农业灌溉节水的尺度效应

农业灌溉节水的尺度效应

0节水灌溉技术措施缺乏对田间尺度的实国内外许多科学家认识到，小田水的潜力不同于大田水系统和流域等大型节水潜力。大体积的节水量不是小体积的简单积水率。然而，国内外对节水灌溉技术应用的节水量提高效应研究仅局限于田间，对不同规模的节水量灌溉技术措施是否影响没有不同的定量研究不够。因此,还不清楚田间尺度节水灌溉技术推广到灌溉系统尺度,乃至流域尺度上是否一定节水,真正节水的潜力有多大,不同尺度提高水分生产率的机理,以及如何才能达到田间、灌溉系统和流域三个尺度真正节水的相互一致。基于以上提出的问题,本文对农业灌溉节水的评价指标与尺度问题进行探讨。1节水和花园1.1灌溉用水管理部门对小口山水资源量的管理是赋节水灌溉,是指根据作物需水规律和当地供水条件,高效利用降水和灌溉水,以取得农业最佳经济效益、社会效益和生态环境效益的综合措施。“节水”对不同的对象和主体有着不同的含义,同时,它的含义也取决于所研究的尺度大小。对农民来说,减少田间的灌溉用水量意味着减少向水管部门缴纳的灌溉水费或抽水的能耗费用,他们有节水的积极性。灌溉用水管理部门所关心的是如何从灌区内有限的水资源量中获取最大的效益。对单一功能的水库灌区而言,灌溉水费是唯一的效益来源,减少农业灌溉用水量方式的节水意味着管理部门收益减少,其节水的积极性是不足的。而对多功能的水库灌区来说,由于农业灌溉与城镇生活及工业供水相比效益明显低,减少农业灌溉供水量就会有更多的水转向其他效益高的用水部门,从而达到获取较大效益的目标。在国家(或流域)这个大尺度上研究农业灌溉节水,应根据各地区的水土资源状况、人口状况、生态环境状况、经济发展水平等,在国家(或流域)尺度上来研究各地区适合当地水资源状况的农业适宜种植结构、种植面积、灌溉面积、灌溉用水水平以及相应的节水灌溉措施等。如在西北人均占有水资源已达到极限值的区域,应当首先考虑减少种植和灌溉面积并进行种植结构的调整来减少农业灌溉用水,而不是仅从采用什么样的节水技术来研究节水问题。如通过粮食及商品等“虚拟水”的区域调配达到水资源在国家层面上的合理配置和高效利用。1.2灌溉单元划分习惯尺度指空间范围的大小和时间历时的长短,与之相对应的是空间尺度和时间尺度(本文主要探讨空间尺度)。尽管尺度的划分不是唯一的,但人们总试图给出尺度划分确切的长度。Wallender、许迪均认为,灌溉水文学研究的空间尺度变化是从微观尺度(10-5～10-2m)～中观尺度(10-2～1m)～宏观尺度(1～104m)～全球尺度(104～108m)。从一般灌溉水管理单元划分习惯的角度,本文认为农田灌溉中独立田块或小面积农田可视为小尺度(10～100m),一条斗渠控制的范围可作为中等尺度(102～103m),干渠所控制的范围可视为干渠尺度(103～104m),一个灌区可视为大尺度(104～106m)。节水灌溉尺度效应是指节水灌溉措施在各个尺度上的节水效果以及一种尺度上的节水效果对其他尺度节水效果的影响。节水尺度效应产生的原因主要是回归水及其重复利用,以及灌区水分运动在不同时空尺度上存在差异性。在农田灌溉中,渠道渗漏、弃水、退水,田间渗漏与田面排水、跑水等注入到地下水或回流到各级排水沟或天然河沟中,然后被重新利用,这称为回归水。由于回归水的相当部分可以在其他尺度被重新利用,使得灌溉系统及流域尺度的节水量并不会是田间尺度节水量的简单累加,同时在不同尺度上由于回归水在质量和数量上的不同,以及它们内部之间存在的复杂转化关系,于是就产生了节水灌溉尺度效应。不同尺度下农业水资源的规划、调度、管理和评价正成为一个热门研究领域。当前在节水灌溉方面争论的一些问题,如真实节水问题、渠道防渗标准问题、喷灌比地面灌溉是否绝对好、以及节水效果评价指标等,均与节水灌溉的尺度效应密切相关,研究节水灌溉尺度效应有助于解决这些问题。2灌溉效率与水的关系评价灌溉系统运行性状及节水效果的指标有很多,如渠系水利用系数、田间水利用系数、灌溉水利用系数等(见表1)。这些评价指标为灌溉工程的规划设计和灌溉管理提供了合适的决策依据。但我们在使用这些评价指标时,也必须认识到它们的局限性,即有关灌溉效率的指标是同所研究对象及区域尺度大小密切相关的。灌溉水利用系数等传统灌溉效率出现的起因是灌溉设计人员需要一个指标来表达输出占输入水量的比例,以此反映输配水工程效率的状况。此类指标忽视了回归水的重新利用,将供水系统的出流全部视为损失。比如一般地面灌溉系统的供水效率平均为45%,而喷、微灌的供水效率却可达70%到90%。于是人们推断从地面自流灌溉转换到喷微灌可节约大量的灌溉用水。如果出流的有效使用为零或负数,则推断是正确的。当出流的有效使用为正数时,则推断是错误的。又如在有回归水利用的系统中,如果上游农户提高用水效率,其田块的排水将减少,进而依赖于其排水而灌溉的下游农户将遭受缺水。这样势必要为下游农户建立另一单独供水系统,花费更多的资金,同时也不一定能提高整个系统的整体效率。因此基于传统效率指标所作出的决策往往不能导致真实的节水或节水效果有限。传统的灌溉效率指标忽视了水在系统内部的重复利用,导致田间尺度与灌溉系统尺度的灌溉效率有很大的差异。Molden等的研究表明,在埃及的尼罗河流域,田间的灌溉效率只有40%～50%,但是整个灌溉系统的灌溉效率接近80%。因此,希望通过提高田间灌溉效率来达到整个灌溉系统真正节水的余地并不大。再比如,湖北漳河灌区平均灌溉水利用系数只有43%,传统观点认为,该灌区有57%的灌溉水被损失,因而推断在该灌区采用渠道防渗等节水灌溉措施有巨大的节水潜力,理论上最大可达57%。然而根据作者等进行的漳河灌区水平衡计算表明,平均年型条件下,水稻灌溉季节(5月至10月)整个灌区包括降雨及灌溉在内的毛入流量只有12%流出了灌区的边界,其他全部在灌区内部被消耗。分析表明,上述57%的“损失”有很大一部分在灌区内部被小型塘堰、水库以及排水沟网等系统收集并重新利用,因而不是真正意义上的可节水量。为了克服传统灌溉效率指标在水管理和评价方面使用的局限性,Willardson等建议采用“比例”的概念来代替田间灌溉效率指标,如消耗性使用比例指的是作物蒸发蒸腾量占田间灌溉水量的百分数;Keller等提出了一个称为“有效效率”的指标(即作物蒸发蒸腾量同田间净灌溉水量之比,田间净灌溉水量为田间总灌水量减去可被重复利用的地表径流和深层渗漏),并指出有效效率这个指标可用于任何尺度而不会导致概念的错误。这些新的定义和指标考虑了灌溉效率同尺度的关系,但都忽略了经济方面的因素,如灌溉水价、作物产量和价格等变量,因此并不能确定是灌溉效率高时经济净效益大,还是灌溉效率低时经济净效益大。正如Molden等指出不管是传统的灌溉效率指标还是新的定义和指标反映的仍然是水在物理上的数量关系,并没有抓住水在不同部门使用中“价值”的不同。利用水量平衡计算原理,国际水管理研究院(IWMI)提出了完整的水量平衡计算框架、相关术语和评价指标。评价指标主要有以下三类(见表1):水分生产率:分别采用毛入流量(降雨量+灌溉水量)水分生产率(WPgross)、灌溉水分生产率(WPI)和作物蒸发蒸腾量水分生产率(WPET)来代表单位毛入流量、单位灌溉水量和单位作物蒸发蒸腾量所获得的产量(kg/m3)。总消耗比例指标:该指标反映区域内水分被消耗的程度。即总消耗水量与研究区域内毛入流量和可利用水量的比值,分别用DFgross和DFavailable表示。其中可利用水量指研究区域内毛入流量扣除储水变化量和调配水量,调配水量指根据计划向下游区域输送的水量。水分有益消耗比例指标:该指标反映水在消耗过程中被有益利用的程度。采用作物蒸发蒸腾量与研究区域内毛入流量、可利用水量和总消耗水量的比值这三个指标,分别表示为PFgross、PFavailabe和PFdepleted。本文中作物仅考虑水稻蒸发蒸腾量。水量平衡计算框架及相关评价指标体系为研究节水的尺度问题提供了一个较好的方法。该框架的不足表现在没有考虑水质的尺度影响,回归水利用的经济问题以及不同区域灌溉的均匀性和及时性等。如果回归水的重复利用需要二次耗能或需要兴建工程,则不能直接采用相同指标。关于该框架的详细内容可参见文献,这里不再详述。3田间尺度对节水的影响将上述评价指标应用于湖北省漳河灌区,选定4个尺度,并通过一系列田间观测和试验来获得所需各项数据,并计算相关指标。4个尺度分别为田间,中等,干渠和灌区尺度,面积分别为0.76、287、196388、466800hm2。图1至3分别为漳河灌区三类指标随尺度变化的情况。从图1可看出,灌溉水分生产率WPI随尺度变化规律为在田间尺度比较高,在中等尺度降到最小值,但随着尺度进一步加大而提高很快。在灌区尺度上,灌溉水分生产率比干渠尺度略有减小,原因是在灌区尺度上水稻种植面积所占比例较少。毛入流量水分生产率WPgross的变化趋势与灌溉水分生产率的相似,但WPgross值在干渠尺度和灌区尺度上均没有超过田间尺度,表明该试区农民在田间尺度上对灌溉水和降雨的利用率很高。WPET(水稻)值随尺度变化的幅度非常小,说明在不同尺度上水稻消耗的水量相差不大(括号中水稻表明只考虑了水稻的腾发量,下同)。WPI随尺度的增大而增加,说明尺度愈大对回归水的重复利用率愈高,节水存在尺度效应。即田间尺度或灌溉干渠尺度采取各种措施节约的水量中,有一部分在比田间或灌溉干渠更大的尺度中得到重新利用。所以,一方面,灌区应大力推广节水灌溉技术的应用;另一方面,对于灌区而言,流出灌区边界的水才算损失,故争取水资源在灌区内部的重复利用,是灌区节水最重要的措施之一。PFgross值在田间尺度上最高,为0.72,但在中等尺度降到最低值0.05(见图2),主要原因是在中等尺度上有大量出流。中等尺度的出流在更大尺度上被利用,使PFgross在干渠尺度和灌区尺度上增大。由于假定干渠尺度和灌区尺度储水变化量为零,因而在大尺度上水稻蒸发蒸腾量占可利用水量的比例PFavailable值和PFgross值是相等的。水稻蒸发蒸腾量占总消耗水量的比例PFdepleted随着尺度的加大是逐渐减小的,这与不同尺度上水稻种植面积占总面积的比例有着密切关系。漳河灌区该比例为27%,干渠平均值为39%,中等尺度为51%,而田间尺度高达97%。总消耗水量占毛入流量的比例DFgross在田间尺度上较高,但在中等尺度因为有大量出流的影响下降为0.09,在灌溉干渠尺度为1.06,超过了1.0(见图3),说明假定干渠尺度储水变化量为零产生了误差,有一定量的土壤储水量或地表储水量被利用。DFgross值高表明在不同尺度内大部分水被消耗,出流量很小。总消耗水量占可利用水量的比例DFavailable变化趋势同DFgross的基本相似,只是中等尺度DFavailable值比DFgross大,且与田间尺度的相差不大。在灌区尺度上,DFavailable值为0.88,即灌区的出流量只占到灌溉水量与降雨量之和的12%,一定程度上表明在农业灌溉用水方面灌区进一步节水的可能性和潜力都是有限的。4关于灌溉水分生产率随不同尺度变化,相对应的,不同尺度的节水措施也不同。下面以漳河灌区及柳园口灌区为例进行讨论。4.1第二、关于按毛入流方向的计算方法不同的一个评价标准,主要表现为鉴于可获取的资料所限,在漳河灌区三干渠控制范围内选择一个总控制面积30056hm2,其中水稻种植面积17295hm2的区域进行研究,该区域面积占三干渠的15.3%,漳河灌区的6.4%,基本可以代表漳河灌区的情况。用结合漳河灌区开发的灌区水管理模型OASIS模拟不同节水灌溉及其他工程措施条件下区域的水平衡状况、水稻产量及相关的评价指标变化,见表2、表3。其中,高渠系水利用系数方案为研究范围内渠系水利用系数从基本方案的0.75提高到0.86;长期淹灌为从基本方案的水稻间歇灌溉变为长期淹灌灌溉方式;无塘堰及无漳河水库为在基本方案的基础上假设研究范围没有塘堰蓄水设施或漳河水库供水。渠系水利用系数提高11%,可调配出流量有所增加,排水出流量有所减少,其他水平衡项、水稻产量及各类评价指标均无明显变化。裸地、水面等的其他蒸散发量虽然属于无效损失,但实际上无法控制(实际上其他蒸发蒸腾两方案基本没差异),故以排水出流量占毛入流量比例(无效流失量)、总消耗水量占毛入流量之比DFgross或总消耗水量占可利用水量之比DFavailable作为灌区实际可节水潜力的评价标准,其中由于各方案的模拟均从插秧开始到收割结束,使储水变化量较大,因此评价又以DFavailable为主。提高渠系水利用系数后,降雨较少的2001年排水出流量占毛入流量比例减少4%,降雨较多的2004年则只减少1%;DFavailable在2001及2004年分别比基本方案增加4%和1%,也即从减少无效出流的角度节水潜力在1%～4%,这一数值显然比从渠系水利用系数直观得出的11%的节水潜力小得多。基本方案的间歇灌溉与传统淹灌相比,水稻产量不变,采用间歇灌溉在2001及2004年分别增加排水出流比例2%及1%,相应的DFavailable分别减少3%及1%。即采用间歇灌溉系统的效率有所降低,这是因为在给定渠首供水量的情况下,不管农民采用何种灌水方式,实际上田间所获得的仍然是一种间歇灌溉方式,因为没有足够的水量维持淹灌所需田间水层。但是在这种情况下施行“淹灌”有利于将水量尽可能地留在田间,从而提高水分利用效率。这与从田间试验得出的水稻间歇灌溉与传统淹灌相比可节约10%～15%的灌溉水量的结论相差很大。如果没有塘堰供水,2001年及2004年水稻产量分别减少38%及5%,排水出流比例分别增加12%及2%,DFavailable值分别减少13%和3%。灌溉水分生产率WP1也有较大幅度的减少。表明塘堰在提高用水效率和保证水稻产量方面的重要性。所有方案中PFgross值变化范围为0.4～1.31,而PFavailable为0.39～0.56,PFavailable变化范围远远小于PFgross值,说明虽然不同方案的毛入流存在较大差异,可利用水量变化却较小,表明塘堰等当地蓄水设施在其中起到了调节作用。如果没有漳河水库供水,2001年及2004年水稻产量分别减少21%和不变,排水出流比例分别增加18%及10%,DFavailable值分别增加3%和不变。即在丰水年,即使没有漳河水库供水也可获得水稻高产。无塘堰或漳河水库供水时,特别在干旱的2001年,由于水稻产量减少使WPET减少,WPgorss则在无塘堰供水时由于产量的降低而减少,而无漳河水库供水时由于分母无灌溉项而增加。同样,水分有益消耗百分率指标PFgross、PFavailable、PFdepleted除无塘堰供水及无漳河供水外,其它方案基本无变化。以上分析表明,针对漳河灌区这样的“长藤结瓜”灌溉系统,地形条件有利于水的重复利用,塘堰等当地蓄水设施是提高水重复利用效率的关键所在。在灌区尺度上,渠道衬砌及田间采用节水灌溉技术产生真实节水的潜力并不大,关键的节水策略在于如何通过分布在灌区的中小型水库及塘堰蓄集降雨及灌溉回归水,提高水的重复利用率。4.2节水灌溉技术柳园口灌区是一个典型的黄河下游引黄灌区,设计灌溉面积40724hm2。灌区上游种植水稻并由引黄水灌溉,灌区下游种植旱作并通过抽取地下水进行灌溉。由于上游灌水量较多且地势较高,地下水流因此由上游向下游补给,上游的渠道渗漏和田间渗漏也因此成为下游地下水的重要补给源。另一方面,太多的田间渗漏则会降低上游的灌溉水利用效率,同时使地下水位上升到地表而导致潜水蒸发损失和土壤次生盐碱化。如果下游地下水补给不够,由于下游地下水埋深增大而增加抽取地下水的成本。在田间尺度上,由于水稻的耗水量大,因此间歇灌溉、种植旱稻被认为是节水的重要措施。但在灌区尺度,灌区上游的潜水蒸发和灌区地表径流是主要水分损失。由于灌区上游的地下水埋深接近地表,由此引起大量的潜水蒸发,其中一部分被作物吸收利用,但大部分为无效的,是田间尺度和灌区尺度真实的损失。另一方面,灌区的灌溉和降雨总量为4.3亿m3/a,而产生的径流量达2.5亿m3/a,即将近60%的地表水未被利用。提出两个节水方案,方案1:①上游4700hm2的水稻都改种旱稻;②上游节省的0.183亿m3/a引黄水量输送到下游,可减少下游的地下水开采量。方案2:①在上游开采地下水0.5亿m3/a;②在上下游河道修建水闸,增加0.5亿m3/a的地表水利用;③减少下游的地下水开采量;④假设干渠全部衬砌,渗漏量减少为现状水平的20%。1986～2002年多年平均条件下3个方案灌区水量平衡模拟结果见表4。与现状方案相比,方案1条件下无效潜水蒸发损失减少0.114亿m3/a,减少幅度仅为23%;上游节约的黄河水量引到下游后,能一定程度上延缓下游地下水埋深的增大,同时地下水出流也增加0.095亿m3/a;地表排水出流量损失量减少0.255亿m3/a。合计减少无效损失量(无效潜水蒸发量、地表及地下水出流量)0.274亿m3/a。方案1下,潜水蒸发量还较大,灌区下游的地下水开采量仍大于补给量,地下水埋深仍在继续增大,因此还不能从根本上解决潜水蒸发损失和下游地下水埋深增大的问题。与现状方案相比,方案2减少无效潜水蒸发损失为0.411亿m3/a,减少幅度达80%;减少地表排水出流损失量0.425亿m3/a,同时由于下游地下水位的上升而增加地下出流量0.068亿m3/a,因此减少的损失总量为0.766亿m3/a。在不影响灌溉水量并使下游地下水补给和开采达到平衡,使埋深不再增大的条件下,同时减少引黄水量0.394亿m3/a,能够确保灌区地下水的可持续利用。模拟同时表明,如果对水稻采用节水灌溉措施只会使水稻种植区的地下水位略微