苗桃葉，王 凡，苗興樂，董雨昕，韓文霆，3?

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)黃河鐙口灌區(qū)管理中心，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100）

全球約40%的人口生活在由于稀缺和競爭而導(dǎo)致水資源分配不足的地區(qū)。中國的水資源短缺且分布不均，特別是在中國的北部和西北部[1]。習(xí)近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，為破解我國水安全問題指明了方向。黨中央多次提出加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，確保國家糧食安全。灌區(qū)建設(shè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容，也是農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施[2]。農(nóng)村群眾灌溉需求由渴望能夠灌上水、提高畝產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楹禎潮Ｊ铡?yōu)質(zhì)高效?？沙掷m(xù)和高效的水資源管理是許多國家關(guān)注的重要問題，在全球淡水資源使用中，農(nóng)業(yè)已成為用水大戶，占全球淡水資源消耗的69%，其中灌溉用水占90%以上[3-4]。在人多水少、水資源短缺及分配不均、城市化擴(kuò)張、全球氣候變化影響加大的總體形勢下[5]，國家從保障糧食安全、高質(zhì)量發(fā)展、鞏固脫貧攻堅(jiān)成果推進(jìn)鄉(xiāng)村振興三個(gè)方面提出了現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)的新要求。現(xiàn)代化節(jié)水灌區(qū)是應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)理念、先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備工藝和先進(jìn)的智慧管理集成一體的灌區(qū)[6]。不同組織和學(xué)者針對現(xiàn)代節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，永濟(jì)灌域圍繞灌區(qū)的排灌工程、水生態(tài)文明建設(shè)和智慧水管理等方面對灌域進(jìn)行建設(shè)探索[7]；人民勝利渠灌區(qū)以農(nóng)民需求為中心，利用先進(jìn)技術(shù)尋求更加匹配自身發(fā)展的灌區(qū)建設(shè)方案[8]；淠史杭灌區(qū)以節(jié)水、生態(tài)、智慧、共享、魅力五大任務(wù)為重點(diǎn)，推進(jìn)現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)研究與改造[9]。灌區(qū)的發(fā)展既要確保國家糧食安全，又要保障水安全和生態(tài)安全，還要為綠色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供支撐，亟須建成節(jié)水高效、設(shè)施完備、管理科學(xué)、防災(zāi)有力、生態(tài)良好、智慧文化的現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)。河套灌區(qū)作為我國三個(gè)特大型灌區(qū)之一，其管理、建設(shè)、發(fā)展方向具有一定的指導(dǎo)意義。本文以內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)為例，圍繞灌區(qū)信息化建設(shè)、灌溉水保障措施和新技術(shù)推廣等方面進(jìn)行總結(jié)描述，以資為現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 鐙口灌區(qū)概況及灌溉管理存在的問題

內(nèi)蒙古黃河鐙口揚(yáng)水灌區(qū)地處大青山南麓土默川平原，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°8′55″～111°48′00″，北緯42°34′15″～42°24′00″，西起包頭市東河區(qū)，東至呼和浩特市托克托縣，北依大青山南麓，南至黃河干流，主要為包頭市東河區(qū)、土默特右旗及呼和浩特市土默特左旗提供灌溉服務(wù)，同時(shí)為哈素海進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。灌區(qū)包括總干渠1條、干渠3條，支渠160余條，設(shè)計(jì)灌溉面積67萬畝（包括哈素海灌域10 萬畝），現(xiàn)狀有效灌溉面積63.5 萬畝，糧食作物以玉米為主，經(jīng)濟(jì)作物以葵花為主。圖1為內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)平面示意圖。

圖1 內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)平面示意圖Fig.1 Layout plan of Dengkou irrigation area Inner Mongolia

內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)以黃河為水源，從黃河岸邊提水，鐙口一級泵站位于京包鐵路東興車站西南850 m 處的黃河北岸。該站由臨河式泵站（西泵房）和進(jìn)水閘式泵站（東泵房）組成，直列布置，已運(yùn)行40 多年。設(shè)計(jì)提水能力60 m3/s，多年平均提水量為2.4×108～2.5×108m3，總揚(yáng)程6.3 m，總裝機(jī)10臺，總裝機(jī)容量5 000 kW。

內(nèi)蒙古黃河鐙口灌區(qū)管理中心所下設(shè)三個(gè)基層管理所，分別是總干渠管理所、民生渠管理所和躍進(jìn)渠管理所。目前的管理延續(xù)傳統(tǒng)的人工值班、人工巡檢與手工操作方法和信息系統(tǒng)化相結(jié)合的管理模式，管理方法較以前傳統(tǒng)單一的方法逐漸完善，新技術(shù)應(yīng)用不多。同時(shí)，受縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢影響，農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)水監(jiān)控設(shè)施和監(jiān)測設(shè)備不足，灌區(qū)信息化建設(shè)提升空間較大?！笆濉敝?，灌溉管理一直處于粗放型管理階段，仍有大量人工或其他形式的閘門應(yīng)用于各灌區(qū)渠道或水系中，已建成的標(biāo)準(zhǔn)斷面經(jīng)多年運(yùn)行使用破損嚴(yán)重，骨干渠系逐年淤積[10]，農(nóng)業(yè)灌溉計(jì)量精確度低。以總干渠管理所為例，分水閘閘門為老式鑄鐵閘門，自動化程度低，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，不能精準(zhǔn)計(jì)量或沒有計(jì)量能力，給總干渠管理所的管理工作帶來諸多不適。其次，由于灌區(qū)測水工作目前還是人工測量為主、自動化測量為輔的測量方式，受天氣影響和人為因素造成測量水量精度不高、穩(wěn)定性差等情況的發(fā)生，都亟須進(jìn)行信息系統(tǒng)化管理更新改造。再次，總干渠管理所處在偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村地帶，通信不暢通，故需對信息系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備進(jìn)行提檔升級。由于鐙口灌區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與信息化發(fā)展緩慢，導(dǎo)致水資源利用率不高，制約著灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的持續(xù)發(fā)展[11]。

2 鐙口灌區(qū)信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程建設(shè)

圖2 是鐙口灌區(qū)信息化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖。“十三五”期間，鐙口揚(yáng)水灌區(qū)實(shí)施完成信息化建設(shè)工程，其目標(biāo)是建設(shè)成以機(jī)關(guān)為中心的覆蓋灌區(qū)各管理所、閘和信息點(diǎn)，集遙測、遙信、遙調(diào)和遙控于一體的水資源利用和管理網(wǎng)絡(luò)，借助信息化系統(tǒng)，通過灌溉水資源的優(yōu)化配置，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效、可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。灌區(qū)建設(shè)完成了信息采集/監(jiān)視系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)等內(nèi)容，灌區(qū)干渠分水閘、節(jié)制閘安裝自動控制與量水17處，51孔；視頻監(jiān)控51 臺槍機(jī)，36 臺球機(jī)。支渠進(jìn)水口安裝建筑物量水73處，82孔；安裝測控一體化閘門27處，28孔；安裝箱式一體化量水8處，8孔。通過自動量測水，可以比較精準(zhǔn)地測量渠道瞬時(shí)流量和累計(jì)水量，減少了日常測流次數(shù)與強(qiáng)度，初步實(shí)現(xiàn)了合理配水，通過數(shù)據(jù)分析，更準(zhǔn)確、科學(xué)制定灌水定額，合理分配灌溉資源，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水增效的目的。

圖2 信息化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.2 Overall design diagram of information system

測控一體化板閘流量計(jì)（圖3）是由渠道分水閘和流量計(jì)集合而成的自動化灌溉設(shè)備，可滿足灌溉用水的精準(zhǔn)計(jì)量及遠(yuǎn)程輸送。箱式一體化流量計(jì)（圖4）通過計(jì)算灌溉水流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置所造成的凈壓力差來計(jì)算流量，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉用水管理的基礎(chǔ)設(shè)施之一。閘門電動控制系統(tǒng)（圖5、圖6）是通過傳感技術(shù)、自動化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，遠(yuǎn)程開閉閘門的控制系統(tǒng)，是機(jī)關(guān)構(gòu)建的集遙測、遙信、遙調(diào)和遙控于一體的水資源利用和管理網(wǎng)絡(luò)的信息平臺，可實(shí)現(xiàn)水量計(jì)量和收費(fèi)管理。水位計(jì)（圖7）用來自動測定和記錄灌渠等水體水位。有線氣象站（圖8）和土壤墑情儀（圖9），配合設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)氣象和土壤墑情的狀況監(jiān)測，科學(xué)合理地指導(dǎo)調(diào)水配水。在重要干渠安裝視頻監(jiān)測系統(tǒng)，與前述系統(tǒng)聯(lián)合使用，方便管理人員及時(shí)把握實(shí)時(shí)水量，提高灌溉利用效率。圖3至圖9分別是測控一體化板閘流量計(jì)、閘門電動控制柜、水位計(jì)、雨量計(jì)及土壤墑情儀等現(xiàn)場安裝及工作照片，圖10 是現(xiàn)場視頻監(jiān)測系統(tǒng)。

圖3 測控一體化板閘流量計(jì)Fig.3 Integrated measurement and control gate flowmeter

圖4 箱式一體化流量計(jì)Fig.4 Box integrated flow meter

圖5 閘門電動控制柜Fig.5 Gate electric control cabinet

圖6 閘門電動控制系統(tǒng)界面Fig.6 Gate electric control system interface

圖7 水位計(jì)Fig.7 Water level gauger

圖8 氣象站Fig.8 Weather station

圖9 土壤墑情儀Fig.9 Soil moisture meter

圖10 現(xiàn)場視頻監(jiān)測系統(tǒng)Fig.10 On-site video monitoring system

3 鐙口灌區(qū)節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)主要措施

3.1 節(jié)水型灌區(qū)創(chuàng)建要求與標(biāo)準(zhǔn)

為貫徹落實(shí)《國家節(jié)水行動方案》，推動灌區(qū)節(jié)水工作，國家率先以大中型灌區(qū)續(xù)建配套和現(xiàn)代化改造工作為契機(jī)，提出到2030 年，力爭將30%的大中型灌區(qū)創(chuàng)建達(dá)到節(jié)水型灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)水型灌區(qū)創(chuàng)建需要滿足基本條件和評分條件[12]?；緱l件需要滿足三點(diǎn)，否則將被“一票否決”。一是現(xiàn)狀灌溉面積不低于1萬畝，且具有相對獨(dú)立統(tǒng)一的管理主體；二是灌區(qū)已辦理取水許可證，且灌溉水量不超過取用水許可或分配用水量指標(biāo)；三是近3年內(nèi)未發(fā)生工程安全、水質(zhì)安全或重大水事糾紛等事件。評分條件主要包括工程設(shè)施、用水管理、灌區(qū)管理和節(jié)水宣傳等4 類共9 項(xiàng)指標(biāo)。工程設(shè)施指標(biāo)包括灌溉供水保障率、有效灌溉面積占比；用水管理指標(biāo)包括灌溉水有效利用系數(shù)、用水計(jì)量率；灌區(qū)管理指標(biāo)包括“兩費(fèi)”落實(shí)率、執(zhí)行水價(jià)、水費(fèi)收繳率、取水許可；節(jié)水宣傳指標(biāo)包括節(jié)水宣傳與培訓(xùn)。鐙口灌區(qū)節(jié)水型灌區(qū)評分達(dá)到了要求，本文主要總結(jié)重要指標(biāo)達(dá)標(biāo)工作經(jīng)驗(yàn)。

3.2 灌溉供水保障率

供水管理是灌區(qū)最重要的生產(chǎn)工作[13]。為了加強(qiáng)灌溉供水管理，提高區(qū)域灌溉和其他供水保障程度，鐙口灌區(qū)每年年初由基層管理所提前匯總梳理農(nóng)民用水需求計(jì)劃，管理中心根據(jù)取水指標(biāo)制訂年度用水計(jì)劃，對水量進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配、統(tǒng)一調(diào)度，做到了科學(xué)合理調(diào)配供水，水量調(diào)度及時(shí)、準(zhǔn)確，最大限度保障了農(nóng)民用水需求。例如，2020 年、2021 年、2022 年農(nóng)業(yè)灌溉用水量分別為2.200 8×108m3、1.695 3×108m3、2.427 2×108m3，連續(xù)三年用水量均未超批復(fù)指標(biāo)水量，并且保障了農(nóng)民的用水需求。

3.3 灌溉水有效利用效率

農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)是水資源管理的一項(xiàng)重要指標(biāo)，農(nóng)田的高效灌溉是農(nóng)作物生產(chǎn)的必然要求，其測算分析是一項(xiàng)長期而重要的工作[14-15]。

鐙口灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算已由2013 年的0.351 提升到2022 年的0.503，呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢。利用系數(shù)提高顯著，主要得益于續(xù)建配套與節(jié)水改造、現(xiàn)代化改造及水權(quán)轉(zhuǎn)讓等工程項(xiàng)目的實(shí)施完成，提高了輸水能力和灌水保證率。從2021 年開始，灌區(qū)管理中心委托技術(shù)支撐單位開展灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算工作。每次采樣都有專業(yè)人員全程技術(shù)指導(dǎo)、全時(shí)跟蹤采樣，保證了測算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》的要求，采用“首尾測算”分析法，分別在躍進(jìn)渠、民生渠沿渠上、中、下游選取了21 個(gè)典型田塊，作物種類是玉米，形成鐙口灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析網(wǎng)絡(luò)，通過上、中、下游灌區(qū)的典型田塊試驗(yàn)結(jié)合理論分析，一定程度上更加精準(zhǔn)地反映了灌區(qū)的真實(shí)灌溉水有效利用系數(shù)。

3.4 用水計(jì)量率

鐙口灌區(qū)加強(qiáng)灌溉供用水管理，做到了科學(xué)合理調(diào)配供水，水量調(diào)度及時(shí)、準(zhǔn)確。同時(shí)定期開展用水戶及服務(wù)對象用水滿意度調(diào)查，征求用水主體對灌區(qū)在用水計(jì)劃、灌溉調(diào)度、灌溉及時(shí)性、灌溉公平度、灌溉保證率及灌溉滿意度等方面的意見和建議，針對反饋意見及時(shí)整改，灌溉服務(wù)水平得到顯著提高，灌溉服務(wù)質(zhì)量和用水戶服務(wù)滿意度得到提升。截至2021 年底，灌區(qū)所有大閘、干支渠（干斗）口全部有量水設(shè)施，目前灌區(qū)灌溉用水計(jì)量采用的主要方法是測控一體化閘門、建筑物量水等，同時(shí)配有流速儀，測流總體效果良好，干支渠（干斗）口用水計(jì)量率100%。

3.5 水費(fèi)收繳率

灌區(qū)實(shí)行“計(jì)劃用水、按方計(jì)費(fèi)、輪次結(jié)算、先錢后水”的原則，用多少水收多少費(fèi)。管理所與包水員結(jié)算水費(fèi)的水量以支渠口計(jì)量設(shè)施的實(shí)際測流數(shù)據(jù)為依據(jù)，水費(fèi)收繳情況均留有文字及數(shù)據(jù)資料，按照“三公開兩監(jiān)督”原則，對水量水價(jià)進(jìn)行公示。為方便繳費(fèi)，實(shí)施科學(xué)的供用水管理，管理中心計(jì)財(cái)科開發(fā)了收費(fèi)電子票據(jù)系統(tǒng)，改變了以往現(xiàn)金收費(fèi)的方式和水費(fèi)征收流通環(huán)節(jié)多的狀況，優(yōu)化了原有業(yè)務(wù)的受理流程、辦理手段、辦理質(zhì)量，提升了收費(fèi)便捷度，加強(qiáng)了管理能力，水費(fèi)實(shí)收率為100%。

3.6 新技術(shù)推廣應(yīng)用

在20 多年來的灌區(qū)節(jié)水改造實(shí)踐中，灌區(qū)管理中心與設(shè)計(jì)單位積極創(chuàng)新節(jié)水改造工程模式，對于新技術(shù)、新工藝都進(jìn)行了積極的嘗試。如圖11 所示，在襯砌形式方面，在總結(jié)過去預(yù)制混凝土板、模袋混凝土的基礎(chǔ)上，逐步改進(jìn)為現(xiàn)澆鋼絲網(wǎng)混凝土與保溫一體化襯砌結(jié)構(gòu)形式；在伸縮縫的填縫材料選取上，先后選用焦油塑料膠泥+瀝青砂漿、高壓閉孔聚苯乙烯泡沫+聚氨酯砂漿等材料，便于施工，適應(yīng)變形，起到緩沖的作用；田間建筑物方面，采用“一字板與預(yù)制鋼筋混凝土管組合”結(jié)構(gòu)形式，投資小，施工簡單，能滿足水閘設(shè)計(jì)過流、滲透穩(wěn)定、抗凍脹等指標(biāo)，是灌區(qū)中小型水閘設(shè)計(jì)采用較好的結(jié)構(gòu)形式；信息化建設(shè)工程的實(shí)施，為推進(jìn)灌區(qū)節(jié)水、合理分水、有效用水等提高了工作效率[16]。由于管理中心工作職能是負(fù)責(zé)灌區(qū)干渠的運(yùn)行管理與維護(hù)[17]，主要通過工程措施方式進(jìn)行節(jié)水，目前已實(shí)現(xiàn)了干渠全部襯砌為現(xiàn)澆混凝土，干渠建筑物完好率高，總干渠輸水效率達(dá)到98%，干渠達(dá)到90%，明顯提高了渠道輸水效率和節(jié)水水平。

圖11 渠道襯砌Fig.11 Canal lining materials

4 結(jié)語

灌區(qū)的建設(shè)是一個(gè)多層次、多維度、多要素的綜合設(shè)計(jì)過程，為響應(yīng)國家從保障糧食安全、高質(zhì)量發(fā)展、鞏固脫貧攻堅(jiān)成果推進(jìn)鄉(xiāng)村振興三個(gè)方面提出的節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)的新要求，本文以內(nèi)蒙古鐙口揚(yáng)水灌區(qū)為例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以機(jī)關(guān)為中心的覆蓋灌區(qū)各管理所、閘和信息點(diǎn)，集遙測、遙信、遙調(diào)和遙控于一體的水資源利用和管理網(wǎng)絡(luò)。利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)、科學(xué)方法、科學(xué)理念來積極探索匹配自身的現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)的建設(shè)方案，對建成節(jié)水高效、設(shè)施完備、管理科學(xué)、防災(zāi)有力、生態(tài)良好、智慧文化的現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。