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高占义
职务:
大禹节水集团股份有限公司首席科学家
擅长领域:
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所在地区:
北京
(1485)
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大禹节水集团股份有限公司首席科学家、大禹研究院院长
高占义,男,1962年4月生,中国国籍,无境外永久居留权,研究生学历,博士,教授级高级工程师。高占义先生于1989年4月至2002年2月在中国水利水电科学研究院水利研究所工作,历任副所长、所长;2002年3月至2003年5月在水利部国际合作与科技司交流工作,主持科技处工作;2003年6月至2009年7月在中国水利水电科学研究院水利研究所担任所长、国家节水灌溉北京工程技术研究中心主任;2009年8月至2012年1月在联合国教科文组织国际泥沙研究培训中心担任副主任;2012年2月至2017年12月在中国水利水电科学研究院担任总工程师;2018年1月至今担任大禹节水集团股份有限公司首席科学家、大禹研究院院长。
高占义先生先后毕业于内蒙古农业大学、华北水利水电大学、中国水利水电科学研究院,分别获得农田水利专业学士学位、水利工程专业硕士学位、水文与水资源专业博士学位;并先后在澳大利亚科学与工业研究组织、加拿大麦吉尔大学担任高级访问学者。
高占义先生从1998年至2018年担任中国国家灌排委员会秘书长20年,2005至2008年担任国际灌排委员会副主席,2011至2014年担任国际灌排委员会主席和世界水理事会董事会成员,现为国际灌溉与排水委员会终身荣誉主席、联合国教科文组织具有历史意义水利工程研究中心管委会成员、亚洲水理事会董事会成员。多次作为联合国粮农组织、世界银行、亚洲开发银行等国际组织的专家参与有关节水和水资源管理项目。
高占义先生获得国际节水奖1项,联合国人居环境奖1项,国家科技进步奖2项,省部级科技进步奖14项,获得发明专利8项;为中组部联系专家,享受国务院政府特殊津贴。
高占义:关于我国灌区现代化发展方向与技术应用的思考
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大禹节水集团股份有限公司
首席科学家、
大禹研究院院长
高占义
一、 引言:我国灌区现状及灌区现代化建设的必要性
新中国成立70年来,我国灌区建设与管理取得了举世瞩目的成就,农田灌溉面积由1949年的1593万公顷发展到2016年的6714万公顷,位列世界第一。尤其是在1949—1980年期间,我国修建了大量的水库、引水工程、大中型灌区和机井群[1],使我国的灌溉面积由1949年的1593万公顷增至1980年的4889万公顷。随着时间的推移,加之技术和基础条件的限制,许多工程在运行中显露出了诸多问题,以工程老化破损不能充分发挥设计功能最为严重,部分工程甚至废弃。因此,国家于1998年开始逐渐启动了大型灌区续建配套与节水改造、重点中型灌区改造、信息化建设、土地整理、农业综合开发等项目[2],以改善灌区的基础设施条件(水源工程及建筑物的改造、沟渠的衬砌),使灌区在输水、配水等方面的工程能力得到了一定的恢复和提升,灌区的基本功能得到一定的保障。
虽然我国从1996年至今的20多年实施了大型灌区续建配套与节水改造工程,主要解决大型灌区骨干输水工程、泵站及闸门等关键工程设施存在的问题,取得了显著的成效,但灌区还面临如下主要问题和挑战。
(1)灌区设施配套依然不全。
全国约40%的大型灌区、50%-60%的中小型灌区、50%的小型农田水利工程设施依然不配套,大型灌排泵站设备完好率不足60%。
(2)灌区灌排标准依然不高。
全国10%以上低洼易涝地区排涝标准不足3年一遇,部分涝区治理不达标。旱涝保收田面积仅占耕地面积30%左右,高标准农田所占比例很小。
(3)灌区信息化管理技术应用不足。
我国从2002年开展了灌区信息化建设试点,灌区信息化建设中取得长足进展,但灌区信息化基础设施建设与灌区现代化管理发展的要求还存在较大的差距。目前灌区信息监测和运行监控能力和水平尚不能满足灌区管理需要,制约了灌区采用科学、系统和现代化的管理手段提高灌区管理水平。
(4)灌区管理劳动强度大成本高。
在信息化自动化建设不够完备的情况下,各级水管人员陷入频繁来回奔波于各个闸控点、计量点之间实施管控;管理设施的操作和运行记录还是以手工为主,造成了管理用工多、劳动强度大、管理水平和工作效率低下、运行管理成本高等问题。
(5)保障粮食安全和国家现代化建设对灌区发展提出了新的更高要求。
我国是一个拥有13多亿人口的大国,立足国内解决好吃饭问题始终是治国安邦的头等大事。必须加快农田水利设施建设,与国家现代化发展进程同步推进灌区现代化建设,着力提高农业综合生产能力和农业产出效率。
(6)缓解水资源供需矛盾和推进生态文明对灌区用水管理提出了更高的要求。
目前,中国农业多年平均缺水约300亿立方米,部分地区农业用水粗放、效率不高,以及地下水超采和生态用水被挤占等问题突出。
(7)城镇化和农业现代化发展对灌区现代化管理提出新的更高要求。
中国农村经济社会结构正发生深刻的变化,农村劳动力老龄化趋势明显,农业生产规模化、现代化是发展的大趋势,将对灌区供水服务提出更高的要求。灌区管理单位需要用现代化的管理技术提高灌区管理水平,有效降低劳动强度,提高劳动生产率。
(8)应对全球气候变化提高农业抗旱减灾能力对灌区提出了更高要求。
受气候变化影响,极端干旱灾害对农业生产影响不断加剧。必须夯实农业发展的灌区基础设施,提高农业供水保障程度,增强农田灌排工程设施有效应对气候变化、抵御干旱灾害的能力。
党的十九大提出,中国特色社会主义进入新时代,分两个阶段来进行国家现代化建设。第一个阶段,从2020到2035年,在全面建成小康社会的基础上,再奋斗十五年,基本实现社会主义现代化。第二个阶段,从2035年到2050,在基本实现现代化的基础上,再奋斗十五年,把我国建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国。实施乡村振兴战略的目标任务是,到2020年乡村振兴取得重要进展,制度框架和政策体系基本形成;到2035年乡村振兴取得决定性进展,农业农村现代化基本实现;到2050年,乡村全面振兴,农业强、农村美、农民富全面实现。最近发布的《乡村振兴战略规划》提出要加快农业现代化步伐,推动新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展。灌区现代化是农业现代化的重要组成部分,从2020年到2050年的30年将是我国灌区百年发展的第四阶段,即灌区现代化管理的建设时期。
二、我国灌区现代化发展方向
在1997年联合国粮农组织已经对灌区现代化作出了定义:“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[3]。”因此,在现代化农业发展的大背景下进行灌区现代化建设是必要的;从农民的角度,由于种植结构的调整,农作物类型由单一性转变为多样性[4],不同的作物对水分的需求不同,使得农民对灌溉用水的需求在时间、空间上也逐渐的分散化,但就我国灌区目前的运行机制而言,还不能达到为单一农户提供个性化服务的供水能力。为了适应农民在需水上的变化,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。
灌区现代化建设是一个逐渐发展的过程[5],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,不同地区的灌区由于地理位置、水资源开发利用条件、管理方式等不同而各具特点,因此,在灌区的现代化建设进程中,要以我国的具体情况为基础,注重并尊重各灌区间的地域性与差异性,定位于灌区的实际需求,并以此作为主要驱动力,逐步、分阶段的向现代化灌区迈进。
在我国灌区渠系及节制闸、分水闸等建筑物硬件设施方面还需要进一步提升完善,以便提高灌区的运行安全性、可靠性和高效性;灌区量水设施、信息化和自动化测控设施、智能化管理软件系统建设需要加强,以便提高灌区用水管理的精准性、灵活性和公正性。通过灌区现代化提高灌区水资源的优化配置水平、提高工程运行管理水平、提高灌溉用水利用效率与效益、提高单位劳动力效率、减少管理用工和管理费用、降低管理成本、控制农业面源污染、改善生态环境。
2.1 以建管并重为方式的灌区工程能力提升
在灌区运行中,沟渠、引(取)水建筑物等硬件设施是灌区向农民提供服务的主要工具,该部分设施工程能力的高低决定着能否为农民提供良好的服务,是灌区改造建设的主要对象。在以往灌区改造中,普遍存在“重建轻管”的现象,灌区的输配水设施多建于田间,易受到自然、人为因素的破坏,若不及时进行管理维护,将大大缩减工程的使用寿命,使灌区容易陷入持续建设的恶性循环。在灌区现代化改造规划与建设中,应加强对基础工程的管理维护,采用“建管并重”的方式同步提高灌区的工程能力。根据改造建设的内容不同,分为以下两个方向:
(1)提升硬件设施的完好性和配套性。据统计,我国仍有40%的大型灌区骨干工程、60%的中小型灌区的基础设施不配套[6],其基础工程能力需要继续加强提升。并且我国多数灌区的斗渠及以下(部分灌区为支渠及以下)的渠系工程由当地政府和农民自行管护,使得这部分输配水设施的建管责任不明确,基本处于无人管理的状态,严重影响了灌区的正常运行。灌区输配水系统涵盖了自水源处到田间进水口之间的所有对象,系统中的任何一个部位的不良运行都会对灌区的灌溉性能产生影响,故应从系统、全面的角度出发来分析、评价、提升灌区基础设施的工程能力。
(2)提升硬件设施的现代化水平。随着科技的发展,自动化、数字化、智能化因其所能带来的便捷性、高效性等成为工业生产和日常生活中的主流形式。在农业生产中,逐渐推出的各类大型农田操作机械也解放了大量的劳动力,但作为农业生产过程中一个重要的部分——农业灌溉,除在田间(典型地区)引入的微灌节水设施与技术,在灌区的基础输配水设施方面依然停留在上世纪七八十年代的状况(闸门的人工手动启闭,用水计量的人工观察等)[7],这不仅使灌区在运行中需要投入大量的人力、物力,增加灌区的运行成本,而且很大程度上降低了灌区输配水的灵活性。因此,引入自动化输配水设施、采用现代化运行方式来提升灌区的工程能力是我国灌区未来发展的一个重要方向,具体可包括灌区运行基础信息的采集与获取、渠系建筑物的远程调控两个方面。
2.2 以可持续发展为目标的灌区管理能力提升
宏观而言,灌区的管理能力主要包括两个方面,其一是对人的管理,灌区作为一个综合的服务系统,涉及了灌区主管单位行政管理人员、灌区内部(管理局)管理人员以及作为服务对象的用水户(群管单位、农户);其二是对物的管理,包括灌区所提供的服务—供水、服务的载体—沟渠及建筑物、服务的报酬—水费。在灌区运行管理中,不论是对人的管理还是对物的管理,都应以一种良性运行、可持续发展的理念来进行。具体可以通过以下几个方面进行:
(1)完善灌区管理体制及运行机制
在管理体制方面,受历史原因的影响,我国灌区多存在管理体制不顺,权责不明的问题,使部分支渠、斗渠进水闸等配套设施无人管理,造成灌溉供用水难以统一调度。在运行机制方面,不论是灌区管理单位还是农户都还没有形成有效的节水机制与良性运行模式。首先对于灌区而言,多数灌区的收入还主要依靠农业水费(虽然灌区实施了“两费”改革,但受灌区所在地区财政能力的限制,“两费”落实率较低),灌区收入与农民用水量直接相关,这导致灌区自身利益与农业用水高效利用的要求存在矛盾,严重影响灌区管理人员节约用水、高效用水的积极性。而且大部分灌区水费收取率低,使灌区收入不足,难以维持正常的运行维护;对于农户而言,目前灌区执行水价均低于运行成本水价,而且多采用按亩收费,没有从水量上采用经济手段促进水的高效利用,导致农民仍采用粗放、落后的大水漫灌方式,造成水、肥资源利用效率和效益低下,农业面源污染严重。
根据以上对灌区管理运行存在问题的分析,加快管理改革的实施,探索、确定合理水价,完善水费征收方式,建立权责明确的管理体制、持续发展的运行机制是我国灌区现代化改造建设中不可或缺的部分。
(2)构建基于多学科的决策系统
灌区改造的最终目标是实现高效用水和资源的可持续利用,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,还必须要有科学的决策。灌区作为一个综合的服务系统,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,导致了灌区水高效管理的复杂性,故其运行调度决策系统需要将作物科学、管理学、计算机科学、计算水力学及控制论等学科相融合,通过构建基于多学科的灌区运行决策系统,实现灌区的多目标调度及现代化运行管理。
(3)构建以提高灌溉性能为原则的灌区运行评价体系
传统的灌区运行评价体系多以水分利用系数和农作物产出为两大评价指标类,水分利用系数可以直观的反应出水分在传输过程的损失程度,目前,水分利用系数的测算还没有通用的标准可循[8],各灌区对该类数据多根据经验估算得到。农作物产出是灌区效益的直接体现,但由于作物的生长受多方面因素的影响,并不能将其作为评价灌区运行的绝对指标。重要的是,以上两类评价指标均属于灌区运行的外部指标,只是对灌区运行效果的一种量化表现,并不能准确的反应出运行效果优劣的原因,而且对于现代化灌区所关注的灌区服务能力评价,在现有灌区运行评价体系中并不能得到体现。
对灌区进行评价最根本的目的是通过评价分析灌区当前运行状况,及时发现存在的问题,并从根源上解决以提高灌区的灌溉性能,所以在灌区评价体系构建中,不论是选取我国现行的传统评价指标,还是国外提出的以供水充足性、可靠性、有效性、公平性[9]为主的灌区服务能力评价指标,都应以及时发现灌区问题为目标,以提高灌溉性能为原则,建立符合我国灌区实际情况的评价体系。
2.3 以服务为导向的灌区服务能力提升
灌区现代化在将提高资源利用效率作为主要目标的同时,也将提高灌区服务能力作为一个主要落脚点,灌区服务根据对象的不同可分为农作物需水服务、生态需水服务两种类型,服务能力涉及到需水信息的获取、需水要求的满足两个方面。
(1)构建灌区对农作物需水的响应机制
对于农作物需水服务,目前灌区对需水信息的获取以管理人员或村镇群管人员的经验为主,还不能从农作物生理需求的角度科学统计作物需水信息,并且灌区与服务对象——农民之间没有建立良好的沟通平台,供需水信息不能及时上报灌区或传达至农民,导致灌区农作物需水服务能力比较低,需要进一步的提升。故在灌区现代化改造建设中,应注重灌区覆盖范围内作物种植、土壤水分、气候条件等信息的收集,并将信息综合分析,提出农作物需水量的建议值供农民参考,同时建立灌区与农民供需水信息沟通平台,结合灌区的基础设施和管理运行方式为农户供水,最终构建出灌区对农作物需水的响应机制。
(2)构建灌区对生态需水的响应机制
灌区不仅是农业生产的重要基地,也是农民生活的主要场所,但由于缺少生态需水服务意识,灌区内水资源过度开发,一些地区出现河流断流、湖泊湿地萎缩、地下水位持续下降的现象,造成灌区生态环境恶化[10],影响灌区内农民的生活质量。所以探索灌区对生态需水响应机制的过程中,应系统考虑人类活动与整个灌区生态环境的关系,分析目前存在的问题,提出改善方案,最终使灌区生态保障功能得到提升。
三、灌区现代化发展需要重点研究应用的技术
实现灌区现代化需要在灌区工程管理中充分研究应用现代信息技术、计算机技术、自动化控制技术和人工智能技术等现代科学技术,提高信息采集和处理的准确性、传输的时效性、分析的科学性、应用的可靠性和实用性,做出及时、准确的预测、决策、调度和反馈,实现集信息采集-处理-决策-信息反馈-监控为一体的系统调度。主要研究内容包括:
(1)高效信息采集、传输及服务系统
灌区的核心业务是用水管理,以高效信息自动采集传输为基础,通过对信息采集传输基础设施设备的改造和建设、配置先进的适合灌区特性的仪器设备,提高信息采集、传输、处理的自动化和智能化水平,提高信息采集的精度和传输的时效性,形成较为完善的信息采集体系,为灌区管理工作提供更好更准确的信息服务。
信息监测与服务系统是在信息采集传输系统采集信息的基础上,通过对监测信息的接收处理,实现对用水管理有关数据信息进行分析与整理,为灌区决策支持系统及管理人员提供灌区气象、水情、墒情、工情、闸位等用水管理相关的信息服务。
(2)智慧灌区管理决策支持系统
智慧灌区管理决策支持系统是根据灌区的土壤墒情、作物需水量、气象预报等信息,以及灌溉水源和渠系、控制建筑物、蓄水设施等硬件的状况和特征,利用数学和计算机模型,分析提出灌溉优化配水方案和渠系及其控制设施的优化运行方案,为决策者提供多角度、可选择的水量配置和输配水系统调度方案。决策管理支持系统是智慧灌区的核心,需要各种相关信息及模型技术的集成应用。
(3)灌区自动化控制系统
灌区是由取水引水枢纽、输配水渠系、节制闸及分水闸、调节水库等建筑物组成的复杂供水系统。用传统人工控制的方法难以对这个大系统进行安全、及时、高效、精准、经济的运行管理。灌区管理人员根据智能化管理决策支持系统形成的调度方案,选择实际可行调度方案,生成调度指令,自动控制系统根据调度指令对灌区渠系上的控制建筑物,如分水闸、节制闸等设备运行进行自动控制,完成灌区的用水调度,并对控制、反馈和结果等调度过程进行实时监视和记录,实现灌区智能化控制管理。
在灌区现代化管理发展理念方面,灌区既是一个灌溉农业生产系统,也是一个人工和自然相结合的生态系统,需对灌区的生态价值进一步深化研究。随着我国经济社会快速发展,许多灌区功能由过去单纯为农业灌溉供水发展为既为农业灌溉供水也为城镇生活和工业、生态环境供水,并兼有防洪除涝等的多用户、多功能和多目标的复杂工程系统。这对灌区工程的现代化改造和运行管理标准提出了更高的要求。
我国有都江堰等运用了数千年的古代灌溉工程,这些工程蕴含着丰富的自然哲理和科学思想,其建筑结构型式体现出人们对自然规律的认识、尊重和合理利用,是人与自然和谐共生的典范。现代科学技术的发展和应用使我们拥有更加先进的设计、建设及管理技术及手段。在我国灌区现代化管理建设进程中应将蕴藏在古代灌溉工程中经过历史检验的科学理念、智慧与物联网技术、自动化和智能化技术、灌溉排水、渠道水力学、生态环境保护等技术与措施有机结合,实现灌区工程和用水的智慧、安全、可靠、高效、精准、经济和生态环境可持续管理,为我国农业现代化建设提供强有力的技术支撑。
参考文献
[1]高占义.中国粮食安全及灌溉发展对策研究[D].北京:中国水利水电科学研究院,2005.5-6.
[2]倪文进.以灌区节水改造促进灌区管理体制改革[J].中国水利,2009,(11):15-16.
[3]Daniel Renault, Thierry Facon, Robina Wahaj. Modernizing irrigation management-the MASSCOTE approach[M].Rome,2007.4-5.
[4]袁璋,许越先,刘爱军.我国经济作物种植结构的近期变化[J].中国农业科技导报,2005,7(5):39-45.
[5]韩振中.大型灌区现代化建设标准与发展对策[J].中国农村水利水电,2013,(7):69-71
[6]王修贵,张邵强,刘丽艳,等.现代灌区的特征与建设重点[J].中国农村水利水电,2016,(8):6-9.
[7] 陈金水,丁强.灌区现代化的发展思路和顶层设计[J].水利信息化,2013,(6):11-14.
[8]徐国栋.陕西省灌溉水利用系数测算数据库构建与软件研制[D].杨凌:西北农林科技大学,2015.3-6
[9]Won-Ho Nam, Eun-Mi Hong, Jin-Yong Choi. Assessment of water delivery efficiency in irrigation canals using performance indicators[J].Irrigation Science,2016, 34(2):129-143.
[10]杨龙,高占义.灌区建设对生态环境的影响[J].水利发展研究,2005.5(9):19-23.
参与作者:樊玉苗
(本文发布已得到作者同意,如需转载请联系本站,谢谢!)
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