业灌溉资源节水设计方法中国水利水电科学研究院水利所教授

干部学习资料：农业灌溉资源节水设计方法干部学习资料：农业灌溉资源节水设计方法干部学习资料：农业灌溉资源节水设计方法:2013-7-1417:57:59业灌溉资源节水设计方法刘钰中国水利水电科学研究院水利所教授首先把我们的理解和一些研究方法向大家做一个介绍。有两部分内容：第一、农业灌溉资源节水设计方法。主要讲一些基本概念和设计的理念和方法。第二、开发的模型工具，为资源性节水的设计服务的一些工具。一、设计方法第一、农业节水量的分类和定义；第二、农业灌溉资源节水的设计理念；第三、水平衡分析方法；第四、以耗水控制为核心的农业节水设计方法。（一）农业节水量的分类和定义这部分主要讲一些基本的概念和问题的来源。1.背景美国80年代初就争论一个问题，在加州地区通过发展喷灌、渠道防渗等等一些技术来提高灌溉水的利用率，到底能够节省多少水，能不能节省加州水资源的短缺问题，进行了很多的争论和研究。最后得出的结论是，只有减少不可回收流失的水量才能够缓解当地的缺水。同时在以色列也提出了农业节水的方向是提高单方耗水量的产出效益。国内对这个问题也有很长时间的争论，在几年以前，国内对农业节水潜力的分析是这样一个说法：农业灌溉水量长期保持在3600—4000的利用系数当时只有0.4。

一些观点就认为，如果把灌溉水利用系数由0.4提高到0.7以上，灌溉的节水潜力就可以达到1200亿到1500亿。“九五”以来，随着对农业节水投入的增加，黄、淮海平原节水灌溉面积迅速扩大，灌溉水利用系数已经由不足0.4提高到了0.6，灌溉取水量也明显的减少了。但是出现一个问题，发现这个地区的地下水连年超采的局面并没有明显的改善。同时也发现这个现象在西部缺水地区，比如新疆、甘肃、陕西等资源性缺水地区都普遍存在。人们就产生了质疑，增加了这么多的节水投入，水到底节到哪里去了？为什么采取了这么多措施以后，地下水还是连年超采，水资源短缺的局面并没有明显的改善。针对这个问题，在世行节水一期项目，2001年—2005年，在水利部承担的世行节水一期项目，包括在辽宁、北京、河北、山东等地都开展了真实节水的研究。2.分类当时对农业节水量提出了三种节水量的分类和定义：一、叫做灌溉取水节水量。也可以叫毛节水量或者工程型的节水量。二、资源型节水量。也就是世行强调的真实节水量，也可以简称为净节水量。三、效益型节水量。就是说可能取水量和耗水量都没有减少，但是同样的水产出多了，这个属于效益型节水量，这个节水量实际是在增收的产品中所包含的虚拟水。

首先通过采取渠系疏水节水，田间灌溉节水、井渠结合、灌溉管理节水这些措施，我们达到了节水量。这个节水主要是体现在取用的灌溉节水减少，也就是毛节水量。其实这部分毛节水量分成两部分：一部分减少了渗漏损失量，还有一部出了一些华北地区的一些措施的节水效果。比如说工程措施，节水重点主要是减少输水过程中的渗漏损失和减少蒸发消耗以及提高渠系水利用系数，它的节水效果重点是提高渠系水利用系数，同时也能够减少一些ET（耗水量），主要是渠系输水过程中的耗水量。管道输水也是可以起到这样一个作用。（5）改进地面灌溉主要是提高了田间灌溉水的利用系数，对减少耗水量作用是不明显的。喷灌、滴灌也是这样，滴灌除了提高灌溉水利用系数以后，很大的作用就是减少了无效的土面蒸发，所以减少耗水量的作用是非常明显的。井渠结合主要是降低了地下水位灌溉用水综合定额是灌溉定额还是灌水定额，减少了浅水蒸发，所以它的作用也是减少了无效的耗水量。另外农业措施包括秸秆还田，肯定是减少了土面蒸发。另外选择抗旱节水的品种，可以选一些本身耗水量、需水量就少，根据调查，这个蓄水量可以减少10%左右。另外种植结构调整，种植一些低耗水的作物或者是效益高的作物。改进灌溉制度，降低无效的蒸发，另外WUA的农民用水者协会的管理，也可以提高灌溉水的利用系数和减少无效损失。 #

3.水权管理真实节水的理念实际上把水权分为了三个部分，现在水利部正在提倡实施水权管理，水权实际上不仅仅是取水权，还应该包括取水权、耗水权、退水权或者排水权。这三个水权跟水利部提出的三条红线实际上是有关系的，虽然不完全一样，但是实际上有关系的。水利部提出来三条红线一个是取水总量控制红线、用水效率红线和排污、纳污红线。取水总量控制红线就相当于取水权，用水效率红线实际上跟耗水权还有点不一致，如果取水总量控制的话，效率越高、耗水量越大，效率实际上是有一个适宜的范围，并不是说把它全部消耗掉就一定是最好的，所以效率有一个适宜的考虑。另外退水权，没有消耗掉的水退出来了，这个退水从时间上和水质上要有一个标准，这个是水利部提出的排污和纳污的红线。所以在水权管理上强调ET（耗水）的管理，就是指在农业耕地上来分配耗水量、控制耗水量，同时建立以耗水量来确定取水量和退水量的水权制度。4.存在的误区在过去的节水灌溉中，往往存在一些误区，这个误区可以分为几类：一是在节水理念上，往往忽略了流域水循环运动规律和灌溉回归水的利用价值，忽视了工程节水对地下水的负反馈作用。也就是公共节水本身虽然渗漏，但是可以对地下水进行补给，如果减少这部分水量对地下水的补给量也会相应的减少，过去对这方面是比较忽视的，同时片面的追求提高灌溉水的利用效率，这实际上是一个误区。 #

另外没有区分灌溉取水节水量中可恢复的和不可恢复的水量，而盲目的将取水量节节量全部都作为新增的可供水量，没有考虑水资源的可持续利用，没有从水资源整体系统来考虑讨论节水效果。措施上往往是没有考虑缺水类型，所以节水措施的针对性不强，过度的强调工程性节水的作用，而忽视了农业和管理措施对节水增产增效的配套，缺少因地制宜节水措施的组合，使节水的效果受到了一些制约。另外对管理措施的节水也重视不够，特别是对高效的灌溉制度的推广力度也不够。这是以往在节水灌溉上存在的误区。5.考核指标另外在考核指标上，过去比较强调提高渠系水利用系数或者灌溉水利用系数，而对水分生产效益这种指标往往重视不够。特别是资源性缺水地区，评价指标里面认为缺少就是采取措施以后耗水量的减少量和无效流失的减少量，这个应该是节水效果的重要考核指标，过去对这方面重视的不够。6.有关ET的基本概念ET实际上指的就是蒸腾蒸发量，蒸腾蒸发量是路面能量循环和水循环的结合，像追求生态的过程、能量循环的过程，这个是水文的过程。能量循环就是太阳辐射得到的能量主要用于三部分，一个是加热空气，加热土壤，ET就是用于蒸腾蒸发消耗。这是水量平衡，天上降下来的水一部分产生径流，一部分消耗上天了，还有一部分储存在当地土壤水、地表水和地下水。 #

能量循环和水量循环中间唯一的结合点就是ET，所以说ET是陆面能量循环和水循环的结合点，是生态过程和水文过程的一个桥梁。ET实际上是综合的，像植物、土面都会有ET，可以分成作物叶面蒸腾和蒸发，另外综合ET又分耕地和非耕地的，耕地的主要是指作物的也叶面蒸腾和土面蒸发，而非耕地主要是湿地水面蒸发、盐碱荒地浅水蒸发、村庄道路土面蒸发和树木林带的蒸发。在平原区往往耕地的ET是远远大于非耕地的，就是作物的蒸腾蒸发是占比较大的一个量。这部分讲三个概念：第一、作物的 潜在ET，也就是最大的腾发量，就是作物在土壤、水分和养分适宜， 生长正常，大面积高产条件下的蒸发蒸腾量，指的是最高点的位置。 第二、作物的实际蒸发ETA，不可能总是保持作物在最适宜的水分和 养分条件，往往会出现受旱、涝、烟碱害、病虫害等等出现一些非正 常情况，这种情况下，实际的蒸发量就达不到顶点，就会在比较低的 位置，实际蒸发总是小于潜在蒸发。第三、参照作物腾发量，指的是 某种标准作物的潜在蒸发量，一般是拿草地作为参照作物，这是为了 计算作物需水量的时候方便，所以引进这个概念。现在往往有些人概 念上混淆的参照腾发量和作物的潜在腾发量混淆，这个不是一个概 念。 #

作物现在的腾发量是指这种作物最大的腾发量，小麦的就是小麦 的潜在腾发量，玉米的就是玉米的灌溉用水综合定额是灌溉定额还是灌水定额，而参照腾发量指出的是某一种参 照作物的，非常类似于就是完全遮盖地面不缺水的草地的蒸发量，它 是中间的一个参数。这三个概念之间是什么关系？潜在腾发量就是参 照腾发量作物系数，因为参照腾发量是完全覆盖地面不缺水的正常 生长大面积草地的腾发量，要把它变成小麦的腾发量，就乘以小麦的 作物系数，要变成玉米的腾发量，乘以玉米的作物系数，这就变成了 不同作物潜在的腾发量，就是ETC。而实际腾发量就是要在原来作物 的潜在腾发量的基础上再乘以水分亏缺系数，就是这个地方如果是供 水不足了，水分胁迫了，就要把水分胁迫的因素再考虑进去，所以水 分胁迫系数也是0~1 中间的一个系数。ET0 参照腾发量只跟气象因素 有关，因为它指的是相同的一种参照作物灌层，所以跟作物没有关系 了，只跟气象因素有关，它是反应大气蒸发能量对作物需水量影响的 一个参数。ETC 潜在腾发量是考虑除了气象因素之外，还跟作物特性 有关，反应了不同作物需水量的差别，因为它成为一个作物系数在里 面。而真正最关心的是实际腾发量，实际腾发量是除了和气象作物有 关以外，还引入了土壤水分状况，反应了土壤供水条件对作物腾发量 的影响。 #

有关ET 概念还有一个很重要的就是综合ET，刚才讲的都是 耕地ET 的概念。比如耕地的综合ET 就是把不同作物的作物类型ET 面积，按照面积来做一个加权平均，就得到了耕地的综合ET。如果 要再加上非耕地的，就要把非耕地的ET 也加进去。区域的综合ET， 在ET 管理的时候有几个重要指标，一个是区域最大的ET，就是这个 区域总共最多能消耗多少水，这个是区域经济产出最佳状态的路面腾 发量，就是这个地区整个经济发展达到平衡状态的时候，最多能够消 耗多少水。第二、现状实际ET，就是现状的种植结构和节水水平下， 这个区域实际有多少ET，因为进行ET 管理不能脱离实际，现状是多 少情况，将来要节水的话，肯定不可能一步就减少很多，要根据现在 的实际情况一步一步的降下来，因为这还跟投资有关系。最后一个指 标，就是不同水平年的目标ET，这个ET 是根据不同发展阶段区域水 平衡和经济发展需求相适应的路面的蒸腾蒸发量。目标ET 也就是不 同阶段的ET 定额和现状的实际ET 和区域的最多能消耗的ET 是密切 相关的。还有一个很重要的概念就是自然ET 和人工ET。自然ET 是与人工取水无关的水分消耗，也就主要包括自然降雨产生的ET。 #

人工ET 就是说通过人工取水增加的ET 消耗，比如说农田要是不灌溉 那就是自然ET，要是引水灌溉了，ET 耗水量就会增加，这部分增加 的就是人工ET。另外比如池塘，要是天然的池塘没有人工补水的， 那个ET 是人工控制不了的，就是自然ET，但是要是人工补水了，因 为要人工不补水，可能北方、西部一些地区的课堂可能就是季节性的 食堂，旱季就干掉了，为了保持有一定的水就要人工补水，这个时候 耗水量增加的就是人工ET。实际ET 就是自然ET 和人工ET 之和，如 果没有人工补水的话，全部都是自然ET，如果有人工取水补水的话， 还要加上人工增加的这部分。而真正可以通过人为措施调控的就是人 工ET，这里举一个例子，比如某个地区某种作物，全生育期耗水量 是400 毫米，全生育期的降雨量只有200 毫米，如果没有灌溉的话， 可能最多消耗是200 毫米，但是如果这200 毫米降雨很集中的话，可 能还会产生一些地表径流或者是深层的渗漏，所以其中有150 米毫米 储存到土壤当中给作物吸收利用，实际上这150 毫米是自然ET。如 果全生育期耗水量是400 毫米的话，那就说明其中有250 毫米是靠人 工灌溉提供的，这部分就是人工ET。

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而真实节水就是通过一些措施 来减少这部分的人工ET。还有一个概念就是ET 定额和灌溉定额之间 是什么关系。这是一个公式，灌溉定额实际上是ET 定额减去有效降 雨量，这个就是净定额。毛定额就是净定额/灌溉水的利用系数。这 个定额是不同阶段的，如果按照不同阶段的ET 定额的话，相应的就 会有不同阶段的灌溉净定额和不同阶段的毛定额。这里面牵扯到有效 降雨，有效降雨怎么来计算？这个在很多教科书上都有方法。一般情 况下，旱田是用这样一个公式，就是根据根区土壤水平衡来计算，如 果降雨量很小，小于这个阶段的耗水量和土壤的储水量的话，就认为 全部有效，如果降雨量比较大，大于这个值的话，应该是田间吃水量 减去当时土壤的储水量再加上这个阶段的ET。