中國農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源灌溉現(xiàn)狀與發(fā)展策略

胡雅琪，吳文勇

（中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京100048）

一、前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的急劇增加，水資源供需矛盾日益突出。中國是一個水資源短缺的國家，人均水資源量僅為2 100 m3，不足世界人均占有量的1/3，居世界第127位[1]。由于各地區(qū)處于不同的水文帶及受季風(fēng)氣候影響，中國淡水資源時空分布不均、與耕地資源分布不匹配、水資源水分利用效率低及水污染嚴(yán)重等問題更加劇了淡水資源危機(jī)。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是中國第一用水大戶，約占用水總量的65%，其中農(nóng)業(yè)用水量的90%用于農(nóng)業(yè)灌溉，在水資源形式日益緊張的情況下，農(nóng)業(yè)的發(fā)展首先受到制約。多渠道開發(fā)利用非常規(guī)水資源是世界各國高度重視和積極探索的水資源可持續(xù)利用模式之一，對緩解農(nóng)業(yè)水資源問題具有重要意義。非常規(guī)水資源主要包括再生水、微咸水、雨水、海水等，農(nóng)業(yè)用非常規(guī)水資源以再生水和微咸水為主。具體來講，再生水指污水經(jīng)適當(dāng)工藝處理后，達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足某種使用功能要求，可以進(jìn)行有益使用的水[2]；微咸水一般指礦化度為2～5 g/L的含鹽水[3]。若在農(nóng)業(yè)灌溉中合理開發(fā)利用非常規(guī)水資源，既增辟了灌溉水源，又提高了灌溉保障率，是緩解水資源短缺矛盾的重要舉措之一[4,5]。本文就中國非常規(guī)水資源分布特征與農(nóng)業(yè)利用現(xiàn)狀、安全灌溉模式和保障措施，及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行簡要介紹，以期為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的非常規(guī)水資源利用提供參考。

二、中國農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀評價

（一）中國農(nóng)業(yè)可利用非常規(guī)水資源分布特征

中國非常規(guī)水資源具有水量大、水量集中的特點。以2015年為例，我國農(nóng)田灌溉水量為3.377×1011m3[6]。根據(jù)調(diào)研與數(shù)據(jù)分析，2015年全國再生水資源量為3.665×1010m3，再生水農(nóng)田灌溉量為1.101×1010m3，其中再生水農(nóng)田灌溉量最大區(qū)域為華北區(qū)5.21×109m3和長江區(qū)2.57×109m3。在微咸水方面，礦化度為2～5 g/L的微咸水天然補給量為2.459×1010m3，可開采量為8.78×109m3，主要分布在華北平原區(qū)、松遼平原區(qū)、黃河中游黃土區(qū)、西北干旱區(qū)和長江三角洲濱海區(qū)；微咸水農(nóng)田灌溉量為1.48×109m3，其中微咸水農(nóng)田灌溉量最大區(qū)域為華北區(qū)9.3×108m3和晉陜甘4.2×108m3。2015年各區(qū)劃非常規(guī)水資源量分布，如表1所示。

（二）中國農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用現(xiàn)狀與潛力

我國非常規(guī)水資源開發(fā)利用潛力巨大，非常規(guī)水資源開發(fā)利用對于提升水資源、水生態(tài)、水環(huán)境承載能力、促進(jìn)空間均衡等具有重要意義。我國自20世紀(jì)50年代大規(guī)模采用污水灌溉開始，國內(nèi)先后形成了北京污灌區(qū)、天津武寶寧污灌區(qū)、遼寧沈撫污灌區(qū)、山西惠明污灌區(qū)及新疆石河子污灌區(qū)共計五大污灌區(qū)[7]，到1991年，全國污灌面積已達(dá)3.067×106hm2[8]。2000年以后，農(nóng)業(yè)缺水形勢日趨嚴(yán)峻，再生水灌溉利用受到廣泛關(guān)注。北京市先后建設(shè)了新河灌區(qū)、南紅門灌區(qū)等再生水灌區(qū)，是國內(nèi)最大的灌區(qū)，灌溉面積超過6×105畝（1 畝 ≈ 666.667 m2），2010 年再生水灌溉量達(dá)到3×108m3[9]。到2015年全國再生水灌溉量已達(dá)1.101×1010m3。在北京、天津、內(nèi)蒙古、陜西、山西等省市自治區(qū)，再生水已在農(nóng)田灌溉、綠地灌溉、景觀補水等方面得到規(guī)?；茝V利用。為推動再生水灌溉利用，頒布了《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》[10]，北京、內(nèi)蒙古等地頒布了再生水灌溉工程的地方標(biāo)準(zhǔn)，以上工作推動了再生水的廣泛利用。

我國微咸水面積分布廣、數(shù)量大，廣泛分布在華北、西北以及沿海地帶，特別是鹽漬土地區(qū)，且絕大部分在地下10～100 m處，易于開發(fā)利用[11]。我國利用微咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉的實踐已經(jīng)有很長的歷史，但從20世紀(jì)六七十年代才開始微咸水灌溉方面的研究。寧夏是較早利用微咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉的地區(qū)，用咸水灌溉的大麥和小麥達(dá)到了比旱地增產(chǎn)的效果；天津提出了符合干旱耕地質(zhì)量安全的礦化度3～5 g/L微咸水灌溉模式[12]；衡水利用微咸水灌溉，節(jié)約深層地下淡水1×108m3，節(jié)約灌溉費用4 000多萬元[13]；此外，在內(nèi)蒙古、甘肅、河南、山東、遼寧、新疆等地都有不同程度的利用微咸水進(jìn)行灌溉并獲得高產(chǎn)的實踐經(jīng)驗。目前，我國微咸水利用重點區(qū)域是海河流域、吉林西部、內(nèi)蒙古中部、新疆等地區(qū)，礦化度為2～5 g/L的地下微咸水天然補給量為2.459×1010m3，微咸水灌溉量約為1.48×109m3。

我國農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源具有較高潛力，到2030年，農(nóng)業(yè)可利用非常規(guī)水資源量為3.438×1010m3。預(yù)計農(nóng)業(yè)可利用再生水資源量為2.951×1010m3，其中農(nóng)田灌溉量為1.645×1010m3（較2015年新增5.44×109m3）；預(yù)計農(nóng)業(yè)可利用微咸水資源量為4.87×109m3，其中農(nóng)田灌溉量為2.48×109m3（較2015年新增1×109m3）。在淡水資源缺乏而非常規(guī)水資源相對豐富的地區(qū)，特別是北方干旱地區(qū)，開發(fā)利用非常規(guī)水資源不失為解決當(dāng)?shù)氐Y源短缺的良策。

三、農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源灌溉技術(shù)模式

（一）再生水灌溉技術(shù)模式

國內(nèi)外已開展大量不同處理再生水灌溉模式實踐。澳大利亞墨爾本W(wǎng)erribee農(nóng)場通過土地滲濾、地表滲流、氧化塘等方法對污水進(jìn)行滲濾處理；北京市大興區(qū)南紅門再生水灌區(qū)利用楊各莊濕地、坑塘處理與調(diào)蓄再生水，實現(xiàn)季節(jié)性調(diào)蓄，促進(jìn)了再生水的高效利用；對于經(jīng)過土地處理系統(tǒng)或濕地處理系統(tǒng)深度處理后的再生水，在采用合適的灌溉方式與灌溉時機(jī)條件下，一般可以灌溉所有作物或園林植物[14]。概括來說，根據(jù)再生水灌溉系統(tǒng)中預(yù)處理工程的組成可以將再生水灌溉模式分為4種，即“4R”模式（見表2），包括二級出水經(jīng)土地處理系統(tǒng)（SAT）凈化后用于灌溉的土地凈化再生水灌溉（SR）模式、二級出水經(jīng)濕地處理系統(tǒng)（WTS）凈化后用于灌溉的濕地凈化再生水灌溉（WR）模式、二級出水經(jīng)自然水系循環(huán)聯(lián)調(diào)改善后用于灌溉的自然水循環(huán)凈化再生水灌溉（CR）模式及深度處理出水直接用于農(nóng)林綠地灌溉的深度處理再生水灌溉（DR）模式。此外，再生水安全灌溉技術(shù)還包括植物類型識別、風(fēng)險評估與污染控制、再生水噴滴灌技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

（二）微咸水灌溉技術(shù)模式

世界各國在生產(chǎn)實踐中，因地制宜地采用不同的微咸水灌溉技術(shù)模式。Wang等[15]研究表明直接利用礦化度小于3 g/L的微咸水連續(xù)3年灌溉春玉米未出現(xiàn)明顯的減產(chǎn)現(xiàn)象；陳琳等[16]發(fā)現(xiàn)采用咸淡水混灌最有利于黃瓜產(chǎn)量的積累和品質(zhì)的提高?？傮w來說，微咸水灌溉技術(shù)模式分為3類，包括微咸水直接灌溉（DI）模式、咸淡水混灌（MI）模式和咸淡水輪灌（AI）模式，即“3I”模式（見表3）。DI主要用于土地滲透性好且淡水資源十分緊缺的地區(qū)，同時選擇耐鹽類植物進(jìn)行種植[17,18]； MI是將淡水與咸水混合，通過沖淡鹽水的辦法進(jìn)行灌溉[19]；對于苗期對鹽分比較敏感的作物，可采用AI[20]。微咸水灌溉以耐鹽、抗旱作物為主，在充分考慮作物品質(zhì)、水質(zhì)狀況、土壤類型、氣象條件、地下水埋深等狀況基礎(chǔ)上，結(jié)合地面灌、噴滴灌等灌溉方式，及相應(yīng)的農(nóng)藝措施，合理控制灌水量和灌水次數(shù)，選取適宜的灌溉模式。

四、非常規(guī)水資源安全灌溉保障措施

我國農(nóng)業(yè)利用再生水、微咸水等非常規(guī)水資源具有較高的潛力，為促進(jìn)非常規(guī)水資源安全高效利用，需要在農(nóng)業(yè)非常規(guī)水灌溉區(qū)劃技術(shù)、適宜作物分類、污染識別技術(shù)、高效灌水技術(shù)、監(jiān)測評價技術(shù)、集成應(yīng)用模式六方面不斷完善技術(shù)成果，實現(xiàn)必要的技術(shù)保障。

（一）灌溉區(qū)劃技術(shù)

灌溉區(qū)劃技術(shù)對于非常規(guī)水資源利用十分重要，再生水灌溉要重點防止伴生污染，微咸水灌溉要重點防控土壤次生鹽漬化，通過灌溉區(qū)劃對回用區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，提高非常規(guī)水資源安全高效利用水平。

再生水灌溉利用區(qū)劃是再生水安全利用的重要措施之一，應(yīng)根據(jù)再生水灌區(qū)土壤理化性狀、土壤質(zhì)量、地下水埋深以及地面坡度等進(jìn)行再生水灌區(qū)灌溉適宜性分區(qū)，宜按表4的規(guī)定進(jìn)行再生水灌溉適宜性分區(qū)。

1.2.2 稠化時間測定 參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6214-1996《酸液稠化劑評價方法》4.2章節(jié)規(guī)定方法測定稠化時間執(zhí)行。

表2 再生水灌溉“4R”模式

表3 微咸水灌溉“3I”模式

表4 再生水灌溉適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

微咸水灌溉區(qū)域一般排水條件良好，結(jié)合適宜的灌水制度及管理模式，能有效控制根層土壤鹽分累積。土壤中的可溶性鈉百分率（SSP）＜65%且鈉吸附比（SAR）≤10的區(qū)域適宜利用微咸水灌溉[21]。應(yīng)依據(jù)灌區(qū)氣候類型、微咸水水質(zhì)、地下水埋深條件和土壤質(zhì)地類型等指標(biāo)進(jìn)行微咸水灌溉適宜性分區(qū)（見表5）。

（二）適宜作物分類

再生水灌溉作物分類[10]：①優(yōu)先推薦工業(yè)原料類植物、園林綠地、林木等；②推薦大田糧食作物、烹調(diào)及去皮蔬菜、瓜類、果樹、牧草、飼料類等；③不推薦生食類蔬菜、草本水果等。

微咸水灌溉作物分類：①耐鹽植物，可以利用中度或重度微咸水進(jìn)行灌溉；②中等耐鹽植物，可利用輕度或中度微咸水進(jìn)行灌溉，在淋洗分?jǐn)?shù)（LF）≥36%的排水控鹽條件較好灌區(qū)可利用重度微咸水進(jìn)行灌溉；③中等鹽分敏感植物，可利用輕度微咸水灌溉，在LF≥50%的排水控鹽條件較好灌區(qū)可利用中度微咸水進(jìn)行灌溉，不得利用重度微咸水進(jìn)行灌溉；④鹽分敏感植物，在LF≥80%的排水控鹽條件較好灌區(qū)可利用輕度微咸水進(jìn)行灌溉，不得利用中度或重度微咸水進(jìn)行灌溉。

植物耐鹽能力分類情況[22]，如表6所示。

表5 微咸水灌溉適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

表6 植物耐鹽能力分類

（三）風(fēng)險評估技術(shù)

完善風(fēng)險評估技術(shù)是推進(jìn)農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源灌溉安全利用的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，通過風(fēng)險評估可以定量表征非常規(guī)水資源開發(fā)利用的現(xiàn)狀風(fēng)險，并預(yù)測目標(biāo)灌溉年限后環(huán)境演變趨勢，重點關(guān)注以下幾個方面：①評估對象：針對土壤、作物、地下水等環(huán)境質(zhì)量以及公眾健康等評估對象；②評估方法：風(fēng)險評估主要采取試驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，評估復(fù)合污染條件下再生水利用風(fēng)險是今后需要深入研究的難點之一；③評估閾值：針對不同的回用目標(biāo)確定相應(yīng)的閾值指標(biāo)體系，作為風(fēng)險評判的依據(jù)。目前，我國在非常規(guī)水資源評估方法的研究方面有一定進(jìn)展，但是在再生水持久性新興污染物影響的風(fēng)險評估方面國內(nèi)外均處于起步階段，還需要開展深入研究，建立再生水灌溉條件下新興污染物健康風(fēng)險評價是目前再生水安全利用的技術(shù)瓶頸。

（四）高效灌水技術(shù)

農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源高效利用技術(shù)涉及灌水技術(shù)和灌溉制度：①農(nóng)業(yè)再生水高效利用技術(shù)，從區(qū)域和田塊尺度尋求技術(shù)突破，在區(qū)域?qū)用嬷攸c解決大中型再生水灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度問題，在田塊尺度，重點解決再生水過程中懸浮物對噴灌和滴灌系統(tǒng)的影響機(jī)制和性能提升技術(shù)，提高灌水均勻度和設(shè)備使用壽命；②農(nóng)業(yè)微咸水高效利用技術(shù)，重點突破微咸水安全高效灌溉制度，提出微咸水灌溉土壤水肥鹽耦合模擬模型，建立微咸水微灌水鹽優(yōu)化調(diào)控灌溉制度和調(diào)控模式。

（五）監(jiān)測評價技術(shù)

農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用應(yīng)當(dāng)建立監(jiān)測評價制度，定量評估環(huán)境質(zhì)量演變過程：①監(jiān)測指標(biāo)：根據(jù)非常規(guī)水資源灌溉對土壤、作物和地下水等環(huán)境要素的影響機(jī)制，篩選相應(yīng)物理、化學(xué)及生物指標(biāo)，作為年度監(jiān)測指標(biāo)；②監(jiān)測密度和頻率：根據(jù)主要監(jiān)測污染物指標(biāo)的時空變異性和地統(tǒng)計學(xué)特征，建立監(jiān)測密度和頻率的計算方法；③評價方法：研究建立單因子評價法和綜合評價法，明確不同評價方法的適用條件。

（六）集成應(yīng)用模式

五、中國農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用策略

與美國、以色列等發(fā)達(dá)國家相比，我國在農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用的基礎(chǔ)研究、政策法規(guī)方面尚不健全，為促進(jìn)非常規(guī)水資源開發(fā)利用，重點考慮以下四個方面。

（一）加強農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源灌溉技術(shù)研究與推廣

我國農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。我國再生水利用研究起步于2000年前后。2000年以來，國家“863計劃”、科技支撐計劃以及“十三五”時期實施的“水資源重點研發(fā)專項”均涉及到非常規(guī)水資源開發(fā)利用研究課題，今后研究重點關(guān)注農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用的污染識別技術(shù)、風(fēng)險評估技術(shù)、高效灌溉技術(shù)等領(lǐng)域，建立適合我國氣候特點和國情的農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用技術(shù)體系。面向公眾和農(nóng)戶，開展農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用宣傳推廣工作，建設(shè)不同類型的示范區(qū)。

（二）完善農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源回用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

《中國節(jié)水政策大綱（2005）》明確提出“在研究試驗的基礎(chǔ)上，安全使用部分再生水、微咸水和淡化后的海水等非常規(guī)水以及通過人工增雨技術(shù)等非常規(guī)手段增加農(nóng)業(yè)水資源”，從國家政策銜接來看，尚需制定農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用技術(shù)指南。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善也是制約因素之一，目前國內(nèi)已經(jīng)制定了《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB 20922—2007），尚未制定微咸水灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及再生水、微咸水灌溉的技術(shù)規(guī)范。北京、內(nèi)蒙古等地制定了再生水灌溉的地方標(biāo)準(zhǔn)，河北、內(nèi)蒙古等地制定微咸水灌溉的地方標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)尚未制定農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用的地方標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)體系不完善客觀上制約了非常規(guī)水資源的開發(fā)利用。

（三）將非常規(guī)水資源納入水資源配置與開發(fā)利用規(guī)劃

將非常規(guī)水資源納入行政區(qū)水資源統(tǒng)一配置是推動非常規(guī)水資源灌溉利用的基礎(chǔ)性工作，目前，國家尚未編制農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用規(guī)劃，尚未將非常規(guī)水資源納入水資源配置。國家和地方政府制定的水利發(fā)展五年規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)專門設(shè)立專題規(guī)劃，規(guī)劃非常規(guī)水資源開發(fā)利用目標(biāo)、工程任務(wù)和資金投入等，從源頭上加強農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源的開發(fā)利用，對于開發(fā)利用非常規(guī)水資源的工程給予資金、減免水費等政策支持。

（四）制定農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用激勵政策

科學(xué)制定非常規(guī)水源的價格，讓價格杠桿在水資源市場中充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，建立和完善非常規(guī)水源的收費制度，以補充非常規(guī)水源開發(fā)利用設(shè)施的投資、建設(shè)和運營的支出。通過價格、補貼、稅收優(yōu)惠等措施使得非常規(guī)水源與常規(guī)水源相比具有明顯的價格優(yōu)勢和盈利空間，調(diào)動企業(yè)的積極性。綜合運用多種金融、財稅政策與制度，設(shè)立專項扶持基金，對非常規(guī)水資源開發(fā)利用相關(guān)企業(yè)、公司、科研院所從稅收、項目資助等方面進(jìn)行扶持，以促進(jìn)非常規(guī)水資源開發(fā)利用技術(shù)的升級換代和向?qū)嵱秒A段轉(zhuǎn)化，將農(nóng)田灌溉列入公益性非常規(guī)水資源開發(fā)利用，納入政府補貼配置范疇，降低非常規(guī)水資源開發(fā)利用成本，使非常規(guī)水資源開發(fā)利用具有相對競爭優(yōu)勢。

六、結(jié)語

農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用將有效緩解區(qū)域水資源短缺形勢。中國非常規(guī)水資源開發(fā)利用潛力巨大，預(yù)計到2030年，再生水和微咸水農(nóng)田灌溉量分別為 1.645×1010m3和 2.48×109m3，較 2015年新增5.44×109m3和1×109m3。在淡水資源缺乏而非常規(guī)水資源相對豐富的地區(qū)，特別是北方干旱地區(qū)，開發(fā)利用非常規(guī)水資源不失為解決當(dāng)?shù)氐Y源短缺的良策。再生水灌溉技術(shù)模式有四種，包括二級出水經(jīng)土地處理系統(tǒng)凈化后用于灌溉的SR模式、二級出水經(jīng)濕地系統(tǒng)凈化后用于灌溉的WR模式、二級出水經(jīng)自然水系循環(huán)聯(lián)調(diào)改善后用于灌溉的CR模式及深度處理出水直接用于農(nóng)林綠地灌溉的DR模式；微咸水灌溉技術(shù)模式有三種，包括DI模式、MI模式和AI模式。合理選擇非常規(guī)水灌溉模式，不僅可以增加水資源供給量和作物產(chǎn)量，還可以避免帶來環(huán)境不利因素。為促進(jìn)非常規(guī)水資源安全高效利用，需要在農(nóng)業(yè)非常規(guī)水灌溉區(qū)劃技術(shù)、適宜作物分類、污染識別技術(shù)、高效灌水技術(shù)、監(jiān)測評價技術(shù)、集成應(yīng)用模式六方面不斷完善技術(shù)成果，實現(xiàn)必要的技術(shù)保障。同時，同發(fā)達(dá)國家相比，我國在農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用方面的基礎(chǔ)研究、政策法規(guī)尚不健全。針對中國國情，在國內(nèi)外現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步加強農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源灌溉技術(shù)的研究與推廣，完善農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源回用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，將非常規(guī)水資源納入水資源配置與開發(fā)利用規(guī)劃，制定農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源開發(fā)利用激勵政策，以建立適合我國氣候特點和國情的農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源利用技術(shù)體系。