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——刊于《中国水利》2021年第17期
高占义:大型灌区现代化改造的策略与技术选择
来源:《中国水利》杂志微信公众号
  高占义(国际灌排委员会荣誉主席,中国水利水电科学研究院原总工程师),王云辉  
    编辑:管理员 归档时间:2021/9/28    

我国灌区分布广泛,由于不同的地理位置和水资源开发利用条件,以及灌区的工程设施状况和管理方式等不同而各具特点。灌区现代化改造方案的制定要以当地的具体情况为基础,注重各灌区自然条件与工程和管理条件的差异性,以灌区的实际需求为牵引,实现的目标为导向,综合应用工程、技术和管理措施。

我国已进入社会主义现代化建设的新阶段,灌区现代化是国家现代化和农业现代化的重要组成部分,从2021年到2035年将是我国灌区现代化建设管理的关键时期。

2021年国家启动了大型灌区续建配套与现代化改造项目,水利部和国家发展改革委发布了《关于开展“十四五”大型灌区续建配套与现代化改造实施方案编制工作的通知》,中国灌溉排水发展中心、水利部水利水电规划设计总院编制了《大型灌区续建配套与现代化改造实施方案编制技术指南》。要实现“节水高效、设施完善、管理科学、生态良好”的现代化灌区目标,必须通过灌区现代化建设来支撑现代农业、经济社会发展,保障国家粮食安全和农产品有效供给,实现资源高效利用,改善生态环境,支撑乡村振兴,促进灌区收支平衡,保障灌区可持续发展。

一、我国灌区发展历程及现状

我国大型灌区大多是在20世纪50—80年代建设完成,经过1998—2020年20多年的续建配套与节水改造,改善了灌区的基础设施条件,使灌区在输水、配水等方面的工程能力得到一定的恢复和提升,灌溉用水效率低下等问题在一定程度上得以解决,灌区的基本功能得到一定的保障。

但大型灌区还面临以下主要问题和挑战:一是灌区水资源供需不平衡,灌区水资源调蓄设施及水系连通设施不足,北方灌区缺水问题突出;二是灌区渠道及控制建筑物工程设施能力不足和配套不完善问题依然突出;三是供水保证率和防洪除涝标准较低,部分工程存在运行安全隐患;四是水量测控设施不足,难以实时适量配水和对灌溉用水进行有效管控;五是灌区灌溉用水利用率和水分生产率低下;六是灌区运行管理还是以传统的人工凭经验操作为主要手段,信息化技术利用程度低,管理用工多、劳动强度大、管理粗放;七是灌区专业技术管理人员不足,引进和留住人才困难;八是灌区水价改革不到位,水费回收困难,难以实现灌区收支平衡;九是灌区需要控制面源污染,保障生态用水,改善生态环境。

同时,灌区发展还面临以下变化:一是随着我国城镇化率提升出现农村劳动力老化、劳动力短缺问题,农村人口减少和老龄化将促进信息化、智慧化和自动化技术在农业生产中的应用,将大大提振乡村经济发展;二是我国农业正在向规模化现代农业方向发展,规模化和现代化农业对灌溉供水保证率和服务水平提出更高要求,为了适应种植结构的调整和农户在需水上的变化,需要进一步提高灌区供水的灵活性和服务水平,推进灌区的现代化建设进程;三是大型灌区用水户及功能和价值在不断拓展延伸,大型灌区从最初建设时期仅为农业灌溉供水发展到既为农业灌溉供水,也为城镇生活、工业和生态等提供供水服务,对供水的保证率和水量水质提出了更高的要求;四是随着我国现代化发展进程的加快,信息化、智能化和自动化技术正在各个行业得以快速应用,大大提高了对工程设施和资源的精准管理和利用水平,灌区管理也需要从依靠人工管理向机械化、信息化、智能化和自动化管理方向发展。

针对大型灌区存在的以上问题和面临的变化环境,需要通过灌区续建配套与现代化改造,解决存在的问题,进一步改造完善工程设施、提升管理能力和水平,为农业灌溉和其他用水户提供安全、可靠、高效、灵活、公平和可持续的供水服务。

二、灌区现代化改造的目标

联合国粮农组织于1997年对灌区现代化作了如下定义:“灌区现代化是灌溉系统管理和技术不断升级的过程,目的是改善资源(包括人力资源、水资源、经济资源和环境资源等)的利用效率和输配水服务。”

灌区现代化建设是一个逐渐发展的过程,在不同的基础条件下其建设内容和发展方向亦有所不同。我国灌区分布广泛,由于不同的地理位置和水资源开发利用条件,以及灌区的工程设施状况和管理方式等不同而各具特点。因此,灌区现代化改造方案的制定要以当地的具体情况为基础,注重各灌区自然条件与工程和管理条件的差异性,以灌区的实际需求为牵引,实现的目标为导向,综合应用工程、技术和管理措施。灌区现代化改造的目标是全面提升灌区安全运行管理水平、提高灌区水资源的优化配置能力、提升工程运行现代化管理能力、改革完善管理体制机制、提高灌溉用水利用效率与效益、降低管理成本、控制农业面源污染、改善生态环境、提高劳动生产效率、减少管理用工和费用、保护利用古代和现代灌溉遗产、加强灌区水文化建设,为农业灌溉和其他用水户提供安全、可靠、经济、高效、灵活、公平和可持续的供水服务。

三、灌区现代化改造的方法

灌区现代化改造方案的制定要统一规划、整体集成、精细设计、分步实施。首先要对灌区的状况进行全面系统的评估,对反映灌区水土资源状况、工程状况、灌溉效率效益情况、灌区管理及生态环境状况的综合指标和反映灌区内部管理服务水平、灌排渠系和建筑物等硬件设施状况的细部指标进行全面调查评估,提出灌区在资源配置、工程设施、管理技术、管理体制机制、安全运行、供水能力、生态环境等方面存在的问题,特别是要对灌排系统供水排水能力和关键问题进行系统分析。

在对灌区状况进行调查评估的基础上,全面展望灌区所服务的区域农业、城镇生活、工业发展和生态环境保护对水的需求,以灌区现代化改造要实现的目标为导向,有针对性地制定灌区现代化改造整体规划方案,包括水资源配置、骨干工程改造、田间工程改造及管理单元合理划分、管理体制机制改革、管理能力提升、数字化智慧灌区建设、生态环境建设与保护、灌溉遗产保护与利用等方面。灌区现代化改造不是简单的工程设施改造,而是在整体规划方案的基础上,综合选择应用适宜的工程、技术和管理措施,特别是要注重工程措施与现代化管理技术、模式之间的结合和相互促进作用,把输配水网与信息网、服务网三网紧密融合,加强水利专业技术与信息化专业技术相结合。

1.水资源评价和优化配置

对灌区水资源进行评价是灌区现代化改造的基础,实现灌区水资源优化配置是灌区现代化改造的目标之一。在供水水源方面,要对灌区内的降水、地表水、地下水、土壤水,以及从灌区区域外引入的地表水和地下水进行系统分析。在需水方面,要依据区域发展规划对灌区农业用水、城镇生活用水、工业用水、生态用水和其他用水需求进行系统分析。特别是要注重分析各类用水的回归水利用和节水的尺度效应问题。渠系水和灌溉水利用系数只反映了灌溉工程的输水和用水效率,水流出灌溉系统的边界就认为是损失;而从水资源循环利用的角度来看,流出灌溉系统边界的水可能补给了地下水或生态用水,也可能回归利用了,没有损失或没有全部损失。

因此,对灌区的水资源高效利用评价,除了用反映输配水和用水工程效率的渠系水和灌溉水利用系数外,还要用反映水资源循环利用的水资源利用效率。提高渠系水和灌溉水利用系数,可以及时把水输配到田间灌溉,有利于增产稳产,但提升渠系水和灌溉水利用系数是需要对输配水系统和田间灌溉系统进行投入、改造来实现的。对于灌区而言,渠系水和灌溉水利用系数低,不意味着水资源利用效率低,在我们十分重视灌区生态环境用水的当代,要根据每处灌区的特点全面系统分析灌区节水和水资源优化配置之间的关系,综合考虑生态用水和灌溉农田洗盐用水,合理选择节水技术与措施和节水程度,用最小的投入实现灌区的高效灌溉和水资源优化配置与生态环境的可持续发展。

2.骨干工程改造

灌区的骨干工程包括灌区管理的渠道、排水沟、道路、调蓄设施和水系连通工程等。过去20多年实施的大型灌区续建配套和节水改造项目对全国大型灌区的骨干渠系(总干、干、支渠)进行了大规模的改造完善,但目前还有不少灌区的骨干输配水渠系建设标准低、不配套,不能满足安全运行和供水管理要求。对存在问题及未满足安全运行或供水需求的渠道,要进行整治、修复、加固、扩建、改造,因地制宜采用不同的衬砌和护堤形式,在条件适合的地方用管道代替渠道输水,实现有压灌溉。对老化损坏严重、配套不齐的节制闸、分水闸、泄水闸,进行重建、修复或配套,确保其运行控制功能。根据渠系运行调度需要,增设节制闸、分水闸或泄洪闸。对存在老化损坏、开裂漏水、过水不足等问题的渠系交叉建筑物,如渡槽、涵洞、倒虹管、隧洞等进行修复或改造;对严重阻碍输水的建筑物,考虑进行重建或部分重建;对过水能力不够的输水建筑物进行改建、扩建。为了提高供水保证率和防洪标准,因地制宜建设水系连通和蓄水工程,构建布局合理、引排得当、蓄泄兼筹、丰枯调剂、生态良好、多水源互补的水网工程。为了保证供水水质符合要求,避免受到污染的水流进入渠道,将与河流平交的渠道改为立交型式,并设置能够控制流量的进出水通道。对频繁出现滑坡、阻碍了渠道正常运行的高边坡和深挖方渠道改建为暗涵;对部分绕山渠道,可用隧洞代替。根据灌区安全运行管理改造完善,建设排水沟和道路工程及防护栏设施。对于具有水文化保护价值的渠道、水闸、渡槽、隧洞、涵洞、桥梁等建筑物,如20世纪80年代以前兴建的条石材料建筑物,若结构稳定,满足功能需求,应避免拆除,采用保护型式的加固改造。

3.田间工程改造

田间工程是指流量在1m3/s以下的斗渠、农渠渠道工程及配套建筑物和田间灌溉工程,田间工程直接关系到向用水户配水的服务质量和灌溉用水效率,以及田间灌溉管理的用工量和方便程度。我国灌区田间工程不配套或建设标准低问题依然突出,影响用水效率和效益的发挥,需要进一步改造完善。要根据地域和种植作物特点,因地制宜选择田间输配水工程结构型式和田间灌溉方法和技术。灌区田间工程量大面广,是实现灌区灌溉效益的关键,田间工程的改造要与骨干工程改造相配套,确保灌区现代化改造整体效果和效益的实现。

田间工程的规划布置原则包括以下方面:一是斗农渠改造规划要与灌区续建配套与节水改造规划及所在区域的经济社会可持续发展规划、国土规划、农业发展规划等相协调;二是按照乡村振兴战略要求,坚持山、水、田、林、路统一规划,旱、涝、渍综合治理、全面规划;三是按照高标准农田建设和水利现代化、灌区现代化的有关要求,根据当地实际情况采用适宜的末级渠道断面结构和衬砌形式,并完善斗农渠量水和控制设施建设,提高自动化程度,补齐灌区斗农渠和田间工程与管理的短板;四是从实际需要和发展趋势出发,坚持因地制宜,按照灌区类型、水源特点、种植模式,分阶段实施高效节水灌溉技术和工程措施,逐步提高灌溉水利用率,控制农田面源污染,实现水资源的可持续利用,减少管理用工和劳动强度,降低农业生产成本;五是工程措施与管理措施相结合,在适宜的区域和发展阶段,采用信息监测技术、智能化和自动化技术进行管理;六是对于土地平整程度较差、将继续应用地面灌溉技术、灌水定额大且不均匀的地块,应根据灌区地形情况及土壤渗透性,规划方田,平整土地,要求沿畦长方向的比降一致,保证灌水均匀度;七是水稻种植区推广的主要节水灌溉措施为“控制灌溉”或“浅薄湿晒”灌溉模式,其他大田作物以小畦灌或沟灌为主要的节水灌溉措施,有条件的地区可推广固定式或半固定式管道输水灌溉,集中连片种植经济作物和果树的区域可以采用滴灌或微喷等高效节水灌溉措施。

4.数字灌区与智慧灌区

灌区是由取引水枢纽、输配水渠系、节制闸及分水闸、调节水库等建筑物构成的供水系统和种植作物组成的复杂大系统。依靠传统的人工凭经验管理方式难以对灌区工程系统进行安全、及时、高效、精准和经济的运行管理,也难以实现水资源的优化配置和高效利用。灌区农业现代化以及多功能、多用途发展对供水服务提出了更高的要求,迫切需要通过应用信息化、数字化、智能化和自动化技术提升灌区管理能力和水平。同时,随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新兴信息技术的迅速发展和深入应用,全国水利信息化建设亦进入了全方位、多层次发展的新阶段,为数字灌区、智慧灌区的建设奠定了基础。

要按照“需求牵引、应用至上”的要求,规划设计数字灌区、智慧灌区建设,加快灌区计量设施、智慧决策系统、闸门自动化监控系统、信息化管理系统建设进程。实现灌区管理由依靠人工经验向数字化、智慧化管理的转变,对于灌区灌溉、抗旱和防洪,由事中事后被动应对向事前主动预测、预报、预警和预案转变,实现灌区管理智慧化科学决策和优化运行调度。

数字灌区智慧灌区主要规划建设内容应当包括以下方面:

提升物联感知能力。扩大灌区渠系、水利工程设施的监测范围,提升水利管理活动的动态感知能力;积极推进灌区水位、流量、降雨、水质等水情、工情和水事等前端物联感知能力建设。

提升远程监控能力。提升灌区控水设备设施自动化程度和远程监控水平。根据“安全可靠、智能高效、省工省力”的原则,面向灌区闸门、泵站、分水洞等工程设施,按照智能决策、远程监控和人工现地控制相结合的方式,进行灌区控水工程的远程控制改造。

提升灌区网络系统。在现有网络基础上,逐渐完善灌区水利数据中心网,优化功能分区及网络架构,扩展覆盖范围、扩充带宽,形成覆盖全灌区及各管理处和站的水利信息业务网。

开发应用灌区管理“智慧大脑”。开发应用数字灌区和智慧灌区管理系统,为灌区工程设施运行调度提供数字化、智能化组件、算力、算法等支撑。构建灌区水力模型和算法模型库,研究应用深度挖掘、智能学习等技术,建设可扩展的云端超算能力,提高灌区数据处理、分析及业务应用能力,为灌区水资源优化配置管理及防汛抗旱预测、预报、预警和预案提供技术保障。根据灌区渠系、闸门等硬件设施的特性,以及灌区水量供需平衡情况和预报数据,对渠系输配水过程进行模拟和优化,提供最佳输配水方案,为工程设施优化运行调度提供决策支持。

灌区改造的最终目标是实现高效用水、水资源的可持续利用和为用水户提供良好的供水服务,灌区工程能力的提升仅仅是为其提供了基础条件,而要真正实现高效用水、提高灌区服务水平,还必须有科学的决策。灌区作为一个综合服务系统,具有工程的分散性、农作物需水的时效性、灌溉供水的动态性、渠道输水的时滞性等方面的特点,导致了灌区供用水高效管理的复杂性,其运行调度决策系统需要将作物、气象、土壤、水资源、水力学、信息技术和控制论等学科相融合,通过构建基于多学科的灌区管理决策系统,实现灌区的多目标优化调度及现代化运行管理。

5.生态环境保护与改善

灌区是最大的人工生态系统,由于经济社会快速发展,我国许多地区尤其是北方地区水资源过度开发问题十分突出,生态系统退化,改善灌区生态环境是实现灌溉农业可持续发展的保障。改善灌区生态环境措施包括:恢复与保护植被,控制水土流失,保障生态需水,治理农田面源污染,应用控制排水和生态排水沟技术和措施保护灌区湿地,保障水质安全,监测生态环境变化,建立生态环境保护管理制度。在进行水资源分析和配置及选择节水措施时,要考虑生态需水和水资源的循环利用。

6.体制机制改革

理顺管理关系,明确职责,是灌区管理体制改革的关键,也是灌区实现水资源和水利工程统一管理的前提条件。充分发挥政府主导作用和市场配置资源决定性作用,推进灌区管理体制、生态补偿与保护机制、资金投入机制、水价机制、水权确权及交易机制、工程管护机制、目标绩效考核机制、水系连通调度机制等体制机制改革,着力构建系统完备、科学规范、运行有效的现代化灌区管理体制机制。构建自主建设管理与专业化建设管理相结合,水利部门与农业部门相结合的协调机制。

7.灌溉遗产保护与水文化建设

在中国5000年的农耕文明中,因水资源禀赋和自然环境差异而建造出类型丰富、数量众多的灌溉工程。许多古代灌溉工程运用了数百年甚至上千年,至今仍在发挥作用,其中蕴含着丰富的自然哲理、科学思想、文化价值和实用价值。古代灌溉工程得以延续至今,其建筑型式体现出人们对河流特性和自然规律的认识、尊重和合理利用,表现出人与自然和谐的规划特点,也往往意味着这些灌溉工程在规划、选址、选型、建设和管理上的可持续性,随着科技和社会的发展其功能和效益仍在扩展中。许多古代灌溉工程管理体制体现了受益群体共同建设和管理的社会组织形式。如安徽寿县的芍陂,是我国历史最悠久的大型陂塘蓄水灌溉工程;有2270多年历史的四川都江堰,是世界上年代最久远、仍在发挥作用的无坝引水灌溉工程;贵州鲍屯仍在运行的古代水利工程,迄今至少有400年的历史。这些古代灌溉工程堪称人与自然和谐相处的典范,是可持续发展的活样板。在我们拥有先进科学技术的当代,从灌溉工程遗产中汲取科学理念、智慧和经验,把现代科学技术与经过历史检验的思想和理念相结合,有助于更好地设计和建造人水和谐与可持续发展的灌溉工程。灌溉工程遗产也是重要的文化传承,在灌区现代化建设的过程中应该同时加强对古代和现代灌溉工程遗产和灌溉文明的保护和利用,加强水文化建设。

 

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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