灌溉用水有效利用系数尺度效应分析
摘要：指出灌溉用水有效利用系数尺度效应的含义，分析了灌溉用水有效利用系数随空间尺度加大而减少的规律及其原因；根据全国2006年各省测算数据分析，表明随灌区规模的增大，灌溉用水有效利用系数整体逐渐降低，呈现出明显的规律性。其中，大型灌区的灌溉用水有效利用系数变异程度最小，而小型灌区的变异程度最大；由于近年国家加大大型灌区节水改造与续建配套的投入，大中型灌区灌溉用水有效利用系数之间的差异越来越小，表明大型灌区节水改造投入已取得显著成效；漳河灌区2008年不同尺度测算结果表明，同一灌区随着空间尺度的减小，即灌区规模的减小，输水距离缩短，灌溉用水有效利用系数提高，符合一般规律。
灌溉用水有效利用系数即灌溉水利用系数，是指实际灌入农田可供作物利用的有效水量与渠首引入水量的比值。尺度的含义是指规模、面积上相对的大小和时间周期的长短，即空间范围的大小和时间历时的长短，与之相对应的是空间尺度和时间尺度。这里仅指测算灌溉用水有效利用系数的灌区空间范围（灌区规模）的大小。效应的含义指的是由于物理的和化学的作用所产生的效果。因此尺度效应的定义可理解为由于空间范围大小和时间周期长短的变化所产生的不同效果。本文的尺度效应指由于空间范围的大小变化而引起的灌溉用水有效利用系数的变化规律，以及不同空间范围之间灌溉用水有效利用系数的相互关系。
一、灌区规模对灌溉用水有效利用系数的影响规律及其原因分析
灌区规模对灌溉用水有效利用系数有显著的影响。灌区规模不同，相应的渠系复杂程度和管理水平也会有一定的差异，由此导致灌溉用水有效利用系数的差异。一般来说，灌区规模越大，灌溉用水有效利用系数就越低，反之亦然。
在影响灌溉用水有效利用系数的两个环节中，田间水利用系数主要与田间工程状况、田面平整程度、所采用的灌水方法和相应的灌水技术、耕作制度、水源条件等有关，而与灌区规模并无直接联系。而渠系水利用系数则随灌区规模大小不同而变化，大的灌区因为渠系级别多、渠道总长度长、配水建筑物多、调度运行复杂、管理难度大，故渠系水利用系数较低，从而使灌溉用水有效利用系数降低。
渠系水量损失包括渠道水面蒸发损失、渠床渗漏损失、闸门漏水和渠道退水等。水面蒸发损失主要取决于渠系输水水面的大小，与渠系总长及水面宽度线性相关；闸门漏水和渠道退水取决于工程质量和用水管理水平；渠床渗漏损失与渠床土壤性质、地下水埋藏深度和出流条件、渠道输水时间等因素有关。灌区规模对以上三个方面都有影响，进而影响渠系水利用系数。
首先是灌区渠系级别随着灌区规模（灌溉面积）的扩大而增大。一般灌区固定渠道分干、支、斗、农4级，小的灌区可能只有两级、三级渠道，而大型灌区为了满足大区域的灌溉需水，不得不采用更多的渠系级别来输送、调配水量，如湖北省漳河水库灌区渠系达到9级。渠系水利用系数由各级渠道水利用系数的连乘积得到，由于渠道水利用系数永远小于1，因此级数越多，相应的灌溉用水有效利用系数就越低。渠道总长度也随着灌区规模的扩大呈指数级别增长，而渠道水利用系数同渠段长度呈线性关系，长度越大，渠道水利用系数就越低，这也是大型灌区渠系水乃至灌溉用水有效利用系数较低的一个主要原因。由于资金投入限制，目前灌区渠道衬砌比例较低，加之很多渠道以及相应配套设施年久失修，渠道水利用系数普遍较低。小型灌区并不比大型灌区有更高的渠道衬砌率，但是由于其渠道总长度小，渠系损失率相对较小，使得其灌溉用水有效利用系数更易达到较高水平。
其次，随着渠系级别的增加，涉及的分水闸、节制闸等配套工程设施就越多，如此形成牵一发而动全身的效应，单个设施工情状况的下降导致大片区域灌溉用水有效利用系数的降低。由于在每一级的配水过程中，都不可避免地存在闸门运行过程中的漏水损失，渠道级数越多，渠系的漏水损失也越大。在目前灌区实际工程完好率普遍不高的情况下，这种问题尤其突出。
第三，渠系管理也是同灌区规模相关而影响灌溉用水有效利用系数的一个重要环节。高效的调度管理除了适时适量的满足灌溉需水，同时也尽量减少调配水过程中的渠系损失。例如合理的轮灌组划分，准确及时的闸门控制等。但是渠系管理难度也随着灌区范围的扩大而增大，大型灌区相对规范，但是限于管理水平以及通信等条件限制，也难以保证灌水繁忙季节各部门的协调操作。小灌区虽然一般相对松散，但是因为灌溉范围小，操控灵活，也有其优势。因此渠系管理是同灌区规模息息相关的一个重要部分，它同样显著影响着灌溉用水有效利用系数。如果一个灌区规模扩大，而管理水平并没有相应提高，则其灌溉用水有效利用系数必然降低。
灌溉用水有效利用系数随着灌区规模的扩大而降低，从资源的角度来看同样也能得到这个结论。灌区毛灌溉用水量由田间净灌溉用水及渠系输配水损失两部分组成。其中单位面积田间净灌溉用水量主要跟作物种类、土壤、气候有关，与灌区大小无关。但是对于大型灌区来说，其平均输配水路径大于小型灌区，由此其输配水损失所占比例也必然增加，导致其利用率下降。换句话来说，单位面积对灌溉水的需求量相同，而大型灌区为了将水输送到田间，不得不在渠首输入更多的水量以抵消渠系输配水损耗。
总之，在同等条件下，灌溉用水有效利用系数随着灌区规模的增大而降低。这主要是由渠系输水损失所决定的。虽然在大型灌区内，损失的水量有更多的机会在下游得到重复利用，但是由于受地形条件、工程措施、管理水平及经济条件的限制，其重复利用程度有限。
二、灌区规模对灌溉用水有效利用系数影响的实例分析
根据2006年全国31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团样点灌区测算分析结果，全国灌溉用水有效利用系数纯井灌区平均值为0.688，小型灌区平均值为0.462，中型灌区平均值为0.425，而大型灌区均值为0.416，整体趋势是逐渐降低，表现出明显的规律性，见表1和图1。图1同时表明，大型灌区的灌溉用水有效利用系数变异程度较小，而中型及小型灌区的变异程度较大，表明大型灌区工程状况及管理水平较平均，而中小型灌区则差异较大。
根据2006年各省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团大、中、小、纯井灌区灌溉用水有效利用系数测算分析结果显示，大部分省份符合上述规律，但西南一些省份，中型灌区灌溉用水有效利用系数较大型灌区小，甚至个别省份小型灌区灌溉用水有效利用系数也小于大型灌区。分析其原因，主要是这些省份的大型灌区经过多年续建配套节水改造，渠道以及田间配套设施得到改善，工程改造促进了灌溉管理改革，灌溉管理水平较高，而中型灌区以及小型灌区，多年来节水改造投入较小，工程老化破损严重，尤其是管理落后，有些甚至处于无专人管理的状态，灌溉渠系跑、冒、滴、漏严重，田间灌水粗放，灌溉用水有效利用系数较低。
因为不同规模的灌区灌溉用水有效利用系数不同，因此各省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团大、中、小和井灌区的灌溉面积比例直接影响着各省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团的灌溉用水有效利用系数。如华北地区北京市、河北、河南省以及东北地区吉林和黑龙江省的井灌面积比例占据绝对的优势，都在60%以上，河北省甚至达到74%，这些省份的灌溉用水有效利用系数都较高。节水灌溉工程面积高达61.5%、灌溉管理水平较高的山西省灌溉用水有效利用系数要低于河北、河南等华北各省，主要原因在于其井灌面积比例相对较低，仅为36.5%，而大中型灌区面积的比例较高，为55.8%，远高于其他各省（直辖市）。因此，可以看出不同灌区规模结构是各省灌溉用水有效利用系数大小的重要影响因素。图2描述了各省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团小型和纯井灌区面积占比与灌溉用水有效利用系数的关系。
三、大中型灌区灌溉用水有效利用系数的比较
图3表明，全国31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团中，3个没有大型灌区，1个没有中型灌区，18个中型灌区的灌溉用水有效利用系数比大型灌区大，平均高0.032，9个中型灌区的灌溉用水有效利用系数比大型灌区小，平均低0.04，1个大中型灌区的灌溉用水有效利用系数相同。图1及表1也表明，全国平均值中型灌区比大型灌区仅高0.009，而小型灌区却比中型灌区高0.037，纯井灌区比小型灌区则高0.226。即相比较而言，中型灌区与大型灌区的灌溉用水有效利用系数相差不显著。从平均有效灌溉面积分析，根据统计资料，大、中、小及井灌区的平均有效灌溉面积分别为48 800、3 600、218、49 hm2，即不同大小灌区的平均有效灌溉面积（空间尺度）都相差10倍左右，灌溉面积对不同尺度灌溉用水有效利用系数的影响幅度在不同级别灌区之间相似。分析大中型灌区灌溉用水有效利用系数相差不大的原因，主要是近年来国家对大型灌区进行续建配套及节水改造的投入远大于中型灌区。图4为湖南省2007年不同规模灌区节水灌溉面积比及相应灌溉用水有效利用系数之间的关系，可见，大型灌区的节水灌溉面积比高达48.6％，显著高于中型灌区的15.1％及小型灌区的3.2％，因而使大型灌区的灌溉用水有效利用系数达到0.435，还略高于中型灌区的0.427。
另外，各省为了争取国家的投资，1万~2万hm2之间工程较完善的中型灌区都通过各种形式的打捆转变为大型灌区，剩下的中型灌区要么灌溉面积较小，要么工程及管理状况较差。从统计得到中型灌区的平均有效灌溉面积仅有0.36万hm2，远小于1万hm2的中型灌区有效灌溉面积均值可反映这种现象。
四、同一灌区灌溉用水有效利用系数随空间尺度变化规律
在同一灌区内，随着评价空间范围大小的改变，灌溉用水有效利用系数也会变化。比如，若灌区包括干、支、斗、农4级固定渠道，显然从支渠往下的灌溉用水有效利用系数要大于从干渠往下的灌溉用水有效利用系数，即评价的空间范围越小，则灌溉用水有效利用系数越大，这与在同等条件下大型灌区的灌溉用水有效利用系数较低是一致的。因为在同一灌区内不同尺度之间工程状况及管理水平等可认为相同，因而灌溉用水有效利用系数随空间尺度的变化主要是由于空间尺度范围的变化所导致。
2008年以湖北漳河灌区为典型灌区进行了不同空间尺度灌溉用水有效利用系数的测算分析。在首尾法测算过程中，实际上，如果针对不同的对象（空间范围的大小），则毛灌溉用水量有相对的概念。比如对整个漳河灌区，就是从漳河水库及中小型水库及塘堰取用的灌溉水量总和，而对于三干渠，则是三干渠渠首及在三干渠范围内的中小型水库及塘堰取用的灌溉水量总和。为便于分析不同的灌溉范围灌溉用水有效利用系数的变化，针对不同的主要分水口进行灌溉用水量的观测。某一分水口控制范围内灌溉用水有效利用系数等于其控制范围内的田间净灌溉用水量与该分水口毛灌溉用水量的比值。选择总干、干、支、斗、农5级不同的典型代表渠道控制范围进行测算，经过加权即获得不同尺度首尾法测算的灌溉用水有效利用系数，见图5。结果表明，随着空间尺度的减小，即灌区规模的减小，输水距离缩短，灌溉用水有效利用系数提高，符合一般的规律。从不同尺度间灌溉用水有效利用系数变化率的比较表明，干渠到灌区尺度变化较小，田间到农渠尺度次之，变化较大的在支渠到干渠尺度以及斗渠到支渠、农渠到斗渠尺度，其中以支渠到干渠尺度变化最大，表明影响漳河灌区灌溉用水有效利用系数的主要因素是骨干工程的建设质量和管理运行水平。
五、结语
① 灌区规模显著影响灌溉用水有效利用系数的大小。2006年各省测算数据分析表明，灌溉用水有效利用系数随灌区规模的增大整体表现出明显的逐渐降低趋势。其中，大型灌区的灌溉用水有效利用系数变异程度较小，而中型及小型灌区的变异程度较大，表明大型灌区工程状况及管理水平较平均，而中小型灌区则差异较大。
② 大中型灌区灌溉用水有效利用系数相差不大，原因是大型灌区的节水灌溉面积比显著高于中型灌区，表明近年来国家对大型灌区进行节水改造及续建配套建设已取得显著成效。
③ 同一灌区内，随着空间尺度的增加灌溉用水有效利用系数呈明显的降低趋势。通过同一灌区不同尺度灌溉用水有效利用系数测算结果的比较，首尾法也可以反映不同环节灌溉水损失的情况，只是从表面上没有动水法联乘方式表现得更直接。
