灌溉水利用系数IWUE汇总(20091011)

1、项目研究背景

农业是江苏省第一用水大户，其用水量占全省总用水量的60％以上。农业用水中，90％以上用于农田灌溉，因此灌溉用水量是水资源规划与水利工程建设必须考虑的最重要因素之一。灌溉用水量的多少，一是取决于净灌溉用水量，二是灌溉水利用系数(Irrigation Water Utilization Efficiency，IWUE)。因此，IWUE是灌区规划、设计和水资源调配的最基础数据之一。大型水利工程规模的确定，区域水资源的配置，乃至一般灌溉工程的规划设计，无不需要IWUE作为基础资料，因此，合理确定IWUE具有非常重要的现实意义。

所谓灌溉水利用系数是指某一时期灌入田间可被作物利用的水量与水源地灌溉取水总量的比值，它反映全灌区渠系输水和田间用水状况，是衡量从水源取水到田间作物吸收利用过程中灌溉水利用效率的一个重要指标，能综合反映灌区灌溉工程状况、用水管理水平、灌溉技术水平。此外，IWUE还是节水潜力评价的依据，可为水资源宏观调配决策提供依据。

IWUE与工程类型、管理水平和灌溉技术有关。江苏省南北自然条件和经济水平、水利工程的建设和管理水平差异很大，IWUE必然有所差别。目前我省虽然开展过零星的IWUE测试工作，但规模小，测点少，缺少对不同地区、不同水源类型、不同规模等灌区的系统测定工作，所得资料不多，且代表性较差，难以满足目前水资源规划、灌区规划和水土资源开发利用的要求。为适应我省节水灌溉发展的新

形势和节约型社会建设的要求，摸清全省农业灌溉水利用现状，需要全面开展农业IWUE测算分析工作，以评估灌区节水潜力，并为全省水利工程的规划设计提供基本数据，同时也为全国农业IWUE测算分析工作提供必要的数据支撑。

2、国内外研究现状

IWUE是衡量农业节水效果的关键指标，也是灌区规划设计、水资源分配的基础数据。我国目前各地和各灌区所给出的IWUE，由于分析方法和测定技术的差异，可比性较差。大部分文献资料认为，我国IWUE总体在0.45左右（其中渠系水利用系数0.5左右，田间水利用系数0.9左右），而发达国家，如美国和以色列等国家和地区，一般在0.7-0.8之间。与其相比，我国IWUE明显偏低，尚有较大节水潜力。

从我国目前各地区来测试资料分析，统计出的IWUE差异极大，有的灌区仅有0.2，而有的高达0.78，很多数据明显地存在错误。在这种模糊的数字指导下，显然难以正确地制定各地区的水资源发展规划，也无法对灌溉用水的节水潜力做出合理的评估，难以有针对性地指导节水灌溉的发展。

影响IWUE测定精度的原因主要有以下几个方面：

一是灌区测定样点数据不足，样本代表性差。IWUE测试工作消耗的人力、财力耗费巨大，以目前的科研组织体制和资金来源难以全面实施， 只能通过样点测量，然后进行统计。目前IWUE的零星测

定工作主要由科研院所承担，以科研课题的形式开展。在科研经费和人力投入不足的情况下，国内尚无大规模灌区IWUE测定的先例。取点较少造成数据代表性差，难以获得足够的统计精度。

二是测定条件难以保证，测试设备精度不足，造成测试精度较低。在缺少量水设备的情况下，我国主要采用水工建筑物量水或者流速仪量水，当出现淹没流时，或者渠道断面不够规则（尤其是南方地区，多采用河道输水）、流速较小时，量水精度便会降低。另外，由于绝大部分灌区渠道缺少足够的专门量水建筑物，渠道量水一般只能测量到干支渠，斗渠及其以下量水较少。采用渠系水利用系数和田间水利用系数估算IWUE较为粗糙。

三是灌区普遍存在渠道越级取水现象，如干渠上直接连接斗渠，支渠连接农渠等，即使能够较为准确地测定灌区某一级渠道的水利用系数，但如何合理确定全灌区的IWUE仍然较为困难。

四是目前的测试方法尚不统一，测试原理和方法各有不同，测试结果可比性差。有的灌区采用渠系水利用系数与田间水利用系数之积作为IWUE，这样就忽略了灌溉回归水的再利用，计算出的数值可能偏小；有些灌区采用水量平衡法计算，考虑了回归水循环利用，测试数值明显偏高（如漳河灌区，按照两种方法测试的节水可相差20%以上）。

江苏省共有大中小型灌区26872个，灌区有效灌溉面积4680多万亩，承担了江苏省三分之二以上耕地面积的灌溉任务，是本省粮油棉生产的主要来源。灌溉用水，除少量城区绿化用水外，绝大部分是

灌区灌溉用水，灌区IWUE的高低，基本代表了江苏省灌溉用水技术与管理的总体水平。

上世纪八十年代，结合防渗渠道建设，江苏省曾经在苏北一些灌区进行过渠道水利用系数的测算，并对灌区的渠系水利用系数进行了测试。但由于缺少农田净灌溉定额的合理估算，难以对IWUE进行合理估算。如沿运河两岸的灌区，由于水稻超量灌水，田间水利用系数很低，但渠系水利用系数较高，若采用其他节水灌区的田间水利用系数，将导致IWUE的虚高。另外由于缺少足够的测点和连续资料，数据的可靠性、代表性均不高。目前工程规划设计所用的IWUE，通常采用专家估计或借鉴临近地区的数字，存在较大的模糊性和争议性。农业作为江苏省的第一用水大户，该数值的不准确将直接影响灌区规划和水资源的合理配置。如江苏省淮北地区，水质性缺水较为严重，需要从长江远距离提水北送。IWUE的高低，将直接影响南水北调东线工程的规模和投资。但直到项目开始为止，江苏省IWUE的全面测定仍未开展，给水利工程，尤其是灌溉过程的规划设计带来很大不便，水资源配置和工程规划设计的依据不足。

3、样点灌区的选择和代表性分析

3.1样点灌区的选择的原则与依据

3.1.1江苏省灌区概况

江苏省共有以地面水位水源的大中小型灌区26872个，其中大型灌区共29个，有效灌溉面积1162.32万亩，其中提水灌区12个，有效灌溉面积495.01万亩、自流灌区17个，有效灌溉面积667.31万亩；中型灌区228个，有效灌溉面积1353.54万亩，其中提水灌区145个，有效灌溉面积980.02万亩、自流灌区83个，有效灌溉面积373.52万亩；小型灌区26615个，有效灌溉面积2094.29万亩，其中提水灌区21894个，有效灌溉面积1978.64万亩、自流灌区4721个，有效灌溉面积115.65万亩。

江苏省共有纯井灌区13719个，有效灌溉面积71.72万亩。其中采用土渠+地面灌溉形式的有8906个，有效灌溉面积56.1万亩、渠道防渗形式的有5个，有效灌溉面积0.04万亩、低压管道灌区647个，有效灌溉面积3.48万亩、喷灌区4150个，有效灌溉面积12万亩、微灌区11个，有效灌溉面积0.1万亩（2008年统计数据）。 3.1.2影响灌溉用水有效利用系数的主要因素分析

IWU

是指某一时期灌入田间可被作物利用的水量与水源地灌溉取

水总量的比值。二者之间的差值，包括输水损失和田间灌水损失（主

要是灌溉技术不佳造成的田间深层渗漏、超量灌溉导致的无效腾发等）。影响水量损失的因素，在自然条件方面，主要受土壤类型、地下水埋深、作物类型等因素一项；在技术和管理层面上，主要受渠道衬砌状况、建筑物配套、灌区运行管理水平和灌溉实施者的灌水习惯有关，而管理水平的高低，往往与经济发展水平和水价的高低有关。因此，IWUE受到不同地区自然条件、经济水平和管理因素的多重影响。在选择样点灌区时，应考虑上述因素。选取的样点，应能够代表不同条件的灌区。

3.1.3样点灌区的选择的原则与依据

江苏省灌区数量超过4万个，数量巨大。IWUE测定人力、财力耗费巨大，难以也无需对所有灌区全面展开测定。因此，本次测定主要采用抽样法进行。

抽样法的核心是样本特征能代表总体特征。根据灌区IWUE的影响因素，本次测定样点灌区的选择原则主要包括以下两个方面：

一是保证所选择的样本具有代表性，即样本的特征能够反映总体特征。这是开展IWUE量测的必备条件，必须加以保证。

对于样点的代表性，根据IWUE的影响因素分析，本次样点灌区的选择主要考虑以下因素：

1）灌区所在区域的代表性

区域代表性主要影响灌区降雨量、土壤类型等自然因素，进而影响作物的种植比例、灌水习惯。另外，江苏省经济水平呈现明显的南

北地域特征差异，即从苏南向苏中和苏北，经济水平逐渐下降，对节水灌溉的投入也逐渐减少。因此，在样点灌区选择时，将全省分为苏南、苏中和苏北三个大区，在各区内分别选点，保证地域上的代表性。

2）灌区面积的代表性

IWUE具有明显的尺度效应，灌区面积影响分析尺度，而且从实际管理来看，灌区面积影响到灌区管理组织的完善程度，在一定长度上反映了管理水平的高低。本次测试按照大、中、小灌区进行了分类。各规模等级内，均取一定数量的灌区作为样本。

3）灌溉水源的代表性

水作为准公共产品，其价格不完全反映其价值。灌溉水源的差异影响取水的难易程度和农民灌水习惯。对于自流取水灌区，由于目前尚未实施按量计费，灌水定额和灌溉定额普遍偏高，对节水灌溉的投入 相对较少，IWUE一般偏低。相反，对于提水灌区，由于成本较高，衬砌和其他节水灌溉的投入较大，IWUE较高。因此，在按照面积分类的基础上，本次测试按照自流灌区、提水灌区和纯井灌区进行了分类。

4）灌区管理水平的代表性

在评价灌区管理水平时，本次研究主要考虑了以下因素： 硬件的建设水平，包括渠道衬砌率、渠系建筑物配套率、节水灌溉工程覆盖面积率。

组织管理机构。包括灌区管理人员的配备、技术人员数量、规章制度、基层用水协会组织数量等。

节水灌溉技术推广状况。水稻为主的灌区，主要是水稻节水灌溉模式、节水模式推广面积及其比例；旱作物为主的灌区，考虑田间节水灌溉模式，沟、畦规格和灌水习惯（主要考察灌水定额）。

管理水平，按照好、中、差进行评估，每个档次均抽取一定数量的灌区进行测试，保证样本的均匀分布。

二是灌区具备良好的量测条件，以保证较高的量测精度。 IWUE测算需要消耗大量人力，而且组织协调任务繁重，单独依靠科研院所力量难以完成，必须利用灌区管理单位、地方（县市）水利科研站所和水利站的技术力量。IWUE测试具有较强的技术性，对人员素质要求较高，所选择的灌区、试验站（所）必须有较高技术水平的专业人员，才能完成相关指标和参数的测试。同时，参研站（所）需具备一定的试验场地和试验设施。流速和流量的准确测定，需要封闭的沟渠、一定数量的控制建筑物或具备适于安装量水设施的条件，才能保证量水过程的准确度。因此，对灌区的硬件条件也有一定要求。

对于IWUE量测的组织管理，主要是按照区域，在考虑代表性的前提下，选择具备一定技术力量和量测条件的灌区进行实施。

3.2样点灌区的数量与分布

3.2.1测试单位组织与分布

根据样点灌区的代表性和组织管理要求，在组织管理方面，考虑地域要求，本次从苏南、苏中和苏北三大分区中共选择8个综合实力较强的试验站（所）参与测试。其中在苏南地区布置了昆山、常熟2

个站，在苏中地区布置了如皋、东台、宝应3个站，在苏北地区布置了徐州、射阳、涟水3个站，进行课题协作研究。

上述8个水利科研站（所）早在上世纪60—70年代就已建站，长期从事农田水利灌溉和排水的试验研究，皆承担过水利部和省重大农水科研课题，具有较强的灌溉试验技术力量和灌溉试验设施条件。8个水利科研所站共有94人，其中拥有水利、农业工程师以上的技术职称有43人。

3.2.2样点灌区的数量与分布

江苏省灌区数量众多，类型丰富，样点灌区的选择既要以全国统一的方案要求为原则，也要结合本省的实际。根据江苏省气候、土壤、作物和管理水平，分别在苏南、苏中和苏北地区选择典型样点灌区。所选择的灌区必须有独立的灌排系统，对于灌排结合的渠道，应有渠道引水量资料以及其下级渠道在该渠道放水及非放水期间的提（引）水量资料。

按不同的灌溉规模，将灌区分为大型（30万亩以上）、中型（1－30万亩）、小型（1万亩以下）和纯井灌区四种类型。根据水利部技术指南要求，研究采用逐年推进的方法进行。

2006和2007年,全省共选取了101个灌区。包括：

大型灌区8个。其中7个灌区位于淮北平原，1个位于里下河圩区，宿迁市和淮安市各3个，盐城市和南通市各1个；中型灌区16个。其中有10个位于苏中的扬州市、6个位于苏北的淮安市；小型

灌区61个，分布在全省各市；纯井灌区16个。主要分布在徐州、连云港、扬州三市。

表3-1 江苏省样点灌区分布表(2008)

根据前2年经验总结分析，认为大、中型灌区的建筑物配套较好，便于测试，而且组织机构和人员较为完备，因此2008年测试工作增加了大中型灌区的数量。共选取了29个大型灌区、19个中型灌区、56个小型灌区、11个纯井灌区作为样点灌区，开展IWUE测算分析工作。灌区基本信息详见表3-1。根据前2年经验总结分析，认为大、中型灌区的建筑物配套较好，便于测试，而且组织机构和人员较为完备，因此2008年测试工作增加了大中型灌区的数量。共选取了29个

大型灌区、19个中型灌区、56个小型灌区、11个纯井灌区作为样点灌区，开展IWUE测算分析工作。灌区基本信息详见表3-1。

续表3-1 江苏省样点灌区分布表(2008)

续表3-1 江苏省样点灌区分布表(2008)

3.3 样点灌区基本情况与代表性分析

灌区的选择按照树状分成选择，保证树干各分支的代表性。首先是区域选择，灌区分别位于苏南、苏中和苏北，在地域上具有代表性。在各区域内部，按照灌区灌溉规模，将灌区分为大、中、小型灌区和纯井灌区共4个类型；每个灌区类型中，按照取水方式，又分为大、中、小型提水灌区和大、中、小型自流灌区以及井灌区共7个亚类；根据灌区管理水平（地面水为水源分为高、中、低三个水平；井灌区按高水平管理灌区处理，按照输灌水模式，分为土渠、防渗渠道、低压管道、喷灌、微灌5个水平），对7个亚类中进行划分，又分为23个细类。如表3-21所示。为减少抽样误差，每个细类有1-10个灌区作为重复。

如此处理，保证了样点灌区在总体中的均匀分布，具有较好的代表性。

表3-2 样点灌区分类表

3.4灌溉用水代表年分析

2006-2008年全省年平均降水量1004.0m-1120.0mm，与多年平均降水量相比，偏大在10%以内，基本属平水年。省内降雨量地区分布不均匀，实测年降水量最大为沂沭河区杨集站的1722.6mm（2007），最小为通南沿江区的新港站658.8mm（2008）。年内降水分布悬殊，汛期（5-9月）降水量占全年降水量的比值在50%到90%之间，平均为74.8%。全省平均不大于多年平均雨量的10%，可代表平水年水平。

4.灌溉用水有效利用系数测算分析

4.1样点灌区IWUE测算分析方法

4.1.1传统测算方法

传统IWUE的测算通常是通过实测获得不同级别典型渠道的渠道水利用系数，加权平均得到灌区干、支、斗、农各级渠道的渠系水利用系数；测量典型田块的田间水利用系数，采用系数连乘的方法得出IWUE。其优点是可以根据各级渠道的输水效率，判断各级渠道用水情况，反映灌溉工程质量及灌溉用水管理水平，据此能合理确定节水措施。但是传统测算方法存在以下不足：

（1）测定工作量大

一个灌区的固定渠道一般都有干、支、斗、农4级，大型灌区级数更多，而每一个级别的渠道又有多条，特别是斗、农渠数量更多，计算某级渠道的加权平均渠道水利用系数时，测定工作量很大。灌溉地块自然条件和田间工程情况也存在差异，要取得较准确的田间水利用系数，需要选择众多的典型渠道和田块进行测定。可见，无论是渠系水利用系数，还是田间水利用系数，测定工作量都很大。以目前的人力和设备、资金水平，显然难以实现。

（2）测试条件要求严格

对于灌区来讲，要在面广渠多的灌溉用水情况下停止供水来进行静水测试是难以做到的．一般采用动水测试法进行全面测试。采用动

水测试法测定渠道水利用系数时，需要有稳定的流量，测渠段中间无支流，下一级渠首分水点的观测时间必须和水的流程时间相适应，这些必要条件难以做到。

（3）对测试手段和技术人员要求高

大多数灌区很少进行IWUE的测算，测流设备较少，掌握测流技术的人员也较少。对于灌区来讲，进行一次全面的IWUE测量，需要对灌区的多条干、支、斗、农渠渠道水利用系数进行测试测定，需要消耗大量的设备和人员。尤其在存在越级取水时，需要大量的现场调查和复杂的计算过程才能保证IWUE的合理性，这对于许多灌区是难以达到的

（4）典型测量获得的IWUE的代表性差

灌区不同的水文年或不同时期的来水和用水情况不同，渠首引进的流量或水量亦不相同，灌区的实灌面积也不相同，因此IWUE每次灌水都不相同。目前灌区只用某次测定计算得出的IWUE来代替所有的情况，不能反映灌区一段时期、甚至当年的实际灌溉水利用情况。实际上，灌溉效果具有较长的滞后效应，某次超量灌溉，其多余水量可能滞留在田面或土壤深层而为后继生育阶段所利用。以一次灌水定额的高低，难以确定其无效水量的比例。因此，田间水的利用效率难以确定，导致IWUE的不确定性。扩大测定时段，将测试时段扩大到整个生育期甚至更长，可以有效消除灌溉的后效性，增加IWUE的可信度。

4.1.2 首尾测算分析法

（1）首位测算分析法原理

根据定义，灌区灌溉用水有效利用系数即为某时段灌区田间净灌溉用水总量与从灌溉系统取用的毛灌溉用水总量的比值。计算公式如下：

w

WjWa

式中 w——灌区灌溉用水有效利用系数；

Wj

——灌区净灌溉用水总量，m3； ——灌区毛灌溉用水总量，m3；

M综

Wa

在实际计算中，用下式计算灌区亩均综合净灌溉定额

M综

:

M

i

N

i

Ai

A

式中 Mi——灌区第i种作物净灌溉定额，m3/亩；

Ai

——灌区第i种作物实灌面积，亩；

N——灌区作物种类总数；

A——灌区实灌溉面积（不考虑复种指数情况），亩；

则灌溉用水有效利用系数为：

w

M综 AWa

（2）首位测算分析法优缺点

首尾测定法，克服了传统测定方法工作量大等缺点，适用于各种布置形式的渠系，但只是单纯为了确定灌区的IWUE，不能分别反映

渠系输水损失和田间水利用的情况。

1）优点

a．由于不需要对各级渠道的渠道水利用系数进行测定，大大减少了测定工作量。并且由于灌区的同级渠道的长度、土质、工作制度、防渗情况的差异，其典型性、代表性选定的工作量也可省去。

b.在灌区灌溉试验设备、田间观测资料与技术力量比较齐全的情况下，以作物净灌溉定额来计算灌区净灌溉用水量是可行的，大大减少了测定田间水利用系数的工作量。

2)缺点

a．首尾测定法只是单纯为了确定灌区的IWUE, 不能分别反映渠系输水损失和田间水利用的情况。即首尾测定法的成果是可以反映IWUE，而对灌区灌溉水利用的存在的主要问题还难以分析。

b.在田间观测资料不足的情况下，以作物净灌溉定额来计算灌区净灌溉用水量较为困难。因为深层渗漏的灌溉水，在其他阶段可以通过毛管水上升向土壤上层供水而成为有效灌水量，但该部分水量与地下水位、降雨等密切相关，需要测定地下水位、土壤含水量变化等诸多参数，试验站所现有的设备与技术力量难以完成。一般需要同时观测各种作物的灌溉制度，或需要较多的气象资料和较为准确的作物系数。因此，本次测定时，采用作物整个生育期作为测定时段，以标准灌溉定额（具体确定方法见后）作为实际灌水定额（当实际灌水定额小于标准灌溉定额时，采用实际灌水定额）。通过延长测试时段，消除灌溉的后效性。

4.1.3 测试方法的选择

由于样点灌区多，测试工作量大，故本次测试采用了首尾测算分析法。对于首尾法存在的测试精度问题，本次测试采用下述方法予以修正：

（1）对于旱作物，在地下水较深的地区，通过加大取土深度，计算各层储存水量。根据试验站实测资料，分析根系分布状况，确定计划湿润层深度和储存水量。对于地下水较浅的地区，采用临近试验站的田间水利用系数作为标准，利用入田水量计算渠系水利用系数，然后计算IWUE。

（2）对于水田，灌区布置多个测点，采用当地常用节水灌溉模式进行灌溉，其灌水定额作为标准定额计算IWUE。将实际灌溉水量与之比较后进行取舍，具体方法见后。

4.2灌区灌溉用水总量与灌溉定额计算

根据样点灌区的测试结果，统计每个细类中，

4.2.1样点灌区毛灌溉用水量确定

灌区毛灌溉用水总量主要采用流量法确定，即：

W

n 1N

Qi Ti i 1

M

式中：W-灌溉季节内总取水量； Qi--第i灌溉时段内的平均流量；

Ti---灌溉时段内的引水持续时间； N—干渠条数。

根据各灌区特点，灌区进口流量主要采用以下方法：

（1）利用水工建筑物量水。主要用于自流灌区，通过测定引水闸（涵）的进、出口水位，根据建筑物尺寸和形式，选择适当的参数测定流量，然后定时测定水位变化，最后确定引水量。

（2）利用水泵用电量估算。主要用于提水灌区。其基本原理是，在外河或井动水位不变的情况下，短历时内水泵的机械效率近似不变。若能测定单位时间内的用电量、出水量之间的关系，则可利用耗电量推算出水量。

江苏省提水灌区，泵站出水口水位变化较小，但进水池水位在不同季节有所不同。由于本省灌区多为平原性灌区，泵站设计扬程较小而流量较大，进水位的变动对出水量~耗电量关系影响较大，故应考虑水位变动对出水量的影响。测试工程中，根据实际运行情况，选择不同进水位进行测定，绘制不同进水池水位下单位用电量的出水量。使用时，根据测试时段前后的电表度数、进水池水位，即可测定各时段的提水量和累计提水量。考虑泵站效率的老化，每年均对泵站的上述曲线进行一次率定。

水泵（泵站）的出水流量主要采用两种方法：一是对于进（出）水管道较长，满足电磁流量计安装条件的水泵，采用电磁流量测定管道流速，进而计算单位时间内的出水量。

对于管道较短，不符合电磁流量计安装条件的提水灌区，在其出