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第1章緒論

1.1研究背景及意義

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》將農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)目前對于灌溉水利用效率及效益評價指標(biāo)的術(shù)語爭議很多，使用也很不規(guī)范，本書中在引用有關(guān)文獻時，采用文獻原有術(shù)語。但在書中作如下約定：對灌溉水利用系數(shù)、渠系水利用系數(shù)、田間水利用系數(shù)、灌溉效率等與輸配水過程中水的利用效率有關(guān)的術(shù)語統(tǒng)稱為灌溉用水效率指標(biāo)；對灌溉水分生產(chǎn)率、供水量水分生產(chǎn)率、蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率等與水的產(chǎn)出有關(guān)的術(shù)語統(tǒng)稱為灌溉用水效益指標(biāo)；所有指標(biāo)統(tǒng)一用小數(shù)表示。提高到0.53作為經(jīng)濟社會發(fā)展主要目標(biāo)之一。根據(jù)《全國節(jié)水灌溉規(guī)劃》，到2020年，在擴大有效灌溉面積、新增糧食生產(chǎn)能力500億kg的條件下，灌溉總用水量維持3600億m3，形成農(nóng)業(yè)節(jié)水能力600億m3；灌溉水利用率提高到0.55以上。2011年《中央一號文件》明確提出，確立用水效率控制紅線，堅決遏制用水浪費，到2020年，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上。因此，以提高灌溉用水效率和效益為中心的大中型灌區(qū)續(xù)建配套與技術(shù)改造將是我國今后相當(dāng)長時間的一項戰(zhàn)略任務(wù)，節(jié)水灌溉發(fā)展將由小面積示范向大面積集中連片轉(zhuǎn)變，從輸水過程節(jié)水向灌溉用水全過程節(jié)水轉(zhuǎn)變，從以工程措施為主向工程、管理及農(nóng)藝等綜合措施轉(zhuǎn)變。

發(fā)展節(jié)水灌溉最根本的目的就是要不斷提高灌溉水的利用效率和效益。盡管國內(nèi)外許多學(xué)者針對渠系水利用系數(shù)、田間水利用系數(shù)及灌溉水利用系數(shù)等傳統(tǒng)表征灌溉用水效率的指標(biāo)開展了許多研究，但多基于動水法或靜水法進行灌區(qū)樣點渠段的測算分析；而以水分生產(chǎn)率為代表的灌溉用水效益測算與評價則基本以測坑或田間小區(qū)試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。目前在灌區(qū)采用的節(jié)水灌溉技術(shù)及其評價指標(biāo)，絕大多數(shù)來自測坑、測筒和田間小區(qū)等的試驗成果及灌溉輸水過程中的節(jié)水技術(shù)，這些節(jié)水灌溉技術(shù)主要集中在單一的灌溉輸配水過程和小尺度的田間水量及其轉(zhuǎn)化過程。這些技術(shù)孤立地研究田間水分循環(huán)或者渠道防滲，沒有考慮田塊之間、不同區(qū)域之間水量的相互影響，以及渠道滲漏對區(qū)域水分轉(zhuǎn)化的影響，也沒有考慮不同區(qū)域之間水的重復(fù)利用及其尺度效應(yīng)。田塊等小尺度上的節(jié)水措施應(yīng)用到大尺度上并不一定節(jié)水，因此研究大尺度用水管理策略和建立適應(yīng)性更廣的灌溉用水評價指標(biāo)體系顯得尤為重要。

科學(xué)的節(jié)水潛力分析計算是灌區(qū)及流域水管理的前提。目前，國內(nèi)外對節(jié)水潛力的內(nèi)涵還沒有一個公認的標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)地對節(jié)水潛力的評價和計算也沒有一致的方法。傳統(tǒng)意義下的節(jié)水潛力主要是指某單個部門、行業(yè)(或作物)、局部地區(qū)在采取一種或多種綜合節(jié)水措施后，與未采取節(jié)水措施相比，所需水量(或取用水量)的減少量。對灌溉系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)節(jié)水潛力的計算通常把實施節(jié)水灌溉措施后的毛灌溉用水量與實施節(jié)水灌溉措施前的毛灌溉用水量的差值作為節(jié)水潛力。隨著節(jié)水灌溉研究的深入，有學(xué)者指出并不是所有取用水的節(jié)約量都是節(jié)水量，只有減少的不可回收水量才屬于真實意義上的節(jié)水量，如果不加以區(qū)分往往會得到錯誤的結(jié)論。因此一些學(xué)者從回歸水重復(fù)利用的角度對節(jié)水潛力計算方法進行了研究，提出了考慮回歸水重復(fù)利用的灌溉用水效率評價指標(biāo)及節(jié)水潛力計算方法，也有學(xué)者提出了耗水節(jié)水潛力的概念及其計算方法。然而各種計算方法都有自己的適用條件，不同方法的差異及其原因、不同方法的適用條件及其之間的關(guān)系是什么？如何針對研究對象選擇適宜的方法？有沒有一套各種條件均適用的方法？這些問題還需要進一步研究。

由于大尺度、長時間獲取有關(guān)水量平衡要素存在困難，數(shù)值模擬技術(shù)被應(yīng)用于各種條件下不同尺度水量平衡要素的模擬及作物產(chǎn)量的模擬，并基于模擬數(shù)據(jù)進行不同情景下灌溉用水效率及效益指標(biāo)的計算、節(jié)水潛力計算和用水管理策略的分析評價。而目前常用分布式水文模型是針對自然流域開發(fā)的，因此，如何根據(jù)灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化的特點，開發(fā)適合灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化分布式模擬的模型對于灌區(qū)尺度灌溉用水效率及效益評價與節(jié)水潛力評估具有十分重要的意義。

為此，本書作者以河南省柳園口灌區(qū)(位于黃河流域)和湖北省漳河灌區(qū)(位于長江流域)為背景，基于多年來主持完成的科研項目，對相關(guān)問題開展了系統(tǒng)研究。研究意義體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)提出新的灌溉用水評價指標(biāo)體系及節(jié)水潛力計算方法，為灌區(qū)灌溉用水效率、用水效益和節(jié)水潛力的正確評價提供依據(jù)。

(2)構(gòu)建灌區(qū)地表水\|地下水耦合模型，為灌區(qū)水量平衡要素的分布式模擬提供工具，解決灌區(qū)尺度水量平衡要素獲取的難題，為灌區(qū)尺度灌溉用水評價提供有效的研究工具。

(3)對不同節(jié)水灌溉措施下灌溉用水效率、用水效益和節(jié)水潛力變化規(guī)律進行分析，有利于揭示各種節(jié)水灌溉措施的節(jié)水效果、認清灌區(qū)灌溉用水水平、明晰灌區(qū)節(jié)水的重點、制定正確的節(jié)水灌溉措施。

(4)灌溉用水效率和節(jié)水潛力閾值及其與投資的關(guān)系研究，為合理投資規(guī)模的確定及節(jié)水灌溉策略的制定提供決策依據(jù)。

1.2灌溉用水評價指標(biāo)及節(jié)水潛力研究進展

1.2.1灌溉用水評價指標(biāo)

灌溉用水評價指標(biāo)綜合反映不同尺度灌溉工程狀況、用水管理水平和灌溉技術(shù)水平等，是正確評估灌溉水有效利用程度及評價節(jié)水灌溉發(fā)展成效的重要基礎(chǔ)。盡管過去國內(nèi)外許多部門和學(xué)者針對渠系水利用系數(shù)、田間水利用系數(shù)、灌溉水利用系數(shù)、灌溉效率等傳統(tǒng)表征灌溉用水效率的指標(biāo)開展了許多研究，但多基于動水法或靜水法進行灌區(qū)樣點渠段的測算分析；而以水分生產(chǎn)率為代表的灌溉用水效益測算與評價則基本以測坑或田間小區(qū)試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。這些工作存在概念與測算口徑不統(tǒng)一、測算工作量大、影響因素及機理不清、以點帶面等諸多問題。目前許多實例證明期望通過提高灌溉供水和輸水效率的措施來節(jié)水的做法是無效的，由此出現(xiàn)了所謂"字面節(jié)水"的提法。原因在于灌溉水利用系數(shù)、傳統(tǒng)灌溉效率等指標(biāo)忽視了回歸水的重復(fù)利用。認識到以上問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者基于水資源管理的觀點提出了許多考慮回歸水重復(fù)利用的灌溉用水效率指標(biāo)。然而，這些指標(biāo)及分析框架在強調(diào)其理論及概念合理性的同時，卻忽視了實際應(yīng)用性，難以確定其中的某些水量平衡要素，不適用于灌區(qū)水管理。因此有必要對現(xiàn)有的灌溉用水效率及效益評價指標(biāo)進行界定和評價，以探討新的灌溉用水評價指標(biāo)。

1.灌溉效率

1)國外研究進展

灌溉效率(irrigation efficiency)是灌溉水有效利用程度的主要評價指標(biāo)之一。Israelsen將灌溉效率定義為作物生長過程中通過作物蒸發(fā)蒸騰的田間灌溉用水與實際引進的灌溉水量的比值(Israelsen，1950)。在Israelsen定義的基礎(chǔ)上，1977年國際灌溉排水委員會(International Commission on Irrigation and Drainage，ICID)(Marinus，1979)提出灌溉效率標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將總灌溉效率劃分為輸水效率、配水效率和田間灌水效率，總灌溉效率為三者之積。傳統(tǒng)的灌溉效率被定義為作物消耗的灌溉水量占取水口的總灌溉供水量的比值。這一概念與我國采用的灌溉水利用系數(shù)相似。隨后Hart等(1979)和Burt等(1997)又提出了儲水效率和田間潛在灌水效率等灌溉效率指標(biāo)。雖然各種灌溉效率指標(biāo)強調(diào)點各有差異，但是與傳統(tǒng)的灌溉效率并沒有太大區(qū)別，即其適用性仍與工程目標(biāo)息息相關(guān)，灌溉效率較高則表明有較高比例的引水量儲存于作物根系層以增加作物蒸發(fā)蒸騰量。

傳統(tǒng)的灌溉效率對于灌溉工程設(shè)計和管理具有重要的地位和作用。然而，Bagley(1965)指出，在描述灌區(qū)效率時，若不正確處理灌溉效率的邊界問題，會導(dǎo)致錯誤結(jié)論，由低效率而產(chǎn)生的水資源損失對于大系統(tǒng)而言或許并不存在。Bos(1979)指出對于整個流域，灌溉中浪費的水量并沒有實質(zhì)性的損失，因為絕大部分被下游重新利用。Willardson(1985)指出單個田間灌溉系統(tǒng)效率對于流域水文系統(tǒng)并不重要，不考慮水質(zhì)，增加灌溉效率對流域水管理會產(chǎn)生有利或不利的影響。為了克服傳統(tǒng)灌溉效率的不足，灌溉用水效率指標(biāo)體系的內(nèi)涵主要向兩個方向發(fā)展:一方面是針對"有益消耗"與"無益消耗"及"生產(chǎn)性消耗"與"非生產(chǎn)性消耗"的界定(Molden，1997)；另一方面是從回歸水的重復(fù)利用角度進行研究，認為局部的灌溉效率在更大尺度范圍內(nèi)并不重要，并考慮如何將回歸水要素加入指標(biāo)體系(Willardson et al.，1994；Keller et al.，1995)。研究人員提出一系列新的灌溉效率指標(biāo)，例如，Willardson等(1994)建議采用"比例"的概念來代替田間灌水效率指標(biāo)，如消耗性使用比例指的是作物蒸發(fā)蒸騰量(ET)占田間灌溉水量的百分數(shù)；Keller等(1995)提出有效效率的指標(biāo)，是指作物蒸發(fā)蒸騰量同田間凈灌溉水量(田間總灌水量減去可被重復(fù)利用的地表徑流和深層滲漏)之比，并認為有效效率指標(biāo)可用于任何尺度而不會導(dǎo)致概念的錯誤；Jensen(1977)指出傳統(tǒng)灌溉效率忽視了灌溉回歸水，不適用于水資源開發(fā)管理，并提出了凈灌溉效率的概念；Perry(2007)建議采用水的消耗量、取用量、儲存變化量及消耗與非消耗比例作為評價指標(biāo)，并認為與水資源管理具有一致性。Lankford(2006)認為當(dāng)考慮到使用條件及評價目的，傳統(tǒng)灌溉效率與考慮回歸水重復(fù)利用的有關(guān)灌溉效率都是適用的，并提出可獲得效率(attainable efficiency)的概念，即現(xiàn)有損失中有些是可以通過一定的技術(shù)措施予以減少的(如渠道滲漏)，而有些損失是難以控制的(如渠道水面蒸發(fā))，因此只有通過減少可控損失量才能實現(xiàn)效率的提高。

2)國內(nèi)研究進展

我國普遍應(yīng)用灌溉水利用系數(shù)這個指標(biāo)評價灌溉用水效率，該指標(biāo)及其計算方法于20世紀(jì)五六十年代參照蘇聯(lián)的灌溉水利用系數(shù)指標(biāo)體系而建立。研究分析的重點主要是測定渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)的方法、計算公式修正等方面，特別是渠系水利用系數(shù)的測定和評價是研究確定灌溉水利用系數(shù)的主要難點。1986年山西省水利科學(xué)研究所采用靜水法對山西省18個典型灌區(qū)進行了大規(guī)模渠道滲漏試驗研究，并對重點灌區(qū)的渠道水利用系數(shù)進行了計算(孟國霞等，2004)；80年代廣西壯族自治區(qū)采用傳統(tǒng)的動水法對22個灌區(qū)的渠道水利用系數(shù)進行了計算；浙江省水利河口研究院于2006年開始，采用動水法與靜水法相結(jié)合，歷時4年在全省70多個灌區(qū)開展灌溉水利用系數(shù)測算，獲得不同類型灌區(qū)和全省的灌溉水利用系數(shù)，以及渠道襯砌率與渠系輸水效率、工程投資與渠系輸水效率之間的關(guān)系(賈宏偉等，2013)。不少學(xué)者還對渠道越級輸水、并聯(lián)渠系輸水等情況下渠系水利用系數(shù)的計算分析與修正進行了研究。汪富貴(1999)提出用3個系數(shù)分別反映渠系越級現(xiàn)象、回歸水利用及灌溉管理水平，再將3個系數(shù)同灌溉水利用系數(shù)連乘來修正灌溉水利用系數(shù)。高傳昌等(2001)提出將渠系劃分為串聯(lián)、等效并聯(lián)和非等效并聯(lián)，并分別引用不同的公式對灌溉水利用系數(shù)進行計算。謝柳青等(2001)結(jié)合南方灌區(qū)的特點，根據(jù)灌溉系統(tǒng)水量平衡原理，利用灌區(qū)骨干水利工程和塘堰等水利設(shè)施供水量統(tǒng)計資料，通過作物灌溉定額，反推灌區(qū)渠系水利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)。沈小誼等(2003)提出用動態(tài)空間模型來計算灌溉水利用系數(shù)，考慮了回歸水、氣候、流量、管理水平和工程變化等因素的影響。沈逸軒等(2005)提出年灌溉水利用系數(shù)的定義，即一年灌溉過程中被作物消耗水量的總和與灌區(qū)內(nèi)灌溉供水量總和的比值。2006年開始，中國灌溉排水發(fā)展中心聯(lián)合國內(nèi)有關(guān)單位開展了全國現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)測算研究(韓振中等，2009)，采用基于首尾測算分析法的宏觀測算分析方法，即定義灌溉水利用系數(shù)為田間實際凈灌溉用水量與渠首毛灌溉用水量的比值，并強調(diào)以年為周期進行計算。其中毛灌溉用水量是指灌區(qū)從水源地實際取水的測算統(tǒng)計值，不能忽視從灌區(qū)其他水源(塘壩或其他水庫)的取水值。

隨著節(jié)水灌溉研究的發(fā)展，國內(nèi)一些學(xué)者開始認識到灌溉水利用系數(shù)的局限性，提出了一些考慮回歸水重復(fù)利用的指標(biāo)。蔡守華等(2004)綜合分析現(xiàn)有指標(biāo)體系的缺陷，建議用"效率"代替"系數(shù)"，并在渠道水利用效率、渠系水利用效率、田間水利用效率的基礎(chǔ)上增加作物水利用效率。

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