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北方半干旱地区农业节水北方半干旱地区农业节水系统理论与综合技术研究与应用系统理论与综合技术研究与应用

华北水利水电学院中国农科院农田灌溉研究所武汉大学中国灌溉排水发展中心西北农林科技大学

20122012 年年 44月月

农业节水科技奖项目汇报农业节水科技奖项目汇报

北方半干旱地区北方半干旱地区农业节水系统农业节水系统

理论与综合技术理论与综合技术研究与应用研究与应用

项目来源项目来源

十一五国家科技支撑计划(2007BAD88B02-02)“区域作物高效用水管理体制与运行机制研究 “

国家“ 863” 高科技计划项目 (2002AA2Z4291-1)

“集雨多水源优化配置与节灌综合技术研究及示范”

十一五国家科技支撑计划(2006BAD11B05-02)

“灌区地下水资源与环境承载力评价指标体系建立与应用研究”

国家自然科学基金（ 50579020 ）“ 农田灌溉用水权有偿转让机制与农民受益研究 ”

总经费超过总经费超过 10001000 万万

项目主要参加单位项目主要参加单位

中国灌溉排水发展中心中国灌溉排水发展中心

一、立项背景一、立项背景 二、关键成果二、关键成果 三、成果取得方式三、成果取得方式 四、先进性与主要创新点四、先进性与主要创新点 五、推广应用情况与效益 五、推广应用情况与效益 六、发展前景六、发展前景

汇报内容汇报内容

一、立项背景一、立项背景截至截至 20082008 年底，全国耕地面积锐减到年底，全国耕地面积锐减到 18.2618.26 亿亩，迫近国务院提亿亩，迫近国务院提出的“出的“ 1818 亿亩耕地红线”。其中，半干旱地区占亿亩耕地红线”。其中，半干旱地区占 3737 ％、干旱地区％、干旱地区占占 3131 ％。该地区面临环境和人口双重压力，问题复杂，矛盾尖锐，％。该地区面临环境和人口双重压力，问题复杂，矛盾尖锐，生态环境脆弱。生态环境脆弱。开展半干旱地区农业节水技术研究是缓解我国水资开展半干旱地区农业节水技术研究是缓解我国水资源紧缺和确保粮食安全的重要手段。源紧缺和确保粮食安全的重要手段。

半干旱地区半干旱地区农业节水是一个巨大的系统工程，涉及学科多，问题复农业节水是一个巨大的系统工程，涉及学科多，问题复杂，研究难度大，需要组织多学科联合攻关，突破传统理论观念和杂，研究难度大，需要组织多学科联合攻关，突破传统理论观念和常规技术常规技术，实现节水、避免土地污染、确保粮食安全等目标。，实现节水、避免土地污染、确保粮食安全等目标。

项目通过我国项目通过我国北方半干旱地区节水综合技术研究，建立节水技术集北方半干旱地区节水综合技术研究，建立节水技术集成体系成体系，，为为实现我国实现我国现代化节水农业提供技术支持现代化节水农业提供技术支持，同时为国家相，同时为国家相关部门在制定规范、条例以及综合规划方面提供理论依据。 关部门在制定规范、条例以及综合规划方面提供理论依据。

二、关键成果二、关键成果1. 1. 农业用水量估算新理论农业用水量估算新理论——区域水量平衡法区域水量平衡法

农业用水量估算的区域水量平衡法的理论构建农业用水量估算的区域水量平衡法的理论构建

方法的改进与估算模型的建立方法的改进与估算模型的建立

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宏观内涵宏观内涵 水量平衡水量平衡

成果验证与应用典型区示意图成果验证与应用典型区示意图

该区域农业用水量等于区域总来水量减去总去该区域农业用水量等于区域总来水量减去总去水量，加上区域内水资源变化量，减少为正。水量，加上区域内水资源变化量，减少为正。此公式考虑全区域用水及生态用水问题。此公式考虑全区域用水及生态用水问题。

一个区域（灌区）内耕地、一个区域（灌区）内耕地、非耕地的腾发量和农村人畜非耕地的腾发量和农村人畜用水量总和。 用水量总和。

前面的公式说明了原理，在其基础上要建立实用模型。此模型是前面的公式说明了原理，在其基础上要建立实用模型。此模型是在在 55 种类型种类型 2626 个典型研究区基本资料基础上，涉及到的主要因个典型研究区基本资料基础上，涉及到的主要因素有土地利用率、复种指数、主要作物耗水量及灌溉模式、管理素有土地利用率、复种指数、主要作物耗水量及灌溉模式、管理水平、非耕地耗水量等。在灌区建设、改造调整作物种植时估算水平、非耕地耗水量等。在灌区建设、改造调整作物种植时估算用水量变化问题中，都具有有参考意义。用水量变化问题中，都具有有参考意义。

2.2. 污水资源化与土壤重金属污染机理及修复污水资源化与土壤重金属污染机理及修复

污水灌溉实验污水灌溉实验重金属污染在作物中的运移分布规律（图为玉重金属污染在作物中的运移分布规律（图为玉

米）米）

土壤重金属污染预测预警技术土壤重金属污染预测预警技术

0

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幼苗 拔节 抽穗 灌浆 乳熟

生育阶段

mg/kg

玉米

根中

的铅

含量

（）

0mg/kg150mg/kg300mg/kg500mg/kg1000mg/kg2000mg/kg根根

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幼苗 拔节 抽雄 灌浆 乳熟

mg/kg

玉米

茎中

的铅

含量

（）

0mg/ kg150mg/ kg300mg/ kg500mg/ kg1000mg/ kg2000mg/ kg茎茎

80

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幼苗 拔节 抽穗 灌浆 乳熟

mg/kg

玉米

叶中

的铅

含量

（）

0mg/ kg

150mg/ kg

300mg/ kg

500mg/ kg

1000mg/ kg

2000mg/ kg叶叶

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试验场地：试验场地：开封惠北水利科学试验站；开封惠北水利科学试验站；兴隆乡太平岗村污灌区；兴隆乡太平岗村污灌区；华北水利水电学院实验室。华北水利水电学院实验室。

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33控制污染源；控制污染源；种植有较强吸收力的植物；种植有较强吸收力的植物；施用化学改良剂或混合土层；施用化学改良剂或混合土层；加强食物链调查；加强食物链调查；慎重推广玉米污水灌溉慎重推广玉米污水灌溉 ;;改种非食用性植物。改种非食用性植物。

44 土壤重金属污染修复技术土壤重金属污染修复技术

实验表明：玉米各主要器官铅含量存在显实验表明：玉米各主要器官铅含量存在显著差异，铅绝大部分迁移并积累到玉米根著差异，铅绝大部分迁移并积累到玉米根系，其次是茎、叶。这一特征揭示，玉米系，其次是茎、叶。这一特征揭示，玉米根系可以作为一种过滤器，来阻止进一步根系可以作为一种过滤器，来阻止进一步向茎叶迁移，减少其毒害效应。 向茎叶迁移，减少其毒害效应。

3. 3. 灌区节水防盐灌排制度设计新理论灌区节水防盐灌排制度设计新理论

提出了以农业用水量为依据、以灌区水盐平衡为条件、提出了以农业用水量为依据、以灌区水盐平衡为条件、考虑全灌区用水的灌排制度设计方法。 考虑全灌区用水的灌排制度设计方法。

水盐平衡原理水盐平衡原理 :: 想保持灌区想保持灌区长期处于无盐分积累状态，就长期处于无盐分积累状态，就必须使灌区内的排盐量大于等必须使灌区内的排盐量大于等于引水带入灌区的盐分。于引水带入灌区的盐分。

水量平衡原理水量平衡原理 ::土壤水土壤水

地下水地下水

此部分含典型区具体灌排制度设计，并研制了相应的软件。此部分含典型区具体灌排制度设计，并研制了相应的软件。

4. 4. 灌区水资源承载力评价理论、技术与应用 灌区水资源承载力评价理论、技术与应用

承载力评价指标体系承载力评价指标体系

承载力多目标评价模型承载力多目标评价模型

承载力评价模型的应用承载力评价模型的应用

改进粒子群算改进粒子群算法求解模型法求解模型

基于基于 GISGIS 平台的人民胜利渠灌区水资源承载力评价平台的人民胜利渠灌区水资源承载力评价

地下水控制部分地下水控制部分

硬件产品硬件产品 (( 专利技专利技术术 ) )

基于基于 ASEASE 控制器的地下水采集控制系统控制器的地下水采集控制系统

软件系统 软件系统

钻井类型统计 钻井类型统计

主界面主界面

基于基于 GISGIS 地下水模拟管理系统地下水模拟管理系统

5. 5. 节水高效灌溉专家系统节水高效灌溉专家系统

ASEASE 采集器以其核心技术采集器以其核心技术————可适应策略控可适应策略控制引擎制引擎 (Adaptive Strategy Engine, ASE)(Adaptive Strategy Engine, ASE) 命命名，该技术以虚拟解码器为核心，通过用户名，该技术以虚拟解码器为核心，通过用户编写脚本，实现采集控制器的控制策略在线编写脚本，实现采集控制器的控制策略在线更新，完成各种用户自定义采集控制逻辑。更新，完成各种用户自定义采集控制逻辑。

软件核心软件核心

总体控制系统总体控制系统

6.6. 农民对农业水价承受能力与灌区管理体制研究 农民对农业水价承受能力与灌区管理体制研究

CGECGE 模型在水价计算中的应用模型在水价计算中的应用———— 人民胜利渠灌区、石津灌区人民胜利渠灌区、石津灌区

农业水价计算理论研究 农业水价计算理论研究 11 22 农业水价改革与灌区运行影响因素农业水价改革与灌区运行影响因素

33 合理补偿农业成本水价合理补偿农业成本水价的综合对策和措施 的综合对策和措施

定出农民承受水价补偿亏损额。定出农民承受水价补偿亏损额。国家负担补给地下水成本。国家负担补给地下水成本。合理补偿政策水价和成本水价差。合理补偿政策水价和成本水价差。政府补贴自然风险成本。政府补贴自然风险成本。占用农业水源者的经济赔偿。占用农业水源者的经济赔偿。

三、成果取得方式三、成果取得方式

1. 1. 项项目目研研究究技技术术路路线线

我们的项目研究是理论与应用相结合，在制定工作大纲我们的项目研究是理论与应用相结合，在制定工作大纲基础上，边进行理论分析、软件研制，边进行相应的室基础上，边进行理论分析、软件研制，边进行相应的室内外及田间的成果试验与推广，并进行了推广区软件应内外及田间的成果试验与推广，并进行了推广区软件应用的操作人员培训，其研究目标，就是通过我们的成果用的操作人员培训，其研究目标，就是通过我们的成果达到提高农业用水效率、农业产量，改善农业环境和提达到提高农业用水效率、农业产量，改善农业环境和提高灌区灌溉管理水平的目的。本项目是多学科、多方式高灌区灌溉管理水平的目的。本项目是多学科、多方式和强大的研究团队联合完成的。和强大的研究团队联合完成的。

11 ）研究报）研究报告告★★项目研究技术总报告项目研究技术总报告 3333万余字；万余字；

★★专题研究技术报告；专题研究技术报告；★★专题观测实验报告；专题观测实验报告；★★我国北方半干旱地区农业我国北方半干旱地区农业节水技术指标体系；节水技术指标体系；★★我国北方半干旱地区农业我国北方半干旱地区农业节水数据库。节水数据库。

2. 2. 成成果果形形式式

(5(5类）类）

22 ）设备硬件和软件系统开）设备硬件和软件系统开发发

ASEASE 地下水地下水采集控制器采集控制器

ASEASE 地下水地下水采集控制软件采集控制软件

可视化灌区实时灌溉可视化灌区实时灌溉与修正决策支持系统与修正决策支持系统

33 ）代表性著作）代表性著作北方山丘区集雨节灌综合技术研究与应用北方山丘区集雨节灌综合技术研究与应用 黄河水利出版社，黄河水利出版社， 2006.072006.07

区域水资源规划及灌区节水增产灌溉专家系统研制区域水资源规划及灌区节水增产灌溉专家系统研制 黄河水利出版社，黄河水利出版社， 2008.102008.10

农田灌溉用水权有偿转让机制与农民受益研究农田灌溉用水权有偿转让机制与农民受益研究 中国水利水电出版中国水利水电出版社，社， 2007.122007.12

污水资源化与污水灌溉技术研究污水资源化与污水灌溉技术研究 黄河水利出版社，黄河水利出版社， 2006.122006.12

44 ）发明专利与软件著作权）发明专利与软件著作权发明专利发明专利 ZL2007-1-0189755.0ZL2007-1-0189755.0 植物茎流流速测量方法及其装置植物茎流流速测量方法及其装置发明专利发明专利 ZL2004-1-0060504.9ZL2004-1-0060504.9 植物茎杆直径变差测量变送器植物茎杆直径变差测量变送器

发明专利发明专利 ZL2004-1-0060260.4ZL2004-1-0060260.4 根据作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制根据作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制方法及其装置方法及其装置

发明专利发明专利 201020132534.6201020132534.6 （申请（申请号）号） T-maxT-max 植物径流测量装置植物径流测量装置

软件著作权软件著作权 2010SR0425552010SR042555 灌区地下水承载能力评价与预警系统灌区地下水承载能力评价与预警系统 V1.0V1.0

软件著作权软件著作权 2010SR0456312010SR045631 节水增产灌溉专家系统节水增产灌溉专家系统 V1.0V1.0

55 ）发表论文）发表论文项目组成员在以上研究基础上共发表相关论文百余篇，项目组成员在以上研究基础上共发表相关论文百余篇，其中其中 SCISCI 收录收录 77 篇；篇； EIEI 收录收录 55 篇；一级学报篇；一级学报 1818 篇。篇。

四、先进性与主要创新点四、先进性与主要创新点项目成果通过了由王浩（中国工程院项目成果通过了由王浩（中国工程院院士）、茆智院士）、茆智（（中国工程院院士中国工程院院士）、）、康康绍忠绍忠（（中国工程院院士中国工程院院士）、）、高占义（国高占义（国际灌排委员会主席）及原农水司司长际灌排委员会主席）及原农水司司长李代鑫等李代鑫等 99 位本领域知名专家参加的位本领域知名专家参加的鉴定，其结论性意见如下：鉴定，其结论性意见如下：

11 首次提出了用区域水量平衡法估算农业用水量的理论，建立了农业首次提出了用区域水量平衡法估算农业用水量的理论，建立了农业用水量定量计算公式。用水量定量计算公式。

首次开展了污水资源化与污灌区土壤重金属污染生态修复技术研究，首次开展了污水资源化与污灌区土壤重金属污染生态修复技术研究，揭示了重金属污染物在作物体内的分布规律，提出了大生物量非超揭示了重金属污染物在作物体内的分布规律，提出了大生物量非超富集生态修复技术，填补了国内该项技术研究空白。富集生态修复技术，填补了国内该项技术研究空白。

提出了以灌区水盐平衡为原则的考虑生态问题的灌区节水防盐灌排提出了以灌区水盐平衡为原则的考虑生态问题的灌区节水防盐灌排设计理论及灌排制度设计方法，丰富了灌区灌溉制度设计内容。设计理论及灌排制度设计方法，丰富了灌区灌溉制度设计内容。

提出了灌区水资源承载力评价指标体系，引入改进粒子群算法，建提出了灌区水资源承载力评价指标体系，引入改进粒子群算法，建立了灌区水资源承载力多目标评价数学模型及求解方法。立了灌区水资源承载力多目标评价数学模型及求解方法。

主要创新点主要创新点

研发了全新的研发了全新的 ASEASE 地下水采集控制器等硬件产品及控制软件；研制地下水采集控制器等硬件产品及控制软件；研制了相应的交互式、可视化灌区实时灌溉与修正决策支持系统。了相应的交互式、可视化灌区实时灌溉与修正决策支持系统。

首次将改进的首次将改进的 CGECGE 模型用于农业水价计算模型用于农业水价计算，开展了典型灌区农业水，开展了典型灌区农业水价改革综合分析，提出了合理补偿农业水价的办法和途径。价改革综合分析，提出了合理补偿农业水价的办法和途径。

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五、推广应用与效益五、推广应用与效益项目研究成果项目研究成果 2003~20102003~2010 年间在河南、河北、年间在河南、河北、陕西、山东、北京等地进行了广泛的推广应用，陕西、山东、北京等地进行了广泛的推广应用，覆盖面积约覆盖面积约 462462 万亩。据不完全统计，按效益万亩。据不完全统计，按效益分摊测算，累计已取得了分摊测算，累计已取得了 4.94.9 亿元的节水增产亿元的节水增产效益和显著的生态环境与社会效益。效益和显著的生态环境与社会效益。

20032003年年 62006200万元万元20042004年年 67006700万元万元20052005年年 89008900万元万元20082008年年 23702370万元万元20092009年年 86448644万元万元20102010年年 1655016550万元万元

累 计 累 计 4936449364

六、应用前景六、应用前景在占全国耕地面积的 在占全国耕地面积的 64%64% 的北方地区，农业缺水严重，的北方地区，农业缺水严重，已成为制约农业经济发展、农民增收的重要因素，仅仅已成为制约农业经济发展、农民增收的重要因素，仅仅依靠工程技术手段来解决农业用水短缺的问题已经远远依靠工程技术手段来解决农业用水短缺的问题已经远远不能满足现代节水农业的需求。不能满足现代节水农业的需求。本课题研究成果为我国本课题研究成果为我国北方半干旱地区农业节水建设奠定了基础理论，取得的北方半干旱地区农业节水建设奠定了基础理论，取得的系统科研成果顺应了全国半干旱地区节水技术推广应用系统科研成果顺应了全国半干旱地区节水技术推广应用的需求，在农业综合节水工程规划、设计、建设与管理的需求，在农业综合节水工程规划、设计、建设与管理中均具有广阔的应用前景。其研究成果在北方干旱地区中均具有广阔的应用前景。其研究成果在北方干旱地区也同样具有推广应用价值。也同样具有推广应用价值。

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汇报结束汇报结束谢谢大家！谢谢大家！