灌溉回归水及其计算方法的研究进展

赵新宇，钱武文

（1.南昌工程学院，南昌 330099；2.鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，南昌 330099）

0 引言

灌溉回归水（Irrigation Return Flow)也称灌溉退水，在世界范围内广泛存在，研究表明一些水稻灌区或采用漫灌方法的灌区的灌溉回归水量约占引水量的50%[1-4]，FAO 的报告也估计世界上只有一半的灌溉水被作物所利用，相当大一部分的水量作为灌溉回归水，最终回归于地下含水层或河流之中[5]。一些灌区的灌溉回归水对区域水资源与水环境产生了很大的影响[6-8]，例如中国西北地区的宁夏引黄灌区，灌区大量种植水稻，引用黄河水量很大，由此产生的地表灌溉回归水量在20世纪90年代超过了每年30 亿m3[9]。另外，灌溉回归水还是一种可再利用的水资源，对它的研究很有意义。

1 灌溉回归水的组成

1993年中国水利部发布的《农田水利技术术语》（SL56-93）把灌溉回归水定义为：灌溉水由田间、渠道排出或渗入地下并汇集到沟、渠、河道和地下含水层中成为可再利用的水源[10]。1998年中国水利部发布的《节水灌溉技术规范》（SL207-98）把灌溉回归水定义为：在农田灌溉中,流经渠系和田间的地表水流和地下水渗流回流到下游沟渠或河道中的灌溉余水[11]。1998年之后的水利部部颁标准没有再对灌溉回归水进行定义。

我国学者对灌溉回归水的定义基本沿用了《节水灌溉技术规范》的定义。例如：贾效亮等认为灌溉回归水主要是指在农田灌溉中,流经渠系和田间的地表水流和地下渗流回流到下游排水河道中的灌溉余水[12]；崔远来等认为灌溉回归水是在农田灌溉中流经渠系和田间的地表水、地下水渗流回流到各级排水沟或天然河沟中的灌溉水[13-17],美国的Veettil等在研究中也采用了这个定义[18]；费良军等认为灌溉回归水是由于过量灌溉产生的，经地表、地下两种途径回归到河流、湖泊中的水量[19-21]。

另一方面，也有很多学者对灌溉回归水的定义与《农田水利技术术语》的定义基本相同。例如：法国的Dewandel 等研究认为灌溉回归水是过量灌溉产生的，未被蒸腾或直接由地表排出的，回归到地下含水层或江河、湖泊等地表水体中的水量[1]，伊朗的Jafari 等[22,23]、中国的胡秋丽等[2]在研究中也采用了这个定义；美国的Arnold 等认为灌溉回归水包括灌溉尾水和田间渗漏水[2,3,22]；美国的Lin 等认为灌溉回归水包括灌溉尾水、渠道渗漏水和田间渗漏水[24]；荷兰的Simons 等认为灌溉回归水是田间未被消耗而重新回到地表水体或地下含水层中的水量[25]。

综合上所述，关于灌溉回归水的定义，国内多与《节水灌溉技术规范》的定义相似，国外则多与《农田水利技术术语》的定义、法国学者Dewandel的定义[1]相类似。两种定义的主要不同在于灌溉回归水的组成：灌溉水入渗到地下含水层的部分是否计入灌溉回归水。国内很多研究认为灌溉回归水包含地表退水和通过其他途径回归排水沟、江河的水量，没有考虑入渗到地下含水层的的部分。国外大多数的研究则认为灌溉回归水包括渗漏形成的地下水，而且认为灌溉回归水是灌区地下水补给的重要组成部分[26,27]，特别是在水稻灌区或采用漫灌方法的灌区，灌溉回归水对地下水的影响很大[28]，灌溉回归水还影响地下水的含盐量[29,30]，它的变化也影响到区域水量与水盐平衡[25,31,32]。

因此，灌溉回归水可以根据其组成分为广义的灌溉回归水和狭义的灌溉回归水两类，广义的灌溉回归水参照《农田水利技术术语》关于灌溉回归水的定义，包括灌溉产生的回归到地下含水层的水量；狭义的灌溉回归水参照《节水灌溉技术规范》关于灌溉回归水的定义，不包括灌溉回归到地下含水层的水量，只考虑最终回归为地表水的水量。

2 灌溉回归水产生的条件

灌溉回归水是否只在过量灌溉的条件下产生？这是一个灌溉水形成的重要的问题。首先，我国学者广泛采用《节水灌溉技术规范》中关于灌溉回归水的定义，没有表明过量灌溉是产生退水的必要条件。其次，国际上很多文献均把由灌溉水渗漏形成的地下水视为灌溉回归水，在没有过量灌溉的水稻灌区，稻田在水稻的多数生育期存在地表水层，不可避免地会产生渗漏形成地下水，也就产生了灌溉回归水。例如，台湾学者Chen Shihkai 等关于稻田灌溉回归水的试验与数值模拟研究[33,34]，Chien ChuanPin 等关于稻田灌区的灌溉回归水模型研究[35]，都证明了正常灌溉条件下水稻会产生灌溉回归水，而且这种观点与国外许多文献[3,24]是一致的。另外，依照中国现行的水稻灌溉制度设计方法，为了保持田间水层的存在，灌溉水量计算包括了正常的田间渗漏量[36,37]。所以在正常灌溉的条件下，不进行过量的灌溉，稻田灌溉水也会形成对地下水的补给，甚至渗出到排水沟中，从而形成狭义的灌溉回归水。

因此，过量灌溉不是产生灌溉回归水的必要条件，正常的灌溉（如水稻灌溉）也可能产生灌溉回归水。灌溉回归水产生的必要条件是：灌溉水由田间、渠道排出或渗入地下，形成了地表水或地下水。

3 灌溉回归水研究的理论基础

“四水转化”指的是大气水、地表水、土壤水、地下水在农田中的循环与转化。1995年康绍忠、蔡焕杰等提出了描述降水（灌水）入渗、地下潜水蒸发、根区土壤水分传输、根系吸水和蒸发蒸腾等5个子系统的麦田“五水转化”模式，论述了模型参数的测取方法，并进行了田间试验验证[38]。这项研究将作物水引入“四水转化”的过程，形成了农田“五水转化”理论。“四水转化”和“五水转化”是灌溉回归水研究的理论基础，它是由地表水（田面水）在水平方向的圣维南方程、灌溉水的入渗方程、土壤水分运移动力学方程、地下水潜水蒸发与入渗补给方程、水稻根系吸水方程、地下水运动方程等组成的复杂方程组。

2002年，雷志栋等依据“四水转化”机理，对我国青铜峡灌区进行了水资源供需平衡分析，引水、耗水与排水平衡分析，采用一元线性回归方法建立了宁夏青铜峡灌区引黄水量与灌区回归水量的数值模型[39]。同年，Chen ShihKai 等在台湾彰化县田中镇的水稻田进行实验，研究了稻田的水循环过程，分析了水分在不同土层之中的渗透情况，研究了稻田“五水转化”规律[33]；然后，基于水平衡原理，采用SAWAH、FEMWATER 两种模型进行模拟，对稻田灌溉回归水量进行了计算[34]。雷志栋、Chen ShiKai 等将农田水分转化理论引入到灌溉回归水的研究中，系统分析了灌溉水回归的水文过程，建立了计算模型，成果为后来的很多研究所采用。

另外，2009年王成丽等基于“四水转化”理论，把灌区划分为农田、林草地、荒地、湖泊湿地和城镇用地五类水均衡模块，建立了灌区耗水量模型，模型在平原灌区具有较好的精度[40]。2021年王璞、霍再林等基于农田“五水”转化机理，研究了灌溉过程、排水过程、土壤水分运动过程、作物生长过程、地下水运动过程的动态耦合，并建立了计算模型，模型精度较高[41]。

4 灌溉回归水量计算方法的研究进展

灌溉回归水的研究主要包括水质和水量两个方面。水质的研究是通过理论分析与田间实验，研究灌溉回归水的可利用性[42-46]，以及对地下水、地表水水质的影响[7,23,47-49]。水量的研究主要是计算方法的研究，主要可以分为以下三类。

4.1 灌溉回归水量计算的水量平衡方法

农田“四水（五水）转化”过程的时间消耗随着空间尺度的增大而增大，利用水量平衡方法进行灌溉回归水量的计算，在灌区（流域）尺度下的时间尺度往往是月或年。例如：2002年Jalota 等在印度西北部Punjab 地区应用水量平衡模型，分析了水稻、玉米、小麦、棉花等作物在渠灌、管灌情况下的田间水分运动情况，研究了田间水分循环过程，对田间渗漏量进行了定量分析[50]，Jalota 的研究是国外灌溉回归水较早的研究。2008年Dewandel等通过在印度Ranga Reddy地区的多种作物实验和数据分析，采用水量平衡理论、饱和与非饱和水力学方法，在流域和季节的尺度上研究了一种估计灌溉回归水量的系数方法，具有较高的精度[1]。相似的研究还有，2011年美国内政部、地质调查局对科罗拉多州Weld 灌区灌溉回归水的研究[3]；2012年Lin 等对美国科罗拉多州的Lower Arkansas River Basin 灌区灌溉回归水的研究，该研究还发现灌溉回归水对区内河流的盐分含量产生了重要影响[24]；2020年Attar 等对伊朗的Moghan 灌区灌溉回归水的研究，该研究还发现考虑灌溉回归水利用的灌溉水利用效率，显著大于传统的灌溉水利用效率（不考虑灌溉回归水）[51]。另外，2021年介飞龙等应用退水单位线方法和水桶模型计算了甘肃景电灌区的灌溉回归水量[52]，研究了灌溉回归水的滞后效应[53]。

在大空间尺度下，进行短时间尺度的灌溉回归水量的计算，单纯的采用水量平衡方程，难以取得比较高的精度。2014年，Masashi 等基于水量平衡原理，开发了一种“replacement in order”方法，建立灌区的排水系统模型，并在日本的Shichika灌区进行了应用，进行了日排水量的计算，但结果的相对误差达到了26%，精度较低[54]。

另外，一些学者将系统动力学方法引入到灌溉回归水的研究之中，基于水平衡原理建立农田水分运动模型，进行灌溉回归水量的计算。相对一般的水量平衡模型，系统动力学模型更能反映农田水分的运动过程，计算结果也更准确。如：2002年崔远来等以水量平衡原理为基础，运用系统动力学方法，建立了田间尺度的稻田水平衡转化过程模拟模型，并将模型用于田间及中等尺度灌溉回归水量的计算[13-15]。2019年，Liu Wei 等在黑龙江呼兰河灌区，陈彩明在浙江南湖灌区的灌溉退水研究中，也采用了与崔远来相似的方法，进行了灌溉回归水量的计算[55,56]。

4.2 灌溉回归水量计算的多元统计及智能方法

多元统计方法：2006年西班牙的Causapét 等通过数值分析方法对西班牙Ebro 河盆地的灌溉水利用系数进行了研究，发现在高渗透性土壤地区使用地面灌水方法，灌溉水利用系数只有0.53；在低渗透性土壤地区使用地面灌水方法，灌溉水利用系数为0.79；使用现代微灌、喷灌技术，灌溉水系数可达0.94[57]。2014年Cruz Fuentes 等采用数值模型对西班牙La Aldea、Gran Canaria、Canary Islands 等3 个地区的灌溉回归水量进行了研究，发现来自上游水库的灌溉回归水储存在灌区的沉积含水层中，含水层的水量交换时间大约是2 a，灌溉回归水对含水层地下水的补给量在普通年份约为30%，在干旱年份可达70%[31]。2009年印度的Mohan等采用数值分析方法建立了印度泰米尔纳德邦Periyar Vaigai灌区回归水量与灌区有效降水、灌水量、作物耗水量和渗漏损失之间的多元回归模型，并将其应用于灌区回归水量的估算[58]。

人工智能方法：2005年费良军等利用线性与非线性回归、人工神经网络、支持向量机、时间序列等方法对宁夏引黄灌区灌溉回归水的特点、规律、主要影响因素进行了系统分析，建立了灌区年回归水量、月回归水量、日回归水量的预测模型，取得较好的预测结果，研究成果在黄委会黄河中上游水量调度软件中进行了应用[9,19-21]。2019年之后，该团队又对甘肃景电灌区的灌溉回归水量进行了深入研究[59-61]。

4.3 灌溉回归水量计算的水文模型及其他方法

HYDRUS 模型：HYDRUS 是一个模拟水分或溶质运移的有限元计算软件，常用于室内试验或田间局部土壤水分、溶质运移质规律的模拟。2017年胡秋丽以阿克苏流域为研究对象，采用HYDRUS-2D/3D 模型，分析了农业节水对流域灌溉回归水的影响，比较准确的计算了灌溉回归水系数[2]。

DRAINMOD 模型：DRAINMOD 模型是美国的Skaggs 等开发的，用来模拟灌溉、降水情况下的农田排水及其变化过程。近年来DRAINMOD 模型有较多的应用与发展，如罗纨、贾忠华、武迪等对宁银南灌区、平原河网类型灌区的排水研究[62,63]。当灌区排水多为灌溉回归水的情况下，可以采用DRAINMOD模型近似计算灌溉回归水量。

MODFLOW 模型：MODFLOW 是一个三维有限差分模型，主要用于模拟地下流场的变化，也可模拟溶质的运移。它在灌区地下排水中运用较多，如马建花等采用VISUAL MODFLOW 模型对黑台地区地下水的数值模拟[64]。另外MODFLOW 还可与SWAT模型相耦合，如傅笛等对巴音河中下游农业灌溉对地下水影响的研究[65]。当灌区的灌溉回归水多为地下排水情况下，可以采用MODFLOW 模型近似计算灌溉回归水量。

SWAT 模型：SWAT 模型是一个大尺度的分布式水文模型，在灌溉回归水量的计算中也有一定的应用。2005年Gosain等在印度的Palleru河盆地灌区，利用SWAT模型研究了灌溉回归水量的估算问题，比较好的发映了回归水的时间变异现象，取得了比较准确的结果[66]。2019年吴迪、崔远来等采用SWAT模型研究了河北省漳河水库灌区灌溉回归水重复利用的潜力和对灌溉效率的影响，以及相应的尺度效应[16,17]。2021年Veettil 等利用SWAT 模型研究了美国科罗拉多州Big Dry Creek 流域的灌溉回归水量，并与另一种分布式水文模型AgES的计算结果进行了对比[18]。

其他方法：这种方法原来多用于环境的研究，近年来有学者将其应用到灌溉回归水研究之中，为灌溉回归水量的计算提供了新思路。例如：2008年Kattan 等在伊朗幼发拉底河下游灌区，采用同位素和氯离子质量平衡法，计算了灌区2004-2005年的灌溉回归水量[67]。2017年Vallet等采用灌溉水、灌溉回归水中的氯离子质量平衡，并与同位素模型相结合的方法，计算出法国南部CRAU 灌区的灌溉回归水系数在0.53±0.16 的区间变化，证实了化学示踪剂可以用于灌溉回归水计算[4]。2021年韩国学者Lee[6]、印度学者Kumar 等[68]通过同位素研究也发现，灌溉回归水对于所在流域河流的水量和水质都有着重要影响。

另外，李静思、李巧丽等采用MIKE 模型在甘肃景电灌区进行了灌溉回归水量的计算[69,70]，取得了较好结果，但模型对于基础数据的要求较高。

综上所述，HYDRUS 模型是一个土壤水分运动模型，它只有和地表水、地下水运动模型相耦合才能比较好的进行灌溉回归水量的计算；DRAINMOD 模型是成熟的农田排水模型，但它不能区分灌溉回归水与降水引起的排水，在应用上受到很大的限制；MODFLOW 模型在灌区地下排水方面有较多的应用，但灌溉回归水中包含地表回归水，在一些灌区甚至所占的比例最大，例如宁夏引黄灌区的灌溉回归水，所以MODFLOW 模型在灌溉回归水量的计算中应用甚少；SWAT 模型是分布式的水文模型，但它需要很多的基础数据，复杂多变的农田下垫面条件在一定程度上限制了模型的应用；MIKE模型的情况与SWAT模型基本相同。

5 总结与展望

综上所述，灌溉回归水作为一种大量存在的，可重复利用的水资源，相关的研究相对较少，但在国内、外已受到越来越多的重视，近年来的研究有增加的趋势；目前灌溉回归水研究在是否包含地下水方面存在一定的分歧，国内偏向于不包括地下水，国外偏向于包括地下水；灌溉回归水的过程和机理研究通常采用“四水（五水）转化”理论，近年来加入了同位素跟踪技术，研究越来越深入；灌溉回归水的计算多采用水量平衡模型、系统动力学模型、多元统计及智能模型，但水量平衡模型不能反映灌溉回归水的复杂的水文过程，系统动力学模型在时空尺度转化方面存在缺陷，多元统计及智能模型没有物理意义不能应对灌溉回归水下垫面条件的变化，三者都有一定的缺陷；土壤水分运动模型、农田排水模型、分布式水文模型在灌溉回归水量计算中有一些应用，但它们并不是针对灌溉回归水而建立的模型，应用具有一定的局限性。

灌溉回归水问题本质上是一个灌溉水文学问题，对灌溉回归水研究的展望主要有以下5点：灌溉水回归机理研究方面要理清灌溉回归水与农田排水的关系，在现有“五水转化”理论的基础上，引入SPAC 理论进行更加精细的分析；在灌溉水回归过程研究方面，不应局限于水平衡原理，应更多的运用土壤水动力学与地下水动力学理论方法，对回归过程进行更加深入的研究；空间尺度与时间尺度的耦合问题，是灌溉回归水量计算研究的核心和难点问题，实现大空间尺度下短时段灌溉回归水量的精确计算，是灌溉回归水量计算的最终目标；在灌溉回归水量计算方面应借鉴水文学的理论方法，在田间尺度上建立具有物理意义的灌溉回归水模型，在灌区或区域尺度上，采用汇流模型或分布式水文模型；在研究中除应用农田水循环理论外，应积极引入水文学、大数据、同位素跟踪等方面的理论方法，保持灌溉回归水研究的先进与活力。