井渠结合灌区不同尺度水资源高效利用评价与调配研究-水文学及水资源专业毕业论文

'摘要摘要目前我国农业用水效率低，水资源浪费严重，供需矛盾十分突出，水资源己成为制约农业发展的主要因素。井渠结合灌区在农业生产中扮演越来越重要的角色。高效利用井渠结合灌区的水资源对缓解我国农业水资源危机的意义尤为重要。开展井渠结合灌区不同尺度水资源高效利用的评价与调配研究，对于正确认识农业水资源高效利用的真正内涵，改变传统的农业用水发展模式，建设节水高效农业有着十分重要的意义。本文界定了井渠结合灌区水资源高效利用的内涵。围绕该内涵，基于国际水管理研究院(IWMD的水平衡方法，提出了井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析方法，以人民胜利渠灌区为例，研究不同水平年不同井渠结合模式下灌区水资源高效利用评价指标的尺度效应及其演变规律。在此基础上，构建了井渠结合灌区不同尺度的水资源高效利用综合评价指标体系，建立了灌区尺度和田间尺度相结合的井渠结合灌区水盐联合动态优化调配模型，在人民胜利渠灌区进行了实例应用。研究取得的主要成果如下：(1)剖析了井渠结合灌区的概念和系统组成，对井渠结合灌区的主要类型和工程的布置形式做了详细的归纳和总结，分析了井渠结合灌区水资源高效利用的功能，从可持续发展思想和资源可持续利用的实质出发。阐明了从水资源高效利用到灌区水资源高效利用的概念和特点，揭示了井渠结合灌区水资源高效利用的机理，在此基础上，明确界定了井渠结合灌区水资源高效利用的内涵。(2)基于IWMI的水平衡方法，针对井渠结合灌区存在地下水回归利用及渠灌、井灌的投入产出效果不同的实际情况，提出灌溉回归水分析指标和灌溉效益费用分析指标等，作为井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究分析指标，拓展了IWMI水平衡方法的适用性，提出了井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析方法。(3)针对SWAT模型对平原灌区特点及早作物模块考虑较少的缺点，对SWAT模型毛管上升水、地下水埋深、渠道渗漏、腾发量计算模块和旱作物模拟模块进行了修改，并与MODFLOW耦合，构建了分布式地表水地下水耦合模拟模型，采用人民胜利渠灌区实测径流、腾发量和地下水位资料进行了率定和验证，结果表明所构建的模型可用于平原井渠结合灌区不同尺度水平衡要素的模万方数据 摘要拟。(4)以人民胜利渠灌区为例，设置不同灌溉情景模式，将研究区划分为田间、支渠、分干渠、灌区4个尺度，采用构建的耦合模型对灌区不同尺度水平衡要素迸行模拟，研究水分生产率、回归水分析以及效益费用分析指标随尺度的变化规律。结果表明：回归水分析指标灌区尺度优于其他尺度，水分生产率指标和效益费用分析指标田间尺度最优；平水年比枯水年用水高效：在比选灌溉模式时，依据的指标不同得到的结论不同，因此，只有全面考虑各种指标进行灌区水资源高效利用综合评价，才能得到更加准确的结论。(5)根据井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，考虑评价指标的尺度效应，以田间尺度评价为基础，灌区尺度评价为核心，构建了井渠结合灌区田间尺度和灌区尺度的水资源高效利用综合评价指标体系，田间尺度包含了用水效率、经济效益、环境效益3大类6个指标，灌区尺度包含用水效率、经济效益、社会效益和环境效益4大类11个指标，并建立了多层次模糊综合评价模型。(6)在明确调配模型与评价指标关系的基础上，灌区尺度以水分生产函数为依据，建立地表水地下水联合优化调配模型，田间尺度以水盐生产函数为依据，引入临界土壤含盐量、临界地下水矿化度、临界地下水位，建立水盐动态优化调配模型。为了协调平衡各尺度管理主体的利益，将二者耦合建立井渠结合灌区水盐联合动态优化调配大系统分解协调模型，并给出各尺度模型求解方法及耦合模型的运行过程。所建模型可实现井渠结合灌区水盐的多尺度、多维度调控。(7)在人民胜利渠灌区，以2010年为现状年，进行了不同尺度水资源高效利用综合评价与调配应用研究。应用结果表明：所构建的综合评价指标体系和评价模型可行，可为灌区不同尺度水资源高效利用提供决策依据；建立的优化调配模型合理，可对水资源高效利用评价指标进行调控。以2020年为规划年，基于不同水资源调配技术，设置7个灌区水资源调配方案，采用灌区尺度综合评价指标体系和模糊综合评价模型，优选出规划年最佳的灌区水资源高效利用调配方案。关键词：井渠结合灌区；水资源高效利用；尺度效应：综合评价；水资源调配；水盐调配：水盐生产函数：SWAT：MODFLOW万方数据 AbstractABSTRACTAsagriculturalwateruseefficiencyisverylow,andwaterwasteisseriousandthecontradictionsbetweenwatersupplyanddemandarealsoveryprominent，waterresourceshavebecomeamajorfactorrestrictingagriculturaldevelopmentinChina．Thewell-canalcombinedirrigateddistrictwillplayanincreasinglyimportantroleinagriculturalproduction，andthesignificanceofstudyingefficientuseofwaterresourcesinthewell—canalcombinedirrigatedareatoalleviateChina’Sagriculturalwatercrisisisoutstanding．Furthermore，itisnecessarytocarryoutaresearchontheevaluationanddeploymentofefficientutilizationofwaterresourcesatdifferentscalesinwell-canalcombinedirrigateddistrict，Ittakesaveryspecialsignificanceincorrectlyunderstandingtherealconnotationofefficientutilizationofagriculturewaterresources，changingthetraditionalmodeofagriculturalwaterdeveopment，andconstructingwater-savingandefficientagriculture，etc．Thispaperdefinestherealconnotationofefficientutilizationofwaterresourcesinwell．canalcombinedirrigateddistrict．SurroundingitandbasedonthewaterbalancemethodofInternationalWaterManagementInstituteOWMO，ananalysismethodaboutresearchingthescaleeffectsofeffectiveutilizationofwaterresourcesinwell．canalcombinedirrigateddistricthasbeenproposed．TakingthePeople’SVictoryCanalIrrigationDistricfasacasestudy，thescaleeffectandevolutionarylawoftheevaluationindexsystemofefficientutilizationofwaterresourcesundertheconditionofwell—canalcombinedmodelsindifferentlevelyearshavebeenstudied．Onthisbasis，acomprehensiveevaluationindexsystemforefficientutilizationofwaterresourcesatdifferentscalesinwell．canalcombinedirrigateddistrictisconstructed．Thenasoilwater-saltuniteddynamicoptimalallocationmodelcombiningtheirrigationdistrictscalew．iththefieldscaleinwell‘canalcombinedirrigateddistrictisestablished．Finally,bothofthemareappliedinthePeople’SVictoryCanalIrrigationDistrict．Themainresearchresultsareasfollows：(1)Theconceptandsystemcombinationofwell—canalcombinedirrigatedIll万方数据 districthayebeenanatomized，anditsmaintypesandengineeringarrangementformshayebeeninductedandconcluded，furthermorethefunctionofitsefficientutilizationofwaterresourceshasbeenanalyzed．Then，intheperspectiveoftheessenceofsustainabledevelopmentandsustainableutilizationofresources，theconceptandcharacteristicsofefficientutilizationofwaterresourcesandefficientutilizationofwaterresourcesinirrigationdistricthavebeenclarified，andthemechanismofefficientutilizationofwaterresoul_cesinthewell—canalcombinedirrigateddistricthasbeenrevealed．Lastly,theconnotationofefficientutilizationofwaterresourcesinwell．canalcombinedirrigateddistricthasbeenclearlydefined．(2)BasedonwaterbalancemethodofIWMI，consideringtheactualsituationthatthegroundwatershouldberecycledtouseandtheinput—outputeffectbetweencanalirrigationandwellirrigationcanbedifferent,theanalysisindicatorsofirrigationreturnwaterandirrigationbenefit—costareproposedtotakeasthescale—effectresearchanalysisindicatorsofefficientutilizationofwaterresourcesinwell．canalcombinedirrigateddistrict．ThishasexpandedtheapplicabilityofwaterbalancemethodofIWMI．Finally,ananalysismethodsuitableforthescale—effectresearchofefficientutilizationofwaterresourcesinwell-canalcombinedirrigateddistrictispresented．(3)AimingatthedisadvantagesofSWATmodel，whichtakelittleaccountofthecharacteristicsoftheplainirrigationdistrictandthemoduleofdrycrops，thispaperhasamendedsomecalculationmodules，suchascapillarysoilwater,groundwaterdepth，canalseepage，evapo—transpiration，andadry—cropsimulationmodule．Furthemlore．theyareallcoupledwithMODFLOWsoftwaretoconstructadistributedcouplingsimulationmodelofgroundwaterandsurfacewater．Lastly,themodeliScalibratedandvedfiedwiththedataoftheactualmeasuredrunoff,evapo—transpirationandgroundwaterlevelfromthePeople’SVictoryCanalIrrigationDistrict，andtheresultsshowthatthecreatedmodelcallbeusedtosimulatewaterbalanceelementsofdifferentscalesintheplainwell-canalcombinedirrigateddistrict．(4)TakingthePeople’SVictoryCanalIrrigationDistrictasacasestudy,throughsettingdifferentirrigationsituationmodelsanddividingthestudyareainto4IV万方数据 Abstractkindsofscales：field，branchcanal，sub—maincanalandthewholeirrigationdistrict，thecreatedmodelisappliedtosimulatethewaterbalanceelementsindifferentscalesoftheirrigationdistrictinordertoresearchthevariationsoftheanalysisindicators，suchaswaterproductivity,irrigationreturnwaterandirrigationbenefit·cost，etc，withthescales．Theresultsshowthat：theanalysisindicatorofreturnwaterisbenerattheirrigationdistrictscalethanattheotherscales；theanalysisindicatorofwaterproductivityandbenefit—costatthefieldscalearethebest；wateruseishigherefficiencyinnormalyearthanindryyear；butwhencomparingandselectingirrigationmodes，thedifferentconclusionsarealsodrawnbased0ndifferentindicators．Therefore，themorecomprehensiveindicatorsbeenconsidered，themoreaccurateconclusioncanbeachieved，(5)Accordingtotheconnotationofefficientutilizationofwaterresourcesinwell—canalcombinedirrigateddistrict，consideringthescaleeffectsofevaluationindex，basedonthefieldscaleevaluationandfocusing0ntheirrigationdistrictscaleevaluation，acomprehensiveevaluationindexsystemisestablishedatfieldorirrigationdistrictscale，respectively．Here，thefieldscaleindexesfallinto3categoriesofwateruseefficiency,economicbenefitandenvironmentbenefit，withatotalnumberof6．Additionally,intheirrigationdistrictscale，itincludes4categoriesand1iindicatorsclassifiedaswaterutilizationefficiency,economicbenefit，socialbenefitandenvironmentbenefit．Basedonthis，amulti-levelfuzzycomprehensiveevaluationmodelisestablished．(6)Afterdistinguishingrelationshipbetweenallocationmodelandevaluationindexes，asurfacewaterandgroundwaterjointoptimalallocationmodelandasoilwater-saltdynamicoptimalallocationmodelareestablished，respectively，Theformerbelongstoirrigationdistrictscale，andismainlybasedonthewaterproductionfunction，whilethelatterbelongstofieldscale，andismainlybasedonth．ewater-saltproductionfunction，andtheconceptofcriticalsoilsaltcontent，criticalgroundwatermineralizationdegreeandcriticalgroundwaterlevelisintroduced．Inordertobalancethebenefitofdifferentmanagementsubjectineachscale，thetwomodelsarecoupledtocreatealargesystemdecompositioncoordinationoptimizationmodelofsoilwater．saltcombineddynamicoptimalallocationinwell-canalcombinedirrigatedV万方数据 Abstractdistrict；inthemeantime，thesolvingmethodofeachmodelandtheoperationprocessofcouplingmodelaregiven．Theresultsshowthatthebuiltmodelcallachievethemulti．scaleandmulti-dimensionwater-saltregulationofwell—canaJcombinedirrigateddistrict．(7)Takingtheyearof2010ascurrentyear,researchonthecomprehensiveevaluationandallocationofefficientutilizationofwaterresourcesatdifferentscalesisappliedintothePeople?sVictoryCanalIrrigationDistrict．Theresultsshowthatboththebuiltcomprehensiveevaluationindexsystemandmodelarcworkable，anditcanbeavaliddecisionrefefenceforefficientutilizationofwaterresourcesatdifferentscales．Moreover,thebuiltoptimalallocationmodelisreasonable，anditcanbeappliedtoregulatetheevaluationindexesofefficientutilizationofwaterresources-Andthen，takingtheyearof2020asplanningyear,basedonthedifferentwaterresourcesallocationapproach，throughsetting7allocationschemesofwaterresourcesinirrigationdistrict，boththecomprehensiveevaluationindexsystematirrigationdistrictscaleandthefuzzycomprehensiveevaluationmodelareappliedtoachievethebestallocationschemeofwaterresourcesintheplanningyear．Keywords：well-canalcombinedirrigateddistrict；efficientutilizationofwaterresources；scaleeffect；comprehensiveevaluation；waterresourcesallocation；water-saltallocation；water-saltproductionfunction；SWATMODFLOWVI万方数据 目录目录第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1l。1研究背景与意义．。．．．．。。。．。。．11．2国内外研究现状及发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．21．2。l灌区水资源高效利用评价．．．，．。．．．．．．．．．．．21．2．2灌区水资源高效利用调配．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71。3研究目标。．。．。．．．．．．．121．4主要研究内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．121．5技术路线．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析．．162．1井渠结合灌区的结构与功能分析．．．．．．．162．1．1井渠结合灌区的概念和结构组成．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．162．i．2井渠结合灌区的主要类型．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．，．，．172．1．3井渠结合灌区工程枷置形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．172．1．4井渠结合灌区的功能分析．．．，．．．．．．．．．．．．．．．192．2井渠结合灌区水资源高效利用内涵界定．202．2．1可持续发展与资源的可持续利用．．．．．．．．，．202．2．2水资源高效利用的概念．．．．．．．．．．．．212．2．3灌区水资源高效利用的概念．．．．．．．．．．．．．．．．．2．2．4井渠结合灌区水资源高效利用的机理和内涵．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．23第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究．．．263．1研究区概况．．．．263．1．1灌区基本情况．．．．．．．．．．263．1．2水利设施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．263．1．3地下水情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．283．1．4灌区水资源水环境状况．．．●四3．2井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析方法．．．●∞3．2．1尺度划分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．∞V儿万方数据 目录3．2．2水平衡要素分析方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．303．2．3评价指标及量化方法．．333．3实例应用研究．．．．．．．．403．3．1情景模式的设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．403．3．2尺度的划分及评价指标．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．423．3．3人民胜利渠灌区地表水一地下水耦合模型构建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．433．3．4尺度效应及影响机理分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．533．3．5结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．60第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型．．634．1综合评价指标体系的构建．634．1．1指标体系构建的基本原则和步骤．634．1．2指标的筛选分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．654．1．3田间尺度评价指标体系664．1．4灌区尺度评价指标体系．．．．．．684．1．5评价标准和等级的确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．724．2多层次模糊综合评价模型．734．2．1评价模型的构建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．734．2．2权重的确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．744．2．3模糊关系的运算．．．．．．76第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型．．795．1调配模型与评价指标的关系．．795．2以作物需水为核心的地表水地下水联合调配．．．．．．．．．．．．．．．．．．795．2．1地表水地下水联合调配的动态特征和原则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．805．2．2地表水地下水联合调配系统分析与建模．805．3灌区尺度地表水地下水联合优化调配模型．．815．3．1灌区水资源系统概化．．．．．815．3．2模型假定．．．．．．815．3．3灌区尺度调配模型的建立．．．．．．．825．3．4模型求解855．4田间尺度水盐动态优化调配模型．855．4．1作物水分生产函数．．．．．．．．．．．．．．．．85VIIl万方数据 目录一一一一一一～一盯5‘uo‘，u盯5d^^t^，4作水缺物盐水水动敏盐态感生响指产应数函模及数型盐～分一敏～感一指一数一的一确一定躲5．4．5模型假定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．895．4．6田问尺度调配模型的建立．．．．．．．．．．．．．．．．895．4．7模型求解．．．．．．．．．．．．．．．．．．925．5井渠结合灌区水盐联合动态优化调配耦合模型．935．5．1耦合模型的建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．935．5．2耦合模型的运行过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．94第六章人民胜利渠灌区水资源高效利用综合评价与调配．．966．1灌区现状不同尺度水资源高效利用评价．966．1．1灌区尺度水资源高效利用评价．．．．．．．．．．．．．．．966．1．2田间尺度水资源高效利用评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1006．2灌区现状年水资源高效利用调配．．．1036．2．1灌区尺度调配模型主要参数．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1036．2．2灌区尺度模型运行结果及分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1056．2．3田间尺度调配模型主要参数．．．．．．．．．．．．．．．．1066．2．4田间尺度模型运行结果及分析．．．．．．．．1086．2．5调配结果评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1106．3灌区规划年水资源高效利用调配．．．1126．3．1灌区规划年水资源供需平衡分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．1126．置2调配方案设置¨66．3．3调配方案优选¨7第七章结论与展望．．¨97．1研究结论．．U97．2主要创新点．．．．．．．．．挖17．3研究展望．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．他2参考文献坦4个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果．。n2致谢．．．．．．．坞3IX万方数据 第一章绪论第一章绪论1．1研究背景与意义(1)农业用水量大，用水效率低，水资源浪费严重，供需矛盾突出。水资源是支撑国民经济和社会发展的基础性资源，目前我国总用水量约为6000亿立方米，占水资源总量的21．4％，其中，农业是主要的用水大户，我国现有灌溉耕地9．22亿削|1，农业用水量占总用水量的70％左右。当前我国农业用水管理粗放，许多灌区田问工程不配套，工程设施年久失修，灌排渠道损毁严重，水资源浪费现象十分普遍，灌溉水生产率偏低，与世界单方水生产2kg以上粮食的水生产效率相比，我国的水生产效率不足1kg粮食。灌溉水的利用率在0．4～0．6之间，比发达国家低0．2～0．4。随着社会经济的发展、人口的增加，工农业争水矛盾突出，农业用水面临的挑战越来越大，水资源己成为制约农业发展的主要因素。我国目前井渠结合灌区面积超过l亿亩，绝大部分分布在北方地区PJ。井渠结合灌区是随着灌溉方式的进步和时代发展逐渐演变而来的。井渠结合灌区在农业生产中扮演越来越重要的角色。搞好井渠结合灌区的水资源高效利用对缓解我国农业水资源危机的意义尤为重要。本文正是在这种背景下开展井渠结合灌区水资源高效利用评价与调配的研究。(2)井渠结合灌区水资源高效利用调配是建设节水高效农业，缓解农业水资源短缺的有益途径。．井渠结合灌溉是将灌区地表水和地下水两套灌溉供水系统有机结合，地表水和地下水互为依赖和补充的灌溉方式。实行地表水地下水联合调配，可使灌区的地表水和地下水在时空上得到调节，提高作物的供水保证率，还可以利用地下水库的调蓄特性，重复利用灌区渠道渗漏和田问深层渗漏补给的地下水进行灌溉，有效提高水资源的利用率。同时，可通过井灌调控地下水位，防止土壤次生盐碱化的发生和发展，维系着灌区生态的平衡和水的良性循环。因此，有条件的灌区都应开展井渠结合灌溉，井渠结合灌区水资源高效利用调配，是节水、抗旱、防盐、减淤等综合开发利用当地水资源的有效措施，是缓解农业水资源短缺，建设节水高效农业的有效途径。(3)井渠结合灌区水资源高效利用评价研究，对于促进灌区水资源可持续利用具有重要意义。万方数据 第一章绪论高效的利用水资源是实现水资源可持续利用的前提。选择适当的度量指标，建立有序而全面的评价指标体系，正确评价井渠结合灌区水资源的利用效率和综合效益，理清灌区水资源循环转化的复杂机制，识别和诊断影响不同尺度、不同地区和不同类型井渠结合灌区水资源高效利用的限制性因素及其制约程度，是实现水资源利用中经济效益、社会效益和生态效益均衡的基础，也是实现农业水资源高效利用的基础，对于指导灌区提高用水管理和决策水平，使有限的水资源产生最佳的经济、社会和生态环境效益，促进灌区水资源可持续利用具有重要意义。(4)井渠结合灌区水资源高效利用评价和调配研究，对于正确认识农业水资源高效利用的内涵，促进农业高效用水的实现，具有重要学术意义。长久以来，学术界对于农业水资源高效利用的内涵存在争论。早期的研究重点关注农业节水的工程措施方面，造成了农业水资源高效利用过于注重灌溉工程的修建和输配水效率的提高，随着人们对水循环要素时空变异性和水资源高效利用尺度效应的不断认识，近年来，不断有学者提出真实节水等众多概念，尤其在井渠结合灌区，由于回归水的重复利用，在输配水和灌水过程中的渗漏损失，其实不能完全算作损失，如何正确评价井渠结合灌区水资源利用效率和效益，如何调配其水资源达到高效利用的目的，成为科研人员亟待解决的课题。开展井渠结合灌区水资源高效利用评价与调配研究对于正确认识农业水资源高效利用的真正内涵，改变传统的农业用水发展模式，从而实现真正的水资源高效利用有着十分重要的学术意义。l。2国内外研究现状及发展趋势1．2．1灌区水资源高效利用评价1．2．1．1灌区水资源利用效率的评价指标国外对灌溉效率评价指标体系的研究较为重视。Israelsen是最早定义灌溉效率的人，Israelsen将作物生育过程中田间通过作物蒸发消耗的灌溉用水与实际引进田间的灌溉水量的比值定义为灌溉效率(Irrigationefficiency)13]。早期的灌区水资源利用效率评价主要是基于田问尺度来开展，灌区水资源利用效率被定义为产出与投入的比率f4】。1977年国际灌排委员会制定了一个灌溉效率标准，万方数据 第～章绪论将田间灌水效率、输水效率和配水效率三者之积定义为灌溉效率【5J。几十年来，许多灌区水资源利用效率评价指标和方法被提出，Wolters将灌区水资源利用效率指标划分为三种类型：基于水量的评价指标【昏10I；基于水深度的评价指标【；其他标准(大多情况下为产量)的评价指标112]。国内学者在研究水资源利用效率的时候，为了区分这三类指标，将第一类和第二类指标称为水分利用率或利用系数，对于第三类评价指标，大多将其称为水分利用效率(wateruseefficiency，WUE)。WUE被定义为消耗单位水量所生产的经济产品数量【l3I，与水分生产率的含义类似。国内将WUE具体划分为4种类型[14】：①降水利用效率，即单位降水产出的经济产品数；②田问水分利用效率，即单位田问耗水量(包括灌溉、降水、土壤储水和地下水补给)所产生的经济产品产量。田间消耗的总水量即作物全生育期内实际消耗利用的各类水量之和；③灌溉水利用效率，即消耗单位灌溉水量所增加的经济产品产量。这里的经济产品产量必须是因补充灌溉而增加的：④农田总供水利用效率，即单位农田供水所产生的经济产品产量。农田供水为作物全生育期内降水和灌溉水量之和。以上指标都是从工程角度出发，以作物和农田尺度为评价对象的，通常称这些指标为经典效率指标【151。经典效率指标在早期灌溉工程设计和评价中发挥过重要的作用【16。71。但这些指标没有考虑在输配水和灌溉过程中的损失水量可能被再次利用。1．2．1．2灌区水资源高效利用评价的效率和效益问题随着研究的深入，学者们发现了灌溉效率存在尺度效应，即田间用水效率的提高并不能总是与灌区或整个流域用水效率的提高相一致Il8|，如果评价问题的尺度由田间转向灌区甚至更大尺度，经典的灌溉效率指标较高也并不代表较高的生产力或者经济效益，可能只是因为降低了输配水过程中的无益消耗部分[191。Molden和Fraiture在描述灌溉效率的缺点和经济效益的重要性时指出“灌溉效率，即便是流域尺度的灌溉效率这个概念的问题在于它仅仅涉及到水量，而不能表述水资源在不同利用之间的价值问题。”【20】灌溉最优化概念的提出，促使灌溉管理向追求灌溉经济效益最大化转变【2|1。后来有学者在进行灌溉最优化研究时，还考虑了灌溉政策问题、粮食安全问题、环境影响问题以及可持续发展问题¨引。当前的灌区水资源高效利用评价已不再是以经典的效率评价为重点，而是万方数据 第一章绪论更加注重灌溉效益，以效率和效益的评价相结合为核心，而且灌溉效益不再是追求小尺度上的经济效益最大化，而是在灌溉水资源有限的条件下，追求灌区尺度乃至更大尺度上经济、社会和环境的综合效益最优【231。但是，在寻找大尺度上的灌溉效益最优化过程中，小尺度的灌区水资源利用效率指标仍然是基础，具有不可替代的作用。1．2．1．3灌区水资源高效利用评价中的尺度效应随着经济的增长和人口的增加，水资源供需矛盾越来越突出，各行业、各区域对水的需求不断扩大，造成用水竞争愈演愈烈，水资源的优化调配问题显得尤为重要，以灌溉效率为核心的小尺度灌区水资源高效利用评价已经无法适应灌区水资源利用和调配在更大时空尺度上的需求。前已述及小尺度的灌溉低效率而产生的水资源损失对于整个灌区尤其是井渠结合灌区而言，并没有真正的损失，因为大部分回归水都会被重新开采或在下游被重复利用【241。尺度的变化使评价指标的内涵也发生了变化，要正确评价灌区水资源利用的效率和效益，必须考虑灌区水资源高效利用的尺度效应问题u“。灌区水资源高效利用尺度效应多被定义为“时空尺度的变化所引起的不同效果”【26。、“节水灌溉措施在各尺度上的节水效果以及一种尺度上的节水效果在其它尺度上的影响”[271等。目前，灌区水资源高效利用尺度效应研究侧重于时空尺度的变化所引起的指标间相互影响及变化规律以及水资源高效利用措施在各尺度上的利用效果或者在某一尺度上应用的措施对其它尺度上的影响等。多数情况下，传统的水分利用率和水分生产率指标随着尺度的增大而逐渐降低【28】，但Peter在土耳其SRB灌区的研究却发现，灌溉水分生产率是随尺度增大而增大的[291。事实上，采用传统指标进行尺度效应研究得出相反_的变化规律并不为奇，因为传统指标不考虑回归水的重复利用，而且，大尺度中包含了诸多的空间变异个体，这种空间变异性造成的尺度效应没有固定的规律可循。传统水分生产率指标尺度效应研究遇到的挑战，一是分母如何考虑了回归水的重复利用；二是分子如何扩展其内涵，从而满足更大尺度的使用。在小尺度上分子可以用产量来表示，大尺度的水量产出很多情况需要用经济价值进行比较，因此，一些研究开始致力于将水资源生产率评价与水资源经济效益评估相结合[301，当尺度进一步扩大乃至整个国家或全球时，还应进一步考虑社会效益、生态效益、环境效型引J。万方数据 第一章绪论为此，一些学者在传统指标的基础上进行了拓展【l”：一方面是考虑回归水的重复利用【32】；另一方面是拓展用水效益的内涵，提出“有益消耗”和“无益消耗”、“生产性消耗”和“非生产性消耗”的概念【10]。这些新的指标在反映水资源利用效益的内涵上更为准确，也可以用于更大的尺度。但急需一个系统的理论框架对这些指标进行统一，避免各种指标内在关系的理解和指标的使用上出现混乱。国际水管理研究院【33】提出的水平衡方法很好地弥补了这一需求，该框架详细地描述了水资源在某一区域的循环转化和消耗过程，考虑了回归水以及水资源有效利用问题【34I，有助于更好地理解各种指标之间的内在关联，避免出现更多的迷惑和困扰。尽管IWMI提出的水平衡方法的概念清楚，但在实际应用中，其诸多的水平衡要素难以准确获取135|，而且，该框架中的评价指标仅从水资源量的角度来界定损失，没有考虑回归利用中的经济问题。事实上，在重复利用水资源的过程中，有时需要更多的投资，因此，完全忽略水资源重复利用中的经济问题仅从水资源的角度考虑损失是片面的，容易导致对水资源利用状况的“盲目乐观论”。因此，灌区水资源高效利用评价应该是在传统灌溉用水效率指标的基础上，在经济性约束条件下考虑回归水的重复利用问题，并针对不同尺度、不同层次利益相关者的需求，拓展用水效益的内涵，建立新的基于不同尺度的评价指标体系。关于灌区水资源高效利用尺度效应产生的原因，一般认为有：①灌溉回归水的回用；②不同评价指标间的差异；③灌区水分运动在不同时空尺度上的差异性【36】；④空间异质性和时空变异性‘371。前两条是主观原因，即考虑灌溉回归水的回用，因为不同的用水者和管理主体关注的水分循环过程和时空尺度各不相同，因此，对“水量损失”的界定和计算，随管理主体而发生变化。后两条原因是客观原因，它们也是导致水文学等诸多学科尺度效应发生的普遍性原因，水文学科对这个问题有更深入的研究。由此可见，灌区水资源高效利用尺度效’应问题比单由客观原因导致的水文学科中的尺度效应问题更为复杂138】。由于认识到灌区水资源高效利用指标尺度效应问题及其产生原因【3¨01，人们力求理清不同尺度水资源高效利用指标的影响因素及演变规律[41-46]，来科学的调整用水策略，达到水资源高效利用的目的，而目前在地表水灌区开展灌区水资源高效利用指标尺度效应的研究成果较多[,15461，但这些成果很少考虑地下水的利用，因此，针对井渠结合灌区存在地下水回归利用这一实际情况，进行5万方数据 第一章绪论系统的水资源高效利用尺度效应研究是很有必要的。1．2．1．4灌区水资源高效利用综合评价指标体系灌区水资源系统是一个复杂的大系统，影响其利用效果的因素众多，除了上述主要灌溉用水效率评价指标之外，需要制定出一套完善的综合评价指标体系，对水资源利用效果进行全面的综合评价，才能更好的辨识出影响灌区水资源高效利用的主要因素和水资源利用的状况，为灌区合理开发利用水资源提供决策参考。目前，灌区水资源高效利用综合评价指标体系的研究较少，针对井渠结合灌区特点，评价井渠结合灌区水资源利用状况的综合评价指标体系的研究更少。在灌区水资源高效利用评价方面，叶澜涛选取灌溉水利用系数、渠系水利用系数、田间水利用系数、灌溉水生产效率、耕地有效灌溉率、节水灌溉工程面积率6个指标，构建了灌区用水效率与效益综合评价模型，并以天津市宝坻区里自沽灌区为例进行了评价”71，但缺少反映灌区用水产生的生态环境效益方面的指标。在水资源高效利用评价方面，杨丽英等分析了影响水资源利用效率的主要因素，通过Delphi方法选取农业、工业、生活及综合用水效率与生态环境5方面作为准则层，构建了水资源利用效率评价指标体系，包括万元GDP用水量、水资源可持续性指数、单方水COD含量等6个指标【4引。在农业水资源利用效率评价方面，刘渝选取了水资源开发利用率、农业用水比例、农业水资源利用效率系数、单方水农业产值、水土流失面积、生态用水比例等14个与农业水资源利用经济效益、生态效益相关的指标，利用主成分分析法计算出湖北省17个城市的农业水资源利用综合效率，对这些城市的利用效率进行了排序14训。当前水资源高效利用综合评价研究中没有针对井渠结合灌区水资源调控利用特点以及水循环转化机制，建立适用于井渠结合灌区水资源高效利用评价的指标体系的研究，但可为井渠结合灌区水资源高效利用评价研究提供参考。1．2．1．5存在问题和发展趋势目前，灌区水资源高效利用评价指标的尺度效应研究较少，尤其是考虑回归水重复利用的井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究更少。因此，考虑井渠结合灌区水循环转化机制，研究不同尺度条件下灌区水资源高效利用关键指标的时空变化规律，以及不同水资源高效利用措旌导致不同尺度间水平衡要素变化规律是未来尺度效应研究的一个发展趋势。6万方数据 第一章绍论综上所述，灌溉效率一直以来被作为水资源利用效果的主要评价指标，尽管一些研究提到了灌区水资源利用效率和效益的若干指标，但是比较片面【5，对于井渠结合灌区来讲，目前，还难以找到一套完善的、适合反映其不同尺度水资源利用效果的综合评价指标体系。现有的相关研究成果还存在以下欠缺之处：①指标不够全面，多数研究未能将经济、社会、生态环境等因素综合起来考虑水资源的利用情况；②对如何选择指标阐述不够；③没有考虑水资源高效利用的尺度效应，无法适应不同尺度的评价等等。因此，针对以上不足，建立适用于井渠结合灌区不同尺度的、系统的、全面的水资源高效利用评价指标体系是急需研究的课题。1．2．2灌区水资源高效利用调配1．2．2．1灌区水资源高效利用调配技术措施(1)水资源优化调配技术灌区水资源优化调配技术是采用运筹学和系统工程理论与方法，以灌区经济效益最大或供水费用最小等为目标函数，以作物种植面积或各用水量为决策变量，以渠道输水能力、地下水开采能力、计划湿润层水量平衡等为约束条件，建立水资源优化调配数学模型，对灌区水资源优化分配，地表水地下水联合优化运用等问题进行研究。国内外学者在灌区多目标多水源联合调配和水质水量统一调配等方面进行了许多研究工作[51-55】．水资源优化调配技术是当前灌区水资源高效利用调配研究的热点，也是最主要的调配技术措施。对井渠结合灌区来讲水资源优化调配的主要形式是地表水地下水联合优化调配。通过建立和求解井渠结合灌区水资源优化调配数学模型，得到理想地表水、地下水的联合调配结果，达到灌区水资源高效利用的目标156-57J。(2)高效输配水技术灌区输配水过程中的水量损失所占比重较大，提高输配水效率是灌区水资源高效利用调配的关键。灌区高效输配水技术包括：①渠道防渗技术。采用三合土、砌石、混凝土、改性沥青及高分子复合土工膜料等防渗材料衬砌渠道；②管道输水技术。采用混凝土管、铸铁管、钢管、PVC管及塑料软管等管道输水灌溉；③灌区量测水与动态配水技术。开发便于管理、适应性强、精度高、操作简便测水量水设备，采用动态用水计划，加强灌区用水管理；④输水建筑7万方数据 第一章绍论物老化防治技术。研究输水建筑物病害诊断及加固技术和防腐蚀、堵漏技术。(3)田间灌水技术田问灌水技术是继输配水后，可以提高灌区水资源利用效率的一个重要环节，因此，田间灌溉水技术也是灌区水资源高效利用调配的重要措施。①采用隔沟灌、小畦灌、波涌灌溉、地膜覆盖等节水型地面灌水技术，科学控制入畦(沟)流量、灌水定额和灌水时间等灌水技术要素；②精准控制灌溉技术。科学分析作物生长与土壤水分、空气湿度、温度等环境因素的关系，研究作物水分需求规律，并精确计算出灌水时间与所需水量，实现作物适时适量灌溉；③非充分灌溉技术。该技术是根据作物的需水特点和生理特性，在作物需水I临界期及重要生长发育期灌“关键水”，而在作物生长的适当阶段，对其施加一定程度的水分胁迫，对作物进行抗早锻炼，通过作物自身的适应能力实现水分的高效利用【581。(4)种植结构调整技术如何优化调整作物种植结构，从内部挖掘节水潜力，使水资源调配与利用更加合理化，是目前灌区水资源高效利用的重点研究领域【5弘60】。不同的农业种植结构对应不同的水量需求，当前的研究重点一是如何在当地水资源的约束条件下合理调整种植结构，按照适水种植的原则，适当压缩高耗水、低产出作物的种植比例‘61。62]；二是调整作物种植布局，按水资源时空分布特征和水利工程状况，选用作物需水与降雨耦合性较好、耐旱、优质品种，调整作物熟制和播期，以充分利用当地有限的水资源，获得最大的综合效益【63嗣】。(5)非常规水源综合利用技术灌区非常规水源包括农田排水、污水、微咸水、再牛水等。通过T程措施与非工程措施，综合利用非常规水源，提高灌区水资源利用率。通过灌排系统的统一管理，实现农田排水资源化利用，杜绝无效退泄和低效排水。积极发展“咸淡混浇”等简单易行的微咸水安全利用技术。开展分质用水及再生水与淡水混合使用或交替使用。(6)农艺节水技术农艺节水技术可提高水分利用率和水分生产率，节约灌溉用水量，也是灌区水资源调配的一项措施。农艺技术包括：①水肥耦合技术。实现灌水与施肥在使用方式和时间、数量上合理配合的技术。达到以水调肥，水肥共济，提高水分和肥料的利用率的目的‘65】；②蓄水保墒技术。通过精耕细作改善土壤结构，8万方数据 第一章绪论提高土壤的蓄水、保水能力，通过地膜覆盖，达到增加自然降水利用率，减少灌溉用水量的目的：③抗早、高产、优质农作物品种技术。以培育抗旱、高产的新型作物品种，达到抗早、节水的目的。1．2．2．2井渠结合灌区水资源优化调配数学模型构成灌区水资源优化调配模型是进行灌区水资源高效利用调配的主要手段，国内外学者为了优化调配灌区水资源，达到水资源高效利用的目的，提出了各种各样的数学模型。无论模型简单或复杂。井渠结合灌区水资源优化调配的数学模型一般由以下三类模型构成[661。①模拟井渠结合灌溉系统组成和结构特性的物理模型，依据物理机制优化调配水资源；②表达灌区优化管理目标及各种社会、经济、环境约束的管理模型(或优化模型)，依据目标和约束优化调配水资源；③两者之间的耦合模型。物理模型与管理模型的耦合方法包括模拟法、嵌入法和响应函数法167】。嵌入法是目前最常采用的耦合方法，这种方法是将整个物理模型作为等式约束直接加入到管理模型中，～般的集中参数物理模型由于方程简单，都能嵌入到管理模型中，成为物理可行约束，而分布参数模型由于方程组规模庞大，一般不采用这种方法。1．2．2．3井渠结合灌区水盐联合调配的优化方法灌区可持续发展不仅需要我们高效利用水资源，解决好水资源供需矛盾，还需要处理好生态环境问题。井渠结合灌区地表水地下水联合调配不仅可以提高水资源的利用率，解决地表水灌溉不及时的问题，还可以防治土壤盐碱化，改善灌区生态环境。要实现井渠结合灌区的水资源高效利用，就不能不考虑水盐的联合优化调配问题。(1)线性规划方法Castle一等在1961年首次将线性规划引入灌区地表水和地下水联合运用系统[68】。随后，线性规划方法被应用于更复杂的地表水地下水联合运用问题‘691。Khare等设置了6个作物种植结构优化方案，建立了以经济效益最大为目标的地表水和地下水联合调配线性规划模型，通过模型寻优选择最佳的种植结构方案【701。刘昌明考虑了地下水埋深对土壤盐碱化的影响，以地下水埋深为环境控制变量，采用线性规划方法，确定灌区各种水源的最优用水方案[71】。有研究成果利用水9万方数据 第一章绪论盐区分法把灌区划分为不同的分区，各分区作为独立的用水户[721，还有的以工、农业、生活、生态环境用水和洗盐用水作为多个用水部f-]l‘731，建立以改善水盐环境的多目标多用户的水资源优化利用线性规划模型，得到了以土壤水盐状态指导灌溉的优化配水方案。(2)非线性规划方法生产实践中，更多的水盐联合调配问题是非线性规划问题。Matsukawa将非线性规划的广义简约梯度法用于求解考虑发电、供水、环境等多目标的地表水地下水联合运用问题【，41。李寿声等针对多种水资源(地下水、当地径流、湖泊水源、跨流域调水、回归水)的联合运用问题，考虑了供水量与费用、作物需水与产量的非线性关系，建立了一个非线性规划灌溉模型，得出了不同年型各种水资源的最优分配比例及作物种植模式175J。彭世彰在防治土壤盐碱化的非线性规划灌排模型中引入作物临界土壤含盐量概念，计算了不同年型的灌排水量、地下水位变化、土壤盐分变化和淋洗定额1761。代涛在此基础上又将地下水临界埋深引入防治土壤次生盐碱化的优化排水非线性规划模型【771。(3)动态规划方法动态规划方法是常用的多阶段优化决策方法。Buras早在1963年建立了一个地表水和地下水联合调配的动态规划模型[781。应用动态系统最优控制理论求解地表水地下水联合调配问题，可以克服维数障碍【791。陈喜以各时段的水盐平衡方程作为状态转移方程，建立了水盐平衡及灌排工程体系合理配置的动态规划模型，采用建立的模型对研究区未来10年引用地表水量、开采地下水量以及相应的配套水利工程进行了规划悼。张展羽等基于作物水盐生产函数建立的节水、控盐动态规划模型，可用于成、淡水交替灌溉或微咸水灌溉时最优灌溉制度的设计18i-82l。(4)大系统分解协调方法地表地下水联合调配系统无疑是一种开放性复杂的大系统，故其优化问题可用大系统分解协调方法求解。Haimes的工作是大系统分解协调方法在地表水地下水联合调配问题中应用的典型代表，但由于考虑因素过多，模型比较复杂，在灌区实际工作中应用困难¨引。有学者在石津灌区建立了三层大系统分解协调模型，可用于井渠结合灌区地表水和地下水的优化分配、灌区面积和子区防渗工程规模的选择[841。在商丘试验区建立引黄水、地下水联合调度大系统递阶管理模型，采用大系统分解协调算法，确定引黄水、地下水在各计算分区的最优10万方数据 第一章绪论配水以及作物最优种植面积I”J。在彭楼灌区建立以灌溉净效益最大为择优目标，包含作物灌溉制度模拟优化、作物间优化配水、子区间引黄水量优化分配的地表水地下水联合调度大系统分解协调模型，确定了彭楼灌区引黄水量在各子区间的优化分配以及灌区主要作物各生育阶段地表水地下水的最优配水型86J。(5)其他方法近年来，在井渠结合灌区水盐联合优化调配研究中，神经网络、灰色系统、模糊理论、混沌理论、遗传算法及智能决策支持系统等方法应用越来越多。此外，多种优化方法的结合及优化模型与模拟模型的组合模型也得到了较快的发展，如动态规划与灰色系统、模糊理论相结合以及优化方法与模拟技术相结合等，这些方法的配合使用不但可以解决更加复杂的问题，而且可以提高模型的逼真性。1．2．2．4存在问题和发展趋势虽然国内外学者在井渠结合灌区地表水地下水联合优化调配研究上取得了不少成果，但大多是以追求经济效益最大为优化Ff标，对社会效益和生态环境效益考虑较少。另外，对以上研究的模型求解，得到的是模型目标意义上的最优解，但是模型目标考虑并不全面，一些复杂的模型甚至没有最优解，只有满意解，到底调配结果能否达到灌区水资源高效利用的目标，还需要采用高效利用评价指标体系去评判，如何考虑调配模型与评价指标的响应关系，建立以经济、社会和生态环境综合效益最优为目标的水资源优化调配模型，并使其相关参数与评价指标相匹配，己成为面向可持续发展的水资源优化调配理论的研究趋势。目前建立的井渠结合灌区水盐联合优化调配模型大多是采用灌区尺度水盐平衡公式，宏观地表示灌区水盐动态变化，可被作为灌区及大尺度综合治理和水盐调控的科学依据‘87{81。但上述水盐优化调配管理模型中，适用于田间小尺度，从土壤含水量、土壤含盐量和地下水矿化度及地下水位等多维度进行水盐调控的研究较少。因此，在井渠结合灌区地表水地下水联合调配中多考虑盐分调控因素【891，将描述微观土壤及地下水盐动态变化规律的土壤和地下水盐平衡方程或运动方程与水资源管理模型耦合，使建立的模型对灌区不同尺度水盐联合调配系统的刻画更精细，更加真实地反映系统的特性，有效地防治土壤盐碱化，也是未来研究的重点方向。万方数据 第一章绪论1．3研究目标本文针对井渠结合灌区的特点，构建井渠结合灌区不同尺度水资源高效利用评价指标体系，建立井渠结合灌区不同尺度水资源优化调配数学模型，对并渠结合灌区进行不同尺度水资源高效利用的评价与调配研究。力求解决：“如何针对并渠结合灌区的特点，合理界定并渠结合灌区水资源高效利用的内涵，并研究井渠结合灌区水资源高效利用的尺度效应；如何构建适合井渠结合灌区不同尺度的水资源高效利用评价指标体系；如何构建与评价指标相关联的灌区不同尺度水资源优化调配模型对水资源高效利用指标进行调控”等科学问题，为今后并渠结合灌区准确评估水资源利用效率和效益情况，进行水资源高效调配决策，建设节水高效农业提供理论依据及技术支持。1．4主要研究内容(1)揭示井渠结合灌区水资源高效利用的机理，界定井渠结合灌区水资源高效利用的内涵。阐明井渠结合灌区概念、结构组成、类型及工程布置形式，对井渠结合灌区的功能进行分析。阐明从水资源高效利用到灌区水资源高效利用的概念和特点，结合对井渠结合灌区结构与功能的分析，揭示井渠结合灌区水资源高效利用的机理，界定井渠结合灌区水资源高效利用的内涵。(2)探讨井渠结合灌区水资源高效利用评价指标的尺度效应。针对井渠结合灌区存在地下水回归利用及渠灌、井灌的投入产出效果不同的实际情况，在国际水管理研究院(IWMl)水平衡方法的基础上，新增相关评价指标，提出井渠结合灌区水资源高效利用指标尺度效应分析方法，并以人民胜利渠灌区为例，进行不同水平年不同井渠结合模式下灌区水资源高效利用评价指标的尺度效应及其演变规律研究。(3)构建井渠结合灌区不同尺度水资源高效利用综合评价指标体系。考虑灌区水资源高效利用的尺度效应，以田问尺度评价为基础，灌区尺度评价为核心，围绕井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，理清灌区“四水”循环转化的复杂机制，识别影响灌区不同尺度水资源利用效率和效益的限制性因素，构建井渠结合灌区不同尺度的水资源高效利用综合评价指标体系和综合评价模型。12万方数据 第一章绪论(4)建立井渠结合灌区不同尺度水资源优化调配模型。理清调配模型与评价指标关系，考虑与灌区不同尺度评价指标体系的关联和不同尺度管理主体的利益，研究建立灌区尺度地表水地下水联合优化调配模型和田间尺度水盐动态优化调配模型。为了协调平衡各尺度管理主体的利益，将二者耦合，建立井渠结合灌区水盐联合动态优化调配大系统分解协调模型，并给出各尺度模型求解方法及耦合模型的运行过程。(5)进行人民胜利渠灌区实例应用研究。以人民胜利渠灌区为例，通过对灌区现状水资源利用状况进行综合评价，识别灌区不同尺度水资源利用状态及存在的主要问题，针对存在的问题，运行调配模型，进行水资源优化调配，采用调配后的指标数值再进行水资源高效利用评价，验证所建立的各种模型的合理性。设置灌区规划年若干不同水资源调配方案，运行调配模型得到不同调配方案对应的灌区水资源优化调配结果，采用灌区水资源高效利用综合评价指标体系和调配模型得到指标数值，优选出规划年最佳的水资源高效利用调配方案。1．5技术路线(1)在明确井渠结合灌区系统结构和功能的基础上，揭示井渠结合灌区水资源高效利用的机理，对井渠结合灌区水资源高效利用的内涵进行明确界定，为井渠结合灌区水资源高效利用评价和调配工作提供基本依据。(2)针对井渠结合灌区的特点，在国际水管理研究院(IWMI)水平衡方法和相关评价指标的基础上，提出适合井渠结合灌区的水资源高效利用尺度效应分析指标。以人民胜利渠灌区为例，在对SWAT进行修改的基础上与MODFLOW耦合建立平原井渠结合灌区地表水地下水耦合模拟模型，用以模拟灌区不同尺度水平衡要素，研究不同水平年不同井渠结合模式下灌区高效用水评价指标的尺度效应及其演变规律。(3)考虑尺度效应，围绕井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，筛选能够表征灌区水资源利用效率和效益的主要指标，构建井渠结合灌区田间尺度和灌区尺度的水资源高效利用综合评价指标体系，并建立多层次模糊综合评价模型。(4)在明确调配模型与评价指标关系的基础上，以水分生产函数为依据，建立灌区尺度地表水地下水联合优化调配模型，以水盐生产函数为依据，建立万方数据 第一章绪论田间尺度水盐动态优化调配模型。分析不同尺度调配模型的相互协调反馈因素，将二者耦合，建立井渠结合灌区水盐联合动态优化调配大系统分解协调模型。模型可为井渠结合灌区不同尺度的水资源高效利用评价指标提供调控技术手段和数据支持。(5)在人民胜利渠灌区进行实例应用，验证以上提出的理论、方法和模型的正确性及合理性，_i：导出结论和展望。本文技术路线如图l-l所示。14万方数据 第一章绪论堕蕃r—一暨墅粤一L-一一一一一一一r一一一一一一一。一一鳖笺擎一一一关联童耦合L——图1．1研究技术路线图15万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析本章在阐明井渠结合灌区概念、结构组成、类型和工程布置形式的基础上，对井渠结合灌区的功能进行分析。从可持续发展思想和资源可持续利用的实质出发，基于水资源高效利用的概念和含义，阐明灌区水资源高效利用的概念和特点，结合井渠结合灌区的结构特点和功能分析，揭示井渠结合灌区水资源高效利用的机理，界定井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，为井渠结合灌区水资源高效利用评价和调配提供基本依据。2．1井渠结合灌区的结构与功能分析2．1．1井渠结合灌区的概念和结构组成井渠结合灌区即采取渠灌与井灌相结合，地表水、地下水联合运用灌溉的灌区1901。井灌与渠灌相互配合，其好处是可以解决了干早缺水灌区水量供求的矛盾，在地表水源供水不足的灌区，井渠结合尤为必要。一般在渠灌系统的基础上，以其农、毛渠为井灌的干、支渠，水井布置在渠道两侧，井灌既可以补充渠灌之不足，又可以降低地下水位，防止灌区土壤盐渍化，汛前井灌还可以腾空地下库容，增加容蓄暴雨的能力，减轻地面的涝情。平时渠灌的渗漏水量可以补充地下水源，使地下水位回升。当地下水位上升到一定程度时，还可以采用井灌来调控地下水位，增加了灌区效益。一个井渠结合灌区一般包括地表供水系统、地下供水系统、输配水系统、用水系统和排水系统五个部分(此处指灌溉区)。(1)地表水供水系统地表水供水系统包括地表水库或渠首引水口门。地表水供水系统的主要任务是确定合适的供水量，满足用水部门的需水要求；利用多余的水对地下水进行人工回灌，即人工补给，减少地表水的废弃，提高水资源的利用程度。(2)地下水供水系统地下水供水系统主要包括位于灌区地表以下第一个具有相对不透水层以上的潜水含水层和管井系统。管井系统的作用是抽取含水层中的地下水。另外，管井还兼起排水作用，以防治土地盐渍化。地下水供水系统主要作用是协同地表水向灌区供水，满足农业生产的要求。对于地下水供水系统的主要任务是推求地下水位的变化过程，可提供的水量的多少以及最优16万方数据 第二二章井渠结合濯区水资源高效利用的机理与内涵分析控制水位。(3)输配水系统输配水系统指各级灌溉渠道或管道，其作用是把地表水和地下水输送到灌区或人工回灌设施进口。渠道输水损失大部分渗漏到地下含水层，成为可利用的地下水。(4)用水系统用水系统包括灌区所有的用水部门。一般的大中型灌区，其用水部门包括农田灌溉和林、牧、渔及农村生活用水等。为简化起见，现主要考虑灌区农田灌溉这一用水部门。灌区内种植作物的种类、宜灌面积是己知的，各种作物的需水量可以根据降雨、土质、作物种类等确定。(5)排水系统排水系统主要指地表各级排水渠道。其作用是汇集灌溉退水、降雨径流和地下排水，并将其排入外河。2．1．2井渠结合灌区的主要类型2．1．2．1以渠灌为主井灌为辅的井渠结合灌区在有地表水可以引用，但地下水天然侧向补给较少，地下水主要由降水和灌溉补给的地区，适宜采用以渠为主、井渠结合的灌溉方式。这种井渠结合的形式在河南省人民胜利渠和陕西省泾惠渠等灌区已有多年成功的运行经验。由灌溉水入渗补给的地下水，在保证灌区地下水采补平衡和灌区不积盐的前提下，应尽量开采利用。2．1．2．2以井灌为主渠灌补源的井渠结合灌区在有一定地下水侧向补给，并有良好淡水含水层的地区，可以采用以井为主，以渠补源的灌区类型。除在灌溉季节引用部分地表水灌溉并结合补给地下水外，汛期还可以利用河道沟渠引蓄多余的地表水灌溉和补给地下水。在这类地区，由于以利用地下水灌溉为主，引用地表水的毛灌溉定额可以大为减少。河南和山东两省引黄灌区下游的地表水紧缺地区井渠结合常采用这种形式。西北地区一般降雨较少，只有在有一定山前或邻近地区侧向补给的地区才能采用这种灌溉方式。2．1．3井渠结合灌区工程布置形式井渠结合灌区的工程布置形式有井渠并用、井渠分设和水源地形式三种。17万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析2．1．3．1井渠并用的形式井渠并用是指同时或交替采用地表水和地下水两种水源灌溉的井渠结合形式。是目前我国井渠结合灌区的主要工程布置形式。此形式要求灌区内同时需有渠灌和井灌两种灌溉设施，灌区内布井分散，布设输电线路较长，枯水季节井水和渠水并用或单纯采用井水灌溉，丰水季节采用渠灌，地表水、地下水的灌溉用水量和时空调配要适时满足作物的生长需求和地下水采补平衡的要求。其优点是可以充分发挥地下水库的调蓄作用，控制地下水位，防止土壤盐碱化。在易碱地区井渠结合，要求井起到灌溉和排水双重作用，渠水起灌溉和补源的双重作用。2．1．3．2井渠分设的形式这种工程布置形式，通常是把灌区分为相邻的渠灌区和井灌区两部分，井灌区开采地下水，渠灌区补给地下水，二者集中成片相邻布置。这种布置形式的优点是布井较集中，输电线路布设较短，管理方便，节省投资。但地下水缺少区外的补给，要求地卜水保持采补平衡，为此，井灌区与渠灌区的规模要根据地下水补给量和开采量的大小来确定，并保持一定的比例，例如1：2，1：3。灌溉制度设计中采用的地下水对根层补给量，也必须与设计的地下水位埋深相适应。如果井灌区面积过大，会导致井灌区地下水位下降，增大井灌的抽水成本，而渠灌区的地下水位又较高，容易造成土壤返盐。2．1．3．3水源地形式此形式是选择灌区内地下水开采条件较好的地区，作为地下水的集中开采区，供本区和灌区其他地区在地表水不足时灌溉使用，与城市供水水源地作用类似。这种布置形式的优点同样是布井集中。输电线路短。一般将含水层储水性能良好、地下水补给条件较好的山前冲洪积扇缘潜水溢出带地区作为水源地，集中开采地下水。因水源地形式地下水开采强度较大，而紧靠周围渠灌区灌溉对地下水的补给较弱，极易产生地下水降落漏斗，除非在有大量的山前或侧向补给的情况下才能保持采补平衡。在河流冲洪积扇前缘地区，山前倾斜平原的潜水溢出带，土层由导水性很强的砂砾石组成，未经衬砌的河流和渠道渗漏严重，补给地下水量大。由于开采地下水时，单井出水量大，水位降深小，在这类地区建设水源地比较有利。但为了减少渗漏和加快输水速度，对河流和渠道18万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析进行衬砌后，地下水的补给量将减少，在开采量超过补给量时，水源地的地下水位将持续下降。在地下水来源主要为灌区内部渠系和田问灌溉入渗补给，而地下水开采强度较大的情况下，不宜采用水源地形式。在水源地的规划设计中必须根据地下水的补给条件和地下水的开采量，通过地下水的模拟，预测地下水位的变化趋势，判别水源地的持续利用的可能性。各地区适宜的井渠结合形式视当地的地形地貌、气候条件、地下水埋深和地下水的补给消耗条件、扣除生态需水后地下水可用于社会经济需水的可采量等确定。如，山前冲洪积扇缘地下水溢出带由于在山前多有较大的侧向补给，冲积扇上部灌区土壤透水性较好，有入渗的灌溉水向下排泄，因此，灌区井渠结合的形式可以采用水源地和分散取水相结合19¨。冲洪积平原上中部地下水的侧向补给较少，主要为地表水的垂直补给，灌区用水应以地表引水为主，适当利用地下水，调控地下水位，井渠结合应以灌代排，水井的布置应采取集中分片布置和分散取水的方式。冲洪积平原下部地下水主要为灌溉地表水的垂直补给，灌区用水应主要引用地表水，适量利用地下水，以调控地下水位，井渠结合应采用分散取水的方式，为了保持灌区的水盐平衡，还必须有一定的淋盐水量，通过水井抽水将盐分排出区外。2．1．4井渠结合灌区的功能分析(1)充分利用各种水源灌区的地下水供水系统可通过管井提取地下水，降低地下水位、腾出地下库容，增加降雨的入渗量，充分利用降水，使其更多的转化为作物可吸收利用的土壤水，同时，由于降低了地下水位，减少了土壤水和潜水的蒸发消耗，相应对地表水的引水需求也减少了。而且，降水、输配水系统及田问灌溉所造成的深层渗漏水量还可由管井抽取出来再利用。这样可达到降水、地表水、地下水和土壤水的“四水’联合调度，最大限度地利用好各种水源。(2)方便进行多水源的时空调配，适时满足作物需水井渠结合灌区可将地下水含水层作为地下调蓄水库，将丰水期的地表水供水系统中多余地表水存蓄起来，在枯水期或作物需水高峰时期通过地下水供水系统开采出来灌溉使用。在灌区规模较大的情况下，其水资源和水文地质条件在空间上有很大差异，且各地种植作物不同，因此，用水系统对水资源在数量和时间上的需求也不相同，利用输配水系统可将丰水地区多余水量调配到缺少19万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析地区使用，而且，利用管井系统可随时就地抽取地下水，满足作物的灌水需求，克服渠灌取水、灌水不够及时的缺点，达到高产稳产的目的。(3)有效控制地下水位，实现旱、涝、碱综合治理井渠结合灌区可根据不同地区和不同时期对地下水位的控制要求，合理安排井灌和渠灌的时间和比例。在地下水位过高的地区，易发生土壤盐碱化和农田渍涝，可多用并灌，开采地下水，降低地下水水位，同时起到以井代排的作用，配合地面排水，实现旱时能灌，涝时能排，又防止了土壤盐碱化；地下水位过低的地区，井灌抽水成本高，而且过量开采会形成地下水降落漏斗，导致地面沉降。此时应减少地下水开采量，引进地表水，通过输配水系统及田间灌溉的深层渗漏补给地下水，必要时还应对地下水进行人工回灌，以调控地下水位。井渠结合灌区，以井代排，不必修建排水农沟和毛沟，可有效减少排水系统的工程量。(4)提高灌溉水的有效利用率井渠结合灌区布井一般距田间较近，井灌输水距离较短，而且井灌输配水系统多采用管道，因此，采用井灌可提高灌溉水有效利用系数。发展井渠结合灌溉也不能否认渠道衬砌的节水作用，渠道衬砌仍是实现灌区节水的有效措施，但如果灌区所有渠道要全部衬砌，不仅需要大量投资，而且工程耗时太久。上面已经分析过井渠结合灌区可重复利用降水、输配水系统及田间灌溉的深层渗漏水量，根据专家对北方灌区的研究，假设灌区有一半的面积实行井渠结合灌溉，则单靠井渠结合就可使水的有效利用系数提高0．262，比各级渠道全部衬砌的效果还好【92]。说明井渠结合对提高灌溉水的有效利用率具有非常显著的作用。通过上述分析可知，井渠结合灌区因其自身结构特点而具有以上四方面功能，综合发挥好这些功能就可以实现井渠结合灌区水资源的高效利用。下文将对井渠结合灌区水资源高效利用的内涵进行明确界定。2．2井渠结合灌区水资源高效利用内涵界定2．2．1可持续发展与资源的可持续利用20世纪以来，随着人121的急剧增长和经济的快速发展，人类对自然资源的消耗也迅速增加。对资源的掠夺式开采与高消耗的利用方式，带来严重的生态环境问题，也威胁着人类自身的生存安全。世界各国越来越关注经济发展带来20万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析的生态环境问题，并逐步调整其经济发展模式。1972年联合国世界环境大会提出可持续发展思想，随后逐渐得到世界各国的认同。概括起来可持续发展的思想基本包括三点【9引：①以不损害子孙后代利益为前提，满足人们当前发展需求；②不断提高人们生活质量和生态环境的承载力；③在获取最大的经济、社会和生态环境效益的同时，尽量减少资源的消耗。经济、社会、生态环境协调发展是可持续发展的核心，而资源的可持续利用则是实现可持续发展的基础，实现可持续发展必须以资源的可持续利用作为物质支撑。理解资源可持续利用的实质必须明确四个方面的内容：①资源开发利用的代际平衡，在我们开发利用资源的时，一定要考虑子孙后代对资源的需求；②资源的开发利用要在自然环境可承受的阈值之内；③资源不是取之不竭，用之不尽的，而且资源本身具有价值，人类在开发利用资源过程中应该更多的关注资源的价值问题；④各类资源协调开发，要实现资源利用之间，资源与环境之问的协调。2．2．2水资源高效利用的概念水资源是关系到国计民生的重要基础性战略资源，具有重要的经济、社会和生态服务功能。水资源的高效利用是水资源可持续利用的基础和前提，而水资源是一个循环系统，其可持续利用不仅与水资源的供需相关，而且与水环境质量、水生态系统等因素相关，因此，要实现水资源的可持续利用，必须以可持续发展为指导思想，约束水资源的开发利用行为，实行水资源的利用与保护并重，在此基础之上提高水资源的利用效率。水资源高效利用的概念就是最大限度发挥水资源的经济、社会和生态服务功能，以最少的水资源利用与消耗获取最大的综合效益，最终实现水资源的可持续利用，以水资源的高效利用推动经济、社会和生态环境的全面可持续发展。水资源高效利用包括两个方面的内涵：水资源利用和消耗过程中效率的提’高和效益的提高。前者主要指利用过程的高效率，后者主要是利用结果的高效益。水资源的高效利用是通过水资源的消耗过程来实现。2．2．3灌区水资源高效利用的概念农业水资源的消耗是保证农业生产的基本条件之一，农业水资源一般包括两种消耗途径：一种是水资源转化为果实等各种农产品或被生物体消耗；另一21万方数据 第二章艿渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析种是通过蒸发、扩散、渗透等形式重新参与到经济和生态的产出过程中。农业水资源的高效利用主要在农业生产对水资源的消耗过程中体现。具体到灌区来讲，灌区的农业生产主要是种植业生产，生产过程中的水资源消耗主要是指农田灌溉过程中的农田和作物对水分的消耗。灌区水资源高效利用的概念就是指在灌区水资源利用的经济、社会和生态效益最佳的目标前提下，使得灌区消耗的水资源量最少。或者是相同耗水量的情况下，灌区水资源利用的综合效益最大，也即在相同耗水量的情况下，使灌区水资源的利用达到高效率和高效益的状态。灌区水资源的利用和消耗如图2．1所示，该图上半部分表示水资源从水源输送到农田然后被作物消耗利用的过程，下半部分表示的是该过程各个部分水资源的消耗。因此，灌区水资源高效利用也包括利用效率提高与用水效益提高两方面含义，就是一方面减少水资源从水源地到田间输送过程中的无谓损耗，提高水资源的利用效率；另一方面就是作物利用环节提高水资源消耗的价值量，提高作物的用水效益【9引。灌区水资源高效利用是以如何高效的满足作物对水分的需求为核心的。输水图2．1灌区水资源的利用和消耗示意图(1)灌区水资源利用率的提高利用效率的提高在一定程度上意味着节约水资源，减少无效水量损失，但是必须注意到灌区水资源利用率的提高并不只是水资源使用量的减少，这与节约用水有区别的。据灌溉专家估计，目前我国灌溉水的损失总量中，80％以上发22万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析生在从水源到田间的输水过程【95】。通常有6项水量损失：渠道直接退水、闸门漏失量、渠道侧渗损失量、深层渗漏损失量、渠道水面蒸发损失量、渠道土面蒸发损失量。灌区水资源利用效率的提高要求在农业生产过程中采用各工程和非工程节水措施，减少从水源到作物间各个环节的无效水量损失，避免水资源的浪费。理想的状态是从水源到田间没有浪费，全部输送到作物的计划湿润层内。(2)灌区用水效益的提高以前人们认为用水效益的提高就是要使单位水资源产出的经济效益最大化。但是随着对水资源与社会和生态环境之间相互关系研究的深入，人们改变了这种看法。一方面，水资源的利用效率受社会生产力、生产关系及技术进步速度等社会条件和气象、地理因素等生态环境条件的约束，另一方面，水资源的利用模式也会对社会经济发展和生态环境产生作用力。以往的水资源利用方式重视水资源产出的经济效益，而对生态效益和社会效益考虑较少。因此，要客观准确的评价水资源的利用效率，在考察水资源产出的经济效益的同时，还需在评价决策中考虑生态和社会效益，以实现经济效益、社会效益和生态效益之间的帕累托最适度H6。。具体到灌区上来说，就是除了要注重灌区用水经济效益的提高，在灌区水资源利用过程中水资源的配置向经济价值高、耗水量少的作物倾斜；也要同时兼顾灌区用水的社会效益和生态效益的提高。2．2．4井渠结合灌区水资源高效利用的机理和内涵“四水”是指大气降水、地表水、地下水和土壤水。由于水的循环使“四水”之间产生相互的补给和转化关系，称为“四水”循环转化关系1971。降水、蒸发和径流是“四水”循环转化过程的三个最主要环节，这三个环节构成的循环途径决定着灌区的水量平衡，也决定着灌区的水资源总量。灌区“四水”循环转化系统见图2．2。由于灌区水资源开发利用的核心是满足作物需水，灌区“四水”循环转化研究的核心是如何将降水、地表水和地下水有效地转化为作物可吸收利用的土壤水。“四水”的概念对北方井渠结合灌区水资源的合理开发利用‘是非常合适的。为合理、高效利用灌区水资源，人类采取了一系列工程和非工程措施，如供水工程、蓄水工程、节水技术措施等，这些措施的改变了灌区原有的自然水循环系统，形成了自然与人工共同作用下的复合水循环系统。井渠结合灌区就23万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析是这种复合水循环系统，除了自然的“四水”循环转化系统，其各结构组成中地表、地下水供水系统、输配水系统、用水系统及排水系统构成一个完整的人工侧支循环系统。井渠结合灌区因灌溉水源和灌溉方式的多样化、灌区回归水及其在不同尺度上的重复利用等使灌区水循环更为复杂。因此，井渠结合灌区的水资源高效利用必须以“四水”循环转化理论为基础，对灌区进行水资源平衡要素(降水、蒸发、地表径流、地下水、土壤水等)的分析计算、各自时空变化规律及相互转化关系的研究，确定各类水资源的数量以及时空分布特点，正确评价水资源利用的效率和效益，为人工侧支循环系统的科学管理调度提供基本依据。通过对人工侧支循环系统的调节，影响灌区水资源的供、用、耗、排，在时空上重新优化分配水资源，改变灌区自然状态下地表、地下水体蓄存状态，干扰水面和陆面蒸发以及入渗过程，从而使地表、地下水和土壤水含量及其分布向有利于作物吸收利用的方向转化，达到水资源高效利用的目的。总蒸散发火气降水植物截留损失地表水体蒸发重芎亘4野-壤I地表径流垫塞堡亟王—鲁嘉圭堡厶鎏J包气带蒸散发毛管7：渗补给上升等下水河川基流地下调莆河川I径流地F潜流．图2．2灌区“四水”循环转化系统示意图从以上井渠结合灌区水资源高效利用的机理分析可以得出井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，其内涵就是以灌区水资源可持续利用为目标，以井渠结合灌溉系统结构为研究对象，以井渠结合灌区功能为着眼点，以高效的满足作物需水为核心，以“四水”循环转化规律和灌区水资源供、用、耗、排的变化为基础，以不同尺度效率和效益评价为依据，以灌区水资源高效调配技术措施24万方数据 第二章井渠结合灌区水资源高效利用的机理与内涵分析为手段，使井渠结合灌区水资源利用达到高效率和高效益的状态。根据以上概念、内涵，结合农业生产实践，实现井渠结合灌区水资源高效利用的调配技术措施有：(1)灌区水资源优化调配。通过对灌区多水源的优化调配，协调好各用水部门之间的利益与矛盾，提高灌区整体的用水效率，追求灌区综合效益最大。(2)推广和应用一些关键性的工程节水和农艺节水措施。工程措施如：渠道防渗、滴灌、喷灌、低压管道输水灌溉、激光平地和小畦化等；农艺措施如：地膜覆盖、使用保水剂、秸秆还田、优选节水品种等。(3)种植结构的调整。减少高耗水低产出的作物，增加低耗水高产出的作物种植面积，使有限的水资源向低耗水高产作物分配，提高单位水量产生的经济效益。(4)废污水回用。废污水一般包括工业、生活废污水和地下咸水。废污水经过处理达标后，可作为灌溉水源，地下咸水可与淡水混合灌溉或采用咸淡轮灌。(5)充分利用地表径流灌溉和回补地下水。丰水年充分拦蓄汛期的地表径流，灌溉和回补地下水是保护地下水资源最有效的途径。25万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究由于认识到灌区水资源高效利用指标尺度效应问题及其产生原因，国内外的专家学者力求理清不同尺度水资源高效利用指标的影响因素及演变规律，从而科学的调整用水策略，达到水资源高效利用的目的，而目前关于灌区水资源高效利用尺度效应的研究成果主要集中在地表水灌区，对地下水的利用考虑较少，因此，本章针对井渠结合灌区存在地下水回归利用这一实际情况，以人民胜利渠灌区为例，开展井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究，以期为灌区不同尺度的水资源高效利用评价与调配提供理论依据。3．1研究区概况3．1．1灌区基本情况人民胜利渠灌区是我国北方典型的平原井渠结合灌区，灌区位于黄河北岸，地域包括新乡市郊、瓶乡县、武陟、原阳、获嘉、延津、卫辉、滑县，共计38个乡，793个村，总人口215．89万人。地理位置如图3．1所示。受历代黄河泛滥沉积等影响，全灌区按地貌可分为：古黄河河槽、古黄河滩区、古黄河背河洼地、黄河滩区、现黄河背河洼地、太行山前交接洼地六个单元。人民胜利渠灌区四季分明。多年平均降雨量581．2mm，多年平均蒸发量为1864mm，夏、秋季易涝，冬、春季干旱，降雨年内分配不均，多年平均气温14．5。C，最高41℃，最低．16。C，昼夜温差大。人民胜利渠灌区控制面积1486．84km2，耕地9．923万hm!，占总面积的66．74％，灌溉面积9．9万hm2，其中充分灌溉面积5．9万hm2，非充分灌溉面积4万hmz。灌区内农作物以小麦、棉花、玉米为主，并有部分麦茬晚稻，大部分实行小麦与玉米、水稻轮作，．一年两熟，复播指数1．7a3．1．2水利设施3．1．2．1灌溉渠道人民胜利渠灌区规划灌溉面积9．923万hm2。现有总干渠l条、干渠5条、支渠41条、斗渠391条、农渠1651条，渠道总长1923km。26万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究总干渠自渠首闸开始，自西南向东北至新乡市饮马口入卫河，长52．7km，设计流量80m3／S，实际过水能力60m3／S：设计衬砌长度45．4km，实际衬砌l7．1lkm，衬砌率为32％。现有干渠5条，总长144．834km，设计流量8～35m3／S，实际输水能力5．6～25m3／s：设计衬砌长度156．83km，实际衬砌64．467km，衬砌率为44．5％。现有支渠共41条，总长485．57lkm，设计流量1．0l～7．6m3／S，实际输水能力0．6～4．6m3／S；设计衬砌长度199．63km，实际衬砌90．949km，衬砌率为18．7％。现有斗渠391条，长658．7km；现有农渠165l条，长688．37km。图3．I研究区地理位置．3．1．2．2排涝河渠人民胜利渠灌区实行灌排分设的渠系布置，主要排水渠系有：卫河、东、西孟姜女河、总干渠、南长虹渠、西柳青河和文岩渠。面上排水工程，人民胜利渠灌区有支排33条，均己按五年一遇除涝标准开挖，建筑物大部分按十年一遇除涝标准修建。但近年来，浑水灌溉管理不善，造成排水沟淤积，由于乡镇企业的发展，排放污水、废水，河道水质污染严重。27万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究3．1．3地下水情况依据含水介质及空隙类型，区内调查深度范围内地下水可划分为松散岩类孔隙水，半胶结碎屑岩类孔隙裂隙水两类。根据含水层组的埋藏条件，可划分为浅层含水组、中深层含水组、深层含水组。浅层含水层底板埋深80～130m，浅层水为潜水～微承压水，含水介质为冲洪积及风积的粗砂、中砂、细砂岩层，可见2～4层，单层厚度8～80m，总厚度44～110m，由南向北含水层厚度逐渐变薄。根据单井涌水量(5m降深计算)，可戈0分为强富水区、中富水区和弱富水区，如图3．2所示。其中强富水区(>3000m3／d)，分布在七里营、郎公庙、关堤一带，含水层岩性以中砂、细砂为主，厚度大于70m，单井涌水量3000～4800m3／d，渗透系数16～25m3／d。中等富水区(1000～3000m3／d)，分布在小冀北、大召营、洪门、古固寨、延津、获嘉一带，含水层岩性以中砂、细砂为主，厚度50～70m，单井涌水量1100～2900m3／d，渗透系数12～20m／d。弱富水区(<1000m3／d)，分布在共产主义渠两侧洼地，卫河淤积区，太山庙，卫辉一带，含水层岩性以细中砂、中细砂、粉细砂为主，一般厚度小于30m，单井涌水量700～900m3／d，渗透系数12～18m／,J。图3．2浅层含水层组富水性分区图28万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究古黄河漫滩区地势高，地表水、地下水径流条件较好，地下水埋深大，地下水矿化度一般为lg／l左右，土体含盐量0．1％左右。古黄河背河洼地区，地势低平，地表水、地下水径流条件差，灌区历史上有名的老盐碱地，都分布在此区域内，比如获嘉县的丁村和新乡县的洪门。地下水还受气候、灌溉等因素影响，具有以年为周期的季节性变化特征，表现为灌溉蒸发型，水盐运动以垂直交替为主。除局部地下水过量开采地区外_水位变幅2～3m，盐分变幅不大，矿化度多小于1g／l，局部可达2～49／J。3．1．4灌区水资源水环境状况3．1．4．1灌区水资源降水也是灌区水资源的一个主要来源。但单从水量上看，多年平均降雨量不足600mm，有效降雨量并不能满足农田需水量的要求，还必须引黄河水和利用地下水。近年来，由于黄河水资源实行以供定需，灌区引黄水量受到极大限制，保证率为50％时，分配给人民胜利渠的可引黄水量为5．37亿m3。灌区地下水分为浅层地下水(潜水)和深层地下水，浅层水含水层以粉细沙、中沙和粗沙为主，水量丰富，底板埋深40～60m；深层水含水层底板深90～110m。灌区地下水主要利用的是潜层水，机井抽取深层水的很少。人民胜利渠灌区地下水来源主要以降雨入渗和灌溉入渗补给为主。3．1．4．1灌区水环境(1)渠首引水水质状况虽然人民胜利渠引黄水质较好，但由于渠首引水需隔滩引水，在渠首闸前沁蟒河污水侵入弓l水渠，．使渠首引水水质遭到严重污染。沁蟒河来水水质状况见表3．3。随着沁蟒河来水的改变，现有的污水处理工程导污最大流量只有10m3／S，已不能满足现在污水处理的要求，渠首污水处理问题再一次威胁灌区的生存和发展。因此，人民胜利渠渠首污水治理，对灌区效益的发挥和良性运行起决定性作用。(2)排涝河渠水质状况根据现状观测资料分析，东、西孟姜女河以排流域内汛期涝水、灌溉退水和工业废水为主，污染源主要为制药、造纸、化工等企业，其中高锰酸盐指数、29万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究挥发酚、CODCr、BOD5、非离子氨五项主要监测指标严重超标。表3．1沁蟒河来水水质化验结果(3)地下水环境状况次生盐碱化是影响灌区生态环境的主要因素。经过多年治理，目前全灌区地下水平均埋深在3~5m，灌区盐碱化问题基本得到解决，但还有一些低洼易涝地区和老盐碱地，存在着次生盐碱化的威胁。由于大量使用农药、化肥和废污水排放量的增加使灌区地下水环境污染越来越严重，地下水体污染严重的地区多分布在沿排水河道的两岸地带。3．2井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析方法3．2．1尺度划分尺度一般是指所考察的事物特征及变化的时间和空间范围，不同学科领域对尺度内涵的理解和尺度的划分方法不同。井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究中尺度主要是指空间尺度，根据研究需要和灌区空间特征，本文按田间尺度、中等尺度和灌区尺度三类进行水量平衡区的尺度划分。所谓田间尺度是指单个或多个个连在一起的小田块。灌溉系统内一条渠道(可以是斗渠、支渠或干渠)所控制的面积作为中等尺度，它是灌区内的局部灌溉区域，田间尺度和中等尺度的上边界是作物冠层，下边界是不透水层。灌区尺度是指一个灌溉系统或灌区所包含的总面积，其水量平衡区的上下边界同田问尺度和中等尺度的一样。3．2．2水平衡要素分析方法3．2．2．1IWMl水平衡方法灌区水平衡要素分析计算和“四水”循环转化靓律是灌区水资源高效利用的基础。而水平衡要素的分析计算方法中应用比较广泛的是国际水管理研究院万方数据 —-—————●——_—————————_————-●—————-_●———-●________-●______---_-●_________-——————————一一一笙三童茎墨丝全壅堕查窒塑壹塾型里垦壁塾些型塑(1WMI提出的水平衡方澍，8‘100|。该方法旨在对不同尺度的水平衡要素进行系统全面的分类，从而研究各个尺度的水分消耗、转化和利用过程。该方法对水平衡要素的划分见图3．3。图3．3国际水管理研究院(IWMI)水平衡方法在国际水管理研究院提出的水平衡方法中，将水平衡要素划分为入流量、出流量、贮存量和消耗量4个大部分。下面结合灌区水平衡要素的划分对IWMI的水平衡方法中的术语进行详细阐述：①毛入流量为进入灌区的所有水量，包括天然降雨、地表水和地下水入流。②净入流量为毛入流量减去灌区内塘坝储水、地下含水层储水、土壤储水等储水量的变化量。储水增加变化量为正，减少为负。③总消耗水量指灌区内的水被利用或排出后无法再利用或不适合利用的部分，可划分为有益消耗和无益消耗，非生产性消耗和生产性消耗。灌区内水的消耗有4种途径：植株蒸腾和水分蒸发；水流入咸水体或者其它不适合利用的区域：污染后不适合利用；合成转化为植物体，形成产量。④有益消耗是指水分的消耗可以产出一定的效益，如农作物的耗水可以生产粮食。根据水分消耗途径和方式的不同，有益消耗包括生产性消耗和一部分非生产性消耗。⑤无益消耗是指水分的消耗不能产出效益，甚至是产出负效益，如渗漏到咸水层中的水。⑥生产性消耗指满足人们生产需要的消耗水量，灌区内生产性消耗主要是作物蒸腾，生产性消耗是灌区水分消耗的最重要部分。⑦非生产性消耗指水分的消耗不能满足人们的生产需要，与生产目的不一致，如非耕地蒸发、旱田表31万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究土蒸发等。非生产性消耗一部分属于有益消耗(如环境用水)，一部分属无益消耗(如深层渗漏进入咸水层等)。⑧出流量指从地表和地下流出灌区的水量，包括调配水和非调配水两部分。⑨调配水是指根据法律、法规、水权分配和灌区管理部门的用水计划等必须分配出来的那部分水量，如调配给灌区下游的地表水量等。⑩非调配水是指灌区出流量中除调配水以外的所有的水量，分为可回归利用水量(也称做回归水量)和不可回归利用水量(由于蓄水措施不当而不能被灌区利用，如下泄的洪水)。①可利用水量指灌区内所有可利用的水量，等于生产性、非生产性消耗和非调配水中的所有可回归利用水量之和，或等于总供水量扣除调配水和非调配水中的不可利用部分。灌区水量平衡的观点及对水平衡要素的划分对灌区水资源高效利评价和灌区水资源调配等方面也有重要的作用和意义。3．2．2．2IWMI评价指标IWMI在对水平衡要素分类的基础上，提出了适合尺度效应研究的3类评价指标：①总消耗比例指标(depletedfraction)，反映的是水资源经过一个区域后被实际消耗的程度；②生产性消耗比例指标(processfraction)，反映的是水资源在系统中生产性消耗所占的比例；③水分生产率指标(waterproductivity)，反映的是水资源的产出效率。详见表3．2。表3．2IWMI水平衡方法中的指标术语和符号32万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究3．2-3评价指标及量化方法3．2．3．1采用的评价指标除了IWMI提出的上述评价指标外，针对井渠结合灌区情况，其水资源高效利用尺度效应研究中采用的评价指标主要有灌溉回归水分析指标、灌溉效益费用分析指标、灌溉水分生产率和净灌溉量水分生产率。灌溉回归水是指灌溉水未被利用又由田问、渠道排出或渗入地下并汇集到沟、渠、河道和地下含水层中，成为可再利用的水源。包括渠系渗漏，渠系退水，田间深层渗漏和田间排水等。在合适的条件下，灌溉回归水都有被灌区内部或灌区外其他区域重新利用的潜在可能，可称之为理论回归水量。而事实上，在理论回归水量中，可能只有一部分被灌区内部重新利用，这部分水量被称作重复利用水量。理论回归水量扣除重复利用水量，就是实际回归水量。井渠结合灌区地表水地下水的联合利用拓展了回归水重复利用的途径，分析不同尺度回归水的重复利用情况，对提高井渠结合灌区用水效率具有十分重要的意义。引入灌溉水重复利用率、回归水重复利用率、灌溉水回归率和实际回归率作为灌区回归水分析指标。灌溉水重复利用率指重复利用水量与灌溉水量之比；回归水重复利用率是指重复利用水量与理论回归水量之比；将实际回归水量与灌溉水量之比定义为灌溉水回归率；实际回归率是指实际回归水量与理论回归水量之比。脚：拿(3．1)IRU：肇(3．2)脚=堡QT(3．3)RRU=鲁(3．4)ERF+RRU=1(3．5)式中：上灯为灌溉水回归率；IRU为灌溉水重复利用率；ERF为实际回归33万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效弄il用尺度效应研究率；RRU为回归水重复利用率；j为灌溉水量；Qr为理论回归水量：绋为实际回归水量；OR为回归水量在灌区内部的重复利用量。灌区回归水包括渠道退水，田闻排水，灌区总计算渗漏补给量g。。。重复利用的渠道退水和田间排水可由灌区监测数据得到。灌区总计算渗漏补给量q。。可按田间渗漏补给量g，、渠灌渠系渗漏补给量‘g，和井灌输水渗漏补给量吼分别计算qall=q，十g，+g。<3，6)田间渗漏补给量按如下公式计算‘10¨。“∞2崔打妈．7)L皖一印j75(硼(3．8)K(01=Ker]／s=J厅(目)一hIK(O)／L(3．9)(3．10)9，=J×f×A式中：口为土壤含水率；厅(口)为负压水头；吃为进气压力值：p为剩余含水率；只为饱和含水率；兄为大于零的正常数，无因次，反映土壤空隙大小分布；K为水力传导度；口为与土壤质地有关的经验常数，无因次：S为土壤单位面积渗漏速度：舀为土壤计划湿润层平均含水率；h为土壤计划湿润层下边界位置负压水头：‘为土壤计划湿润层平均含水率所在土层至计划湿润层下边界的渗径长度；q，田间渗漏补给量；f为产生渗漏的时问；A为田问灌溉面积。式(3．7)为Brooks和Corey提出的土壤水分特征曲线；式(3．8)为Rijtema提出的计算非饱和土壤水力传导度经验公式：式(3．9)为达西公式。．渠系渗漏补给量按如下公式近似计算g。=(1·m)×Q(3．11)式中：g。为渠灌渠系渗漏补给量；m为渠系水利用系数；g为渠首引水量。如果井灌采用管网输水，则井灌输水渗漏补给量近似为O：如果利用渠道输水，则按下式近似计算万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究‰=《1-n)丰Q，(3．12)式中：q。井灌输水渗漏补给量：玎为井灌使用的渠系水利用系数；Q，为井灌的地下水开采量。衡量灌区农业灌溉投入产出的经济效果，需进行灌溉效益费用分析。井渠结合灌区因井灌和渠灌的灌溉成本不同，导致投入产出效果不同。分析井渠结合灌区不同尺度上地表水地下水联合调度产生的效益费用情况，可为提高灌区水资源利用的经济效益提供参考。将农业灌溉效益费用比和农业灌溉净效益作为灌溉效益费用分析指标。农业灌溉效益费用比指灌溉效益与灌溉成本费用之比；农业灌溉净效益指灌溉效益与灌溉成本费用之差。本文认为除了IWMI提出的水分生产率指标外，对于井渠结合灌区来讲，灌溉水分生产率和净灌溉量水分生产率也是十分重要的水分生产率指标。灌溉水分生产率旧是指作物产量与灌溉水量之比。净灌溉量水分生产率形巳，，指作物产量比上灌溉水量与重复利用的回归水量之差。3．2．3．2水平衡要素解析隔水层注：卜一有效降雨：三瑟一一作物鹰发量：El"o---苴他植物腾发量：}—-空地蒸发量：△S一一墒情变化星：g一一渗漏水量；口一～渠道退水量；c_一调配出水量；皿．姐卜一浅井和深井抽水量；j}一一粟道引水量：函，Gj伊一一地下水水平入流量和出流量。图3．4井渠结合灌区灌区尺度水循环关系示意图要研究井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应，首先必须深入了解各类水资源高效利用措施的基本原理和灌区内各尺度的水分循环关系，使水平衡各要万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究素能够反映出人类对水分循环的干预作用。井渠结合灌区灌区尺度水循环关系如图3．4所示。其他尺度水循环关系图，只是根据实际情况在此图基础上对某些水平衡要素进行删减。根据所划分的井渠结合灌区各个尺度的水分利用和循环转化特征，基于国际水管理研究院(IWMI)的水平衡方法，对前面提到的评价指标计算所涉及的各尺度水平衡要素进行解析，详见表3．3。表3．3并渠结合灌区不同尺度水平衡要素解析表注：·表示需要考虑该平衡要素3．2．3．3数据获取途径和尺度效应描述方法并渠结合灌区水循环过程中不同尺度水平衡要素分析数据和作物生长数据可采用统计数据、试验监测数据或借助数值模拟方法及遥感技术(RS)获取。36万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究尺度效应的描述方法依赖于数据获取途径，两者不可分割。以上数据获取途径和尺度效应描述方法总体分为试验观测和数值模拟方法两大类。因此，下文按不同尺度，对这两大类方法进行阐述。(1)试验观测方法1)小尺度试验因小尺度上水肥和产量因素易于控制，传统的灌区水资源高效利用尺度效应研究大多是在小尺度(田问尺度)上进行试验观测，应用常规的测量仪器和设备即可监测降雨、灌溉、排水、蒸腾蒸发、渗漏、养分和作物耗水、产量等数据，得到的结果比较可靠，常用小尺度试验结果来指导灌溉实践。但因为水文、气象、地形地貌等自然条件以及作物生长等空间变异性的影响，小尺度的试验结果，不能直接在大尺度上应用【旧21，即使同一灌区不同位置上的水平衡要素和产量等数据都有差异，导致水分生产率等评价指标也不相同。在田间尺度采用的节水技术措施会影响更大尺度的水循环过程[103]，但要弄清田间实施的节水措施对大尺度的水平衡过程到底产生何种影响，还需借助更大尺度的试验监测数据才能得出正确的结论。2)中等尺度和大尺度试验受灌区内水文、气象等自然条件以及作物生长的时空变异性的影响，在中等尺度和大尺度上进行试验观测比小尺度上困难，数据获取精度也难以保证。遥感技术的使用为获取大尺度数据提供了较为便利的条件，遥感技术应用最为成功的是对大尺度蒸腾蒸发量和土壤水分的监测、分析[1呻105】。基于地表能量平衡方程而建立的SEBAL模型可采用遥感影像计算出研究区的日蒸腾蒸发量，是目前遥感应用研究中一个较好的模型【10引07】。但在时空分辨率和模型参数检验方面遥感技术还存在许多刁i足，与GIS的有效结合也是当前面临的主要挑战。在井渠结合灌区进行中等尺度和大尺度试验应加强对降雨，灌排渠道、蓄水建筑物水量或流量，土壤水分，地下水位等数据的观测，同时，应用遥感技术结合相关模型和地理信息系统技术对灌区内地形地貌、土地利用、作物蒸腾量和土壤含水量等进行监测，以探明不同尺度水分消耗量和循环转化关系，找出水分生产率等评价指标的尺度效应演变规律。(2)数值模拟方法建立各种数值模拟模型，并采用试验观测数据进行模型的率定和验证，是目前比较流行的尺度效应问题研究方法。适合灌区水资源高效利用尺度效应分37万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究析的模拟模型包括各种尺度的水文模型和作物生长模型，这些模型的适用范围不尽相同。水文模型可分为集总式、分布式和半分布式模型【108】。下文述及的水平衡模型属于集总式或半分布式水文模型，而水动力学模型可归为分布式水文模型。1)小尺度水文模型’小尺度下模型常将水文过程简化为只考虑水分的垂向运动或水平运动。小尺度水文模型包括各种水平衡模型和水动力学模型。水平衡模型结构比较简单，参数不多，容易理解，一般只考虑水量的输入、输出和存储变化，但水平衡模型需要长系列历史资料来率定参到m9。10】。常用于小尺度模拟的水动力模型有HYDRUS．ID、HYDRUS一2D和SWAP模型等。HYDRUS．1D是可模拟饱和或非饱带水、汽、热耦合运动的一维垂向模型。HYDRUS．2D可以模拟二维水分运动及有机污染物的迁移与转化过程。SWAP是主要用于模拟田间尺度水分、盐分迁移、热量传递和作物生长的模型，但可通过小尺度聚合方式得到不同尺度的水平衡要素和作物生长过程[102,111]。水动力学模型常需要对边界条件进行简化，而且，对于大尺度来说需要先分割成若干小尺度，再在小尺度上分别应用水动力学模型，其过程复杂，精度难以保证。因此，在灌区水资源高效利用尺度效应分析中，适合采用较大尺度的水文模型。2)中等尺度水文模型中等尺度范围内可能包含灌排渠道、塘坝和蓄水池等设施，地形地貌条件也更为复杂，对模型的模拟效率和精度要求更高。适合井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究的比较成熟的数值模型主要有MODFLOW、GMS、FEFLOW等21，它们具有先进的图形视觉化技术，方便的进行时间和空间离散化，可用于模拟不同尺度的水平衡要素和溶质的运移，在处理河流、沟渠等复杂边界上具有显著优势。3)大尺度水文模型大尺度的水循环过程复杂，其模拟需要考虑不同空间单元之间的联系，只有分布式水文模型才能胜任。由于灌区内人工灌排渠系交错分布与自然水系不同，灌区子流域难以划分，边界难以处理，目前为止还没有专门的灌区分布式水文模型，只是将能反映灌溉系统特性的模块嵌入到水文模型中去，使其具有模拟灌区某些特性的功能【¨31。SWAT、MIKESHE和SLURP等分布式水文模型可用于井渠结合灌区水资源高效利用尺度分析中。SWAT模型和MIKESHE模38万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究型有明确的物理意义，可以模拟地表水、地下水之间的循环转化及污染物的迁移，以及有关的水资源水环境问题41，但SWAT模型、MIKESHE模型没有考虑灌区内人工沟渠等交错分布。而SLURP模型考虑了灌区的这些特征，它可利用RS和GIS提供的空间信息，模拟大尺度的水文过程，但是SLURP模型只是半分布式水文模型，仅考虑各单元内水分的垂向运动，而且对地下水模拟较简单。由于传统的分布式水文模型并不完全适用于井渠结合灌区水循环的模拟，要解决其水平衡要素的数值模拟问题，一是对现有分布式水文模型进行改进，加入反映灌排渠系、水库、塘堰等形体结构的模块，并与地下水数值模型耦合，如SWAT与MODFLOW耦合51，SLURP与SWAP的耦合6J等；二是基于分解．聚合的思想，开发适用于井渠结合灌区的基于DEM的分布式灌溉水文模型，更加准确、真实地模拟灌区内各项水平衡要素，以便进行井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析。4)作物生长模型对作物生长及其产量的观测或模拟也是灌区水资源高效利用尺度效应研究中的一个重要内容。通过田问试验可获得作物生长发育和产量的观测数据而作物生长模型可以对作物的生长发育进行模拟，二者可互为补充。典型的作物生长模型有CERES、ORYZA模型等71。CERES模型可动态模拟玉米、水稻、麦类等作物的生长发育，预测作物产量引。ORYZA模型可模拟水分和氮素变化条件下水稻的生长发育、产量形成以及土壤水分状况【11皿m】。由此可见，CERES模型及ORYZA模型可用于井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析中的作物生长模拟。另外，一些水文模型，如SWAT模型和SWAP模型也含有作物生长和产量预测模块，在模拟精度要求不高的条件下，这些模块也可以用于井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析中。现有作物模型研究主要缺点是作物生长的某些过程(如LAl的发展、干物质分配等)是建立在经验关系基础上，另外，病虫害和经济人文影响因素研究不足【1231，而且，许多作物生长模型是基于田问尺度开发的，用于大尺度模拟时需对模型的输入参数或输出结果进行空间插值[1241。通过以上数据获取途径，获得计算水分生产率指标、回归水分析指标和灌溉效益费用分析指标所需的各尺度水平衡要素，明确井渠结合灌区不同尺度水分消耗转化途径，可以分析出灌区水分生产率的尺度效应、不同尺度回归水利用情况、井渠结合灌溉获得的效益和花费的成本情况，以及相应的影响机理，39万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究使人类对水分利用和调控向节水高效的方向发展。3．3实例应用研究采用上述尺度效应分析方法，以研究区一一人民胜利渠灌区为例，进行水资源高效利用尺度效应研究，以期为井渠结合灌区不同尺度的水资源高效利用评价与调配提供理论依据。3．3．1情景模式的设定井渠结合灌溉对合理利用水资源、提高水资源利用效率、提高农田灌溉保证率以及防止土壤盐碱化都具有重要作用。不同井渠结合灌溉模式对以上作用发挥的效果不同。什么时间用井灌什么时间用渠灌，用多少井水多少渠水对灌区水循环的影响不同，进而对回归水的重复利用影响也不同，导致在不同尺度上采用不同的井渠结合灌溉模式产生的用水效率和效益的尺度效应也不同。目前，不同气象条件下，不同井渠结合灌溉模式如何影响灌溉系统水平衡过程的量化研究很少，开展不同井渠结合灌溉模式下灌区不同尺度水平衡要素的变化规律以及水资源高效利用指标演变特征研究，将为从水循环角度研究提高灌区用水效率和效益提供理论基础，为研究灌区水资源合理配置提供理论依据，因此，具有重要的理论意义和应用价值。人民胜利渠灌区夏作物以小麦为主，秋作物生育期与降雨时间耦合关系较好，基本不需灌溉或只需灌一水，因此，本文以人民胜利渠灌区冬小麦为例，结合当地多年的生产实践，设置不同的井渠结合灌溉情景模式，采用SWAT与MODFLOW耦合模型，模拟分析不同情景模式下用水效率指标随空间尺度及水文年度的变化特征及规律。气象因素对灌区用水效率影响显著，其中降雨和蒸腾蒸发是主要因素。为了全面探讨灌区水资源高效利用的尺度变化特征，需要考虑不同水文年型条件下灌区的水循环过程和作物生长情势。根据人民胜利渠1951．2008年的全年降雨量排频，50％和75％频率年的降水量分别为539mm和449mm。选择历史上与以上降水量最接近的年份为代表年，代表年的选取如表3．4所示，模拟时段选为两个代表年的小麦生育期，模拟时间步长为天。万方数据 第三章井渠结合濯区水资源高效利用尺度效应研究表3．4代表年的选取按井渠双灌(又称井渠双配套)设定不同模式。即同一灌溉地块既能用地表水渠灌，又能用地下水井灌，地表水、地下水联合运用，在斗、农、毛渠的渠首或渠旁打井，田间工程一体化，实行统一调配、统一管理。具体情景模式设定如下：模式1：井渠结合，以渠灌为主，汛前和冬灌用井灌，其他时间用渠灌。具体枯水年、平水年灌溉制度见表3．5。模式2：井渠结合，以井灌为主，播种用渠灌，其他时间用井灌。具体桔水年、平水年灌溉制度见表3．5。表3．5不同水文年井渠结合灌溉情景模式设定41万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究同一水文年不同的情景模式只有井渠结合灌溉模式不同，其它条件均相同。3．3．2尺度的划分及评价指标将研究区划分为田间、支渠、分干渠、灌区4个尺度。田间尺度即末级渠道控制的范围，包括一个或几个田块，上边界为作物冠层，下边界到潜水底板，因此，田间深层渗漏、浅层地下水抽水量和毛管上升水都是该尺度内的水循环。田间尺度存在深层渗漏水量的回归再利用过程。支渠和分干渠尺度即支渠或分干渠控制的范围，属于中等尺度，比田间尺度多了输水渠系，其水量损失途径增多，不仅包括田间渗漏，还包括渠系渗漏及灌溉退水和排水，这些回归水量有一部分在本尺度重复利用，另一部分流出本尺度，流出本尺度的这部分对本尺度来讲才算真正的损失水量。因此，与田间尺度相比，中等尺度需要更多的考虑回归水重复利用的影响。灌区尺度包括了整个灌区的控制范围，其涉及的面积更大，渠系更多，情况更为复杂。本研究所划分的各尺度范围如图3．5所示，边界、位置、面积详见。表3．6。图3．5研究尺度划分示意图表3．6研究尺度划分基本情况表42万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究各尺度水平衡要素分类见表3．2人民胜利渠灌区水资源高效利用尺度效应分析研究采用水分生产率指标、灌溉回归水分析指标和灌溉效益费用分析指标。水分生产率指标具体包括：灌溉水分生产率、毛入流量水分生产率、净入流量水分生产率和净灌溉量水分生产率；灌溉回归水分析指标包括：灌溉水重复利用率、灌溉水回归率、回归水重复利用率和实际回归率；灌溉效益费用分析指标包括：灌溉效益费用比和灌溉净效益。3．3．3人民胜利渠灌区地表水一地下水耦合模型构建在缺乏田间试验观测资料的情况下，要进行灌区不同尺度水资源高效利用的研究，分布式水文模型是一种有效手段，它能充分利用有限的基本资料，模拟得到不同尺度上的水平衡要素及作物产量，从而计算出水资源高效利用指标。SWAT模型是一种具有物理基础的分布式水文模型，在灌区水循环模拟中得到了广泛的应用，Khalil等[125]采用SWAT模型模拟了3种种植模式的灌区地下排水过程。胡远安等1126J应用SWAT模型拟了稻田水分循环，并对稻田蓄水情况进行了改进。代俊峰Il川J改进了SWAT模型的稻田水分循环模块、增加了渠系渗漏和塘堰灌溉模拟模块，构建了适合丘陵水稻灌区的分布式水文模型。但SWAT模型对平原灌区特点及早作物模块考虑较少，同时对地下水模拟能力较弱，没有考虑不同子流域之间的地下水真实流动关系，不能准确反映河流与含水层之间的相互关系，不能真实地模拟地下水位的动态变化和抽水井对地下水的影响[128]oMODFLOW是被各国同行一致认可功能强大的模块化三维地下水流模拟模型。因此，本文在前人研究的基础上对SWAT模型进行了进一步修改，用MODFLOW取代SWAT的地下水模拟模块，构建适合人民胜利渠灌区的地表水．地下水分布式耦合模型，用以模拟分析不同水文年灌区水资源高效利用指标随43万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究尺度的变化规律。3．3．3．1SWAT模型的修改(1)毛管上升水计算的修改原SWAT模型按下式计算毛管上升水。W=EroxC(3．10)式中：W毛为毛管上升水，(mm)：ETo为参考作物腾发量，(mm)；C为经验系数。计算的毛管上升水作为损失，直接蒸发到大气中，不参加土壤水分循环。而且模型中没有考虑作物因素和土壤因素对毛管上升水的影响。因此，本文采用茆智【1291提出的经验公式，作为毛管上升水的计算方法。W=EL×P。。(3．11)式中：E￡为作物实际腾发量，(mm／d)：b为反映土壤输水能力的经验系数，黏土取1．9，壤土取2．0，砂土取2．1；d为地下水埋深，(m)。修改后的SWAT模型将上式计算的毛管水加入到土壤水分循环中，作为地下水对土壤水的补给。(2)地下水埋深计算功能的增加原SWAT模型中地下水模块的模拟计算使用的是地下水水位这一变量，而不是地下水埋深，但农业水土工程中很多与地下水相关的计算都是使用地下水埋深，本文修改后的毛管上升水的计算也使用地下水埋深。因此在模型中增加地下水埋深的计算。计算公式见式H，=H-Z(3．12)式中：日。为地下水埋深，(m)；H为潜水底板到地表的深度，(m)：Z为地下水水位，(m)。(3)灌溉渠道渗漏的修改原SWAT模型没有渠道渗漏损失计算模块，代俊峰‘1271将灌溉渠系分为输水渠道和配水渠道，使用渠系水利用系数估算渠系渗漏损失，这在丘陵灌区提取的子流域边界与渠系吻合较好的情况下是适用的。但人民胜利渠灌区属于平原灌区，渠系与子流域边界吻合度不好，不能按上述方法进行分类，本文采用下式估算渠系渗漏损失量，并将其作为地下水的补给。∥耨蓼=％引×【l一刁，)(3·13)44万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究式中：％游为渠系渗漏量，(m3)：％爿为渠首毛引水量，(m3)；qy为渠系水利用系数。(4)旱作物模拟模块的修改原SWAT模型只能对生育期在一年内的作物生长进行模拟，对跨年作物如冬小麦的模拟就会出错，本文改进了作物种植操作模块，对作物种植日期参数(ipt)和生长日期参数(icr)分别进行了调整，使其适合于跨年作物的生长模拟。原SWAT模型将田间持水量作为灌水上限，认为旱作物田问灌水不产生深层渗漏，实际上由于灌水过程中局部超额灌溉，会经常产生短时间超过田间持水量的情况，所以早作物灌水也会产生深层渗漏，尤其在井渠结合灌区，因产生的深层渗漏可以补给地下水并重复利用，一般渠灌定额较大，田间水分损失以深层渗漏为主。因此，本文将田问持水量的上限去掉，采用田间水利用系数法估算田间深层渗漏量，并将其补给地下水，但此方法仅在井渠结合灌区适用。田间深层渗漏量计算公式如下。阡％彦=玎锄￡x(1一叩，)(3．14)式中：％嘴为田问深层渗漏量，(mm)：％舌为进入田f．q的毛灌水量，(mm)；卵，、为田间水利用系数。(5)蒸腾蒸发量计算的修改原SWAT模型中作物蒸腾和土壤蒸发是分开计算的，在灌区一般作物叶面积指数较大，蒸腾蒸发量计算以作物蒸腾量为主，而原SWAT中作物蒸腾是采用与作物叶面积指数相关的经验公式，公式中的叶面积指数是根据美国作物的生长情况给出的默认值，根据人民胜利渠灌区多年的灌溉管理经验，采用作物系数法计算作物实际腾发量更加符合当地实际。计算公式如下。E瓦=Kc×Ero(3．15)式中：ETo为实际作物腾发量，(mm)：丘为作物系数；Ero为参考作物腾发量，(ITll"n)。3．3．3．2SwAT-MODFLOw耦合模型构建(1)模型基础数据构建模型建立所需基本图件包括DEM图、土壤图和土地利用图。DEM图是确定研究区地形高程、坡度等参数，划分子流域的基础数据，本文使用的DEM图45万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究分辨率90m。土壤属性决定了土壤中水和气的运动状况，对各水文响应单元中的水循环起着重要作用，对SWAT模型的模拟结果产生重要影响【l如J，根据《河南省土壤图集》概化绘制出研究区的土壤矢量图。土地利用图根据研究区土地利用调查结果绘制。模型运行的主要输入数据包括气象数据、土壤性质、水文地质参数、植被参数和管理措施等。气象数据采用国家气象信息中心新乡站的实测数据，监测项目包括1951．2008年逐日平均气压、最高气压、最低气压、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最小相对湿度、平均风速、最大风速及风向、极大风速及风向、日照时数、降水量。参考作物腾发量由模型基于以上实测数据，采用Penman．Monteith公式计算得出。研究区内各土壤类型不同土层的土壤理化性质通过试验和调查资料获得。水文地质参数主要包括潜水含水层的渗透系数K和给水度／1，根据2000年《河南省新乡县区域水文地质调查》成果，将研究区划分为8个水文地质参数分区。作物生长参数由调查和田间试验得出。管理措施主要是各种作物灌溉制度，由灌区灌溉试验和调查资料获得。作物系数参考人民胜利渠灌区相关研究成果确定【13|1，小麦各生育阶段作物系数见表3．7。表3．7人民胜利渠灌区小麦各生育阶段作物系数(2)子流域和水文响应单元的划分从研究区DEM图提取河网水系，．并根据实际情况进行修正得到研究区水系图。根据DEM图和水系图，将整个研究区划分为不同子流域。同一子流域具有相同气象因子、地形要素、河道特征等，模型将人民胜利渠灌区划分为41个子流域。每个子流域内可能存在多种土壤类型和土地利用类型及多种作物和土壤类型的组合，从而使子流域内具有不同的水文响应。为了反映这种差异，SWAT模型中采用水文响应单元(HRU)的划分方法，将每个子流域划分为一个或多个HRU，每个HRU具有相同的土地利用类型和土壤类型。本文采用5％作为土地利用类型和土壤类型的面积阈值，舍去子流域内不到5％的土地利用类型和土壤类型，通过重新划分的的土地利用图和土壤类型图的叠加，将研究区41个子万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究流域划分为216个HRU。(3)SWAT模型与MODFLOW模型的耦合MODFLOW模型具有水平边界和垂直边界。水平边界为给定的流量边界；下边界为不透水边界；上边界为渠系渗漏补给、田间灌溉补给、潜水蒸发量和地下水开采。利用Arcview将SWAT模型中人民胜利渠灌区的土地利用图和土壤图分辨率都调整为300m，然后将二者叠加得到HRU的空间地理位置。在MODFLOW模型中也将研究区离散为300m×300m的正方形网格，在平面上剖分为184行×248列，垂向剖分为3层，整个模型为一个184行x248列×3层的矩形结构，共136896个单元。将HRU与MODFLOW模型中的网格匹配起来，具体匹配过程详见文献I”21，在每一个计算时段内，将SWAT模型模拟的地下水补给等结果输入到MODFLOW中，MODFLOW模拟的地下水位等结果作为SWAT的输入【l邛J，实现SWAT模型与MODFLOW模型的耦合计算。(4)模型的率定和验证SWAT-MODFLOW耦合模型是一个具有众多参数的复杂的分布式水文模型，必须通过参数率定和验证才能使模型更符合研究区的实际情况，保证模拟的准确性和可靠性。本文选用相对误差(R)、相关系数(兄)、归一化的均方根误差(NRMS)及Nash．Suttcliffe确定性系数(E。。)来评价模型的适用性。1)模型率定①径流率定根据掌握的研究区资料，选择3个站点作为地表径流的模型率定站点，分别为牛屯村站、关堤桥站和秦村营桥站，各站点位置如图3．6所示。选用2006年1月．2007年12月地表径流对模型进行率定。首先按水量平衡来校准参数，包括总水量的平衡和各部分水量的平衡，如蒸发、地表径流和基流等。其次，按流量过程进行调参，考虑的是地表和河道汇流时间，‘流量峰值以及退水过程等方面。经过反复多次的调整模型参数，使模拟值与监测值基本吻合。各站率定结果如图3．7、图3．8和图-3．9所示。三个水文站模拟期相关评价指标见表3．8。47万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究图3．6监测站位置图j-▲一监测值一一一模拟值252、、II，5一s／-c一叫=蕞、k、、，●≯．矽lf，葚一，—、、、k一，■}飞}k／|薯l▲f．÷k^～日■寸卜、ooN叹■寻hooN叹一一LbooN叹=L畏ooN日期图3．7牛屯村站径流率定结果图48万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究65▲监测值一一一模拟值5／』1l5月，5”声支～<4●k，’35!-3童fⅢ-捌爆奎x▲25．-I、一啥￥；：1髻I2L￡1．51蠢叮田匝町四叮一n．n卜nIn廿廿廿廿廿廿∞口∞∞卜卜o。oo。。昌昌舄曷一日仓廿Ⅷ。。N一叹一一廿岣。。N昌舄一罢譬0z聃图3．8关堤桥站径流率定结果图1．8+监测值一--D-一模拟值1．61．41．21●0．8产gfuJ一删嫁0．60酣V芏、|砖．、玉0．40．2、k)_0一一。h、．一田暖口叮暖呶皿匠暖暖叮田Hn¨hanlnha=廿廿廿廿廿廿廿廿廿＼。岭心口∞再世卜卜卜卜廿ooooo∞o。oo。卜ooooooooooNN卜j一NoN罱NN呙oN日期图3．9秦村营站径流率定结果图49万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究表3．8率定期地表径流模拟效果②蒸腾蒸发量率定由于受监测资料的限制，采用遥感ET数据进行率定，所用遥感影像为LANDSAT7卫星的ETM数据，遥感ET的监测范围为新乡县，为整个研究区的一部分，因此本次蒸腾蒸发量的拟合区域选择新乡县，即通过SWAT模型计算整个区域的蒸腾蒸发量，通过GIS空间分析，提取新乡县的蒸腾蒸发量模拟结果与遥感结果进行对比。新乡县2007年蒸腾蒸发量模拟值和遥感蒸腾蒸发量分别为601．3mm、618．0mm，相对误差为一2．7％，可见模拟效果较好。表3．9率定期蒸腾蒸发量模拟值与遥感监测值对比⑨地下水位率定研究区地下水观测孔共有33个，利用2007年观测资料进行MODFLOW模型水文地质参数率定。模拟值与观测值之间的归一化的均方根误差、相关系数、确定性系数如表3．10所示。由结果可知，相关系数兄平均值为0．77，表明地下水位模拟值和观测值吻合较好。归一化均方根误差NRMS平均值为0．15，模型的确定性系数E。平均值为0．67，误差指标在允许范围内，表明模型运行稳定，模拟效果较好，具有较好的适应性。表3．10率定期MODFLOW模型地下水位模拟值与观测值误差指标2)模型验证①径流验证将模型模拟的2004年1月一2005年12月径流结果与实测资料中成果进行对万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究比。验证结果如图3。lO、图3．1l和图3。12，各评价指标如表3．1l所示。牛屯村站、关堤桥站和秦村营桥站模拟结果与实测结果的相关系数均大于0．75，瓦系数均大于0。7，表明模型在研究区径流模拟中具有较好的适应能力。_▲监测值一+一模拟值5l仝l＼＼3峨们临5冬、、：、气心、√，。0≮¨|“t詹+{+．I，250，√气▲、、、、、、l眈!耋叭蝴。0．一．．。一∥U一』一L一一一一一器乡一～一一一5陬叹孬技寸ooo叹一廿苦oN叹n廿吾oN叹”n¨寸ooN叹卜廿寸ooN吸口廿蔷。HoN叹n醑nooN叹n廿吕oN叹卜廿昌oNN叹【I蚌警oN日期图3．10牛屯村站径流验证结果图545卜监测值一+一模拟值435AktI▲+▲-3，AA，252’I^}：{一-7一∽／fE一捌煺▲．；一●5lO50叹一廿苫oN叹n廿吝oN叹n廿菖。N叹h蚌菖oN叹昏廿吝。N叹一_【廿苫oN叹"【廿no。N叹n圭=n。。H叹n廿n。oN叹卜许nooN叹△廿n。。N叹一一廿吕oN日期图3．1l关堤桥站径流验证结果图万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究4乏i一监测值一+一模拟值二岔3·5÷一7j．差3i，Zj砉2‘i}：≤1。∥k芦咫0‘j上￡￡是世生遵兰王囊一．一——一吸叹叮四町田田凹暖四四叮一nn卜口=一nln卜凸=廿廿廿廿廿廿廿廿廿廿寸寸寸’寸’寸廿u、tt-$Innn廿oooo寸ooooov、oooo昌ooooooo一NrqNt"qoNNNNNo一N日期图3．12秦村营站径流验证结果图表3．1l验证期地表径流模拟效果②蒸发验证验证期2006年新乡县遥感蒸腾蒸发量和模型模拟蒸腾蒸发量分别为625．89mm和605．00mm，两者相对误差为3．45％。为验证其准确性及数据的完整性，对2004年和2005年的蒸发量也做了模拟作为验证，结果表明率定后的模型模拟能力较强。见表3．12。，表3．12验证期蒸腾蒸发量模拟值与实测结果对比③地下水位验证研究区地下水观测孔共有33个，利用2003年观测资料进行模型验证。模52万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究拟值与观测值之间的归一化的均方根误差、相关系数、确定性系数如表3．13所示。由结果可知，相关系数尺：平均值为0．85，表明地下水位模拟值和观测值吻．合较好；归一化均方根误差NRMS平均值为0．2】；模型的确定性系数瓯平均值为0．59。模型验证效果较好，表明模型具有较好的适应性，可用于灌区水循环转化模拟。表3．1弓验证期MODFLOW模型地下水位模拟值与观测值误差指标3．3．4尺度效应及影响机理分析3．3．4．1各水文年不同灌溉模式下不同尺度的水平衡状况为了减小空问变异性的影响，各水文年不同灌溉模式下水平衡要素的模拟计算取各尺度模拟范围的平均值。各尺度水平衡状况只按小麦种植面积进行统计分析，平水年、枯水年各尺度水平衡状况模拟结果如表3．14和表3．15所示。从表3．14和3．15可以看出，由于地下水的开采，储水变化量为负值，因此．挣入流量比毛入流量大。田间尺度毛入流量包括降雨和渠道灌溉，支渠以上尺度还包括边界外渠系补给。田间尺度平水年模式l渠道灌溉占毛入流量的55．6％，降雨占44．4％，模式2渠道灌溉占毛入流量的38．5％，降雨占61．5％：枯水年模式l渠道灌溉占毛入流量的61．5％，降雨占38．5％，模式2渠道灌溉占毛入流量的46．6％，降雨占53．4％。支渠尺度平水年模式1渠道灌溉占毛入流量的62．9％，降雨占36．2％，模式2渠道灌溉占毛入流量的46．2％，降雨占53．1％；枯水年模式1渠道灌溉占毛入流量的68．2％，降雨占30．8％，模式2渠道灌溉占毛入流量的54．3％，降雨占44．9％。灌区尺度平水年模式1渠道灌溉占毛入流量的75．5％，降雨占23．8％，模式2渠道灌溉占毛入流量的60．9％，降雨占38．5％；枯水年模式1渠道灌溉占毛入流量的79．5％，降雨占19．7％，模式2渠道灌溉占毛入流量的68．3％，降雨占31％。由田间尺度到灌区尺度渠道灌溉占毛入流量的比重越来越大，降雨所占比重逐渐减小，这是由于随着尺度增大包含输配水渠系增多，渠系输水损失增大，使得渠首引水灌溉量变大，逐渐超过降雨量对入流的贡献，枯水年由于降雨比平水年少，表现更为明显。万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究随着尺度增大，渠系输水损失增大，补给地下水量也相应增大，这些水量都可以被抽取出流重复利用，重复利用量随尺度增大呈现增大的趋势，因此，模式l抽取地下水灌溉量较少的情况下，地下水储量由负值变为正值，地下水储水量由减少转变为逐渐增大，表明随着尺度增大，地下水的补给量大于抽取量，模式2地下水储量减少幅度也逐渐降低，不同水文年变化趋势相同。表3．14灌区平水年(P=50％，降雨量528mm)水平衡状况单位：mm田问尺度支渠尺度分干尺度灌区尺度水平衡要素模式1模式2模式1模式2模式1模式2模式l模式2净灌溉水量276，14276．14293．53281．76293．15283．34289．88285．36灌溉总水量306．82306．82372．93339．87437．98374．16572．63445．14渠道灌溉170．4585．23236．56118．28300．05150．03431．46215．73潜水灌溉136-36221．59136．36221．59137．93224．14141．18229．4l．承压水灌溉0．000．000．000．000．000．000．000．00重复利用水量30．6830．6879．4058．11144．8490．83282．75159．78田问灌溉补给30．6830．6836．8236．8236．8236．8236．8236．82渠系损失补给量O．00O．0042．5821．29109．5956．56250．74130．79万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究表3．15灌区枯水年(P=75％，降雨量445．2mm)水平衡状况单位：mm田问尺度支渠尺度分干尺度灌区尺度水平衡要素、聂i_—雨舀i-—覆j——百再i厂—覆五——百西i-—筷j——丽消耗水量部分，前已述及同一水文年两种灌溉模式只有井灌、渠灌用水量和时间不同，农田灌溉定额、降雨和其他气象条件等均相同，因此，模拟出的麦田腾发量相同。出流部分，支渠以上尺度渠道有部分退水，田问排水被同尺度其他田块重复利用，基本没有排水出流，不同水文年情况相同。万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究3．3．4．2各水文年不同尺度水资源高效利用指标的变化规律(I)水分生产率指标受资料限制，精确模拟产量存在困难，采用与设置灌溉模式相同水文年对应的实际产量评价水分生产率。因为水文年相同，作物实际耗水及灌区水平衡要素与模拟情景具有可比性，并且同一水文年两种灌溉模式下麦田腾发量是相同的，而相同的作物腾发量对应的作物产量也应相同。根据灌区1989年(平水年)各县冬小麦产量统计资料，冬小麦平均产量5328kg／hm2；根据灌区1982年(枯水年)各县冬小麦产量统计资料，冬小麦平均产量5530kg／hm2。对于4个情景模式，灌溉水分生产率和毛入流量水分生产率都是随尺度增大而减小，灌溉水分生产率从小尺度到大尺度减幅约为o．5kg／hm2和毛入流量水分生产率减幅约为o．85kg／hm2。其主要原因是随着尺度的增大，更多的渠系纳入研究范围内，渠系输水损失增大，导致灌溉水量和毛入流量增大较多，因此，灌溉水分生产率和毛入流量水分生产率都是随尺度增大而减小。净入流量水分生产率和净灌溉量水分生产率都呈现先由田问尺度到支渠尺度减小，然后由支渠到灌区尺度随着尺度增大而增大的趋势，这是由于支渠尺度比田间尺度多了输水渠系，增多了水量损失的途径，支渠尺度的渠道退水出流较大，净入流量和净灌溉水量都比田问尺度大。而由支渠到灌区尺度随着尺度增大，小尺度上的出流在更大尺度被重复利用了，灌溉水的重复利用率增大，出流减少，净入流量和净灌溉水量都相应减小。2822618242216f{2∞14岂18器0112矗1F口4一吧I／∞o_叟“言12l1080ou0606田间尺度支渠尺度分干尺度灌区尺度尺度尺度(a)灌溉水分生产率(b)毛入流水分生产率图3．13不同情景模式灌溉水分生产率和毛入流水分生产率随尺度的变化56万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究21_951．91．4{；卜1．85目喜1．35古1．8C81．3尝1．751．71．651．6(a)净入流量水分生产率(b)净灌溉量水分生产率图3．14不同情景模式净入流量水分生产率和净灌溉量水分生产率随尺度的变化从图3．13和3．14可见，不同水文年相同灌溉模式下的各种水分生产率基本是平水年大于枯水年，只有毛入流水分生产率与此规律相反，分析其原因，水分生产率主要受降雨和腾发量的影响，平水年降雨较大，腾发量较小，灌溉水量、净入流量和净灌溉量都比枯水年小很多，所以这些水分生产率比枯水年大；虽然枯水年腾发量比平水大，比平水年多引一些渠水，但从地下水储变量减少幅度来看主要还是靠地下水灌溉，而地下水灌溉属于尺度内水量转移，不算毛入流，另由于降雨减少很多，对毛入流影响较大，因此，枯水年毛入流量比平水年小或接近，毛入流量水分生产率比平水年大。(2)回归水分析指标由于井渠结合灌区可重复利用田间或渠道渗入地下含水层的回归水，其灌溉回归水重复利用量的主要来源即渠系渗漏补给地下水量和田间灌溉渗漏补给地下水量，而灌溉定额及田间水利用系数相同条件下，各尺度田间灌溉渗漏补给地下水量基本相同，灌溉回归水重复利用量的增减主要依靠渠系渗漏补给地下水量。由图3．15(a)可见，灌溉水重复利用率呈现随尺度的增大而增大的趋势，增幅为0．3．0．4之间，其原因是随着尺度增大，纳入尺度内的渠系增加，渠系渗漏补给地下水量增大，另外，小尺度的田间排水和渠道退水在大尺度上全部和部分重复利用了，使重复利用量的增速比灌溉水总量的增速大。相同灌溉57万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究模式，平水年比枯水年灌溉水重复利用率大，这是因为平水年比枯水年降雨量大土壤更接近饱和，田间灌水渗漏补给地下水量比枯水年大，导致重复利用量比枯水年大或接近，另外平水年灌溉水总量比枯水年小，所以二者之比平水年为大。0．10．090．080．070吼0吼00．06n臣0．050．040．030．020吼O仉0吼0．01小器巧帖“跖。筋卫坫■惦00尺度尺度(a)灌溉水重复利用率(b)灌溉水回归率图3．15不同情景模式灌溉水回归率和灌溉水重复利用率随尺度的变化10．950．90．85量0．80．750．70．650．6尺度尺度(a)回归水重复利用率(b)实际回归率图3．16不同情景模式回归水重复利用率和实际回归率随尺度的变化灌溉水回归率呈现先由田间尺度到支渠尺度增大，然后由支渠到灌区尺度随着尺度增大而减小的趋势，这是由于支渠尺度比田间尺度多了输水渠系，增58万方数据 第三章-井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究多了水量损失的途径，支渠尺度的渠道退水出流较大，实际灌溉回归水量比田间尺度大，灌溉水回归率也相应增大。而由支渠到灌区尺度随着尺度增大，小尺度上的出流在更大尺度被重复利用了，灌溉水的重复利用率增大，出流(实际灌溉回归水量)减少，灌溉水回归率也相应减小。平水年相应各尺度上的田问排水和渠道退水出流都比枯水年大，而各尺度上的灌溉总水量却比枯水年小，因此，平水年的灌溉水回归率比枯水年大。理论回归水量等于重复利用的回归水量加上出流量。回归水重复利用率在支渠以上尺度呈现随尺度增大而增大的趋势，其原因是随着尺度增大，纳入尺度内的渠系增加，渠系渗漏补给地下水量增大，使重复利用量的增大，而出流量随尺度增大而减小，所以重复利用量与理论回归水量的比值增大；而田间尺度到支渠尺度虽然重复利用量增大，但出流量也增大，回归水重复利用率是增大还是减小，要看重复利用量和出流量二者增大的幅度哪个更大。支渠以上尺度枯水年重复利用量与理论回归水量的比值比平水年大，而在田间尺度，由于枯水年降雨少，土壤干燥能容纳较多水分，田间灌水入渗补给地下水量比平水年减小幅度较大，即重复利用量比平水年减小幅度较大，由于灌水量比平水年大，田间排水出流没有减少，所以回归水重复利用率比平水年小。由于实际回归率与回归水重复利用率之和为l，所以实际回归率曲线所呈现的规律与回归水重复利用率正好相反。(3)效益及费用分析指标2160O28^D1500244O02230022001；1000z100181一90＼唳一∞H900l80l6^，270．001600(a)灌溉效益费用比(b)灌溉净效益随尺度图3．17不同情景模式灌溉效益费用比和灌溉净效益随尺度的变化从图3．17可以看出，灌溉效益费用比和灌溉净效益都是随着尺度增大而减59万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究小，其原因是随着尺度增大，渠灌、井灌水量增大，灌水费用增加，但产量不变，因此灌溉效益费用比和灌溉狰效益下降。平水年各尺度上渠灌、井灌都比枯水年小，灌水费用比枯水年小很多，在增产量相差不大的情况下，平水年的灌溉效益费用比和灌溉净效益比枯水年大。总体上，从各指标尺度效应的演变规律来看，净入流量水分生产率、净灌溉量水分生产率、灌溉水回归率等几个指标的变化趋势在支渠尺度存在拐点，其原因是中等以上尺度比田间尺度增加了输水渠系，其水量损失途径增多，灌溉水回归及重复利用情况也有变化。因此，在评价水资源利用效率和效益时，要注意田问尺度与中等以上尺度评价指标及影响因素的不同。3．3．4．3各水文年不同灌溉模式水资源高效利用指标对比支渠以上尺度相同水文年模式2下的各种水分生产率都比模式1下的大，主要因为模式2以井灌为主，输水损失量少，灌溉用水量小，水分生产率高，而田间尺度由于不同灌溉模式的灌溉定额都相同，因此除毛入流量外，其余水分生产率指标二者均相同，毛入流量水分生产率也是模式2比模式1大。支渠以上尺度相同水文年模式1比模式2灌溉水重复利用率大，这是由于模式l是以渠灌为主，模式2以井灌为主，其它条件相同情况下模式l的渠系渗漏补给地下水量比模式2大，导致重复利用量与灌溉水总量的比值也比模式2大：支渠以上尺度以渠灌为主的模式1其出流量(渠道退水出流)也比以井灌为主的模式2大，而且对重复利用量与理论回归水量(重复利用量与出流量之和)的比值影响较大，导致模式1比模式2回归水重复利用率小。而田间尺度由于不同灌溉模式的灌溉定额、重复利用量和出流量都相同，因此各回归水分析指标均相同。由于模式l以渠灌为主，其灌水费用低于以井灌为主的模式2，在相同水文年增产量相同的情况下，各尺度上模式1的灌溉效益费用比和灌溉净效益较模式2大。3．3．5结论(1)采用人民胜利渠实测资料对本文构建的SWAT与MODFLOW耦合模型进行率定和验证，结果表明模型模拟效果较好，可用于平原井渠结合灌区不同尺度水平衡要素的模拟。60万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究(2)从各水文年不同尺度水平衡状况来看，由田问尺度到灌区尺度渠道灌溉占毛入流量的比重越来越大，逐渐超过降雨量对入流的贡献，枯水年由于降雨比平水年少，表现更为明显。随着尺度增大，渠系输水损失增大，补给地下水量也相应增大，这些水量都可以被抽取出流重复利用，重复利用量随尺度增大呈现增大的趋势。支渠以上尺度渠道有部分退水，而田间排水被同尺度其他田块重复利用，基本没有排水出流。．(3)从水分生产率指标来看，各水文年灌溉水分生产率和毛入流量水分生产率呈现随尺度增大而减小的规律，净入流量水分生产率和净灌溉量水分生产率都呈现先由田间尺度到支渠尺度减小，然后由支渠到灌区尺度随着尺度增大而增大的趋势。不同水文年相同灌溉模式下的各种水分生产率基本是平水年大于枯水年，只有毛入流水分生产率与此规律相反。(4)从回归水分析指标来看，灌溉水重复利用率呈现随尺度的增大而增大的趋势，相同灌溉模式平水年比枯水年灌溉水重复利用率大。灌溉水回归率呈现先由田问尺度到支渠尺度增大，由支渠到灌区尺度随着尺度增大而减小的趋势，平水年的灌溉水回归率比枯水年大。回归水重复利用率在支渠以上尺度呈现随尺度增大而增大的趋势，而田问尺度到支渠尺度虽然重复利用量增大，但出流量也增大，回归水重复利用率是增大还是减小，要看重复利用量和出流量二者增大的幅度哪个更大。支渠以上尺度枯水年回归水重复利用率比平水年大，而在田间尺度回归水重复利用率比平水年小。由于实际回归率与回归水重复利。用率之和为1，所以实际回归率曲线所呈现的规律与回归水重复利用率正好相反。(5)从效益费用分析指标来看，灌溉效益费用比和灌溉诤效益都是随着尺度增大而减小，平水年的灌溉效益费用比和灌溉净效益比枯水年大。(6)从各指标尺度效应的演变规律来看，部分指标的变化趋势在支渠尺度存在拐点，其原因是中等以上尺度比田间尺度增加了输水渠系，其水量损失途径增多，回归水的重复利用量也有变化。因此，在评价水资源利用效率和效益时，要考虑田间尺度与中等以上尺度评价指标及影响因素的不同。(7)从相同水文年不同灌溉模式之问的水分生产率对比结果来看，以井灌为主的模式2优于渠灌为主的模式1；灌溉水重复利用率模式1优于模式2，而回归水重复利用率模式2却比模式1好。从灌溉效益费用比和灌溉净效益指标来看，模式1都优于模式2。由此可见，在比较优选灌溉模式时，依据的水资源61万方数据 第三章井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究利用效率和效益指标不同得到的结论不同，而且，灌区的水资源高效利用问题应该是经济效益、社会效益、环境效益等各种效益的综合最优化问题，除了要比较不同情景模式的用水效率和经济效益，还要考虑社会和环境效益，因此有必要全面考虑各种指标进行灌区水资源高效利用综合评价，才能得到更加准确的结论。62万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型由井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究可知，灌区不同尺度“四水”循环转化规律和水平衡状况不同，因此，要正确评价井渠结合灌区水资源利用的效率和效益，应构建不同尺度的井渠结合灌区水资源高效利用评价指标体系，不同尺度评价指标体系的构建应有各自的特点，其评价的外延也有所不同。田间尺度的评价应以用水效率和经济效益评价为主，农民主要关注田间尺度的水资源利用情况：而灌区尺度的评价不但要从整个灌区范围内考虑水资源利用的经济效益，还要考虑社会和环境效益，灌区专管机构更关注该尺度的水资源利用情况。中等尺度的评价需要考虑的因素与灌区尺度相似。因此，本章从田间、灌区两个尺度，构建水资源高效利用综合评价指标体系，以期为井渠结合灌区不同尺度的水资源开发利用提供参考依据。4．1综合评价指标体系的构建4．1．1指标体系构建的基本原则和步骤应该遵循以下的原则，构建合理的井渠结合灌区水资源高效利用综合评价。指标体系：(】)科学性原则。选取的指标有一定的科学内涵，能较好地度量井渠结合灌区水资源利用的效率和效益，并能够客观地反映井渠结合灌区水资源利用系统的组成关系和功能，反映井渠结合灌区水资源利用的问题和特点。要按相应的科学原理进行指标的选择和数据的计算，尽量客观合理，避免人为因素的干预。(2)层次性原则。井渠结合灌区水资源高效利用评价的目的是衡量水资源利用是否达到高效率和高效益的状态，而效益又包含社会效益、经济效益和环境效益三个方面，这些效益和效率又都有各自不同的衡量指标，因此，指标体系的构建具有层次性，必须围绕着井渠结合灌区水资源高效利用评价目的层层展开，各个系统不同层次指标的综合评价最终反映灌区水资源利用是否高效。(3)可操作性原则。即指标的选择和计算具有实际可操作性。针对实际情万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型况，选择具有可比性，易于获得相应数据的指标，而且，建立的指标体系不要过于复杂。(4)一致性原则。即指标数值的变化趋势要能够反映井渠结合灌区水资源利用效率和效益的变化趋势，而且指标变化趋势与评价结果的变化趋势相同，对于变化趋势相反的指标，需对其进行一致性处理。(5)针对性原则。能够反映井渠结合灌区社会?、经济和环境状况的指标较多，但不是每个指标都与灌区水资源高效利用相关，必须有针对性的选择指标。可按以下步骤构建井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系：(1)分析评价问题的层次体系构建合理的评价指标体系依赖于正确的划分井渠结合灌区水资源高效利用评价问题的层次和准确全面的反映井渠结合灌区水资源高效利用的具体指标。按照层次性原则，将评价指标体系分为目标层、准则层和指标层三个层次。井渠结合灌区不同尺度的水资源高效利用评价是总目标，作为评价体系的第一层次。田间尺度的水资源高效利用可以进一步分解为用水效率、经济效益和环境效益三部分，这三部分构成田间尺度评价体系的第二层次：灌区尺度的高效利用可分解为用水效率、经济效益、社会效益和环境效益四部分，这四部分构成灌区尺度评价体系的第二层次。第三层次具体指标的确定以能准确反映用水效率和三大效益状态为标准。(2)对反映目标层状态的指标进行“海选”“海选”就是先列出能够反映该层次状态的所有指标，尽可能做到全面考虑问题，不漏掉任何一个指标，而这个过程不考虑任何限制性因素。(3)筛选指标这一步是对“海选”的指标群进行筛选。首先可凭借专业知识或专家的经验进行分析判断，删掉与所评价问题明显不合适的指标。还可以利用相关理论作为一种衡量准则，将明显不符合该理论的指标筛除。其次是采用频度分析，对评价指标进行频度统计，选用频率较高的指标作为参选指标。筛选指标对建立整个评价指标体系来讲是最为重要的一个步骤。(4)确立指标体系在筛选指标的基础上，为了避免指标问的交叉重复，还要对各指标进行独立性分析，并根据分析结果对指标进行再次选择和重组，经过以上几个步骤，可以最终确立科学合理的评价指标体系。万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型4．1．2指标的筛选分析选择指标时，必须注意一个问题，即我们的研究是井渠结合灌区不同尺度上的水资源高效利用评价，其目的是分析灌区不同尺度水资源利用的效率和效益问题，因此，在确定指标的时候，必须要从不同尺度来考虑。例如，田间尺度可采用田间水利用系数来表达用水效率，而灌区尺度则必须采用灌溉水利用系数来表．达；田间尺度可采用土壤含盐量来反映土地盐碱化程度，而灌区内各个地方土壤含盐量不可能都一样，所以灌区尺度用耕地盐碱化程度来表达更为合适。另外，选择指标的过程中必须注意区分定性和定量指标。定性指标即难以量化，但能够对评价对象进行客观描述和分析来表达的指标。定量指标是可以精确计算并用数字表达的指标。定量指标可以更客观的反映事物的状态，另外，很多定量指标都有统计资料，便宜直接应用。因此，能用定量指标表达尽量选用定量指标。与此同时，在选择指标的时候，还必须考虑指标的可获取性。如水资源高效利用可以减少水土流失，这也是其环境效益之一。水土流失面积率虽然是评判水土流失状况的定量指标，但由于水土流失面积难以准确界定，而且，由于水资源高效利用减少的水土流失面积数据难以获取，因此，本文不选用，而选用水土流失程度来定性评判。我国常用的反映灌区用水效率的指标主要有灌溉水利用系数、渠系水利用系数、田间水利用系数，本文也选用这些指标，但灌溉水利用系数指标的计算方法与普通渠灌区有所不同，具体详见下文指标解释。因井渠结合灌区同时具有井、渠两套灌溉系统，可重复利用田间或渠道渗入地下的回归水，所以定义并选用回归水重复利用率这一指标。衡量灌区水资源高效利用的经济效益，要从农业发展角度来衡量水资源高效利用对灌区农业生产的投入产出方面带来的变化，通常把水分生产率、万元产值农业用水量这类指标划分为经济效益指标。实践中常用的水分生产率指标有灌溉水分生产率和腾发量水分生产率，根据已有研究[44’1抖¨51，腾发量水分生产率随尺度变化不大，比较稳定，因此，采用腾发量水分生产率作为水分生产率指标。农业灌溉效益费用比可以综合反映出井灌和渠灌因灌溉成本不同导致．的财务收益不同，因此，选择农业灌溉效益费用比作为经济效益指标。水资源高效利用的环境效益方面指标的选择要考虑水资源利用给环境带来影响，因井渠结合灌区的水资源高效利具有防治土壤盐碱化等环境效益，因此65万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型选土壤含盐量、地下水矿化度等作为环境效益指标。由于灌区尺度上的水资源高效利用产生的环境效益难以准确直接度量，或经过长时间才能显现，所以本文采用耕地盐碱化程度、水土流失程度等定性指标来表达。与选择经济效益和生态环境效益指标相较而言，井渠结合灌区水资源高效利用的社会效益指标往往更加抽象和模糊。社会效益是从社会发展层面来界定水资源高效利用的影响。考虑水资源高效利用对农业生产、灌区管理水平、农民生活水平的影响，因此，选择节水灌溉率、用水管理科学化程度、人均粮食占有量作为水资源高效利用带来的社会效益指标。最终确定的田间尺度和灌区尺度的评价指标体系详见下文。4．1．3田间尺度评价指标体系田间尺度的井渠结合灌区水资源高效利用评价属于多目标综合评价，以灌区水资源利用率和效益为核心，田间尺度主要考虑田间的灌溉效率不考虑输送效率。评价体系包括用水效率指标、经济效益指标和环境效益指标三类指标。4．1．3，1评价指标体系田问尺度评价指标体系见图4．1。图4．1田间尺度评价指标体系66万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型4．1．3．2指标解释(1)用水效率指标1)田问水利用系数定义：作物全生育期净灌溉需水量与进入田间的灌溉水量之比。无量纲，通常以小数表示。作用：评价田问灌水质量，衡量作物全生育期田问灌溉水的有效利用程度。计算方法：，I"／，=二L(4．1)。lf式中：rl：为田间水利用系数：L为作物全生育期净灌溉需水量，即作物净灌溉定额，(mm)；』，为进入田间的灌溉水量，(mm)。2)回归水重复利用率前已述及回归水重复利用率的定义是重复利用的灌溉回归水量与理论回归水量之比。通常百分数表示。作用：衡量有多少回归水可以被重复利用。田问尺度计算方法见公式(3．4)，需要注意的是，田间尺度的灌溉回归水包括田问排水，田间入渗到地下淡水层的渗漏补给量，重复利用的田问排水可由灌区监测数据得到，田间渗漏补给量的计算过程详见3．2．2节所述。(2)经济效益指标1)水分生产率(腾发量水分生产率)定义：单位面积上的作物产量与作物全生育期腾发量之比。计量单位为kg／m3或kg／m．m。作用：反应作物对水的有效利用程度，是衡量一个地区农业用水是否高效的主要指标。田问尺度计算方法：WP：上(4．2)E瓦式中：WP为某种作物的水分生产率，(kg／m3或kg／mm)；Y为某种作物的产量，(kg／hm2)；E乃为作物实际蒸腾蒸发量，(m3／hm2mm)。2)农业灌溉效益费用比67万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型定义：年灌溉效益与灌溉成本费用的比值，无量纲，通常以小数表示。作用：衡量灌溉的投入产出效果。田问尺度计算方法：R：兰兰垒兰兰!(4．3)C式中：AY表示某种作物的灌溉增产量，即灌水条件与不灌水条件下的产量差值，(kg)；P表示该作物的价格，(元)：占灌溉效益分摊系数：C灌溉成本，(元)，包括灌溉付出的水费及抽水的电费等。(3)环境效益指标1)土壤含盐量定义：土中所含盐分(主要是氯盐、硫酸盐、碳酸盐)的质量占干土质量的百分数。无量纲，通常以百分数表示。作用：衡量农田中土壤盐分多少的指标，反映农田盐渍化程度。2)地下水矿化度定义：单位体积的地下水中各种可溶性盐类的含量。计量单位为g／l。作用：用于衡量地下水中总含盐量的多少。4．1．4灌区尺度评价指标体系4．1．4．1评价指标体系灌区尺度上井渠结合灌区水资源高效利用评价的重点还是水资源利用效率，并综合考虑水资源高效利用对经济、社会以及环境效益的影响。评价指标体系包括用水效率指标、经济效益指标、社会效益指标和环境效益指标。见图4．2。·4．1．4．2指标解释(1)用水效率指标1)灌溉水利用系数．定义：灌区尺度的灌溉水利用系数指作物全生育期净灌溉需水量与灌区灌溉总供水量之比。无量纲，通常以小数表示。68万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型图4．2灌区尺度井渠结合灌区水资源高效利用评价指标体系作用：评价整个灌区灌溉系统(包括输水、配水和灌水系统)的有效性，衡量从水源引入的水量经过输、配水和灌水过程后有多少叮以被作物有效利用。反映工程的节水程度。计算方法：／71=b，Iv+r121w、)|Im04舢或∑Lj×4qs-上L-一(4．5)1，』If式中：刁．为井渠结合灌区灌溉水利用系数；矾为渠灌灌溉水利用系数；0为渠灌引用的地表水量；刁：为井灌灌溉水利用系数；』∥为井灌开采的地下水量；L为井渠结合灌区灌溉总供水量，(m3)；L为第i种作物的田间狰灌溉需水量，(m3／hm2)；m为灌区内作物种类数；4为第f种作物的灌溉面积，(hm2)。7／】277，×77v(4．6)式中：，7，为田间水利用系数；叩，为渠系水利用系数。其中，渠系水利用系数是指灌溉过程中末级固定渠道放出的水量与干渠渠首引进的总水量之比。无量纲，通常以小数表示。69万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型计算方法：吁=扣瞢(4．7)或乃2得×豫IX％(4．8)式中：77。为渠系水利用系数；／-／为灌区内末级固定渠条数：彬为第i条末级固定渠道放出的水量，(m3)：％为干渠渠首引进的总水量，(m3)。rle=，7rxrl。(4．9)式中：可，为田间灌溉效率(田间水利用系数)；巩为井灌输水利用系数。如果井灌仍采用原有渠系输水，则井灌输水利用系数计算方法同渠系水利用系数，即按井灌利用的各级渠道的利用系数相乘得到；如果井灌采用管网输水，因管网输水基本没有损失，则井灌输水利用系数近似取1。2)回归水重复利用率灌区尺度回归水重复利用率的定义和作用与田间尺度相同，所不同的是灌区尺度的灌溉回归水包括渠道退水，田间排水，淡水区计算渗漏补给量。灌区尺度回归水重复利用率的计算方法详见3,2．2节所述。(2)经济效益指标1)水分生产率灌区尺度上如果某种作物的种植面积占主要优势，可用该作物的水分生产率作为指标，计算方法同田问尺度水分生产率相同。如果作物种植面积相差彳i大，则将灌区种植各种作物的水分生产率按各自种植面积的加权平均值作为评价指标。计算方法：WP：y生×孵(4．10)．‘智S式中，蚴表示i作物的水分生产率，(kg／hm2)；S表示作物i的种植面积，(hm2)；”表示作物种类数；S表示所有作物种植面积，(hm2)。2)农业灌溉效益费用比灌区尺度上如果某种作物的种植面积占主要优势，可用该作物的年灌溉效70万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型益与灌溉成本费用的比值作为指标，计算方法同田间尺度相同。如果作物种植面积相差不大，则将灌区所有作物的灌溉效益之和与灌溉成本费用之和的比值作为评价指标。计算方法：∑‘x△Zx4R=上L————一(4．11)C△F表示第，种作物的灌溉增产量，即灌水条件与不灌水条件下的产量差值，(kg)；P表示第f种作物的价格，(元)；门表示作物种类数；占灌溉效益分摊系数；C灌溉成本，(元)，包括灌溉付出的水费及抽水的电费等。3)万元农业产值用水量定义：灌区当年农业生产l万元产值需用的水量。属于宏观经济指标，用农业总用水量与农业总产值的比值来表示。计量单位为m3／万元。作用：从投入产出的角度衡量农业用水效益的重要指标。(3)社会效益指标1)节水灌溉面积率定义：指采用渠道衬砌、管道输水、喷灌、滴灌以及其他节水灌溉技术措施的农田面积与有效灌溉面积的比值。无量纲，通常以百分数表示。作用：灌区农业现代化发展程度的一个重要衡量指标，具有很强的社会意义。计算方法为：妒争川。％㈤12)式中：B为节水灌溉率；A，为灌区内实施节水灌溉技术措施的农田面积，(hm2)：4为灌区内总有效灌溉面积，(hm2)。2)人均粮食占有量．定义：按灌区当年粮食总量按人口的平均值。计量单位为kg／人．年。作用：反映粮食安全的一个重要指标。·3)用水管理科学化程度灌区用水管理包括灌区管理体制、灌溉用水管理制度、灌溉工程的建设和万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型运行维护、农民参与灌溉管理程度、水价政策以及制定用水计划等方面的情况。灌区用水管理是否科学合理与灌区水资源利用的联系十分紧密，为了促进灌区高效用水，灌区会主动改革管理体制，并出台激励农民节水的灌溉用水政策。这些改革都具有显著的社会属性。该指标用以从总体性的角度衡量灌区用水管理的科学化程度，是定性指标，可通过专家对用水管理各评价因子进行综合评分确定。(4)生态环境效益指标1)灌区水环境质量水资源高效利用可以减少养分流失，提高肥料利用率，减轻面源污染。同时可以增加水环境容量，提高水体自净能力。合理开采地下水，减少地下水超采带来的环境问题。该指标用以反映水污染程度和水环境变化状况。是定性指标，采用专家打分法进行指标量化。2)耕地盐碱化程度井渠结合灌区可通过地表水地下水联合调度调控地下水位起到防治土壤盐碱化的作用。该指标用来反映灌区水资源高效利用防治土壤盐碱化效果，是定性指标，采用专家打分法进行指标量化。3)水土流失程度灌区水资源高效利用，可以改善水力、植被条件，防止土壤侵蚀，减少水土流失。该指标用以衡量灌区水土流失状况，进而反映水资源高效利用改善环境的效果，是定性指标，采用专家打分法进行指标量化。4．1．5评价标准和等级的确定评价标准就是评价主体对评价客体的属性进行评判时所依据的原则、尺度与准绳。评价标准具有变化性。评价标准总是以一定的理论、规范、原则等作为衡量尺度和出发点。但是，事物是处于不断发展变化的过程中，由于井渠结合灌区水资源利用具体情况的复杂性，决定了指标评价标准具有修改完善的反复性，灌区可持续发展是个永无止境的过程，由此也推动评价标准由低向高永无止境的发展，并在同科学技术结合的实践中不断科学化和完善。灌区水资源利用是否高效的评判标准具有相对性。如种植不同作物的田块其水分生产率指标的标准必然不同。另外，灌区尺度上如果某种作物的种植面积占主要优势，可用该作物的水分生产率作为指标，如果作物种植面积相差不72万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型大，则将灌区所有作物水分生产率按各自种植面积的加权平均值作为评价指标，自然指标的评价标准也是不同的。因此，评价标准需通过深入分析和综合对比具体地区的农业种植方式、作物种类和水资源情况等特点，因地制宜的确定。指标标准是根据国家节水农业发展规划、国家颁布的相关标准和规范、国外节水灌溉先进国家的情况、相似灌区相关领域的研究结论以及研究区自身发展情况综合研究确定。如果有定性指标可采用Delphi法、层次分析和隶属度等方法确定量值。为了直观地对井渠结合灌区水资源利用状况进行评价与表达，将灌区水资源高效利用程度分为4个等级，第1级为“高效”，第1I级为“较高效”，第Ⅲ级为“一般”，第Ⅳ级为“低效”，分别对应于评语集【0．8，l】、[0．6，0．8)、[0．4，0．6)、【0，0．4)。4．2多层次模糊综合评价模型目前，可用于综合评价的方法很多，比如专家打分法、主成分分析法、综合指数法、层次分析法、熵值法、灰色关联分析评价法、模糊综合评价法、人工神经网络法等。这些综合评价方法都可以通过对目标问题定量评价和分析，得到综合评价结果，因其科学性和实用性，在经济、社会各各领域得到了广泛的应用。井渠结合灌区水资源高效利用评价的一些指标标准通过专家经验确定的，而且，其评价结论也存在模糊性，是一个典型的多因素多指标的模糊综合评判问题。模糊综合评价法能较好地反映水资源高效利用等级划分界限的模糊性，综合考虑各种因素的影响和相互作用，对主观判断进行量化，是一种有效的评价方法，因此，本文在参考前人研究成果的基础二上【136-137]，建立多层次模糊综合评价模型来评价井渠结合灌区水资源高效利用状况。4．2．1评价模型的构建设u=函。，掰：，，甜，)为综合评判所涉及的因素集合，V={_，v2，，Vn)为评语集，即评价等级的集合，，．。为相对于第“。个评价因素给于h评语的隶属度，则模糊矩阵R为评价矩阵：73万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型nhRI|h；n．¨hhR，={r『l，P"i2．rf。)为相对于评价因素”．的单因素模糊评价，它是评语集矿上的模糊子集。u上的模糊子集彳=(dl，a2．，口。．．am)称为权重，其中伪为第f个评价因素对应的权值，且奶≥o，乏■=1。模糊综合评判数学模型的标准形式：B=AoR(4．14)A是论域U上的模糊子集，即模糊向量，而评判结果B是V上的模糊子集，把模糊关系矩阵(即单因素评价矩阵)R看成模糊变换器，A为输入(总因素)，曰为输出(总评判结果)。构建多层次模糊综合评价模型首先将评价问题分解成若干层次，确定各层评价指标的权重，采用模糊数学的方法，将模糊因素数量化。评价时先对准则层进行模糊综合评价，然后，将其评价结果看作目标层的一个评价因素，再由下至上进行高层次的综合评价，最终得到目标层相对评价等级的隶属度值。多层次模糊综合评价过程见图4134．2．2权重的确定权重代表不同指标对目标贡献的重要程度。目前，确定指标权重的方法多种多样，如德尔菲法(Delphi)、层次分析法、熵值法、隶属频度法、主成分分析法等，每种方法各有利弊，各有自己适合的情况。本文拟采用层次分析法确定评价指标的权重，其步骤如下：(1)建立系统的递阶层次结构，分析系统中各因素之间关系。(2)对下层各指标对于上一层中某一准则的重要性进行两两比较，构造判断矩阵。采用1～9标度法判定其相对重要性。评分方法见表4．1。(3)由判断矩阵计算层次单排序权重值，．并进行一致性检验。判断矩阵的特征向量即为下层各相应指标对于上一层某个准则相对重要性权值，即层次单排序。计算特征向量的方法采用乘积方根法(几何平均值法)。74万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型图4．3多层次模糊综合评价过程示意图表4．1判断矩阵标度及含义标度含义75万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型1)在判断矩阵A中，先按行将各元素连乘并开刀次方，即求各行元素的几何平均值：厂。、÷缸=l兀嚷}(1-l，2，，疗)(4．15)＼i=1／2)再把缸(i=1，2，，H)归一化，即求得最大特征值所对应的特征向量：w，：霉Lw，2f(，：l，2，l-，2l，厶，"J，")(4．16)竹·∑‰3)由W=(wl，％，，％)7，则判断矩阵A的最大特征值k满足：AW=kW。即得到：∑6,jwj=k％(／=1’2"，胛)(4．17)J=】4)计算判断矩阵的最大特征值九。。。，。∑秀％、R￡-．。lJ¨Jk2吉善}(4．18)，1r采用随机一致性比率C．R．=兰衡量判断矩阵的一致性。其中，Rj．C．I．：—7k—．--n(4．19)当C．R．<0．10时，判断矩阵具有一致性：否则，不具有一致性，需要重新赋值，建立的判断矩阵，直到通过一致性检验为止。(4)综合各层次单排序权重值，计算层次总排序权重值；并进行层次总排序的一致性检验。4．23模糊关系的运算‘各评价指标对各评价等级的隶属度所构成的矩阵，即为模糊关系矩阵，隶属度可用隶属函数来表示。有时各等级问计算数值相差不大，但评价结果却相差一个等级，为使隶属函数在各等级之问平滑过渡，可对其模糊化处理。对于K，圪两侧区间，规定落在临界值上则属两侧等级的隶属度都是O．5，距临界值越远，属两侧区间的隶属度越大。对于K，K两个中间区间，定义落在区间中点的隶76万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型属度为1，由中点向两侧线性递减。各评价等级隶属函数计算式如下：o．s”篡，(”，>k1)(4·20)‘。(坼)=0．50一!!二丝、(七2<甜，≤k1)k1一k20(H，≤k2)o．5(卜!粤)(％>一)“．一k0．5fl+(k2<珥≤kj)(4．21)‘2(％)=0．5n+h一¨盟¨(t<％≤k2)叫(卜旨／I,)几1一』(缸<“，≤七3)O(珥≤缸)o．5(1一芒萼)(屯<甜，≤kz)厅，一后，r『3(豁j)o．5(1+嚣)(k4k。)，；。(”，)=0．5(1’糕)(也刚。圳(4．23)o．5(1+#兰)(咋≤k5)．疗d一越．式中：kl为评价等级隶属度K和砭的临界值；是：为等级K区间的中点值；毛为评价等级隶属度吒和巧的临界值；丸为等级圪区间的中点值；k5为评价等级77万方数据 第四章井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系与模型隶属度以和■的临界值。对于越小越优越型的评价指标，只需把式中的“>”和“≥”换为“<”和“茎”即可。当"，给定，用以上隶属函数计算式求出各评价单元中的第i个指标分别对各评价等级的隶属度，由此确定模糊关系矩阵R。在求得模糊关系矩阵JR和权重彳之后，可得目标层模糊向量B：A。R，根据模糊综合评价目标层隶属度计算结果和划分的评价等级，即可进行综合评价。78万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型5．1调配模型与评价指标的关系用第四章建立的田间尺度和灌区尺度的综合评价指标体系，可对灌区水资源利用状况进行综合评价。综合评价的一个作用是可以直接直观的评判灌区不同尺度上的水资源高效利用状况，识别不同尺度水资源利用存在的主要问题，另一个作用是判别不同水资源高效利用调配方案在不同尺度上所带来的实际效果的优劣，并根据评判结果选择适合的调配方案。灌区水资源优化调配模型是进行灌区水资源高效利用调配的主要手段，建立优化调配模型并求解，可得到水资源优化调配方案，通过灌区水资源调配可达到水资源高效利用的目的。如果田间尺度水资源利用不高效，可运行田间尺度调配模型去调配，如果灌区尺度水资源利用不高效，可运行灌区尺度调配模型去调配，但田问尺度高效不代表灌区尺度高效，反之，灌区尺度高效，田间尺度也未必高效，如果想要一个各尺度都接受的结果，就需要建立耦合模型去调配，通过分解协调得出一个各方都能接受的调配方案。因此，要求建立的水资源优化调配模型其相关参数要与水资源高效利用评价指标相匹配，能对指标起到调控的作用。而在建立综合评价指标体系过程中，选择确定指标时，也要尽量选择与水资源时空调配具有响应关系的指标，以便运行调配模型后能得到指标的数值，并据此对调配方案进行评价优选。5．2．以作物需水为核心的地表水地下水联合调配我国水资源时空分布不均，许多地区水资源短缺，各产业各部门之间的用水矛盾十分尖锐，工业、生活用水挤占农业用水现象严重，干旱季节作物往往不能得到及时灌溉，缺水制约地区农业产业发展的问题突出。要解决这些问题，除了进行节水灌溉，实行水资源优化调配，也是进一步发挥水资源效益的有效途径。实践表明，水资源调配不仅可以增加水资源的利用量，还可以改善其他农业生产条件。因井渠结合灌区水资源高效利用的基础是以作物需水为核心的“四水”循环转化，井渠结合灌区水资源调配就是在考虑“四水”循环转化规律及相互作用的基础上，充分利用降雨，通过调整井和渠在灌区内的布局，以79万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型及采取井灌和渠灌相结合的方式，合理调配利用地表及地下水量，使之高效的转化为作物可吸收利用的土壤水，以满足作物对水分的需求，使水资源发挥最大效益。井渠结合灌区水资源调配的主要形式是以作物需水为核心的地表水与地下水联合调配。地表水和地下水联合调配，可以提高水资源有效利用率，扩大灌溉面积，提高灌溉保证度【”引，还可以控制调节地下水位，防止灌区土壤次生盐碱化，给农作物生长创造有利条件，现在已得到了各级水利部门的重视。5．2．1地表水地下水联合调配的动态特征和原则井渠结合灌区地表水地下水联合调配的动态特征是：在枯水期或干旱年地表水供水不足的情况下，超量开采地下水来补充灌溉水资源，并腾出地下库容；在丰水期或丰水年，充分利用降雨入渗、农田灌溉和渠道的深层渗漏补给地下水，必要时还可利用多余地表水进行人工补给，以补偿超采了的地下水量。这样，由地表水和地下水(包括人工补给的地下水量)组成了有保证的供水水源。应该注意的是，如果有多余地表水且入渗补给条件好，地下水含水层贮水空间大，充分利用地下水库，可进行水资源的多年调节。井渠结合灌区水量调配原则是：根据作物需水规律，充分利用降水，优先使用渠水(地表水)，以井水(地下水)为补充。开采地下水以保持采补平衡为原则，过量开采，将导致地下水位下降、地面沉陷；开采量过小，又将招致地下水位上升，带来土壤盐碱化问题。因此，联合调配系统中应将地表水、地下水统筹安排，合理利用。5．2．2地表水地下水联合调配系统分析与建模井渠结合灌区地表水地下水联合调配的研究对象是一种多水源多用户的复杂系统，对于此类复杂系统多采用系统分析的方法去研究，建立相应的优化调配模型，运行模型得到满足既定目标及约束条件的最优调配方案。水资源系统分析与建模的主要工作步骤【1391为：(1)明确问题。即确定要研究的问题，理清水资源系统的内部结构和边界条件，找出主要影响因素。(2)确定研究目标。给出确定的研究目标，研究目标为单目标或多目标。(3)拟定备选方案。即拟定若干具有代表性的方案，并提出相应的调度规80万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型则。(4)建立数学模型。根据前述研究目标和系统的结构及边界条件确定目标函数和各类约束条件，并依据提出的各备选方案影响因素作为求解时的可变约束。(5)选择合适的优化方法，形成初步优化结果。(6)综合分析。即结合专家经验来分析计算结果并确定是否有必要改进目标函数、约束条件和求解方法等解释。(7)选定方案。依据各方案在预期目标下的满意程度，选定最佳方案。5．3灌区尺度地表水地下水联合优化调配模型5．3．1灌区水资源系统概化水资源系统的概化是建立水资源调配模型的首要工作。通过概化，识别复杂系统主要过程和主要影响因素，明确各因素之间的相互关系，建立描述系统实际：状况的数学模型，进而实现系统模拟。本文对井渠结合灌区水资源调配系统进行概化。按灌区水源，渠系和其他自然地理特征将整个灌区分解成若干个子区，每个子区都具有渠灌系统和井灌系统，每个子区种植若干种作物，各子区都可进行地表水地下水联合调配，每种作物都可利用地表水和地下水进行灌溉。水资源在不同子区之间的调配属于灌区总系统的调配，各作物之间的水资源优化调配属于子区子系统的调配。灌区总系统作为上层，子区子系统为下层，上、下两层通过供水量联系起来，构成一个具有二层递阶结构的大系统。系统概化如图5．1所示。5-3．2模型假定在建立灌区尺度调配数学模型时，作如下假定：(1)整个灌区只有一个灌区管理机构，可对不同子区进行管理，协调各子区水资源利用活动。(2)对同一种作物既可用地表水、地下水单灌，也可采用地表水和地下水混合灌溉。(3)子区内各处下垫面条件相同，具有统一的水文地质、气象等参数指标，且模型所需要的参数，都是可以预先确定的。8l万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型(4)用地表水灌溉和用地下水灌溉对于作物生理生态具有相同效益。(5)考虑到灌区开发前后农业技术措施有很大提高，农田灌与不灌的增产效益不仅仅是灌溉效益，而是综合效益，应进行合理分摊。上层一㈠．H．㈠ri闼l：图5．1井渠结合灌区水资源调配系统概化图5．3．3灌区尺度调配模型的建立灌区水资源调配系统是一个复杂的大系统，灌区水资源调配系统模型应是一个多层次的谱系式模型。各层次子系统之间，存在着密切的联系和相互协调的关系。在模型中，每个子区都可以作为一个用水单元，子区间水资源调配作物一个层次，每个子区内部种植多种作物，作物间水资源调配作为另一个层次，灌区作为总协调层，需要同时对多个子区多种作物进行水资源最优调配。井渠结合灌区不同的农作物，它们的生长期不同步，需水量也不同，且分布在不同子区。地表水灌溉有时间和空间分配上的限制，有的地块灌溉不到，有的灌溉不及时，都会引起减产。联合地下水进行井灌，可以缓解灌溉需水，但过量开采地下水又易产生漏斗。为了合理利用地表水和地下水，应采用优化技术，建立系统的目标函数和约束条件，进行模拟分析，通过地表水和地下水的最优调配，达到水资源的高效利用。本文灌区尺度水资源优化调配模型如下：82万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型(1)目标函数水资源调配最终目标是提高水资源的利用效率和综合效益，经济效益目标是要实现灌溉净效益最大，社会效益目标是要实现粮食安全，环境效益目标是要实现地下水不超采，用水效率目标是提高灌溉水的利用系数。模型以灌溉挣效益年值最大为择优准则，后三个目标转化为模型的约束条件，不再设置目标函数。灌溉净效益为灌溉年效益与灌溉渠道和机井的年运行费用之差，具体目标函数为：坍H，"H朋西胡(x)=￡∑∑(弓鸣‘(Qf，)一04一。)一∑∑p。弓¨+c：巧2’)(5．1)／=lj=lf：l／=l式中：删(x)为灌区所有子区各种作物年净效益之和，(元)；只为第歹类作物单价，(元／kg)；4，为第f子区第／类作物的灌溉面积，(hm2)：f(g)为第f子区第J种作物单位面积在净灌水量Q时的产量，(kg／hm2)，由田间尺度的作物水分生产函数得到，详见5．4．1：F。为第，类作物不灌溉时单位面积产量，(kg／hm2)：￡为灌溉效益分摊系数；c，、c"分别为渠灌和井灌年运行费用，(元／m3)；《¨、《2’为第i子区第，种作物渠灌和井灌的毛灌水量，(m3)；州为子区总数；肝为作物种类数。(2)决策变量以第i子区第门砷作物渠灌和井灌的毛灌水量《¨、《2’为决策变量则Qf，=(刁，《¨+叩2‘2’)／4(5．2)式中：Q为分配给筇i子区第，种作物的单位面积上的净灌溉水量，(m3／hm2)：叩．、77，分别为渠灌和井灌的灌溉水有效利用系数。(3)约束条件①粮食安全约束皂Fj{皂Pei狐(5．3)i=l／J_1F=∑．厂(g)(5．4)J=l式中：F为第f子区的粮食产量，(kg)；Pe为第i子区的人口，(人)；fo为83万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型人均安全粮食产量，(kg／A)；，(乌)第，子区第1，类作物以净灌水量乌为自变量的关于产量的函数，(kg)。②地下水开采约束对子区内的地下水进行年平衡调节计算，一年内地下水总开采量减去地下水总补给量不超过允许开采量。∑弓2’一％∑巧¨一口，∑(确弓¨+71：《川)-a。∑RuA,j．≤M，(5．5)s=lj=ly=lj=J式中：口，、口，、％分别为渠系渗漏补给系数、田间入渗补给系数、降雨入渗补给系数；R，，为第f子区第J种作物全生育期降雨量，(m3／hm2)；M为第f子区地下水允许年开采量，(m3)。③灌溉水利用系数约束灌溉水利用系数不低于灌区实行水资源高效利用所要求的某一数值，该值可根据国家颁布的相关标准和以往农业水资源利用效率评价研究成果确定。fmnmn、}rnlnmn、JTi∑∑x：”+77：∑∑x：2’l／I∑∑x：”+ZZx；2’I≥，7。(5．6)＼i=1J=lF1J=1／／＼1=1J=1『I’，=l／式中：叩。为水资源高效利用要求的灌溉水利用系数最低值。④各作物全生育期需水量约束各子区灌溉面积上作物需水量由天然降雨、渠道引水和机井抽水灌溉来满‘足。ELⅡ4≥嘭4+rl。‘1’+17：巧2’(5．7)式中：Et。为第i子区第，类作物全生育期需水量，(mj／hm2)；Rf为第f子区第，类作物全生育期有效降雨量，(m3／hm2)。充分灌溉时该式为等式。。⑤各子区渠道过水能力约束∑∥≤形‘1’(5．8)式中：彬¨’为第i子区引水渠道的过水能力，(m3)。⑥灌区可引水总量约束∑∑∥≤W¨’(5．9)84万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型式中：W‘1’为灌区年可引水总量，(m3)。⑦各子区地下水开采能力约束∑弓2’≤彬幢’(5．10)』=l式中：形‘2’为第i子区井灌设备抽水能力，(m3)。’⑧非负约束：弓u≥0，弓2’≥0(5．11)5．3．4模型求解如目标函数中第，子区第，种作物单位面积在净灌水量Qf，时的产量E(Qf，)采用作物全生育期水分生产函数线性模型表达，其中Qj，=(77，《u+rl：《2’)／呜，模型即为以第f子区第．，种作物渠灌和井灌的毛灌水量x：¨、《2’为决策变量的线性规划模型，可采用线性规划方法进行求解。如f(Q，)采用作物全生育期水分生产函数非线性模型表达，则模型转变为非线性规划模型，可采用非线性规划或动态规划方法进行求解。5．4田间尺度水盐动态优化调配模型田间尺度的水资源调配，就是在水源充沛时，以适时适量的灌溉使作物在适宜的水分环境下生长，当水源不足时，将有限的灌水量灌在作物对水分亏缺最为敏感的时期，从而实现用尽可能少的灌水量来获得最大的灌溉净效益。不仅如此，在进行田问水资源优化调配时，还要考虑盐分对作物生长的影响，以作物水盐生产函数为依据，根据土壤含水量、含盐量的动态变化、降雨及地下水补给等情况，在作物生长的各阶段通过地表水和地下水的联合调配，合理地调配水分和盐分，为作物创造适宜的生长环境。5．4．1作物水分生产函数作物水分生产函数是指在影响作物产量的其它因素(肥、光、气、热等)保持不变的情况下，作物产量与水分的定量关系模型，关系式可表示如下：Y=i(x)(5．12)式中：因变量Y为作物的产量：自变量x为影响作物生长的水分变量。通85万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型常有三种指标能够作为生产函数的自变量：作物灌水量、腾发量及土壤含水量。水分生产函数‘140’1411是进行灌区运行管理的基础。国内外研究人员通过大量的试验，提出了多种作物水分生产函数模型，总结起来主要分为全生育期水分生产函数模型和生育阶段水分生产函数模型两大类。(1)全生育水分生产函数模型主要有全生育期线性模型和非线性模型两种。全生育期线性模型：Y=aI+6lX(5．13)全生育期非线性模型：2Y=Ⅱ2+b2X+c2X(5．14)式中：】，为作物的总产量；X为影响作物产量的全生育期水分总量；q、61、a，、6’、c，为经验系数。全生育期水分生产函数模型表达了作物产量与水分的宏观统计关系，但受气候、土壤类型、灌溉措施等自然和人为条件的影响，不同地区其经验系数差异较大。本文灌区尺度调配模型中采用全生育期非线性水分生产函数模型，选择作物灌水量作为水分生产函数自变量，通过对试验数据的回归分析而得到经验系数。(2)生育阶段水分生产函数模型不同生育阶段水分亏缺对作物产量的影响是不同的，作物产量除了与全生育期总灌水量有关，与水量在各生育阶段的分配也是密切相关的。因此，研究人员又提出了生育阶段水分生产函数。常用的生育阶段水分生产函数模型是作物分阶段耗水量与产量的关系模型，主要有为连加模型和连乘模型两类。Blank模型和Stewart模型是有代表性的连加模型，这类模型将作物各生育阶段缺水对产量的影响进行叠加，其不足之处在于把作物各生育阶段缺水对产量的影响认为是互相独立的。而连乘模型是将各生育阶段水分亏缺对作物产量的影响相乘，．表现为某阶段缺水不仅对本阶段作物生长产生影响，同时也对后面的生育阶段产生影响。它克服了作物在某阶段旱死的情况下连加模型仍能算出产量的缺点，目前使用较多，最有代表性的是Jensen模型，公式如下：专=烈射cs．㈣86万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型式中：匕为作物的实际产量；匕为作物最高产量；i为作物生育阶段；以为作物对水分亏缺的敏感因子；E瓦，为第f阶段作物实际腾发量；EL，为第i阶段作物最大腾发量；n为生育阶段总数，其他符号意义同前。5．4．2作物水盐生产函数土壤盐分对作物的生长也有着极大的影响。作物的产量与土壤含盐量、灌溉水含盐量都有密切的关系。如果土壤溶液浓度过高，作物根系吸水困难，将导致作物减产甚至死亡。因此，在进行农业灌溉时应考虑农田水盐运动这个复杂的大系统。针对这些问题国内外研究人员通过大量试验，建立了多种作物水盐模型【811。作物水盐生产函数也可归纳为全生育期的水盐生产函数模型和分生育阶段的水盐动态响应模型。两类模型各有利弊，而水盐动态响应模型充分考虑了作物在不同生长发育阶段受水分、盐分影响不同的基本现象，更适用于在作物各生育阶段的灌溉管理。5．4．3水盐动态响应模型作物水盐动态响应模型以各生育阶段土壤溶液含盐浓度为自变因子，其形式类似水分生产函数中阶段连乘模型，见式5．16。丁Xa=兀厂(s)V工上。、o，(5．16)』卅i=l式中：S为作物第i生育阶段土壤溶液含盐浓度；，(S)为各生育阶段土壤盐分对作物产量的影响函数；其余符号意义同前。对比Jensen模型，该模型还需考虑土壤盐分对作物腾发量的影响，因此，首先要计算出土壤含盐条件下的作物腾发量。Feddes和Van．Genuchten等人通过实验研究[H21，提出了盐碱地灌溉条件下，作物在水、盐联合作用下的腾发量计算公式：E瓦=y(EC。)．Y．ro(5．17)式中：E瓦，为作物在土壤水、盐联合作用下的腾发量：E瓦为作物仅在水分影响条件下的腾发量；EC．为作物根层平均含盐量；y(啦)为土壤盐分对作物腾发量的影响函数。y(EC。)函数的关系式如下：万方数据 第五章井渠结合灌区水资源优化调配模型(器r吒蛾<‰。㈦㈤，EC，。ECe，。。式中：EC。为作物根层实际土壤含盐量：EC俩为作物根层土壤临界含盐量，低于该值时，作物腾发量不受盐分影响；EC．。。为作物能耐受的根层土壤含盐量极限最大值，土壤含盐量大于该值，作物会因生理缺水而死亡：痧为经验系数，可由试验资料分析确定。参照Jensen模型【821，考虑土壤盐分含量对作物产量的影响，可以得作物在水分及盐分联合作用下的分阶段生产函数：m毫一__鱼N(--剐。=鱼(警r㈦㈣根据该式与函数yfECel表达式，作物水盐动态响应模型可表达为：【,,}lf瓦ELJhI，EC<。A7>A6>A3>A2>A4>Al。表6．28灌区调配方案优选结果结果表明，采用一种水资源高效利用措施的方案中，调整种植结构，减少高耗水作物的种植比的方案A3对于提高灌区水资源利用效率和效益的作用优于采用渠道衬砌和地面软管输水的方案A2，渠道衬砌和地面软管输水的方案A2优于中水回用的方案A4，以上方案都优于惯性方案Al。组合方案中A5最优，即方案A2与方案A3组合得到的水资源高效利用效果最好，是排序第一、第二的单一措施方案组合，是渠道衬砌和地面软管输水的工程技术措施与调整种植结构的非工程技术措施的有机结合，所以产生了良好的节水增产效果。其次为方案A7，即方案A3与方案A4的组合，将调整种植结构和增加中水回用量作为灌溉水源相结合，是排序第一和第三的单一措施方案组合。最后是方案A6，即将方案A2与方案A4组合，在采用提高输水效率的工程措施的同时增加中水回用量作为灌溉水源，是排序第二和第三的单一措施方案组合。所有组合方案都优于单一措施方案。以上结果符合灌区实际情况，可为灌区水资源高效利用提供技术指导。118万方数据 第七章结论与展望第七章结论与展望7．1研究结论本文对井渠结合灌区水资源高效利用指标的尺度效应和井渠结合灌区不同尺度水资源高效利用综合评价指标体系、评价方法及调配模型进行了系统研究，研究取得的主要成果如下：(1)井渠结合灌区水资源高效利用的内涵是以灌区水资源可持续利用为目标，以井渠结合灌溉系统结构为研究对象，以井渠结合灌区功能为着眼点，以高效的满足作物需水为核心，以“四水”循环转化规律和灌区水资源供、用、耗、排的变化为基础，以不同尺度效率和效益评价为依据，以灌区水资源高效调配技术措施为手段，使井渠结合灌区水资源利用达到高效率和高效益的状态。(2)在国际水管理学院的水平衡方法基础上，提出了灌溉回归水分析和灌溉效益费用分析等指标，作为井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究分析指标，拓展了水平衡方法的适用性，并提出基于上述指标的适用于井渠结合灌区的水资源高效利用尺度效应分析方法。实例应用表明：采用的指标有助于分析井渠结合灌区不同尺度水分消耗转化途径，理清水资源高效利用尺度效应的影响机理，使人类对灌区不同尺度水资源高效利用调控有明确的方向；所提出的分析方法可行，可为从事相关研究提供参考和借鉴。(3)SWAT模型对平原灌区特点及早作物模块考虑较少，为了拓展模型适用范围，对SWAT模型毛管上升水、地下水埋深、渠道渗漏、腾发量计算模块和旱作物模拟模块进行了修改，并与MODFLOW耦合，构建了分布式地表水地下水耦合模拟模型，采用人民胜利渠灌区实测径流、蒸腾蒸发量和地下水位资料进行模型率定和验证，结果表明所构建的模型可用于平原井渠结合灌区不同尺度水平衡要素的模拟。(4)以．人民胜利渠灌区为例，设置50％、75％水文年，不同井渠用水比4个灌溉情景模式，将研究区划分为田问、支渠、分干渠、灌区4个尺度，采用构建的分布式耦合模型对灌区不同尺度水平衡要素进行模拟，研究水分生产率、回归水分析以及效益费用分析指标随尺度的变化规律。结果表明：回归水分析指标灌区尺度优于其他尺度，水分生产率指标和效益费用分析指标田问尺度最119万方数据 第七章结论与展望优；平水年比枯水年用水高效；部分指标的变化趋势在支渠尺度存在拐点；从不同灌溉模式之间的水分生产率对比结果来看，以井灌为主的模式2优于渠灌为主的模式1，但从效益费用指标来看，模式1都优子模式2。由此可见，在比选灌溉模式时，依据的指标不同得到的结论不同，而且，灌区的水资源高效利用除了要比较不同情景模式的用水效率和经济效益，还要考虑社会和环境效益，因此，只有全面考虑各种指标进行灌区水资源高效利用综合评价，．才能得到更加准确的结论。(5)围绕井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，选择科学合理、有针对性、可操作的评价指标，考虑评价指标的尺度效应，构建了田间尺度和灌区尺度的井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系，田问尺度包含了用水效率、经济效益、环境效益3大类6个指标，灌区尺度包含用水效率、经济效益、社会效益和环境效益4大类l】个指标，并建立了多层次模糊综合评价模型。在人民胜利渠灌区实例应用表明：所构建的综合评价指标体系和评价模型合理，可为灌区不同尺度水资源高效利用提供评价依据和决策参考。(6)在明确调配模型与评价指标关系的基础上，在灌区尺度以水分生产函数为依据，建立地表水地下水联合优化调配模型，在田间尺度以水盐生产函数为依据，引入临界土壤含盐量、临界地下水矿化度、临界地下水位，建立水盐动态优化调配模型。模型能够通过地表水地下水的联合调配，调控地表水和地下水灌水量、土壤水分、土壤盐分、地下水位及地下水矿化度。为了协调平衡各尺度管理主体的利益，将二者耦合建立井渠结合灌区水盐联合动态优化调配大系统分解协调模型，并给出各尺度模型求解方法及耦合模型的运行过程。实例应用表明：所建模型及求解方法合理可行，可为干旱、半干旱地区的水资源高效利用管理提供决策参考。(7)以2010年为现状年，基于构建的灌区和田间尺度综合评价指标体系，采用多层次模糊综合评价模型，对人民胜利渠灌区进行现状不同尺度水资源高效利用评价。灌区尺度水资源高效利用评价综合得分为0．545，属一般水平，分析各评价指标可知，灌区现状还存在水资源利用效率低，投入产出效果较差，管理运行现代化程度不高，环境污染严重等问题。由田间尺度评价结果可知，田问尺度水资源利用总体处于较高效水平，但局部地区，还存在利用效率不高，水资源利用不经济，在低洼易涝地区，仍潜伏着次生盐碱化的威胁。(8)针对灌区现状不同尺度水资源利用过程中存在的问题，采用灌区尺度120万方数据 第七章结论与展望和田间尺度调配模型，进行水资源优化调配，并结合调配结果计算调配后水资源高效利用指标值，重新进行高效利用评价。灌区尺度调配结果表明：各分区获得的灌溉净效益，除了受种植结构的影响．还受地下水用水费用的影响较大。田间尺度调配结果表明：水分敏感指数大的阶段缺水对产量的影响更大，需优先保证灌水：地下水位下降不会降低土壤含盐量，含盐量只随降雨或灌溉淋洗降低，但会控制返盐。井灌既补充了地表水的不足，还可以在一定程度控制地下水位，节约排水费用，体现以灌代排的优势，但约束条件更苛刻情况下，只靠井灌无法满足所有约束，则需专门引水洗盐及抽排地下水，相应模型也将更为复杂。调配后水资源高效利用综合评价结果表明，所建不同尺度模型可起到促进水资源高效利用的作用，但单靠模型调配水资源作用有限，再配合其他水资源调配技术措施效果更好。(9)以2020年为规划年，基于不同水资源调配技术措施，设置了7个灌区水资源调配方案，调配方案的优选结果表明：采用一种水资源调配技术措施的方案中，调整种植结构方案优于采用渠道衬砌和地面软管输水的方案，渠道衬砌和地面软管输水方案优于中水回用方案，以上方案都优于惯性方案。组合技术方案中调整种植结构方案与采用渠道衬砌和地面软管输水方案组合，得到的水资源高效利用效果最好，其次为调整种植结构与中水回用方案的组合，最后是采用渠道衬砌和地面软管输水方案与中水回用方案的组合。所有组合方案都优于单一措施方案。以上结果符合灌区实际情况，可为灌区水资源高效利用提供技术指导。7．2主要创新点(．1)在揭示井渠结合灌区水资源高效利用的机理的基础上，界定了井渠结合灌区水资源高效利用的内涵。基于水资源高效利用和灌区水资源高效利用的概念和特点，结合井渠结合灌区的结构和功能分析，从以作物需水为核心的“四水”循环转化关系和灌区水资源供、用、耗、排的变化，揭示井渠结合灌区水资源高效利用的机理，在此基础上，界定了井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，为井渠结合灌区水资源高效利用评价和调配提供了基本依据。(2)提出了适用于井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究的分析指12l万方数据 第七章结论与展望标，并建立了获取指标数据的模拟模型。在国际水管理学院的水平衡方法基础上，提出了灌溉回归水分析和灌溉效益费用分析等指标，作为井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应分析指标，拓展了水平衡方法的适用性。在对SWAT修改的基础上，与MODFLOW耦合，建立了适合模拟平原井渠结合灌区水循环转化关系的分布式水文模型，为获取灌区不同尺度指标计算参数提供了技术手段。(3)构建了井渠结合灌区田间尺度和灌区尺度相结合的水资源高效利用评价指标体系。考虑评价指标的尺度效应，围绕井渠结合灌区水资源高效利用的内涵，筛选表征井渠结合灌区不同尺度水资源利用效率和效益的指标，以田间尺度评价为基础，灌区尺度评价为核心，构建了田问尺度和灌区尺度结合的井渠结合灌区水资源高效利用综合评价指标体系，为井渠结合灌区不同尺度水资源高效利用评价和调配提供了参考依据。(4)建立了灌区尺度与田间尺度相结合的井渠结合灌区水盐动态联合调配模型。针对灌区水资源优化调配模型对土壤含盐量、地下水矿化度调控考虑不足的问题，在田问尺度引入地下水均衡、地下水含盐量均衡和土壤计划湿润层盐分均衡约束，考虑水分、盐分对作物生长的影响，以作物水盐生产函数为依据，建立田问尺度水盐动态优化调配模型，并与灌区尺度的地表水地下水优化调配模型耦合，建立了井渠结合灌区水盐动态联合优化调配模型，为井渠结合灌区多维、多尺度调控提供了技术支撑。7．3研究展望本文对井渠结合灌区不同尺度水资源高效利用评价与调配进行了系统研究，由于涉及问题复杂，在理论和方法上仍存在不足之处，受资料和时间限制，一些问题还有待进一步深入研究。(1)本文在井渠结合灌区水资源高效利用尺度效应研究方面仅开展不同尺度水平衡要素的变化规律以及水资源高效利用指标演变特征的研究，没有建立由某个尺度的信息推导其它尺度信息的尺度转换公式，缺乏尺度转换关系研究。今后需要努力的方向是针对不同类型区域和不同研究目标扩展应用研究的广122万方数据 第七章结论与展望度，首先加强不同尺度之问关联的定量研究以及某一尺度水资源高效利用措施实施后对其它尺度影响的评估研究，其次加大对中、大尺度上采用多种不同灌溉模式和高效用水措施后，用水效率和效益的提高机理、节水潜力以及节水效果等研究分析。另外，在分析过程中，还应该更多关注生态、环境等水循环伴生过程。(2)渠灌与井灌用水成本不同，群众普遍愿用渠水而不用井水。对渠灌补给地下水的问题，目前也没有相应的水价政策，更谈不上收费，使灌区用井灌溉的积极性不高，不利于地表水地下水的统一优化调配。在未来建立起完善水市场条件下，在建立水资源优化调配模型时还需引入水价调整机制，使地表水和地下水的水价协调统一，对于地下水位高、土地涝渍盐碱严重的灌区，提高渠水水价，鼓励开采利用地下水，对地下水超采区，提高井水水价，限制开采地下水。(3)本文在人民胜利渠灌区不同尺度水资源高效利用指标变化规律研究中因同一水文年不同井渠用水模式灌溉定额都相同，产量采用同一水文年灌区各县的实测平均值，但实际上如果考虑灌水是否及时，不同井渠用水比可能对产量的影响也不同，如有时渠水有引水时期、流量限制不能及时引水灌溉而影响产量，井灌因能及时灌水，产量有保证，另外，不同井渠用水比对地下水位影响不同，导致盐分积累不同，受盐分影响产量也会不同。究竟有多大影响需要水盐生产函数来回答。考虑不同灌溉模式对产量影响不同的情况下，得到的水分生产率和效益费用比的结论可能与本文不同，未来研究可采用水盐生产函数模型或合适的作物生长模型模拟不同灌溉模式下的产量，使模拟更精确。123万方数据 参考文献参考文献【1】第一次全国水利普查公报【R】．北京：中国水利水电出版社，2013．f2】阳放，郎旭东．井渠结合灌区农业高效用水模式【J]．中国农村水利水电，2004，】2(1)：34．35．．【3】lsraelsen0w．IrrigationPrinciplesandPractices[M]．NewYork：JohnWiley,1932．【4】WouterWolters．InfluencesOBtheEfficiencyofIrrigationWaterUse[D]．TheNetherlands：IntentionalInstituteforLandReclamationandImprovement，1992．【5】HartwE，SkogerboeGv’PedGStandardsforirrigationperformance：Anvaluation[J]．JournaloflrrigafionandDrainageEngineering，1979，105(1)：37-43．【6】Hallw．A．PerformanceParametersofIrrigationSystem[J]．TransactionsofASAE，1960，3(1)：75．76．【7】JensenM．E，L．R．Swarner,andJ．T．Phelan．ImprovingIrrigationonEfficiencies[A]．(In)：AmericanSocietyofAgronomy．IrrigationofagricultureLands，AgronomySeries：11【c】，Wisconsin，U．S．A．1967．[8】EricL．J．Management：AkeytOIrrigationEfficiency[J]．ProceedingsoftheASCE94．1968，1r3：285．293．【9】WellrJ．A，PayawalE．B，andSalandanan．S．PerformanceAssessmentofthePomcRiverIrrigationSystem[A]．(In)：AsianRegionalSymposiumontheModernisationandRehabilitationofIrrigationandDrainageSchemes[M]，Wailingford，U．K：ODU／HydrauticsResearchLtd，1988．【i0】ButtC．M，ClemmensA．JandStrelkoffT．S，etc．IrrigationPerformMeasures：EfficiencyandUniformity[J1JournaloflrrigmionandDrainageEngineering，1997：423-442．[11】MarinusGBos．StandardsforIrrigationperformance：anevaluation【J】．JournalofIrrigationandDrainageEngineering，ASCE，1979，105(I)：37-43．【12】Bos，M．GDerEinflussderGrossederBewasserungseinheitenaufdieverschiendeBewasserungswirkungsgrade[J】ZeitschriRt"drBewasserungsWirlschaft，Bonn1979，14(1)：】39一J55．【13】刘文兆．作物生产、水分消耗与水分利用效率间的动态联系[J】．自然资源学报，1998，。13(1)：21-23．[14】段爱旺．水分利用效率的内涵及使用中需要注意的问题【J]．灌溉排水学报，2005，24(1)：8—11．[15】MarvinEJ．Waterproductivity：Scienceandpractice—beyondirrigationefficiency[J]．LrrigationScience，2007，25(3)：213-245．[16]雷志栋，杨汉波，倪广恒，等．干旱区绿洲耗水分析【J】．水利水电技术，2006，37(1)：15．21．【17】崔远来，熊佳．灌溉水利用效率指标研究进展【J】．水科学进展．2009，20(4)：590．596．124万方数据 参考文献[18】DavidM，Accountingforwateruseandproductivity【EB／OL】．http：／／www‘iwmi‘cgiar‘org／Publications／SWIM—Papers／PDFs／SWIM01’PDF‘【l91Barker,D．Globalwatershortages，alternativesforincreasingwaterproductivity，andimplicationsforChina[R]．Colombo：1WMI，2000’[20】MoldenD，FraitureC．Majorpathstoincreasetheproductivityofirrigationwater[C】／／Worldwatersupplyanddemand：1995～2025．Colombo：InternationalWaterManagementInstitute，2000·[21】PerryCJ．TheIIMlwaterbalanceframework：Amodelforprojectlevelanalysis[R]．Colombo：TWMI．1996‘【22】Dennisw．Aneconomicperspectiveonthepotentialgainsfromimprovementsinirrigationwatermanagement[J]．AgricultureWaterManagement，2002，52：233-248．【23】雷波．农业水资源效用评价研究[D】．北京：中国农业科学院，2010．【24】董斌，崔远来，黄汉生，等．国际水管理研究院水量平衡计算框架和相关评价指标[J】．中国农村水利水电，2003，(1)：5-8．【25】雷波，刘钰，许迪，等．农业水资源利用效用评价研究进展【J】．水科学进展，2009,20(5)：732．736．【26】代俊峰，崔远来．灌溉水文学及其研究进展【J】．水科学进展，2008，19(2)：294—300．【27】茆智．发展节水灌溉应注意的几个原则性技术问题【J】．中国农村水利水电，2003，(3)：19—23．【28】崔远来，谭芳，郑传举．不同环节灌溉用水效率及节水潜力分析【J】-水科学进展，2010，21(6)：788-794．【29]DroogerSP，KiteGEstimatingproductivityofwateratdifferentspatialscalesusingsimulationmodelmg．ResearchReport53[R1．Colombo：InternationalWaterManagementInstitute，2001．【30】KirdaC，KanberR．Water,nolongeraplentifulresource，shouldbeusedsparinglyinirrigationagriculture[C]／／CropYieldResponsetoDeficitIrrigationTheNetherlands：【S．n．】，1999．【3】】RosegrantmMw．Timothyb．Sulserinternationalmodelforpolicyanalysisofagriculturalcommoditiesandtrade[EB／OL]．【20l】-0l-l5】．http：／／www．iVpri．org／themes／impact／impactddes．pdf,2008—07—05．【32】wILLARDSoNLS，ALLENRGFREDERjKSENHG．Universalfractionsandtheeliminationofirrigationefficiencies【R】．Denver，Colorado：PaperPresentedatthe13th．Technicalconference，USCID，1994【33】MOLDEND．SWIMPaper1-Accountingforwateruseandproductivity[R]．Colombo：IntemationIrrigationManagementInstitute，1997．【34】陈皓锐，黄介生，伍靖伟，杨金忠．井渠结合灌区用水效率指标尺度效应研究框架[J]．农业工程学报，2009，25(8)：1-7．[35】崔远来，董斌，李远华，等．农业灌溉节水评价指标与尺度问题【J】．农业工程学报，2007，23(7)：5-7．125万方数据 参考文献[36】SCHULZER．Transcendingscalesofspaceandtimeinimpactstudiesofclimateandclimatechangeonagrohydrologicalresponses．AgricultureEcosystemsandEnvironment，2000，82：185．212．[37】许迪．灌溉水文学尺度转换问题研究综述【J】．水利学报，2006，37(2)：141—149．【38】陈皓锐，黄介生，伍靖伟，杨金忠．灌溉用水效率尺度效应研究评述IJ】．水科学进展，2011，22(6)：872-877．[39】康绍忠，胡笑涛，蔡焕杰，等．现代农业与生态节水的理论创新及研究重点【J】．水利学报，2004，35(12)：l-7．【40】MoldenD，Murray—RustH，SakthivadivelR，eta1．AWater-ProductivityFrameworkforUnderstandingandAction[M]／／KijineWJ，BarkerR，MoldenD．WaterProductivityinAgriculture：LimitsandOpportunitiesforImprovement．Wallingford：CAB!Publishing，2003：1．18．【4l】MasoudParsinejad,MohammadRezaYazdani，HamedEbrahimian．Fieldandregionalscaleevaluationofirrigationefficiencyinpaddyfieldscasestudy：Guilan，lran[J]．IrrigandDrain，2009，58(2)：147-156．【42】DroogersPKiteG．Simulationmodelingatdifferentscalestoevaluatetheproductivityofwater[J]．PhysChemEarth，2001，26(I1)：877-880．【43]董斌．水稻节水灌溉尺度效应研究【D]．武汉：武汉大学．2002．【44]崔远来，董斌，李远华．水分生产率指标随空问尺度变化规律【J】．水利学报，2006，37(1)：45．51．【45】SinghR，DamJC，FeddesRA．WaterproductivityanalysisofirrigatedcropsinSirsadistrict，India[J]．AgriculturalWaterManagement，2006，82：253—278．[46】LudwigR，ProbeckM，MauserW．MesoscalewaterbalancemodelingintheUpperDanubewatershedusingsub—scalelandcoverinformationderivedfromNOAA··AVHRRimageryandGIS—techniques[J]．PhysChemEarth，2003，28：1351·1364．[47】叶澜涛，孙书洪，王仰仁，等．灌区用水效率与效益评价以天津市里自沽灌区为例【J】中国农村水利水电．2011，(2)：105．108．【48】杨丽英，许新宜，贾香香．水资源效率评价指标体系探讨[J】北京师范大学学报(自然’科学版)．2009，45(5／6)：642-646．【49】刘渝，杜江．湖北省农业水资源利用效率的实证分析【J】．中国农村水利水电，2011(1)：37．39．‘【50】崔萌．水资源配置效果评价指标体系和模型研究【】D]．郑州：郑州大学，2005．【51]CarlosPercia，GideonOron，AbrahamMehrez．Optimaloperationofregionalsystemwithdiversewaterqualitysources【J]．JournalofWaterResourcesPlanningandManagement，1997．123(2)：105·115．【52】Snout1K，GorantiwarSD．MultilevelapproachforoptimizinglandandwacerfesourcesandirrigationdeliveriesfortertiaryunitsinlargeirrigationschemeshMethod[J]．JoumalofIrrigationandDrainageEngineering，AmericanSocietyofCivilEngineers，2005，13l(3)：264．272．126万方数据 参考文献【53】郭元裕，李寿声．灌排工程最优规划与管理【M】．北京：水利电力出版社，1994．[54】贺北方，丁大发，马细霞．多库多目标最优控制运用的模型与方法【J】，水利学报，1995，(3)：84—88．【55】邵东国，郭宗楼．综合利用水库水量水质统一调度模型【J】．水利学报，2000，(8)：10-15．【56】齐学斌，樊向阳．井渠结合灌区水资源高效利用调控模式【J]．水利学报，2004(10)：l19-124．【57】曲兴辉，谷秀英．平原区地表水与地下水联合调控模型研究【J】．水文，2005，25(4)：23—25．【58】蔡大鑫，沈能展，崔振才．调亏灌溉对作物生理生态特征影响的研究进展【J】．东北农业大学学报，2004，35(2)：239．243．【59】D．Leenhardt，J．一L．Trouvat，GGonzalb．s，eta1．EstimatingirrigationdemandforwatermanagementonaregionalscaleI．ADEAUMIS，asimulationplatformbasedonbio-decisionalmodellingandspatialinformation[J]．AgriculturalWaterManagement，2004，68(8)：207-232．【60]LaxmiNarayanSethi，SudhindraN．Panda，ManojK．Nayak．Optimalcropplanningandwaterresourcesallocationinacoastalgroundwaterbasin，Orissa，India[J]．AgriculturalWaterManagement，2006，83(6)：209·220．【6】]周惠成，彭慧，张弛．基于水资源合理利用的多目标农作物种植结构调整与评价fJ】．农业工程学报，2007，23(9)：45—49．【62]刘登伟，封志明，方玉东．京津冀都市规划圈考虑作物需水成本的农业结构调整研究[J】．农业工程学报，2007，23(7)：58-63．[63]吴普特．制约我国农业高效用水发展的主导凶素分析[J】水土保持研究，2002，9(2)：l一3．【64】屈宝香，周旭英，张华，等．黄淮海地区种植业结构调整与水资源关系研究【J】．中国农业资源与区划，2003，24(5)：29—32．【65】龚少红，崔远来，黄介生，等．不同水肥处理条件下水稻生理指标及产量变化规律【J】．节水灌溉，2005，(2)：i-4。[66】石玉波，朱党生．地表地下水联合管理模型及优化方法研究综述【J】．水利水电科技进展．1995，14(5)：16-21．[67】余美，芮孝芳．防治l’壤盐碱化地表水地下水联合管理模犁【J】．水资源保护，2004，23(4)：6-14．[68】CastleEN，LindeboryKH．Economicsofgroundwaterallocation【M]．Agri．Exp．Sta．Mist．Pap．108，Oreg．State．Univ．，Corvallis，1961．．[69】Willis凡WilliamW-GYeh，Groundwatersystemplanningandmanagement[J]，PrenticeHall，NewJersey,1987：21-23．【70】KhareD，JatMK，Ediwahyunan，Assessmentofconjunctiveuseplanningoptions：acasestudyofSaponirrigationcommandareofIndonesia[J]，JournalofHydrolody,2006，328：764．【71】刘昌明，杜伟．考虑环境因素的水资源联合利用最优化分析[J]．水利学报，1986(5)：38．44．【72】王根绪．灌区水资源优化利用的水盐区分法【J】．甘肃科学学报，1991，3(4)：52．59．127万方数据 参考文献[73】王文科．银川平原水资源优化配置研究【J]_资源科学，2004，26(2)：36．45．[74】MatsukawaJ，ConjunctiveUsePlanninginMadriverBasinCalifornia，J．W．R．Plan．&Manag，ASCEl20(2)(1994)115-131．【75】李寿声，汤瑞凉．灌溉工程的地面水和地下水联合运用【J】．河海大学学报(自然科学版)，1983，(4)：l-11．[76】彭世彰，阿不都沙拉木·买买提．防治土壤盐碱化最优灌排模型【J】．水科学进展，1995，6(3)：182—188．【77】代涛．西北干旱区水盐动态模拟及排水优化模型研究[D】．武汉：武汉大学，2004．【78】BurasN，ConjunctiveOperationofDamandAquifer,J．ofHydraulicDivision，Proc．ASCE．89(HY6)(1963)．[79】NoelJE，HowittRE，ConjunctiveMultibasinmanagement：anoptimalcontrolapproach[J]，w：R．R1982，18(4)：753-763．【80】陈喜．银北平罗地区水盐平衡动态规划及灌排工程体系合理配置的优化决策模型I-C]／／夏军．现代水科学不确定性研究与进展．成都：成都科技大学出版社，1994·322．326．【8l】张展羽，郭相平，汤建熙，等．节水控盐灌溉制度的优化设计【J】．水利学报，2001，(4)：89．94．【82】吕祝乌．土壤水盐运移模拟及灌溉制度优化设计[D】．南京：河海大学，2005．【83]HaimesYY，HierarchicalAnalysesofwaterresourcessystems[M]，McGrawHall，NewYork，1977．【84】茹履绥．灌区扩建改建规划的大系统优化模型【J】．水利学报，1987，(1)：43-51．【85]齐学斌，赵辉，王景雷．商丘试验区引黄水、地下水联合调度大系统递阶管理模型研究【J1．灌溉排水，1999，18(4)：36-39．【86】张亮．彭楼灌区优化配水及运行管理模式研究【D】．郑州：华北水利水电学院，2004．[87】张蔚榛，张瑜芳．对灌区水盐平衡和控制土壤盐渍化的一些认识[J】．中国农村水利水电，2003，(8)：13-18．[88】徐旭，黄冠华，屈忠义，等．区域尺度农田水盐动态模拟模型-GSWAP[J]．农业工程学报，201l，27(7)：58—63．[89】余美，张金存，苗孝芳．基于盐碱化防治的多目标配水模型【J】?系统工程理论与实践，2010，30(6)：l144-1152．[90】严恺．水利词典【M】．上海：上海辞书出版社，1994．10．[9l】董新光，邓铭江，周金龙，等．论新疆平原灌区土壤盐碱化与水资源开发【J】．灌溉排水学报，2005，(05)：14-17．【92】杨波，陈海洲．井渠结合灌溉技术探讨【J】．河南水利，2003，(5)：59．61．【93】姜文来．资源资产论【M】．北京：科学出版社，2002．[94】张洪嘉．农业水资源高效利用的定义及其内涵【J】．经济研究导刊，2012，(34)：56-57【95】王浩，秦大庸，韩素华．宁夏河套灌区农业水资源高效利用模式研究【J】．自然资源学报，2004，19(5)：585-590．【96】刘渝．中西部地区农业水资源利用效率分析[D】．武汉：华中农业大学，2006．【97】孙小平．井渠结合灌区水资源调控技术与措施【J】．科技情报开发与经济，2007，17(9)：128万方数据 参考文献150-151．【98】DAVIDM．Accountingforwateruseandproductivity[EB／OL】[2008206221】http：／／www．1wmi．Cigar．org／Publications／SWIM—Papers／PDFs／SWIM011PDFl．【99】WILLARDSONL．SIBasin2wideimpactsofirrigationefficiency[J】。JournalofIrrigationandDrainageEngineering，1985，111(3)：522-529．【100]PERRYCJlTheIIM!waterbalanceframework：Amodelforprojectlevelanalysis[R]．Colombo：TWMl，l996．【101】罗玉锋．灌区水量平衡模型及其应用研究[D]．武汉：武汉大学，2006．【102】SinghR，KroesJQDamJC，FeddesRA．DistributedecohydrologicalmodellingtoevaluatetheperformanceofirrigationsysteminSirsadistrict．India：I．Currentwatermanagementanditsproductivity【J】．JournalofHydrology,2006，329：692—713．[103]TabbalDF"BoumanBAM，BhuiyanaSl，SibayanbEB，SattarcMA．Onfarmstrategiesforreducingwaterinputinirrigatedrice；casestudiesinthePhilippines[J]．AgriculturalWaterManagement，2002，56：93·112．[104】ConsoliSD，UrsoGToscanoA．RemotesensingtoestimateETfluxesandtheperformanceofallirrigationdistrictinsouthernItaly[J]．AgriculturalWaterManagement2006．81：295．314．(105]沈彦俊，夏军，张永强，等．陆面蒸散的双源遥感模型及其在华北平原的应用【J】．水科学进展，2006，17(3)：372—375．[106]MedinaJL，CamachoE，RecaJ，LopezR，RoldfinJ．DeterminationandAnalysisofRegionalEvapotranspirationinSouthernSpainbasedonReinoteSensingandGIS[JI．Phys．Chem．Earth，1998，23(4)：427—432．【107】刘志武，雷志栋，党安荣，杨诗秀．遥感技术和SEBAL模型在干旱区腾发量估算中的应用田．清华大学学报(自然科学版)，2004，44(3)：421．424．[108】熊立华，郭生练．分布式流域水文模型[M】．北京：中国水利水电出版社，2003．[109】OdhiamboLO，MurtyVVN．Modelingwaterbalancecomponentsinrelationtofieldlayoutinlowlandpaddyfields．I．Model【J1．AgriculturalWaterManagement，1996，30：185．199．【110】PanigrahiaB，PandaSN．Fieldtestofasoilwaterbalancesimulationmodel【J】AgriculturalWaterManagement，2003，58：223—240．【111】sing出R，KroesJGDamJC，FeddesRA．DistributedecohydrologicalmodellingtoevaluatetheperformanceofirrigationsysteminSirsadistrict，India：II：Impactofviablewatermanagementscenarios[J]．JournalofHydrology,2006，329：714—723．【112】廖小青，刘贯群，袁瑞强，等．黄河农场地区地下水入海量FEFLOW软件数值模拟【J】．海洋科学迸展，2005，23(4)：446．45I．【113】KangMS，ParkSw，LeeJJ，YooKHApplyingSWATforTMDLprogramstosmallwatershedcontainingricepaddyfiled[J】AgriculturalWatermanagement，2006，79(1)：79-92．【114】DechmiF"BurgueteJ，SkhiriA．SWATapplicationinintensiveirrigationsystems：Model129万方数据 参考文献modification，calibrationandvalidation[J]．JournalofHydrology,2012．【115]SophocleousM，PerkinsSP．MethodologyandapplicationofcombinedwatershedandgroundwatermodelsinKansa[J】．JournalofHydrology，2000，236：185—201．【116】KiteGW，DroogersP．Integratedbasinmodeling[R]．ResearchReport43．Colombo，SriLanka：InternationalWaterManagementInstitute，2000．【117]李亚龙．水稻．水肥综合调控田问试验与数值模拟研究【D】．武汉：武汉大学，2006．【118]杨京平，王兆骞．作物生长模拟模型及其应用【J】．应用生态学报，1999，10(4)：50l-505．【119]BoumanBAM，LaarHHVDescriptionandevaluationofthericegrowthmodelORYZA2000undernitrogenlimitedconditions[J]．AgriculturalSystems，2006，87：249—273．【120】李亚龙，崔远来，李远华．水氮联合限制条件下对模型ORYAZ2000的验证与评价[J】．灌溉排水学报，2005，24(1)：28．32．【121】李亚龙，崔远来，李远华，等．基于ORYZA2000模型的早稻生长模拟及氮肥管理研究【J]．农业工程学报，2005，21(12)：141—146．【122]AroraVK．Applicationofaricegrowthandwaterbalancemodelinallirrigatedsemiaridsubtropicalenvironment[J】．2006，83：51-57．【123】林忠辉，莫兴国，项月琴．作物生长模型研究综述【J】．作物学报，2003，29(5)：750—758．【124】马玉平，王石立，张黎，庄立伟．基于升尺度方法的华北冬小麦区域生长模型初步研究I．潜在生产水平【J]．作物学报，2005，31(6)：697．705．【125]KhalilAhmad，PhilipWGRameshKanwar．EvaluationoftheTileFlowComponentoftheSWATModelunderDifferentManagementSystems[R]．WorkingPaper02-WP303，June2002，WWW．card．iastate．edu．2002．【126]胡远安，程声通，贾海峰．非点源模型中的水文模拟——以SWAT模型在芦溪小流域的应用为例[J】．环境科学研究，2003，16(5)：29．32．【127]代俊峰，崔远来．基于SWAT的灌区分布式水文模型：I模型构建的原理与方法[J】．水利学报，2009，40(2)：145．152．【128]屈吉鸿．基于分布式水文模型的灌区地下水承载力研宄【D】．西安：西安理工大学，2010．【129】茆智，李远华，李会昌．逐日作物需水量预测数学模型研究【J]．武汉水利电力大学学报，1995，28(3)：253-259．[130]AzimiM，HeshmatiGA，FarahpourM，eta1．Modelingtheimpactofrangelandmanagementonforageproductionofsagebrushspeciesinaddandsemi-addregionsofIran[J】．EcologicalModeling，2013i250：1-14．[131】袁光耀，王卫民，王立正，等．农田灌溉排水研究与实践【M]．郑州：黄河水利出版社，2005．‘[132】刘路广，崔远来．灌区地表水-地下水耦合模型的构建【J】．水利学报，2012，43(7)：826．833．[133】LuoY"andSophocleousM．Two-waycouplingofunsaturated—saturatedflowbyintegratingtheSWATandMODFLOWmodelswithapplicationinanirrigationdistrictinaridregionof130万方数据 参考文献WestChina[J]．JournalofAridLand，20l1，3(3)：l64—173．【134】谢先红，崔远来．典型灌溉模式下灌溉水利用效率尺度变化模拟[J]．武汉大学学报(工学版)，2009，42(5)：653．656．【l351谢先红，崔远来．灌溉水利用效率随尺度变化规律分布式模拟阴．水科学进展，2010，121(5)：681—688．[136】吴泽宁，张超，赵仁荣，王新玲．工程项目系统评价【M】．郑州：黄河水利出版社，2002．【137】徐建新，陈南祥，黄强．区域水资源规划及灌区节水增产灌溉专家系统研制【M】．郑州黄河水利水电出版社，2008。[138】程吉林，刘胜松，周振红．地面水与地下水联合调度非线性模型的求解方法【J】．水利学报，1999，(10)：53～57．【139】戴国瑞，冯尚友，孙培华．水资源科学分配【M]．北京：水利水电出版社，1983．【140】李陆泽译．作物的水分生产函数【J1．国外灌排新进展，1989，(3)．[141】彭世彰，阿不都沙拉木·买买提．作物水盐生产函数综述[J】-灌溉排水，1995，14：19-23．[142】张展羽，郭相平．作物水盐动态响应模型【J】．水利学报，1998，(12)：66．70．[143】马建琴，陈守煜，邱林，等．作物灌溉制度的模糊优化设计【J]．华北水利水电学院学报，2000，2l(4)：6-8．[144】孙书洪．基于作物水分生产函数下的非充分灌溉研究[D】．天津：天津大学，2005．[145】冯保清，雷慧闽，吕华芳．值山灌区冬小麦及夏玉米群体水分利用效率分析【【J】．灌溉排水学报，2013(4)：29．32．[】46】夏辉．河北平原冬小麦水肥生产函数的研宄[D]．保定：河北农业大学，2003．[147】雷宏军，刘鑫，潘红卫．弓}黄灌区水资源合理配置与精细调度研究【M】．北京：中国水利水电出版社，2012．131万方数据 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果一、个人简历张亮，1978年7月出生，汉族，中共党员。2001年沈阳农业大学农田水利工程专业毕业，获工学学士学位，2004年华北水利水电学院农业水土工程专业硕士研究生毕业，获工学硕士学位。二、在学期间发表的学术论文【1】AdvanceonconjunctiveoperationofsurfacewaterandgroundwaterrDesalinationandWaterTreatment，2013．08，第一作者．(SCl收录)[2】Studyonwaterresourcesoptimalallocationofirrigationdistrictandirrigationdecisionsupportsystem，CCTA2010，2010．10，第一作者．(El收录)[3】北运河水生态系统服务功能价值评估，灌溉排水学报，2011．06，第一作者．[4】灌区节水灌溉决策支持系统研制，沈阳农业大学学报，2011．04，第一作者．[5】2010年引黄济淀小浪底水库的生态补偿效益，人民黄河，2011．07，第一作者．【6]河南省参考作物腾发量的随机模拟模型，水利水电技术，2010．10，第二作者．[7]闸坝工程建设对北运河水量水质影响研究，灌溉排水学报，2010．12，第二作者．[8】最严格水资源管理制度背景下水资源合理配置探讨，中国水利学会水资源专业委员会2012年年会论文集，黄河水利出版社，2013．01，第二作者．【9]关于我国水资源管理现代化建设的几个问题，华北水利水电学院学报(自然版)，2011．02，第一作者．三、在学期间参加的项目及获奖1．北方井渠结合灌区地表水地下水联合调度研究与示范(2006BADlIB09．2)，国家科技支撑计划，(主要完成人)，2012年6月，获河南省教育厅科技成果一等奖；2．区域作物高效用水管理体制与运行机制研究(2007BAD88802-02)，国家科技支撑计划，(主要完成人)，2013年6月，获河南省教育厅科技成果二等奖；3．辽河流域水质水量多目标优化调度模型研究(2009ZX07208．010．T004)，国家重大水专项，(主要完成人)，20I5年6月，获河南省教育厅科技成果一等奖；4．西北干旱区天然植被生态需水量计算方法研究，(主要完成人)，2102年6月，获河南省教育厅科技成果一等奖；5．节水灌溉条件下稻田CH4排放及其减排技术模式，(主要完成人)，2102年6月，‘获河南省教育厅科技成果二等奖；6．哈尔滨市松花江城区段水生态修复研究，(主要完成人)，2011年9月，通过省科技厅鉴定；7．华北主要土壤持水特性与精准灌溉技术指标研究，(主要完成人)，2011年9月，通过省科技厅鉴定。132万方数据 致谢致谢时光荏苒，转眼间博士的求学生活就要进入尾声了，期间有付出的艰辛，也有收获的喜悦，个中滋味只有求学者本人才能体会，在博士论文完成之际，谨以此文向这些年关心和帮助我的人表示衷心的感谢。这些年收获最．大的就是遇到一个好导师，他就是吴泽宁教授一一我人生中真正的良师益友。吴老师为人谦和，平易近人，对每个学生都关心备至。吴老师对像我这样边工作边求学的学生给予了莫大的理解和支持，在我取得一点成绩，哪怕是学术上一个小小的进步，吴老师都不忘鼓励我继续进取，在我坚持不住想放弃的时候，吴老师激励我继续前行，跟吴老师交往有一种让人如沐春风的感觉。吴老师治学严谨，博学善思，每每和他一起探讨学术问题都使我获益良多。在我论文的选题和写作过程中吴老师给了我很多的指导和启发，在我论文初稿完成后，吴老师又帮助我一遍一遍的修改，可以说我能顺利完成博士学业离不开吴老师的悉心指导和鼓励，在此向吴老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。华北水利水电大学的徐建新教授多年来在工作和生活中给予我很多关心和支持，在此也向徐老师表示深深的谢意。感谢华北水利水电大学的仵峰教授在论文写作过程中对我的指导并提出了很多宝贵的修改意见。感谢李道西副教授、雷宏军副教授对论文提出了很多建设性的意见，感谢潘红卫博士在模型调参方面的热心帮助，感谢梁德义、金鑫和邱腾蛟硕士在论文格式修改、资料整理和打印等方面的热心帮助。在郑州大学求学期间，对左其亭教授、张成才教授、胡彩虹教授、马细霞教授、管新建副教授、张金萍副教授和杜丽萍老师在学术、科研和学习生活中给予的指导和帮助表示诚挚的感谢。同时，感谢吕翠美师姐、于洪涛师兄及所有同门师弟、师妹在学习和生活中对我的大力支持和帮助。最后，要感谢我的妻子、父母、岳父母、儿子和我的信仰，你们是我的精神支柱，是你们支撑我走好未来的每一步。张亮2015年5月于郑州万方数据'