基于区域回归水重复利用的理论灌溉水利用系数研究

王小军，易小兵，王海丽，钟伟强，孙春敏(.广东省水利水电科学研究院，广州 50635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 50635)

0 引 言

灌溉用水从水源到形成作物产量过程中，水量损失主要有渠系的渗漏、无效弃水、地表流失、水面蒸发和作物叶面蒸腾及棵间土壤蒸发等。导致农业灌溉用水的效率较低，国家“十二五”经济社会发展纲要和实施最严格水资源管理制度都将农田灌溉水利用系数作为主要的水资源控制指标，并明确要求到2015年，全国平均农田灌溉水利用系数要提高到0.53以上。现行提高灌溉水利用系数的主要措施从减少渠系输水损失，提高渠系水利用系数、减少田间无效耗水，提高田间水利用系数等方面进行。同时，因为在灌溉用水过程中，随着空间尺度的变化，灌溉回归水的重复利用是影响灌溉水利用系数的重要因子之一[1]，国外有学者指出，并非所有节约的取用水量都是节水量，严格意义上只有所减少的不可回收水量才属于真实节水量[2,3]，其核心就是尽可能地采用先进节水技术、减少水资源的浪费，提高水资源的利用效率，减少无效回归水作为灌溉节水更有其实际意义。国内一些学者也提出了一些考虑灌溉回归水重复利用的指标，如蔡守华在传统上的渠道水利用效率、渠系水利用效率和田间水利用效率指标基础上新增加了“作物水利用效率”指标[4]；陈伟等在计算节水量上认为在计算灌溉节水量时应扣除在某个特定区域内地表灌溉损失后作为地下水可重复利用的水量，同时提出了在回归水重复利用概念上的节水灌溉水资源利用系数的概念[5]，但没有明确计算中涉及的参数和计算方法；彭世彰对提高灌溉水利用系数的措施，从加强回归水的重复利用，减少渠首灌溉引水量等方面进行了分析[6]。因此，探讨一种考虑灌溉回归水的区域大尺度上重复利用下的理论灌溉水利用系数的计算方法就尤为关键。

1 理论与方法

1.1 农田灌溉回归水产生原因

农田灌溉回归水是指灌溉水由田间、渠道排出或渗入地下并汇集到沟、渠、河道和地下含水层中，成为可重复利用的水源。其产生的原因主要有以下方面：灌溉渠道的渗漏、退水和跑水；田间渗漏流失的水和稻田的排水；盐碱地的冲盐洗碱排水或涝渍地排水。主要是因为灌溉用水具有尺度效应，从水资源管理角度和开发利用角度来看，空间尺度上可分为田间灌溉用水、灌区灌溉用水和区域灌溉用水[7]；水源尺度可分为地表水灌溉用水和地下水灌溉用水[8]。由于施用于灌溉水利用效率的原理不同，表现在不同尺度的效率不尽相同，如对于灌区而言，减少渠道输水过程中的蒸发渗漏损失的渠道衬砌改造措施实施后，灌区范围内渗漏补给地下水的可重复利用的回归水量将相应减少；从田间来说，其节水量表现为减少的从渠道引入的灌溉用水量；而从灌区尺度来说，该项措施的节水量实际应为渠首减少的引水量再扣除造成的回归水的减少量[9]。同样对田间整治、工程配套、灌溉技术等其他措施实施后而减少节水量，也存在着作物实际需水量和耗水问题。因为农田灌溉水利用系数计算中，作为区域灌溉用水，如果以单一灌区来说，灌区渠系和田间产生的渗漏水、退水、跑水属于灌溉水的损失，但这部分水量在下游可重新被重复利用作为当地的灌溉水源[10]。因此，国内外专家学者研究表明，真实农田灌溉水利用系数计算的关键在于回归水在不同尺度上的厘清和重复利用量的合理计算，因此，对大尺度、大区域而言，农田灌溉用水并没有以单一灌区计算的那么低，而对于这部分水循环利用量的计算也没有一个很好的方法。

1.2 区域农田灌溉回归水的计算方法

基本思路：灌溉水在灌区系统传输以及农田利用的过程中，除了一部分消耗于作物吸收、区间蒸发和深层渗漏外，还有相当一部分水量由于跑、漏、渗等原因进入下游田块、排水沟道、区间中小型蓄水设施或河流，又被下游重新利用，如此反复，直到消耗完毕或流出灌区边界，在不考虑区域内部具体的水文响应过程和田间尺度的重复利用前提下，只注重区域水量平衡要素，不同区域间则通过蓄用水设施之间的水力学特性建立联系，并以此实现灌溉回归利用系数随尺度扩展。

1.2.1综合灌溉定额计算

用统计分析法对不同区域各类灌区各年的实际灌溉用水情况进行统计分析，从中推求各区域主要作物的灌溉定额和年综合灌溉定额。在分析区域内各种典型作物灌水定额的基础上，以每种作物的面积为权重，加权平均计算制定。考虑不同作物种类和灌水定额的不同，选取当地种植比例较大的典型作物以种植面积为权重，分析计算本区域综合灌溉定额。

以不同作物的种植面积为权重，分析计算区域综合灌溉定额用下式：

(1)

式中：M为综合灌溉定额；i为作物种类和对应的面积的数目，i=1，2，3，…；mi为第i种作物灌溉定额，m3/hm2；si为第i各种作物的种植面积，hm2。

1.2.2水量平衡计算净灌溉用水量

作物灌溉定额主要取决于作物耗水量和农田对雨水的利用量，作物耗水量含蒸腾蒸发量和农田渗漏量。目前比较公认的方法是根据农田水分平衡原理进行计算，适用于旱作物灌溉、水稻灌溉、作物套种等，

(1)水稻单位面积净灌溉用水量。水稻净灌溉用水量理论上包括泡田期用水量、生育期用水量、育秧期用水量等四部分，育秧期用水量很小，因此，在实际计算水稻全生育期单位面积净灌溉用水量时往往忽略不计。水稻全生育期单位面积净灌溉用水量计算公式见下式：

M=ETc+Fd+Mo-Pe-Ge

(2)

式中：M为水稻单位面积净灌溉用水量，mm；ETc为水稻蒸腾蒸发量，mm；Pe为水稻生育期内的有效降水量，mm；Fd为水稻全生育期适宜渗漏量，mm；Mo为插秧前的泡田定额，mm，可根据当地灌溉试验或灌溉经验确定；Ge为水稻全生育期地下水的利用量，mm。

作物系数、雨水利用率、泡田期用水量、稻田渗漏量及旱作物地下水利用量等各项指标采用灌溉试验经验值。

(2) 旱作物单位面积净灌溉用水量.旱作物单位面积净灌溉用水量计算公式为：

Mi=ETci-Pei-Gei+ΔWi

(3)

式中：Mi为第i种作物单位面积净灌溉用水量，mm；ETci为第i种作物的蒸腾蒸发量，mm；Pei为第i种作物生育期内的有效降水量，mm；Gei为第i种作物生育期内地下水利用量，mm；ΔWi为第i种作物生育期始末土壤储水量变化值，mm。

1.2.3彭曼公式计算作物需水量

作为联合国世界粮农组织推荐的利用彭曼公式计算作物需水量的方法，其精度相对较高，并且计算简单方便。利用彭曼公式主要是在收集气象资料的基础上进行计算参考作物腾发量ET0，结合Kc计算作物需水量。因而计算作物净灌溉定额(以水稻为例)计算式(2)中的ETc(作物的蒸腾蒸发量) 可由计算得到。

1.2.4基于水量平衡的回归水量计算

对于一般意义上的水量平衡而言，各种途径的来水量与用(耗)水量之差为田间土壤蓄水量变化，即：

∑W来水-∑W用水=∑ΔW土壤储水

(4)

式中：∑W来水为来水量之和，mm；∑W用水为用水量之和，mm；ΔW土壤进水为田间储水变化量，mm，包括田间渗水变化量与耕作层土壤水分变化量。

P+IR+RΔl-ET-Fd=ΔW土壤储水

(5)

式中：P为降雨量；IR为灌水量，mm；RΔl为区间回归水变化量，mm；ET为作物蒸腾蒸发量，mm；Fd为深层渗漏量，mm；其他同前。

对于以年度时段来计算时，土壤储水量变化可看作常量，而降雨量及灌溉水量可由实测获得，作物蒸腾蒸发量、深层渗漏量则依据气象资料、灌溉试验、土壤质地等相关资料计算获得，则未知的区间回归水变化量可由水量平衡法计算得到。

具体实现上，因为深层渗漏量、有效降雨量和地下水利用量只有通过试验现场获取，给计算带来一定的难度。因此，尝试利用“黑箱理论”将不可准确测定的3个指标作为待定变量来处理，而利用可测数据来反推该数据。具体思路就是利用水量平衡法和彭曼公式法计算灌溉定额原理的相同点来推求，即假定Mi=ETc+Fd+Mo-Pe-Ge中，左式Mi是相等的，而如果ETc和Mo已知，则Fd、Pe和Ge三项统一作为一个变量可以求出，而不再细化三者之间具体的量和相互转化关系，为简化计算提供了可能。

水量平衡法利用32个灌溉试验站的多年实测各项指标进行Mi的计算，放大到区域尺度也主要是受不同土壤质地变化的影响，在区域土壤质地变化不大的前提下，全年度土壤含水量变化影响结果，各量有一定的共性，而彭曼公式法可方便地计算ETc，因此，利用两种计算方法的差值就可求出广义上的灌溉回归水重复利用部分。

2 实例与分析

2.1 灌溉定额法计算灌溉用水量

要获得全省长序列不同作物的年度灌溉定额，需要通过灌溉试验站实测的方法进行，而此项工作需要多年度积累，工作量面大量广，需要耗费大量的人力、物力和财力，在现有的基础设施条件下，开展难度较大。同时，灌溉定额是站点试验定额，推延到大区域面上受多种因素影响，以点推延到面时非常困难。因此，本文计算多年农业灌溉用水量时，在没有年度全覆盖站点实测不同作物灌溉定额的条件下，采用《广东省一年三熟灌溉定额》中32个灌溉试验站1960-1992年长序列不同灌溉保证率和不同土壤质地(分为壤土、黏壤土和砂壤土三种类型)各站点多年以及不同频率平均灌溉定额[11]，利用等值线图插值得到区域灌溉定额，以区域面积为权重，加权得到各地市综合灌溉定额。

2.1.1种植面积和灌溉面积数据口径的统一

广东省农作物的种植，粮食作物以水稻为主，其次经济作物和其他作物等，各种作物种植在不同部门数据的统计中，按不同的需求进行相应的分类统计。由于在播种面积和灌溉面积上，不同部门的统计口径不同，导致在分析种植结构对应的灌溉面积时，作物播种面积和对应的灌溉用水量统计数据往往不匹配。在分析中按主要以种植面积上的灌溉作物来推算，非灌溉面积内的相同作物排除在计算之外，对于不好区分的，其比例按播种面积水田(不包含水稻播种面积)/灌溉面积(不包含水稻灌溉面积)的比例求算。最后，根据种植面积和其不同的灌溉定额进行加权平均计算综合定额。

2.1.2按每年不变的均值化“不变定额”计算年度灌溉净用水量

“一年三熟”综合灌溉定额作为广东省传统的主要复种模式，主要以早稻、晚稻和冬种作物，在较长的一定时期内具有相对的稳定性，是32年的多年平均值，因此各年度在计算时都采用不变的多年定额均值，只是在具体使用中按当年降水量频率不同，选用不同保证率下的定额，为了便于计算，将降水频率分为90%、80%、75%和50%4个档次。在此基础上用平均灌溉定额乘以各市当年实灌面积，得到各市年度理论农田灌溉净用水量。因为该方法采用的是各年灌溉定额计算方法不变，只是对应不同降水频率，故称为“不变定额”。

2.1.3按每年种植结构变化的“浮动定额”计算年度灌溉净用水量

在实际应用“一年三熟”综合灌溉定额时，因为作物种类、种植结构、灌溉方式等是一个动态的变化过程，一般超过5～10 a必须根据变化的情况对灌溉定额进行修订，以更符合生产实际，但因为各种原因导致灌溉试验资料的中断，给定期的定额修订造成很大困难，因此多年来都一直采用这一原有定额，而20多年来，各市作物种植结构发生了很大的变化，再沿用以前种植结构下的定额，计算结果难免出现偏差。在灌溉方式基本没有变化的前提下，各年度各市作物结构的变化将导致相应作物面积比重变化，对综合灌溉定额有一定的影响，为了消除这种影响和并较为合理科学地反映变化，需要对各市按年度实际种植结构对“一年三熟”灌溉定额进行修正。主要思路是，在“一年三熟”综合灌溉定额的基础上，以单一作物的灌溉定额和面积比重为权重进行综合灌溉定额的修正，因为这种综合灌溉定额各年度随作物结构变化而变化，故称为“浮动定额”，通过这种方法希望使得定额结果更贴近实际情况。具体过程如下：

(1)按各市、各年度的降水量查找对应降水频率下的“一年三熟”灌溉定额。先按所在县/区各年度的降水量查找对应降水频率，再通过降水频率(90%、80%、75%和50%)对应查找相应的“一年三熟”灌溉定额值，有些县/区没有灌溉试验资料序列的，按相近站点的代替，然后计算得到各市各年度的平均灌溉定额。

(2)计算各市各年度作物种植结构 (不同作物占播种面积的比重)，因为“一年三熟”灌溉定额整编截止年份为1992年，因此以1992年种植结构为基期，各市各年度种植结构与1992年的差值作为种植结构的修正权重。

(3)因为“一年三熟”灌溉定额以水稻为主要作物，在作物结构变化后，不同种类作物播种面积的减少都对应相应灌溉定额权重的减少，而不同作物播种面积的增减有此消彼长的现象，对变化后的综合定额有相应的影响。因此，对照1992年作物结构，各年以水稻比重作为定基，按水稻多年平均灌溉定额与各作物多年平均灌溉定额的差值作为灌溉定额修正权重，此权重有正有负。

(4)由各类定额变化求出定额增减值乘不同作物的占比，得到各市各年度按作物结构调整后的综合灌溉定额。

(5)用修正后的综合灌溉定额乘以各市当年实灌面积，得到各市年度理论农田灌溉净用水量，各年度全省理论农田灌溉净用水量，见表2。

2.1.4两种计算方法结果分析

按“不变定额”计算的全省1997-2011年年均理论农田灌溉净用水量为121.21亿m3，理论灌溉水利用系数年平均值为0.581，而采用按种植结构调整后的各年“浮动定额”计算的年均理论农田灌溉净用水量为117.19亿m3，理论灌溉水利用系数平均值为0.563，后者比前者的净灌溉用水量减少了1.86亿m3，灌溉水利用系数平均值降低了0.02，说明按种植结构调整后各年浮动“一年三熟”灌溉定额计算灌溉净用水量的方法比较客观。

2.2 彭曼方程计算全省年度作物需水量

广东省按区域划分为粤北、粤东北、粤西北、粤东、粤中和粤西6个区域，各区域在气候、地貌、农业状况、种植结构、产业经济等方面具有一定的共性。利用代表站点气象资料各年逐日计算指标(包括最高气温、最低气温、日平均相对湿度、日照时数、日平均风速、降雨量)数据计算区域作物蒸腾蒸发量和作物需水量。具体过程如下：

(1)彭曼方程计算ET0。在整理多年气象站点数据的基础上，利用彭曼方程计算各站点多年各月ET0，各站点各月ET0多年平均值比较见图1(b)。各月参考作物蒸腾蒸发量以湛江最高，韶关最低，具有很强的规律性，而其他各站变化交替，ET0差别不大。各站点年度ET0多年平均值比较见图1(a)，

各年度参考作物蒸腾蒸发量仍以湛江最高，远高于其他各站，仍以韶关最低，但与除湛江外的其他各站差异不大。对于全省各市采用值，以6个地理分区所在市代表气象站点的计算结果来代替，这种代替因站点太少，对各市大区域来说，难免对计算精度有影响，本计算尝试利用该数据进行计算方法和初步结果的分析作为参考，为后续细化工作提供基础。

图1 广东省区域代表气象站点多年和各月平均ET0变化图Fig.1 Changes chart of regional representative meteorological site years of annual average and each month average ET0 of Guangdong Province

(2)作物系数Kc值的确定。

因为实际灌溉试验中不同的作物其气象因子、作物因子、土壤水分状况、耕作栽培措施及灌溉方式也有不同，对于广东省大田水稻，全省已有从事相关工作几十年的基础，获得了早稻、晚稻等主要作物系数，为计算提供了便利，其他作物如香蕉、玉米、甘蔗、番薯等参照灌溉试验资料和相邻省份资料[12]或从FAO-56中查找[13]。为了便于比较和计算，各类作物系数按分段Kc值计算得到全生育期平均值，具体取用值见表1。

表1 主要作物全生育期Kc平均值Tab.1 Mean Kc in the whole growth period of major crops

注：其中水稻分南片和北片，南片Kc取1.424，北片Kc取1.352。

(3)作物腾发量ETc计算。种植作物的需水来源主要是降雨和灌溉水，而土壤水也间接来自上述两个来源，因此，以需水来源口径，对于同一地块上的作物折算全年总需水量，这中间就包含了该地块上不同作物的各自需水量。利用各气象站点月ET0和Kc取用值计算得到每种作物ETc，以作物结构比重作为权重(权重取值和利用水量平衡法一致)计算得到加权ET0值，利用各市加权ET0值乘以相应市各年度灌溉面积得到计算区域的作物总需水量，区域总需水量与灌溉净用水量的比例，故称为“理论需用水系数”。

2.3 理论灌溉水利用系数和回归水利用系数计算结果

种植结构年际变化下，以“浮动定额”法计算区域理论农田灌溉净用水量和以彭曼公式法计算区域农田需水量的基础上，从理论上来讲，作为表征农田净灌溉用水的两种方法，彭曼公式法计算的需水量是作物生理真实用水量，而通过水量平衡法以“浮动定额”计算理论农田灌溉净用量则包含了为了保证灌溉系统良性运作和作物生长、环境系统稳定的次真实用水量，而彭曼法和浮动定额法差值的中间这部分水量就是狭义上的可重复利用的灌溉回归水，其与农田灌溉净用量的比值本文将其以“灌溉回归水利用系数”指标来表征，两种方法计算结果对比见表2。

表2 广东省1997-2011年两种理论农田灌溉水利用系数计算结果和灌溉回归水利用系数比较表Tab.2 Comparison table of two theoretical farmland effective utilization coefficient of irrigation water calculation results and return water from 1997 to 2011 of Guangdong Province

注：农田灌溉毛用水量为水资源公报计算值；理论农田灌溉净用水量(1)为按各年“不变定额”计算的全省年度灌溉净用水量；理论农田灌溉净用水量(2)为按种植结构调整后各年“浮动定额”计算的全省年度灌溉净用水量；相应的理论农田灌溉水利用系数(1)、(2)对应各自计算结果；理论需用水系数为彭曼法灌溉需水量与理论农田灌溉净用水量(2)的比值；表中2009-2011年度因公布的种植结构统计数据口径变化，导致这三年的数值较序列其他年度离差较大，仅供参考。

2.4 理论灌溉水利用系数和回归水利用系数的年际变化趋势分析

1997-2011年，农田灌溉用水量占农业用水总量的比重多年平均为0.86，由1997年的0.84下降到2011年的0.69，中间有较大波动，其中以2008-2011年下降较为明显，而利用水量平衡法中“浮动定额法”计算的理论灌溉水利用系数变化幅度与利用彭曼法计算的理论需用水系数变化趋势较为同步，多年平均值分别为0.56和0.73，均在1997-2008年间波动较小，而2009-2011年间急速上升。理论灌溉水利用系数阶段变化幅度大于理论需用水系数，两者的差异逐渐缩小。灌溉回归水利用系数多年平均值为0.27，最大值为1999年的0.351，最小值为2011的0.058。

从图2中各指标的总体趋势可以发现，从2006年之后广东省的理论灌溉水利用系数和理论需用水系数快速上升，而灌溉回归水利用系数下降较快，与通过实测的样点灌区年度灌溉水利用系数结果变化趋势较为一致，说明这种计算区域理论灌溉水利用系数的方法具有一定的可靠性，而灌溉水利用系数的提高，主要是通过工程节水、田间节水和管理节水来实现的。同时也发现，相比较而言，两种方法计算的理论灌溉水利用系数都远高于采用“首尾测算法”[14]实测的年度全省灌溉水利用系数，对应年度(2005-2011年)年均高0.16，其原因主要在于，“首尾测算法”实测灌溉水利用系数为针对地表灌溉水和某一特定区域(灌区)尺度上的测算结果，没有考虑大区域尺度上的灌溉回归水的重复利用，这一点从理论灌溉水利用系数的上升而回归水利用系数下降可以看出来。因此，对大尺度上的灌溉水利用系数，综合考虑灌溉回归水后的计算结果才是较为真实的用水状况反映。

图2 两种方法计算的理论灌溉水利用系数和回归水利用系数比较Fig.2 Comparison of two ways calculated the theoretical irrigation water utilization coefficient and return water utilization coefficient

3 结 语

(1)以“一年三熟”灌溉定额为基础，按“不变定额法”计算的广东省1997-2011年多年平均理论灌溉水利用系数为0.58，按各区域年度作物种植结构变化修正后的“浮动定额法”计算的多年平均理论灌溉水利用系数为0.56，计算结果与2005-2011年度利用“首尾测算法”实测的结果进行了对比，发现理论灌溉水利用系数比实测值年均高0.16，说明灌溉回归水的影响客观存在，全省灌溉水利用系数的提高是以通过防渗工程、田间节水和用水管理为主综合作用导致灌溉回归水利用系数的下降表现出来。

(2)采用彭曼公式法计算的各年度年均理论需用水系数为0.73，广义灌溉回归水利用系数为0.27，年际间变化总体表现出灌溉水利用系数上升而回归水利用系数下降的趋势，尤其以2009-2011年最为明显。

(3)主要对计算方法的可行性进行了研究，为了提高计算的精度，在区域作物蒸腾蒸发量计算需要有更多气象站点的历年数据，以便数据的准确性，还应进一步考虑土壤水分调控及补偿生长效应等影响因素，需要合理选择ET0、Kc及Ks的计算方法或参数的确定方法。在综合考虑作物冠层的生长发育、作物种类与生长阶段、气候条件、土壤水分及灌溉降雨等因素后，根据试验资料确定的主要农作物的作物系数Kc，以便具有较好的代表性和实用性。

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