黃河流域灌區農業用水研究發展歷程與展望

張金萍 ，肖宏林

（1.鄭州大學 水利科學與工程學院，鄭州 450001； 2.鄭州大學 黃河生態保護與區域協調發展研究院，鄭州450001）

0 引 言

【研究意義】黃河流域地處干旱半干旱區域，多年平均降雨量446 mm，由東南向西北遞減，水資源匱乏[1]。隨著黃河流域社會經濟的不斷發展，以及近年來黃河天然徑流量減少，導致流域水資源問題日益突出。自1998 年，黃河水利委員會對黃河水量進行統一調度和管理以來，盡管黃河實現了不斷流，但流域用水緊張情勢并未發生根本性扭轉[2]。灌溉農業是黃河耗用水量大戶，2018 年黃河總取水量為516.22億m3，其中農田灌溉取水量為327.7 億m3，占總取水量的63.48%[3]。研究灌區農業節水，促進農業水資源的高效利用，維系流域水資源良性循環是促進黃河流域健康發展的根本。【研究進展】目前學者們對黃河流域灌區農業用水做了大量的研究工作[4-6]，并取得了豐碩的研究成果，其對促進灌區水資源的高效利用和農業的健康發展具有重要的作用。但仍然缺乏系統梳理和歸納總結。【切入點】黃河流域幅員遼闊，流域內上游、中游和下游灌區自然地理條件和經濟社會發展程度差異較大，雖均受黃河水資源量的剛性約束，但灌區內農業用水各具特點，黃河流域上中下游灌區的發展均應根據自身實際以及所在流域黃河水資源特點有序進行[7-9]。【擬解決的關鍵問題】在明晰黃河流域灌區上游、中游和下游農業用水特點的基礎上，系統梳理了灌區農業用水研究發展歷程，總結了黃河流域灌區農業用水的主要研究內容和研究現狀，提出今后農業用水研究方向，以期為后續黃河流域灌區農業水資源的高效利用提供參考。

1 黃河流域灌區概況

1.1 黃河流域概況

黃河發源于中國青海省巴顏喀拉山脈，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、山東九省區，于山東省東營市墾利縣注入渤海，全長5 464 km，流域面積79.5 萬km2（包括內流區4.2 萬km2）。根據流域形成發育的地理、地質條件及水文情況，將從源頭到內蒙古自治區的河口鎮這一段稱為黃河上游，此間匯入的較大支流（流域面積1 000 km2以上）有43 條，徑流量占全河的60%[10]。由于該地區降水少、蒸發大，加上灌溉引水和河道滲漏損失，致使黃河水量沿程減少。河口鎮至河南鄭州桃花峪為黃河中游，是黃河洪水和泥沙的主要來源區。黃河干流自桃花峪到渤海入海口稱為黃河下游。

黃河以占全國2%的徑流量，向占全國15%的耕地和12%的人口供水。近年來黃河水資源量不斷減少，相關河段頻繁地出現季節性斷流，并且有愈演愈烈的態勢，僅在1997 年斷流時間就多達226 d。1998 年12 月黃河水利委員會開始對黃河水量實現統一調度，自此黃河再無斷流情況發生，但水量仍呈減少態勢。據統計，黃河上游代表水文站唐乃亥站年徑流下降速率為1.07 m3/(s·a)，黃河中游代表水文站潼關站和花園口站年徑流量下降速率分別為15.06 m3/(s·a)和15.39 m3/(s·a)，黃河下游代表水文站利津站年徑流下降速率高達21.04 m3/(s·a)[11]。因此，黃河流域供水量與需水量之間極不平衡，水資源供需矛盾日益突出。

1.2 黃河流域灌區基本情況

自新中國成立以來，黃河流域灌區得到了長足的發展，從建國初期的80 萬hm2發展到現在的733.33萬hm2（流域外220 萬hm2）。根據全國第一次水利普查成果[12]，截止2011 年，黃河流域萬畝及以上灌區共798 處，有效灌溉面積642.4 萬hm2。其中大型灌區83 處，有效灌溉面積511.93 萬hm2；中型灌區715處（未包括流域外引黃灌區），有效灌溉面積130.4萬hm2。黃河流域灌區主要分布在湟水兩岸、甘寧沿黃高原、寧蒙河套平原、汾渭盆地、黃河下游平原、河南伊洛沁河及山東大汶河河谷川地，其中黃河上游的寧蒙平原、中游的汾渭河盆地和伊洛沁河、黃河下游的大汶河等干支流的川、臺、盆地及平原地區，這些地區灌溉率一般在70%以上，有效灌溉面積占流域灌溉面積的80%左右[13]。其余較為集中的地區還有青海湟水地區、甘肅中部沿黃高揚程提水地區。山區和丘陵地帶灌區分布較少，耕地灌溉率約為5%～15%。

寧蒙河套灌區是黃河上游大型代表性灌區，也是全國3 個特大型灌區之一。2019 年9 月，河套灌區成功入選第六批世界灌溉工程遺產。第一次全國水利普查成果顯示，河套灌區年均引黃水量約46 億m3左右，灌溉面積為73.37 萬hm2。河套灌區長期使用地面灌水方式，用水較粗放。河套灌區屬于典型的溫帶大陸性氣候，降雨量少，蒸發量大，蒸發量約為降水量的14 倍，氣候干旱，本不利于農作物生長，但因黃河流經其間，水源充分，引水方便，卻又成為我國最大的首制自流引水灌區[14]。河套灌區主要作物有小麥、玉米、葵花等，自古就有黃河“唯富一套”之說，河套平原也因此有了“八百里河套米糧川”的美譽。

黃河中游灌區主要指分布于汾河流域山西中部盆地和渭河流域陜西關中平原的汾渭灌區，有效灌溉面積達127.7 萬hm2，年均引黃水量約為100 億m3。該地區土地平坦寬闊，氣候適宜，適合農業生產，灌區內主要以小麥、高粱、玉米、谷子等作物為主。其中，山西汾河灌區總灌溉面積約為10 萬hm2，耕地面積10.46 萬hm2。通過修建引水閘壩，建成大中型灌區60 余處，灌溉面積47.67 萬hm2，占汾河流域耕地面積的41.3%，集中分布在晉中盆地和臨汾盆地。陜西渭河灌區主要集中連片分布在渭河北岸，已建成萬畝以上灌區112 處，有效灌溉面積達75.4 萬hm2，其中2 萬hm2以上的大型灌區有效灌溉面積50.01 萬hm2，占陜西黃河流域灌溉面積47.4%[15]。新中國成立以來，灌區灌溉面積迅速擴大，并相互連成一片，成為晉陜2 省的糧棉生產基地。

黃河下游引黃灌區橫跨黃淮海平原，屬黃河沖積及洪積帶平原，涉及豫、魯兩省80 多個縣級區劃行政單元，主要包括三門峽至花園口、花園口以下2 個流域二級分區。目前，豫魯兩省大型引黃灌區達48個，中型引黃灌區達144 個，設計灌溉面積357.9 萬hm2，有效灌溉面積223.4 萬hm2，受益人口5271 萬人，引黃水量多年平均約為120 億m3，灌溉水量平均約7 000～8 000 m3/hm2。下游引黃灌區灌溉的主要方式為自流灌溉，有我國最大的連片自流灌區之稱[16]。冬小麥和夏玉米是灌區內重要的糧食作物。

2 黃河流域灌區農業用水研究發展歷程

根據黃河流域灌區農業用水特點，結合國家及流域用水管理政策對灌區農業用水的推動作用，將黃河流域灌區農業用水研究發展歷程分為以下5 個階段：

1）建國初期―20 世紀70 年代，初步發展階段。這一階段，國家五年計劃中主要圍繞如何推進灌溉面積的發展，切實保障農業有效灌溉。在這期間，伴隨著一大批水利工程設施的建設，特別是黃河上游河套灌區三盛公水利樞紐工程和黃河下游人民勝利渠灌區的建成，標志著黃河流域灌區得以快速發展。黃河流域灌區長期使用地面灌水方式，用水較粗放，經常大水漫灌，加之有些灌區排水不暢，鹽漬化面積不斷擴大，嚴重影響了灌區糧食產量。縱觀黃河流域灌區農業用水相關文獻，絕大多數集中在對灌溉與鹽漬化關系問題的研究上[17]，并且多以試驗觀測和統計分析為主[18-19]，缺乏系統的基礎理論和先進的計算方法。

2）20 世紀80―90 年代，快速發展階段。灌區建設進入蓬勃發展時期，灌溉面積不斷增加。這一階段影響黃河流域灌區用水的代表性大事件有2 個，一是1987 年，國務院辦公廳轉發了國家計委和水電部“關于黃河可供水量分配方案報告的通知”，即黃河“八七分水”方案。二是1998 年12 月，原國家計劃委員會、水利部聯合頒布實施《黃河水量調度管理辦法》，授權黃河水利委員會實現黃河水量調度。此時，黃河流域灌區經濟發展迅速，對水的需求量劇增，受限于黃河水量的剛性約束，灌區農業用水研究發展迅速。與20 世紀80 年代前相比，此時農業用水研究呈數百倍增長，且多集中于農業節水研究[20]。圍繞不同灌溉節水技術下的農業用水研究，定量計算農業用水過程和節水潛力是這一時期主攻方向。同時對農業節水機理也有了初步的認識，對節水情況下的灌區水鹽情況、灌區水沙配置以及地表水與地下水聯合利用等方面都有所涉及[21-22]。但系統性的農業用水認知尚未形成，現代信息技術也未能普遍應用到灌區農業用水研究中。

3）2000―2010 年，創新發展階段。該階段的黃河流域灌區用水研究百花齊放，各種先進的用水理念、計算方法、監測手段和信息技術均得到大量的應用[23-24]。2004 年完成的中國工程院重大咨詢項目《西北地區水資源配置生態環境建設和可持續發展戰略研究》、2010 年完成的《黃河流域水資源綜合規劃》等圍繞黃河流域節水潛力，節水量計算等開展了大量的研究工作。期間創新成果較多，主要有：①對節水機理有了新認知，以耗用水節水為代表的資源節水、真實節水的概念開始被提出，并對其內涵進行解譯；②基于強人類干擾條件下的灌區水循環認知機理的水文模型和水沙資源優化配置模型開始構建，并在黃河流域灌區得以迅速開展及應用；③遙感遙測等水資源信息技術的全面推廣和應用等。

4）2011―2018 年，系統深入發展階段。該階段的最大特征就是一大批與農業用水相關的國家政策文件相繼出臺，特別是2011 年中央出臺了關于加快水利改革發展的一號文件，并召開了最高規格的中央水利工作會議，強調了流域機構對水資源管理的重要性。2012 年，國務院頒布了《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》。2014 年初，水利部綜合事業局提出了“合同節水管理”這一新的節水理論。2015 年，實施黃河水權盟市間轉讓工程。這些前所未有的水資源管理制度和政策為黃河流域灌區系統深入的研究提供了良好的政策支持。黃河流域灌區農業用水研究向著更為深入、細致的方向邁進，加大提升用水效率，轉變用水機制，提升用水理念成為這一時期農業用水研究的主題。黨的十八大將生態文明建設納入社會主義建設體系中，水生態文明建設和人水和諧理念更是貫徹到灌區用水研究和實踐中，該時期的研究文獻較以往更是呈幾何倍增長，涉及的研究內容和研究范圍也更為細致和全面，但節水、水沙調控、水生態、水信息技術以及可持續發展農業仍是這一時期研究的重頭戲，且也涌現出了一大批的創新科研成果[25-26]。

5）2019 年至今，劃時代發展階段。2019 年9 月18 日，習近平總書記在鄭州提出“黃河流域生態保護與高質量發展”這一重大國家戰略[27]，這對黃河流域灌區而言，既是機遇也是挑戰。機遇是在這一具有歷史意義的宏觀戰略指導思想下，黃河流域灌區必將迎來更廣闊的發展前景，挑戰是如何盡快緩解灌區的現實水問題，以便盡快打造現代化集約農業，更好地融入和服務與這一宏觀戰略中。目前，全國諸多科研院所和大專院校紛紛組建“黃河流域生態保護與高質量發展”研究院，集中優勢科研資源，打有準備科研攻堅之戰。相信在這一國家宏觀戰略指導思想下，未來黃河流域灌區會有諸多里程碑式和劃時代意義的研究成果涌現。

3 黃河流域灌區農業用水研究內容與現狀

3.1 主要研究內容框架

黃河灌區農業用水研究主要內容如圖1 所示。如前所述，黃河流域灌區上中下游受自然地理、水資源條件和經濟發展的限制，農業用水研究各具特點。上游河套灌區農業用水研究主要集中于農業節水、灌溉與排鹽壓堿的關系以及引黃水量對生態的影響；下游引黃灌區農業用水研究主要分析灌區節水、井渠雙灌，灌區水沙聯合調控以及灌溉對鹽漬化和水生態的影響；灌區中游農業用水研究涵蓋面廣，上游和下游的農業用水研究內容都有所涉及。整體來看，黃河流域灌區農業用水研究經歷一個由局部到整體，由獨立到聯系的發展過程，即研究內容從初期的僅考慮提升農業自身用水效率和促進節水，逐步發展到考慮農業節水對生態的影響，進而再到對整個灌區乃至區域整體的用水影響。具體表現在：①農業節水研究，節水是黃河灌區農業用水研究的重點。黃河灌區農業節水研究包括節水機理、灌溉水利用系數、節水量和節水潛力分析以及節水帶來的影響等。②灌溉用水與生態環境關系研究，主要研究農業用水與地下水位、水鹽、水沙和水生態之間關系，探究適宜的節水閾值。③區域農業用水可持續利用研究，主要研究在宏觀區域水資源情勢下，農業用水的水資源優化配置和可持續利用。

3.2 農業用水研究現狀

3.2.1 機理研究

農業用水機理研究包括3 個方面：①水與作物作用機理研究，往往是根據試驗觀測，從植物學角度出發，分析水在植物體的運輸和吸收利用情況。該研究的目的主要是進行作物生理節水和非充分灌溉，或用于作物抗旱品種選育等，或與肥料研究相結合，研究水肥耦合在作物生長發育期間的傳送和吸收利用效率，以及研究維持作物正常生長的灌區水鹽平衡，明晰水鹽運移規律。②農作物的耗用水機理研究，該研究的主要目的是基于農田蒸散發機理，通過灌溉水量和作物需水量，探究農業真正消耗的資源水量和可節約水量，并基于此提出了ET 管理的概念。最具代表性的研究是2004 年科技部西部開發重大攻關項目《寧夏經濟生態系統水資源合理配置研究》。該項目最初設置的目的是解決寧夏灌區劇增的灌溉用水需求和黃河水利委員會對黃河水量的剛性約束之間的矛盾，隨著對寧夏引黃灌區農業耗用水機理的深入認識，首次提出了“耗水節水”的概念，認為需要從耗水節水的機理出發，對灌區農業用水機理進行再認識，并在此基礎上評估了灌區節水潛力。③農業水循環轉化研究。目前在農業水循環轉化研究方面，一是農田SPAC 系統，分析農田的水分運輸和能量轉化規律，將土壤、植物和大氣作為一個統一的連續體，結合地表水和地下水，研究農田“五水”的轉化機制及其數學模擬，分析水分和能量流在該連續體中的運動規律，進而提升農業用水效率，但僅局限于田間水分循環系統[28]；二是變化環境下的灌區水循環模擬系統研究，針對變化環境下的水循環過程，細致刻畫和真實模擬不同農業用水情境下，灌區水資源的孕育、發生和發展規律。不同農業用水情境下的水循環模擬是對農業用水機理研究的一次重現再認識，可以優化農業用水結構和灌溉方式，相關研究在黃河上游寧蒙灌區中成果最為豐富[29]。

圖1 黃河流域灌區農業用水研究主要內容框架 Fig.1 Frame diagram of the main contents of agricultural water research of irrigation areas in the Yellow River Basin

3.2.2 方法研究

農業用水方法研究可分為2 個層次，一是根據研究方法的空間范圍劃分，分為黃河上游灌區、黃河中游灌區、黃河下游灌區的不同流域空間分布特征的研究，以及根據灌區大小的相關空間尺度研究[30]；二是根據實際應用的具體研究方法進行詳細劃分，可分為試驗觀測、不確定方法、3S 信息技術、水文模型等。

試驗觀測主要是觀測水與作物、環境之間的關系試驗；各種節水灌溉技術與措施試驗，如不同管道的輸水滲漏試驗，早在20 世紀60 年代中期，人民勝利渠灌區就開始了渠道防滲前后及使用不同襯砌材料的輸水損失對比試驗。在節水技術方面，主要是研究不同灌水處理、作物需水規律和種植方式等形式對作物生長及節水情況的試驗[31]；在水鹽調控技術方面，為達到控鹽和節水的雙重目標，在黃河上游和下游灌區進行鹽漬化土壤改良技術、水鹽運移規律和井渠結合的試驗研究[32]，以及中游和下游的水沙調控試驗[33]等。

不確定分析方法主要借助統計分析以及現代不確定分析理論和方法研究灌區農業用水特性，如黃河上游灌溉與氣象要素的灌區、中游作物需水量與灌溉水量的聯系以及下游水沙關系[34]等。

3S 信息技術借助現代水文信息化手段，如遙感遙測等現代信息技術和手段，實現灌區農業用水相關信息的收集、處理、傳輸和分析工作。主要用于引黃灌區作物蒸散發模擬，地下水及鹽漬化面積分布信息監測，水質污染運移以及灌溉系統監測管理和信息化建設等方面[35]。

水文模型方法主要借助現有成形的水文模型，或根據研究區實際編制新的水文模型，研究農業用水方式對水資源的影響[36]；或分析水與生態、水鹽以及灌區水資源優化配置和合理調配等方面的內容[37]。水文模型方法由于其將灌區復雜的水力聯系和過程用數學模型表達出來，能有效地揭示和模擬農業用水及其影響因素的作用機理和響應關系，因而在黃河流域灌區應用廣泛[38]。特別是在上游寧蒙河套灌區，中游的寶雞峽灌區、涇惠渠灌區以及下游人民勝利渠引黃灌區都有著較好的應用[39]。

3.2.3 尺度研究

農業用水尺度研究主要是指研究的空間尺度，可分為微觀尺度試驗研究、中觀尺度的灌域研究和宏觀尺度的區域研究。

1）微觀試驗

微觀尺度的試驗研究主要是進行作物與水、鹽、肥、熱、氣等二者或多者耦合狀態下的關系試驗，分析作物與水及其相關伴生物之間的作用機制和吸收機理；研究不同水分灌溉條件、不同水肥條件、不同田間土壤水、熱、氣條件下，土壤水、肥、鹽等的運移規律和對各類作物產量的影響[40]。分析節水灌溉方法、灌溉用水效率以及與水伴生的物質運移過程等，最終綜合確定針對作物而言相對較適宜的灌溉模式，達到提高灌溉效益、增產增收的目的[41]。這種微觀室內試驗的優點在于有針對性地進行深入細致的觀測，數據可靠、機理明確，可為大田作物用水及宏觀灌區用水和不同條件下的適宜灌溉模式提供基礎性的試驗數據和參數標準。缺點是受試驗條件限制和精度要求，在由點及面的推廣應用中，需要諸多假設和前提條件，降低了試驗數據應用的準確性和普適性。

2）中觀灌域

中觀尺度的農田灌域研究田間實際灌溉過程，研究作物與水的利用關系。往往集中于分析節水灌溉措施、作物種植結構與作物生長發育需求等的作用機理和反饋機制[42]；也可將作物對水資源利用與外部氣候條件結合起來，研究作物-水-氣-肥的傳輸、運移和轉化機制，進而提升作物的水分利用效率[43]。或者研究農田水分的輸入輸出水均衡關系，用于解析灌域用水的“來龍去脈”[44]。與微觀試驗相比，中觀尺度的農田灌域研究與作物用水的真實情況保持著較高的一致性，因而試驗反饋的信息也比較真實可靠，可以作為區域宏觀用水研究的基礎，并可對微觀試驗結果進行驗證。缺點在于農田灌域試驗研究受人為干擾因素較大，由于易受外界環境影響，需要投入一定的人力和物力。

3）宏觀區域

灌區農業用水是一個系統工程，是人類對區域水土資源的大規模改造活動。灌區水資源利用的宏觀區域研究指的是對灌區用水的研究已不僅僅局限于農田本身，而是著眼于區域整體水資源的可持續利用，將灌區用水與其他用水行業一并統籌，采用系統的觀點對灌區水-經濟-生態-資源等進行再思維。針對局部，放眼大局是灌區水資源利用宏觀區域研究的根本。因此這種研究從單純的農田水分循環與水平衡研究轉向大區域，不僅能真實地反映灌區農業水資源利用的實質，而且更加重視人類活動的影響，強調重視生態環境與水資源利用之間的協調關系，研究方法更為客觀，也更符合實際。

4 黃河流域灌區農業用水研究展望

1）農業用水機理研究

①加強水與農業的基礎性試驗研究，圍繞農業用水從水源到作物吸收利用的過程與環節，針對黃河流域灌區上中下游的用水特點，因地制宜地開展作物與水、灌溉方式和節水技術，作物生長與水肥氣外部條件等基礎性研究；②加強農業水資源消耗機理研究，注重農業用水的資源型水量消耗節約，對其進行相關理論研究和定量精細模擬分析。建立節水與農業、區域的水資源演變與轉換機制，開展對農業節水經濟－生態－社會復合響應機理及模型構建的研究；③研究變化環境下的灌區水資源循環轉化機理，分析水資源在農業用水過程中的運移消耗規律，分析氣候變化和人類活動對灌區農業用水的驅動機制。

2）農業用水方法研究

①提高以3S 為代表的現代信息技術在農業用水中的科技地位，對灌區重要的農業用水信息進行全面細致的收集、處理和分析，加大灌區農業用水信息的收集、遙測、跟蹤和示警和后處理，將3S 技術貫穿到農業用水前期準備-中期監測-后期評估的全過程中，切實提升灌區農業現代化和信息化實力；②構建變化環境下的灌區農業用水“自然-人工”二元水循環模型，研發灌區農業用水“自然-人工”二元水循環精細模擬技術，實現對灌區農業用水的科學評判及后效性影響；③考慮復雜農業用水及其伴生效應，以促進宏觀區域發展為導向，以系統學的思想考慮節水問題，構建農業用水復雜系統綜合模型管理。

3）農業用水應用研究

基于灌區農業用水與水生態、農業節水與治污、農業耗水與水生態的關系認識，將該意識形態融入水資源日常管理中，應對農業用水問題；科學制定農業水資源開發方案、農業用水發展規劃等，將農業用水問題上升到區域發展戰略層次，實現農業增產增收；強化農業用水在地區發展用水之間的平衡，研究農業用水與地區資源、生態與環境的協同發展，農業用水對地區經濟社會、生態環境以及人水和諧發展的促進作用，將灌區農業用水納入區域水資源優化配置、水資源高效利用和水資源統一管理中。

5 結 論

本文在文獻查閱、分析以及前期研究成果梳理的基礎上，對黃河流域灌區進行科學劃分，分析了不同時期灌區農業用水發展歷程，總結了灌區農業用水研究現狀，目前農業用水研究可概括為農業用水機理研究、農業用水方法研究和農業用水尺度研究3 個方面。根據灌區農業用水研究特點，闡述了黃河灌區農業用水研究內容，上游河套灌區主要集中于節水灌溉、水鹽平衡以及水生態方面；下游引黃灌區主要集中于節水灌溉、井渠雙灌，水沙調控以及灌溉對鹽漬化和水生態的影響研究；而中游灌區農業用水研究內容涵蓋面廣，上游和下游的研究內容都有所涉及。整體來看，農業用水研究的發展趨勢是從初期的僅考慮提升農業自身用水效率和促進節水，逐步發展到考慮農業節水對生態的影響，進而發展到對整個灌區乃至區域整體的用水影響，并且農業節水一直是灌區研究的重點和主題。

黃河流域作為中華文明發源地，灌區農業用水始終是廣大水資源科研工作者凝心聚力、深入研究的重點。由于黃河流域灌區分布廣泛，灌區水資源利用各具特點，加之灌區農業用水研究內容廣泛，因此本文對灌區農業用水研究的總結和思考會有諸多不足之處，希望今后能多加完善，以便更好地為黃河流域灌區農業用水服務。