農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)研究進(jìn)展

徐義軍，劉思妍，姚幫松，胡德勇，羅東城，黃正忠

（1. 湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410128）

前 言

據(jù)相關(guān)資料顯示，我國淡水資源總量非常豐富，高達(dá)28 000 億m3之多，占全球水源的6%，位列加拿大、俄羅斯、巴西三個(gè)國家之后，在世界上排行第四。雖然淡水資源總量很多，但是我們國家水資源人均量只有2 300 m3，這一數(shù)值嚴(yán)重低于世界平均水平，僅有世界平均水平的1/4，所以我國也是全球人均水資源最貧乏的國家之一。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但不是一個(gè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國。我國最主要的用水行業(yè)就是農(nóng)業(yè)，而農(nóng)業(yè)用水主要是農(nóng)田灌溉。據(jù)2018 年統(tǒng)計(jì)我國農(nóng)業(yè)用水已經(jīng)達(dá)到了全社會(huì)用水比例的61.4%[1]。近年來國家和各級(jí)地方政府大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，并狠抓最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施，灌溉水有效利用系數(shù)有了一定的提升。2018 年據(jù)水利部相關(guān)統(tǒng)計(jì)全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.554[1]。但是較發(fā)達(dá)國家仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，由此可見我國農(nóng)業(yè)節(jié)水的發(fā)展前景十分廣闊。因此，針對(duì)國內(nèi)外相關(guān)專家灌溉水利用系數(shù)的大量研究成果，對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)并進(jìn)行分析，具體結(jié)合我國實(shí)際國情，提出有效的節(jié)水措施和提高灌溉水有效利用系數(shù)的對(duì)策與建議，十分有必要。

1 灌溉水有效利用系數(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展

20 世紀(jì)40、50 年代，我國在前蘇聯(lián)灌溉水利用系數(shù)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上建立了灌溉用水效率指標(biāo)體系以及相關(guān)算法[2]。1998 年發(fā)布的《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》中把灌入田間水量與渠道引入總水量的比值定義為灌溉水有效利用系數(shù)[3]，并將該系數(shù)作為節(jié)水灌溉工程的一項(xiàng)規(guī)劃指標(biāo)使用。2006 年水利部全面開展了全國灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作的探索[4]，并制定了一系列文件，如《全國現(xiàn)狀灌溉水利用率測(cè)算分析技術(shù)方案》、《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》等，同時(shí)也將灌溉水有效利用系數(shù)這一指標(biāo)進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，即將其定義為在某次或某一時(shí)間內(nèi)被農(nóng)作物利用的凈灌溉水量與水源渠首處總灌溉引水量的比值[5]。國內(nèi)一直用灌溉水有效利用系數(shù)來反映灌溉水的有效利用程度，但是國際上通用的表述方式是“效率”而非“系數(shù)”，灌溉效率是反映灌溉水有效利用程度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。ICID（國際排灌委員會(huì)）在Israelsen[6]對(duì)灌溉效率定義的基礎(chǔ)上，于1977 年提出了一項(xiàng)關(guān)于灌溉效率的標(biāo)準(zhǔn)，把輸水效率、配水效率和田間灌水效率三者的乘積作為總灌溉效率[7]。在這之后，Hart[8]、Burt[9]等又提出了兩項(xiàng)表征灌溉效率的指標(biāo)：儲(chǔ)水效率和田間潛在灌水效率。各國研究學(xué)者們也陸續(xù)提出了許多不一樣的表征灌水效率的指標(biāo)[10～11]，雖然注重點(diǎn)不同，但是基本原理、原始內(nèi)涵和早期定義沒太大區(qū)別。

1.1 灌溉水有效利用系數(shù)影響因素研究

能對(duì)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)產(chǎn)生作用的影響因素非常多，自然因素如降雨、土壤地質(zhì)、灌區(qū)面積等；人為因素如當(dāng)?shù)剞r(nóng)民灌溉頻率、灌溉模式以及當(dāng)?shù)毓喔戎贫鹊?；?jīng)濟(jì)因素如政府對(duì)節(jié)水工程投資比例大小、灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)等。通過對(duì)這些影響因素的分析和研究，能夠有效地促進(jìn)灌溉水有效利用系數(shù)的提升。對(duì)測(cè)算方法存在的問題進(jìn)行研究，探索冬灌灌水定額、灌區(qū)自然地理?xiàng)l件的差異、灌區(qū)規(guī)模及取水方式的不同、作物種植結(jié)構(gòu)和供水水價(jià)等對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)的影響[12～13]。在空間分布特征上研究防滲渠道長度、渠道襯砌率、節(jié)水灌溉工程面積、灌區(qū)管理水平、地域灌溉制度、土壤的墑情變化情況以及降雨量的大小、水稻種植比的多少等對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)的影響[14～18]。根據(jù)前人的研究可以發(fā)現(xiàn)工程措施對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)的提高是較為明顯的，也是其主要的影響因素之一。灌溉制度和灌溉模式，這兩個(gè)影響因素重點(diǎn)是影響到田間水的利用情況，地域的不同會(huì)導(dǎo)致灌溉制度和灌溉模式發(fā)生變化，我國南方和北方就是典型例子。南方多用渠道輸送灌溉水，而北方多用管道輸水，很大程度上是因?yàn)槟戏蕉嘤瓿睗裉鞖饩佣啵狈缴儆旮珊堤鞖廨^多。并且灌溉管理上如調(diào)虧灌溉，通過對(duì)作物進(jìn)行階段性的非充分灌溉，甚至是缺水灌溉，且能在減少用水的情況下提高作物產(chǎn)量；而灌溉模式如增氧灌溉，在增加土壤中養(yǎng)分含量的同時(shí)，改變了作物生長的土壤環(huán)境，在灌溉水量相同的情況下，也能夠增加作物的產(chǎn)量。因?yàn)楹芏嘤绊懸蛩孬@取數(shù)據(jù)資料較為復(fù)雜，所以目前國內(nèi)對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)的研究還是以定性分析為主，定量分析較少，有關(guān)機(jī)理方面的研究不多。

在19 世紀(jì)70 年代，國外有組織研究發(fā)現(xiàn)國際上對(duì)灌溉效率的理解尚存在許多偏差，在一些地方甚至是自相矛盾，認(rèn)為從灌溉效率的數(shù)值就能夠判斷出水資源在使用過程被大量地浪費(fèi)了，雖然判斷不是很準(zhǔn)確，但是這一論斷直接導(dǎo)致有人發(fā)現(xiàn)了大型水利工程及流域中存在灌溉回歸水反復(fù)利用的現(xiàn)象。很多學(xué)者開始考慮把回歸水這一要素加入影響灌溉水利用效率的指標(biāo)體系中[19～20]，并且展開了大量研究探討回歸水可能產(chǎn)生的影響[21～22]。經(jīng)陸續(xù)研究發(fā)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)[23]、流域管理模式[24]、調(diào)虧灌溉[25～26]、作物的差異[27]等各個(gè)方面的因素都會(huì)對(duì)灌溉水利用效率產(chǎn)生影響[28]，從最初的灌溉效率指標(biāo)到考慮回歸水利用效率的新指標(biāo)，以及有關(guān)灌溉水利用效率影響因素的進(jìn)一步深入研究，如何引入各個(gè)方面的影響因素進(jìn)行綜合分析，研究其對(duì)灌溉效率的復(fù)合影響已成為爭論的焦點(diǎn)。

1.2 灌溉水有效利用系數(shù)尺度研究

灌溉水有效利用系數(shù)受不同水源類型、灌水時(shí)間長短、灌區(qū)地理位置、灌區(qū)規(guī)模大小和類型等具有明顯時(shí)間分布特征或者空間分布特征的因素影響，研究的對(duì)象多以灌區(qū)為基本單位，包括同一時(shí)段不同灌區(qū)及同一灌區(qū)不同時(shí)段，這就同時(shí)具備了時(shí)間尺度和空間尺度特征。國內(nèi)展開灌溉水有效利用系數(shù)的研究時(shí)間最早可追溯到幾十年前，就時(shí)間這一尺度而言，國內(nèi)大部分研究都是以一個(gè)日歷年來展開研究，很多地區(qū)多以分析測(cè)算某一指定灌區(qū)或者某一特定行政區(qū)域內(nèi)連續(xù)1 年內(nèi)灌溉水有效利用系數(shù)的波動(dòng)情況。通過數(shù)年的數(shù)據(jù)調(diào)查，對(duì)淮安市各縣區(qū)灌區(qū)和內(nèi)蒙古黃河南岸灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行了分析研究[29～30]，總結(jié)并提出了有效提高灌溉水有效利用系數(shù)的措施及方法。我國地域?qū)拸V，灌區(qū)地理位置不同對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)的影響也很大，從空間尺度上來研究該系數(shù)，在國內(nèi)一般會(huì)從行政區(qū)域的劃分以及灌區(qū)的不同這兩種空間視角來進(jìn)行研究。分別以全國大型灌區(qū)、全國純井灌區(qū)為對(duì)象分析其對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)影響[31～32]；對(duì)浙江省[33]、寶雞市[34]、湖北省溫峽口灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的研究[35]，探究了不同空間尺度下灌溉水有效利用系數(shù)的變化趨勢(shì)。一般來說，按行政區(qū)劃進(jìn)行研究的灌溉水有效利用系數(shù)對(duì)于地方的主要發(fā)展方向政策的制定有一定的指導(dǎo)意義，通常是作為預(yù)期性判斷指標(biāo)和管理考核指標(biāo)。國內(nèi)灌溉水有效利用系數(shù)的研究主要是研究空間尺度上的分布特征，而對(duì)時(shí)間尺度上的分布特征研究較少。

1.3 灌溉水有效利用系數(shù)方法研究

灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算方法一般有兩種，一種是典型渠段法，另一種是首尾測(cè)算分析法。典型渠段法也叫分段測(cè)算法，即通過動(dòng)水法或者凈水法測(cè)得各級(jí)渠道水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)，再計(jì)算兩者的乘積。國內(nèi)早期的研究多以典型渠段法為主，但是該方法測(cè)算工程量非常大，實(shí)際測(cè)算中，由于渠道系統(tǒng)的復(fù)雜性以及回歸水再利用等情況，會(huì)導(dǎo)致測(cè)算結(jié)果存在較大的誤差。國內(nèi)學(xué)者對(duì)典型渠道法存在的越級(jí)渠道、回歸水利用等問題進(jìn)行了分析研究，并對(duì)傳統(tǒng)典型渠道法進(jìn)行了修正與完善[36～39]。首尾測(cè)算分析法能直觀反映指定區(qū)域灌溉水的總體波動(dòng)情況，對(duì)指定區(qū)域內(nèi)灌溉水有效利用系數(shù)的波動(dòng)趨勢(shì)能更加方便地進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，且具有牢固的理論基礎(chǔ)作為支撐，在平時(shí)實(shí)際工作中的實(shí)操性也較強(qiáng)，對(duì)于我國基層灌溉管理單位來說十分便捷，同時(shí)這也是我國大部分灌區(qū)比較常用的測(cè)定方法。我國南方農(nóng)田灌區(qū)水源復(fù)雜多樣，用途上也是具有顯著差異，且灌區(qū)內(nèi)輸水和配水工程也較為復(fù)雜。國內(nèi)研究人員對(duì)南方平原河網(wǎng)型灌區(qū)進(jìn)行具體分析研究，建立相關(guān)模型[41]，提出改進(jìn)型首尾水量平衡法[42]。很多學(xué)者還對(duì)首尾測(cè)算法在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題和不足進(jìn)行了探討[43～44]，并提出了有效建議與措施。為了能夠更精準(zhǔn)地檢測(cè)灌溉水有效利用系數(shù)，國內(nèi)研究人員從不同地域、不同分析方法、不同數(shù)學(xué)模型等各個(gè)方面展開了大量的試驗(yàn)研究，積攢了豐厚的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

國外研究大都集中在灌溉水利用效率內(nèi)涵以及回歸水的問題上，相比前者，在灌溉水利用效率研究中，總結(jié)了國際上常用渠道滲漏損失計(jì)算的三種方法[45]，運(yùn)用多種方法結(jié)合的模式，通過科學(xué)儀器直接檢測(cè)滲流量的方法來估算渠道滲漏情況[46]，開發(fā)先進(jìn)的低成本農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)（LCIS）和新型物理模型幫助農(nóng)民獲得最高的灌溉水利用效率[47～48]。這些方法理論及概念嚴(yán)謹(jǐn)合理，且具有較強(qiáng)的針對(duì)性，但是在我國應(yīng)用過程中，因?yàn)榈乩憝h(huán)境及人文因素等各個(gè)方面的影響，無法達(dá)到應(yīng)有的效果，不過很多先進(jìn)理念是值得參考的。

1.4 灌溉水利用效率評(píng)價(jià)研究

國外研究人員對(duì)灌溉水利用效率評(píng)價(jià)模型也進(jìn)行了大量的研究，這一方面的研究能夠?yàn)楣喔人眯实臏y(cè)算提供借鑒，也對(duì)其深入研究提供了數(shù)據(jù)支撐。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)用SWAT 模型同時(shí)模擬水量平衡要素和作物產(chǎn)量[49～50]，MODFLOW 和SWAT 模型可以結(jié)合起來研究灌區(qū)的水資源循環(huán)[51]。有人用修改后的水箱模型結(jié)合地下水模型模擬區(qū)域淺層地下水平衡[52]，IWMI 研究人員結(jié)合SWAP 模型和SLURP 模型對(duì)灌溉水利用效率相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[53]，且在不同流域基于水量平衡原理展開了基礎(chǔ)研究[54～56]。從國外有關(guān)灌溉水利用效率指標(biāo)體系研究中可以發(fā)現(xiàn)，水量平衡模型仍舊是大部分指標(biāo)量化的基礎(chǔ)，明確區(qū)分了在不同尺度范圍內(nèi)對(duì)灌溉水利用效率的影響，不過目前國際上已有的指標(biāo)體系還是存在一些問題，雖然基于水量平衡原理搭建了一個(gè)較為完整的框架，但部分影響因素暫時(shí)還無法確定，所以目前這一指標(biāo)體系與我國的適用性還有待商討。

2 存在的問題

最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施已經(jīng)在全國范圍內(nèi)鋪開，近年來我國在灌溉水有效利用系數(shù)研究中取得了較大的進(jìn)步，主要是從灌溉水有效利用系數(shù)的影響因素、測(cè)算方法、應(yīng)用技術(shù)等各個(gè)方面展開研究，雖然成績斐然，但不得不承認(rèn)目前仍存在一些我們還未解決的問題[57]。

1）毛灌溉用水量的計(jì)算問題首當(dāng)其沖。南方屬多水源地區(qū)，在很多灌區(qū)內(nèi)，大大小小的塘壩數(shù)量眾多，這些塘壩取水記錄都沒有；南方降雨頻繁，大雨后形成地表徑流流入灌區(qū)內(nèi)的這一部分沒有詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，實(shí)際降雨過程中落入灌區(qū)內(nèi)的這部分也沒有詳細(xì)記錄；且目前很多中小型的灌區(qū)渠首及各渠道取水口的計(jì)量設(shè)施的配備尚未完善，這也會(huì)對(duì)毛灌溉用水量統(tǒng)計(jì)帶來很大的誤差。

2）典型田塊的選擇問題。因?yàn)槲覈狈饺彼畣栴}較為嚴(yán)重，且農(nóng)業(yè)節(jié)水是興起于北方，所以在《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》中很多內(nèi)容都是針對(duì)北方地域情況進(jìn)行設(shè)計(jì)[58]，而我國南方北方地域差異較大，在北方，降雨較少，灌區(qū)平整，種植結(jié)構(gòu)大都比較單一，灌水大都是通過渠道引水灌溉，所以可以用較為簡單的方法來確定典型田塊。在南方，多丘陵山區(qū)地帶，地形起伏不定，所以灌區(qū)內(nèi)作物種植結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且南方是多水源地區(qū)，除了渠道引水灌溉，還會(huì)通過塘壩，降雨等其他方式進(jìn)行灌溉。因此針對(duì)南方和北方獨(dú)特的地形地貌以及氣候條件，應(yīng)有針對(duì)性設(shè)計(jì)，《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》中對(duì)于灌區(qū)和典型田塊的選擇[59]，不能一味盲從單一地選擇。

3）我國目前尚無完整的觀測(cè)站網(wǎng)體系，只有在長期固定觀測(cè)站點(diǎn)的支撐下，才有可能得到比較真實(shí)準(zhǔn)確的灌溉水有效利用系數(shù)，國內(nèi)目前監(jiān)測(cè)方法大多是通過人工檢測(cè)，這樣會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，甚至?xí)霈F(xiàn)虛假數(shù)據(jù)；且目前對(duì)田間土壤水分含量和水位觀測(cè)儀器的選擇原則尚未統(tǒng)一[60]，同一片區(qū)域不同的灌區(qū)可能使用不同的儀器，這樣檢測(cè)出來的數(shù)據(jù)不具有可比較性。

對(duì)于國外一些先進(jìn)理念和技術(shù)研究成果，我們應(yīng)該持虛心的態(tài)度去學(xué)習(xí)，但是國外很多有關(guān)技術(shù)性研究和模型研究都是針對(duì)他們的實(shí)際狀況開展的，與我國實(shí)際狀況不一定吻合，所以在消化和吸收國外的先進(jìn)技術(shù)和理念時(shí)，不能死板地生搬硬套，需要針對(duì)本地實(shí)際情況有效運(yùn)用。

3 討論與展望

灌溉水有效利用系數(shù)能夠有效評(píng)價(jià)灌溉水利用程度，于我國農(nóng)田節(jié)水灌溉、水資源進(jìn)一步優(yōu)化配置和對(duì)農(nóng)業(yè)用水高效管理都具有十分重大的意義。在后續(xù)研究中，一是要因地制宜提出符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的測(cè)算方法；二是要對(duì)灌溉試驗(yàn)站網(wǎng)和野外固定典型實(shí)測(cè)田塊開展長系列試驗(yàn)觀測(cè)工作，得到真實(shí)可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；三是要以量測(cè)水設(shè)施配套建設(shè)、用水統(tǒng)計(jì)制度建設(shè)及管理信息化、規(guī)范化為基礎(chǔ)，夯實(shí)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的技術(shù)支撐。

項(xiàng)目名稱：湖南省多水源灌區(qū)干渠以下灌溉水有效利用系數(shù)實(shí)測(cè)方法研究與示范（XSKJ 2018179-35）。