水联网智慧灌区节水灌溉技术综合水效率评价研究

索滢，孟彤彤，马海峰，刘得俊，王忠静,5,6*

▪区域农业水管理▪

水联网智慧灌区节水灌溉技术综合水效率评价研究

索滢1，孟彤彤2，马海峰3，刘得俊4，王忠静1,5,6*

（1.清华大学 水利水电工程系，北京 100084；2.甘肃省水利科学研究院，兰州 730000；3.宁夏回族自治区水利科学研究院，银川 750021；4.青海省水利水电科学研究院有限公司，西宁 810001；5.水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；6.省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016）

【】针对节水灌溉规模化推广遇到的问题，构建适应现阶段发展的综合水效率评价体系。结合文献调研、内涵分析、知识管理重构，从技术水平、经济社会、生态环保3个维度，提出了精量性、经济性、智能性、生态性、低碳性5个方面的节水灌溉综合水效率评价指标体系。精量性包括灌溉水有效利用系数、灌水均匀度和量水技术推广率；经济性包括增产率、投资回收年限和水费收缴率；智能性包括运行管理便利、土壤墒情监测率和水源风险适应性；生态性包括植被覆盖、土壤盐碱化改善和地表水及地下水改善程度；低碳性包括节能和省地。用层次分析法评价了甘肃、宁夏、青海3省（区）万亩级水联网节水灌溉示范区综合水效率，青海光伏提水节灌示范区因光伏提水效能提升、灌溉均匀度提高和实现远程控制无人值守，综合水效率提升了32.8%；甘肃自流精量节灌示范区因实施测控一体化闸门全渠系智能调度，提升了灌水可控性、计量可靠性和水费缴纳率，降低能耗、节省劳力，综合水效率提升了26.6%；宁夏扬黄挖潜节灌示范区因改进了泵站机组流量匹配、延长了水联网链路，提升了供水能力、节水能力和灌溉保证率，综合水效率提升了27.5%。灌区现代化发展要建立从源头到田间全过程的综合效能评价体系，提升灌区数字化监测、智能化控制、精准化调度水平是提升灌区综合水效率的主导因素。

节水灌溉；综合水效率；中国西北地区；层次分析法；智慧灌区

引言

【背景】农业用水是我国第一耗水大户，占全国总用水量60%～70%。随着农业节水理念的深入落实，我国节水灌溉面积不断扩大，截至2019年，已达到3 427万hm2，占灌溉面积的46.3%[1]。【研究进展与意义】节水灌溉技术评价多侧重于灌溉技术的经济性和水资源利用效率方面[2-3]。随着生态环境的重要性提高，节水灌溉的生态效应越来越受到关注，相关因素被加入节水灌溉评价[4-7]；智慧灌区的发展也对节水灌溉评价提出了新的要求。本文提出了综合水效率概念，涵盖了灌溉用水过程中水的生态、经济、精量、智能、低碳5个方面的效率和效应，体现了农田灌溉从输水到田间水分配，再到生态影响的全过程变化。量化规模化节水灌溉技术带来的综合水效率的改变，建立科学全面的面向规模化节水灌溉综合水效率评价体系和评价方法，具有重要意义。

【切入点】经济性指标中存在指标重复问题，主要集中在投资成本和产量效益方面；适应性指标在技术本身评价，及研究区建设初期选择技术时有较强指导意义，但对于实际建成后应用效果评价意义不大；技术性评价中存在指标分类混杂现象。在节水灌溉技术初期小范围应用阶段，这些指标可以较好地体现各类技术的优劣。但随着高效节水技术的大面积应用，原有评价体系在生态性、智能性等方面考虑不足的问题逐渐凸显。【拟解决的关键问题】本文在已有研究的基础上，通过分析节水灌溉技术大规模推广应用过程中的新老问题，从技术水平、经济社会、生态环保3个维度提出了精量性、经济性、智能性、生态性、低碳性5个方面的节水灌溉技术的综合水效率评价体系；基于层次分析法确定了指标体系权重；针对甘肃、宁夏、青海3省（区）水联网智慧灌溉示范区的规模化节水灌溉进行评价。为智慧水利发展背景下节水灌溉技术的应用效果评价提供参考。

1 传统灌溉技术综合评价指标体系

传统灌溉技术评价主要从经济性、适应性、技术性等方面考虑（表1），偏重于技术本身带来的灌溉效果以及期望收益。

表1 传统节水灌溉技术评价指标

与传统灌溉方式相比，规模化节水灌溉技术的应用必然会对灌区生态环境产生影响[8]。研究发现高效节水灌溉对地表地下水转化、农田水盐调控、局部小气候等产生影响[9-10]，越来越多的节水灌溉生态效应研究及评价[7,11-13]，使得生态性评价指标构建的重要性逐步凸显。随着科学技术的发展，灌溉技术也在向着智能化方向发展，测控一体化闸门、土壤墒情监测等技术的应用，将带来不容忽视的影响。

2 节水灌溉综合水效率评价指标体系

灌溉技术的经济性评价不仅要体现在工程本身带来的直接经济效益和产生的成本等方面，还要体现在技术实施后所带动的其他方面增收途径的效益方面[24]。一些传统的水费收缴方式由于量水设施不足，水费收缴仍然按用水面积分摊到用水户，导致农户节水积极性不高，弱化了水价改革对节水的激励[25]。成套节水灌溉技术不仅可增加田间作物效益，还可以让农户直接获得水量数据，增加水费收缴透明度，提高节水积极性。随着信息化智能化进程的加快，越来越多的灌溉设施实现了远程测控一体化[26-27]，不仅实现灌溉闸门智能控制、水量实时监测传输，而且基于监测数据分析得到的管理体系智能决策[28]可进一步提升灌溉智能化。可见，技术性指标可再分针对技术本身的节水性能和计量性能所体现的精量性，以及针对技术应用后带来的节能低碳性2个方面。综上，可从技术水平、经济社会、生态环保3个维度构造出生态性、经济性、精量性、智能性、低碳性5个方面的节水灌溉技术综合水效率评价体系。

2.1 指标选择

①生态性。节水灌溉的生态性受到日益广泛的关注，众多评价指标陆续提出，如地表水引水比和地下水开采比[5,29]、地下水埋深[5,30]、水质综合指数[5,29]、地表水环境和地下水环境影响[14]、土壤盐渍化[5,29-30]、土壤污染程度[29]、植被覆盖率[5,30]、生物多样性丰度[5]、无效蒸发抑制程度和积温增加促进程度[7]等。部分指标数据较难获取，与灌溉技术引起的生态响应联系不够紧密，本次综合考虑节水灌溉技术的生态影响效果，采用植被覆盖度、土壤盐碱化改善程度、地表地下水改善程度，3个指标从灌溉技术对周边植被影响、土壤影响、水循环要素的影响3个方面评价生态效应，具有数据较易获取、指标代表性强等特点。

②经济性。在表1基础上，选择增产效果、投资回收年限2项，分别体现工程建设经济条件、建设后农民收入增加效果2个方面。同时增加了水费收缴提升率指标，以体现灌溉技术带来的除粮食增产之外，维持行业资金可持续发展方面的经济效果。

③精量性。在表1基础上，选择了灌水均匀度和灌溉水有效利用系数2项。传统的灌溉水测量方法多为粗略的经验公式估算，测量结果的不准确也导致了农户缴纳水费的不积极，不利于行业正反馈发展。楼豫红等[31]在四川省灌溉管理节水发展水平综合评价体系中提出了量水技术推广率指标，其意义在于精确计量灌溉水量同时指标数据较易获取，故本次使用该指标对量水准确性进行评价。

④智能性。智能性是适应性的一种体现，适应性过去多针对作物、地形、水源等在选择节水灌溉技术阶段时使用。针对新基建背景下节水灌溉技术智能化发展趋势，本次选取指标有：水源风险适应性，即灌溉系统面对水文不确定性自适应调整的能力；运行管理难易程度指标；补充了土壤墒情监测普及率指标以体现田间灌水智能性[31]。

⑤低碳性。主要从节能、节地角度进行评价。一些研究中同时使用耗能量和节能量2个指标[17]，为避免重复，这里选用节能率，主要考虑传统方式下跑水员使用交通工具到现场控制闸门能源消耗与改造后远程自动启闭闸门的节省能源对比得出，由技术改造前后能源消耗的相对变化率表示，即e=(1-2)/1×100%，其中e为节能率（%），1、2为节水灌溉技术实施前后能源花销（元）；节地率主要考虑田间灌溉设备的升级消除了传统灌溉方式所需的田埂等辅助用地数量所节省的耕地，由技术实施前后灌溉面积的相对变化率表示，即s=(2-1)/1×100%，其中s为节地率（%），1、2为节水灌溉技术实施前后灌溉面积（hm2）。至于耕地面积扩大率[22]因其会引导开荒，故不考虑。

表2 节水灌溉技术综合水效率评价指标体系

2.2 评分等级

生态性指标中，植被覆盖度指标，参考文献[32-33]分为5个等级，以从低到高分别代表劣等植被覆盖、差等植被覆盖、中等植被覆盖、中高等植被覆盖、高等植被覆盖；土壤盐碱化改善程度、地表与地下水改善程度参考文献[7,16]将其定性分为由差至好5个等级。

经济性指标中，增产率参考薛媛等[21]在疏勒河流域使用的分级标准；投资回收年限参考吴景社[14]针对区域节水灌溉综合效应评价中给出的分级标准；水费收缴率体现了灌区生产、经营的情况，参考水利部2020年农村水费收缴率达到90%以上的要求，本次将90%设置为较好标准，将水费收缴率分为5个等级。

精量性指标中，灌溉水有效利用系数主要参考吴景社[14]分级标准，灌水均匀度主要参考蒋光昱等[7]分级标准，量水技术推广率指标主要参考楼豫红等[31]分级标准。最终设定各等级阈值如表3所示。

智能性指标中，运行管理便利程度参考文献[14,16]设置为定性指标，分为5个等级；土壤墒情监测普及率是实现田间灌水制度智能化的基础硬件设置，参考楼豫红[35]设计的实际建立观测站点与部门规划土壤墒情监测站点的比例来分级表示；水源风险适应性主要考察灌区整体对未来气候变化条件下水文不确定性等风险的智能调控能力，优异的灌区管理体系下对水源风险的调控不仅仅局限于年初的初始水权分配，还应体现在未来气候水文预报、实时水权智能分配等方面；全自动控制体现在水源取水自动控制[36]、输水渠道闸门自动控制[37-38]、施肥自动化控制[39]等方面，优秀的自动化控制灌区可大大减少劳动力的投入。

低碳性指标中，节能程度不仅考虑设备改造从耗化石能源转变为太阳能等清洁能源的节能，还应考虑原本用于跑水员等工作人员外出测水时交通消耗的能源被远程测控设备取代后节省的能源，本次参考吴景社[14]给出的分级方法进行分级；节地程度主要考虑节约田间田埂后实现的耕地节省的情况，标准设定参考吴景社[14]的评价体系。

表3 指标评分量化标准

2.3 权重构建

层次分析法是常用的指标权重确定方法，常被用于节水灌溉技术评价体系的权重构建中[21,23,40]。在西北地区构建的评价指标体系[7]基础上，通过征询来自甘肃、宁夏、青海3省（区）属水利科研单位和清华大学等单位从事农业灌溉、灌区管理等相关领域的专家，构造两两比较判断矩阵。在对比较判断矩阵进行一致性判别后，得出最终的权重如表4所示。

表4 节水灌溉技术综合水效率评价体系权重

3 应用实例

选取了甘肃、宁夏、青海3省（区）水联网规模节水灌溉示范区进行综合水效率评价，示范区情况如图1所示。相关评价指标由3省（区）水利科研院测算得出，评价指标数值如表5所示。

青海柴达木典型牧场低碳节水灌溉示范区面积为686.38 hm2，示范应用前为传统的管灌方式，需要工作人员到现场进行阀门操控，灌溉均匀度没有保障，同时仅有机井水源，部分有测流设备，水费收缴问题一直存在。项目实施后灌溉方式为“光伏/机井提水+水肥一体化+微喷灌/微润灌技术”模式，极高的提升了灌溉水利用效率和灌溉均匀度。同时使用光伏设备自动控制提水、灌水，实现节能减排。在原有的1个土壤监测点的基础上又增加了40个测量点，增加了土壤墒情监测覆盖。通过总体评分结果（表6）可以看出，青海示范区在节水灌溉提水设施及田间灌溉设施改造后，节能和节水效果有了明显的改善，同时由于种植作物为枸杞，经济效益较高，投资回收年限也表现良好。综合水效率提升了32.8%。

表5 示范区技术应用前后指标数值

甘肃示范区改造前采用的是传统渠灌，渠道闸门需要人工操作，灌溉水量的测量采用的是无喉道、巴歇尔等方式，多年运行存在测量准确性问题。灌区田间工程配套标准低，数量不足，设施不完善，水量调控能力差。斗渠衬砌率不足60%，农渠衬砌率不足10%，造成田间输水渗漏损失大、灌溉水利用系数低等问题，加之控制和量水建筑物配套不完善，导致田间用水困难。甘肃在昌马灌区南干渠灌区进行全渠道测控一体化闸门改造建设，实现了示范区全自动化灌溉运行网络，提升了灌溉水计量准确性，促进了农民缴费意愿。在原有土壤墒情监测点基础上增加了50个测量点，通过土壤墒情的实时监测，调控灌溉方式，改进了灌溉制度，大大提升了水利用率，2019年作物总效益达到了2.45万元，实现了增产、节水、增加生态水量的目的，综合水效率提升了26.6%。

表6 各示范区评分结果

图1 水联网规模化节水灌溉示范区

宁夏在中卫市南山台子扬水灌区实现测控一体化闸门改造，提升了水量测量准确度，同时减少了劳动力，实现了节能减排。田间灌溉主要采用传统的渠灌，部分果树区域改进田间灌溉方式为覆膜沟灌，大大提升了灌溉水有效利用系数，从示范实施前的0.58提升到0.66左右。研究区采用预交水费系统，示范前水费收缴率在95%左右，通过改造，已基本达到100%的水费收缴率。新安装了土壤墒情监测体系，实现研究区土壤墒情信息的测量与记录。示范区主要种植的玉米、果树，亩均增产15%。同时示范区利用水联网技术进行了灌区管理方式转变，大大减少了劳动力及其交通带来的能量损耗，在水联网技术指导下，实现“决策水网、信息水网、物理水网”的融合，对整个灌区的“调度管理、状态模拟、预报预测”提供指导，极高地提升了应对水源风险的能力，综合水效率提升了27.5%。

4 讨论

传统的节水灌溉评价体系侧重于节水灌溉技术的适应性、经济性及技术性方面，而随着节水灌溉技术的规模化应用及智能化进程的加快，亟须建立适应现代化生态灌区发展的节水灌溉综合水效率评价体系。本文从技术水平、经济社会、生态环保3个维度和生态性、精量性、经济性、精量性、智能性、生态性、低碳性5个方面构建的综合水效率评价体系，并利用规模化节水灌溉示范区数据，针对水联网技术在智慧灌区的实地应用情况，对综合水效率提升效果进行了分析评价。总体来看，基于水联网技术的应用将提升灌区综合水利用效率，这与王忠静等[41]研究结论一致。在西北地区生态环境脆弱区，节水灌溉的评价需考虑生态影响，这与蒋光昱等[7]研究一致。

本文目前仅筛选出14项评价指标，各指标的分级阈值也限于有限的文献调研和实测分析，后续将不断完善指标体系，将智能化进程可能带来的新变化加入考虑，并建立基于大数据的指标阈值数据库，以合理评价节水灌溉规模化应用的综合效能提升效果。

5 结论

1）田间节水灌溉技术与智能取水技术的结合，不仅提升了灌溉水利用效率，还可以实现灌溉系统的远程控制和无人值守，达到低碳节能的效果。

2）灌溉系统精量性的提高不仅可以消除传统灌溉计量的粗放，更重要的是可提高水费的透明度和水费缴纳的公平性，促进节水，这是智慧灌区的重要效能。

3）灌区渠道测控一体化、土壤墒情监测等智能设备的使用极大促进了灌溉系统的智能化，可很好地控制水源风险、优化灌溉制度、提高综合水效率、提升作物产量，是未来现代化智慧灌区的发展方向。

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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

索滢, 孟彤彤, 马海峰, 等. 水联网智慧灌区节水灌溉技术综合水效率评价研究[J]. 灌溉排水学报, 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

国家“十三五”重点研发计划项目（2016YFC0402900）；宁夏重点研发计划项目（2020BCF01002）

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

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

责任编辑：陆红飞