江苏省农田灌溉水有效利用系数年际变化及其影响因素分析

2023-01-14鞠艳杨星毕克杰王怀川张雯叶

灌溉排水学报 2022年12期

鞠艳，杨星*，毕克杰，王怀川，张雯叶

（1.江苏省水利科学研究院，南京 210017；2.无锡市水利局农村水利与水土保持处，江苏无锡 214031）

0 引言

【研究意义】自2006年全国各省开展灌溉水有效利用系数测算以来，农田灌溉水有效利用系数已经成为我国评估农业用水成效和国家实行最严格水资源管理制度的重要指标，也是推进水资源双控行动、建设节水型社会的主要内容[1]。分析灌溉水有效利用系数动态变化趋势及其主要影响因素，对合理规划当地农田水利工程建设[2]，准确挖掘农业节水潜力，发展节水灌溉等具有积极意义[3]。同时为“十四五”期间，全国灌区节水相关的提档升级改造、灌溉总体规划或专项规划提供重要的基础数据。

【研究进展】目前针对灌溉水有效利用系数测算方法主要为首尾测算分析法[4]，在一定程度上减少了传统的连乘系数法测定的局限性，为灌溉水有效利用系数工作开展提供了有效途径[5]。近年来，国内外学者通过遥感蒸发模型[6]、灰色关联度分析[7]等改进方法，对我国不同地区的灌溉水有效利用系数进行分析预测，结果显示：近年来我国灌溉水有效利用系数呈上升趋势，且具有一定的空间结构性[8]，其中，西北、华北地区的纯井灌区灌溉水有效利用系数高于南方和东南沿海[9]。受自然条件[10]、用水管理[11]、经济水平[12]等多方面因素的影响，不同空间尺度的灌溉水有效利用系数不同[13]，通常选用易量化实施的指标因子，基于主成分分析[14]、Horton 定律[15]等研究结果表明，不同地区的系数影响因素程度存在差异[16]。同时，由于大部分因素难以获取数据资料，目前研究多以定性分析为主，定量分析较少。

【切入点】近年来，通过大中型灌区续建配套节水改造、高标准农田建设、新增千亿斤粮食田间工程等政府项目建设，以及农业水价综合改革制度建设，江苏省灌溉水有效利用效率一直走在全国前列，农业节水效益显著[17]。但针对江苏省灌溉水有效利用效率的变化趋势，综合剖析其主要影响因素的研究，相对较少。【拟解决的关键问题】为此，以江苏省为例，分析其农田灌溉水有效利用系数年际变化，并采用偏相关分析和主成分分析方法，剖析其影响因素，该项研究成果作为巩固地区节水成效的重要基础依据，既有助于进一步巩固和提升江苏省灌溉水利用效率，又可为其他地区灌溉水利用系数的有效提升提供参考。

1 研究区农业用水概况

1.1 江苏省农业用水需求

江苏省是全国粮食主要产区之一，2021年统计数据显示，江苏省粮食播种面积542.75 万hm2，粮食产量达到374.6 亿kg，位居全国第8 位；粮食产量6896.55 kg/hm2，居主产省第3 位。大中型灌区是其产粮核心区，每年粮食产量占全省总产量的70%以上。为此，确保江苏省粮食安全，大中型灌区是重要基础。截止2021年底，江苏省大、中型灌区298 处，其中大型灌区34 处，占全省耕地面积的20%以上，中型灌区264 处，实际灌溉面积94.62 万hm2，另有小型灌区14862 个，有效灌溉面积148.33 万hm2。苏中苏北地区以大中型灌区为主，苏南地区以小型灌区为主，大型灌区分布如图1所示。

图1 江苏省大型灌区分布图Fig.1 Distribution of large irrigation districts in Jiangsu Province

2014—2020年江苏省水资源利用情况（表1）；总用水量为452.7 亿～493.4 亿m3，平均用水量为466.7亿m3；农林牧渔等第一产业用水量266.6 亿～303.1亿m3，平均用水量为281.5 亿m3，其中农业灌溉平均用水量247.0 亿m3，占总用水量的52.9%；第二产业和第三产业平均用水量为126.1 亿、17.1 亿m3；平均居民生活用水和城镇环境用水分别为39.0 亿、2.8亿m3。江苏省农业灌溉用水需求量很大，但本地水资源紧缺，统计年份中，80%年份出现了用水缺口问题（图2）。最大年度缺口出现在2019年，达到261.7 亿m3，2013年也达到了215.4 亿m3，最小缺口年份2011年，也达到了63.8 亿m3。用水量缺口较大，单纯依靠本地水资源，农业灌溉用水不能得到有效保障，因此提升灌溉用水效率意义重大。

表12014 —2020年江苏省水资源利用情况Table 1 Water resources utilization in Jiangsu Province from 2014 to 2020 亿m³

图2 江苏省年度用水量缺口Fig.2 Annual water consumption gap in Jiangsu Province

1.2 江苏省灌溉水有效利用系数提升潜力

丰水地区如何提升灌溉水利用率是江苏省水价综合改革的难点。深挖节水潜力，提升干群节水意识是关键。作为丰水地区的江苏省，人均本地水资源量455 m3，不足全国人均占有量的20%，相对缺水。全省本地水资源保障能力不足，在2014—2020年间，80%的年份需要引用过境水，调水任务繁重，用水成本高。灌区节水改造发展慢，对节水灌溉特别是高效节水灌溉的总体投入尚显不足，工程标准偏低，配套程度不足，管理粗放。各类节水制约因素影响下，2014年，全省灌区农田灌溉水有效利用系数大型仅为0.539、中型仅为0.547、小型为0.641，平均0.590，与江苏省“十四五”“骨干渠系建筑物配套率、完好率达到90%以上；灌溉水利用系数大型灌区不低于0.6、中型灌区不低于0.63”的灌区现代化建设目标存在明显的差距，节水潜力很大，因此加快灌区现代化节水配套和改造，提升灌溉水有效利用率极为迫切。

2 研究方法

2.1 灌溉水有效利用系数

根据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》和《灌溉水系数应用技术规范》（DB32/T 3392—2018）要求，结合江苏省实际情况，截至2021年共选择了225 个样点灌区，其中大型灌区34 个，中型灌区41 个，小型灌区150 个，观测作物种类主要为水稻，采用首尾测算分析法[5]计算样点灌区的灌溉水有效利用系数，计算式为：

式中：η样为样点灌区灌溉水有效利用系数；W样净为样点灌区净灌溉用水量（m3）；W样毛为样点灌区毛灌溉用水量（m3）。

依据分类计算，逐级汇总的原则，分别计算大、中、小型灌区灌溉水有效利用系数和毛灌溉用水量，通过加权平均计算江苏省的灌溉水有效利用系数[2]，计算式为：

式中：η为江苏省的灌溉水有效利用系数；η大、η中、η小分别为江苏省大、中、小型灌区的灌溉水有效利用系数；W大、W中、W小分别为江苏省大、中、小型灌区的年毛灌溉用水量（m3）。

2.2 指标体系建立

为了全面客观选取影响因素，以整体最优化为目标，综合考虑江苏省的自然因素、种植结构、管理因素以及节水工程等因素[13]，选取了以下9 个影响因子进行量化分析，建立了影响因素的指标体系，如表2所示。

表2 灌溉水有效利用系数影响因子Table2 Influencing factors of IWEUC

2.3 主成分分析（PCA）

通过对各影响因素进行标准化处理，计算其相关系数矩阵，由于本文选取的指标较多，相关关系复杂，其信息上有重叠，因此选择主成分分析方法。该方法是将多个变量通过降维处理的方法，重新组合为少量的几个综合指标，计算其主成分特征值及贡献率，根据特征值大于1 且累积贡献率大于85%的选取要求[14]，选择出几个主成分来揭示数据的内部结构，计算式为：

式中：a1i，a2i，…，api为变量的特征向量；Zx1，Zx2，…，Zxp为变量标准化后的值；Fp为第p个主成分，通常情况下第一主成分方差较大，F1中包含信息越多。

3 结果与分析

3.1 江苏省灌溉水有效利用系数变化分析

从全国及江苏省2011—2020年的灌溉水有效利用系数（图3）可以发现，自“最严格水资源管理制度”实施以来，全国及江苏省灌溉水有效系数呈逐年增加的趋势，其中全国系数自0.51 增长到0.565，增加率为10.78%，江苏省系数自0.567 增加到0.616，增幅为8.64%。而灌溉水有效利用系数与当地经济发展水平有一定关系，江苏省作为经济相对发达地区，逐年的系数均高于全国平均水平的9%～11.6%左右，但2016年后与全国差距在逐步减小。

图3 全国及江苏省灌溉水有效利用系数及其变化速率Fig.3 IWEUC and its trend of China and Jiangsu Province

从增幅变化来看（图3、图4），2011—2014年，江苏省灌溉水有效利用系数增幅呈逐年增长趋势，自2016年开始，系数增幅在逐渐减缓，前期系数提升高于中后期。由于前期阶段，全省大力推广控制灌溉等节水灌溉模式，加之农业水价综合改革的逐步推进，减少了农业用水的浪费，大大提升了灌溉水使用效率，系数提升较快；中后期随着农业水价改革基本完成，农业灌溉用水计量设施建设不断完善和管护水平不断提升，节水灌溉水平进一步提高，系数增长稳定。从不同规模灌区灌溉水有效利用系数分析可知（图5），2014—2021年同一规模与类型灌区的系数呈稳步增长趋势，系数与灌区规模呈负相关关系，即η大＜η中＜η小，且η中型15～30＜η中型5～15＜η中型1～5。相较于中小型灌区，大型灌区的渠系的级数越多，输水距离越长，单位面积的渠道渗漏量越大，同时，大型灌区的灌溉周期较长，河道滞留水量偏多，实际渗漏时间较长，沿程耗水损失量偏多[18]，系数相对偏小。从逐年增加趋势来看，中小型灌区的系数增长趋势高于大型灌区，由于中小型灌区面积较小，灌区管理难度较小，且中小型灌区的单位面积节水投入较多，2021年江苏省中、小型灌区单位面积投入分别为2759元/hm2和3013元/hm2，高于大型灌区的2624元/hm2，节水工程完善率较高，节水效益发挥较快，使得系数增长趋势与灌区规模也呈负相关关系[20]。

图4 江苏省计量设施建设进度及灌溉水利用系数增长率对比Fig.4 Comparison between construction progressof metering facilitiesand increasing rate of IWEUC

图5 江苏省不同规模灌区灌溉水有效利用系数及亩均节水投资Fig.5 IWEUC of different scale irrigation districts and water-saving investment in Jiangsu Province

将江苏省灌区按照水源类型分为提水灌区和自流灌区，图6为不同水源类型灌区的灌溉水有效利用系数箱型图，从图6可以看到，大型提水灌区的系数差异性较小，变幅最小；中型自流灌区的系数变幅最大。一般提水灌区高于自流灌区，提水灌区一般采用泵站抽水方式进行灌溉，成本较高，灌溉管理措施相对完善，在一定程度上避免了过度灌溉的情况[21]；而全省大部分自流灌区水源条件相对较好，来自京杭运河和苏北灌溉总渠的水资源丰富且取水方便，造成农户节水意识不强，用水效率相对较低，同时，自流灌区一般在无连续降水情况下才实行灌溉，此时渠道水位较低，灌溉前需要抬高水位，灌溉结束后渠道中的滞留水较多，调查研究表明，滞留在干、支渠的耗水损失量占总灌溉用水量的12%左右，干旱年份比例更高[22]，因而造成自流灌区的灌溉水有效利用系数较小。

图6 江苏省不同水源类型灌区灌溉水有效利用系数箱型Fig.6 BoxplotofIWEUCofdifferent water source irrigation districts

如图7所示，2014—2021年中型自流灌区的系数增速最快，增幅为11.94%；大型提水灌区的系数增速最慢，为4.53%。一般而言，相同水源类型灌区灌溉水有效利用系数总体呈增长趋势，但2017年小型自流灌区和2020年大型提水灌区的系数呈负增长，由于近年来新增了4处大型提水灌区，前期未实施相应的节水配套改造工程，基础条件较差，节水效益发挥较慢。中型自流灌区投资力度相对较大，且逐步实行农业用水许可，对灌区的用水总量进行严格控制，灌溉水利用效率提高较快。

图7 江苏省不同水源类型灌区灌溉水有效利用系数逐年变化速率Fig.7 Annualcha nge rateof IWEUCofdifferentwater source irrigation districts

3.2 灌溉水有效利用系数影响因素分析

灌溉水有效利用系数的高低受多种因素的综合影响，与灌区自然条件、土壤类型、规模与水源类型、工程投入、管理水平、农户节水意识等有着密切关联[19]，从系数和影响因素的偏相关分析（表3）可以发现，灌区的节水灌溉工程面积对系数的影响极为显著（P＜0.01），生育期降雨量、实际灌溉面积和节水灌溉工程投资的影响显著（P＜0.05），其他因素与灌溉水有效利用系数正相关，但影响不显著。其中，节水工程与系数相关性最好，主要原因：当灌区的实际灌溉面积越大，节水灌溉面积越多，节水灌溉工程发展和管理水平越好，系数越大。其次，由于降水因素的影响，改变作物的毛灌溉用水量，导致灌溉水有效利用系数有所差异。

表3 灌溉水有效利用系数与影响因素的偏相关分析Table 3 Partial correlation between IWEUC andits influencing factors

基于以上分析，为探究影响灌溉水有效利用系数的主要因素，通过主成分分析方法进行研究，根据KMO 和Bartlett 球度检验，KMO 值大于0.5 且显著性水平小于0.05，表明所选择的代表性变量适合。从表4的初始特征值和贡献率可以看到，前3 成分的特征值均大于1，且累积贡献率达到96.10%，主成分提取结果合理，基本能够反映灌溉水有效利用系数的大部分信息。其中，第1 主成分主要反映了灌区的自然因素和节水工程因素的影响，累积贡献率达到了60.64%，第2 主成分主要反映了灌区的管理因素和节水工程影响，其累积贡献率达到84.76%，第3 主成分主要反映灌区的种植结构影响。

表4 特征值及贡献率Table 4 Eigenvalue and contribution rate

对前3 成分进一步分析，综合表4和表5可以看出，第1 主成分中生育期降雨量（X1）、生育期蒸散发量（X2）和节水灌溉工程投资（X8）荷载较大，且都有着较大的正贡献率，其中，节水灌溉投资荷载最大。近年来，江苏省各级部门不断加大农田水利投入，2021年用于灌区改造的资金投入较上一年增加了17.34 亿元，通过标准化建设，灌区的渠道衬砌防渗能力提高，灌溉水利用效率也在逐步提升，节水工程建设对灌溉水有效利用系数有很高的正影响。

表5 主成分荷载Table 5 Principal component loads

第2 主成分中实际灌溉面积（X5）、节水灌溉工程面积（X7）和渠道衬砌率（X9）荷载较大，这些因素主要反映灌区的管理水平和节水工程状况，且均具有较大的正贡献率。研究表明，灌区的灌排技术和灌溉耕作等因素对作物需水量有一定的影响，当实际灌溉面积较大时，通过管理使渠道的灌溉水量分配较为均匀[22]。节水灌溉面积增加主要表现为喷灌、微灌、渠道防渗等措施的实施，提升了渠道衬砌率，有效减少田间渗漏和渠道渗漏，提高了灌溉水有效利用系数。

第3 主成分中水稻种植比（X3）、综合灌溉定额（X4）和生育期降雨量（X1）荷载较大，主要反映灌区的种植结构状况，不同的灌区的种植结构和自然条件的变化会相应地改变人为管理和灌溉习惯，对灌溉水有效利用系数存在直接或间接的影响。

3.3 提升灌溉水有效利用系数的建议

近年来江苏省灌溉水有效利用系数稳步提升，反映了全省灌区建设管理水平以及节水灌溉实施取得的成果，结合本文的影响因素分析结果，对后续工作改进提出以下建议：

1）加大节水灌溉投资。有针对性地对大、中、小型灌区开展不同的工程投入，不断增加对大、中型灌区节水配套改造工程投资，增加小型农田水利重点县项目投资，提高工程质量，逐年稳步提高江苏省系数，发挥高效节水灌溉效益。

2）加强节水工程建设。因地制宜选择合适的节水输水和灌溉技术，扩大节水灌溉工程面积，对于大、中型灌区，要依托灌区布设自动量水设施和土壤墒情监测设施，完善灌溉水用水计量体系，逐步实现农业灌溉数据信息化，提升灌溉水利用效率；小型灌区投入新型的高效节水工程，改造土渠、石渠等老旧的输水管道，采用先进的低压管灌、提升渠道衬砌率，减少渗漏损失，提高灌溉水利用系数。

3）提升灌区管理水平。通过建立“灌区+用水者协会+专业化服务组织”的管理体系，逐步形成政策引导、社会化服务支持、用水户自主管理的运行机制，完善工程管护组织建设，提高管理人员业务水平，深化落实农业水价综合改革成果，继续推进农民用水协会管理，调动农民参与管理的积极性，提高用户的节水意识，对系数提升具有积极影响。

4 讨论

农田灌溉水有效利用系数是衡量农业用水效率的重要指标，明晰江苏省农田灌溉水有效利用系数的年际变化，综合剖析其主要影响因素，有助于地区农田灌溉用水效率提升、农业节水潜力挖掘和灌区总体规划合理制定。本研究认为灌溉水有效利用系数与当地经济发展水平有一定关系，江苏省作为经济相对发达地区，逐年灌溉水有效利用系数均高出全国平均水平9%～11.6%左右，这与刘春成等[13]研究结论一致；从变化速率来看，江苏省灌溉水有效系数呈逐年增加的趋势，且前期灌溉水有效利用系数提升高于中后期，这与王小军等[11]研究结论基本吻合；江苏省不同规模与类型灌区的灌溉水有效利用系数分布，基本符合大、中、小型灌区依次升高的规律，这与吉玉高等[2]、张艳芬等[24]的研究结论一致。本文结合农业水价改革成果中计量设施覆盖率变化，进一步分析了灌溉水有效利用系数增速变缓的诱因，这是对前人成果进行了补充。

农田灌溉水有效利用系数受多种因素的综合影响，与灌区自然条件、土壤类型、规模与水源类型、工程投入、管理水平、农户节水意识等有着密切关联。本研究认为，灌区的节水灌溉工程面积对灌溉水有效利用系数的影响极其显著（P＜0.01），生育期降雨量、实际灌溉面积和节水灌溉工程投资的影响显著（P＜0.05），基本符合管升明等[12]、贾浩等[14]的研究结论；节水灌溉工程投资、节水灌溉工程面积和生育期降雨量的主成分荷载较大，且均有较大的正贡献率，基本符合孙龙等[20]、朱福民等[21]、张威等[23]的研究结论。本文结合单因子分析和综合因子分析了影响江苏省灌溉水有效利用系数的主要因素，并从加大节水灌溉投资、加强节水工程建设和提升灌区管理水平3个方面，分别针对江苏省大、中、小型灌区的灌溉水有效利用系数提升给出了建议，目前尚未查阅到较多综合分析针对江苏省灌溉水有效利用系数影响因素及其对策的相关文献，这是对前人成果的补充。

此外，灌溉水有效利用系数的影响因素比较复杂，本文仅从自然因素、种植结构、管理因素以及节水工程这4 个方面，选取了9 种指标进行分析，并未充分考虑到土壤类型、农民节水意识、社会经济发展指标等因素的影响，研究局限性较大。同时，江苏省地域广阔，横跨13 个地级市，省内发展并不均衡，不同地区的经济发展水平、灌溉习惯也不尽相同，导致不同地级市的灌溉水有效利用系数差异明显。基于上述原因，后续研究应通过多源数据和模型分析，进一步研究江苏省的灌溉水有效利用系数的差异性和影响因素，形成科学合理的分析方法，为江苏省的农业可持续发展提供参考。