提高灌溉水利用系數(shù)的探討

彭世彰 ，高曉麗 ，2

（1.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210098，南京；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，210098，南京）

人多、地少、水缺的基本國情，迫切需要在實(shí)現(xiàn)糧食安全和水資源安全戰(zhàn)略過程中切實(shí)有效地提高灌溉水利用系數(shù)，緩解農(nóng)業(yè)用水供需緊張的矛盾，支撐糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。2009年全國總用水量為5933億m3，農(nóng)業(yè)用水量為3687億m3，占總用水量的62.1%。在比重較大的農(nóng)業(yè)用水中，灌溉水利用率低，浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在。目前，我國灌溉水利用系數(shù)平均為0.50，遠(yuǎn)低于0.7～0.8的世界先進(jìn)水平，灌溉水利用系數(shù)具有很大提升潛力。灌溉水利用系數(shù)從0.50提高到0.55，僅此一項(xiàng)每年即可節(jié)約水量150億～200億m3。因此，提高灌溉水利用系數(shù)，是解決農(nóng)業(yè)用水短缺、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和制定新形勢下的治水方略等亟需研究的問題。

一、我國灌溉水利用狀況

近年，隨著灌區(qū)工程建設(shè)與節(jié)水改造的持續(xù)發(fā)展，我國灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)逐年提高，各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等近4年的灌溉水利用系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1、表2所示。

表1 不同年份灌溉水利用系數(shù)

表2 不同灌溉水利用系數(shù)范圍的省份統(tǒng)計(jì)

目前，我國灌區(qū)平均灌溉水利用系數(shù)僅為0.5，灌溉水利用系數(shù)低的省份比例逐漸減少，系數(shù)高的省份比例逐漸增加。一般來說，大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)較低，但由于大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造持續(xù)穩(wěn)定投入，加之綜合有效的灌區(qū)信息現(xiàn)代化管理，灌溉水利用系數(shù)增長較快，且有較大的提升空間。而由于對地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度以及微灌、噴灌、低壓管道輸水灌溉和渠道防滲等節(jié)水灌溉技術(shù)的廣泛應(yīng)用，純井灌區(qū)具有較高的灌溉水利用系數(shù)，但工程條件沒有改善、個別地區(qū)甚至有老化現(xiàn)象，致使灌溉水利用系數(shù)增幅較小。2009年大型、中型、小型和純井灌區(qū)的灌溉用水量分別占總灌溉用水量的35.7%、25.3%、25.6%和 13.3%，其灌溉水利用系數(shù)與我國節(jié)水灌溉規(guī)范中規(guī)定的0.50、0.60、0.70、0.80 還有一定的差距。

我國節(jié)水灌溉面積比例小，技術(shù)創(chuàng)新與推廣體系不健全，土地平整精度差，田間工程不配套，灌溉用水管理技術(shù)落后，信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動控制技術(shù)等在灌溉用水管理中的應(yīng)用還很少，均限制著我國灌溉水利用系數(shù)的提高。因此，為了實(shí)現(xiàn)2020年我國灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.55的目標(biāo)，加快農(nóng)田水利建設(shè)，增加全國節(jié)水灌溉面積，加強(qiáng)灌區(qū)現(xiàn)代化管理，加強(qiáng)灌溉水的重復(fù)利用，增強(qiáng)群眾節(jié)水意識等，是提高灌溉水利用系數(shù)的必然選擇。

二、提高灌溉水利用系數(shù)的主要措施

灌溉水利用系數(shù)主要受渠道防滲措施、土壤質(zhì)地、地下水埋深、灌溉技術(shù)、渠道輸水時間、灌區(qū)類型、灌區(qū)規(guī)模和渠道級別等因素影響。

1.減少渠系輸水損失，提高渠系水利用系數(shù)

渠系輸水損失的原因主要是各級渠道的渠床滲漏和工程配套不完善而造成的漏水、泄水和渠堤決口跑水等。進(jìn)行以渠道防滲和低壓管道輸水為中心的灌區(qū)工程改造和實(shí)施科學(xué)合理的輸配水，減少漏水、泄水和棄水等水量損失，以提高渠系水利用系數(shù)。

（1）渠道防滲

渠道防滲是提高渠系水利用系數(shù)最有效、應(yīng)用最普遍的工程技術(shù)措施之一。渠道防滲主要有漿砌塊石襯砌、混凝土襯砌和塑料薄膜等方式，較土渠分別減少滲漏損失水量50%～60%、60%～70%和70%～80%。大型灌區(qū)的渠道防滲可使渠系水利用系數(shù)提高 0.2～0.4，減少渠道滲漏損失50%～90%。到2009年年底，全國防滲渠道控制面積為1116.6萬hm2，占全國工程節(jié)水灌溉面積的43.4%，支渠以下的渠道大部分仍是土質(zhì)渠道，渠道水利用系數(shù)具有很大的提升空間。渠道防滲有效地減少了滲漏損失水量，在一定范圍內(nèi)，渠系水利用系數(shù)隨著渠系防滲率的增加而增加。

（2）低壓管道代替明渠輸水

用低壓管道代替明渠輸水，既可減少輸水過程中的渠道滲漏和水面蒸發(fā)損失，又可嚴(yán)格控制灌溉用水，渠系水利用系數(shù)高達(dá)0.95～0.97，與土渠灌溉相比可節(jié)約水量25.5%～40%。

渠道防滲和低壓管道輸水提高了渠系水利用系數(shù)，但減少了渠系和田間滲漏損失水量對地下水的補(bǔ)給，對地下水水位產(chǎn)生一定影響，可能導(dǎo)致生物棲息地破壞、自然植被衰竭、湖泊濕地萎縮、土壤鹽漬化等一系列生態(tài)問題。

（3）加強(qiáng)渠系輸配水管理

渠系水的不合理配置，也是造成灌溉水浪費(fèi)的重要因素。國內(nèi)開發(fā)了渠系配水軟件、決策支持系統(tǒng)，并增加各種渠系配套建筑物，發(fā)展各種配水、量水技術(shù)，加強(qiáng)對渠系水的優(yōu)化配置；美國、加拿大、澳大利亞、日本和法國等發(fā)達(dá)國家大量采用計(jì)算機(jī)技術(shù)調(diào)控渠系輸配水，把計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等應(yīng)用于用水管理，運(yùn)用智能化的灌溉預(yù)報(bào)與節(jié)水灌溉決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集信息采集—處理—決策—信息反饋—監(jiān)控為一體的調(diào)度系統(tǒng)。其中，美國墾務(wù)局將自動控制技術(shù)用于灌區(qū)配水調(diào)度，配水效率從過去的80%增加到96%。加強(qiáng)渠系輸配水管理，減少渠系的泄水、棄水和退水等水量損失，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和灌溉水的合理調(diào)度，從而提高灌溉水利用率。

2.減少田間無效耗水，提高田間水利用系數(shù)

田間滲漏、徑流、地表蒸發(fā)和植株蒸騰等水量損失大大降低了田間水利用系數(shù)，為此，推廣先進(jìn)的灌水技術(shù)、高效用水調(diào)控技術(shù)以及農(nóng)藝措施，以減少田間無效耗水，提高田間水利用系數(shù)。

（1）先進(jìn)的灌水技術(shù)

美國、以色列、澳大利亞等國家已大面積采用水平畦灌、波涌灌等精細(xì)地面灌溉方法，激光控制平地技術(shù)使農(nóng)田灌溉水利用率提高了20%～30%。噴灌、微噴灌、滴灌和覆膜灌等先進(jìn)的灌水技術(shù)逐步推廣，減少了田間灌溉水滲漏、徑流、地表蒸發(fā)以及棵間蒸發(fā)損失水量，田間水利用率顯著提高。其中，噴灌可使灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.7以上，比地面灌溉減少水量損失30%～40%；滴灌進(jìn)一步減少了蒸發(fā)和滲漏的損失，比噴灌減少水量損失30%，比地面灌溉減少水量損失70%～80%；膜下滴灌比常規(guī)溝灌減少水量損失50%左右；涌流畦灌可減少水量損失10%～40%。美國在平移式噴灌機(jī)上對噴頭裝置和噴灑方式進(jìn)行了改造，灌溉水的利用系數(shù)可提高到0.9以上；以色列采用渠道輸水、噴灌、滴灌和自動控制技術(shù)，使灌溉水利用系數(shù)平均達(dá)到0.9。大力開發(fā)與推廣各種先進(jìn)灌水技術(shù)，可不同程度地提高灌溉水利用系數(shù)。

（2）高效用水調(diào)控技術(shù)

灌溉水的最終目標(biāo)不是灌入田間，而是被作物吸收利用。進(jìn)入田間的灌溉水很大部分以植株蒸騰和株間蒸發(fā)的形式而散失。如果充分利用作物自身根系吸水和葉片氣孔調(diào)節(jié)作用，可以減少這部分水量損失。近年特別注重作物高效用水生理學(xué)基礎(chǔ)，通過對土壤—植物—大氣連續(xù)體水分傳輸機(jī)理與植物適度缺水的補(bǔ)償效應(yīng)等問題的研究，國內(nèi)外相繼開展了作物調(diào)虧灌溉、控制性分根交替灌溉、水稻控制灌溉和精準(zhǔn)灌溉等作物高效用水調(diào)控技術(shù)，掌握田間土壤水分狀況和植物生理生態(tài)過程及其耗水規(guī)律，建立具有監(jiān)測、傳輸、診斷、決策等功能的作物精量控制灌溉系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)合理的灌溉。因此，利用作物自身調(diào)控功能，開展作物高效用水調(diào)控技術(shù)，減少植株蒸騰和株間蒸發(fā)等水量損失，降低作物需水量要求，也是提高灌溉水利用系數(shù)的重要途徑。

（3）農(nóng)藝措施

對土壤進(jìn)行深耕中耕，增施有機(jī)肥，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤涵蓄水能力，增強(qiáng)根系對土壤水分的吸收能力；在秸稈覆蓋、砂土、薄膜和人工保水劑等方面也進(jìn)行了許多研究，可以提高耕層土壤貯水量；調(diào)整和優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，合理分配灌溉水，提高農(nóng)田整體水分利用效率。采取各種農(nóng)藝措施，減少了灌溉水在土壤中的滲漏與表土蒸發(fā)等水量損失，從而增加耕作層土壤的保水能力，提高了田間水利用系數(shù)。

3.加強(qiáng)回歸水的重復(fù)利用，減少渠首灌溉引水量

眾多研究表明，灌溉水利用系數(shù)隨空間尺度的增加而降低，存在一定的尺度效應(yīng)?；貧w水及其重復(fù)利用是導(dǎo)致灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)產(chǎn)生尺度效應(yīng)的主要原因。通過加強(qiáng)灌溉管理和增設(shè)重復(fù)利用灌溉水設(shè)施，提高回歸水的重復(fù)利用率，實(shí)現(xiàn)提高灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的目標(biāo)。

隨著空間尺度的加大，回歸水量也增多。有效的管理可以提高回歸水的重復(fù)利用率，比如采取按田分水、提高水價等措施，促進(jìn)不同尺度下回歸水的重復(fù)利用；制定科學(xué)的灌溉制度，采取先遠(yuǎn)后近、先高后低的輪灌制度，充分利用滲漏水。湖北漳河灌區(qū)依靠提高回歸水重復(fù)利用率，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)均得以顯著提高。從水資源平衡的角度分析，徑流和滲漏損失的水量一部分轉(zhuǎn)化為其他形式的水，通過引、蓄、提相結(jié)合的工程，部分可以重復(fù)利用。在北方灌區(qū)，多通過井渠結(jié)合的方式，聯(lián)合調(diào)配地表水與地下水，重復(fù)利用渠系和田間的滲漏水；在南方丘陵地區(qū)，采用長藤結(jié)瓜灌溉系統(tǒng)，利用灌區(qū)內(nèi)的塘堰及中小型水庫攔截部分灌溉水徑流損失的水量。增設(shè)水重復(fù)利用設(shè)施，力爭水資源在灌區(qū)內(nèi)部重復(fù)利用，可以提高灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

分析灌溉水利用系數(shù)的尺度效應(yīng)，并加強(qiáng)回歸水的重復(fù)利用，有助于提高灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。但以往對灌溉水利用系數(shù)尺度效應(yīng)的研究多集中于下墊面均一的情況，具有很大的局限性。

三、需要研究的主要內(nèi)容

1.跟蹤灌溉水利用系數(shù)動態(tài)變化

進(jìn)一步探索適合我國灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)指標(biāo)體系，并健全灌溉水利用系數(shù)全國測算分析網(wǎng)絡(luò)，因地制宜地選擇測算方式，動態(tài)分析全國及各地區(qū)的灌溉水利用系數(shù)及其變化情況，有助于灌溉水利用系數(shù)較低的地區(qū)及時采取相應(yīng)的措施，以提高整體灌溉水利用系數(shù)。

2.確定不同類型地區(qū)適宜的渠道襯砌率和灌溉水利用系數(shù)閾值

考慮不同類型地區(qū)灌區(qū)適宜的渠道襯砌率和地下水水位等問題，對水資源利用率進(jìn)行綜合評價，探討維持人水和諧、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用等多目標(biāo)的渠道襯砌率和灌溉水利用系數(shù)閾值，確保水資源的永續(xù)利用。

3.制定多水源聯(lián)合調(diào)配與優(yōu)化調(diào)度方案

應(yīng)用現(xiàn)代化信息技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，掌握渠系和田間水分運(yùn)行狀況，進(jìn)行動態(tài)計(jì)劃用水管理，實(shí)施多水源聯(lián)合調(diào)配，充分、合理、高效地利用干支流及地下水等水資源，在井渠結(jié)合灌區(qū)，研究不同防滲率與灌溉水利用系數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建最佳井渠比調(diào)控模式，聯(lián)合調(diào)配地表水與地下水，提高灌區(qū)內(nèi)部灌溉水的重復(fù)利用率，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

4.研究下墊面非均一條件下灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的尺度效應(yīng)

以區(qū)域尺度水轉(zhuǎn)化與水平衡動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，探明下墊面非均一條件下灌溉水利用系數(shù)的尺度效應(yīng)，充分挖掘每一個可能的節(jié)水環(huán)節(jié)，解決不同類型灌區(qū)、不同種類作物和不同種植面積而導(dǎo)致的作物需水量時空尺度和用水結(jié)構(gòu)問題。

5.揭示節(jié)水、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)及環(huán)境友好的水分—產(chǎn)量—品質(zhì)—環(huán)境效應(yīng)綜合響應(yīng)關(guān)系

基于SPAC水分連續(xù)系統(tǒng)，研究不同灌水量對土壤水分、作物產(chǎn)量、品質(zhì)和環(huán)境的綜合相應(yīng)關(guān)系，并給出定量的描述，進(jìn)而合理分配灌溉水量，解決提高灌溉水利用系數(shù)這一前沿性基礎(chǔ)問題。

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