水聯網智慧灌區節水灌溉技術綜合水效率評價研究

索瀅，孟彤彤，馬海峰，劉得俊，王忠靜,5,6*

?區域農業水管理?

水聯網智慧灌區節水灌溉技術綜合水效率評價研究

索瀅1，孟彤彤2，馬海峰3，劉得俊4，王忠靜1,5,6*

（1.清華大學 水利水電工程系，北京 100084；2.甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000；3.寧夏回族自治區水利科學研究院，銀川 750021；4.青海省水利水電科學研究院有限公司，西寧 810001；5.水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；6.省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，西寧 810016）

【】針對節水灌溉規模化推廣遇到的問題，構建適應現階段發展的綜合水效率評價體系。結合文獻調研、內涵分析、知識管理重構，從技術水平、經濟社會、生態環保3個維度，提出了精量性、經濟性、智能性、生態性、低碳性5個方面的節水灌溉綜合水效率評價指標體系。精量性包括灌溉水有效利用系數、灌水均勻度和量水技術推廣率；經濟性包括增產率、投資回收年限和水費收繳率；智能性包括運行管理便利、土壤墑情監測率和水源風險適應性；生態性包括植被覆蓋、土壤鹽堿化改善和地表水及地下水改善程度；低碳性包括節能和省地。用層次分析法評價了甘肅、寧夏、青海3省（區）萬畝級水聯網節水灌溉示范區綜合水效率，青海光伏提水節灌示范區因光伏提水效能提升、灌溉均勻度提高和實現遠程控制無人值守，綜合水效率提升了32.8%；甘肅自流精量節灌示范區因實施測控一體化閘門全渠系智能調度，提升了灌水可控性、計量可靠性和水費繳納率，降低能耗、節省勞力，綜合水效率提升了26.6%；寧夏揚黃挖潛節灌示范區因改進了泵站機組流量匹配、延長了水聯網鏈路，提升了供水能力、節水能力和灌溉保證率，綜合水效率提升了27.5%。灌區現代化發展要建立從源頭到田間全過程的綜合效能評價體系，提升灌區數字化監測、智能化控制、精準化調度水平是提升灌區綜合水效率的主導因素。

節水灌溉；綜合水效率；中國西北地區；層次分析法；智慧灌區

引言

【背景】農業用水是我國第一耗水大戶，占全國總用水量60%～70%。隨著農業節水理念的深入落實，我國節水灌溉面積不斷擴大，截至2019年，已達到3 427萬hm2，占灌溉面積的46.3%[1]。【研究進展與意義】節水灌溉技術評價多側重于灌溉技術的經濟性和水資源利用效率方面[2-3]。隨著生態環境的重要性提高，節水灌溉的生態效應越來越受到關注，相關因素被加入節水灌溉評價[4-7]；智慧灌區的發展也對節水灌溉評價提出了新的要求。本文提出了綜合水效率概念，涵蓋了灌溉用水過程中水的生態、經濟、精量、智能、低碳5個方面的效率和效應，體現了農田灌溉從輸水到田間水分配，再到生態影響的全過程變化。量化規模化節水灌溉技術帶來的綜合水效率的改變，建立科學全面的面向規模化節水灌溉綜合水效率評價體系和評價方法，具有重要意義。

【切入點】經濟性指標中存在指標重復問題，主要集中在投資成本和產量效益方面；適應性指標在技術本身評價，及研究區建設初期選擇技術時有較強指導意義，但對于實際建成后應用效果評價意義不大；技術性評價中存在指標分類混雜現象。在節水灌溉技術初期小范圍應用階段，這些指標可以較好地體現各類技術的優劣。但隨著高效節水技術的大面積應用，原有評價體系在生態性、智能性等方面考慮不足的問題逐漸凸顯。【擬解決的關鍵問題】本文在已有研究的基礎上，通過分析節水灌溉技術大規模推廣應用過程中的新老問題，從技術水平、經濟社會、生態環保3個維度提出了精量性、經濟性、智能性、生態性、低碳性5個方面的節水灌溉技術的綜合水效率評價體系；基于層次分析法確定了指標體系權重；針對甘肅、寧夏、青海3省（區）水聯網智慧灌溉示范區的規模化節水灌溉進行評價。為智慧水利發展背景下節水灌溉技術的應用效果評價提供參考。

1 傳統灌溉技術綜合評價指標體系

傳統灌溉技術評價主要從經濟性、適應性、技術性等方面考慮（表1），偏重于技術本身帶來的灌溉效果以及期望收益。

表1 傳統節水灌溉技術評價指標

與傳統灌溉方式相比，規模化節水灌溉技術的應用必然會對灌區生態環境產生影響[8]。研究發現高效節水灌溉對地表地下水轉化、農田水鹽調控、局部小氣候等產生影響[9-10]，越來越多的節水灌溉生態效應研究及評價[7,11-13]，使得生態性評價指標構建的重要性逐步凸顯。隨著科學技術的發展，灌溉技術也在向著智能化方向發展，測控一體化閘門、土壤墑情監測等技術的應用，將帶來不容忽視的影響。

2 節水灌溉綜合水效率評價指標體系

灌溉技術的經濟性評價不僅要體現在工程本身帶來的直接經濟效益和產生的成本等方面，還要體現在技術實施后所帶動的其他方面增收途徑的效益方面[24]。一些傳統的水費收繳方式由于量水設施不足，水費收繳仍然按用水面積分攤到用水戶，導致農戶節水積極性不高，弱化了水價改革對節水的激勵[25]。成套節水灌溉技術不僅可增加田間作物效益，還可以讓農戶直接獲得水量數據，增加水費收繳透明度，提高節水積極性。隨著信息化智能化進程的加快，越來越多的灌溉設施實現了遠程測控一體化[26-27]，不僅實現灌溉閘門智能控制、水量實時監測傳輸，而且基于監測數據分析得到的管理體系智能決策[28]可進一步提升灌溉智能化。可見，技術性指標可再分針對技術本身的節水性能和計量性能所體現的精量性，以及針對技術應用后帶來的節能低碳性2個方面。綜上，可從技術水平、經濟社會、生態環保3個維度構造出生態性、經濟性、精量性、智能性、低碳性5個方面的節水灌溉技術綜合水效率評價體系。

2.1 指標選擇

①生態性。節水灌溉的生態性受到日益廣泛的關注，眾多評價指標陸續提出，如地表水引水比和地下水開采比[5,29]、地下水埋深[5,30]、水質綜合指數[5,29]、地表水環境和地下水環境影響[14]、土壤鹽漬化[5,29-30]、土壤污染程度[29]、植被覆蓋率[5,30]、生物多樣性豐度[5]、無效蒸發抑制程度和積溫增加促進程度[7]等。部分指標數據較難獲取，與灌溉技術引起的生態響應聯系不夠緊密，本次綜合考慮節水灌溉技術的生態影響效果，采用植被覆蓋度、土壤鹽堿化改善程度、地表地下水改善程度，3個指標從灌溉技術對周邊植被影響、土壤影響、水循環要素的影響3個方面評價生態效應，具有數據較易獲取、指標代表性強等特點。

②經濟性。在表1基礎上，選擇增產效果、投資回收年限2項，分別體現工程建設經濟條件、建設后農民收入增加效果2個方面。同時增加了水費收繳提升率指標，以體現灌溉技術帶來的除糧食增產之外，維持行業資金可持續發展方面的經濟效果。

③精量性。在表1基礎上，選擇了灌水均勻度和灌溉水有效利用系數2項。傳統的灌溉水測量方法多為粗略的經驗公式估算，測量結果的不準確也導致了農戶繳納水費的不積極，不利于行業正反饋發展。樓豫紅等[31]在四川省灌溉管理節水發展水平綜合評價體系中提出了量水技術推廣率指標，其意義在于精確計量灌溉水量同時指標數據較易獲取，故本次使用該指標對量水準確性進行評價。

④智能性。智能性是適應性的一種體現，適應性過去多針對作物、地形、水源等在選擇節水灌溉技術階段時使用。針對新基建背景下節水灌溉技術智能化發展趨勢，本次選取指標有：水源風險適應性，即灌溉系統面對水文不確定性自適應調整的能力；運行管理難易程度指標；補充了土壤墑情監測普及率指標以體現田間灌水智能性[31]。

⑤低碳性。主要從節能、節地角度進行評價。一些研究中同時使用耗能量和節能量2個指標[17]，為避免重復，這里選用節能率，主要考慮傳統方式下跑水員使用交通工具到現場控制閘門能源消耗與改造后遠程自動啟閉閘門的節省能源對比得出，由技術改造前后能源消耗的相對變化率表示，即e=(1-2)/1×100%，其中e為節能率（%），1、2為節水灌溉技術實施前后能源花銷（元）；節地率主要考慮田間灌溉設備的升級消除了傳統灌溉方式所需的田埂等輔助用地數量所節省的耕地，由技術實施前后灌溉面積的相對變化率表示，即s=(2-1)/1×100%，其中s為節地率（%），1、2為節水灌溉技術實施前后灌溉面積（hm2）。至于耕地面積擴大率[22]因其會引導開荒，故不考慮。

表2 節水灌溉技術綜合水效率評價指標體系

2.2 評分等級

生態性指標中，植被覆蓋度指標，參考文獻[32-33]分為5個等級，以從低到高分別代表劣等植被覆蓋、差等植被覆蓋、中等植被覆蓋、中高等植被覆蓋、高等植被覆蓋；土壤鹽堿化改善程度、地表與地下水改善程度參考文獻[7,16]將其定性分為由差至好5個等級。

經濟性指標中，增產率參考薛媛等[21]在疏勒河流域使用的分級標準；投資回收年限參考吳景社[14]針對區域節水灌溉綜合效應評價中給出的分級標準；水費收繳率體現了灌區生產、經營的情況，參考水利部2020年農村水費收繳率達到90%以上的要求，本次將90%設置為較好標準，將水費收繳率分為5個等級。

精量性指標中，灌溉水有效利用系數主要參考吳景社[14]分級標準，灌水均勻度主要參考蔣光昱等[7]分級標準，量水技術推廣率指標主要參考樓豫紅等[31]分級標準。最終設定各等級閾值如表3所示。

智能性指標中，運行管理便利程度參考文獻[14,16]設置為定性指標，分為5個等級；土壤墑情監測普及率是實現田間灌水制度智能化的基礎硬件設置，參考樓豫紅[35]設計的實際建立觀測站點與部門規劃土壤墑情監測站點的比例來分級表示；水源風險適應性主要考察灌區整體對未來氣候變化條件下水文不確定性等風險的智能調控能力，優異的灌區管理體系下對水源風險的調控不僅僅局限于年初的初始水權分配，還應體現在未來氣候水文預報、實時水權智能分配等方面；全自動控制體現在水源取水自動控制[36]、輸水渠道閘門自動控制[37-38]、施肥自動化控制[39]等方面，優秀的自動化控制灌區可大大減少勞動力的投入。

低碳性指標中，節能程度不僅考慮設備改造從耗化石能源轉變為太陽能等清潔能源的節能，還應考慮原本用于跑水員等工作人員外出測水時交通消耗的能源被遠程測控設備取代后節省的能源，本次參考吳景社[14]給出的分級方法進行分級；節地程度主要考慮節約田間田埂后實現的耕地節省的情況，標準設定參考吳景社[14]的評價體系。

表3 指標評分量化標準

2.3 權重構建

層次分析法是常用的指標權重確定方法，常被用于節水灌溉技術評價體系的權重構建中[21,23,40]。在西北地區構建的評價指標體系[7]基礎上，通過征詢來自甘肅、寧夏、青海3省（區）屬水利科研單位和清華大學等單位從事農業灌溉、灌區管理等相關領域的專家，構造兩兩比較判斷矩陣。在對比較判斷矩陣進行一致性判別后，得出最終的權重如表4所示。

表4 節水灌溉技術綜合水效率評價體系權重

3 應用實例

選取了甘肅、寧夏、青海3省（區）水聯網規模節水灌溉示范區進行綜合水效率評價，示范區情況如圖1所示。相關評價指標由3省（區）水利科研院測算得出，評價指標數值如表5所示。

青海柴達木典型牧場低碳節水灌溉示范區面積為686.38 hm2，示范應用前為傳統的管灌方式，需要工作人員到現場進行閥門操控，灌溉均勻度沒有保障，同時僅有機井水源，部分有測流設備，水費收繳問題一直存在。項目實施后灌溉方式為“光伏/機井提水+水肥一體化+微噴灌/微潤灌技術”模式，極高的提升了灌溉水利用效率和灌溉均勻度。同時使用光伏設備自動控制提水、灌水，實現節能減排。在原有的1個土壤監測點的基礎上又增加了40個測量點，增加了土壤墑情監測覆蓋。通過總體評分結果（表6）可以看出，青海示范區在節水灌溉提水設施及田間灌溉設施改造后，節能和節水效果有了明顯的改善，同時由于種植作物為枸杞，經濟效益較高，投資回收年限也表現良好。綜合水效率提升了32.8%。

表5 示范區技術應用前后指標數值

甘肅示范區改造前采用的是傳統渠灌，渠道閘門需要人工操作，灌溉水量的測量采用的是無喉道、巴歇爾等方式，多年運行存在測量準確性問題。灌區田間工程配套標準低，數量不足，設施不完善，水量調控能力差。斗渠襯砌率不足60%，農渠襯砌率不足10%，造成田間輸水滲漏損失大、灌溉水利用系數低等問題，加之控制和量水建筑物配套不完善，導致田間用水困難。甘肅在昌馬灌區南干渠灌區進行全渠道測控一體化閘門改造建設，實現了示范區全自動化灌溉運行網絡，提升了灌溉水計量準確性，促進了農民繳費意愿。在原有土壤墑情監測點基礎上增加了50個測量點，通過土壤墑情的實時監測，調控灌溉方式，改進了灌溉制度，大大提升了水利用率，2019年作物總效益達到了2.45萬元，實現了增產、節水、增加生態水量的目的，綜合水效率提升了26.6%。

表6 各示范區評分結果

圖1 水聯網規模化節水灌溉示范區

寧夏在中衛市南山臺子揚水灌區實現測控一體化閘門改造，提升了水量測量準確度，同時減少了勞動力，實現了節能減排。田間灌溉主要采用傳統的渠灌，部分果樹區域改進田間灌溉方式為覆膜溝灌，大大提升了灌溉水有效利用系數，從示范實施前的0.58提升到0.66左右。研究區采用預交水費系統，示范前水費收繳率在95%左右，通過改造，已基本達到100%的水費收繳率。新安裝了土壤墑情監測體系，實現研究區土壤墑情信息的測量與記錄。示范區主要種植的玉米、果樹，畝均增產15%。同時示范區利用水聯網技術進行了灌區管理方式轉變，大大減少了勞動力及其交通帶來的能量損耗，在水聯網技術指導下，實現“決策水網、信息水網、物理水網”的融合，對整個灌區的“調度管理、狀態模擬、預報預測”提供指導，極高地提升了應對水源風險的能力，綜合水效率提升了27.5%。

4 討論

傳統的節水灌溉評價體系側重于節水灌溉技術的適應性、經濟性及技術性方面，而隨著節水灌溉技術的規模化應用及智能化進程的加快，亟須建立適應現代化生態灌區發展的節水灌溉綜合水效率評價體系。本文從技術水平、經濟社會、生態環保3個維度和生態性、精量性、經濟性、精量性、智能性、生態性、低碳性5個方面構建的綜合水效率評價體系，并利用規模化節水灌溉示范區數據，針對水聯網技術在智慧灌區的實地應用情況，對綜合水效率提升效果進行了分析評價。總體來看，基于水聯網技術的應用將提升灌區綜合水利用效率，這與王忠靜等[41]研究結論一致。在西北地區生態環境脆弱區，節水灌溉的評價需考慮生態影響，這與蔣光昱等[7]研究一致。

本文目前僅篩選出14項評價指標，各指標的分級閾值也限于有限的文獻調研和實測分析，后續將不斷完善指標體系，將智能化進程可能帶來的新變化加入考慮，并建立基于大數據的指標閾值數據庫，以合理評價節水灌溉規模化應用的綜合效能提升效果。

5 結論

1）田間節水灌溉技術與智能取水技術的結合，不僅提升了灌溉水利用效率，還可以實現灌溉系統的遠程控制和無人值守，達到低碳節能的效果。

2）灌溉系統精量性的提高不僅可以消除傳統灌溉計量的粗放，更重要的是可提高水費的透明度和水費繳納的公平性，促進節水，這是智慧灌區的重要效能。

3）灌區渠道測控一體化、土壤墑情監測等智能設備的使用極大促進了灌溉系統的智能化，可很好地控制水源風險、優化灌溉制度、提高綜合水效率、提升作物產量，是未來現代化智慧灌區的發展方向。

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A Comprehensive Evaluation System for Water-saving Irrigation Projects

SUO Ying1, MENG Tongtong2, MA Haifeng3, LIU Dejun4, WANG Zhongjing1,5,6*

(1. Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Gansu Research Institute for Water Conservancy, Lanzhou 730000, China; 3.Ningxia Institute of Water Research, Yinchuan 750021, China; 4. Institute of Water Resources and Hydropower Research of Qinghai Province, Xining 810001, China; 5.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 6. State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture, Xining 810016, China)

【】Implementation of saving-water irrigation is a strategy affecting not only crop growth but also many other aspects directly or indirectly. How to comprehensively evaluate its consequence is an issue that remains largely elusive. The purpose of this paper is to fill this knowledge gap.【】 A comprehensive evaluation system for water-saving irrigation projects was constructed, with its impacts on technical aspect, socioeconomic aspect, and ecological and environmental aspect taken into account. It considered irrigation precision and intelligence, economical return, and consequence for ecology and carbon; the evaluation system was built based on literature review, content analysis and knowledge management reconstruction. The precision includes effective utilization of irrigation water, irrigation uniformity and implementation of water measurement technologies; the economy includes crop yield increase, investment return, and timely payment for water bills; intelligence includes convenience of operation and management of irrigation project, as well as soil-moisture monitoring network; ecology includes vegetation coverage, soil salinization, surface water and groundwater improvement; carbon includes land and energy saving. We applied the model to three >10 000 mu (1650 acres) irrigation districts with smart irrigation system in Gansu, Ningxia and Qinghai province, respectively.【】In Qinghai province, the unattended and remote-control photovoltaic water lifting and micro-irrigation district improved photovoltaic water lifting efficiency and irrigation uniformity, thereby increasing comprehensive water efficiency by 32.8%. In Gansu province, implementation of the intelligent scheduling of canals with integrated gates for measurement and control increased the comprehensive water efficiency by 26.6% due to the improved irrigation automation, reliability of measurement, timely payment for water bills, and reduction in energy and labor. In Ningxia, the improvement in flow matching of pumping station units and extended water networking link increased its comprehensive water efficiency by 27.5% due to the enhanced water supply, water saving irrigation guarantee.【】Constructing modern irrigation districts needs a comprehensive evaluation system to evaluate its impact not only on crops but also on many other aspects such as automatic monitoring of soils and crop traits, intelligent control and precise scheduling of the irrigation projects.

water-saving irrigation; integrated water use efficiency; Northwest China; hierarchical analysis; smart irrigation

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020696

1672 - 3317（2021）07 - 0138 - 07

索瀅, 孟彤彤, 馬海峰, 等. 水聯網智慧灌區節水灌溉技術綜合水效率評價研究[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(7): 138-144.

SUO Ying, MENG Tongtong, MA Haifeng, et al. A Comprehensive Evaluation System for Water-saving Irrigation Projects[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 138-144.

2020-12-15

國家“十三五”重點研發計劃項目（2016YFC0402900）；寧夏重點研發計劃項目（2020BCF01002）

索瀅，博士研究生。E-mail: suoy17@mails.tsinghua.edu.cn

王忠靜，教授。E-mail: zj.wang@tsinghua.edu.cn

責任編輯：陸紅飛