生态节水型灌区建设的主要内容与关键技术

发表于 2017年12月06日

                生态节水型灌区建设的主要内容与关键技术

王 超1,2,王沛芳1,2,侯 俊1,2,钱 进1,2,饶 磊3,敖燕辉1,2

(1. 河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京 210098;

2. 河海大学环境学院,江苏南京 210098;3. 河海大学机电学院,江苏常州 213022)

研究背景与现状:

我国大部分灌区是在中华人民共和国成立后建成的。20 世纪5060 年代以建设新灌区、改建和扩建旧灌区为主,20 世纪70 年代着重农田水利配套工程建设,全国有效灌溉面积大幅增加,粮食产量显著提高。随着水资源紧缺的矛盾日益显著,我国大型灌区从2000 年开始陆续进行续建配套与节水改造工作,灌溉面积萎缩和灌溉效益衰竭的趋势得到了初步遏制。2005 年水利部组织对大型灌区节水改造项目进行中期评估, 灌溉水利用系数由0.425 提高到0.499,农业总产值增幅达46.1%,灌区信息化试点工作也取得初步成效,灌区管理水平显著提高。自20 世纪90 年代以来,随着全国生态农业县和生态示范区建设试点工作的开展和深入,生态灌区的研究成为区域可持续发展研究的热点领域之一,灌区生态系统健康逐渐成为倍受人们关注的热点问题,国内外对灌区生态系统受损机理及修复措施进行了探讨,以生态学理论为指导,使灌区生态与水土资源开发利用、经济的发展走向相协调。国家“十一五”和“十二五”规划进一步明确加大灌区改造力度,并强调以科学的发展观和新的治水思路为指导,调整灌区建设的发展理念,探索以灌区生产力和生态环境并重为核心的灌区建设新模式。

存在问题:

a. 灌溉渠道问题。当前,我国灌溉渠道总长约450 km,其中约5/6 为土质渠道,土质渠道生态性与净污性较好,但难以满足高效灌溉输水需求。淤渠系水利用系数约052(我国最严格水资源管理制度“三条红线冶之一要求农田灌溉水有效利用系数达到0.60),渗漏损失严重,48% 宝贵的灌溉水资源在输水过程中损失。于渠道冲刷、淤积及坍塌严重,输水安全难以保证。盂渠道内容易杂草丛生,影响输水,增加管理费用。渠道衬砌防渗是保障农田灌溉水高效利用和输水安全的必要措施。

b. 渠道衬砌与防渗工程的问题。在灌区的发展中,为减轻渠道渗漏、强化边坡稳定、控制地下水水位,实施了渠道全衬的“三面光冶及边坡防护的硬质化工程,有效提高了灌区渠道的输水能力,但传统灌区产生了渠道衬砌与防渗工程的典型问题:淤硬质衬砌使水生植物无法生长,生物栖息环境丧失,生态系统结构遭到破坏。于渠道水体自净能力下降,面源污染物通过衬砌护坡很容易进入水体,进一步加重了水体的污染负荷。如何保证高效灌溉和边坡稳定的同时,满足生态功能成为渠道构建难点。盂衬砌渠道对地表水和地下水的交换、周围的气候环境等有显著的负面影响。

c. 农田排水面源污染问题。排除农田里多余的地表水和地下水,控制地表径流以消除内涝,控制地下水水位以防治渍害和土壤沼泽化、盐碱化,为改善农业生产条件和保证高产稳产创造良好条件,是农田排水的根本任务。然而,目前排水沟多为“三面光冶和硬质化衬砌,很少考虑排水对环境的影响和雨水资源的有效利用,地表径流和地下排水(淋溶)流失进入环境水体是稻田氮磷污染的主要途径。如何在保证农业排水要求下减少氮磷流失,成为解决农田排水面源污染问题的关键。

解决方案:

1技术思路

生态节水型灌区建设应该在流域的层面上,以综合治理为指导方针,以水肥高效利用与面源污染物协同控制为理念,以灌区渠道、排水沟、水塘、湿地和村镇居民生活污水为对象,以面源污染物削减、生态拦截与沟道修复为重点,以节水为关键,以生态改善为目的,实现灌区“节水、减源、截留、生态冶的总体目标。在生态节水型灌区建设技术体系中,应遵照总体设计思路,以灌区各类污染源控制技术研发为重点,通过沟渠系统的生态工程建设和污染物强化净化及生态截留技术的创新,实现对灌区氮磷、农药、重金属等污染物的有效截留,同时,在灌区中因地制宜地构建洼陷生态湿地系统,对灌区沟道排放出的污染物进行强化净化,实现灌区水资源和肥料农药的循环利用,并通过灌区灌溉排水信息化、智能化管理,形成生态节水型灌区的最佳管理模式。

2关键技术

2.1灌区沟渠系统生态化建设和修复技术

笔者针对灌区输水渠道“三面光冶全衬砌导致生物栖息地破坏和水陆生物通道阻隔的突出问题,提出采用防渗型护岸砌块、水陆动物联通带等系列生态工程建设技术,通过混凝土材料改性、结构形式优化、植物组合配置等方法,实现渠道输水效率的提高和生物生境条件的改善。对已经建成的混凝土全衬砌渠道,采用现场修复改造防渗性生态槽、生物逃逸通道等核心技术。针对灌区排水沟道边坡硬质化防护导致净污能力下降和生物栖息环境破坏的突出问题,通过构建生态排水沟道,运用生态净污砌块、沟道水生植物、生物净化器,实现对农田排水氮磷的生态拦截;在生态排水沟中设置便携式水质净化器、复合人工湿地净化箱等,充分利用微生物净污介质耦合微生物作用增强沟系净污能力,使沟系不仅具有显著净污效应和生态功能,而且不影响排水功能的发挥。同时,针对顺直化排水沟对农田排水持留时间不足和面源净污能力有限的突出问题,开发排水沟带状湿地、梯级平底湿地,实现排水间歇期水体滞留和湿地原位净化,并根据排水面积、排水量和污染负荷调节湿地面积和植物种植密度,对灌区面源污染进行有效净化。借助植生净水石笼、水生植物、柳捆、净水小溪等,构建纵向蜿蜒的结构形态,增加排水停留时间,增强面源净化能力,改善水环境质量,营造适宜生物栖息环境,形成生物多样的健康沟渠。

2. 2灌区污染物源头控制和截留净化技术

针对灌区面源污染物类型多、来源广、成分复杂等突出问题,按照“因地制宜、高技术、低建设与运行成本、低维护、资源化利用冶的原则,开发适合灌区农田退水、农村生活污水、农村生活垃圾、畜禽养殖、水产养殖、村镇地表径流等不同类型污染物的源头控制和截留净化整装成套的创新技术体系,实现灌区污染物控制技术在高效、节能、节地方面的重要突破。利用置于田埂的水稻田退水水质净化装置,拦截退水中氮磷物质,利用活性炭吸附水中重金属、残留的农药等有害物质,实现水质净化装置结合退水排放过程中形成的生态型排水方式,在不改变农业生产格局的前提下实现水质净化、排水通畅。针对灌区生活污水的处理净化问题,在传统污水处理技术的基础上,利用生活污水复合渗滤强化净化系统,因地制宜,利用岸坡大小坡度设置厌氧发酵池、厌氧滤床槽、反应槽、接触曝气槽、生物滤料池及渗滤墙等污水净化单元,借助活性炭、零价铁和微生物的协同强化作用,实现对灌区面源污水的强化、净化。

2. 3灌区洼陷湿地系统的构建与农田退水的循环利用技术

通过长期研究和工程实践,笔者研究团队从节水高效控污的灌排系统的设计与工程形式方面进行技术开发与集成创新,提出了适合灌区不同灌排系统格局的洼陷湿地系统与农田退水循环利用技术体系,实现灌区水肥的高效利用和节约。研发灌排耦合水循环利用节水减污技术,利用循环调节湿地,对灌区田间排水进行净化减污,减小农田面源污染物外排对河流和湖泊造成的影响,处理后的水体通过灌排耦合系统回用灌区,提高了灌区水肥利用效率。依据地势特征因地制宜地构建灌排功能相结合的生态净污系统或自灌自排生态型灌区系统,达到自灌自排和水资源高效循环利用的目的,并通过多级阶梯形生物强化人工湿地的净污作用,有效控制灌区排水面源污染物。同时利用灌区内水塘、断头浜等洼陷结构构建水田排水湿地系统,有效拦截面源污染,改善水质,为动物提供栖息空间、生存环境和生物保育条件。

2. 4灌区水肥精准灌溉和水量水质监控技术

针对灌区用水量大和准确计量困难的突出问题,研究者采用多种非电量间接测量及嵌入式程控技术对灌溉渠系过水量实施精准计量,研发了水量计量及自动闸门一体化、田间灌溉自

升降式、灌溉沟渠倾角式等田间灌溉水量计量自动化和一体化装置,形成不同类型灌区水肥精准灌溉与水量水质监控系统,提升对灌区水分、肥料、退水污染物的“智能、节约、生态、高效冶自动化管理水平。通过精准计量的用水总量控制,依靠经济杠杆作用,实现高效节水和有效控污的目标。同时,在水量水质监控管理方面,采用农田灌区水量监控及调配信息系统,实现实时监控灌区渠系水情及闸门运行状况,及时准确反馈和预测灌区水量分配状态,为灌区水量调配提供决策依据。对灌区各级闸门进行远程控制,可有效提高灌区水量计数和水价计算,强化节水意识和经济杠杆作用。采用农田肥力及土壤温湿度自动监控系统,对农田进行长周期全天候监控,统计分析监控周期内的温湿度数据、肥力元素(NPK)含量,并基于相关数学模型对农田运行状态给出评级,自动形成分析报告,为优化资源配置、提高劳动生产率提供指导。农田灌区面源污染监控及预报系统,主要针对农田灌区排水系统水体中的TPTNNH3-NNO3-NPO4-P 以及重金属元素Mn 等重要污染物质量浓度进行长周期监控,并对这些质量浓度数据的变化情况进行统计分析,为灌区面源污染控制提供依据。利用最终形成的不同类型灌区生态环境信息自动化监测与控制系统,实现对灌区水分、肥料、面源的“智能、节约、生态、高效”的自动化管理。

 

 

本研究发表于《水资源保护》2015年第6期, 2016年该研究成果获国家科技进步一等奖。