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——刊于《中国水利》2021年第17期
康绍忠院士:加快灌区现代化改造与节水技术应用 促进黄河流域生态保护和高质量发展
来源:《中国水利》杂志微信公众号
  康绍忠  
    编辑:管理员 归档时间:2021/9/26    

2019年9月18日,习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会讲话中提出,推进水资源节约集约利用,要坚持以水定地、以水定产,大力推进农业节水。2020年6月10日,习近平总书记在宁夏考察时再次提出农业要节水化,要调整种植结构,积极发展节水型农业。大中型灌区是我国农业生产的主力军和保障国家粮食安全的重要基础,为中国人把饭碗牢牢端在自己手里作出了重要贡献。同时,大中型灌区也是主要的用水和耗水部门,约占全国农业灌溉用水总量的65%。

针对灌区现代化改造和黄河流域生态保护与高质量发展的关系,以及如何通过加快灌区现代化改造与节水技术应用,促进黄河流域生态保护和高质量发展的问题,近日本刊专访了中国工程院院士、中国农业大学教授康绍忠。

大力推进以节水为中心的灌区现代化改造是实现黄河流域水安全与粮食安全的重要保障

中国水利:“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出“推进大中型灌区节水改造和精细化管理”,把灌区节水放在了一个十分重要的位置。请您谈谈灌区节水与现代化改造对促进黄河流域生态保护和高质量发展有什么重要意义?

康绍忠:黄河是中华民族的母亲河,承担着全国12%的人口、15%的耕地和沿河50多座大中城市的供水任务。同时还担负着引黄济青、引黄入冀补淀、甘肃景泰民调等向流域外调水的任务。但是,黄河流域水资源紧缺,且时空分布严重不均,2019年降水量496.9mm,水资源总量797.5亿m3,多年人均和耕地亩均水资源占有量分别为905m3和381m3,仅为全国平均水平的39%和20%。黄河流域地表水开发利用率和消耗率已达86%和71%,远远超过国际公认的40%的水资源开发生态警戒线。

特别是近年来人类活动和气候变化对黄河径流产生了重大影响,如上中游的梯田、淤地坝、退耕还林还草等措施使得黄河径流量显著减少。据有关研究表明,黄土高原大规模的植被恢复,相应的植被耗水增加31亿m3/a。制定黄河流域“八七”分水方案时的基准径流量为580亿m3,而在1956—2000年期间的平均径流量下降到535亿m3,1956—2016年期间的平均径流量仅490亿m3。

黄河可分配利用的水资源量越来越少,而流域内工农业发展和环境变化对水量分配提出了新的要求,水资源保障形势严峻。据水利部黄河水利委员会估计,2050年黄河流域在充分挖掘节水潜力的情况下,正常年份的水资源缺口仍将在130亿m3左右。进一步节水是黄河流域治理和保护的重要方向,对于推进流域生态文明建设和高质量发展具有重要意义。

黄河流域现有耕地面积1193.33万hm2,占全国耕地面积的12.4%;2018年农田有效灌溉面积631.62万hm2,耕地灌溉率为52.93%。黄河流域的农业生产在保障国家粮食安全和农产品有效供给中具有十分重要的地位,是我国重要的小麦、玉米、马铃薯、杂粮和苹果等的优势生产区,其粮食总产量占全国的13.4%,苹果产量达3576万t,占全国的84.3%。农业是黄河流域的用水大户,2019年农业用水量为267.4亿m3,占用水总量的比例为66.82%,超过全国平均水平,青海、甘肃、宁夏、内蒙古等上游地区农业用水占比更大。

农业用水的90%以上是灌溉用水。黄河流域大于100万亩的灌区有16处,30万~100万亩的灌区有34处,10万~30万亩的灌区有37处。目前,流域灌溉用水效率总体不高,2019年山西、青海、内蒙古、宁夏四省(自治区)灌溉水有效利用系数分别为0.546、0.500、0.547、0.543,低于全国0.559的平均水平,与发达国家0.7的水平相比差距更大;单方灌溉水的产粮数大约为1.5kg,与发达国家相比也偏低,节水和高效用水的潜力较大。因此,大力推进以节水为中心的灌区现代化改造,大规模推广应用先进节水技术,提高灌溉用水效率,是实现黄河流域水安全与粮食安全的重要保障。

党中央、国务院历来高度重视灌区建设与发展,近年中央一号文件和《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》明确要求把实施大中型灌区续建配套与现代化改造作为一项重要任务;“十四五”规划和2035年远景目标纲要也提出“推进大中型灌区节水改造和精细化管理”。黄河流域水资源紧缺,水土资源不适配,“水缺”比“地少”更为严重。干旱缺水已成为黄河流域农业可持续发展的刚性约束,挑战日益严峻,灌区节水与现代化改造对促进黄河流域生态保护和高质量发展意义重大。

投入不足、重建轻管、市场作用发挥不够等制约了黄河流域灌区现代化推进

中国水利:在您看来,目前黄河流域灌区发展存在哪些问题?灌区以节水为中心的续建配套和现代化改造难点在哪里?

康绍忠:灌区是我国最重要的公益性基础设施,是国家粮食安全与农产品有效供给的命脉,也是山水林田湖草沙系统治理和乡村振兴的重要支撑。黄河流域的灌区分布较广,目前一些灌区基础设施老化失修,特别是灌溉“最后一公里”问题突出;灌区现代化管理水平不高,可持续发展的水平还较低。存在的问题和难点主要有以下几方面:

一是建设与改造投入长期不足,无法满足灌区工程建设与运行管理的需要。灌区工程需持续不断进行投入建设和维护管理。近年来,中央政府对水利投入逐年加大,但投入重点大多在大江大河、重点工程上,对灌区续建配套和现代化改造的投入相对较少。在近年中央一号文件和《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》明确要求把实施大中型灌区续建配套与现代化改造作为一项重要任务的形势下,“十四五”全国460多个大型灌区也仅安排了120多个进行续建配套与现代化改造,仍有近3/4未得到经费支持,而且即便纳入“十四五”规划的灌区,其投入的资金和需求相比也还有较大差距。受资金、管理、设备材料等因素影响,一些灌区的灌溉设施配套差,渠道防渗能力和工程配套水平低,已衬砌的渠道年久失修,老化率高,斗渠、农渠等末级渠道基本无防渗措施,输水过程中跑冒滴漏和蒸发损耗较大。比如,河南人民胜利渠灌区各级渠道总长1923km,总干渠自渠首闸开始衬砌率为38%,6条干渠的衬砌率为45%,64条支渠的衬砌率为21.5%。内蒙古河套灌区各级灌溉渠道共5.03万km,衬砌仅1.15万km,衬砌率为22.8%;水肥一体化滴灌、喷灌面积仅13.33万hm2,高效节水灌溉推广面积不足20%。由于投入不足,灌区工程建设标准低,重数量、轻质量,使用寿命短,影响效益发挥。同时,人工、材料价格逐年上涨,但工程概算定额多年未进行大的调整,工作推进中过分注重面积、数量,对质量和后评估重视不够。在高效节水工程建设中,设备材料质量良莠不齐,工程不能正常运行,影响农民积极性,导致可持续性差,使用效果大打折扣。

二是重建轻管导致部分灌溉工程运行过程中管理缺失,制约灌区高质量发展。总体来看,黄河流域灌区用水总量和用水强度刚性约束的配套制度和举措还没有建立,灌区节水计量监测设施滞后、监管技术手段薄弱,很难满足水资源刚性约束的深入开展和节水管理的新要求。黄河流域灌区高效用水管理水平还不高,存在灌溉制度不科学、不合理现象;灌区管理信息化手段有限,作物需水与灌溉配水严重脱节。此外,灌区管理人员中技术人员比例一般低于50%,现代化管理知识缺乏,远未达到现代农业对灌区经营管理的要求。灌区工程重建轻管存在的原因,一方面是工程建设看得见摸得着,属于硬性、阶段性、可定量考核的指标,具有立竿见影的效果;而管理的效果并不那么“可视化”,因而往往不能引起足够的重视。另一方面,虽然在产权形式上明确斗渠及以下基本由农村集体经济组织或村委会管理,但由于直接经济效益低、涉及户数众多,农户不愿共同管,村委会或村级集体经济组织没钱管,主体责任方缺失导致用而不管、维护不力、难于见效,造成巨大浪费。灌区用水管理存在的问题直接导致了灌溉效益不能正常发挥,与现代农业和绿色发展要求不相适应。

三是市场作用发挥不够,灌区管理体制改革未全面到位,长效机制尚不健全。尽管近年来部分地区尝试引入市场机制,由第三方进行建设和运行灌区水利设施,政府购买服务,但受制于农户分散经营模式及农业比较效益低等因素,取得明显效果及成熟的模式不多。由于水价提升与农业比较效益低的矛盾,使得水价无法充分发挥其市场调节作用。此外,投入渠道分散,投入对象、建设标准难以统一协调,资金难以形成合力,使用效益低;同时,由于管理模式落后,导致我国的人均灌区管理面积只有发达国家的1/8~1/10,效率较低。虽然沿黄各省(自治区)确定了用水总量和用水强度的“双控”目标,但与“双控”措施配套的市场机制尚未健全。近年来,甘肃、宁夏、内蒙古已开展灌区水权交易试点,但黄河流域其他省份及整个黄河流域不同灌区间的水权交易制度尚未构建。

除此之外,科技创新支撑灌区高质量发展的能力不足,农民人均耕地少、农业组织化程度低、技术落后,也在一定程度上制约着黄河流域灌区现代化的推进和高质量发展。

黄河流域灌区续建配套与现代化改造及节水技术大规模推广应用应做好五方面工作

中国水利:灌区续建配套与现代化改造及节水技术大规模推广应用对促进黄河流域生态环境保护和高质量发展具有重大作用,对于这项工作您有什么建议?

康绍忠:建议做好五方面的工作。

一是把以水定需和黄河流域内确保粮食安全与农产品有效供给的水资源保障红线有机结合起来,发展高水效农业。实施全流域蓝绿水统一配置,由用水管理转变为耗水管理,科学确定不同省(自治区)、市、县和不同灌区的刚性耗水指标,实现流域耗水总量和区域耗水强度双控制,通过耗水强度(ET)或者水生产力与水效益控制倒逼灌区节水技术应用,调整农作物种植结构,发展高水效农业。灌区现代化改造应顺应自然规律,根据水资源禀赋,科学确定灌区面积规模,做到适水发展和量水生产,实现水土资源空间适配,促进水资源可持续利用。黄河流域大中型灌区现代化改造要分类施策:中游宁蒙河套灌区,节水改造要适度,需要充分考虑大规模节水对宁夏沙湖、内蒙古乌梁素海等湿地生态环境的影响,特别是对湿地补水和区域土壤水盐平衡的影响;下游引黄灌区应充分关注土壤盐碱化和水沙平衡问题;上游高扬程提水灌区是我国大型灌区中较为特殊的一种类型,提水扬程高、水价成本高、种植业产出低、农民水费承受能力差,具有其特殊性,要深度节水、极限节水,建立深度节水和极限节水的标准体系,大规模提高灌溉用水效率;汾渭平原灌区应以实现多灌区联网和水资源联合调度为重点,提高区域整体应对特殊干旱的能力。

二是加大灌区现代化改造和高效节水技术推广的投入,搞好以完善工程配套和水量监控网络建设为中心的灌区现代化改造和高标准农田建设及节水技术的推广应用。加强现有大中型灌区骨干工程续建配套与节水改造、大中型灌排泵站更新改造,推进建设灌区水量监控网络。加强田间节水基础设施建设,建设旱涝保收高标准农田,增强农业抗旱能力和综合生产能力。除了内蒙古河套灌区续建配套和现代化改造项目外,建议把河套灌区32.27万hm2盐碱地改良和高标准农田建设工程列入国家专项建设规划。河套灌区特殊的立地条件使高标准农田建设改造难度增大,需要一体化实施土地整治、灌排配套、节水灌溉、盐碱地改良等,才能取得好的效果,但目前国家高标准农田建设标准仅为每亩1200元,不能满足需求。建议国家加大对河套灌区高标准农田建设支持力度,并把现有1200元/亩的标准提高到3500元/亩,实现一步到位、旱涝保收、高产稳产、长久受益。

三是加强体制机制建设,健全黄河流域灌区节水补偿机制和水权交易市场。尽快出台黄河流域灌区节水指导意见,拓展黄河流域现有灌区水权交易试点范围,搭建灌区水权交易平台,探索构建黄河流域不同灌区间的水权交易机制。实施黄河流域灌区引退水的在线监测,建立流域内灌区用水监测预警机制,开展灌区节水行动,激励广大民众参与到灌区用水、管水、节水中来。

四是大力推广与农艺农机技术配套的先进实用节水技术,特别是能让农民受益的节水增效技术。分区域规模化推进高效节水灌溉发展,加快粮食主产区、严重缺水区和生态脆弱区高效节水灌溉工程建设,改进灌溉方式,推广管道输水、喷微灌等高效节水灌溉技术,建立与高效节水灌溉先进设施相适应的节灌高效种植模式。建立健全灌区土壤墒情监测网络,掌握作物需水规律和土壤墒情变化,实施测墒节灌。大力推广作物调亏灌溉、非充分灌溉、根系分区交替灌溉等技术,大幅度提高灌溉水的生产效率。大力发展作物水肥一体化技术,促进节水减肥提质增效和绿色发展。在果树、蔬菜和经济作物中大力推广节水调质高效灌溉技术和模式。

五是在充分挖掘节水潜力的前提下,进一步开发新水源。在全球气候变化导致水文情势改变、未来仍有较大不确定性的背景下,维持黄河流域农业用水保障能力,形势依然严峻,需要在充分节水的前提下关注流域内非常规水源的开发与安全利用,适度增加跨流域调水,提高农业用水保障能力。黄河流域苦咸地下水在宁夏、内蒙古、陕西、山西、山东、河南等地有大片分布,应促进黄河流域苦咸水等非常规水源的安全高效利用。从长远看,黄河流域还需要通过开源、跨流域调水,才能解决连续干旱年份的缺水问题,从根本上解决流域灌区水资源短缺的问题。

加强基础理论研究,实现关键科学问题和核心关键技术的创新与突破,全面提升灌区现代化和节水化水平

中国水利:您在《中国水利》2020年第9期《加快推进灌区现代化改造补齐国家粮食安全短板》一文中提出,要强化创新驱动灌区发展能力建设,促进灌区现代化改造与高质量发展,并从宏观层面提出了一些需要研究的问题。请您再具体谈谈我国大中型灌区现代化改造和节水技术研究及应用中有哪些重大科学技术问题?研究这些问题对灌区现代化和节水技术应用将产生什么作用?

康绍忠:如果从更具体、更基础的角度来看,未来应该围绕农业需耗水对变化环境的响应规律解析、非常规水源开发和农业水网安全与节能方法创新、面向生态健康的高水效农业模式创建等关键科学问题和核心关键技术,重点突破作物生命需水过程与多要素协同调控、现代农业绿色高效用水技术与装备、农业水网系统智慧管控、非常规水源开发与安全高效利用、区域水土资源适配与高水效农业等领域的基础理论与关键核心技术,促进农业高效用水重大科学问题与关键技术的创新和突破,全面提升灌区现代化和节水化水平。

一是聚焦作物生命需水生理机制与高通量表型诊断技术研究。以大中型灌区为重点,研究基于电磁学与光谱学的作物形态、生理与生化表型参数无损原位监测方法,搭建基于遥感、高光谱、大数据与人工智能的多尺度作物水分信息高通量表型诊断技术与机器人平台,突破融合遥感、高光谱、大数据与人工智能的作物水分高通量表型技术瓶颈;研究基于不同生育期冗余-补偿效应理论的作物高效用水多目标最优调控方法,开发面向未来不同气候情景和种植模式的作物水碳氮代谢与品质定向调控技术,开发有利于改善作物根域微生境与提高资源利用效率的综合调控技术和靶向立体调控新产品,引领作物生命需水与节水调质理论发展,服务灌区节水高效优质绿色发展的重大需求。

二是聚焦现代农业绿色高效节水灌溉新装备、新材料、新制剂等开展重大关键核心技术与产品研发。摆脱我国压力调节材料、大口径管材、压力补偿灌水器、高含沙条件大功率高扬程水泵、比例精准施肥泵、电磁阀和低耗电动阀等设备及其快速设计方法和制造工艺等农业节水关键设备开发涉及的核心技术和材料主要依赖进口的状况,整体提升我国农业绿色高效用水装备、材料与制剂企业的自主研发水平和国际影响力。黄河水滴灌技术对解决黄河流域水资源短缺有重大作用和应用潜力,但还需要进一步标准化和模式化。我国灌区土壤水、热、盐原位同步监测技术与设备也需要进一步提高精度和稳定性;灌区输配水全程量-测-控技术及设备中,目前国内输配水模拟仿真软件均为国外垄断,渠道测流控制技术(超声波测流技术、水流信息视频解译方法、全渠道控制系统等)仍然有不少技术瓶颈,难以有效解决灌区水量量测和监控实践中灌溉渠道结构多样、漂浮物较多、多泥沙淤泥阻水等问题。这些问题的解决对全面提升灌区现代化和节水技术应用水平具有十分重要的意义。

三是聚焦农业水网智慧建造与管控。农业水网是国家水网的重要组成部分,而灌区灌溉渠(管)网则是农业水网的主要载体。建议在缺水区域和有条件的灌区,试点灌溉渠网改管网,实现灌溉供水自来水管网化。农业水网系统管控逐渐向信息化与智慧化方向发展,基于天—空—地一体化的水信息和作物表型同步监测技术是农业水网智慧管控的重要基础,大尺度农业遥感技术的快速发展以及渠道输配水过程的自动监测与控制技术的突破加速了智慧灌溉水网构建的进程。需要进一步系统研究农业水网复杂水动力学行为与精准模拟模型系统,农业水网智慧管控决策平台;创新面向多水源、多用户、多目标的农业水网输配水运行优化模型与复杂动态配水群决策理论,建立农业水信息互联互通与灌溉动态调配决策体系,以及农业水网系统实时感知-智能认知-智慧决策综合平台。

四是聚焦非常规水源开发与安全高效利用。需要进一步研究非常规水源时空分布与利用潜力,建立考虑地下水补给和生态基流需求的分布式雨水资源化潜力模型,明确雨水资源化潜力空间分布格局;研究缺水地区农村废污水、微咸水、海水、灌区退水等非常规水源的量质时空分布特征,探索典型区域非常规水源利用的环境效应与动态互馈机制;开发出非常规水源农业安全利用技术与灌排协同调控工程模式。

五是聚焦灌区水土资源适配与高水效农业布局。探索水资源刚性约束下的水土资源适配理论和水-土-气-生态系统耦合机制与结构解析方法,探索基于水资源禀赋和气候变化特征的高水效农业布局优化理论和方法体系,促进不同区域高水效农业的发展。

针对黄河流域灌区现代化改造和节水技术应用,需要研究流域农业水资源承载力和水土资源适配性,未来气候变化和社会经济发展情景下保障流域粮食安全和重要农产品有效供给的农业用水安全红线,构建农业生产产前、产中、产后全过程节水潜力评价模型,为水资源刚性约束下实现以水定产、以水定地、适水发展和科学调控提供依据;构建食物、能源、水、生态系统动态模拟与优化模型,提出黄河流域不同灌区间整体用水效率提升的农业节水化统筹优化调控方案;创建流域上、中、下游不同类型灌区的高质量发展样板区;以大型灌区为重点,以提高有限水资源在区域产业间配置效率和效益为目标,创新不同灌区间水权交易的新机制,促进黄河流域灌区现代化和高质量发展。

 

链接:《中国水利》2021年17期:粮食安全 水利保障——大中型灌区改造建设专辑

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