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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濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》將農業灌溉用水有效利用系數目前對于灌溉水利用效率及效益評價指標的術語爭議很多，使用也很不規范，本書中在引用有關文獻時，采用文獻原有術語。但在書中作如下約定：對灌溉水利用系數、渠系水利用系數、田間水利用系數、灌溉效率等與輸配水過程中水的利用效率有關的術語統稱為灌溉用水效率指標；對灌溉水分生產率、供水量水分生產率、蒸發蒸騰量水分生產率等與水的產出有關的術語統稱為灌溉用水效益指標；所有指標統一用小數表示。提高到0.53作為經濟社會發展主要目標之一。根據《全國節水灌溉規劃》，到2020年，在擴大有效灌溉面積、新增糧食生產能力500億kg的條件下，灌溉總用水量維持3600億m3，形成農業節水能力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，農田灌溉水有效利用系數提高到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續建配套與技術改造將是我國今后相當長時間的一項戰略任務，節水灌溉發展將由小面積示范向大面積集中連片轉變，從輸水過程節水向灌溉用水全過程節水轉變，從以工程措施為主向工程、管理及農藝等綜合措施轉變。

發展節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。盡管國內外許多學者針對渠系水利用系數、田間水利用系數及灌溉水利用系數等傳統表征灌溉用水效率的指標開展了許多研究，但多基于動水法或靜水法進行灌區樣點渠段的測算分析；而以水分生產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試驗數據為基礎。目前在灌區采用的節水灌溉技術及其評價指標，絕大多數來自測坑、測筒和田間小區等的試驗成果及灌溉輸水過程中的節水技術，這些節水灌溉技術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化過程。這些技術孤立地研究田間水分循環或者渠道防滲，沒有考慮田塊之間、不同區域之間水量的相互影響，以及渠道滲漏對區域水分轉化的影響，也沒有考慮不同區域之間水的重復利用及其尺度效應。田塊等小尺度上的節水措施應用到大尺度上并不一定節水，因此研究大尺度用水管理策略和建立適應性更廣的灌溉用水評價指標體系顯得尤為重要。

科學的節水潛力分析計算是灌區及流域水管理的前提。目前，國內外對節水潛力的內涵還沒有一個公認的標準，相應地對節水潛力的評價和計算也沒有一致的方法。傳統意義下的節水潛力主要是指某單個部門、行業(或作物)、局部地區在采取一種或多種綜合節水措施后，與未采取節水措施相比，所需水量(或取用水量)的減少量。對灌溉系統而言，傳統節水潛力的計算通常把實施節水灌溉措施后的毛灌溉用水量與實施節水灌溉措施前的毛灌溉用水量的差值作為節水潛力。隨著節水灌溉研究的深入，有學者指出并不是所有取用水的節約量都是節水量，只有減少的不可回收水量才屬于真實意義上的節水量，如果不加以區分往往會得到錯誤的結論。因此一些學者從回歸水重復利用的角度對節水潛力計算方法進行了研究，提出了考慮回歸水重復利用的灌溉用水效率評價指標及節水潛力計算方法，也有學者提出了耗水節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、長時間獲取有關水量平衡要素存在困難，數值模擬技術被應用于各種條件下不同尺度水量平衡要素的模擬及作物產量的模擬，并基于模擬數據進行不同情景下灌溉用水效率及效益指標的計算、節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的，因此，如何根據灌區水量轉化的特點，開發適合灌區水量轉化分布式模擬的模型對于灌區尺度灌溉用水效率及效益評價與節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(位于黃河流域)和湖北省漳河灌區(位于長江流域)為背景，基于多年來主持完成的科研項目，對相關問題開展了系統研究。研究意義體現在以下幾個方面：

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

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

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

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

1.2灌溉用水評價指標及節水潛力研究進展

1.2.1灌溉用水評價指標

灌溉用水評價指標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水平等，是正確評估灌溉水有效利用程度及評價節水灌溉發展成效的重要基礎。盡管過去國內外許多部門和學者針對渠系水利用系數、田間水利用系數、灌溉水利用系數、灌溉效率等傳統表征灌溉用水效率的指標開展了許多研究，但多基于動水法或靜水法進行灌區樣點渠段的測算分析；而以水分生產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試驗數據為基礎。這些工作存在概念與測算口徑不統一、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水的做法是無效的，由此出現了所謂"字面節水"的提法。原因在于灌溉水利用系數、傳統灌溉效率等指標忽視了回歸水的重復利用。認識到以上問題，近年來國內外學者基于水資源管理的觀點提出了許多考慮回歸水重復利用的灌溉用水效率指標。然而，這些指標及分析框架在強調其理論及概念合理性的同時，卻忽視了實際應用性，難以確定其中的某些水量平衡要素，不適用于灌區水管理。因此有必要對現有的灌溉用水效率及效益評價指標進行界定和評價，以探討新的灌溉用水評價指標。

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之一。Israelsen將灌溉效率定義為作物生長過程中通過作物蒸發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)提出灌溉效率標準，該標準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。雖然各種灌溉效率指標強調點各有差異，但是與傳統的灌溉效率并沒有太大區別，即其適用性仍與工程目標息息相關，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蒸騰量。

傳統的灌溉效率對于灌溉工程設計和管理具有重要的地位和作用。然而，Bagley(1965)指出，在描述灌區效率時，若不正確處理灌溉效率的邊界問題，會導致錯誤結論，由低效率而產生的水資源損失對于大系統而言或許并不存在。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效率對于流域水文系統并不重要，不考慮水質，增加灌溉效率對流域水管理會產生有利或不利的影響。為了克服傳統灌溉效率的不足，灌溉用水效率指標體系的內涵主要向兩個方向發展:一方面是針對"有益消耗"與"無益消耗"及"生產性消耗"與"非生產性消耗"的界定(Molden，1997)；另一方面是從回歸水的重復利用角度進行研究，認為局部的灌溉效率在更大尺度范圍內并不重要，并考慮如何將回歸水要素加入指標體系(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，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，如消耗性使用比例指的是作物蒸發蒸騰量(ET)占田間灌溉水量的百分數；Keller等(1995)提出有效效率的指標，是指作物蒸發蒸騰量同田間凈灌溉水量(田間總灌水量減去可被重復利用的地表徑流和深層滲漏)之比，并認為有效效率指標可用于任何尺度而不會導致概念的錯誤；Jensen(1977)指出傳統灌溉效率忽視了灌溉回歸水，不適用于水資源開發管理，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，并認為與水資源管理具有一致性。Lankford(2006)認為當考慮到使用條件及評價目的，傳統灌溉效率與考慮回歸水重復利用的有關灌溉效率都是適用的，并提出可獲得效率(attainable efficiency)的概念，即現有損失中有些是可以通過一定的技術措施予以減少的(如渠道滲漏)，而有些損失是難以控制的(如渠道水面蒸發)，因此只有通過減少可控損失量才能實現效率的提高。

2)國內研究進展

我國普遍應用灌溉水利用系數這個指標評價灌溉用水效率，該指標及其計算方法于20世紀五六十年代參照蘇聯的灌溉水利用系數指標體系而建立。研究分析的重點主要是測定渠系水利用系數和田間水利用系數的方法、計算公式修正等方面，特別是渠系水利用系數的測定和評價是研究確定灌溉水利用系數的主要難點。1986年山西省水利科學研究所采用靜水法對山西省18個典型灌區進行了大規模渠道滲漏試驗研究，并對重點灌區的渠道水利用系數進行了計算(孟國霞等，2004)；80年代廣西壯族自治區采用傳統的動水法對22個灌區的渠道水利用系數進行了計算；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合，歷時4年在全省70多個灌區開展灌溉水利用系數測算，獲得不同類型灌區和全省的灌溉水利用系數，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系(賈宏偉等，2013)。不少學者還對渠道越級輸水、并聯渠系輸水等情況下渠系水利用系數的計算分析與修正進行了研究。汪富貴(1999)提出用3個系數分別反映渠系越級現象、回歸水利用及灌溉管理水平，再將3個系數同灌溉水利用系數連乘來修正灌溉水利用系數。高傳昌等(2001)提出將渠系劃分為串聯、等效并聯和非等效并聯，并分別引用不同的公式對灌溉水利用系數進行計算。謝柳青等(2001)結合南方灌區的特點，根據灌溉系統水量平衡原理，利用灌區骨干水利工程和塘堰等水利設施供水量統計資料，通過作物灌溉定額，反推灌區渠系水利用系數和灌溉水利用系數。沈小誼等(2003)提出用動態空間模型來計算灌溉水利用系數，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的定義，即一年灌溉過程中被作物消耗水量的總和與灌區內灌溉供水量總和的比值。2006年開始，中國灌溉排水發展中心聯合國內有關單位開展了全國現狀灌溉水利用系數測算研究(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，并強調以年為周期進行計算。其中毛灌溉用水量是指灌區從水源地實際取水的測算統計值，不能忽視從灌區其他水源(塘壩或其他水庫)的取水值。

隨著節水灌溉研究的發展，國內一些學者開始認識到灌溉水利用系數的局限性，提出了一些考慮回歸水重復利用的指標。蔡守華等(2004)綜合分析現有指標體系的缺陷，建議用"效率"代替"系數"，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上增加作物水利用效率。

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