生态节水型灌区建设关键技术及应用

推荐国家科技进步奖项目公示项目名称生态节水型灌区建设关键技术及应用推荐单位教育部 项目简介：主要技术内容：针对我国农业面源污染严重、减排控制困难、治理工程与灌区建设 脱节及农村农业区生态环境退化的突出问题，项目组研发了灌区沟渠系统生态化、污染 物源头控制和截留净化、农田退水循环利用与洼陷湿地构建、水肥精准灌溉和水量水质 监控等核心技术，形成了完整的生态节水型灌区建设的关键技术系统，获得了可移动组 装式农田排水沟水质净化器等多项原创性技术成果，为实现灌区“灌溉高效、排涝防渍、 水肥节约”等水利功能与“面源截留、水质改善、环境优美、生物多样”等生态功能的耦 合提供了重要技术支撑。(1)研发了灌区防渗型生态渠道和净污型生态沟道构建系列核 心技术，突破了沟渠灌溉排水效率与生态环境效应相耦合的技术瓶颈，解决了沟渠“灌 排高效、结构稳定、施工便捷、管理简单、投资节省”与“边坡生态化、面源截留净化、 沿线绿色化”多功能复合的技术难点。(2)研发了灌区范围内面源污染物源头控制和逐级 截留净化的整装成套核心技术，在污染物净化的高效、节能、节地方面取得重要突破。 (3)建立了适合不同灌排系统格局的农田退水循环利用技术系统，发明了稻田排水带状 湿地等洼陷结构湿地系统构建技术，突破了农田退水滞留时间不足和净污能力有限的技 术难题。(4)研发了灌区水量监控与调配、农田肥力与土壤温湿度自动监控、面源污染 物产输监测预报等核心技术，开发了监控系统的软件著作权，形成了灌区水肥精准灌溉 与水量水质同步监控系统，有效地提升了灌区水份、肥料、退水污染物的“智能、节约、 生态、高效”精准化和自动化管理的水平，通过精准计量的用水总量控制和经济杠杆， 实现高效节水和有效控污的目标。专利与论著情况：申请PCT国际专利3项、国家发明专利100余项，软件著作权4 项。发表学术论文218篇，其中SCI论文156篇。应用及效益情况：技术成果入选科技部、水利部联合编制的节水、治污、水生态 修复先进技术目录(2015年)复审，在我国灌区生态节水工程的规划、设计、建设和运 行管理中广泛应用，显著提升了行业科技水平，取得了巨大的生态环境及社会经济效益。 应用于江苏沂北等50多个大中型灌区的生态节水工程之中，解决了灌区面源污染物对 河流水体污染问题，达到灌区的灌溉、排洪、节水、净污、景观和生态相统一的目标。项目获2013年教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学一等奖、2015年教 育部高等学校科学研究优秀成果奖一技术发明一等奖、 2015年农业节水科技奖特等奖 （公示）、20 10年和2012年农业节水科技奖一等奖、第十七届中国专利优秀奖等。客观评价：教育部科技查新中心（国家授权查新资质证书号：G02）对技术内容做出了具有公 信力的评价材料。技术查新报告（报告编号：201536000G020239）表明：在关键技术方 面，灌区沟渠生态化和循环湿地建设关键技术及工程实践、灌区畜禽养殖等污染物截留 净化与资源化高效利用、灌区水肥精准灌溉计量与水量水质自动监控技术系统研究目前 尚不多见。教育部于2015年6月组织的以工程院张勇传院士为主任委员、张建云院士和康绍 忠院士等组成的鉴定委员会，对本项目成果进行了鉴定（鉴字教TP2015第004号）。 技术鉴定报告认为“成果总体达到国际领先水平”。技术成果应用实施后，用户单位对有关技术给予了充分认可和高度评价。江西省水 利厅、江苏昆山水利局、浙江丽水水利局等用户单位对本技术应用效果给予了充分肯定 和高度评价。认为本项目技术“有效地解决了灌区面源污染物对河流水体污染问题。系 列技术实用性强，施工简单，维护管理方便，运行成本低，使用寿命长，真正实现了灌 区的灌溉、排水、耐久、景观、净污和生态相统一的目标，取得了显著的生态、环境、 社会和经济效益”推广应用情况：本成果技术被水利部农水司、江西水利厅、江苏徐州水利局、江苏宿迁水务局、浙 江丽水水利局等50多个单位直接应用到江苏沂北灌区、江西潦河灌区、浙江好溪堰灌 区等多个大中型灌区的生态节水工程的规划、设计、建设和运行管理之中，有效地解决 了灌区面源污染物对河流水体污染问题，达到灌区的灌溉、排洪、节水、净污、景观和 生态相统一的目标。同时，本技术能降低沟渠河流衬砌工程造价，这些专利应用于灌区 的灌排水系统之中，与硬质化混凝土衬砌工程相比可节约工程投资，降低入河总氮和总 磷污染负荷，取得了显著的环境、生态、社会和经济效益。主要知识产权证明目录：知识 产权 类别知识产权具体 名称国家 （地 区）授权号授权日期证书编号权利 人发明人发明 专利 有效 状态发明一种可移动组中国ZL1404563河海王沛芳，钱有效装式农田排水20131028大学进，侯俊，王沟水质净化器3010.6超，范秀磊发明灌区稻田排水中国ZL1640166河海王沛芳，王有效沟串联湿地净20141003大学超，钱进，侯污系统6964.1俊，任文畅发明灌区防渗型牛中国ZL1753783河海王沛芳，王有效态渠道的构建20141003大学超，钱进，侯方法6612.6俊，包子云发明一种构建农田中国ZL1135944河海王超，王沛有效排水生态净化20111003大学芳，侯俊，钱系统的方法6371.1进，咼越超发明农田排水沟便中国ZL1371901河海钱进，王沛有效携式复合人工20131028大学芳，王超，侯湿地净化箱3007.4俊，范秀磊发明置于田埂的水中国ZL1664335河海王沛芳，王有效稻田退水水质20141006大学超，钱进，侯净化装置8237.3俊，包子云发明旱作物农田首中国ZL1699855河海王沛芳，王有效级退水水质强20141021大学超，钱进，侯化净化装置5464.4俊，饶磊，包子云发明一种适用于农田中国ZL1722575河海饶磊，王沛有效排水沟渠的迷宫20141021大学芳，汪双君，式生态净化池6755.5欧阳倩，钱进发明一种山间防止中国ZL1786770河海王沛芳，钱有效雨水冲刷水土20131028大学进，王超，侯流失的集雨净3009.3俊，包子云化系统发明景观塔型水体曝中国ZL1711447河海王沛芳，王有效气和生物净化装20141006大学超，钱进，侯置及净化方法8263.6俊，范秀磊主要完成人情况：1. 王沛芳，排名1,教育部重点实验室主任，教授，工作单位：河海大学，完成单位: 河海大学，是该项目的主要负责人，对创新点14均有重要贡献，具体如下：（1）主持创新点1灌区沟渠系统生态化建设和修复的所有技术研发；（2）主持创新 点2灌区污染物源头控制和截留净污的所有技术研发；（3）主持创新点3灌区农田退水 循环利用和洼陷湿地系统的所有技术研发；（4）主持创新点4灌区水肥精准灌溉和水量 水质监控的所有技术研发。2. 王超，排名2,中国工程院院士，教授，工作单位：河海大学，完成单位：河海大 学，是该项目的主要负责人，确定了技术研发的总体思路、创新理念、技术路线和技术 体系，对创新点14均有重要贡献，具体如下：（1）在创新点1灌区沟渠系统生态化建设和修复技术研发中，突破了沟渠输水排水 效率与生态效应相耦合的技术瓶颈；（2）创新点2灌区污染物源头控制和截留净污技术 研发中，在灌区不同类型污染物净化的高效、节能、节地方面取得了突破；（3）在创新 点3灌区农田退水循环利用和洼陷湿地系统技术研发中，突破了农田退水循环利用、农 田退水滞留时间不足和净污能力有限的技术难题；（4）主持研发了灌区水量监控及调配 等技术，实现了对灌区水、肥、退水污染物的自动化管理。3. 侯俊，排名3,副研究员，工作单位：河海大学，完成单位：河海大学，参与全部 技术研发和负责专利申请工作，对创新点14均有重要贡献，具体如下：（1）在创新点1中，参与灌区防渗型生态渠道等20项技术研发，解决了沟渠“灌排 高效、结构稳定、施工便捷、管理简单、投资节省”与“边坡生态化、面源截留净化、 沿线绿色化”多功能复合的技术难点。（2）在创新点2中，主持和参与灌区生活污水零 价铁/微生物复合渗滤墙净化系统等15项技术研发，解决了灌区不同类型污染源治理技 术难点。 在创新点3中，参与灌区稻田排水沟串联湿地净污系统等20项技术研发， 解决了农田退水面源污染湿地净污关键技术难点。（4）在创新点4中，参与农田退水持 留净化时间自动调控装置等10项技术研发。4. 崔远来，排名4,教授，工作单位：武汉大学，完成单位：武汉大学，主要贡献为 创新点13，具体如下：（1）考虑不同的灌排模式和施肥制度，系统地提出了以节水、增产、高效、减污为 目标的水稻高效利用水肥的综合调控技术。（2）提出了减轻水稻灌区面源污染的“三道 防线”理念以及具体的减污技术，构建了相应的面源污染负荷适宜生态治理模式。（3）发 现农业面源污染排放的尺度效应，探明了不同尺度间农业面源污染排放的变化规律及其 机理，提出有利于灌区尺度水肥资源高效利用及减轻农业面源污染的水肥管理技术。5. 钱进，排名5,副教授，工作单位：河海大学，完成单位：河海大学，参与全部技 术研发和负责专利申请工作，主要贡献为创新点13,具体如下：(1)在创新点1中，参与可移动组装式农田排水沟水质净化器等20项技术研发，创 新性借助生物净化器、附着微生物结构体等与农田排水系统进行耦合，解决了农田排水 净污装置技术难题；(2)在创新点2中，参与景观塔型水体曝气和生物净化装置等15项 技术研发；(3)在创新点3中，主持和参与农田排水沟便携式复合人工湿地净化箱等20 项技术研发,解决了生物净污介质耦合微生物作用增强沟系净污能力的技术难点；(4)在 创新点4中，参与农田灌区面源污染监控及预报系统等10项技术研发。6. 饶磊，排名6,教授，工作单位：河海大学常州校区，完成单位：河海大学，主要 贡献为参与创新点3、4中部分技术研发，具体如下：(1)研发了系列适用于灌区沟道、湿地水质净化的高效生态浮床装置，具有净化效 率高、流速自适应、免维护等优点；(2)研发了系列水利及环保设备，包括模拟复杂分 层流动水体的装置及控制方法、旋转封底式原位采泥器、流量感知型自排涝安全闸门等； (3)研发了系列灌溉水量计量及控制装置，具有计量精确、自动化程度高等优点；(4)开 发了灌区水量调配、面源污染及农田状态监控信息化管理系统，有利于提高灌区运行效 率及管理水平。7. 徐俊增，排名7,教授，工作单位：河海大学，完成单位：河海大学，主要贡献为 参与创新点13中部分技术研发，在水肥调控的高效机理与水肥模式、灌溉-排水湿地 集成模式方面起到了重要作用，具体如下：(1)提出了水肥调控的阈值区间与组合；(2)提出了稻田排水在湿地和排水沟中适 宜水力停留时间；(3)提出了集控制排水、不同流量排水的分流控制和岸坡渗滤系统与 一体的排水工程设计新方法。8. 顾斌杰，排名8,教授级高工，工作单位：水利部农村水利司，完成单位：河海大 学，在河海大学攻读博士学位期间研究制定了生态型灌区的总体技术框架，研发了生态 型灌区沟渠构建模式和关键技术，之后主要开展本项目技术的推广应用工作，对创新点 1、3有重要贡献。9. 敖燕辉，排名9,副教授，工作单位：河海大学，完成单位：河海大学，主要贡献 为参与创新点13中部分技术研发，具体如下：(1)在创新点1中研发了多层生态滤料等新材料和生物净化器等新装置；(2)在创 新点2中，解决了活性铁与微生物协同治污的技术难题；(3)在技创新点3中研发了吸 附基质球、光催化净污介质等新材料。10. 茆智，排名10,中国工程院院士，教授，工作单位：武汉大学，完成单位：武汉大 学，主要贡献为创新点13,具体如下：(1)考虑不同的灌排模式和施肥制度，系统地提出了以节水、增产、高效、减污为 目标的水稻高效利用水肥的综合调控技术。(2)提出了减轻水稻灌区面源污染的“三道 防线”理念以及具体的减污技术，构建了相应的面源污染负荷适宜生态治理模式。(3)发 现农业面源污染排放的尺度效应，探明了不同尺度间农业面源污染排放的变化规律及其 机理，提出有利于灌区尺度水肥资源高效利用及减轻农业面源污染的水肥管理技术。11. 杨士红，排名11，副教授，工作单位：河海大学，完成单位：河海大学，主要贡献 为参与创新点13中部分技术研发，在水肥调控的高效机理与水肥模式、灌溉-排水湿 地集成模式方面起到了重要作用，具体如下：(1)提出了田间水肥高效利用模式；(2)构建了适合圩区稻田的灌溉-排水-湿地系统 运行技术模式。12. 程卫国，排名12,总经理，工作单位：北京中水万源科技有限公司，完成单位：北 京中水万源科技有限公司，主要开展灌区自动化节水增产减污节能技术集成和推广应 用，以物联网为核心，将物理传感器、电化学传感器和生物传感器集成于一体，实现了 墒情、水情、土情、肥情、灾情和虫情实时传递，自动分析、智能控制等精准功能。13. 何岩，排名13,高级工程师，工作单位：昆山市水利局，完成单位：昆山市水利技 术推广站，在示范推广中灌区规划设计、示范推广的组织与实施方面起到了重要作用， 对创新点13做出了重要贡献，具体如下：(1)负责了生态护坡工程的技术比较与应用； 参与了 “高效输水-田间水肥调控- 生态沟控制排水-湿地”工程模式的提炼；(3)负责在示范推广的总体设计与组织实施。14. 罗玉峰，排名14,教授，工作单位：武汉大学，完成单位：武汉大学，作为成果主 要完成人，在灌溉-排水-湿地集成模式方面起到了重要作用，对创新点3做出了重要贡 献，参与构建了适合圩区稻田的灌溉-排水-湿地系统运行技术模式。15. 张剑刚，排名15,工程师，工作单位：昆山市水利技术推广站，完成单位：昆山市 水利技术推广站，在试验示范区和中试区的规划设计、示范与中试方案制定与实施、示 范推广中灌区规划设计与模式集成、示范推广的组织与实施方面起到了重要作用。对创 新成果1和3做出了重要贡献，具体如下：(1)负责了中试区灌溉、排水湿地工程建设，参与了灌溉-排水-湿地模式的集成； 参与了“高效输水-田间水肥调控-生态沟控制排水-湿地”工程模式的提炼，并负责将该 模式应用于周市和淀山湖等乡镇的工程改造。主要完成单位及创新推广贡献：河海大学： 构建了生态节水型灌区规划方法与生态建设模式，实现了灌区生态 环境的合理规划和农业结构的优化布局、灌区水系的畅通和湿地布局和利用，灌排水 和湿地系统达到健康水生态系统要求；（2）提出了不同类型灌区水资源利用和农田退水 循环利用的原则、准则、指标、方法和相应的政策措施；3）研发了灌区沟渠和湿地生 态化建设关键技术并进行工程实践，实现沟渠基底防渗和生态修复的有效结合，形成 不影响输水和排涝的水生植物群落结构，促进生态系统逐步改善；（4）研发了灌区污染 物有效截留净化、秸杆资源化高效利用系列技术并进行工程实践，在治理灌区污染和 改善灌区生态环境的同时，实现灌区潜在资源的高效开发和利用。（5）构建了不同类型 灌区水肥精准灌溉与水量水质自动监控系统，实现对灌区水份、肥料、退水污染物的“智 能、节约、生态、高效”自动化管理。武汉大学：（1）从单纯为节水、增产目的进行的农田节水灌溉研究，发展到针对节 水、增产、高效、减污四方面目的相结合进行水肥综合调控研究。从单纯对水量的研 究，发展到水利、农学、环境与生态相结合，对水量、水质进行综合研究。扩展了农 田节水灌溉的作用，为农田节水灌溉研究与实践探索出一种新的方向与途径。（2）考虑 不同的灌排模式和施肥制度，系统地提出了以节水、增产、高效、减污为目标的水稻 高效利用水肥的综合调控技术，分析了这类技术对此四方面的定量影响和各个方面的 相互影响及其机理。（3）提出了减轻水稻灌区面源污染的“三道防线”理念，研究了“三 道防线”中影响污染物排放的因素及其规律，以及具体的减污技术，构建了相应的面源 污染负荷适宜生态治理模式，研究了其减污效果。（4）发现农业面源污染排放的尺度效 应，探明了不同尺度间农业面源污染排放的变化规律及其机理，提出有利于灌区尺度 水肥资源高效利用及减轻农业面源污染的水肥管理技术。昆山市水利技术推广站：在试验示范区和中试区的规划设计、示范与中试方案制 定与实施、示范推广中灌区规划设计与模式集成、示范推广的组织与实施方面起到了 重要作用。（1）负责了生态护坡工程的技术比较与应用；（2）负责了中试区灌溉、排水 湿地工程建设，参与了灌溉-排水-湿地模式的集成；（3）参与了“高效输水-田间水肥调 控-生态沟控制排水-湿地”工程模式的提炼；（4）负责在示范推广的总体设计与组织实 施。北京中水万源科技有限公司：主要开展灌区自动化节水增产减污节能技术集成和 推广应用，以物联网为核心，将物理传感器、电化学传感器和生物传感器集成于一体, 实现了墒情、水情、土情、肥情、灾情和虫情实时传递，自动分析、智能控制等精准 功能。完成人合作关系说明：王沛芳、王超、侯俊、钱进合作完成了本项目的所有技术研发，包括发明点1灌区 沟渠系统生态化建设和修复、发明点2灌区污染物源头控制和截留净污、发明点3灌区 农田退水循环利用和洼陷湿地系统、发明点4灌区水肥精准灌溉和水量水质监控中的所 有技术研发，具体证明材料详见“主要知识产权证明”崔远来、茆智、罗玉峰与王沛芳、王超、侯俊、钱进等合作完成了创新点1灌区沟 渠系统生态化建设和修复、创新点2灌区污染物源头控制和截留净污、创新点3灌区农 田退水循环利用和洼陷湿地系统的部分技术研发和在湖北、浙江、江西3省7个灌区的 推广应用，具体证明材料详见“应用证明”饶磊与王沛芳、王超、侯俊、钱进等合作完成了发明点3、4中的部分技术研发， 包括系列适用于灌区沟道和湿地水质净化的高效生态浮床装置、系列灌区水利及环保设 备、系列灌溉水量计量及控制装置以及灌区水量调配、面源污染及农田状态监控信息化 管理系统，具体证明材料详见“主要知识产权证明”顾斌杰是王超教授的在职博士研究生，在攻读博士学位期间与王超、王沛芳、侯俊 等合作研究制定了生态型灌区的总体技术框架，研发了生态型灌区沟渠构建模式和关键 技术；毕业之后与王沛芳、王超、侯俊、钱进、饶磊合作开展本项目的技术推广应用， 具体证明材料详见“应用证明”徐俊增、杨士红与王沛芳、王超、侯俊、钱进合作完成了创新点2灌区污染物源头 控制和截留净污、灌区农田退水循环利用和洼陷湿地系统的部分技术研发，并与何岩、 张剑刚合作在江苏昆山等灌区推广应用，具体证明材料详见“应用证明”敖燕辉与王沛芳、王超、侯俊、钱进等合作完成了创新点13中部分技术研发，包 括多层生态滤料等新材料和生物净化器等新装置，吸附基质球、光催化净污介质等新材 料。程卫国与王沛芳、王超、侯俊、钱进等合作开展了灌区自动化节水增产减污节能技 术集成和推广应用，以物联网为核心，将物理传感器、电化学传感器和生物传感器集成 于一体，实现了墒情、水情、土情、肥情、灾情和虫情实时传递，自动分析、智能控制 等精准功能。