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針對灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)的特點，馮紹元、劉鈺、邵東國、倪廣恒、霍再林等編著的《灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)及評價方法》選擇不同典型區(qū)，通過現(xiàn)場原位監(jiān)測、田間試驗、數(shù)值模擬等結(jié)合的方法，重點研究了灌區(qū)節(jié)水改造對農(nóng)田水循環(huán)的影響、灌區(qū)節(jié)水改造對農(nóng)業(yè)水土環(huán)境的影響、灌區(qū)節(jié)水改造對水肥利用率的影響及其調(diào)控技術(shù)、灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)的評價方法、基于生態(tài)健康和環(huán)境友好的灌區(qū)節(jié)水改造模式等，探討了灌區(qū)節(jié)水的環(huán)境效應(yīng)，提出了其評價方法。

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第1 章　緒　　論
1.1 　研究背景與意義　　
大型灌區(qū)是我國重要的規(guī)�；r(nóng)業(yè)和商品糧生產(chǎn)基地，也是我國農(nóng)業(yè)、農(nóng)村乃至國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，還是廣大農(nóng)民增收致富、改善生活水平、提高生活質(zhì)量的重要支撐條件。我國現(xiàn)有349 處灌溉面積在30 萬畝以上的大型灌區(qū)，累計有效灌溉面積2.35 億畝，約占全國有效灌溉面積的30 % 和全國耕地的1/8 。這些大型灌區(qū)生產(chǎn)了占全國總量1/4 左右的糧食，創(chuàng)造了占全國總量1/3 以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值，養(yǎng)育了占全國1/5 的人口，提供了占全國1/7 以上的工業(yè)及城市生活用水，此外，大型灌區(qū)內(nèi)的人均糧食產(chǎn)出量超過600kg ，遠高于全國平均水平，且每年向城鎮(zhèn)供水超過258 億m3 ，受益人口2 億多人。2004 年，大型灌區(qū)的供水量達到1865 億m3 ，約占全國供水總量的1/3 ，灌溉用水量達到1373 億m3 ，約為全國灌溉用水總量的38 % 。由此可見，大型灌區(qū)不僅是我國重要的規(guī)�；r(nóng)業(yè)和商品糧生產(chǎn)基地，還是我國供水的主要來源，具有巨大的節(jié)水潛力。
基于大型灌區(qū)在我國糧食生產(chǎn)中占有的重要地位和在節(jié)水型社會建設(shè)中存在的巨大節(jié)水潛力以及對解決“三農(nóng)問題”所起的重大支撐作用，黨中央和國務(wù)院高度重視灌溉事業(yè)的發(fā)展和大型灌區(qū)以節(jié)水為中心的續(xù)建配套與技術(shù)改造工作。在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》中明確指出，堅持把發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力作為建設(shè)社會主義新農(nóng)村的首要任務(wù)，同時，將大型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水技術(shù)改造工作作為建設(shè)社會主義新農(nóng)村的重點任務(wù)之一。
國家發(fā)改委和水利部已將改造大型灌區(qū)作為農(nóng)村水利工作的重中之重，從第十個五年計劃開始，計劃分三期安排總投資1793 億元，用15 年左右的時間基本完成全國大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造任務(wù)，其核心是以節(jié)水增效為中心，通過采取工程、農(nóng)業(yè)和管理等措施對灌區(qū)進行綜合改造，提高灌溉水的利用效率和水分生產(chǎn)效率，實現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效利用，為國民經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)村經(jīng)濟繁榮和生態(tài)環(huán)境改善提供支撐與保障。僅“十一五”期間，國家已累計安排投資314 億元對408 處大型灌區(qū)進行續(xù)建配套與節(jié)水改造工程建設(shè)。灌區(qū)節(jié)水改造對緩解我國水資源日益緊缺的局面、提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和實現(xiàn)灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，無疑具有十分重要的作用。
但是，長期以來，我國在傳統(tǒng)的灌區(qū)節(jié)水改造工程中，主要采用工程措施對渠系進行襯砌，對泵站進行升級改造，對閘壩進行維修加固，改變和改善田間灌溉方法，而忽略灌區(qū)節(jié)水改造工程對土壤與地下水環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)造成的影響。在灌區(qū)水資源配置方面，也是主要考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水，而對生態(tài)環(huán)境用水重視不夠，致使灌區(qū)出現(xiàn)植被衰退、地下水位降低、荒漠化加劇、土壤環(huán)境退化等嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。事實表明，大型灌區(qū)節(jié)水改造過程中，由于水源調(diào)配的改變、渠系工程布局的調(diào)整、渠道的襯砌防滲、田間土地的平整、節(jié)水灌溉方式的改進和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整等一系列工程與農(nóng)藝措施相繼完成及其不斷地完善，其后的長期運行與管理必將對灌區(qū)土壤與地下水環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)狀況產(chǎn)生重要的影響。因此，研究灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)及其評價方法，對保障和促進灌區(qū)水資源可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實應(yīng)用價值和深遠的戰(zhàn)略意義。
為了保障大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程任務(wù)的順利實施，減少灌區(qū)節(jié)水改造對環(huán)境與農(nóng)田生態(tài)的不利影響，促進灌區(qū)水資源的可持續(xù)利用和灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，開展相關(guān)的研究不僅十分必要，而且研究所形成的技術(shù)成果在我國灌區(qū)節(jié)水改造過程中及其以后的運行與管理過程中具有廣闊的應(yīng)用前景，并且必將會產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。
1.2 　研究目標、內(nèi)容與技術(shù)路線
1.2.1 　研究目標　　
本研究的目標是通過研究節(jié)水改造對灌區(qū)水循環(huán)及生態(tài)環(huán)境的影響機理與過程、建立灌溉水利用率與水分生產(chǎn)率對灌區(qū)節(jié)水改造的響應(yīng)模型、構(gòu)建節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)評價方法與指標體系，提出基于灌區(qū)生態(tài)健康與環(huán)境友好的節(jié)水改造模式及控制閾值，為合理評價灌區(qū)節(jié)水改造的環(huán)境效應(yīng)、促進灌區(qū)水資源可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)和技術(shù)支撐。
1.2.2 　研究內(nèi)容
1.灌區(qū)節(jié)水改造對農(nóng)田水循環(huán)的影響　　
研究典型灌區(qū)節(jié)水改造對渠道滲漏、農(nóng)田土壤水分動態(tài)、淺層地下水補給影響因素、作用過程、影響范圍和結(jié)果；以典型區(qū)域為例，研究農(nóng)業(yè)節(jié)水對地下水動態(tài)的影響。
2.灌區(qū)節(jié)水改造對農(nóng)業(yè)水土環(huán)境的影響
研究咸水灌溉條件下，農(nóng)田土壤水鹽動態(tài)及作物響應(yīng)規(guī)律，制定合理的咸水節(jié)水灌溉制度，研究典型灌區(qū)節(jié)水灌溉條件下，土壤和淺層地下水中鹽分運移規(guī)律與積累特征；分析灌區(qū)節(jié)水改造對土壤和淺層地下水中鹽分動態(tài)的影響因素。
3.灌區(qū)節(jié)水改造對水肥利用率的影響及其調(diào)控技術(shù)
研究田間尺度不同水稻節(jié)水灌溉模式對水分利用效率、灌溉水生產(chǎn)率及主要肥料養(yǎng)分（氮）利用率的影響；探討灌溉系統(tǒng)或灌區(qū)尺度農(nóng)田水分利用效率及灌溉水生產(chǎn)率對灌區(qū)不同節(jié)水改造方案的響應(yīng)；分析灌區(qū)節(jié)水改造后的田間水肥運動規(guī)律和不同水肥灌排調(diào)控模式對水稻生長、產(chǎn)量及其水肥利用率的影響；研究水肥高效利用優(yōu)化調(diào)控模型與臨界條件。
4.灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)的評價方法
分析灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境影響因素間的相互關(guān)系，篩選關(guān)鍵因子，構(gòu)建灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境影響評價指標體系；采用多目標綜合分析方法評價灌區(qū)節(jié)水改造的環(huán)境效應(yīng)，并構(gòu)建基于層次分析理論的灌區(qū)節(jié)水改造綜合效應(yīng)評價模型；利用現(xiàn)代測試與信息技術(shù)（如3S 技術(shù)等）監(jiān)測和采集環(huán)境因子數(shù)據(jù)，確定監(jiān)測點的空間和時間分布和采集方法；研制能夠表示不同類型灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境影響評價方法和結(jié)果的開放式綜合評價信息系統(tǒng)。
5.基于生態(tài)健康和環(huán)境友好的灌區(qū)節(jié)水改造模式
開展生態(tài)健康與環(huán)境友好的合理地下水位、適宜渠系防滲系數(shù)與灌溉水利用系數(shù)等的定量研究；研究與灌區(qū)有關(guān)的生態(tài)健康與環(huán)境友好的相關(guān)標準；提出基于生態(tài)健康與環(huán)境友好的灌區(qū)節(jié)水改造模式，形成相應(yīng)技術(shù)指南。
1.2.3 　技術(shù)路線
分別選擇我國西北、華北和南方地區(qū)代表性灌區(qū)（甘肅石羊河灌區(qū)、新疆葉爾羌河平原綠洲灌區(qū)、山東位山灌區(qū)和湖北漳河水庫灌區(qū)），通過現(xiàn)代技術(shù)手段獲取土壤與地下水環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)等主要環(huán)境要素的現(xiàn)狀特征及其動態(tài)變化；布置土壤與地下水環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)的觀測站（點），分析環(huán)境要素變化與灌區(qū)節(jié)水改造之間的相關(guān)關(guān)系和內(nèi)在影響機理，建立能夠反映灌區(qū)節(jié)水改造對土壤與地下水環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)主要影響的評價指標體系，并采用多種方法進行灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)的綜合評價。在此基礎(chǔ)上，提出基于灌區(qū)生態(tài)健康和環(huán)境友好的節(jié)水灌區(qū)節(jié)水改造模式、農(nóng)田面源污染臨界調(diào)控技術(shù)和減少灌區(qū)節(jié)水改造對生態(tài)環(huán)境不利影響的有效對策與措施。
本研究以野外考察和定位試驗為基礎(chǔ)，輔以資料收集與分析，實行理論與實踐相結(jié)合，側(cè)重規(guī)律性的探討和理論上的提高。灌區(qū)節(jié)水改造的環(huán)境效應(yīng)及其評價方法研究是一個復(fù)雜的問題，本研究在總結(jié)國內(nèi)外已有成果的基礎(chǔ)上，進行資料收集分析整理和野外定位試驗研究，為理論分析打好基礎(chǔ)。理論分析的重點是內(nèi)在關(guān)系和定量規(guī)律的分析，抓住若干技術(shù)難點，進行重點突破。在理論分析與技術(shù)研究方面，實現(xiàn)經(jīng)驗性、概念性和機理性模型與分析相結(jié)合。在探討定量規(guī)律時，以機理性的數(shù)學物理模型與分析為主；同時根據(jù)不同問題的特點和應(yīng)用需要，重視研究物理概念明確、使用方便的概念性模型模擬技術(shù)和經(jīng)驗性公式。機理研究與應(yīng)用研究相結(jié)合，圍繞灌區(qū)節(jié)水改造實際中的問題，既注重土壤與地下水環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)機理的探討，探索其科學規(guī)律，更重視灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)宏觀特征的分析，研究其技術(shù)的應(yīng)用前景。
1.3 　相關(guān)研究主要進展
1.3.1 　灌區(qū)節(jié)水改造的環(huán)境效應(yīng)　　
農(nóng)田水環(huán)境中的物質(zhì)遷移涉及了土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的水分、溶質(zhì)（養(yǎng)分）輸運等方面的內(nèi)容，在農(nóng)業(yè)、水資源、環(huán)境等領(lǐng)域都起著重要的作用。20 世紀80 年代后期，張瑜芳、蔡樹英等將數(shù)值模擬應(yīng)用于區(qū)域水鹽預(yù)測預(yù)報，使我國的農(nóng)田土壤水鹽運動研究進入了一個新的階段［1 ，2］；陳亞新等通過室內(nèi)實驗?zāi)M了灌區(qū)水-土環(huán)境中的地下水與土壤鹽漬化關(guān)系并進行了動態(tài)模擬，但由于參數(shù)的空間變異性和尺度效應(yīng)等問題，其模型難以應(yīng)用于區(qū)域性的水鹽動態(tài)預(yù)測預(yù)報［3］。近年來，農(nóng)田土壤中的水鹽動態(tài)變化特征和運移機制研究一直是人們關(guān)注的重點。隨著對土壤中水鹽運動、養(yǎng)分、污染物遷移等方面研究的不斷深入，許多學者在力求揭示土壤水鹽運動規(guī)律的同時，建立各種水鹽模型來定量分析水鹽的運移，以預(yù)報農(nóng)田土壤水鹽動態(tài)的變化過程。建立適合于區(qū)域農(nóng)田土壤水鹽運移特征的動態(tài)模型仍然是土壤水鹽運移研究的重點和難點問題。
隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種灌區(qū)灌溉管理模型不斷完善，如SWAP 模型、SWAT 模型，MODFLOW 模型等，已經(jīng)有大量的研究成果，其中分布式水文模型得到了廣泛的應(yīng)用。SWAT 模型是一個具有物理基礎(chǔ)的分布式水文生態(tài)評價模型，可以長時間、連續(xù)模擬和預(yù)測復(fù)雜的流域在不同土壤類型、不同土地利用和管理條件下的水分、農(nóng)業(yè)化學物質(zhì)流失及產(chǎn)量等的影響。崔遠來等利用SWAT 模型對灌區(qū)水平衡過程及水稻產(chǎn)量進行了模擬，但在北方干旱、鹽漬化灌區(qū)的應(yīng)用很少［4］。MODFLOW 是不同尺度地表水、地下水相互作用模擬中較好的模型之一，使人們對復(fù)雜的田間土壤水鹽運移的研究成為可能。有關(guān)學者應(yīng)用Visual-MODFLOW 對干旱區(qū)（抽取地下水條件下的）長期微咸水灌溉對地下水環(huán)境的影響進行了研究，并將飽和-非飽和帶作為一個完整系統(tǒng)，嘗試將MODFLOW 與SWAP 模型耦合進行了水土環(huán)境效應(yīng)預(yù)測評估研究［5］。目前，對于區(qū)域性的水文模擬計算問題，主要是在不同采樣尺度下研究土壤特性及參數(shù)的空間變異性問題，通過空間變異性的研究，進行參數(shù)估計分布和分區(qū)，利用分布式模型方法，將研究區(qū)域分成若干個子區(qū)，在每一個子區(qū)內(nèi)的輸入或參數(shù)為一個確定量，利用一維水量平衡模型或水動力學（溶質(zhì)運移）模型（如SWAP 模型）進行土壤水、鹽動態(tài)的模擬預(yù)測，最后將各子區(qū)結(jié)果進行綜合，得到研究區(qū)域的土壤水鹽的時空變化規(guī)律。
1.3.2 　農(nóng)田養(yǎng)分和鹽分運移模擬
N 、P 、K 是植物生長必需的三大主要礦質(zhì)營養(yǎng)元素。N 是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分，也是葉綠素的重要組成部分，P 是植物中核酸和蛋白質(zhì)的主要成分，K 則影響植物對其他營養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)移。土壤N 過多水稻易倒伏；土壤缺P 水稻根少且短小，莖葉生長緩慢；土壤缺K 水稻莖稈瘦小，易倒伏，易染赤枯病等。因此，N 、P 、K 的豐缺直接影響水稻植株的生長和最終光合產(chǎn)量的形成。由于在非充分灌溉條件下稻田水分相對較少、基質(zhì)濃度較高，氮素的揮發(fā)損失會高于淹灌，同時，非充分灌溉條件下稻田滲漏液中濃度較淹灌高，但由于總滲漏量顯著減少，N 的總淋失卻較淹灌條件少。因此，非充分灌溉條件下水稻對氮素的吸收利用率高于淹灌，且有利于氮素養(yǎng)分向稻谷轉(zhuǎn)移［4］。非充分灌溉條件下，對水稻磷素和鉀素營養(yǎng)的試驗研究發(fā)現(xiàn)，適當?shù)乃痔澣笨娠@著降低磷素的有效性，這是由于節(jié)水灌溉的土壤氧化還原電位較高，土壤中存在一些高價位的金屬離子易與土壤中的速效磷反應(yīng)，形成溶解度很低的化合物，從而降低P 的有效性。但非充分灌溉能顯著地增加水稻植株中的含K 量，提高鉀素營養(yǎng)有效性，從而提高水稻抗逆性和抗倒伏的能力［6 ］。因此，水稻節(jié)水灌溉可使得土壤肥力得以有效發(fā)揮，減少稻田養(yǎng)分流失，防控農(nóng)田面源污染。
節(jié)水灌溉條件下土壤水、肥、鹽遷移研究方面雖然過去進行了大量的工作，取得了不少研究成果［7～13］，但到目前為止，對于大型灌區(qū)節(jié)水改造后，綜合節(jié)水措施條件下的區(qū)域土壤水鹽遷移變化及可能引起的環(huán)境問題的研究成果卻鮮有報道。
近年來，灌區(qū)節(jié)水工程實施后的土壤水鹽、地下水變化動態(tài)得到了關(guān)注［14］，但這些研究沒有涉及具體的試驗?zāi)M和分區(qū)的模擬計算，研究成果有待進一步深化和完善。特別是對土壤水、肥、鹽的時空遷移和地下水位、水質(zhì)的動態(tài)變化過程缺乏系統(tǒng)的研究。將土壤水鹽的動態(tài)變化和地下水位、水量和水質(zhì)的變化作為一個研究整體進行研究得不夠。在灌溉對環(huán)境影響方面，國內(nèi)外近年來在節(jié)水灌溉及環(huán)境影響等方面成果大多偏重于對宏觀水資源的可持續(xù)利用、節(jié)水灌溉的理論方法及農(nóng)田節(jié)水灌溉對某些單方面的生態(tài)環(huán)境影響研究，而缺乏農(nóng)田節(jié)水灌溉對環(huán)境的影響機理、農(nóng)田節(jié)水與地表（地下）水水文循環(huán)變化規(guī)律、節(jié)水灌溉條件下地下水與土壤鹽漬化關(guān)系機理以及考慮生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的農(nóng)田水管理的系統(tǒng)全面的研究。因此，節(jié)水灌溉對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響機理方面還需要進行深入的研究［15］。并且，由過去單純的研究灌溉條件下的水鹽運動，逐步轉(zhuǎn)向各種農(nóng)業(yè)化學物在土壤-地下水系統(tǒng)中運移規(guī)律的研究。盡管針對各種條件下土壤氮素的損失及其環(huán)境影響問題已有了較為深入的試驗研究，構(gòu)造了節(jié)水條件下土壤氮素損失及環(huán)境評價經(jīng)驗型模型［16］，但模型還有一些不完善的地方，模型僅適用于節(jié)水條件下土壤無機氮素損失評價。
1.3.3 　灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)的評價方法
灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)評價的目標不僅包括節(jié)水改造對灌區(qū)水環(huán)境、土環(huán)境、灌溉工程等影響，還包括對當?shù)刂脖缓蜕锒鄻有缘挠绊懸约皩θ说墓?jié)水和環(huán)保意識方面的影響。在這些環(huán)境效應(yīng)中，有些屬于灌區(qū)尺度的影響，有些屬于田間尺度的影響；有些是有正效應(yīng)，有些是負效應(yīng)；還有些屬于定性方面的影響。如何將這些屬于不同尺度、不同性質(zhì)的環(huán)境效應(yīng)進行評價和度量，并能夠利用數(shù)值的形式表示出來，是個多目標綜合評價問題。因此，灌區(qū)節(jié)水改造環(huán)境效應(yīng)綜合評價是指通過構(gòu)建科學合理的評價指標體系，采用恰當?shù)亩嘀笜司C合評價方法來評價節(jié)水改造對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的綜合效應(yīng)。
傳統(tǒng)的多指標綜合評價方法主要包括主成分分析法、模糊數(shù)學評價法、ELECTRE 法、線性規(guī)劃法、層次分析法與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法等。近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和3S 技術(shù)逐漸應(yīng)用于評價方法研究中。環(huán)境效應(yīng)的評價方法從簡單的人工操作到應(yīng)用計算機、GIS 等先進技術(shù)手段，取得了長足的發(fā)展。近年來，許多學者對節(jié)水灌溉效應(yīng)指標量化和評價方法作了大量的研究工作。
在指標量化方面，羅金耀提出了專家估測法和落影函數(shù)指標量化法［17］。侯維東等在井灌項目綜合評價研究中結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論，對傳統(tǒng)的層次分析法進行了一定程度的改進，采用改進的多層次綜合評價方法將井灌項目的綜合效益評價體系進行劃分［18］。吳景社等采用專家評分法、Delphi 法、層次分析和隸屬度等方法對選取的評價指標進行非量綱化處理與檢驗［19 ］。

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