农业节水问题的几点认识 张蔚榛 一、井渠结合灌溉是农业节水的重要措施 1.井渠结合的优点 （1）井渠结合灌溉具有开源与节流的双重作用。不仅可以利用降雨和河道补给的天然地下水资源，还可以利用灌溉入渗补给的地下水量，开辟新的水源，同时也节省地表水的取水量达到节流的目的。 （2）以地下含水层作为地下水库，对地表水进行调蓄，供河流来水少的季节或作物需水高峰时期灌溉之用。在灌区规模较大的情况下，各灌域（或干渠）的水量输送和调配在时间上有很大差异，且局部地区种植作物不同，需水在数量和时间上的要求也不相同，利用水井提取地下水可灵活地适应作物的灌水要求，克服渠灌统一取水，在时间上不够及时的缺点。 我国北方平原地区缺乏适当的山区蓄水设施常修建平原水库满足灌溉用水的需要。平原水库的水深较小一般仅有1～3m而干旱半干旱地区蒸发强烈年蒸发量至少在1m以上蒸发与渗漏损失占有很大比重采用井渠结合利用地下水含水层作为地下水库调蓄地表水灌溉入渗补给的地下水供缺水季节使用。由于地下水埋藏在地表以下发生在灌区耕地的潜水蒸发可以直接为作物利用蒸发渗漏损失可较地表平原水库大为减少较之地表平原水库具有更大的优越性。 （3）实行井渠结合可以显著提高灌溉水的有效利用率。现以某大型灌区为例分析井渠结合对提高水的利用率所起的作用。该灌区有总干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠和毛渠等七级渠道各级渠道水的有效利用系数分别为0.93 0.786 0.827 0.824 0.824 0.850 0.861田间水的有效利用系数为0.71，灌溉水的有效利用系数为0.213。若按干渠以下各级渠道全部防渗考虑防渗后有效系数分别达到0.95则衬砌后灌溉水有效利用系数为0.485单纯渠系防渗水的利用系数可提高0.272。 若仅在干渠、分干渠衬砌则灌溉水的有效利用系数为0.354。若采用井渠结合，灌溉损失的水量中有80%渗入补给地下水，若这部分水量中的10%用于排盐，则可开采的地下水仍有总引水量的41.6%。在实行井渠结合的地区灌溉水有效利用系数可达到0.77（渠灌灌溉水有利用系数0.362加上地下水可利用量的比率0.41）井渠结合可提高水的利用系数0.515。 如果有1/2的面积实行井渠结合，则单纯通过井渠结合可提高水的利用系数0.262与全防渗的效果基本相当。 （4）实行井渠结合，可根据不同季节对地下水位的控制要求，有计划地安排井灌与渠灌的水量和灌水时间，有效地控制地下水位，达到既利用地下水又防止土壤盐碱化的目的起到井排的作用。在井渠结合地区，不需根据防止盐碱化的要求而修建的深度较大、间距较小的排水农沟和毛沟，大大减少排水系统配套工程的工程量。 （5）干旱半干旱地区降雨稀少蒸发强烈表层土壤易产生积盐为了淋洗盐分和保证春播以前土壤墒情常在生长期末的秋季或播种前的春季利用大定额的灌水进行秋浇或播前灌水。在井渠结合条件下，秋浇前如控制地下水位在要求的深度则可减少由于潜水蒸发引起的积盐，因而可以减少秋浇定额，达到节水的目的。利用地下水进行秋浇，可以不受渠灌配水在时间上的的限制，灌水时间可以推迟到临近土壤冻结以前，这样还可以减少秋浇至翌年春播前期间的土壤蒸发量和土壤积盐量，因而可以减少秋浇定额，既不影响土壤脱盐又可保证春播墒情。 ２.渠灌区井渠结合联合运用地表水和地下水的形式 （1）水源地的方式。水源地是在灌区上游选取地下水补给条件较好含水层储水和导水性能良好的地区集中开采地下水或部分用来灌溉本区耕地，部分供其他地区灌溉之用，或专门作为水源地供水给临近和下游地区灌溉农田。这种井渠结合方式的优点是布井集中，输电线路短，投资较小便于管理。 在地下水来源主要为灌区内部渠系和田间灌溉水补给而开采强度又较大的情况下以水源地开采地下水的方式应慎重采用。 （2）灌区内渠灌区与井灌区相邻布置的方式。在这种布置方式下灌区内部可分为相邻的渠灌区和井灌区两部分，井灌区作为地下水的开采区，渠灌区作为地下水的补给区。这种井渠结合方式的优点同样是布井集中，输电线路较短，投资较少。在缺乏外区地下水的补给条件下，必须使地下水的开采量与渠道渗漏和田间灌溉水对地下水的补给量保持平衡为此，井灌区与渠灌区的面积必须保持一定的比例视开采量和灌溉渗漏量和降雨补给量的大小而定例如，12 13。集中连片的井灌面积不宜过大，否则将造成开采区地下水埋深过大，使水井抽水的费用提高，而渠灌补给区的地下水位的埋深又过小，在非灌溉的易于返盐季节，地下水位难以达到防止土壤盐渍化的要求。 （3）灌区内井渠并用，或同时采用地表水和地下水两种灌溉水源，或在时间上交替使用的灌溉方式。 例如河南省人民胜利渠灌区陕西省泾惠渠灌区新疆北疆的五家渠灌区的大部地区都是采用这种井渠结合的形式。 在这种布置方式下井渠结合区内同时有渠灌和井灌两种灌溉设施，河水紧张季节井水和渠水并用或单纯采用井水灌溉河水丰富时期采用渠灌，易于积盐季节到来之前采用地下水灌溉。地表水和地下水的灌溉水量和时间的安排必须满足地下水采补平衡和控制地下水位的要求。这种方式的最大优点是可以充分发挥地下水库的作用 有效地根据作物生长和防止土壤积盐的要求控制地下水位是平原地区最常用的井渠结合布置方式。但采用这种灌溉方式时在整个井渠结合灌区都需要同时布置渠灌和井灌设施。 3.灌区井灌与渠灌用水量比和渠灌节水量 在井渠结合灌区井灌水量与渠灌水量比例除保证耕地农作物用水需要外需要使周边非耕地保持适当的地下水埋深以维持天然植被的存活。为了灌区的持续发展还需要满足地下水采补平衡盐分补排平衡的要求避免地下水超采，并防止灌区积盐。 我国北方缺水地区气象、土地利用和水文地质条件有很大差异特别是降雨量和土地利用条件差别很大。例如，华北平原年平均降雨在500～750mm；陕西关中地区年平均降雨在530mm左右土地利用系数较高；宁蒙河套地区、河西走廊、青海和新疆北疆的一些地区降雨在130mm～200mm而新疆南疆的大部地区年降雨均在50mm以下蒸发强烈土地利用系数较低各地地下水补给排泄条件也有很大差异，因此各地井灌水量与渠灌用水比例也有显著差异应根据各地的具体条件确定。 井灌水量与渠灌水量的比例一方面决定于降雨量与蒸发量和作物的需水量另一方面也决定于土地利用系数和水文地质条件。 我国半干旱和半干旱半湿润地区井渠结合灌溉在河南人民胜利渠灌区和陕西泾惠渠灌区已有成功经验。 人民胜利渠灌区多年平均降雨量620mm，灌区复种指数为1.70。在采补平衡和地下水位在2～4m的条件下，干旱年、中旱年、平水年、湿润年井灌水量与渠灌水量比分别为0.46，0.50，0.60和0.65。泾惠渠灌区多年平均降雨量540mm，复种指数为1.65。80年代提出井灌与渠灌用水比例为0.67，但1985年以来，地下水位持续下降，根据灌区用水和地下水位资料初步分析，确定适宜的井渠水比例应为0.4～0.5左右。 西北干旱地区生态环境脆弱降雨稀少蒸发强烈在缺乏人工灌溉的条件下天然植被主要靠地下水对根层补给的水量而存活。如地下水缺乏天然补给地下水位将由于植被和土壤蒸散发消耗而下降。随着地下水位的下降天然植被吸取不到生存所需水分将逐渐消亡。在天然植被减少到一定程度后，将导致土地的荒漠化。 在人工灌溉地区由于渠道渗漏或田间过量灌水引起耕地和非耕地地下水位的上升在蒸发的作用下盐分向表层聚集如缺乏适当的排水措施又将引起土壤的次生盐渍化。 综上所述合理控制灌区和周边地区地下水位是干旱半干旱地区防止土地荒漠化和盐渍化的关键。为了保持灌区和周边地区的生态平衡，灌区采用的井灌与渠灌用水比例除满足耕地的水资源供需平衡外，还必须满足生态需水和天然植被对地下水位的要求。我国西北干旱地区的河西走廊石羊河灌区、北疆准噶尔盆地的五家渠灌区、玛纳斯灌区、南疆的焉耆盆地和叶尔羌河灌区等均有一定的井渠结合开发利用地下水的经验，但目前尚缺乏系统的总结。 井渠结合灌区井灌可用水量的多少一方面决定于地下水的补给量另一方面也决定于消耗量半湿润地区除灌溉水外还有降雨的补给干旱地区不仅降雨稀少而且土地利用系数低灌溉补给的地下水除消耗于作物灌溉外还要满足非耕地和天然植被的需水量保持盐分平衡所需的排水量在缺乏侧向补给条件的干旱地区灌区，其可利用的地下水量与渠灌水量比应小于半干旱半湿润地区。在采取渠道防渗等节水措施的条件下灌区内井灌与渠灌用水量比一般估计应在0.15～0.2以下。 井渠结合灌区利用了一部分地下水量因而也就比渠灌区节省了地表水灌溉的水量由于地下水是就地开采就地利用水的利用系数高于渠水的利用系数因而在渠首节省出来的毛水量应等于井灌水量乘以净灌水利用系数与渠灌水利用系数之比。在井灌水利用系数为0.9渠灌水利用系数为0.5的情况下其比值应为1.8渠首节省出来的地表水毛水量应是井灌水量的1.8倍。 4.井渠结合条件下的实际农业用水量 在灌区用水量计算中，通常既需要计算耕地的灌溉用水量又需要计算非耕地的用水量。由于分别计算比较困难，田园等提出了“农业用水量”的概念。灌区农业用水量包括耕地的腾发量和非耕地的蒸发量，以及农村生活用水和牲畜用水。非耕地的蒸发量包括村庄、道路、河流、坑塘的蒸发和荒地、草地和林带的腾发。农业用水量不包括工副业生产的用水量。 根据世界银行贷款“加强灌溉农业”项目，河南、河北、山东等省可行性研究报告资料，2010年水平各省设计的农业用水量与大型灌区改造规划资料，山东、河南两省引黄灌区现状毛灌溉水量对比，在井渠结合灌溉和合理的农业管理条件下毛灌溉水量仅有90～170mm而目前河北、河南、山东等地设计毛灌溉用水量则多在460～630mm表明设计的毛灌溉定额高于实际的农业用水量，在井渠结合的条件下灌溉节水具有很大潜力。 5.关于正确处理渠道防渗和井渠结合的关系问题 渠道衬砌和井渠结合是两项重要的灌溉节水措施。渠道衬砌可以直接减少渠道的渗漏量，在田间作物实际用水量一定时，可以提高渠系水的有效利用系数，提高渠道的允许水流速度，减少渠道断面面积，加快输配水速度。我国北方一些灌区位于北纬40°以北冬季冻层深度达1.0～1.2m，妥善解决渠道衬砌防冻胀是保证防渗效果的关键问题。从防冻胀安全和防渗节水效果的角度，防渗渠段应选在地下水位埋深大、土壤透水性强的地段。通过透水性弱的黏性土壤的渠道（段）和地下水位高的渠段，由于受地下水顶托，渠道渗漏损失较小， 并不一定需要进行渠道防渗 。斗、农渠一般实行轮灌，输水时间较短，防渗效果较长期输水的渠道为小斗农渠以下田间渠道的渗漏，可以比较均匀地补给地下水。因此，在施行井渠结合的条件下，斗农渠以下田间渠道并不一定需要进行衬砌。但在土壤含盐量和地下水矿化度高的地区，从防治土壤次生盐碱化的角度看，必须进行渠道防渗。 渠道衬砌虽然具有良好的节水效果，但井渠结合灌溉同样可以提高水的利用系数，在灌区节水改造中，应紧密结合灌区的自然条件，对渠道全部防渗方案与部分渠道（如干渠、分干渠）防渗和实行井渠结合方案进行对比，从灌区水资源供需平衡、节水的程度，要求达到的灌溉水的有效利用系数和水分生产率等，进行投资和效益分析比较最后确定实施方案。 6.关于灌区地下水的开发利用问题 根据北方平原和盆地灌区资料现状条件下地下水的补给主要来自降雨和灌溉水的入渗垂直补给占整个补给量的80%～90%以上。由于地下水补给量基本上是均匀分布于整个灌区灌区的地下水开采也应采取就地补给就地开采的井渠结合的方式而不适于在灌区内采取集中开采的水源地方式更不宜在城市集中开采地下水。目前在一些灌区水资源开发利用规划中将灌区内由于灌溉和降雨补给而获得的地下水量与地表水一起分配给工业用水和生活用水，这种做法将会带来严重的后果因为地下含水层中的地下水与地表水不同不能任意从一个地区向另外一个地区转移。如前所述，灌区的地下水补给强度一般不超过200mm，但集中开采的城市水源地开采强度常在4000mm/a以上，在持续开采的情况下将出现大面积地下水位下降漏斗和地面沉降等一系列环境地质问题。灌区内由降雨和地表水灌溉补给而形成的地下水除将一部分优质地下水用于城镇和农村生活用水外应主要通过井渠结合再用于灌溉城市工业用水应主要由地表水供水来解决。 二、田间节水措施的显著节水增产效益 非工程节水措施相对投资较少，可以直接减少农作物对水量的消耗量，田间水管理措施节水灌溉制度和农业措施所产生的净节水量是实际节省的水资源量在渠系水有效利用系数为0.5的情况下田间节省1m3水就可以自渠首少引2m3水因此，田间节水较之渠系节水可以发挥更为显著的直接节水效益。我国北方地区水资源紧缺，自其他地区或流域调水需要巨大的投资，用于灌溉，农民将难以承受，在年降雨量为600～700mm的华北平原地区的农业灌溉用水问题应主要依靠充分利用当地和本流域水资源，包括降水、当地地表径流和地下水）通过联合运用地面水地下水进行灌溉结合农业和非工程节水措施加以解决。自外流域的调水应主要用于补充城市工业和生活用水的缺水量。在这些地区田间节水措施应是解决地区水资源紧缺问题的根本途径。 旱作地区采取优化灌溉制度，把有限的灌溉水量在作物生育期内进行优化分配，一定的生长阶段限制对作物的水分供应，在关键时期进行灌水，加大土壤的调蓄能力，增加降雨的有效利用，具有显著的节水效果。旱作地区优化灌溉制度一般可以节水30%～40%。例如，河北平原的石家庄地区50～60年代小麦一般灌水7～8次，通过采取水管理措施与农业措施相结合，目前灌水减少到3～4次。每亩田间净节水150～200m3产量不仅没有减少反而大幅度增加。 综合农业节水措施的实施必须水利部门与农业部门密切配合，分工合作。对节水管理措施和农业措施的推广还必须制定具体规划，分期实施。对地区节水项目的水利和农业措施均须有详细设计，设计中必须明确项目实施后预期达到的目标，达到预期目标的具体措施和实施计划，对各项措施的投资效益估算和资金筹措，项目的负责实施单位和检查单位等均须作出具体安排，以便保证各项节水措施按照设计要求完成。 三、有关农业节水的政策措施 我国农业用水量占全国用水量的70%以上，2030年人口将达到16亿，由于水资源紧缺，工业和生活用水量增加，我国只能在农业用水量保持在现有水平4200亿m3的条件下，保证16亿人口的粮食和其他农产品的需求。目前我国灌溉水的利用率很低，灌溉水的利用系数仅有0.3～0.4单方水的生产效率仅有0.87～1.1kg/m3。为了将水的利用系数提高到0.6～0.7单方水的生产效率达到1.5～1.8kg。农业节水任务十分艰巨，采取各项措施，保证任务的完成是一项巨大的工程。其重要性和艰巨性决不亚于我国的防洪工程、三峡工程和南水北调工程，国家应对农业节水工程与大江大河防洪工程、三峡工程、南水北调工程同样看待。在投资上政策上给予大力支持增加国家对农业节水投入的力度。根据我国大型灌区续建配套节水改造规划资料0.191亿hm2大型灌区改造需投资约1800亿元平均每公顷投资为9900元～10950元。若完成全部近0.6亿hm2灌溉面积和0.667亿hm2旱耕地的农业节水的总投资估计为4000～5000亿元。根据国家现行投资政策，若1/3由国家投资2/3由地方配套和群众自筹数额相当巨大。根据目前我国北方地区，特别是西北地区的经济情况，地方筹措配套资金相当困难，北方不少地区农民人均年收入在1000元以下农民除劳力外，很难有现金投入，在没有足够资金投入的情况下，预期的农业节水任务是难以完成的。考虑到农业节水事关粮食的安全，建议国家将农业节水作为重大举措，大力增加投资力度。根据现行政策，灌区骨干工程的改造（包括流量大于1m3/s渠道的衬砌）由国家投资，而打井、开发利用地下水则属于田间工程，由农民自筹。井渠结合是我国各地经过多年实践证明的有效利用水资源和防止土壤盐渍化的成功经验但至今未能在灌区普遍推广与打井、配套和修建输配电路需要较大投资，群众难以负担，开发利用地下水的运行费用也高于河水水费密切相关。灌区适于实行井渠结合的地区多在灌区的上游和中游，距渠灌水源近，取水方便，地表水费又远低于地下水费，推行井渠结合有相当的难度。为使这一重要措施顺利推广，除建议国家把水井建设和河流取水输水建筑物和骨干渠道的衬砌改造同等看待予以资助外，对井网和输电线路的建设在投资上也应给予支持，并建议在灌区水管理方面采取地面水、地下水统一管理，统一水价，以保证这一重要的灌区改造措施顺利实施。 作者为中国工程院院士，武汉大学教授 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