趙新宇,錢武文
(1.南昌工程學(xué)院,南昌 330099;2.鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,南昌 330099)
灌溉回歸水(Irrigation Return Flow)也稱灌溉退水,在世界范圍內(nèi)廣泛存在,研究表明一些水稻灌區(qū)或采用漫灌方法的灌區(qū)的灌溉回歸水量約占引水量的50%[1-4],F(xiàn)AO 的報(bào)告也估計(jì)世界上只有一半的灌溉水被作物所利用,相當(dāng)大一部分的水量作為灌溉回歸水,最終回歸于地下含水層或河流之中[5]。一些灌區(qū)的灌溉回歸水對(duì)區(qū)域水資源與水環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響[6-8],例如中國西北地區(qū)的寧夏引黃灌區(qū),灌區(qū)大量種植水稻,引用黃河水量很大,由此產(chǎn)生的地表灌溉回歸水量在20世紀(jì)90年代超過了每年30 億m3[9]。另外,灌溉回歸水還是一種可再利用的水資源,對(duì)它的研究很有意義。
1993年中國水利部發(fā)布的《農(nóng)田水利技術(shù)術(shù)語》(SL56-93)把灌溉回歸水定義為:灌溉水由田間、渠道排出或滲入地下并匯集到溝、渠、河道和地下含水層中成為可再利用的水源[10]。1998年中國水利部發(fā)布的《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》(SL207-98)把灌溉回歸水定義為:在農(nóng)田灌溉中,流經(jīng)渠系和田間的地表水流和地下水滲流回流到下游溝渠或河道中的灌溉余水[11]。1998年之后的水利部部頒標(biāo)準(zhǔn)沒有再對(duì)灌溉回歸水進(jìn)行定義。
我國學(xué)者對(duì)灌溉回歸水的定義基本沿用了《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》的定義。例如:賈效亮等認(rèn)為灌溉回歸水主要是指在農(nóng)田灌溉中,流經(jīng)渠系和田間的地表水流和地下滲流回流到下游排水河道中的灌溉余水[12];崔遠(yuǎn)來等認(rèn)為灌溉回歸水是在農(nóng)田灌溉中流經(jīng)渠系和田間的地表水、地下水滲流回流到各級(jí)排水溝或天然河溝中的灌溉水[13-17],美國的Veettil等在研究中也采用了這個(gè)定義[18];費(fèi)良軍等認(rèn)為灌溉回歸水是由于過量灌溉產(chǎn)生的,經(jīng)地表、地下兩種途徑回歸到河流、湖泊中的水量[19-21]。
另一方面,也有很多學(xué)者對(duì)灌溉回歸水的定義與《農(nóng)田水利技術(shù)術(shù)語》的定義基本相同。例如:法國的Dewandel 等研究認(rèn)為灌溉回歸水是過量灌溉產(chǎn)生的,未被蒸騰或直接由地表排出的,回歸到地下含水層或江河、湖泊等地表水體中的水量[1],伊朗的Jafari 等[22,23]、中國的胡秋麗等[2]在研究中也采用了這個(gè)定義;美國的Arnold 等認(rèn)為灌溉回歸水包括灌溉尾水和田間滲漏水[2,3,22];美國的Lin 等認(rèn)為灌溉回歸水包括灌溉尾水、渠道滲漏水和田間滲漏水[24];荷蘭的Simons 等認(rèn)為灌溉回歸水是田間未被消耗而重新回到地表水體或地下含水層中的水量[25]。
綜合上所述,關(guān)于灌溉回歸水的定義,國內(nèi)多與《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》的定義相似,國外則多與《農(nóng)田水利技術(shù)術(shù)語》的定義、法國學(xué)者Dewandel的定義[1]相類似。兩種定義的主要不同在于灌溉回歸水的組成:灌溉水入滲到地下含水層的部分是否計(jì)入灌溉回歸水。國內(nèi)很多研究認(rèn)為灌溉回歸水包含地表退水和通過其他途徑回歸排水溝、江河的水量,沒有考慮入滲到地下含水層的的部分。國外大多數(shù)的研究則認(rèn)為灌溉回歸水包括滲漏形成的地下水,而且認(rèn)為灌溉回歸水是灌區(qū)地下水補(bǔ)給的重要組成部分[26,27],特別是在水稻灌區(qū)或采用漫灌方法的灌區(qū),灌溉回歸水對(duì)地下水的影響很大[28],灌溉回歸水還影響地下水的含鹽量[29,30],它的變化也影響到區(qū)域水量與水鹽平衡[25,31,32]。
因此,灌溉回歸水可以根據(jù)其組成分為廣義的灌溉回歸水和狹義的灌溉回歸水兩類,廣義的灌溉回歸水參照《農(nóng)田水利技術(shù)術(shù)語》關(guān)于灌溉回歸水的定義,包括灌溉產(chǎn)生的回歸到地下含水層的水量;狹義的灌溉回歸水參照《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》關(guān)于灌溉回歸水的定義,不包括灌溉回歸到地下含水層的水量,只考慮最終回歸為地表水的水量。
灌溉回歸水是否只在過量灌溉的條件下產(chǎn)生?這是一個(gè)灌溉水形成的重要的問題。首先,我國學(xué)者廣泛采用《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于灌溉回歸水的定義,沒有表明過量灌溉是產(chǎn)生退水的必要條件。其次,國際上很多文獻(xiàn)均把由灌溉水滲漏形成的地下水視為灌溉回歸水,在沒有過量灌溉的水稻灌區(qū),稻田在水稻的多數(shù)生育期存在地表水層,不可避免地會(huì)產(chǎn)生滲漏形成地下水,也就產(chǎn)生了灌溉回歸水。例如,臺(tái)灣學(xué)者Chen Shihkai 等關(guān)于稻田灌溉回歸水的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[33,34],Chien ChuanPin 等關(guān)于稻田灌區(qū)的灌溉回歸水模型研究[35],都證明了正常灌溉條件下水稻會(huì)產(chǎn)生灌溉回歸水,而且這種觀點(diǎn)與國外許多文獻(xiàn)[3,24]是一致的。另外,依照中國現(xiàn)行的水稻灌溉制度設(shè)計(jì)方法,為了保持田間水層的存在,灌溉水量計(jì)算包括了正常的田間滲漏量[36,37]。所以在正常灌溉的條件下,不進(jìn)行過量的灌溉,稻田灌溉水也會(huì)形成對(duì)地下水的補(bǔ)給,甚至滲出到排水溝中,從而形成狹義的灌溉回歸水。
因此,過量灌溉不是產(chǎn)生灌溉回歸水的必要條件,正常的灌溉(如水稻灌溉)也可能產(chǎn)生灌溉回歸水。灌溉回歸水產(chǎn)生的必要條件是:灌溉水由田間、渠道排出或滲入地下,形成了地表水或地下水。
“四水轉(zhuǎn)化”指的是大氣水、地表水、土壤水、地下水在農(nóng)田中的循環(huán)與轉(zhuǎn)化。1995年康紹忠、蔡煥杰等提出了描述降水(灌水)入滲、地下潛水蒸發(fā)、根區(qū)土壤水分傳輸、根系吸水和蒸發(fā)蒸騰等5個(gè)子系統(tǒng)的麥田“五水轉(zhuǎn)化”模式,論述了模型參數(shù)的測取方法,并進(jìn)行了田間試驗(yàn)驗(yàn)證[38]。這項(xiàng)研究將作物水引入“四水轉(zhuǎn)化”的過程,形成了農(nóng)田“五水轉(zhuǎn)化”理論?!八乃D(zhuǎn)化”和“五水轉(zhuǎn)化”是灌溉回歸水研究的理論基礎(chǔ),它是由地表水(田面水)在水平方向的圣維南方程、灌溉水的入滲方程、土壤水分運(yùn)移動(dòng)力學(xué)方程、地下水潛水蒸發(fā)與入滲補(bǔ)給方程、水稻根系吸水方程、地下水運(yùn)動(dòng)方程等組成的復(fù)雜方程組。
2002年,雷志棟等依據(jù)“四水轉(zhuǎn)化”機(jī)理,對(duì)我國青銅峽灌區(qū)進(jìn)行了水資源供需平衡分析,引水、耗水與排水平衡分析,采用一元線性回歸方法建立了寧夏青銅峽灌區(qū)引黃水量與灌區(qū)回歸水量的數(shù)值模型[39]。同年,Chen ShihKai 等在臺(tái)灣彰化縣田中鎮(zhèn)的水稻田進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究了稻田的水循環(huán)過程,分析了水分在不同土層之中的滲透情況,研究了稻田“五水轉(zhuǎn)化”規(guī)律[33];然后,基于水平衡原理,采用SAWAH、FEMWATER 兩種模型進(jìn)行模擬,對(duì)稻田灌溉回歸水量進(jìn)行了計(jì)算[34]。雷志棟、Chen ShiKai 等將農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化理論引入到灌溉回歸水的研究中,系統(tǒng)分析了灌溉水回歸的水文過程,建立了計(jì)算模型,成果為后來的很多研究所采用。
另外,2009年王成麗等基于“四水轉(zhuǎn)化”理論,把灌區(qū)劃分為農(nóng)田、林草地、荒地、湖泊濕地和城鎮(zhèn)用地五類水均衡模塊,建立了灌區(qū)耗水量模型,模型在平原灌區(qū)具有較好的精度[40]。2021年王璞、霍再林等基于農(nóng)田“五水”轉(zhuǎn)化機(jī)理,研究了灌溉過程、排水過程、土壤水分運(yùn)動(dòng)過程、作物生長過程、地下水運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)耦合,并建立了計(jì)算模型,模型精度較高[41]。
灌溉回歸水的研究主要包括水質(zhì)和水量兩個(gè)方面。水質(zhì)的研究是通過理論分析與田間實(shí)驗(yàn),研究灌溉回歸水的可利用性[42-46],以及對(duì)地下水、地表水水質(zhì)的影響[7,23,47-49]。水量的研究主要是計(jì)算方法的研究,主要可以分為以下三類。
農(nóng)田“四水(五水)轉(zhuǎn)化”過程的時(shí)間消耗隨著空間尺度的增大而增大,利用水量平衡方法進(jìn)行灌溉回歸水量的計(jì)算,在灌區(qū)(流域)尺度下的時(shí)間尺度往往是月或年。例如:2002年Jalota 等在印度西北部Punjab 地區(qū)應(yīng)用水量平衡模型,分析了水稻、玉米、小麥、棉花等作物在渠灌、管灌情況下的田間水分運(yùn)動(dòng)情況,研究了田間水分循環(huán)過程,對(duì)田間滲漏量進(jìn)行了定量分析[50],Jalota 的研究是國外灌溉回歸水較早的研究。2008年Dewandel等通過在印度Ranga Reddy地區(qū)的多種作物實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,采用水量平衡理論、飽和與非飽和水力學(xué)方法,在流域和季節(jié)的尺度上研究了一種估計(jì)灌溉回歸水量的系數(shù)方法,具有較高的精度[1]。相似的研究還有,2011年美國內(nèi)政部、地質(zhì)調(diào)查局對(duì)科羅拉多州Weld 灌區(qū)灌溉回歸水的研究[3];2012年Lin 等對(duì)美國科羅拉多州的Lower Arkansas River Basin 灌區(qū)灌溉回歸水的研究,該研究還發(fā)現(xiàn)灌溉回歸水對(duì)區(qū)內(nèi)河流的鹽分含量產(chǎn)生了重要影響[24];2020年Attar 等對(duì)伊朗的Moghan 灌區(qū)灌溉回歸水的研究,該研究還發(fā)現(xiàn)考慮灌溉回歸水利用的灌溉水利用效率,顯著大于傳統(tǒng)的灌溉水利用效率(不考慮灌溉回歸水)[51]。另外,2021年介飛龍等應(yīng)用退水單位線方法和水桶模型計(jì)算了甘肅景電灌區(qū)的灌溉回歸水量[52],研究了灌溉回歸水的滯后效應(yīng)[53]。
在大空間尺度下,進(jìn)行短時(shí)間尺度的灌溉回歸水量的計(jì)算,單純的采用水量平衡方程,難以取得比較高的精度。2014年,Masashi 等基于水量平衡原理,開發(fā)了一種“replacement in order”方法,建立灌區(qū)的排水系統(tǒng)模型,并在日本的Shichika灌區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用,進(jìn)行了日排水量的計(jì)算,但結(jié)果的相對(duì)誤差達(dá)到了26%,精度較低[54]。
另外,一些學(xué)者將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法引入到灌溉回歸水的研究之中,基于水平衡原理建立農(nóng)田水分運(yùn)動(dòng)模型,進(jìn)行灌溉回歸水量的計(jì)算。相對(duì)一般的水量平衡模型,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型更能反映農(nóng)田水分的運(yùn)動(dòng)過程,計(jì)算結(jié)果也更準(zhǔn)確。如:2002年崔遠(yuǎn)來等以水量平衡原理為基礎(chǔ),運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法,建立了田間尺度的稻田水平衡轉(zhuǎn)化過程模擬模型,并將模型用于田間及中等尺度灌溉回歸水量的計(jì)算[13-15]。2019年,Liu Wei 等在黑龍江呼蘭河灌區(qū),陳彩明在浙江南湖灌區(qū)的灌溉退水研究中,也采用了與崔遠(yuǎn)來相似的方法,進(jìn)行了灌溉回歸水量的計(jì)算[55,56]。
多元統(tǒng)計(jì)方法:2006年西班牙的Causapét 等通過數(shù)值分析方法對(duì)西班牙Ebro 河盆地的灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在高滲透性土壤地區(qū)使用地面灌水方法,灌溉水利用系數(shù)只有0.53;在低滲透性土壤地區(qū)使用地面灌水方法,灌溉水利用系數(shù)為0.79;使用現(xiàn)代微灌、噴灌技術(shù),灌溉水系數(shù)可達(dá)0.94[57]。2014年Cruz Fuentes 等采用數(shù)值模型對(duì)西班牙La Aldea、Gran Canaria、Canary Islands 等3 個(gè)地區(qū)的灌溉回歸水量進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)來自上游水庫的灌溉回歸水儲(chǔ)存在灌區(qū)的沉積含水層中,含水層的水量交換時(shí)間大約是2 a,灌溉回歸水對(duì)含水層地下水的補(bǔ)給量在普通年份約為30%,在干旱年份可達(dá)70%[31]。2009年印度的Mohan等采用數(shù)值分析方法建立了印度泰米爾納德邦Periyar Vaigai灌區(qū)回歸水量與灌區(qū)有效降水、灌水量、作物耗水量和滲漏損失之間的多元回歸模型,并將其應(yīng)用于灌區(qū)回歸水量的估算[58]。
人工智能方法:2005年費(fèi)良軍等利用線性與非線性回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、時(shí)間序列等方法對(duì)寧夏引黃灌區(qū)灌溉回歸水的特點(diǎn)、規(guī)律、主要影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析,建立了灌區(qū)年回歸水量、月回歸水量、日回歸水量的預(yù)測模型,取得較好的預(yù)測結(jié)果,研究成果在黃委會(huì)黃河中上游水量調(diào)度軟件中進(jìn)行了應(yīng)用[9,19-21]。2019年之后,該團(tuán)隊(duì)又對(duì)甘肅景電灌區(qū)的灌溉回歸水量進(jìn)行了深入研究[59-61]。
HYDRUS 模型:HYDRUS 是一個(gè)模擬水分或溶質(zhì)運(yùn)移的有限元計(jì)算軟件,常用于室內(nèi)試驗(yàn)或田間局部土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移質(zhì)規(guī)律的模擬。2017年胡秋麗以阿克蘇流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用HYDRUS-2D/3D 模型,分析了農(nóng)業(yè)節(jié)水對(duì)流域灌溉回歸水的影響,比較準(zhǔn)確的計(jì)算了灌溉回歸水系數(shù)[2]。
DRAINMOD 模型:DRAINMOD 模型是美國的Skaggs 等開發(fā)的,用來模擬灌溉、降水情況下的農(nóng)田排水及其變化過程。近年來DRAINMOD 模型有較多的應(yīng)用與發(fā)展,如羅紈、賈忠華、武迪等對(duì)寧銀南灌區(qū)、平原河網(wǎng)類型灌區(qū)的排水研究[62,63]。當(dāng)灌區(qū)排水多為灌溉回歸水的情況下,可以采用DRAINMOD模型近似計(jì)算灌溉回歸水量。
MODFLOW 模型:MODFLOW 是一個(gè)三維有限差分模型,主要用于模擬地下流場的變化,也可模擬溶質(zhì)的運(yùn)移。它在灌區(qū)地下排水中運(yùn)用較多,如馬建花等采用VISUAL MODFLOW 模型對(duì)黑臺(tái)地區(qū)地下水的數(shù)值模擬[64]。另外MODFLOW 還可與SWAT模型相耦合,如傅笛等對(duì)巴音河中下游農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)地下水影響的研究[65]。當(dāng)灌區(qū)的灌溉回歸水多為地下排水情況下,可以采用MODFLOW 模型近似計(jì)算灌溉回歸水量。
SWAT 模型:SWAT 模型是一個(gè)大尺度的分布式水文模型,在灌溉回歸水量的計(jì)算中也有一定的應(yīng)用。2005年Gosain等在印度的Palleru河盆地灌區(qū),利用SWAT模型研究了灌溉回歸水量的估算問題,比較好的發(fā)映了回歸水的時(shí)間變異現(xiàn)象,取得了比較準(zhǔn)確的結(jié)果[66]。2019年吳迪、崔遠(yuǎn)來等采用SWAT模型研究了河北省漳河水庫灌區(qū)灌溉回歸水重復(fù)利用的潛力和對(duì)灌溉效率的影響,以及相應(yīng)的尺度效應(yīng)[16,17]。2021年Veettil 等利用SWAT 模型研究了美國科羅拉多州Big Dry Creek 流域的灌溉回歸水量,并與另一種分布式水文模型AgES的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[18]。
其他方法:這種方法原來多用于環(huán)境的研究,近年來有學(xué)者將其應(yīng)用到灌溉回歸水研究之中,為灌溉回歸水量的計(jì)算提供了新思路。例如:2008年Kattan 等在伊朗幼發(fā)拉底河下游灌區(qū),采用同位素和氯離子質(zhì)量平衡法,計(jì)算了灌區(qū)2004-2005年的灌溉回歸水量[67]。2017年Vallet等采用灌溉水、灌溉回歸水中的氯離子質(zhì)量平衡,并與同位素模型相結(jié)合的方法,計(jì)算出法國南部CRAU 灌區(qū)的灌溉回歸水系數(shù)在0.53±0.16 的區(qū)間變化,證實(shí)了化學(xué)示蹤劑可以用于灌溉回歸水計(jì)算[4]。2021年韓國學(xué)者Lee[6]、印度學(xué)者Kumar 等[68]通過同位素研究也發(fā)現(xiàn),灌溉回歸水對(duì)于所在流域河流的水量和水質(zhì)都有著重要影響。
另外,李靜思、李巧麗等采用MIKE 模型在甘肅景電灌區(qū)進(jìn)行了灌溉回歸水量的計(jì)算[69,70],取得了較好結(jié)果,但模型對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求較高。
綜上所述,HYDRUS 模型是一個(gè)土壤水分運(yùn)動(dòng)模型,它只有和地表水、地下水運(yùn)動(dòng)模型相耦合才能比較好的進(jìn)行灌溉回歸水量的計(jì)算;DRAINMOD 模型是成熟的農(nóng)田排水模型,但它不能區(qū)分灌溉回歸水與降水引起的排水,在應(yīng)用上受到很大的限制;MODFLOW 模型在灌區(qū)地下排水方面有較多的應(yīng)用,但灌溉回歸水中包含地表回歸水,在一些灌區(qū)甚至所占的比例最大,例如寧夏引黃灌區(qū)的灌溉回歸水,所以MODFLOW 模型在灌溉回歸水量的計(jì)算中應(yīng)用甚少;SWAT 模型是分布式的水文模型,但它需要很多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),復(fù)雜多變的農(nóng)田下墊面條件在一定程度上限制了模型的應(yīng)用;MIKE模型的情況與SWAT模型基本相同。
綜上所述,灌溉回歸水作為一種大量存在的,可重復(fù)利用的水資源,相關(guān)的研究相對(duì)較少,但在國內(nèi)、外已受到越來越多的重視,近年來的研究有增加的趨勢;目前灌溉回歸水研究在是否包含地下水方面存在一定的分歧,國內(nèi)偏向于不包括地下水,國外偏向于包括地下水;灌溉回歸水的過程和機(jī)理研究通常采用“四水(五水)轉(zhuǎn)化”理論,近年來加入了同位素跟蹤技術(shù),研究越來越深入;灌溉回歸水的計(jì)算多采用水量平衡模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、多元統(tǒng)計(jì)及智能模型,但水量平衡模型不能反映灌溉回歸水的復(fù)雜的水文過程,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型在時(shí)空尺度轉(zhuǎn)化方面存在缺陷,多元統(tǒng)計(jì)及智能模型沒有物理意義不能應(yīng)對(duì)灌溉回歸水下墊面條件的變化,三者都有一定的缺陷;土壤水分運(yùn)動(dòng)模型、農(nóng)田排水模型、分布式水文模型在灌溉回歸水量計(jì)算中有一些應(yīng)用,但它們并不是針對(duì)灌溉回歸水而建立的模型,應(yīng)用具有一定的局限性。
灌溉回歸水問題本質(zhì)上是一個(gè)灌溉水文學(xué)問題,對(duì)灌溉回歸水研究的展望主要有以下5點(diǎn):灌溉水回歸機(jī)理研究方面要理清灌溉回歸水與農(nóng)田排水的關(guān)系,在現(xiàn)有“五水轉(zhuǎn)化”理論的基礎(chǔ)上,引入SPAC 理論進(jìn)行更加精細(xì)的分析;在灌溉水回歸過程研究方面,不應(yīng)局限于水平衡原理,應(yīng)更多的運(yùn)用土壤水動(dòng)力學(xué)與地下水動(dòng)力學(xué)理論方法,對(duì)回歸過程進(jìn)行更加深入的研究;空間尺度與時(shí)間尺度的耦合問題,是灌溉回歸水量計(jì)算研究的核心和難點(diǎn)問題,實(shí)現(xiàn)大空間尺度下短時(shí)段灌溉回歸水量的精確計(jì)算,是灌溉回歸水量計(jì)算的最終目標(biāo);在灌溉回歸水量計(jì)算方面應(yīng)借鑒水文學(xué)的理論方法,在田間尺度上建立具有物理意義的灌溉回歸水模型,在灌區(qū)或區(qū)域尺度上,采用匯流模型或分布式水文模型;在研究中除應(yīng)用農(nóng)田水循環(huán)理論外,應(yīng)積極引入水文學(xué)、大數(shù)據(jù)、同位素跟蹤等方面的理論方法,保持灌溉回歸水研究的先進(jìn)與活力。