第1章绪论

1.1研究背景及意义

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》将农业灌溉用水有效利用系数目前对于灌溉水利用效率及效益评价指标的术语争议很多，使用也很不规范，本书中在引用有关文献时，采用文献原有术语。但在书中作如下约定：对灌溉水利用系数、渠系水利用系数、田间水利用系数、灌溉效率等与输配水过程中水的利用效率有关的术语统称为灌溉用水效率指标；对灌溉水分生产率、供水量水分生产率、蒸发蒸腾量水分生产率等与水的产出有关的术语统称为灌溉用水效益指标；所有指标统一用小数表示。提高到0.53作为经济社会发展主要目标之一。根据《全国节水灌溉规划》，到2020年，在扩大有效灌溉面积、新增粮食生产能力500亿kg的条件下，灌溉总用水量维持3600亿m3，形成农业节水能力600亿m3；灌溉水利用率提高到0.55以上。2011年《中央一号文件》明确提出，确立用水效率控制红线，坚决遏制用水浪费，到2020年，农田灌溉水有效利用系数提高到0.55以上。因此，以提高灌溉用水效率和效益为中心的大中型灌区续建配套与技术改造将是我国今后相当长时间的一项战略任务，节水灌溉发展将由小面积示范向大面积集中连片转变，从输水过程节水向灌溉用水全过程节水转变，从以工程措施为主向工程、管理及农艺等综合措施转变。

发展节水灌溉最根本的目的就是要不断提高灌溉水的利用效率和效益。尽管国内外许多学者针对渠系水利用系数、田间水利用系数及灌溉水利用系数等传统表征灌溉用水效率的指标开展了许多研究，但多基于动水法或静水法进行灌区样点渠段的测算分析；而以水分生产率为代表的灌溉用水效益测算与评价则基本以测坑或田间小区试验数据为基础。目前在灌区采用的节水灌溉技术及其评价指标，绝大多数来自测坑、测筒和田间小区等的试验成果及灌溉输水过程中的节水技术，这些节水灌溉技术主要集中在单一的灌溉输配水过程和小尺度的田间水量及其转化过程。这些技术孤立地研究田间水分循环或者渠道防渗，没有考虑田块之间、不同区域之间水量的相互影响，以及渠道渗漏对区域水分转化的影响，也没有考虑不同区域之间水的重复利用及其尺度效应。田块等小尺度上的节水措施应用到大尺度上并不一定节水，因此研究大尺度用水管理策略和建立适应性更广的灌溉用水评价指标体系显得尤为重要。

科学的节水潜力分析计算是灌区及流域水管理的前提。目前，国内外对节水潜力的内涵还没有一个公认的标准，相应地对节水潜力的评价和计算也没有一致的方法。传统意义下的节水潜力主要是指某单个部门、行业(或作物)、局部地区在采取一种或多种综合节水措施后，与未采取节水措施相比，所需水量(或取用水量)的减少量。对灌溉系统而言，传统节水潜力的计算通常把实施节水灌溉措施后的毛灌溉用水量与实施节水灌溉措施前的毛灌溉用水量的差值作为节水潜力。随着节水灌溉研究的深入，有学者指出并不是所有取用水的节约量都是节水量，只有减少的不可回收水量才属于真实意义上的节水量，如果不加以区分往往会得到错误的结论。因此一些学者从回归水重复利用的角度对节水潜力计算方法进行了研究，提出了考虑回归水重复利用的灌溉用水效率评价指标及节水潜力计算方法，也有学者提出了耗水节水潜力的概念及其计算方法。然而各种计算方法都有自己的适用条件，不同方法的差异及其原因、不同方法的适用条件及其之间的关系是什么？如何针对研究对象选择适宜的方法？有没有一套各种条件均适用的方法？这些问题还需要进一步研究。

由于大尺度、长时间获取有关水量平衡要素存在困难，数值模拟技术被应用于各种条件下不同尺度水量平衡要素的模拟及作物产量的模拟，并基于模拟数据进行不同情景下灌溉用水效率及效益指标的计算、节水潜力计算和用水管理策略的分析评价。而目前常用分布式水文模型是针对自然流域开发的，因此，如何根据灌区水量转化的特点，开发适合灌区水量转化分布式模拟的模型对于灌区尺度灌溉用水效率及效益评价与节水潜力评估具有十分重要的意义。

为此，本书作者以河南省柳园口灌区(位于黄河流域)和湖北省漳河灌区(位于长江流域)为背景，基于多年来主持完成的科研项目，对相关问题开展了系统研究。研究意义体现在以下几个方面：

(1)提出新的灌溉用水评价指标体系及节水潜力计算方法，为灌区灌溉用水效率、用水效益和节水潜力的正确评价提供依据。

(2)构建灌区地表水\|地下水耦合模型，为灌区水量平衡要素的分布式模拟提供工具，解决灌区尺度水量平衡要素获取的难题，为灌区尺度灌溉用水评价提供有效的研究工具。

(3)对不同节水灌溉措施下灌溉用水效率、用水效益和节水潜力变化规律进行分析，有利于揭示各种节水灌溉措施的节水效果、认清灌区灌溉用水水平、明晰灌区节水的重点、制定正确的节水灌溉措施。

(4)灌溉用水效率和节水潜力阈值及其与投资的关系研究，为合理投资规模的确定及节水灌溉策略的制定提供决策依据。

1.2灌溉用水评价指标及节水潜力研究进展

1.2.1灌溉用水评价指标

灌溉用水评价指标综合反映不同尺度灌溉工程状况、用水管理水平和灌溉技术水平等，是正确评估灌溉水有效利用程度及评价节水灌溉发展成效的重要基础。尽管过去国内外许多部门和学者针对渠系水利用系数、田间水利用系数、灌溉水利用系数、灌溉效率等传统表征灌溉用水效率的指标开展了许多研究，但多基于动水法或静水法进行灌区样点渠段的测算分析；而以水分生产率为代表的灌溉用水效益测算与评价则基本以测坑或田间小区试验数据为基础。这些工作存在概念与测算口径不统一、测算工作量大、影响因素及机理不清、以点带面等诸多问题。目前许多实例证明期望通过提高灌溉供水和输水效率的措施来节水的做法是无效的，由此出现了所谓"字面节水"的提法。原因在于灌溉水利用系数、传统灌溉效率等指标忽视了回归水的重复利用。认识到以上问题，近年来国内外学者基于水资源管理的观点提出了许多考虑回归水重复利用的灌溉用水效率指标。然而，这些指标及分析框架在强调其理论及概念合理性的同时，却忽视了实际应用性，难以确定其中的某些水量平衡要素，不适用于灌区水管理。因此有必要对现有的灌溉用水效率及效益评价指标进行界定和评价，以探讨新的灌溉用水评价指标。

1.灌溉效率

1)国外研究进展

灌溉效率(irrigation efficiency)是灌溉水有效利用程度的主要评价指标之一。Israelsen将灌溉效率定义为作物生长过程中通过作物蒸发蒸腾的田间灌溉用水与实际引进的灌溉水量的比值(Israelsen，1950)。在Israelsen定义的基础上，1977年国际灌溉排水委员会(International Commission on Irrigation and Drainage，ICID)(Marinus，1979)提出灌溉效率标准，该标准将总灌溉效率划分为输水效率、配水效率和田间灌水效率，总灌溉效率为三者之积。传统的灌溉效率被定义为作物消耗的灌溉水量占取水口的总灌溉供水量的比值。这一概念与我国采用的灌溉水利用系数相似。随后Hart等(1979)和Burt等(1997)又提出了储水效率和田间潜在灌水效率等灌溉效率指标。虽然各种灌溉效率指标强调点各有差异，但是与传统的灌溉效率并没有太大区别，即其适用性仍与工程目标息息相关，灌溉效率较高则表明有较高比例的引水量储存于作物根系层以增加作物蒸发蒸腾量。

传统的灌溉效率对于灌溉工程设计和管理具有重要的地位和作用。然而，Bagley(1965)指出，在描述灌区效率时，若不正确处理灌溉效率的边界问题，会导致错误结论，由低效率而产生的水资源损失对于大系统而言或许并不存在。Bos(1979)指出对于整个流域，灌溉中浪费的水量并没有实质性的损失，因为绝大部分被下游重新利用。Willardson(1985)指出单个田间灌溉系统效率对于流域水文系统并不重要，不考虑水质，增加灌溉效率对流域水管理会产生有利或不利的影响。为了克服传统灌溉效率的不足，灌溉用水效率指标体系的内涵主要向两个方向发展:一方面是针对"有益消耗"与"无益消耗"及"生产性消耗"与"非生产性消耗"的界定(Molden，1997)；另一方面是从回归水的重复利用角度进行研究，认为局部的灌溉效率在更大尺度范围内并不重要，并考虑如何将回归水要素加入指标体系(Willardson et al.，1994；Keller et al.，1995)。研究人员提出一系列新的灌溉效率指标，例如，Willardson等(1994)建议采用"比例"的概念来代替田间灌水效率指标，如消耗性使用比例指的是作物蒸发蒸腾量(ET)占田间灌溉水量的百分数；Keller等(1995)提出有效效率的指标，是指作物蒸发蒸腾量同田间净灌溉水量(田间总灌水量减去可被重复利用的地表径流和深层渗漏)之比，并认为有效效率指标可用于任何尺度而不会导致概念的错误；Jensen(1977)指出传统灌溉效率忽视了灌溉回归水，不适用于水资源开发管理，并提出了净灌溉效率的概念；Perry(2007)建议采用水的消耗量、取用量、储存变化量及消耗与非消耗比例作为评价指标，并认为与水资源管理具有一致性。Lankford(2006)认为当考虑到使用条件及评价目的，传统灌溉效率与考虑回归水重复利用的有关灌溉效率都是适用的，并提出可获得效率(attainable efficiency)的概念，即现有损失中有些是可以通过一定的技术措施予以减少的(如渠道渗漏)，而有些损失是难以控制的(如渠道水面蒸发)，因此只有通过减少可控损失量才能实现效率的提高。

2)国内研究进展

我国普遍应用灌溉水利用系数这个指标评价灌溉用水效率，该指标及其计算方法于20世纪五六十年代参照苏联的灌溉水利用系数指标体系而建立。研究分析的重点主要是测定渠系水利用系数和田间水利用系数的方法、计算公式修正等方面，特别是渠系水利用系数的测定和评价是研究确定灌溉水利用系数的主要难点。1986年山西省水利科学研究所采用静水法对山西省18个典型灌区进行了大规模渠道渗漏试验研究，并对重点灌区的渠道水利用系数进行了计算(孟国霞等，2004)；80年代广西壮族自治区采用传统的动水法对22个灌区的渠道水利用系数进行了计算；浙江省水利河口研究院于2006年开始，采用动水法与静水法相结合，历时4年在全省70多个灌区开展灌溉水利用系数测算，获得不同类型灌区和全省的灌溉水利用系数，以及渠道衬砌率与渠系输水效率、工程投资与渠系输水效率之间的关系(贾宏伟等，2013)。不少学者还对渠道越级输水、并联渠系输水等情况下渠系水利用系数的计算分析与修正进行了研究。汪富贵(1999)提出用3个系数分别反映渠系越级现象、回归水利用及灌溉管理水平，再将3个系数同灌溉水利用系数连乘来修正灌溉水利用系数。高传昌等(2001)提出将渠系划分为串联、等效并联和非等效并联，并分别引用不同的公式对灌溉水利用系数进行计算。谢柳青等(2001)结合南方灌区的特点，根据灌溉系统水量平衡原理，利用灌区骨干水利工程和塘堰等水利设施供水量统计资料，通过作物灌溉定额，反推灌区渠系水利用系数和灌溉水利用系数。沈小谊等(2003)提出用动态空间模型来计算灌溉水利用系数，考虑了回归水、气候、流量、管理水平和工程变化等因素的影响。沈逸轩等(2005)提出年灌溉水利用系数的定义，即一年灌溉过程中被作物消耗水量的总和与灌区内灌溉供水量总和的比值。2006年开始，中国灌溉排水发展中心联合国内有关单位开展了全国现状灌溉水利用系数测算研究(韩振中等，2009)，采用基于首尾测算分析法的宏观测算分析方法，即定义灌溉水利用系数为田间实际净灌溉用水量与渠首毛灌溉用水量的比值，并强调以年为周期进行计算。其中毛灌溉用水量是指灌区从水源地实际取水的测算统计值，不能忽视从灌区其他水源(塘坝或其他水库)的取水值。

随着节水灌溉研究的发展，国内一些学者开始认识到灌溉水利用系数的局限性，提出了一些考虑回归水重复利用的指标。蔡守华等(2004)综合分析现有指标体系的缺陷，建议用"效率"代替"系数"，并在渠道水利用效率、渠系水利用效率、田间水利用效率的基础上增加作物水利用效率。

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