農田灌溉水有效利用系數研究進展

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研究院，湖南 長沙 410007；2. 湖南農業大學水利與土木工程學院，湖南 長沙 410128）

前 言

據相關資料顯示，我國淡水資源總量非常豐富，高達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，這一數值嚴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。我國是一個農業大國，但不是一個農業強國。我國最主要的用水行業就是農業，而農業用水主要是農田灌溉。據2018 年統計我國農業用水已經達到了全社會用水比例的61.4%[1]。近年來國家和各級地方政府大力推廣節水灌溉技術，并狠抓最嚴格水資源管理制度的實施，灌溉水有效利用系數有了一定的提升。2018 年據水利部相關統計全國農田灌溉水有效利用系數為0.554[1]。但是較發達國家仍遠遠落后，由此可見我國農業節水的發展前景十分廣闊。因此，針對國內外相關專家灌溉水利用系數的大量研究成果，對其進行歸納總結并進行分析，具體結合我國實際國情，提出有效的節水措施和提高灌溉水有效利用系數的對策與建議，十分有必要。

1 灌溉水有效利用系數國內外研究進展

20 世紀40、50 年代，我國在前蘇聯灌溉水利用系數指標體系的基礎上建立了灌溉用水效率指標體系以及相關算法[2]。1998 年發布的《節水灌溉技術規范》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[3]，并將該系數作為節水灌溉工程的一項規劃指標使用。2006 年水利部全面開展了全國灌溉水有效利用系數測算工作的探索[4]，并制定了一系列文件，如《全國現狀灌溉水利用率測算分析技術方案》、《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》等，同時也將灌溉水有效利用系數這一指標進一步標準化，即將其定義為在某次或某一時間內被農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]。國內一直用灌溉水有效利用系數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”，灌溉效率是反映灌溉水有效利用程度的主要評價指標之一。ICID（國際排灌委員會）在Israelsen[6]對灌溉效率定義的基礎上，于1977 年提出了一項關于灌溉效率的標準，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]等又提出了兩項表征灌溉效率的指標：儲水效率和田間潛在灌水效率。各國研究學者們也陸續提出了許多不一樣的表征灌水效率的指標[10～11]，雖然注重點不同，但是基本原理、原始內涵和早期定義沒太大區別。

1.1 灌溉水有效利用系數影響因素研究

能對灌區灌溉水有效利用系數產生作用的影響因素非常多，自然因素如降雨、土壤地質、灌區面積等；人為因素如當地農民灌溉頻率、灌溉模式以及當地灌溉制度等；經濟因素如政府對節水工程投資比例大小、灌區種植結構等。通過對這些影響因素的分析和研究，能夠有效地促進灌溉水有效利用系數的提升。對測算方法存在的問題進行研究，探索冬灌灌水定額、灌區自然地理條件的差異、灌區規模及取水方式的不同、作物種植結構和供水水價等對灌溉水有效利用系數的影響[12～13]。在空間分布特征上研究防滲渠道長度、渠道襯砌率、節水灌溉工程面積、灌區管理水平、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灌溉水有效利用系數的影響[14～18]。根據前人的研究可以發現工程措施對灌溉水有效利用系數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，這兩個影響因素重點是影響到田間水的利用情況，地域的不同會導致灌溉制度和灌溉模式發生變化，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，很大程度上是因為南方多雨潮濕天氣居多，而北方少雨干旱天氣較多。并且灌溉管理上如調虧灌溉，通過對作物進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量；而灌溉模式如增氧灌溉，在增加土壤中養分含量的同時，改變了作物生長的土壤環境，在灌溉水量相同的情況下，也能夠增加作物的產量。因為很多影響因素獲取數據資料較為復雜，所以目前國內對灌溉水有效利用系數的研究還是以定性分析為主，定量分析較少，有關機理方面的研究不多。

在19 世紀70 年代，國外有組織研究發現國際上對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，認為從灌溉效率的數值就能夠判斷出水資源在使用過程被大量地浪費了，雖然判斷不是很準確，但是這一論斷直接導致有人發現了大型水利工程及流域中存在灌溉回歸水反復利用的現象。很多學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體系中[19～20]，并且展開了大量研究探討回歸水可能產生的影響[21～22]。經陸續研究發現土壤結構[23]、流域管理模式[24]、調虧灌溉[25～26]、作物的差異[27]等各個方面的因素都會對灌溉水利用效率產生影響[28]，從最初的灌溉效率指標到考慮回歸水利用效率的新指標，以及有關灌溉水利用效率影響因素的進一步深入研究，如何引入各個方面的影響因素進行綜合分析，研究其對灌溉效率的復合影響已成為爭論的焦點。

1.2 灌溉水有效利用系數尺度研究

灌溉水有效利用系數受不同水源類型、灌水時間長短、灌區地理位置、灌區規模大小和類型等具有明顯時間分布特征或者空間分布特征的因素影響，研究的對象多以灌區為基本單位，包括同一時段不同灌區及同一灌區不同時段，這就同時具備了時間尺度和空間尺度特征。國內展開灌溉水有效利用系數的研究時間最早可追溯到幾十年前，就時間這一尺度而言，國內大部分研究都是以一個日歷年來展開研究，很多地區多以分析測算某一指定灌區或者某一特定行政區域內連續1 年內灌溉水有效利用系數的波動情況。通過數年的數據調查，對淮安市各縣區灌區和內蒙古黃河南岸灌區的農田灌溉水有效利用系數進行了分析研究[29～30]，總結并提出了有效提高灌溉水有效利用系數的措施及方法。我國地域寬廣，灌區地理位置不同對灌溉水有效利用系數的影響也很大，從空間尺度上來研究該系數，在國內一般會從行政區域的劃分以及灌區的不同這兩種空間視角來進行研究。分別以全國大型灌區、全國純井灌區為對象分析其對灌溉水有效利用系數影響[31～32]；對浙江省[33]、寶雞市[34]、湖北省溫峽口灌區灌溉水有效利用系數的研究[35]，探究了不同空間尺度下灌溉水有效利用系數的變化趨勢。一般來說，按行政區劃進行研究的灌溉水有效利用系數對于地方的主要發展方向政策的制定有一定的指導意義，通常是作為預期性判斷指標和管理考核指標。國內灌溉水有效利用系數的研究主要是研究空間尺度上的分布特征，而對時間尺度上的分布特征研究較少。

1.3 灌溉水有效利用系數方法研究

灌溉水有效利用系數的測算方法一般有兩種，一種是典型渠段法，另一種是首尾測算分析法。典型渠段法也叫分段測算法，即通過動水法或者凈水法測得各級渠道水利用系數和田間水利用系數，再計算兩者的乘積。國內早期的研究多以典型渠段法為主，但是該方法測算工程量非常大，實際測算中，由于渠道系統的復雜性以及回歸水再利用等情況，會導致測算結果存在較大的誤差。國內學者對典型渠道法存在的越級渠道、回歸水利用等問題進行了分析研究，并對傳統典型渠道法進行了修正與完善[36～39]。首尾測算分析法能直觀反映指定區域灌溉水的總體波動情況，對指定區域內灌溉水有效利用系數的波動趨勢能更加方便地進行分析評價，且具有牢固的理論基礎作為支撐，在平時實際工作中的實操性也較強，對于我國基層灌溉管理單位來說十分便捷，同時這也是我國大部分灌區比較常用的測定方法。我國南方農田灌區水源復雜多樣，用途上也是具有顯著差異，且灌區內輸水和配水工程也較為復雜。國內研究人員對南方平原河網型灌區進行具體分析研究，建立相關模型[41]，提出改進型首尾水量平衡法[42]。很多學者還對首尾測算法在實際應用中存在的問題和不足進行了探討[43～44]，并提出了有效建議與措施。為了能夠更精準地檢測灌溉水有效利用系數，國內研究人員從不同地域、不同分析方法、不同數學模型等各個方面展開了大量的試驗研究，積攢了豐厚的基礎數據。

國外研究大都集中在灌溉水利用效率內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，總結了國際上常用渠道滲漏損失計算的三種方法[45]，運用多種方法結合的模式，通過科學儀器直接檢測滲流量的方法來估算渠道滲漏情況[46]，開發先進的低成本農業灌溉系統（LCIS）和新型物理模型幫助農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謹合理，且具有較強的針對性，但是在我國應用過程中，因為地理環境及人文因素等各個方面的影響，無法達到應有的效果，不過很多先進理念是值得參考的。

1.4 灌溉水利用效率評價研究

國外研究人員對灌溉水利用效率評價模型也進行了大量的研究，這一方面的研究能夠為灌溉水利用效率的測算提供借鑒，也對其深入研究提供了數據支撐。據研究發現用SWAT 模型同時模擬水量平衡要素和作物產量[49～50]，MODFLOW 和SWAT 模型可以結合起來研究灌區的水資源循環[51]。有人用修改后的水箱模型結合地下水模型模擬區域淺層地下水平衡[52]，IWMI 研究人員結合SWAP 模型和SLURP 模型對灌溉水利用效率相關指標進行了評價[53]，且在不同流域基于水量平衡原理展開了基礎研究[54～56]。從國外有關灌溉水利用效率指標體系研究中可以發現，水量平衡模型仍舊是大部分指標量化的基礎，明確區分了在不同尺度范圍內對灌溉水利用效率的影響，不過目前國際上已有的指標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較為完整的框架，但部分影響因素暫時還無法確定，所以目前這一指標體系與我國的適用性還有待商討。

2 存在的問題

最嚴格水資源管理制度的實施已經在全國范圍內鋪開，近年來我國在灌溉水有效利用系數研究中取得了較大的進步，主要是從灌溉水有效利用系數的影響因素、測算方法、應用技術等各個方面展開研究，雖然成績斐然，但不得不承認目前仍存在一些我們還未解決的問題[57]。

1）毛灌溉用水量的計算問題首當其沖。南方屬多水源地區，在很多灌區內，大大小小的塘壩數量眾多，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內的這一部分沒有詳細的統計，實際降雨過程中落入灌區內的這部分也沒有詳細記錄；且目前很多中小型的灌區渠首及各渠道取水口的計量設施的配備尚未完善，這也會對毛灌溉用水量統計帶來很大的誤差。

2）典型田塊的選擇問題。因為我國北方缺水問題較為嚴重，且農業節水是興起于北方，所以在《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》中很多內容都是針對北方地域情況進行設計[58]，而我國南方北方地域差異較大，在北方，降雨較少，灌區平整，種植結構大都比較單一，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，多丘陵山區地帶，地形起伏不定，所以灌區內作物種植結構較為復雜，且南方是多水源地區，除了渠道引水灌溉，還會通過塘壩，降雨等其他方式進行灌溉。因此針對南方和北方獨特的地形地貌以及氣候條件，應有針對性設計，《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》中對于灌區和典型田塊的選擇[59]，不能一味盲從單一地選擇。

3）我國目前尚無完整的觀測站網體系，只有在長期固定觀測站點的支撐下，才有可能得到比較真實準確的灌溉水有效利用系數，國內目前監測方法大多是通過人工檢測，這樣會產生較大的誤差，甚至會出現虛假數據；且目前對田間土壤水分含量和水位觀測儀器的選擇原則尚未統一[60]，同一片區域不同的灌區可能使用不同的儀器，這樣檢測出來的數據不具有可比較性。

對于國外一些先進理念和技術研究成果，我們應該持虛心的態度去學習，但是國外很多有關技術性研究和模型研究都是針對他們的實際狀況開展的，與我國實際狀況不一定吻合，所以在消化和吸收國外的先進技術和理念時，不能死板地生搬硬套，需要針對本地實際情況有效運用。

3 討論與展望

灌溉水有效利用系數能夠有效評價灌溉水利用程度，于我國農田節水灌溉、水資源進一步優化配置和對農業用水高效管理都具有十分重大的意義。在后續研究中，一是要因地制宜提出符合當地實際的測算方法；二是要對灌溉試驗站網和野外固定典型實測田塊開展長系列試驗觀測工作，得到真實可靠的實測數據；三是要以量測水設施配套建設、用水統計制度建設及管理信息化、規范化為基礎，夯實灌溉水有效利用系數測算的技術支撐。

項目名稱：湖南省多水源灌區干渠以下灌溉水有效利用系數實測方法研究與示范（XSKJ 2018179-35）。