1.2　灌溉用水效率相关研究现状与问题讨论

1.2.1　IWMI提出的灌溉用水效率评价指标体系

鉴于国际水资源问题日益突出，大尺度水循环研究特别是流域水文循环研究越来越受到学术界的重视，其中流域的灌溉排水行为对流域水循环影响重大。国际水管理研究院（IWMI）近20年来将工作重点从灌溉用水管理转向了流域水资源的管理，其机构名称也从国际灌溉管理研究院（IIMI）改为国际水管理研究院。他们从水资源利用的角度分析传统灌溉效率分析与评价的弊端，并提出新的灌溉用水效率评价理念。Molden提出水量平衡的分析框架，确定了该框架模型在田间、灌溉系统以及流域3个尺度范围内进行水量平衡分析的具体过程，并提出进行水资源利用效率评价的3类指标，即水分生产率、水分消耗百分率和水分有益消耗百分率。基于这一框架，IWMI研究人员先后针对多个流域开展实际研究，其中Molden在原有基础上又提出相对水量供应比和相对灌溉水量供应比两个指标。实际上，即使考虑基于水量平衡框架下的灌溉用水效率指标体系，以及尺度效应对指标的影响，对不同尺度下的效率指标进行量化也是一个重要而又复杂的问题。这些指标中的各类水量要素的数值主要是通过水量平衡观测确定的，对小尺度只需开展田间水量平衡观测，而对于中等尺度、大尺度，则需针对灌区或流域，选择一些大面积典型水量平衡区进行观测，这种观测牵涉的因素较多，观测较困难，有些要素难以直接观测而需借助于数学模型进行模拟分析取得。在大尺度上则需借助遥感技术进行相关水平衡要素的估算。正如Droogers指出的，随着评价指标研究的发展，已逐渐能够运用一些比较简单的比例来描述水分生产率，与传统灌溉效率相比具有两方面的优势：①包含了非农业的水资源利用；②农业用水与其他用水之间的内在关系更清楚。但是正确估算这些指标需要在不同尺度下的详细数据（往往很难直接获取），一般应用模拟及遥感技术在一定程度上来弥补这种缺陷。

IWMI指标量化的基础仍是水量平衡模型，但其强调在不同尺度上获得水量平衡要素方法的区别，明确尺度效应对节水的影响。尽管水量平衡框架已经比较完整清晰，但不同尺度范围回归水的再利用、再利用的及时性和经济性，是难以确定但又不可回避、需要深入研究的问题。IWMI所提出的3类指标是否可以满足节水灌溉评价的需要，其适用性和可应用性如何还需要进一步探讨。

1.2.2　灌溉效率

1979年，美国Interagency Task Force组织在对一些研究灌溉效率所得到田间数据和相关研究结果进行综合分析的基础上提出，鉴于针对传统灌溉效率的理解有许多偏差和自相矛盾的地方，因此，根据灌溉效率测算结果，可以推断水资源在灌溉过程中浪费了，而事实并不尽然，并开始注意到大型水利工程及流域中存在灌溉回归水的重复利用问题。在此后的几十年间，灌溉用水效率指标体系的内涵界定主要向两个方向发展，一方面是针对“有益消耗”与“无益消耗”以及“生产性消耗”与“非生产性消耗”的界定；另一方面则是回归水的重复利用问题受到广泛关注。因此，Jensen等指出传统灌溉效率概念在用于水资源开发管理时是不适用的，因为它忽视了灌溉回归水。从水资源管理的角度，Jensen提出了“净灌溉效率”的概念；Molden在其提出的框架中采用总消耗比例及生产性消耗比例指标；Perry建议采用水的消耗量、取用量、储存变化量以及消耗与非消耗比例为评价指标，并认为这样可保持与水资源管理的一致性。

Lankford则认为只要明确使用条件及评价目的，传统灌溉效率与目前提出的考虑回归水重复利用的有关灌溉效率都是适用的，其列出了影响传统灌溉效率的13个因素，包括：水管理范围的尺度大小、设计、管理和评价的目的性不同；效率与时间尺度的关系；净需水量与可回收及不可回收损失的关联等。他同时提出可获得效率（Attainable Efficiency）的概念，即现有损失中有些是可以通过一定的技术措施予以减少的（比如渠道渗漏），是可控制的损失，而有些是难以减少的（比如渠道水面蒸发损失），是不易控制的损失，因此，效率的提高只有通过减少可控的损失量来实现。

我国现行的有关灌溉水利用系数指标体系及计算方法主要形成于20世纪50—60年代，当时主要参照苏联的灌溉水利用系数指标体系而建立。国内普遍应用灌溉水利用系数表示灌溉用水效率，该指标更多地应用在规划设计中，即从净灌溉水量反推不同渠道的取水量（即毛灌溉水量），为渠道流量和断面设计提供依据。后来，有些地方也用该指标评价灌溉用水效率，相关分析研究的重点在测定渠系水利用系数和田间水利用系数的方法、计算公式修正等方面。对于渠系比较复杂的灌区特别是大型灌区，测定和评价渠系水利用系数也是一个难点。1986年，山西省水利科学研究所在全省18个典型灌区采用静水法进行大规模渠道渗漏试验研究，根据典型实测资料，采用正向递推水量平衡法对重点灌区的渠道水利用系数进行了计算。20世纪80年代，广西壮族自治区在22个灌区建立固定测流站网，采用传统动水法前后历时7年对渠道水利用系数进行测试，累计实测灌区各级渠道长5923.2km，实测渠段2640段，根据22个灌区长历时实测资料，对全省情况进行了评价。2001—2003年，中国灌溉排水发展中心受水利部农村水利司委托，组织对典型灌区渠道水利用系数进行调查和分析，在测流断面、测量方法、测定条件、渠道数量、典型渠段等方面提出具体要求，选择具有代表性灌区的典型渠道、田间灌溉用水情况进行观测，并根据具体情况对实测得到的渠道水利用系数进行修正，利用灌溉面积加权平均推算得到全国平均渠系水利用系数为0.52，田间水利用系数为0.85。白美健等以山东簸箕李引黄灌区为例，根据3种实测方法得到的渠道渗漏水量损失观测数据，利用理论方法确定渠床渗透系数和地下水顶托修正系数，在对干渠以下各级渠道进行概化分类的基础上，采用回归分析方法建立灌区干渠以下各级渠道渗漏水量损失与流量间的相关关系，给出依据渠道流量估算渠道水利用系数的经验公式。

不少学者还对渠道越级输水、并联渠系输水等情况下渠系水利用系数的计算分析与修正进行了研究探讨。如高传昌等提出将渠系划分为串联、等效并联、非等效并联等，并分别引用不同的公式计算。汪富贵提出用3个系数分别反映渠系越级现象、回归水利用以及灌溉管理水平，再用这3个系数同灌溉水利用系数的连乘积来获得修正灌溉水利用系数。沈小谊等提出用动态空间模型的方法计算灌溉水利用系数，考虑回归水、气候、流量、管理水平和工程变化等因素的影响。沈逸轩等提出年灌溉水利用系数的定义，即一年灌溉过程中被作物消耗水量的总和与灌区内灌溉供水总和的比值，并给出相应计算方法；谢柳青等结合南方灌区特点，在分析确定灌溉水利用系数时，根据灌溉系统水量平衡原理，建立了田间水量平衡数学模型，利用灌区骨干水利工程和塘堰等水利设施供水量统计资料，通过作物的灌溉定额，反推灌区渠系水利用系数和灌溉水利用系数。

目前，国内一些学者已经开始认识到，从水资源开发利用评价角度，灌溉水利用系数内涵具有一定局限性，因而提出一些考虑回归水利用的指标。蔡守华等综合分析现有指标体系的缺陷，建议用“效率”代替“系数”，并在渠道水利用效率、渠系水利用效率、田间水利用效率之外增加作物水利用效率。陈伟等认识到用现有灌溉水利用系数等指标计算节水量的局限性，指出计算灌溉节水量时应扣除区域内损失后可重复利用水量，并提出考虑回归水重复利用的节水灌溉水资源利用系数的概念，但并没有明确计算中涉及的参数如渠系渗漏水转化为地下水百分比、地下水开发利用率、扣除蒸发损失的系数等如何确定。

1.2.3　灌溉用水效率确定方法及评价模型

灌区尺度的灌溉用水效率涉及各级渠道的水利用效率、田间灌溉用水效率。确定渠道及渠系水利用效率，一般用渠系水利用系数表示，常用测算方法有动水法及静水法。有些学者针对渠道越级取水现象、回归水利用等提出相应的计算方法。至于田间灌溉用水效率，常用测定灌入作物计划湿润层水量和末级固定渠道输出水量的比值来确定。

由于大尺度、长时间获取有关水平衡要素的困难性，近年来数值模拟技术被应用于各种条件下不同尺度水量平衡要素的模拟以及作物产量的模拟，进行灌溉用水效率指标的计算和用水管理策略的分析评价。在田间尺度模型方面，ORYZA 2000模型可用来模拟水稻在不同灌溉及施肥措施下的田间水分、养分运移及生长过程和产量。SWAP模型则被广泛应用于旱作水分运移及产量的模拟。

分布式流域水文模型近年来在灌区尺度得到广泛应用。Sophocleous等将SWAT模型和MODFLOW结合起来研究灌区水文循环问题。Elhassan等将水箱模型修改后用来模拟稻田的水平衡过程，并将其与地下水模型结合，用来模拟水稻种植区地表水、地下水联合应用策略及其对区域浅层地下水平衡的影响。IWMI的研究人员将SWAP和SLURP模型结合起来，模拟灌区水平衡及作物产量问题，并进行相关指标计算和用于不同水管理策略评价。裴源生、赵勇构建了流域水循环的WACH模型，并应用该模型对灌区水循环及灌溉用水效率进行了模拟和评估。崔远来与刘路广将SWAT与MODFLOW耦合，研究了灌溉用水效率评价及节水潜力。

1.2.4　节水潜力评价指标及方法

灌溉用水效率是分析节水潜力的基础指标，其内涵与界定对于节水潜力的分析与评价具有密切关系。目前，国内外对节水潜力的内涵还没有一个公认的、统一的标准，相应对于节水潜力的计算也就没有一致的方法。早期节水潜力的估算都是从单一的节水灌溉技术出发，侧重于单项节水灌溉的节水效果。近年来越来越多的学者认识到从整个区域综合估算节水潜力的重要性，认为对灌区的农业需水量分析预测，不仅仅要考虑工程技术措施，还要注重管理以及农业结构调整、抗旱作物品种引进等非工程措施的影响。

国内有关节水潜力计算的文献很多。总体来看，这些计算节水潜力的方法基本以灌溉水利用系数及田间净灌溉定额为评价标准，根据节水灌溉措施条件下的指标（往往根据有限点样本上的试验获得）与现状条件下指标的差，估算毛灌溉用水量的差值，进而计算节水潜力，由此得出的结果实际上是灌溉用水节水潜力。因为农田水分循环系统中灌溉回归水重复利用（可回收灌溉水量或可重复利用灌溉水量）的存在，以及各种影响节水量的因素具有综合效应，仅仅依据渠道衬砌和田间节水措施等田间试验结果得到的灌溉水利用系数及田间净灌溉定额，直接推算灌区尺度的节水潜力及节水量具有一定的局限性，如果把这个“节水量”当作水资源可利用的潜力是不合理的。

近年来许多学者已认识到传统评价指标的局限性，并提出一些新的评价指标和节水潜力计算方法。Seckler指出，在小尺度范围内的水量损失有一部分可以在更大尺度范围内重新利用，对于灌溉用水效率的限定条件和局限性认识不足，可能会导致对节水潜力的错误评价。茆智指出计算节水潜力时考虑尺度效应的重要性。李远华等及崔远来等以湖北漳河灌区为例，分析表明基于水量平衡得到的节水潜力远小于基于灌溉水利用系数得到的节水潜力。陈伟等认为从水资源角度考虑灌溉节水潜力，应扣除区域可重复利用水量，提出考虑灌溉渗漏水重复利用的灌溉水资源利用系数指标，探讨区域节水潜力评价的新方法。裴源生等从区域广义水资源量消耗的角度提出耗水、节水的概念，即考虑各种可能节水措施背景下的耗水量与不采取节水措施的耗水量差值，认为耗水节水量表明区域实际蒸腾蒸发消耗的节水量，体现区域资源节水潜力。沈振荣等将“真实”节水潜力分为“资源型”真实节水潜力和“效率型”真实节水潜力，“资源型”真实节水主要为农田水分循环系统中不可回收水量的节约；“效率型”真实节水主要体现在水量与产量的转化效率上，即在同等水分消耗条件下大幅度地提高产量，或在取得同等作物产量的条件下，大量减少蒸腾蒸发量使农田的消耗水量显著降低。

虽然“真实”节水潜力研究已引起学者的重视，但目前对采用哪些指标以及如何进行节水潜力评价，这些指标针对不同规模与类型灌区、不同尺度、不同节水环节的适应性，各类指标之间的关系、影响因素、变化规律等还缺少足够的研究，也没有统一的认识。事实上，在探讨节水潜力时，首先应该确定是节什么水的潜力，是节约灌溉用水量还是节约水资源量，这是完全不同的两个视角，因此其评价分析方法也就不同，有关该方面的研究尚需深化。

1.2.5　灌溉节水量与资源节水量

在早期规划建设灌溉系统时，主要精力集中在灌溉系统的优化设计上。我国GB 50288—99《灌溉与排水工程设计规范》中灌溉水利用系数连乘计算的方法与灌区设计思路相一致，各项参数具有明确的物理意义，各级渠道水利用系数和田间水利用系数也可以通过被灌区管理人员广泛熟悉的方法获取，灌溉水利用系数一直以来被作为灌区规划设计的一个最重要的指标。目前正在全国开展的灌区续建配套与节水改造工程规划和效益评估时，也主要以该指标为基础计算“节水量”，进而得出节水效益。

传统灌溉效率侧重于描述通过灌溉工程系统在从输水到田间灌水过程中的灌溉水的利用效率，忽视回归水的重复利用，将输水过程中的水量消耗、渗漏等全部视为损失，比如一般地面灌溉灌区的渠系水利用效率平均为60%左右，而喷灌、微灌的输水效率却可达95%以上。事实上，灌溉水渗漏并转化为地下水的部分，从水资源角度分析，把这部分水作为“损失”是不合适的。因此，将常规的地面灌溉改变为喷微灌节约的灌溉用水量，并不一定完全等同于节约的水资源量。

从区域水资源利用角度出发，节水灌溉措施在不同区域尺度上的节水效果存在差异，这是因为回归水在不同尺度区域内可能被重新利用的程度不同。灌溉系统及流域尺度的节水量并不是田间尺度节水量的简单累加，同时随着空间尺度的变化，回归水的转化关系、形态和量值也存在较大的差异，由此产生了尺度效应。此外这种尺度效应还源于不同灌溉用水效率评价指标间的差异。

传统灌溉效率指标在以下情况是适用的：①新灌溉系统的规划设计，此时灌溉工程设计者需要用传统效率指标来推算，为满足田间灌溉的基本需求而需要从水源调用的水量（流量），以及基于不同级别渠道的流量设计渠道的断面尺寸；②评估灌溉工程系统的管理状况，在灌溉工程状况一样时，传统灌溉效率指标高则意味着良好的管理水平；③低效率的水重复利用系统，尽管回归水可以回收并且可被作物或下游其他用户再利用，但如果回用滞后期过长或回用环节过多则其效率同样大打折扣，况且还必须考虑回归水的质量和利用成本问题。传统灌溉效率指标不宜直接应用于从水资源综合利用角度进行资源节水量的计算和资源节水潜力评估。

传统效率指标在灌溉系统的规划设计及灌溉工程性能评估中发挥了重要作用，在20世纪50—70年代期间新系统建设中尤为明显。当时水资源充足，一个灌区的主要目标是维持灌溉工程良好运行和根据作物需水及时供水到田间，为其他用途而节水并没有受到广泛关注。当水资源日趋短缺时，灌溉用水对区域水循环的影响日趋重要，从传统效率指标的角度来看，提高灌溉用水效率将可以使大量的水从农业灌溉转移给其他用户。因传统效率指标忽略了灌溉过程中损失的水的再利用，所以利用传统灌溉效率指标来评估的节约灌溉水量，不能简单地拿来作为区域水资源可利用量使用，也就是说，灌溉节水量不等于资源节水量。目前还没有一套通用的灌溉用水效率指标体系可以兼容各种不同使用目的需要。当灌溉成为流域水文的一个重要组成部分时，应该在更广泛的水文背景下，从不同视角进行灌溉用水效率分析。

由于关注点不同，对灌溉用水效率的理解也是不尽相同的，更使得灌溉用水效率的研究和应用变得复杂与多样化。

从传统的灌溉效率指标到考虑到尺度效应及回归水利用的效率指标，再到以水分生产率及消耗或非消耗比例类的指标，关于灌溉用水效率指标、灌溉节水潜力评价方法、水资源调配决策的依据等，已成为国内外争论的焦点。早期的灌溉效率指标是从水量的角度描述了为满足作物有效利用而必须供给的灌溉水量，主要适用于灌溉系统设计及灌区灌溉工程系统效率高低评价等，国内长期使用的灌溉水利用系数就属于此类。

目前提出的考虑回归水重复利用类的指标或有关比例类的指标，从水资源管理的角度其概念和内涵是比较明晰的，但是因为对不同尺度回归水利用量以及以蒸发蒸腾量为主的各类消耗进行定量观测及计算比较困难，因此，在目前条件下用于灌区实际的日常用水管理还有一定难度。从考虑回归水重复利用类的指标到IWMI所提出的3类代表性指标，以及Perry所建议的指标，试图区分水分利用这一术语中所包含的要素，理清尺度对灌溉水利用评价的影响，并且IWMI所提出的指标在多项研究中已经得到成功运用，但IWMI指标体系以水量平衡计算为基础，数据获取难度较大，给实际应用带来困难。

综上所述，对于任何一个灌溉系统，从水源取水、渠系（或管道）输水、灌水到田间，再经过作物蒸腾、土壤蒸发和深层渗漏，直至消耗殆尽，每一个环节都存在水分消耗。对于不同的研究者，都有其不同的关注点。因此，这些消耗，哪些是属于有效的，哪些是属于无效的，答案是不尽相同的。

灌溉系统作为区域水循环的一个环节，无论是仅仅从灌溉工程角度关注灌溉系统对灌溉取用水的利用效率，还是从区域水资源利用角度探讨灌区取用水的资源效率，都不可回避灌区输水系统以及田间水分分配过程各个环节水分消耗和转化数量的确定。只不过对于前者，部分水分转化（比如渠系渗漏、田间深层渗漏等）被认为是损失，即对灌溉系统来说，是无效的；而对于后者，则不认为是（水资源）损失，即对区域水资源系统，仍然是有效的，可以被利用的。从灌溉工程的投入和管理来说，灌溉节水是必要的，并且应以“灌溉节水量”为其水利用效率的衡量指标；而在流域或区域水资源管理和规划中，“灌溉节水量”和“资源节水量”均应作为衡量指标。

1.2.6　水分生产率

水分生产率是指在一定的作物品种和耕作栽培条件下，田间单位水量消耗所获得的产量。水分生产率指标用简单和易于理解的方式表达了水的产出效率，被广泛用于水管理效果评估。由于水分生产率的数据来自水平衡分析的各要素，数据量大，并且有些要素测定较为复杂，限制了它在大尺度及长时段的应用。另外，产量的提高不仅仅来自于灌溉水分的贡献，还有降水、作物品种、农业措施等方面产生的贡献，因此单独使用水分生产率来评估灌溉效果并不一定合适。Guerra等建议联合使用水分生产率及灌溉效率来评估灌溉用水管理策略和措施。