节水为中心的大型灌区续建配套与节水改造工程建设，争取国家和自治区投资约10亿多元，完成骨干和田间渠道衬砌600余公里，配套各类渠系建筑物11000余座，消除了一批关键工程的运行隐患，改善了工程的运行工况，提高了安全性能，减少了渠道输水损失，提高了渠道和渠系水利用系数，年可节水2亿m3。同时，通过节水改造，灌区土壤种植条件得到了明显改善，生态屏障作用发挥的愈加明显。

按照内蒙古自治区编制的《黄河内蒙古河套灌区续建配套与节水改造规划报告》，计划用15年时间，投资61.21亿元，减少引黄水量12.61亿m3，将河套灌区引黄水量控制到自治区政府分配的40亿m3之内。节水任务很重，大力推广工程、田间、农艺和管理综合节水技术，提高灌区灌溉水利用率和效益势在必行。

2 研究与应用概况

“九五”期间，由内蒙古水科院主持完成了自治区重点科技项目“河套灌区节水改造工程综合节水技术试验与示范研究”，在临河市隆胜节水示范区进行，针对河套灌区属季节冻土地区，渠道冻胀破坏与渗漏严重、灌溉用水量大，灌区管理粗放等问题，开展了干、分干、支、斗、农五级渠道适宜衬砌结构型式；防渗、抗冻新材料、新技术与新工艺；田间工程节水改造技术；衬砌渠道防渗效果；节水改造工程实施后对环境影响与群管水利体制改革与灌区用水管理等方面试验研究，取得了一批极具实用价值的成果。成果在渠道防冻、防渗衬砌断面和结构型式及新型材料结构的研究和开发方面有创新，整体成果达到国际先进水平，为国内同类灌区的节水改造提供了科学依据和重要经验。在知识产权方面，已获得国家发明专利和实用新型专利各一项；参与编写了国家行业标准《渠系工程防冻胀设计规范》；主编了《大型灌区节水改造工程技术试验与实践》专著。该成果已在全区14处大型灌区节水改造工程建设中得到全面推广应用，渠道衬砌长度1200公里，节水面积800万亩，累计节水量14.7亿m3，取得直接和间接效益3亿多元，效益显著。该项目2002年被评为公众关注的全区十大科技进展项目，该成果2005年获自治区科技进步一等奖。其成果转化推广项目2006年获自治区丰收一等奖。

“十一五”期间，由内蒙古水科院主持开展了国家科技支撑计划重点项目“北方渠灌区节水改造技术集成与示范”课题。实施地点在内蒙古临河区治丰示范区，主要研究和示范内容有：①灌区田间节水灌溉技术集成与示范；②灌区高效输配水技术集成与示范；③灌区用水管理技术研究与集成；④灌区农田排水与再利用技术研究与示范；⑤灌区节水改造综合技术集成实施后效益监测与评估。经四年实施，已在北方渠灌区节水改造技术集成模式、渠道衬砌新材料、土壤墒情自动化监测系统和末级渠道量水新技术等方面取得创新性成果。为北方渠灌区节水改造工程建设提供了示范样板作用。

3 渠道衬砌新材料研究与应用

3.1 聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用研究

聚苯乙烯泡沫板由可发性聚苯乙烯颗粒为原料，经加热预发泡，在模具中加热成型而制成的具有微细闭孔结构的泡沫塑料板材。具有重量轻、导热系数低、吸水率很小、化学性能稳定、抗老化性能高、耐久性好、自立性好、施工中易于搬运等优点，缺点是耐热性低。主要用于建筑墙体，起到保温隔热的作用。

保温板提高基土地温显著。由于保温板保温隔热作用，可有效缓解基土与外界的热交换速度，使地基土在冻结过程中温度降低缓解，保温板愈厚表现愈明显。据试验数据统计，平均保温板每厘米厚提高地基土温度在1℃左右。保温板可明显减小基土冻结深度。由于保温板导热系数低，能有效缓解冻结速率，抑制冻深发展，随着板厚增加，冻深呈线性规律减少，在试验条件下，平均每厘米厚保温板对冻深减少10cm左右。

保温板能够抑制基土水分变化，这是由于铺设保温板后，冻结锋面推进变缓，基土温度梯度较小，水分迁移及原驻水重分布的能力较弱，使冻结过程中冻结锋面与地下水的距离逐渐加大，水分迁移路径相对增大，不利于水分迁移，从而减少了地基土的冻胀量。保温板对基土冻胀有明显的抑制作用。据试验结论：东面走向渠道阴坡上部铺设3cm、4cm、5cm厚保温板可削减冻胀量52%、97%、100%；阴坡中部铺设5cm、8cm、10cm保温板可削减冻胀量39%、72%、82%。阳坡上下均铺设3cm厚保温板可基本消除冻胀量。南北走向渠道阴、阳坡上部铺设4cm、下部铺设5cm厚保温板可基本消除冻胀量，渠底铺设5cm厚保温板可削减冻胀量92.5%；渠底铺设8cm厚保温板可完全消除冻胀量。

近年来，该项技术已在内蒙古大型灌区骨干渠道大面积推广应用，衬砌骨干渠道267km，聚苯乙烯保温板的使用量达到22.3万m3。提高了骨干渠道的使用寿命，达到了“防渗、抗冻、经济、可行”的目的。

3.2 土壤固化剂新材料在衬砌渠道中的应用研究

土壤固化剂是在常温下能直接胶接土体中土壤颗粒或能够与粘土矿物反映生成胶凝物质的硬化剂。目前土壤固化剂可分为三类：电离子类固化剂、生物酶类固化剂、水化类固化剂。

水化类土壤固化剂主要由石灰石、粘土、石膏等矿物质按比例拌合后，经过一定工艺加工而成为固体粉状物质。将固化剂、土壤、水按一定比例拌合后，便将土壤颗粒胶结成整体形成固化土。对拌合物机械施压，逐出土壤中气体，可使土壤胶结体形成有相当抗压强度和抗渗能力的固化土。

固化土衬砌渠道可预制或现浇。预制：筛土—加固化剂—拌合—加水拌合—机械加压—养护—搬运—铺砌安装。现浇：将湿拌均匀的固化土拌合料均匀地铺撒到已清好的地基表面，铺撒厚度8～10cm，将表面摊平整后，碾压须3遍以上，压实干密度不得小于1.6g/cm3。

采用土壤固化剂预制板衬砌渠道，设计断面为梯形断面，采用0.3mm厚聚苯乙烯膜防渗，5cm厚预制固化板护面，板下设3cm厚固化泥过度层，边坡系数1：1。

衬砌渠道冻胀变形较均匀，消融后自然复位，整个坡面无隆起或沉陷破坏现象。对比测试结论表明：固化土预制块与混凝土预制块衬砌的渠道的冻结、冻胀规律基本相同，因此，在冻胀量较小的田间渠道可选用固化土预制块衬砌，渠道断面宜采用梯形。将固化土加工制成预制板衬砌渠道可就地取材，节省大量砂石料，预制固化板是预制混凝土板造价的65.1%左右。即可降低生产成本34.9%。

3.3 膨润土防水毯新材料在衬砌渠道中的应用研究

膨润土防水毯（GCL）是将级配后的膨润土颗粒均匀混合后，经特殊的针刺工艺及设备，把高膨胀性的膨润土颗粒均匀牢固地固定在两层土工布之间，制成柔性膨润土防水毯材料，既具有土工材料的固有特性，又具有优异的防水防渗性能。膨润土防水毯靠膨润土层防渗，膨润土上下土工织物层作为防护材料，防水毯能在拉伸、局部下陷、干湿循环和冻融循环等情况下，保持极低的透水性，同时还具有施工简易、成本低、节省工期等优点。

为使膨润土防水毯更好的适应冻胀变形，并且可以自然复位，衬砌渠道断面宜采用梯形断面弧形坡脚的形式。膨润土防水毯不允许暴露在表面，需设保护层。刷水泥砂浆保护层与防水毯粘结较好，且柔性较好，可适应变形，是一种较好的护面形式。膨润土防水毯和预制混凝土板两种衬砌渠道相比较，可节约成本29.1%，施工较简单，工期缩短30%～50%。采用膨润土防水毯衬砌渠道与未衬砌渠道相比较，可减少渗漏损失50%以上。基土融通后，渠道坡面没有明显的残余变形量， 说明膨润土防水毯具有较好的柔性，复位较好。

4 灌区农田土壤墒情与末级渠道量水监测系统开发研究

4.1 系统开发意义

农田土壤墒情是灌溉、作物旱情预报的基础资料，而渠道量水是灌溉水量控制、水费计量的依据，对于保障灌区适时适量供水、满足作物需水、实现高效用、合理收缴水费均具有重要意义。根据农田土壤墒情和末级渠道量水技术设备和农民用水者协会辖区自然、社会经济、技术水平的调研分析，集成水分测量技术、量水技术、电子技术和软件技术，开发了农田土壤墒情和末级渠道量水监测系统，向用水农户和灌溉管理部门提供灌溉信息以及末级渠道流量和累计水量信息，并通过互联网实时发布，以促进灌区农田制度化、规范化、科学化管理，提高灌溉管理水平，实现灌区农田合理用水、节约用水和用水户用水公平。

4.2 系统组成与工作方式

该系统针对示范区范围农田开发，由1个气象监测站、3个土壤水分监测站、2个地下水监测站、2个流量监测站、1个集控中心及GPRS网络组成。

通过设在集控中心的计算机终端图形用户界面发布命令进行系统控制。8个田间监测站分别与集控中心通过以无线传输（GPRS）的方式全天候进行数据通讯，以应答的方式完成数据采集与回传，数据采集周期可从5分钟～24小时任意设定。采集的数据自动存储于集控中心服务器的关系型数据库，并在集控中心的壁挂式显示屏以数值形式显示土壤含水率、地下水位、气象要素、渠道流量的实时数据。集控中心的计算机终端可进行历史数据查询，并以数值或图形显示各监测要素的动态变化趋势。通过土壤墒情和渠道流量分析预测，指导灌溉管理。

4.3 系统主要技术特色

无人职守，数据自动采集、传输、存储；24小时连续在线监测，实时数据传输显示；集控中心远程量测、通讯设备状况监控，自定义巡检周期；GPRS网络系统通讯，无距离限制，数据传输可靠；壁挂式大屏幕实时数据显示，操作终端实时数据显示和历史数据查询、分析；INTERNET信息发布、数据查询；太阳能＋蓄电池供电，仪器设备低功耗；田间设备保护装置，抗农事活动损坏及人为破坏能力强。

5 北方渠灌区节水改造技术集成模式研究

5.1 北方渠灌区节水改造技术集成总体模式的提出

大型灌区节水改造是一项复杂的系统工程，以往侧重于单项技术试验研究，缺乏整体研究与技术集成，各环节相互脱节，已取得成果推广力度不大，影响了节水改造工程实施后灌溉水利用率和效益的提高。国内外灌区节水改造技术研究迄今未见针对具体区域定性与定量相结合的综合技术集成模式的报道。

本项研究结合北方渠灌区的自然特点，通过灌区节水改造技术和用水管理体制改革，以提高灌区灌溉水利用率和效益为主线，从工程节水、田间节水、农艺节水和管理节水4个方面入手，突出反映灌区综合节水措施与效益的发挥，并注重新技术、新材料、新设备、新方法和新工艺的引进、开发与应用，在此基础上，初步构筑北方渠灌区节水改造技术集成模式。

5.2 北方渠灌区节水改造技术集成总体模式的基本框架

以大幅度提高北方渠灌区灌溉水利用率和效益为重点，组装集成田间节水灌溉、高效输配水和灌区用水管理等技术，在认真总结河套灌区十年来开展大型灌区续建配套与节水改造工程建设、农民用水者协会建设取得的成功经验和开展的“河套灌区节水改造工程综合节水技术试验与示范研究”和“北方渠灌区节水改造技术集成与示范”两项试验成果的基础上，建立了适合北方渠灌区的节水改造技术集成总体模式。主要包括：工程节水、田间节水、农艺节水和管理节水四项节水措施相应的技术环节、关键技术和实现的目标。北方渠灌区节水改造技术总体集成模式框图见图一。

5.3 北方渠灌区节水改造技术集成总体模式技术集成内容

(1) 工程节水

主要技术环节包括：渠道衬砌技术、渠系建筑物配套技术、渠沟田林路配套技术。关键技术是确定适宜的田间渠道衬砌范围、结构型式、衬砌材料与防渗抗冻措施，各类渠系配套建筑物与灌区渠沟田林路优化设计。目标是提高田间渠系水有效利用系数、工程寿命、农田水利化和灌溉节水化标准。

（2）田间节水

主要技术环节包括：土地平整技术、畦田改造技术、地面灌溉技术。关键技术是提出适宜的平地机械与方法，畦田改造标准与技术要求，不同作物先进实用的地面灌溉技术。目标是提高灌区灌溉水利用率与田间节水改造建设标准。

（3）农艺节水

主要技术环节包括：优化种植结构、耕作保墒技术、地膜覆盖保墒技术、增施有机肥技术、一膜两用免耕技术、化学节水技术。关键技术是提出适宜的地膜覆盖、土壤耕作蓄水、水肥耦合、作物节水优质高产栽培技术。目标是提高作物水分生产效率。

（4）管理节水

主要技术环节包括：田间渠道量水技术、作物优化灌溉制度、灌溉管理信息化技术、灌区优化调度配水技术、农业种植结构调整技术、农民用水者协会建设。关键技术是提出缓坡降高含砂田间渠道量水技术和主要作物优化灌溉制度，建立田间土壤墒情自动化监测与预报系统和灌区群管体制改革与良性循环的运行模式。目标是提高灌区节水效果与效益和灌区管理水平。

5.4 建立了五种北方渠灌区节水技术模式

在建立的北方渠灌区节水改造技术总体模式的基础上，提出了北方渠灌区田间节水灌溉技术集成模式，北方渠灌区田间高效输配水技术集成模式，灌区用水管理技术集成模式，灌区农田土壤墒情与末级渠道量水监测系统技术集成模式和灌区田间农艺节水技术集成模式，并分别提出了五种北方渠灌区节水技术模式的适用范围、技术集成内容和集成模式框图，为北方渠灌区节水改造工程建设提供了科技支撑作用。