灌溉水利用效率的概念与内涵.docVIP

推荐论文：豆丁/uucall8灌溉水利用效率的概念与内涵贾宏伟（浙江省水利河口研究院，杭州 310020）5摘要：灌溉水利用效率是评价灌区农业灌溉用水效率的重要指标，是灌区水利工程建设及用 水管理的基本参数，但传统“灌溉水利用效率”是建立在充分灌溉理论基础上的，在实际应 用中还存在诸多问题。本文基于非充分灌溉理论，提出了灌溉水利用效率的新概念及其确定 方法，并从评价对象与适用范围、有效性与效益特性、空间尺度与时间尺度等几方面对灌溉 水利用效率的内涵进行了阐述。10关键词：灌溉水利用效率；非充分灌溉；工程效率；效益特性；时空尺度中图分类号：S274.1文献标志码：AThe Concept and Connotation of Irrigation Water UseEfficiency15JIA Hongwei(Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, HangZhou 310020)Abstract: Irrigation water use efficiency is an important index to evaluate irrigation district agricultural Water Use Efficiency, and is the basic parameter of hydraulic engineering construction and water management. However, Based on of sufficient irrigation theory, there are20many problems in practical applications of the traditional “irrigation water use efficiency”. Thispaper puts forward a new concept and determination method of “irrigation water use efficiency” based on the theories of deficit irrigation. Finally, we discussed the connotations from the evaluation object, application scope, effectiveness, spatial scale, time scale and so on several aspects.25Keywords: Irrigation water use efficiency; deficit irrigation; Engineering efficiency; Effectiveness characteristics; Spatial and temporal scales0引言溉水利用效率(Irrigation Water Use Efficiency)是也是反映灌区灌溉工程状况、灌溉技术30水平、用水管理水平等因素的一个综合性指标，是灌区水利工程建设及用水管理的基本参数。 灌溉水利用系数不但在农业节水工作中具有重要地位，而且已成为我国社会经济发展的一个 重要指标，是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中涉及水利工 作的唯一指标，也是国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见（国发20123 号） 中水资源管理的“三条红线”中的重要控制性指标。35随着对灌溉水利用效率这一参数和指标的重视，在实际应用中也存在诸多问题和争议， 主要表现在名称、概念和使用范畴上。(1)在名称上，国内外有多种称谓，FAO(Food and Agriculture Organization) 和 IAA(Irrigation Association of Australia) 称之为灌溉系统效率 (Overall Project Efficiency)、ICID(International Commission on Irrigation and Drainage)称之为 总灌溉效率(Total Irrigation Efficiency)、英国 DFID(Department for International Development)40称之为灌溉效率(Irrigation Efficiency)，我国习惯上称之为灌溉水利用系数(Irrigation Water Use Coefficient)，近年来，在水利部组织全国各地开展灌溉水利用效率测算工作中，又先后 出现了灌溉水利用率(Irrigation Water Use Rate) 、灌溉水有效利用率(Effective Rate of作者简介：贾宏伟，(1971-)，陕西蓝田人，高级工程师，主要从事节水灌溉和农业水土环境研究和技术工 作。 E-mail: jia_hong_- 6 -Irrigative Water Utilization)和灌溉水有效利用系数(Effective Coefficient of Irrigative WaterUtilization)等多种名称，给实际应用带来了很大的混乱14。(2)在概念上，各国灌溉水利用45效率尽管表述有所差异，但本质上都是建立在充分灌溉理论基础上的，认为储存在旱田作物 根系层的水或者储存在水稻格田内的水对作物都是有效的，灌入田间对作物有效的水量与渠 首引入的总水量之比，即为灌溉水利用效率。但近年来的节水灌溉理论研究和实践表明，对 旱作物，作物蒸发蒸腾量(或储存在田间土壤计划湿润层的水分)中仍含有部分无效的奢侈耗 水；对水田，稻田渗水量恰是当前水稻节水灌溉的主要途径。因此采用传统灌溉水利用效率50理论，其结果与实际情况多有冲突，甚至出现一些悖论，如采用水稻节水灌溉技术和旱地覆 膜节水技术，尽管能明显节水，但却不能提高灌溉水利用效率5-7。(3)灌溉水利用效率有其 特定的内涵和使用范畴，一些学者将灌溉水利用效率不加考虑地应用到水资源评价领域，得 出“通过提高供水效率和输水效率的措施来节水的做法是无效的”的错误结论，给农田水利 工程建设和农业节水工作带来了很大的负面影响和争议。由此可见，传统的灌溉水利用效率55概念还存在明显的缺陷，对其概念、确定方法和内涵进行深入探讨是十分必要的。1基于非充分灌溉理论的灌溉水利用效率的概念及确定方法国际上通常用“效率”反映灌溉水有效利用程度，我国许多学者提倡或已经使用“效率” 代替“系数”5,8。灌溉水利用效率可定义为：EET IuWi =(1)总60式中，E 为灌溉水利用效率；ET 为作物有效利用的灌溉水量；W 为引入灌溉系统的iIu总总水量。作物有效利用的灌溉水量却是最难确定的，也是灌溉水利用效率计算的核心问题。1.1 作物有效腾发量20 世纪 70 年代以来，节水灌溉理论和技术有了很大的发展。非充分灌溉研究表明，作 物(包括水稻)对水分亏缺具有适应性和补偿性，适度的水分亏缺有助于作物生长及产量的形65成，在作物达到高产需要的蒸发蒸腾要求后，多余的腾发量属奢侈腾发，是无效消耗9,10。 调亏灌溉、分根交替灌溉理论和技术，使主动抑制奢侈腾发成为可能，特别是分根交替灌溉， 通过交替控制部分根系区干燥、另一部分根系区湿润，刺激根系吸收补偿功能，同时干燥区 根系产生根源信号，传至叶片并调节气孔大小，以大量减少奢侈蒸腾耗水而不影响作物光合 产物的积累，也使节水理论和技术迈进了实质性的一步9,11。近多年来，水稻非充分灌溉、70控制灌溉等方面的研究和应用也表明，水稻深层渗漏也不是作物生长所必须的，减少深层渗 漏已成为实现水稻节水高产的重要途径7。因此，确定作物有效灌溉水量的关键是确定作物 有效腾发量。植株蒸腾是作物生长发育过程中的生理过程，与作物的生命活动相联系，棵间蒸发是物 理过程，适度的棵间蒸发为作物群体生长发育及产量提供较好的农田小气候环境(包括湿度75和温度)，植株蒸腾和棵间蒸发合称腾发量。作物产量是农业灌溉的目标，一般用水分生产函数来表示作物腾发量与产量的关系，常用的有全生育期模型(式(1)和分生育阶段模型(式(2)10。Y = a + bET + cET 2(全生育期的非线性模型)(1)Yn ET i= (分生育阶段的 Jensen 模型)(2)Ymi =1 ETm imi80式中，Y 作物产量； ET 作物腾发量； a 、b 、 c 为经验系数；Y 充分供水时的作物最大潜在产量；ETm与Ym对应的作物腾发量；i 作物生育阶段的序号； 第i 阶段水量对产量影响的敏感指数。 作物腾发量与产量的关系分为二个阶段，第一阶段为亏缺供水阶段，作物产量Y 随作物腾发量 ET 增加而增加，最高Ym85产量Y，对应的作物腾发量为ETm，ETm由作物本身的生物特YY性及气象因素决定。第二阶段为充分供水阶段，从m(腾发量ETm )开始，作物产量Y 随腾发量 ET 的增加而降低(图 1)。在亏缺供水阶段，作物实际腾发量ETa对作物生长及产量形成都是有效的，即有效腾发量 ET = ET，对应的产量为作uam亏缺供水阶段ETm充分供水阶段ama90物实际产量Y，Y Y，一般非充分灌溉、调亏灌溉、分根交ET注：Y作物产量；Ym充分供水时作物的最大潜在产量；ET作物腾发量；ETm与 Ym 对应的作物腾发量替灌溉属于此阶段。在充分供水阶段，超过ETm的腾发量是奢图 1 作物产量与腾发量的关系侈耗水量，不但对作物生长无效，而且还降低作物产量，因Fig.1 Relationship between yield and evapotranspiratoin此 ，该阶段 的有效腾 发量 ETu = ETm，奢 侈腾发 量95100ETs = ETa ETm ，作物实际产量Ya Ym ，即一般充分灌溉属于此阶段。作物不同生育阶段，有效腾发量也不相同，如某生育阶段亏缺，则该生育期有效腾发量ETui 为该阶段的实际腾发量 ETai ；如某生育阶段充分供水，则该生育期有效腾发量 ETui 为该阶 段的最佳腾发量 ETmi ， ETui ETai 。1.2 有效灌溉水量田间土壤或者水田格田是储存水分，以供作物生长需要的载体。进入田间的水量主要有 灌溉水量和降雨量，这些水量通过根系的吸收及棵间蒸发，最终形成腾发量，由灌溉水量形 成的腾发量只是总腾发量的一部分。灌溉是降雨的补充，但由于降雨强度变化比较大，降雨 对腾发的贡献不完全等同于灌溉，其主要区别在于深层渗漏量大小不同，而且降雨有时还产 生田间径流，因此可以认为，降雨和灌溉分别扣除深层渗漏和田间径流后的水量对作物腾发的效用相同。由此，有效灌溉水量有以下计算公式：105ETIu= ETuI I cc( I I c ) + (R Rc Rd )(3)式中，ETIu有效灌溉水量； I 灌溉水量；T灌溉水的深层渗漏量； R 降雨量；Rc 降雨的深层渗漏量；Rd 降雨产生的田间径流(包括田间排水)。对旱作物或者水稻无水层灌溉，I I c及 R Rc Rd也可以根据每次降雨或灌溉土壤计划湿润层蓄存水量来计算。110如果要计算作物各个生育阶段的有效灌溉水量，类似的有式(4)，其中，i 作物生育阶 段的序号。ET = ET I (i ) I c (i )(4)Iu ( i )u (i )( I ( i ) I c ( i ) ) +(R(i ) Rc ( i ) Rd (i ) )2灌溉水利用效率的内涵1151201251301351401452.1 评价对象与适用范围灌溉水利用效率描述的是从水源到灌溉系统到田间作物消耗利用的整个过程中灌溉水 的利用状况，因此，其评价对象是灌区灌溉系统(包括田间灌水技术)。对包括多个灌区灌溉 系统的大尺度区域，灌溉水利用效率也是反映区域内所有灌溉系统的总体用水效率，其评价 对象也是针对灌区灌溉系统。灌溉系统中渠道渗漏、渠道弃水或田间排水往往可以被灌区或者灌区外下游区域重新利 用，从区域水资源利用角度看，这些水量都是有效的，而且尺度越大，水利用效率也明显提 高12-14。但水资源角度的“利用效率”与“灌溉水利用效率”有较大的区别。Lankford 认为， 经典灌溉水利用效率概念和考虑灌溉回归水的概念是需要考虑使用条件和评价目的的15。区域灌溉回归水的产生是由于渠道破损、不合理灌溉或者不科学的灌溉引起的，是暂时 或者阶段性的。回归水的利用也是阶段性的或者临时性措施，且受区域水文地质条件制约， 随着灌区系统完善与配套、节水技术提高及科学用水管理，回归水会大量减少，回归水利用 就失去了存在的基础，因此，回归水的利用不是灌区系统设计的目标。即使回归水要实现重 复利用，如上游灌区未利用水在下游灌区重复利用，就需要重复建设引水工程，需要二次投 入16。考虑到灌溉用水本身所具有的商品价值以及灌溉水管理活动本身涉及的经济内涵， 在灌溉水管理活动中，应尽量极大化灌溉水的一次利用率，最大限度地降低二次利用开发的 成本17。灌溉水利用效率评价的对象是灌溉系统，是通过工程技术及管理措施人工主动实 现系统内的水资源的高效利用，灌溉渗漏及弃水退水的损失实质是工程投资的浪费，是灌溉 系统管理者和投资者尽量需要减小的消耗。因此在对与灌溉系统状况相关联的灌溉水利用效 率进行评价时，考虑灌溉回归水是不合适的。Jensen 认为经典的灌溉水利用效率概念对水资 源管理评价是不适合的18。将灌溉系统水利用效率的评价与区域水资源利用效率的评价相 混淆，是目前灌溉水利用效率引起争议和应用混乱的根本原因。“真实节水”、“ ET 管理” 等一些观点值得商榷。2.2 灌溉水利用效率的效益特性评农业灌溉活动的最终目的是获得较高的农作物产出和经济回报，降低投资和管理费用以 及合理的灌溉水利用效率就是帮助最大限度地实现该目标。灌溉水利用效率是一个经济学名 词19。在基于充分灌溉理论的传统灌溉水利用效率概念中，作物利用水量是依据土层中储存的 灌溉水量来确定的，土壤储水层只是作物吸收水分的载体，并不能真正反映灌溉水被作物吸 收利用状况。由于割断了作物利用灌溉水量与产出的关系，传统概念不能反映灌溉水利用效 率的经济特征。非充分灌溉理论的作物水分生产函数本身就反映了作物利用水量对产量的贡献，因此本 文基于作物水分生产函数确定的有效灌溉水量及灌溉水利用效率将作物产量和灌溉水利用 效率联系了起来，也使灌溉水利用效率具有了经济学特性。2.3 灌溉水利用效率的空间尺度早期的灌溉水利用效率仅局限于田间尺度(Field Scale)，其定义为：在作物生育期，灌 溉农田或灌溉工程控制范围的农作物转化利用的灌溉水量与从河流或其他自然水源或渠道150155160165170175180185分配到田间的水量的比值20。美国、西欧、澳大利亚等许多国家和地区大农场比较多，农场包括许多田块，在其内部就形成了一个独立的灌溉系统，农场主也更关心农场灌溉系统的灌 溉水利用效率，因此，在这些国家，灌溉水利用效率也常常反映农场尺度(Farm Scale)水利 用效率21,22。上世纪 50 年代后，灌溉水利用效率也逐步扩展到灌区尺度(Irrigation Region Scale、Scheme Scale)，用来反映整个灌区灌溉系统的用水效率。灌区尺度灌溉水利用效率也 是目前应用最为普遍的。上世纪 90 年代以后，随着经济的发展，世界许多国家水资源日益紧缺，为满足区域水 资源配置及农业灌溉基础设施建设等宏观决策的需要，灌溉水利用效率从单个灌区扩展到包 括多个灌区的区域尺度(District Scale)。区域尺度上灌溉水利用效率的评价对象还是区域内 的灌区的灌溉系统，是对区域内所有灌区灌溉水利用效率的总体评价。最典型的例子是“十 一五”期间，我国 31 省(自治区)和生产兵团，对典型灌区灌溉水利用效率进行了测算分析， 进而推算得到了全省及全国的灌溉水利用效率。2.4 灌溉水利用效率的时间尺度最初的灌溉水利用效率是用来描述一次灌溉的用水效率，将一次灌溉作为单一事件 (Individual Event)。然而每次灌溉的用水效率是不一样的，而且一次灌溉，灌溉水不能立即 为作物吸收利用，而是需要经过相当长的时间，因此用来反映一个灌溉季节总体灌溉水利用 效率的灌溉季节尺度(Irrigation Seasonal Scale)应用比较普遍 19,23。我国有研究者也提出了年 灌溉水利用效率(Year Scale)的概念，认为采用以年为单位容易与年报统计及制定的用水指标 相一致24。由于农业灌溉具有明显的季节性，以农作物灌溉期为时段的灌区灌溉水利用效率 目前被广泛采用。灌溉水利用效率在时间尺度上，大尺度包含小尺度，大尺度灌溉水利用效率也是所有小 尺度灌溉水利用效率的总体反映。实践中，评价或者测试单次灌溉水利用效率时选用一次灌 溉尺度的灌溉水利用效率，灌溉期不同阶段的用水管理也可采用一次灌溉尺度的灌溉水利用 效率；灌区节水改造等规划设计及用水管理等工作，多采用季节尺度的灌溉水利用效率；为 与水资源管理制定的用水指标相一致，或者对大尺度区域进行评价及宏观决策时，可采用年 尺度的灌溉水利用效率。我国“十一五”灌溉水利用效率测算就是采用的年尺度，有些地区 灌溉期比较集中，则以季节灌溉水利用效率来代替年灌溉水利用效率。3结论(1)目前国内外有关灌溉水利用效率的名称还不统一，应用比较混论，建议统一采用“灌 溉水利用效率”这一名称。(2) 依据“丰水高产”即充分灌溉理论建立起来的传统灌溉水利用效率理论，与实际情 况多有矛盾。基于非充分灌溉理论的灌溉水利用效率的计算方法，不但更为科学合理，而且 将用水效率和作物产量连系起来，赋予了灌溉水利用效率以经济特性。(3)灌溉水利用效率具有特定的评价对象和使用范围，具有效益特性、时间和空间特征， 灌溉水利用效率的应用应注意与从区域水资源利用评价角度考虑的水利用效率相区别。参考文献 (References)1 Bos M G,Nugteren J.On irrgation efficiencyM.The Netherlands:International institute for land reclamtion and improvement,Wageningen.1990,15-22.1901952002052102152202 Bos M G. Standarrds for irrigation efficiencies of ICIDJ.Journal of the irrigation and drainageDivision,1979,105(1):37-223 Magayane Makarius,Makarius Mademu,Bruce Lankford.Draft irrigation efficiency and productivity manualM.Riparwin Project,2004.4 Thomson,T and N Schofield.Irrigation efficiency in Australia.Irrigation association of Australia(IAA)-Paper for presentation at IAA conference Brisbance 20 May 1998.5 蔡守华,张展羽等.修正灌溉水利用效率指标体系的研究J.水利学报,2004,35(5):111-115.6 贾宏伟,卢成.基于非充分灌溉理论的水稻田间水利用效率的计算方法J.农业工程学报,2010,26(6):38-41. 7 贾宏伟,李小梅.水稻节水灌溉研究的几个问题C.现代节水高效农业与生态灌区建设.云南 昆明:云南农 业大学出版社,2010.851-853.8 李远华,崔远来,不同尺度灌溉水高效用理论与技术M.北京:中国水利水电出版社,2009.9 康绍 忠 , 蔡焕杰 . 作物 根细分根交替 灌溉和调亏灌溉的理 论和实践 M. 北京 : 中国农业 出版 社,2002.3-13,123-130.10 陈亚新,康绍忠.非充分灌溉原理M.北京:水利水电出版社,1995,2-7,78-97.11 Kang shaozhong,Liang Zongsuo et al.Water use efficiency of controlled aiternate irrigation on root-divided maize plantsJ.Agri.Water MANAGEMENT,1998,38(1):69-76.12 Keller A A.Keller J. Effective efficiency:a water use efficiency concept for allocating freshwater internationalR.Water resources development,1999,15(1-2):55-71.13 Molden D,Sakthivel R.Water acco