提高灌溉水利用系数的探讨

2012-06-13彭世彰高晓丽

中国水利 2012年1期

彭世彰，高晓丽，2

（1.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，210098，南京；2.河海大学水利水电学院，210098，南京）

人多、地少、水缺的基本国情，迫切需要在实现粮食安全和水资源安全战略过程中切实有效地提高灌溉水利用系数，缓解农业用水供需紧张的矛盾，支撑粮食生产的可持续发展。2009年全国总用水量为5933亿m3，农业用水量为3687亿m3，占总用水量的62.1%。在比重较大的农业用水中，灌溉水利用率低，浪费现象普遍存在。目前，我国灌溉水利用系数平均为0.50，远低于0.7～0.8的世界先进水平，灌溉水利用系数具有很大提升潜力。灌溉水利用系数从0.50提高到0.55，仅此一项每年即可节约水量150亿～200亿m3。因此，提高灌溉水利用系数，是解决农业用水短缺、实现水资源可持续利用和制定新形势下的治水方略等亟需研究的问题。

一、我国灌溉水利用状况

近年，随着灌区工程建设与节水改造的持续发展，我国灌区灌溉水利用系数逐年提高，各省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团等近4年的灌溉水利用系数统计如表1、表2所示。

表1 不同年份灌溉水利用系数

表2 不同灌溉水利用系数范围的省份统计

目前，我国灌区平均灌溉水利用系数仅为0.5，灌溉水利用系数低的省份比例逐渐减少，系数高的省份比例逐渐增加。一般来说，大型灌区灌溉水利用系数较低，但由于大型灌区续建配套与节水改造持续稳定投入，加之综合有效的灌区信息现代化管理，灌溉水利用系数增长较快，且有较大的提升空间。而由于对地表水和地下水的联合调度以及微灌、喷灌、低压管道输水灌溉和渠道防渗等节水灌溉技术的广泛应用，纯井灌区具有较高的灌溉水利用系数，但工程条件没有改善、个别地区甚至有老化现象，致使灌溉水利用系数增幅较小。2009年大型、中型、小型和纯井灌区的灌溉用水量分别占总灌溉用水量的35.7%、25.3%、25.6%和 13.3%，其灌溉水利用系数与我国节水灌溉规范中规定的0.50、0.60、0.70、0.80 还有一定的差距。

我国节水灌溉面积比例小，技术创新与推广体系不健全，土地平整精度差，田间工程不配套，灌溉用水管理技术落后，信息技术、计算机、自动控制技术等在灌溉用水管理中的应用还很少，均限制着我国灌溉水利用系数的提高。因此，为了实现2020年我国灌区灌溉水利用系数达到0.55的目标，加快农田水利建设，增加全国节水灌溉面积，加强灌区现代化管理，加强灌溉水的重复利用，增强群众节水意识等，是提高灌溉水利用系数的必然选择。

二、提高灌溉水利用系数的主要措施

灌溉水利用系数主要受渠道防渗措施、土壤质地、地下水埋深、灌溉技术、渠道输水时间、灌区类型、灌区规模和渠道级别等因素影响。

1.减少渠系输水损失，提高渠系水利用系数

渠系输水损失的原因主要是各级渠道的渠床渗漏和工程配套不完善而造成的漏水、泄水和渠堤决口跑水等。进行以渠道防渗和低压管道输水为中心的灌区工程改造和实施科学合理的输配水，减少漏水、泄水和弃水等水量损失，以提高渠系水利用系数。

（1）渠道防渗

渠道防渗是提高渠系水利用系数最有效、应用最普遍的工程技术措施之一。渠道防渗主要有浆砌块石衬砌、混凝土衬砌和塑料薄膜等方式，较土渠分别减少渗漏损失水量50%～60%、60%～70%和70%～80%。大型灌区的渠道防渗可使渠系水利用系数提高 0.2～0.4，减少渠道渗漏损失50%～90%。到2009年年底，全国防渗渠道控制面积为1116.6万hm2，占全国工程节水灌溉面积的43.4%，支渠以下的渠道大部分仍是土质渠道，渠道水利用系数具有很大的提升空间。渠道防渗有效地减少了渗漏损失水量，在一定范围内，渠系水利用系数随着渠系防渗率的增加而增加。

（2）低压管道代替明渠输水

用低压管道代替明渠输水，既可减少输水过程中的渠道渗漏和水面蒸发损失，又可严格控制灌溉用水，渠系水利用系数高达0.95～0.97，与土渠灌溉相比可节约水量25.5%～40%。

渠道防渗和低压管道输水提高了渠系水利用系数，但减少了渠系和田间渗漏损失水量对地下水的补给，对地下水水位产生一定影响，可能导致生物栖息地破坏、自然植被衰竭、湖泊湿地萎缩、土壤盐渍化等一系列生态问题。

（3）加强渠系输配水管理

渠系水的不合理配置，也是造成灌溉水浪费的重要因素。国内开发了渠系配水软件、决策支持系统，并增加各种渠系配套建筑物，发展各种配水、量水技术，加强对渠系水的优化配置；美国、加拿大、澳大利亚、日本和法国等发达国家大量采用计算机技术调控渠系输配水，把计算机技术、自动控制技术、系统工程技术等应用于用水管理，运用智能化的灌溉预报与节水灌溉决策支持系统，实现集信息采集—处理—决策—信息反馈—监控为一体的调度系统。其中，美国垦务局将自动控制技术用于灌区配水调度，配水效率从过去的80%增加到96%。加强渠系输配水管理，减少渠系的泄水、弃水和退水等水量损失，实现灌区水资源的优化配置和灌溉水的合理调度，从而提高灌溉水利用率。

2.减少田间无效耗水，提高田间水利用系数

田间渗漏、径流、地表蒸发和植株蒸腾等水量损失大大降低了田间水利用系数，为此，推广先进的灌水技术、高效用水调控技术以及农艺措施，以减少田间无效耗水，提高田间水利用系数。

（1）先进的灌水技术

美国、以色列、澳大利亚等国家已大面积采用水平畦灌、波涌灌等精细地面灌溉方法，激光控制平地技术使农田灌溉水利用率提高了20%～30%。喷灌、微喷灌、滴灌和覆膜灌等先进的灌水技术逐步推广，减少了田间灌溉水渗漏、径流、地表蒸发以及棵间蒸发损失水量，田间水利用率显著提高。其中，喷灌可使灌溉水利用系数达到0.7以上，比地面灌溉减少水量损失30%～40%；滴灌进一步减少了蒸发和渗漏的损失，比喷灌减少水量损失30%，比地面灌溉减少水量损失70%～80%；膜下滴灌比常规沟灌减少水量损失50%左右；涌流畦灌可减少水量损失10%～40%。美国在平移式喷灌机上对喷头装置和喷洒方式进行了改造，灌溉水的利用系数可提高到0.9以上；以色列采用渠道输水、喷灌、滴灌和自动控制技术，使灌溉水利用系数平均达到0.9。大力开发与推广各种先进灌水技术，可不同程度地提高灌溉水利用系数。

（2）高效用水调控技术

灌溉水的最终目标不是灌入田间，而是被作物吸收利用。进入田间的灌溉水很大部分以植株蒸腾和株间蒸发的形式而散失。如果充分利用作物自身根系吸水和叶片气孔调节作用，可以减少这部分水量损失。近年特别注重作物高效用水生理学基础，通过对土壤—植物—大气连续体水分传输机理与植物适度缺水的补偿效应等问题的研究，国内外相继开展了作物调亏灌溉、控制性分根交替灌溉、水稻控制灌溉和精准灌溉等作物高效用水调控技术，掌握田间土壤水分状况和植物生理生态过程及其耗水规律，建立具有监测、传输、诊断、决策等功能的作物精量控制灌溉系统，进行科学合理的灌溉。因此，利用作物自身调控功能，开展作物高效用水调控技术，减少植株蒸腾和株间蒸发等水量损失，降低作物需水量要求，也是提高灌溉水利用系数的重要途径。

（3）农艺措施

对土壤进行深耕中耕，增施有机肥，改善土壤结构，提高土壤涵蓄水能力，增强根系对土壤水分的吸收能力；在秸秆覆盖、砂土、薄膜和人工保水剂等方面也进行了许多研究，可以提高耕层土壤贮水量；调整和优化作物种植结构，合理分配灌溉水，提高农田整体水分利用效率。采取各种农艺措施，减少了灌溉水在土壤中的渗漏与表土蒸发等水量损失，从而增加耕作层土壤的保水能力，提高了田间水利用系数。

3.加强回归水的重复利用，减少渠首灌溉引水量

众多研究表明，灌溉水利用系数随空间尺度的增加而降低，存在一定的尺度效应。回归水及其重复利用是导致灌区灌溉水利用系数产生尺度效应的主要原因。通过加强灌溉管理和增设重复利用灌溉水设施，提高回归水的重复利用率，实现提高灌区灌溉水利用系数的目标。

随着空间尺度的加大，回归水量也增多。有效的管理可以提高回归水的重复利用率，比如采取按田分水、提高水价等措施，促进不同尺度下回归水的重复利用；制定科学的灌溉制度，采取先远后近、先高后低的轮灌制度，充分利用渗漏水。湖北漳河灌区依靠提高回归水重复利用率，灌区灌溉水利用系数均得以显著提高。从水资源平衡的角度分析，径流和渗漏损失的水量一部分转化为其他形式的水，通过引、蓄、提相结合的工程，部分可以重复利用。在北方灌区，多通过井渠结合的方式，联合调配地表水与地下水，重复利用渠系和田间的渗漏水；在南方丘陵地区，采用长藤结瓜灌溉系统，利用灌区内的塘堰及中小型水库拦截部分灌溉水径流损失的水量。增设水重复利用设施，力争水资源在灌区内部重复利用，可以提高灌区灌溉水利用系数。

分析灌溉水利用系数的尺度效应，并加强回归水的重复利用，有助于提高灌区灌溉水利用系数。但以往对灌溉水利用系数尺度效应的研究多集中于下垫面均一的情况，具有很大的局限性。

三、需要研究的主要内容

1.跟踪灌溉水利用系数动态变化

进一步探索适合我国灌区的灌溉水利用系数指标体系，并健全灌溉水利用系数全国测算分析网络，因地制宜地选择测算方式，动态分析全国及各地区的灌溉水利用系数及其变化情况，有助于灌溉水利用系数较低的地区及时采取相应的措施，以提高整体灌溉水利用系数。

2.确定不同类型地区适宜的渠道衬砌率和灌溉水利用系数阈值

考虑不同类型地区灌区适宜的渠道衬砌率和地下水水位等问题，对水资源利用率进行综合评价，探讨维持人水和谐、实现水资源可持续利用等多目标的渠道衬砌率和灌溉水利用系数阈值，确保水资源的永续利用。

3.制定多水源联合调配与优化调度方案

应用现代化信息技术监测系统，掌握渠系和田间水分运行状况，进行动态计划用水管理，实施多水源联合调配，充分、合理、高效地利用干支流及地下水等水资源，在井渠结合灌区，研究不同防渗率与灌溉水利用系数的关系，构建最佳井渠比调控模式，联合调配地表水与地下水，提高灌区内部灌溉水的重复利用率，实现水资源的优化配置。