西北典型地區節水與生態修復技術集成提升與規模示范

王忠靜，呂華芳

（清華大學水利水電工程系水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

“西北典型地區節水與生態修復技術集成提升與規模示范”項目（項目編號：2016YFC0402900），隸屬國家“十三五”重點研發計劃“水資源高效開發利用”專項“節水治污生態修復先進技術典型示范”方向，項目總經費2300萬元。項目團隊由青海大學、清華大學（對口支援）和甘肅、寧夏、青海三省（區）水利科學研究院（所）以及三省（區）示范區建設的相關協助單位組成。

項目研究內容包括8個方面17個技術要點，分配在4個課題進行交叉驗證、深度總結、標準提煉、集成提升。

（1）已有先進節水灌溉技術的水聯網特征提煉融合

物聯網在水利行業的應用，稱為水聯網，其特征是實時感知、水信互聯、過程跟蹤、智能處理；根據水聯網理論，研究先進灌溉技術應用中水流監測、跟蹤和控制過程的信息流，判別物體感知、信息化、互聯網接入和過程跟蹤等物聯網關鍵環節以及各環節間的信息聯動機制，結合農業灌溉特征，融合提煉相應灌溉技術的水聯網特征，構建灌溉的水聯網鏈路過程。

（2）已有先進節水灌溉技術的生態修復功能挖掘

研究已有先進節水灌溉技術中水流循環轉化過程，評估已有先進節水灌溉技術通過水聯網集成、規模化應用后的灌溉節水效果，分析示范區綜合水效率提升的過程，研究水效率提升過程中的灌溉節水量及其對于回補地下水、增加灌區尾閭濕地用水的作用，從節約農業耗水、增加生態可用水量的角度，挖掘灌溉技術的生態修復功能。

（3）已有先進節水技術的水聯網關鍵能力提升

研制低成本土壤墑情傳感器，提高灌溉水聯網對土壤墑情的感知精度、降低設備成本，實現大范圍農田土壤墑情的連續觀測，提升已有節水技術的水聯網感知能力，為將已有節水技術嵌入水聯網體系提供硬件基礎。根據灌溉規模、地下水條件和新能源資源特性，提出水泵選型和光伏陣列的最佳匹配模式，研發出集光伏提水、低壓灌溉和生態管控一體的第二代牧區提水補灌系統及成套設備，提升光伏水泵供水均衡度和灌溉均勻度。研究兩相介質的高含沙水流場特性，改進高含沙水測流傳感器的水位、流量、流速、水質、含沙量等參數的獲取、傳輸和處理技術，提升傳感器測流能力。

（4）多類型節水灌溉技術西北典型區規模化應用示范

開展低碳提水灌溉技術、精量節水灌溉技術和水聯網節水灌溉在青海高寒草原、甘肅自流灌區和寧夏揚黃灌區的規模化示范。研究青海柴達木示范區提水灌溉系統，建設配套光伏提水機井、輸配水管網系統和田間灌溉設施，集成光伏提水+草場微灌的不同灌溉模式，進行牧草增效灌溉，開展不同微灌技術模式下的牧草多指標觀測；在甘肅省河西走廊疏勒河流域，建設2萬畝精量自流灌溉示范區，在寧夏安裝測灌聯控一體化閘門30套，控灌2萬畝。

（5）水管理政策工具技術西北典型區規模化應用示范

研究甘肅疏勒河流域水權交易機制，進行自流灌區水權交易示范，完善水權交易系統。開展寧夏揚黃灌區水銀行制度體系、運行模式與機理、水權流轉方式與程序、水權交易價格與期限、水銀行與市場監管等技術研究，并進行揚黃灌區水銀行運行示范。研究提出精量節水灌溉與水權交易聯合應用、水聯網節水灌溉與水銀行制度聯合應用的水資源效率提升一體化技術，研究水管理政策工具規模化應用對西北典型區域節水工程技術轉化的倒逼和激勵機制。

（6）不同類型節水技術的聯合應用技術與適宜性評價

根據研究區域特征選取典型節水灌溉技術，從區域、流域等角度研究討論不同節水灌溉技術在不同規模應用情況下的綜合性能與區域適宜性。從灌溉技術特性、設備接口以及應用條件等方面，研究不同類型灌溉節水技術的聯合應用模式。從能耗、水耗、精度、準度、生態影響、可控、可靠、經濟、持久等方面，研究節水灌溉技術聯合應用適宜性評價方法，建立以低碳化、精量化、生態化、智能化和經濟性等方面為內容的綜合評價體系，對不同類型節水灌溉技術及其聯合應用模式的適宜性進行評價。

（7）節水灌溉技術規模化集成應用與安全性評價

研究不同類型節水灌溉技術集成方法，提出集成技術規模化示范應用的技術實施方案，通過青海、甘肅、寧夏應用示范過程和效果的跟蹤監測分析，研究節水灌溉技術規模化集成應用的生態影響，評估其安全性。

（8）節水灌溉與生態修復互補銜接技術與持續性評價

研究草原提灌與草原生態保護的銜接和協同發展技術，研究農牧經濟用地向生態用地的功能轉換模式，提出光伏提水灌溉與牧場生態修復互補銜接技術。研究水聯網精量節水灌溉技術規劃化應用對于灌區地下水恢復和尾閭綠洲生態修復的影響，識別生態修復的入滲水量、下泄水量及流量需求，研究不同節水灌溉技術的組合方式、技術應用空間布局和時間規劃，研究生態修復與節水灌溉技術的銜接模式，提出節水灌溉與生態修復技術集成提升技術。

該項目技術路線包括：

（1）已有技術集成—交叉示范驗證—安全標準提煉的技術路徑

集成現有的水聯網、水資源智能調度、節水灌溉、水權交易和水銀行等技術，分別在青海省海西州牧場、甘肅省河西走廊疏勒河流域典型灌域和寧夏紅寺堡揚黃灌區典型灌域建設示范區，將低碳生態灌溉、精量節水灌溉、智能節水灌溉、制度節水灌溉等技術在不同示范區進行交叉示范和集成提升，多尺度、多元化地評價其適用性、經濟性和安全性，從而提煉出適宜西北干旱區不同地域的集低碳、精量、生態、智能、經濟于一體的精量節灌安全技術標準體系。

（2）國內獨立研發—國際技術改造—中外聯合提升的創新機制

凝結國內目前已有的相關技術，研制低成本土壤墑情傳感器和光伏提灌成套設備，改進高含沙水測流傳感器和揚黃渠道首部樞紐智設備，形成具有獨立知識產權的專利技術設備。引進澳大利亞全渠道閘門控制系統，改進太陽能供電系統、鋁合金材質主體閘門以及數據傳輸系統等關鍵部件和技術。充分發揮國內外相關研究領域的技術優勢，實現低碳、精量、生態、智能和經濟的水聯網節水灌溉集成技術的聯合提升，達到國際領先水平。

（3）嵌套式規模化示范—生產中人員培訓—自我激發的推廣模式

整合研發的相關技術和設備，在青海、甘肅、寧夏開展嵌套式規模化示范。青海省在海西州牧場建設集光伏提水、低壓灌溉和生態監控于一體的示范區1萬畝，嵌套低成本墑情傳感器監測500畝；甘肅省在疏勒河流域典型灌域建設水權交易示范區10 萬畝，嵌套灌測聯控閘門控灌2 萬畝和低成本墑情傳感器監測1 000畝；寧夏在紅寺堡揚水灌域建設水銀行示范區20 萬畝，嵌套灌測聯控閘門控灌2 萬畝。示范應用中，對當地技術人員、農民群眾等進行全過程跟蹤式技術培訓。充分發揮出節水和生態修復的綜合效益，實現自我激發的推廣模式。

圖1 項目課題邏輯關系圖