徐义军，刘思妍，姚帮松，胡德勇，罗东城，黄正忠

（1. 湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；2. 湖南农业大学水利与土木工程学院，湖南 长沙 410128）

前 言

据相关资料显示，我国淡水资源总量非常丰富，高达28 000 亿m3之多，占全球水源的6%，位列加拿大、俄罗斯、巴西三个国家之后，在世界上排行第四。虽然淡水资源总量很多，但是我们国家水资源人均量只有2 300 m3，这一数值严重低于世界平均水平，仅有世界平均水平的1/4，所以我国也是全球人均水资源最贫乏的国家之一。我国是一个农业大国，但不是一个农业强国。我国最主要的用水行业就是农业，而农业用水主要是农田灌溉。据2018 年统计我国农业用水已经达到了全社会用水比例的61.4%[1]。近年来国家和各级地方政府大力推广节水灌溉技术，并狠抓最严格水资源管理制度的实施，灌溉水有效利用系数有了一定的提升。2018 年据水利部相关统计全国农田灌溉水有效利用系数为0.554[1]。但是较发达国家仍远远落后，由此可见我国农业节水的发展前景十分广阔。因此，针对国内外相关专家灌溉水利用系数的大量研究成果，对其进行归纳总结并进行分析，具体结合我国实际国情，提出有效的节水措施和提高灌溉水有效利用系数的对策与建议，十分有必要。

1 灌溉水有效利用系数国内外研究进展

20 世纪40、50 年代，我国在前苏联灌溉水利用系数指标体系的基础上建立了灌溉用水效率指标体系以及相关算法[2]。1998 年发布的《节水灌溉技术规范》中把灌入田间水量与渠道引入总水量的比值定义为灌溉水有效利用系数[3]，并将该系数作为节水灌溉工程的一项规划指标使用。2006 年水利部全面开展了全国灌溉水有效利用系数测算工作的探索[4]，并制定了一系列文件，如《全国现状灌溉水利用率测算分析技术方案》、《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》等，同时也将灌溉水有效利用系数这一指标进一步标准化，即将其定义为在某次或某一时间内被农作物利用的净灌溉水量与水源渠首处总灌溉引水量的比值[5]。国内一直用灌溉水有效利用系数来反映灌溉水的有效利用程度，但是国际上通用的表述方式是“效率”而非“系数”，灌溉效率是反映灌溉水有效利用程度的主要评价指标之一。ICID（国际排灌委员会）在Israelsen[6]对灌溉效率定义的基础上，于1977 年提出了一项关于灌溉效率的标准，把输水效率、配水效率和田间灌水效率三者的乘积作为总灌溉效率[7]。在这之后，Hart[8]、Burt[9]等又提出了两项表征灌溉效率的指标：储水效率和田间潜在灌水效率。各国研究学者们也陆续提出了许多不一样的表征灌水效率的指标[10～11]，虽然注重点不同，但是基本原理、原始内涵和早期定义没太大区别。

1.1 灌溉水有效利用系数影响因素研究

能对灌区灌溉水有效利用系数产生作用的影响因素非常多，自然因素如降雨、土壤地质、灌区面积等；人为因素如当地农民灌溉频率、灌溉模式以及当地灌溉制度等；经济因素如政府对节水工程投资比例大小、灌区种植结构等。通过对这些影响因素的分析和研究，能够有效地促进灌溉水有效利用系数的提升。对测算方法存在的问题进行研究，探索冬灌灌水定额、灌区自然地理条件的差异、灌区规模及取水方式的不同、作物种植结构和供水水价等对灌溉水有效利用系数的影响[12～13]。在空间分布特征上研究防渗渠道长度、渠道衬砌率、节水灌溉工程面积、灌区管理水平、地域灌溉制度、土壤的墒情变化情况以及降雨量的大小、水稻种植比的多少等对灌溉水有效利用系数的影响[14～18]。根据前人的研究可以发现工程措施对灌溉水有效利用系数的提高是较为明显的，也是其主要的影响因素之一。灌溉制度和灌溉模式，这两个影响因素重点是影响到田间水的利用情况，地域的不同会导致灌溉制度和灌溉模式发生变化，我国南方和北方就是典型例子。南方多用渠道输送灌溉水，而北方多用管道输水，很大程度上是因为南方多雨潮湿天气居多，而北方少雨干旱天气较多。并且灌溉管理上如调亏灌溉，通过对作物进行阶段性的非充分灌溉，甚至是缺水灌溉，且能在减少用水的情况下提高作物产量；而灌溉模式如增氧灌溉，在增加土壤中养分含量的同时，改变了作物生长的土壤环境，在灌溉水量相同的情况下，也能够增加作物的产量。因为很多影响因素获取数据资料较为复杂，所以目前国内对灌溉水有效利用系数的研究还是以定性分析为主，定量分析较少，有关机理方面的研究不多。

在19 世纪70 年代，国外有组织研究发现国际上对灌溉效率的理解尚存在许多偏差，在一些地方甚至是自相矛盾，认为从灌溉效率的数值就能够判断出水资源在使用过程被大量地浪费了，虽然判断不是很准确，但是这一论断直接导致有人发现了大型水利工程及流域中存在灌溉回归水反复利用的现象。很多学者开始考虑把回归水这一要素加入影响灌溉水利用效率的指标体系中[19～20]，并且展开了大量研究探讨回归水可能产生的影响[21～22]。经陆续研究发现土壤结构[23]、流域管理模式[24]、调亏灌溉[25～26]、作物的差异[27]等各个方面的因素都会对灌溉水利用效率产生影响[28]，从最初的灌溉效率指标到考虑回归水利用效率的新指标，以及有关灌溉水利用效率影响因素的进一步深入研究，如何引入各个方面的影响因素进行综合分析，研究其对灌溉效率的复合影响已成为争论的焦点。

1.2 灌溉水有效利用系数尺度研究

灌溉水有效利用系数受不同水源类型、灌水时间长短、灌区地理位置、灌区规模大小和类型等具有明显时间分布特征或者空间分布特征的因素影响，研究的对象多以灌区为基本单位，包括同一时段不同灌区及同一灌区不同时段，这就同时具备了时间尺度和空间尺度特征。国内展开灌溉水有效利用系数的研究时间最早可追溯到几十年前，就时间这一尺度而言，国内大部分研究都是以一个日历年来展开研究，很多地区多以分析测算某一指定灌区或者某一特定行政区域内连续1 年内灌溉水有效利用系数的波动情况。通过数年的数据调查，对淮安市各县区灌区和内蒙古黄河南岸灌区的农田灌溉水有效利用系数进行了分析研究[29～30]，总结并提出了有效提高灌溉水有效利用系数的措施及方法。我国地域宽广，灌区地理位置不同对灌溉水有效利用系数的影响也很大，从空间尺度上来研究该系数，在国内一般会从行政区域的划分以及灌区的不同这两种空间视角来进行研究。分别以全国大型灌区、全国纯井灌区为对象分析其对灌溉水有效利用系数影响[31～32]；对浙江省[33]、宝鸡市[34]、湖北省温峡口灌区灌溉水有效利用系数的研究[35]，探究了不同空间尺度下灌溉水有效利用系数的变化趋势。一般来说，按行政区划进行研究的灌溉水有效利用系数对于地方的主要发展方向政策的制定有一定的指导意义，通常是作为预期性判断指标和管理考核指标。国内灌溉水有效利用系数的研究主要是研究空间尺度上的分布特征，而对时间尺度上的分布特征研究较少。

1.3 灌溉水有效利用系数方法研究

灌溉水有效利用系数的测算方法一般有两种，一种是典型渠段法，另一种是首尾测算分析法。典型渠段法也叫分段测算法，即通过动水法或者净水法测得各级渠道水利用系数和田间水利用系数，再计算两者的乘积。国内早期的研究多以典型渠段法为主，但是该方法测算工程量非常大，实际测算中，由于渠道系统的复杂性以及回归水再利用等情况，会导致测算结果存在较大的误差。国内学者对典型渠道法存在的越级渠道、回归水利用等问题进行了分析研究，并对传统典型渠道法进行了修正与完善[36～39]。首尾测算分析法能直观反映指定区域灌溉水的总体波动情况，对指定区域内灌溉水有效利用系数的波动趋势能更加方便地进行分析评价，且具有牢固的理论基础作为支撑，在平时实际工作中的实操性也较强，对于我国基层灌溉管理单位来说十分便捷，同时这也是我国大部分灌区比较常用的测定方法。我国南方农田灌区水源复杂多样，用途上也是具有显著差异，且灌区内输水和配水工程也较为复杂。国内研究人员对南方平原河网型灌区进行具体分析研究，建立相关模型[41]，提出改进型首尾水量平衡法[42]。很多学者还对首尾测算法在实际应用中存在的问题和不足进行了探讨[43～44]，并提出了有效建议与措施。为了能够更精准地检测灌溉水有效利用系数，国内研究人员从不同地域、不同分析方法、不同数学模型等各个方面展开了大量的试验研究，积攒了丰厚的基础数据。

国外研究大都集中在灌溉水利用效率内涵以及回归水的问题上，相比前者，在灌溉水利用效率研究中，总结了国际上常用渠道渗漏损失计算的三种方法[45]，运用多种方法结合的模式，通过科学仪器直接检测渗流量的方法来估算渠道渗漏情况[46]，开发先进的低成本农业灌溉系统（LCIS）和新型物理模型帮助农民获得最高的灌溉水利用效率[47～48]。这些方法理论及概念严谨合理，且具有较强的针对性，但是在我国应用过程中，因为地理环境及人文因素等各个方面的影响，无法达到应有的效果，不过很多先进理念是值得参考的。

1.4 灌溉水利用效率评价研究

国外研究人员对灌溉水利用效率评价模型也进行了大量的研究，这一方面的研究能够为灌溉水利用效率的测算提供借鉴，也对其深入研究提供了数据支撑。据研究发现用SWAT 模型同时模拟水量平衡要素和作物产量[49～50]，MODFLOW 和SWAT 模型可以结合起来研究灌区的水资源循环[51]。有人用修改后的水箱模型结合地下水模型模拟区域浅层地下水平衡[52]，IWMI 研究人员结合SWAP 模型和SLURP 模型对灌溉水利用效率相关指标进行了评价[53]，且在不同流域基于水量平衡原理展开了基础研究[54～56]。从国外有关灌溉水利用效率指标体系研究中可以发现，水量平衡模型仍旧是大部分指标量化的基础，明确区分了在不同尺度范围内对灌溉水利用效率的影响，不过目前国际上已有的指标体系还是存在一些问题，虽然基于水量平衡原理搭建了一个较为完整的框架，但部分影响因素暂时还无法确定，所以目前这一指标体系与我国的适用性还有待商讨。

2 存在的问题

最严格水资源管理制度的实施已经在全国范围内铺开，近年来我国在灌溉水有效利用系数研究中取得了较大的进步，主要是从灌溉水有效利用系数的影响因素、测算方法、应用技术等各个方面展开研究，虽然成绩斐然，但不得不承认目前仍存在一些我们还未解决的问题[57]。

1）毛灌溉用水量的计算问题首当其冲。南方属多水源地区，在很多灌区内，大大小小的塘坝数量众多，这些塘坝取水记录都没有；南方降雨频繁，大雨后形成地表径流流入灌区内的这一部分没有详细的统计，实际降雨过程中落入灌区内的这部分也没有详细记录；且目前很多中小型的灌区渠首及各渠道取水口的计量设施的配备尚未完善，这也会对毛灌溉用水量统计带来很大的误差。

2）典型田块的选择问题。因为我国北方缺水问题较为严重，且农业节水是兴起于北方，所以在《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》中很多内容都是针对北方地域情况进行设计[58]，而我国南方北方地域差异较大，在北方，降雨较少，灌区平整，种植结构大都比较单一，灌水大都是通过渠道引水灌溉，所以可以用较为简单的方法来确定典型田块。在南方，多丘陵山区地带，地形起伏不定，所以灌区内作物种植结构较为复杂，且南方是多水源地区，除了渠道引水灌溉，还会通过塘坝，降雨等其他方式进行灌溉。因此针对南方和北方独特的地形地貌以及气候条件，应有针对性设计，《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》中对于灌区和典型田块的选择[59]，不能一味盲从单一地选择。

3）我国目前尚无完整的观测站网体系，只有在长期固定观测站点的支撑下，才有可能得到比较真实准确的灌溉水有效利用系数，国内目前监测方法大多是通过人工检测，这样会产生较大的误差，甚至会出现虚假数据；且目前对田间土壤水分含量和水位观测仪器的选择原则尚未统一[60]，同一片区域不同的灌区可能使用不同的仪器，这样检测出来的数据不具有可比较性。

对于国外一些先进理念和技术研究成果，我们应该持虚心的态度去学习，但是国外很多有关技术性研究和模型研究都是针对他们的实际状况开展的，与我国实际状况不一定吻合，所以在消化和吸收国外的先进技术和理念时，不能死板地生搬硬套，需要针对本地实际情况有效运用。

3 讨论与展望

灌溉水有效利用系数能够有效评价灌溉水利用程度，于我国农田节水灌溉、水资源进一步优化配置和对农业用水高效管理都具有十分重大的意义。在后续研究中，一是要因地制宜提出符合当地实际的测算方法；二是要对灌溉试验站网和野外固定典型实测田块开展长系列试验观测工作，得到真实可靠的实测数据；三是要以量测水设施配套建设、用水统计制度建设及管理信息化、规范化为基础，夯实灌溉水有效利用系数测算的技术支撑。

项目名称：湖南省多水源灌区干渠以下灌溉水有效利用系数实测方法研究与示范（XSKJ 2018179-35）。