灌溉水利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較研究

灌溉水利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較研究

灌溉利用率指標(biāo)綜合反映了不同類型的灌溉工程、用水管理和灌溉技術(shù)。這是正確評(píng)估灌溉水有效利用和存在問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。盡管過(guò)去國(guó)內(nèi)外許多部門(mén)和學(xué)者對(duì)灌溉水利用效率的指標(biāo)開(kāi)展了許多研究,但多基于動(dòng)水法或靜水法進(jìn)行灌區(qū)樣點(diǎn)渠段的測(cè)算分析;而以水分生產(chǎn)率為代表的灌溉水利用效率測(cè)算與評(píng)價(jià)則基本以測(cè)坑或田間小區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。這些工作存在概念與測(cè)算口徑不統(tǒng)一、測(cè)算工作量大、影響因素及機(jī)理不清、以點(diǎn)帶面等諸多問(wèn)題。目前,許多實(shí)例證明期望通過(guò)提高灌溉供水和輸水效率的措施來(lái)節(jié)水的做法是無(wú)效的,由此出現(xiàn)了所謂“字面節(jié)水”的提法。原因在于灌溉水利用系數(shù)、傳統(tǒng)灌溉效率等指標(biāo)忽視了回歸水及其重復(fù)利用。鑒于此,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于水資源管理的觀點(diǎn)提出了考慮回歸水重復(fù)利用的灌溉水利用效率指標(biāo)。然而,這些指標(biāo)及框架在強(qiáng)調(diào)其理論及概念合理性的同時(shí),卻忽視了其實(shí)用性,即難以確定其中的某些要素,因此并不適用于灌區(qū)的水管理。所以對(duì)現(xiàn)有灌溉水利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行合理的界定和評(píng)價(jià)、探討新的適宜指標(biāo)十分必要。1灌溉水利用效率術(shù)語(yǔ)國(guó)際灌排委員會(huì)ICID于1977年對(duì)灌溉效率術(shù)語(yǔ)進(jìn)行正式定義。目前國(guó)外使用較多的術(shù)語(yǔ)包括:灌溉效率、灌溉水利用效率、水分生產(chǎn)率、作物水分利用效率、水分消耗百分比,其中作物水分利用效率的含義往往與水分生產(chǎn)率的含義類似。國(guó)際上通用的表述方式是“效率”,而國(guó)內(nèi)習(xí)慣用“系數(shù)”來(lái)反映灌溉水的有效利用程度。中國(guó)《農(nóng)村水利技術(shù)術(shù)語(yǔ)》定義灌溉水利用系數(shù)為:灌入田間可被作物利用的水量與渠首引進(jìn)的總水量的比值。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有權(quán)威出版物中并沒(méi)有對(duì)國(guó)外廣泛使用的灌溉效率進(jìn)行專門(mén)定義和解釋,只是認(rèn)為其含義與灌溉水利用系數(shù)相似。這也是國(guó)內(nèi)對(duì)灌溉水利用效率術(shù)語(yǔ)的理解和使用特別混亂的原因之一。除灌溉水利用系數(shù)等外,國(guó)內(nèi)經(jīng)常使用的灌溉水利用效率指標(biāo)術(shù)語(yǔ)還有作物水分利用效率、水分生產(chǎn)率、灌溉水利用效率,而灌溉用水效率、灌溉水利用率、灌溉水有效利用系數(shù)、水分利用效率、水分利用率、水分生產(chǎn)效率等術(shù)語(yǔ)也常在一些文獻(xiàn)或報(bào)告中出現(xiàn)。這些名詞的具體含義比較混亂,有時(shí)可能表示傳統(tǒng)“系數(shù)”定義中比例的概念、有時(shí)可能表示投入單方水的糧食產(chǎn)出即水分生產(chǎn)率、有時(shí)也可能表示蒸發(fā)蒸騰消耗水量占總灌水量(或供水量)的百分比。由于術(shù)語(yǔ)表達(dá)方式上的差異導(dǎo)致對(duì)灌溉水利用效率的研究更加復(fù)雜。灌溉水從水源到形成作物產(chǎn)量要經(jīng)過(guò)4個(gè)環(huán)節(jié):①通過(guò)渠道或管道將水從水源輸送至田間;②將引至田間的灌溉水,盡可能均勻地分配到所指定的面積上,并轉(zhuǎn)化為土壤水;③作物吸收、利用土壤水,以維持其生理活動(dòng);④通過(guò)作物復(fù)雜的生理過(guò)程,形成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。前兩個(gè)環(huán)節(jié)效率的提高表現(xiàn)為盡可能將水源取水輸送到田間并儲(chǔ)存于作物根系層,其效率用無(wú)因次的百分比表示,比如灌溉效率,灌溉水利用系數(shù);后兩個(gè)環(huán)節(jié)則是盡可能使作物高效利用土壤水以提高產(chǎn)量,其效率常用投入單方水的糧食產(chǎn)出(kg/m3)表示,比如水分生產(chǎn)率。相同灌溉定額下,灌溉制度不同,降雨的有效利用不同,作物生長(zhǎng)發(fā)育及最終產(chǎn)量也存在差異,因此,水分生產(chǎn)率與灌溉行為密切相關(guān)。由于作物灌溉的最終目的是提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì),“灌溉效率”類指標(biāo)表達(dá)了多少水可以輸送到田間并儲(chǔ)存于作物根系層被作物所利用,而“水分生產(chǎn)率”類指標(biāo)則表達(dá)作物吸收和利用水分形成產(chǎn)量過(guò)程中的效率。只有兩者都高效,灌溉行為才是高效的。因此,從廣義上理解,本文提出灌溉水利用效率(IrrigationWaterUseEfficiency,IWUE)指標(biāo)是指所有與灌溉水利用的效率及效益有關(guān)的指標(biāo),包括灌溉效率、水分生產(chǎn)率、水分消耗比例及水分有益消耗比例等。2灌溉利用率指數(shù)及確定方法2.1灌溉(1)灌溉水利用效率指標(biāo)體系灌溉效率是灌溉水有效利用程度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。在Israelsen定義的基礎(chǔ)上,1977年ICID提出了灌溉效率標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)將總灌溉效率劃分為輸水效率、配水效率和田間灌水效率,總灌溉效率為三者之積。傳統(tǒng)灌溉效率被定義為作物消耗的灌溉水量占由地表或地下供給渠道或取水口的總灌溉供水量的比值。這一概念與中國(guó)采用的灌溉水利用系數(shù)類似。之后Hart、Burt等又提出了儲(chǔ)水效率和田間潛在灌水效率等灌溉效率指標(biāo)。盡管此后研究者提出了不同的灌溉效率指標(biāo),其強(qiáng)調(diào)點(diǎn)各有差異,但與早期定義出發(fā)點(diǎn)并沒(méi)有太大區(qū)別,即其適用性仍與工程目標(biāo)是息息相關(guān)的,高灌溉效率意味有較高比例的引水量?jī)?chǔ)存于作物根系層以增大作物蒸騰量。1979年,美國(guó)InteragencyTaskForce組織研究發(fā)現(xiàn)針對(duì)傳統(tǒng)灌溉效率的理解有許多偏差和自相矛盾的地方,指出根據(jù)灌溉效率值表明大量的水資源在此過(guò)程中浪費(fèi)了,事實(shí)并不盡然,并開(kāi)始注意到大型水利工程及流域中存在灌溉回歸水的重復(fù)利用問(wèn)題。此后的幾十年間,灌溉水利用效率指標(biāo)體系的內(nèi)涵主要向兩個(gè)方向發(fā)展,一方面是針對(duì)“有益消耗”與“無(wú)益消耗”以及“生產(chǎn)性消耗”與“非生產(chǎn)性消耗”的界定;另一方面則是回歸水的重復(fù)利用問(wèn)題受到廣泛關(guān)注,越來(lái)越多的研究者認(rèn)為使用傳統(tǒng)的“灌溉效率”需要充分認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的邊界特點(diǎn),局部的灌溉效率在更大的尺度范圍內(nèi)并不重要,并考慮如何將回歸水要素加入指標(biāo)體系中,以正確指導(dǎo)人們的節(jié)水行為,制定合適的節(jié)水策略。一系列新的灌溉效率類指標(biāo)被提出,如Willardson等建議采用“比例”的概念來(lái)代替田間灌溉效率指標(biāo),如消耗性使用比例指的是作物蒸發(fā)蒸騰量占田間灌溉水量的百分?jǐn)?shù);Keller等提出“有效效率”的指標(biāo),指的是作物蒸發(fā)蒸騰量同田間凈灌溉水量之比,田間凈灌溉水量為田間總灌水量減去可被重復(fù)利用的地表徑流和深層滲漏,Keller等認(rèn)為有效效率指標(biāo)可用于任何尺度而不會(huì)導(dǎo)致概念的錯(cuò)誤;Jensen等指出傳統(tǒng)灌溉效率概念在用于水資源開(kāi)發(fā)管理時(shí)是不適用的,因?yàn)樗鲆暳斯喔然貧w水,從水資源管理的角度,Jensen提出了“凈灌溉效率”的概念;Molden在其提出的框架中采用總消耗比例及生產(chǎn)性消耗比例指標(biāo);Perry建議采用水的消耗量、取用量、儲(chǔ)存變化量以及消耗與非消耗比例為評(píng)價(jià)指標(biāo),并認(rèn)為可保持與水資源管理的一致性。Lankford認(rèn)為當(dāng)考慮到使用條件及評(píng)價(jià)目的,傳統(tǒng)灌溉效率與目前提出的考慮回歸水重復(fù)利用的有關(guān)灌溉效率都是適用的。Lankford列出了影響傳統(tǒng)灌溉效率的13個(gè)因素,包括:水管理范圍的尺度大小,設(shè)計(jì)、管理和評(píng)價(jià)的目的性不同、效率與時(shí)間尺度的關(guān)系、凈需水量與可回收及不可回收損失的關(guān)聯(lián),同時(shí)提出可獲得效率的概念,即現(xiàn)有損失中有些是可以通過(guò)一定的技術(shù)措施予以減少的,比如渠道滲漏,而有些是難以減少的,比如渠道水面蒸發(fā)損失,因此,效率的提高只有通過(guò)減少可控的損失量來(lái)實(shí)現(xiàn)。(2)灌溉水利用系數(shù)計(jì)算中國(guó)現(xiàn)行的灌溉水利用系數(shù)指標(biāo)體系及計(jì)算方法主要形成于20世紀(jì)五六十年代,當(dāng)時(shí)主要參照前蘇聯(lián)的灌溉水利用系數(shù)指標(biāo)體系而建立。國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用灌溉水利用系數(shù)這個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)灌溉水利用效率,研究分析的重點(diǎn)在測(cè)定渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)的方法、計(jì)算公式修正等方面。特別是測(cè)定和評(píng)價(jià)渠系水利用系數(shù)是研究確定灌溉水利用系數(shù)的主要難點(diǎn)。不少學(xué)者還對(duì)渠道越級(jí)輸水、并聯(lián)渠系輸水等情況下渠系水利用系數(shù)的計(jì)算分析與修正進(jìn)行了研究探討。如高傳昌等提出將渠系劃分為串聯(lián)、等效并聯(lián),非等效并聯(lián)分別引用不同的公式計(jì)算。汪富貴提出用3個(gè)系數(shù)分別反映渠系越級(jí)現(xiàn)象、回歸水利用以及灌溉管理水平,再用這3個(gè)系數(shù)同灌溉水利用系數(shù)的連乘積獲得修正的灌溉水利用系數(shù)。沈小誼等提出用動(dòng)態(tài)空間模型的方法計(jì)算灌溉水利用系數(shù),考慮了回歸水、氣候、流量、管理水平和工程變化等因素的影響。沈逸軒等提出年灌溉水利用系數(shù)的定義,指1年灌溉過(guò)程中被作物消耗水量的總和與灌區(qū)內(nèi)灌溉供水總和的比值,并給出相應(yīng)計(jì)算方法;謝柳青等結(jié)合南方灌區(qū)的特點(diǎn),在分析確定灌溉水利用系數(shù)時(shí),根據(jù)灌溉系統(tǒng)水量平衡原理,建立了田間水量平衡數(shù)學(xué)模型,利用灌區(qū)骨干水利工程和塘堰等供水量統(tǒng)計(jì)資料,由作物的灌溉定額,反推灌區(qū)渠系水利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)。近年來(lái),一些研究院所開(kāi)始研究灌溉水利用系數(shù)的宏觀測(cè)算分析方法以及灌溉水利用效率評(píng)價(jià)的宏觀方法,如首尾測(cè)算分析法。即定義灌溉水利用系數(shù)為田間實(shí)際凈灌溉用水量與毛灌溉用水量的比值,并強(qiáng)調(diào)以年為周期進(jìn)行計(jì)算(與沈逸軒及謝柳青等的方法類似)。其中毛灌溉用水量是指灌區(qū)從水源地實(shí)際取水的測(cè)算統(tǒng)計(jì)值,不能忽視從灌區(qū)其他水源(塘壩或其他水庫(kù))的取水值。目前國(guó)內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到灌溉水利用系數(shù)內(nèi)涵的局限,提出了一些考慮回歸水利用的指標(biāo)。蔡守華等綜合分析了現(xiàn)有指標(biāo)體系的缺陷,建議用“效率”來(lái)代替“系數(shù)”,并在渠道水利用效率、渠系水利用效率、田間水利用效率之外增加了一個(gè)作物水利用效率。陳偉等認(rèn)識(shí)到用現(xiàn)有灌溉水利用系數(shù)等指標(biāo)計(jì)算節(jié)水量的局限性,指出計(jì)算灌溉節(jié)水量時(shí)應(yīng)扣除區(qū)域內(nèi)損失后可重復(fù)利用水量,并提出了考慮回歸水重復(fù)利用的節(jié)水灌溉水資源利用系數(shù)的概念。但并沒(méi)有明確計(jì)算中涉及的參數(shù)如渠系滲漏水轉(zhuǎn)化為地下水百分比、地下水開(kāi)發(fā)利用率、扣除蒸發(fā)損失的系數(shù)等等如何確定。2.2節(jié)水措施在不同尺度上的尺度效應(yīng)在早期規(guī)劃開(kāi)發(fā)灌溉系統(tǒng)時(shí),只注重優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。中國(guó)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中灌溉水利用系數(shù)連乘計(jì)算的方法與灌區(qū)設(shè)計(jì)思路相一致,各項(xiàng)參數(shù)具有明確的實(shí)際意義,各級(jí)渠道水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)也可以通過(guò)廣泛熟悉的方法獲取,灌溉水利用系數(shù)一直以來(lái)被作為灌區(qū)灌溉用水評(píng)價(jià)的一個(gè)最重要的指標(biāo)。目前正在全國(guó)開(kāi)展的灌區(qū)續(xù)建配套建設(shè),在工程規(guī)劃和效益評(píng)估時(shí),也主要以該指標(biāo)為基礎(chǔ)計(jì)算“節(jié)水量”,進(jìn)而得出節(jié)水效益。但實(shí)際上僅僅利用傳統(tǒng)指標(biāo)來(lái)評(píng)估真實(shí)節(jié)水量和制定節(jié)水策略是存在缺陷的。首先用灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行全灌區(qū)灌溉水利用效率測(cè)算時(shí),由于灌區(qū)條件的千差萬(wàn)別,往往存在概念與測(cè)算口徑不統(tǒng)一、測(cè)算工作量大、準(zhǔn)確性難以保證、影響因素及機(jī)理不清等諸多問(wèn)題。使數(shù)據(jù)可信度和可比較性降低,不宜用于宏觀層面上的決策依據(jù)。再則這種傳統(tǒng)灌溉效率忽視了回歸水的重復(fù)利用,將供水系統(tǒng)的出流全部視為損失。比如一般地面灌溉系統(tǒng)的渠系水利用系數(shù)平均為42%,而噴微灌的輸水效率卻可達(dá)70%到90%。因而推斷從地面自流灌溉轉(zhuǎn)換到噴微灌可節(jié)約大量的灌溉用水并可轉(zhuǎn)為其他用途,這種推斷并不一定正確。答案取決于對(duì)研究區(qū)域尺度出流的有益使用為正(有水的重復(fù)利用)或是負(fù)數(shù)(無(wú)水的重復(fù)利用)。沈榮開(kāi)等研究表明,內(nèi)蒙古河套灌區(qū)干、支、斗、農(nóng)渠道全部防滲后,渠系水利用系數(shù)可由0.42提高到0.70,灌溉水利用系數(shù)由0.35提高到0.60,但去掉渠道水面蒸發(fā)、尾水排泄、渠旁側(cè)滲潛水蒸發(fā)后,補(bǔ)給地下水量甚微;而在局部實(shí)行襯砌后,地下水的重復(fù)利用率可增加26.4%,灌溉水利用效率提高到72.4%,灌溉水利用效率比全面推行渠道襯砌后提高了12.4%。湖北漳河灌區(qū)平均灌溉水利用系數(shù)只有0.43,從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)看57%的灌溉水損失了,然而實(shí)際上平水年在水稻灌溉季節(jié)只有12%的降雨和灌水形成徑流流出灌區(qū)。因此,從減少區(qū)域出流的角度,在灌區(qū)尺度上最大的節(jié)水潛力為12%。分析表明,上述57%的損失量中的大部分被小尺度的塘堰、中小型水庫(kù)和排水溝收集并且再利用。由此可見(jiàn),節(jié)水灌溉存在尺度效應(yīng),即節(jié)水灌溉措施在各個(gè)尺度上的節(jié)水效果存在差異,以及一種尺度上的節(jié)水效果對(duì)其它尺度節(jié)水效果的影響是不同的。由于回歸水的相當(dāng)部分可以在其它尺度被重新利用,使得灌溉系統(tǒng)及流域尺度的節(jié)水量并不是田間尺度節(jié)水量的簡(jiǎn)單累加,同時(shí)由于回歸水在不同的尺度上所包括的內(nèi)容及數(shù)值不同,存在某種復(fù)雜的轉(zhuǎn)化關(guān)系,由此產(chǎn)生了尺度效應(yīng)。此外節(jié)水尺度效應(yīng)還源于對(duì)不同尺度節(jié)水效果進(jìn)行分析所采用的方法之間的差異性,以及不同灌溉水利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)間的差異。理解了這種節(jié)水的尺度效應(yīng),才能采用正確的評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)擬采取的節(jié)水措施在不同尺度上的真實(shí)節(jié)水潛力作出正確的評(píng)估。因此本文認(rèn)為傳統(tǒng)灌溉效率指標(biāo)僅僅在以下情況是可用的:①新的灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì),此時(shí)灌溉工程設(shè)計(jì)者需要傳統(tǒng)效率指標(biāo)來(lái)推算為滿足田間灌溉的基本需求而需要從水源調(diào)用的流量、以及基于不同級(jí)別渠道的流量設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸;②評(píng)估渠道系統(tǒng)的管理狀況,在灌溉工程狀況一樣時(shí)高灌溉效率意味著良好的管理狀況;③在一個(gè)低效率的水重復(fù)利用系統(tǒng)中,盡管回歸水可以回收并且可被作物或其他用戶再利用,如果回用滯后期過(guò)長(zhǎng)則不能及時(shí)滿足用水戶。并且還要考慮回歸水的水質(zhì)和利用成本問(wèn)題。傳統(tǒng)灌溉效率指標(biāo)不適用于節(jié)水量的計(jì)算和節(jié)水潛力評(píng)估。實(shí)際上不同時(shí)期和針對(duì)不同用途的灌溉水利用效率指標(biāo)以及不同主體對(duì)灌溉水利用效率的理解是不相同的。盡管傳統(tǒng)效率指標(biāo)在灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及灌溉工程性能評(píng)估中都發(fā)揮了重要作用,在20世紀(jì)50年代到70年代新系統(tǒng)建設(shè)中尤為明顯。然而當(dāng)時(shí)水資源充足,一個(gè)灌區(qū)的主要目標(biāo)是維持灌溉工程良好運(yùn)行和根據(jù)作物需水及時(shí)供水到田間,為其它用途而節(jié)水并沒(méi)有受到廣泛關(guān)注。當(dāng)水資源日趨短缺,灌溉用水對(duì)地區(qū)水循環(huán)的影響日趨重要,而從傳統(tǒng)效率指標(biāo)的角度來(lái)看,灌溉用水的使用效率不高,意味著效率提高將有大量的水可以從農(nóng)業(yè)灌溉轉(zhuǎn)移給其他用戶。因傳統(tǒng)效率指標(biāo)忽略了損失水的再利用,所以僅僅利用傳統(tǒng)效率指標(biāo)來(lái)評(píng)估真實(shí)節(jié)水量和制定合適的節(jié)水策略是存在缺陷的。且不同的目標(biāo)決定了不同的計(jì)算基礎(chǔ),目前沒(méi)有一套共同術(shù)語(yǔ)可以兼容各種不同使用目的所需的灌溉水利用效率指標(biāo)。當(dāng)灌溉成為流域水文的一個(gè)重要組成部分時(shí),必須在更廣泛的水資源管理背景下進(jìn)行灌溉水利用效率分析。2.3材料的利用率水分生產(chǎn)率是指單位水資源量在一定的作物品種和耕作栽培條件下所獲得的產(chǎn)量。水資源量包括降水量、毛灌溉水量、蒸發(fā)蒸騰量。灌溉水分生產(chǎn)率指每單位灌溉水所能生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量。水分生產(chǎn)率指標(biāo)用簡(jiǎn)單和易于理解的方式表達(dá)了水的產(chǎn)出效率,被廣泛用于水管理評(píng)估。IWMI提出的水量平衡框架中水分生產(chǎn)率被作為灌溉水利用效率的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。由于水分生產(chǎn)率的數(shù)據(jù)來(lái)自水平衡分析的各要素,數(shù)據(jù)量大,并且有些要素測(cè)定較為復(fù)雜,限制了它在大尺度及長(zhǎng)時(shí)段的應(yīng)用。另外,水分生產(chǎn)率的提高可能來(lái)自其它因素提高了單位面積產(chǎn)量,因此單獨(dú)使用水分生產(chǎn)率來(lái)評(píng)估灌溉效果也不一定合適。Guerra等建議聯(lián)合使用水分生產(chǎn)率及灌溉效率來(lái)評(píng)估水管理策略和措施。Zoebl認(rèn)為用水分生產(chǎn)率來(lái)描述灌溉水利用效率是不科學(xué)的,因?yàn)樗耐度氩灰欢ㄈ勘蛔魑锼?同時(shí)作物生長(zhǎng)受控于其他很多因素。當(dāng)考慮作物種類、管理水平及氣象條件的差異性所導(dǎo)致的水分生產(chǎn)率的變化時(shí),用該指標(biāo)進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)變得毫無(wú)意義。同時(shí)作者認(rèn)為傳統(tǒng)灌溉效率在特定條件下仍然是有效的,特別是針對(duì)灌溉系統(tǒng)尺度,因?yàn)閭鹘y(tǒng)灌溉效率與灌溉系統(tǒng)的管理密切相關(guān)。因?yàn)榧夹g(shù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的多樣性,對(duì)不同的評(píng)價(jià)目的應(yīng)采用不同的水分利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)。沈榮開(kāi)等認(rèn)為水分生產(chǎn)率的定義應(yīng)是單位面積作物的單位水分消耗(單位面積的作物騰發(fā)量)所獲得的籽粒產(chǎn)量。由于受農(nóng)作物方面、灌溉技術(shù)方面以及自然條件的影響,該值并不由供水條件唯一確定。作者指出,當(dāng)前在運(yùn)用水分生產(chǎn)率方面很不統(tǒng)一,這樣十分不利于相互之間的交流,容易造成誤解,乃至得出錯(cuò)誤的結(jié)論,因此很有必要加以規(guī)范。2.4灌溉水利用效率指標(biāo)量化框架鑒于灌溉排水行為對(duì)流域水文循環(huán)的重要性,國(guó)際水管理研究院近20年來(lái)將工作重點(diǎn)從灌溉管理轉(zhuǎn)向流域水資源的管理。其名稱從國(guó)際灌溉管理研究院(IIMI)改為國(guó)際水管理研究院(IWMI)與此不無(wú)關(guān)系。他們從水資源利用的角度分析了傳統(tǒng)灌溉效率的弊端,并提出新的灌溉水利用效率評(píng)價(jià)理念。Molden提出了水量平衡的分析框架,確定了該框架模型在田間、灌溉系統(tǒng)以及流域3個(gè)尺度范圍內(nèi)進(jìn)行水量平衡計(jì)算的具體過(guò)程。并提出了進(jìn)行水資源利用效率評(píng)價(jià)的3類指標(biāo),即水分生產(chǎn)率、水分消耗百分率,水分有益消耗百分率。基于這一框架,IWMI研究人員先后針對(duì)多個(gè)流域開(kāi)展了實(shí)際研究,其中Molden在原有基礎(chǔ)上又提出了相對(duì)水量供應(yīng)比和相對(duì)灌溉水量供應(yīng)比兩個(gè)指標(biāo)。實(shí)際上即使考慮了基于水量平衡框架下的灌溉水利用效率指標(biāo)體系,以及尺度效應(yīng)對(duì)指標(biāo)的影響,對(duì)不同尺度下的效率指標(biāo)進(jìn)行量化依然是一個(gè)難點(diǎn)。這些指標(biāo)中的各類水量要素的數(shù)值主要是通過(guò)水量平衡觀測(cè)確定的,對(duì)小尺度只需開(kāi)展田間水量平衡觀測(cè),而對(duì)于中等尺度、大尺度,則需針對(duì)灌區(qū)或流域,選擇一些大面積典型水量平衡區(qū)進(jìn)行觀測(cè),這種觀測(cè)牽涉的因素較多,觀測(cè)較困難,有些要素難于直接觀測(cè)而須借助于數(shù)學(xué)模擬取得。在大尺度上則需借助遙感技術(shù)進(jìn)行相關(guān)水平衡要素的估算。正如Droogers指出的隨著評(píng)價(jià)指標(biāo)研究的發(fā)展,已逐漸能夠運(yùn)用一些比較簡(jiǎn)單的比例來(lái)描述水分生產(chǎn)率,與傳統(tǒng)灌溉效率相比具有兩方面的優(yōu)勢(shì):第一包含了非農(nóng)業(yè)的水資源利用;第二農(nóng)業(yè)用水與其它用水之間的內(nèi)在關(guān)系更清楚。但是正確估算這些指標(biāo)需要不同尺度下的詳細(xì)數(shù)據(jù)(往往很難直接提供),仿真模型及遙感技術(shù)的使用有效填補(bǔ)了這種缺陷。分析IWMI提出的灌溉水利用效率指標(biāo)可見(jiàn),盡管在不同研究中有著不同的側(cè)重點(diǎn),但是其指標(biāo)量化的基礎(chǔ)仍是水量平衡模型。只是在不同尺度上得到水量平衡計(jì)算要素的方法并不相同,但是明確了尺度效應(yīng)對(duì)于節(jié)水灌溉評(píng)價(jià)的影響。而且可以看出以水分生產(chǎn)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到了比較成功的運(yùn)用。但是有兩個(gè)重要的問(wèn)題不得不思索:①盡管水量平衡框架已經(jīng)比較完整清楚,但許多組成要素實(shí)際上難以確定,也難以反映水質(zhì)的尺度影響、回歸水利用的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題以及不同區(qū)域灌溉的及時(shí)性問(wèn)題等;②IWMI所提出的3類指標(biāo)是否可以滿足節(jié)水灌溉評(píng)價(jià)的需要,它們的適用性和可應(yīng)用性如何需要進(jìn)一步探討。2.5灌溉水高效過(guò)程的模擬前文已提到,灌溉水利用系數(shù)確定的難點(diǎn)在渠系水利用系數(shù),采用的試驗(yàn)方法主要有凈水法和動(dòng)水法。對(duì)于全灌區(qū)的綜合灌溉水利用系數(shù)則考慮用各渠道的控制面積或毛灌溉用水量加權(quán)求平均。有些學(xué)者針對(duì)渠道越級(jí)取水現(xiàn)象、回歸水利用等提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。近年來(lái)提出的首尾測(cè)算分析法等主要從弄清凈灌溉用水量與毛灌溉用量入手,簡(jiǎn)化了測(cè)量工作,適合宏觀應(yīng)用。由于大尺度、長(zhǎng)時(shí)間獲取有關(guān)水平衡要素的困難性,近年來(lái)數(shù)值模擬技術(shù)被應(yīng)用于各種條件下不同尺度水量平衡要素的模擬以及作物產(chǎn)量的模擬,進(jìn)行灌溉水利用效率指標(biāo)的計(jì)算和用水管理策略的分析評(píng)價(jià)。在田間尺度模型方面,ORYZA2000可用來(lái)模擬水稻在不同灌溉及施肥措施下的田間水分、養(yǎng)分運(yùn)移及生長(zhǎng)過(guò)程和產(chǎn)量。SWAP則被廣泛應(yīng)用于旱作水分運(yùn)移及產(chǎn)量的模擬。分布式流域水文模型近年來(lái)在灌區(qū)尺度得到了廣泛的應(yīng)用,其中有代表性的模型有SWAT。由于SWAT模型既可模擬水量轉(zhuǎn)化過(guò)程,又可模擬作物產(chǎn)量,因而可用于灌區(qū)水平衡要素及作物產(chǎn)量模擬。MODFLOW是不同尺度地面水、地下水相互作用模擬中較好的模型之一。Sophocleous等將SWAT模型和MODFLOW結(jié)合起來(lái)研究灌區(qū)水文循環(huán)問(wèn)題;Elhassan等將水箱模型修改后用來(lái)模擬稻田的水平衡過(guò)程,并將其與地下水模型結(jié)合,用來(lái)模擬水稻種植區(qū)地表水、地下水聯(lián)合應(yīng)用策略及其對(duì)區(qū)域淺層地下水平衡的影響。IWMI的研究人員將SWAP和SLURP模型結(jié)合起來(lái),模擬灌區(qū)的水平衡及作物產(chǎn)量問(wèn)題,并進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算和用于不同水管理策略的評(píng)價(jià)。2.6實(shí)際灌溉節(jié)水資源量和真實(shí)節(jié)水潛力的計(jì)算方法目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)節(jié)水潛力的內(nèi)涵還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)地,對(duì)于節(jié)水潛力的計(jì)算也就沒(méi)有一致的方法。早期節(jié)水潛力的估算都是從單一的節(jié)水灌溉技術(shù)出發(fā),側(cè)重于單項(xiàng)節(jié)水灌溉的節(jié)水效果,近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到從整個(gè)區(qū)域綜合估算節(jié)水潛力的重要性,并且認(rèn)為對(duì)灌區(qū)的農(nóng)業(yè)需水量分析預(yù)測(cè),不僅僅要考慮工程技術(shù)措施,還要注重農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、抗旱作物引進(jìn)等非工程和管理措施的影響。國(guó)內(nèi)有關(guān)節(jié)水潛力計(jì)算的文獻(xiàn)很多,總體來(lái)看,這些計(jì)算節(jié)水潛力的方法基本以灌溉水利用系數(shù)及田間凈灌溉定額為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)節(jié)水灌溉措施條件下的指標(biāo)(往往根據(jù)有限點(diǎn)上的試驗(yàn)獲得)與現(xiàn)狀條件下指標(biāo)之差,估算毛灌溉用水量的差值,進(jìn)而計(jì)算節(jié)水潛力。前文已經(jīng)提到,因?yàn)檗r(nóng)田水分循環(huán)系統(tǒng)中回歸水重復(fù)利用(可回收水量)的存在,以及各種影響真實(shí)節(jié)水量的因素具有綜合效應(yīng),僅僅依據(jù)渠道襯砌和田間節(jié)水措施等田間試驗(yàn)結(jié)果得到的灌溉水利用系數(shù)及田間凈灌溉定額,通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法來(lái)推算灌區(qū)尺度的節(jié)水潛力及節(jié)水量是不合理的,尺度對(duì)節(jié)水量具有重要影響。近年來(lái)許多學(xué)者已認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的局限性,并提出了一些新的評(píng)價(jià)指標(biāo)和節(jié)水潛力計(jì)算方法。Seckler指出在小尺度范圍內(nèi)的水量損失可以在更大尺度范圍內(nèi)重新利用,對(duì)于灌溉水利用效率的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)節(jié)水潛力的錯(cuò)誤估算。茆智指出計(jì)算節(jié)水潛力時(shí)考慮尺度效應(yīng)的重要性。李遠(yuǎn)華等及崔遠(yuǎn)來(lái)等以湖北漳河灌區(qū)為例,分析表明基于水量平衡得到的節(jié)水潛力遠(yuǎn)小于基于灌溉水利用系數(shù)得到的節(jié)水潛力。陳偉等認(rèn)為從水資源角度考慮灌溉節(jié)水潛力,應(yīng)扣除區(qū)域可重復(fù)利用水量,提出了考慮灌溉滲漏水重復(fù)利用的灌溉水資源利用系數(shù)指標(biāo),探討了區(qū)域節(jié)水潛力評(píng)價(jià)的新方法。裴源生等從區(qū)域廣義水資源量消耗的角度提出耗水節(jié)水的概念,即考慮各種可能節(jié)水措施背景下的耗水與不采取節(jié)水措施的耗水差值,認(rèn)為耗水節(jié)水量表明區(qū)域?qū)嶋H蒸發(fā)蒸騰消耗的節(jié)水量,體現(xiàn)了區(qū)域真正的節(jié)水潛力。沈振榮等將真實(shí)節(jié)水潛力分為“資源型”真實(shí)節(jié)水潛力和“效率型”真實(shí)節(jié)水潛力