第2章 灌溉相关基本知识
2.1 概述
灌区一般是指有可靠水源和引、输、配水渠道系统以及相应排水沟道的灌溉面积，是人类经济活动的产物，随社会经济的发展而发展。简言之，灌区就是由水库、渠道、田地、作物组成的一个综合体。
2.1.1 灌区分类
灌区分类方式多种多样，按控制面积分类，可分为大、中、小型灌区；按取水方式分类，灌区可以分为自流灌区、提水灌区和渠井灌区；按地形地貌可分为山丘区、平原区、圩垸区、滨海区四类。
1.按控制面积方式分类
根据我国水利行业的标准规定，控制面积在20000hm2（30万亩）以上的灌区为大型灌区，控制面积在667～20000hm2（1万～30万亩）之间的灌区为中型灌区，控制面积在667hm2（1万亩）以下的为小型灌区。
根据水利部《全国大型灌区续建配套与节水改造规划报告》（水规计［2001］514号批复）和《全国大型灌区续建配套与节水改造“十一五”规划报告》（发改农经［2008］145号批复）统计，全国规划灌溉面积在30万亩以上的大型灌区共434处，总规划灌溉面积为3.00亿亩，截止到2005年底有效灌溉面积2.46亿亩，灌溉用水量约1500亿m3。大型灌区灌溉面积在2000万亩以上的有新疆（含兵团）、山东、河南、湖北四省（自治区）；灌溉面积在1000万～2000万亩之间的有四川、内蒙古、安徽、江苏、河北、陕西六省（自治区）。大型灌区灌溉面积占所在省（自治区、直辖市）耕地面积的比例最大的是新疆（含兵团），为69%；大型灌区灌溉面积占所在省（自治区、直辖市）耕地面积的比例在20%～33%之间的是宁夏、山东、湖北、北京、上海。
在全国434处大型灌区中，规划灌溉面积在30万～50万亩的灌区有258处，总灌溉面积为9062万亩，占全国大型灌区灌溉面积的31%，现状灌溉面积7078万亩，占全国大型灌区的30%；规划灌溉面积50万亩至150万亩的大（Ⅱ）型灌区有114处，总灌溉面积为9383万亩，占全国大型灌区的33%，现状灌溉面积7306万亩，占全国大型灌区的31%；规划灌溉面积150万亩以上的大（Ⅰ）型灌区有30处，总灌溉面积为10352万亩，占全国大型灌区的36%，现状灌溉面积为9325万亩，占全国大型灌区的39%。其中规划灌溉面积大于500万亩的特大型灌区有6处，分别为四川都江堰灌区（1134万亩）、安徽淠史杭灌区（1000万亩）、内蒙古河套灌区（860万亩）、新疆叶尔羌河灌区（558万亩）、山东位山灌区（508万亩）和宁夏青铜峡灌区（506万亩）。
2.按取水方式分类
灌区按取水方式可分为自流灌区、提水灌区和渠井灌区。
自流灌区根据所取水源的不同分为水库取水灌区和河道引水灌区。水库是农业用水的主要水源，水库采取不同的取水方式（表层取水或深层取水），将提供不同质量的水，从而将直接影响下游的生态环境和灌溉效果。例如，水库若采用深层取水，会降低下游河、渠的水温，加重灌区作物冷害的程度，影响水库下游鱼类的生长。同时，水库取水灌区可根据水库上游降雨的丰沛程度以及水库的调蓄能力，将河道来水量不同程度地进行年内、年际的调蓄，使其具有更好地将水资源用于农田灌溉以及灌区管理单位调配的优势。河道引水灌区根据有无渠首枢纽分为有坝引水灌区和无坝引水灌区。当灌区河流水源虽较丰富，但水位不能满足灌溉要求时，则需在河道上修建壅水建筑物（坝或水闸），抬高水位，以便引水自流灌溉，称为有坝引水灌区，反之，则称之为无坝引水灌区。河道引水灌区依靠上游的自然来水，没有调蓄功能，若要充分利用难以预测的上游河道来水，需要更加配套的管理机制和科学的管理方法。
提水灌区根据取水所用机械可分为泵站提水灌区和机井提水灌区。泵站提水灌区利用固定式或移动式的泵站将地表水源提到一定高度，经过渠道的调配输入到农田。机井提水灌区则需要完全依靠小型水泵，通过提取地下水来满足农田灌溉的需要。泵站提水灌区由于供水成本较高，需要对所提取的水资源进行更为高效的利用，因此需要更完善的农田灌溉设施和更精细的管理措施。机井提水灌区一般单井规模较小，管理方便，但一旦产生污染将对地下水资源产生极大破坏，因此在机井提水灌区，需要不间断地做好地下水环境的观测，做到良性采补。
渠井灌区是指渠道工程引取地表水和机井提取地下水并且通过管理相互补充调配的灌区。这类灌区主要分布在我国北方地区，地表水不能完全满足农田灌溉，又有一定的地下水资源可利用，在地表水不足时提取地下水补充灌溉，在地表水丰沛的时候又对地下水进行补充。
3.按地形地貌分类
按地形地貌，我国灌区可分为山丘区、平原区、圩垸区、滨海区四种灌区类型。
山丘区灌区内地形较为复杂，常出现地高水低，耕地分散布置的现象，一般需要从上游河道引水灌溉，输水距离较长。因此，该类灌区干、支渠道高程较高，渠线较长且弯曲较多，深挖高填渠段较多，沿渠石方工程和交叉建筑物较多。在该类灌区，渠道常和沿途的塘坝、水库相联，形成“长藤结瓜”式水利系统，以求增强水资源的调蓄利用能力和提高灌溉工程的利用率。因此，应遵循“高水高用，低水低用”的原则，以蓄为主，蓄、引、提相结合；以小型灌区为基础，大型灌区为骨干，建立大、中、小型灌区联合运用。
平原区灌区可分为冲积平原灌区和山前平原灌区。冲积平原灌区大多位于河流中、下游地区，地形平坦开阔，耕地集中连片。而山前平原灌区位于洪积冲积扇上，除地面坡度较大外，也具有平原区的其他特征。平原灌区的地下水资源比较丰富，可根据水文地质条件和灌溉用水的需要，合理开发利用地下水，使地下水与地面水统一调配，综合利用，充分发挥效益。
圩垸区灌区主要分布于我国南方各主要河流的中、下游沿江滨湖地区，由于水网密布、湖泊众多、地势低洼、水源丰沛、洪水位高于地面等特点，逐步形成了圩垸地区。圩垸渠底的共同特点是地形平坦，大部分地面高程都在江（湖）洪枯水位之间，每逢汛期外河（湖）水位常高于地面，圩内积水无法自流排出，渍涝成灾。在圩垸区灌区普遍采用机电排灌站进行提排、提灌，洪、涝、渍灾害威胁严重。面积较大的圩垸，要采取联圩并垸、修筑堤防涵闸等一系列工程措施，按照“内外水分开，高低水分排”，“以排为主，排蓄结合”和“灌排分开，各成系统”的原则，分区灌溉或排涝。
滨海区灌区常位于河流下游，其特点是水源比较充沛，地面平坦，水道纵横，可以利用潮水进行灌溉。但由于其地势低平，上有江河洪水，下有海潮倒灌，所以洪涝灾害也比较频繁，特别是低洼的地区，不仅内涝严重，而且地下水位高，对于农业生产十分不利。因此，洪、潮、渍、涝、风、咸是滨海区灌区的主要灾害。部分咸田由于缺乏淡水冲洗，每年都要遭受不同程度的盐害。对于这些地区，一方面需采取防止咸潮入侵的措施；另一方面需引蓄淡水，解决农田灌溉和人畜饮水问题，做到拒咸蓄淡，适时灌排。
2.1.2 灌区系统的组成
灌区系统是一个半人工的生态系统，它是依靠自然环境提供的光、热、土壤资源，加上人为选择的作物和安排的作物种植比例等人工调控手段而组成的一个具有很强的社会性质的开放式生态系统。
一个较为完整的灌区系统，由以下六个最基本的要素组成，即取水工程、输配水工程、田间灌溉工程、灌区用水户、灌区管理机构和灌区管理制度。
1.取水工程
取水水源可区分为地表水和地下水。在地表水中，通过人工修筑截流的拦水坝等集水工程而形成水库，由于这种水源受水库的调节，故其水源特点为水量较大而且水源相对稳定；而通过修建引水工程或提水工程（如水闸，泵站等）等措施直接从大江、大河引入或提水而取得的水源，都是直接引用江河水流而形成的灌区，这种水源的特点是受流域或集水区天然降水或河道径流量的影响较大，并随着江河流域工农业生产的不断发展和持续性干旱气候，这种水源存在着日益突出的问题。随着经济的发展，工业用水与农业用水的矛盾，加上城市化发展后日益集中的城市人口的生活用水增加，争水的矛盾日益突出。在几乎所有大江大河两岸都密集分布着各种大小不等的城市，江河既成为城市居民生活用水和城市工业用水的重要水源，也充当着城市工业废水和居民生活污水的排出通道。为此，随着对清洁水源需求量的持续提高和废弃污水的不断增加，共同消耗着原本属于灌溉水源的水质和水量。所以，对灌区来说，加强水源管理，确保水源清洁成了灌区管理的重要任务和目标。地下水提取的水源，新疆的坎儿井是我国古人发明的通过建立地下引水工程的特殊取水技术，已应用至今。对于水资源紧缺的地区，如何不让地下水位持续下降，做好地表水与地下水的采补平衡是灌区管理的重要内容之一，特别是在我国黄河流域存在盐碱化问题的灌区，在控制地表水和地下水之间的平衡方面，通过多年的灌区管理取得了丰硕的管理技术和经验。
2.输配水工程
输配水工程的作用是把灌区水按照需要从水源地运往目的地。在输配水系统中，根据与水源和灌溉田块之间的距离，又可以区分出总干渠（干管）、支渠（分支）、斗渠和农渠四级固定渠道或管道，并最终达到用水户或灌溉田块（农田）。灌区内的所有输配水工程，从理论上讲应当属于公共灌溉设施。但不同级别的渠道，其公共性范围和程度有所不同，其中愈是接近水源的渠道，其规模往往愈大，而且对下游的控制力也愈大，它们的公共性也愈强；愈是接近农田的末级渠道，一般规模愈小，控制力愈小，公共性相对也愈弱。
3.田间灌溉工程
田间灌溉工程通常指灌区最末一级固定渠道（农渠）和固定沟道（农沟）之间的条田范围内的临时渠道、排水小沟、田间道路、稻田的格田和田埂、旱地的灌水畦和灌水沟、小型建筑物以及土地平整等农田建设工程。做好田间灌溉工程是进行合理灌溉，提高灌水工作效率，及时排除地面径流和控制地下水位，充分发挥灌排工程效益，实现旱涝保收，建设高产、优质、高效农业的基本建设工程。田间工程要有利于调节农田水分状况、培育土壤肥力和实现现代化。为此，田间工程应做到：
（1）有完善的田间灌排系统，做到灌溉配套，运用自如，消灭串灌串排，并能控制地下水位，防止土壤过湿和产生土壤次生盐渍化现象，达到保水，保土，保肥。
（2）田面平整，灌水时土壤湿润均匀、排水时田面不留积水。
（3）田块的形状和大小要适应农业现代化需要，有利于农业机械作业和提高土地利用率。
4.灌区用水户
灌区用水户就是水源和渠系工程供水的用户，包括工业供水、城市生活用水、环境用水以及所能扩展或覆盖的农田灌溉用水。用水户是灌区最终受益、发挥效益的地方。
5.灌区管理机构
灌区管理机构是由各级政府针对骨干工程管理专门成立的工程管理单位，骨干工程的固定资产归国家所有，它代表政府行使对江河水资源的有效、合理、科学地调配与管理。
6.灌区管理制度
灌区管理制度包括工程管理、用水管理、组织管理、经营管理等。
以上各部分作为组成要素，有机地构成一个完整的系统，称为灌区系统。同其他系统一样，灌区系统管理也要适应灌区所在地域的环境，主要包括自然环境、社会环境两大类。其中，适应自然环境主要依靠先进的技术和积累的经验，把握灌区管理自身的特点与之相适应；适应社会环境主要依靠政策和社会宣传等方面形成一定的社会氛围和环境，并以法律政策为根据，依法从事各项灌区管理工作。
2.1.3 灌区的特点
1.公益性
灌区是不以盈利为目的的农业基础设施，属于公共工程。大中型灌区规模较大，建设投资较多，少则几百万、几千万元，多则几亿、几十亿元，一家一户的农民建不起，甚至地方政府也没有足够力量兴建。灌区的服务对象是弱质产业——农业，主要任务是生产特殊商品——粮食，它的直接经济回报率较低，效益主要体现在社会效益，即促进粮食高产稳产，农民增产增收，保持社会稳定，为国民经济健康快速发展奠定坚实的基础。以盈利为目的的私人资金、社会资金不会投向灌区。因此水利产业政策规定，骨干灌溉工程由政府拨款建设，国外的大中型灌区也多是这种情况。灌区供水是保证农业生产正常进行的基础性服务，大旱的关键时刻，几天灌不上水，作物就会减产，甚至绝收，农民一年的生计就成问题。政府投资兴建的灌区有责任和义务为受益区众多用户提供周到服务。
2.可经营性
水利工程供水，特别是非农业用水，如向工业和城市生活供水，其经营性比较明显；但农田灌溉工程是改善农业生产条件的基础设施，其经营性不明显。农田灌溉对促使作物增加产量、提高农产品品质、增加农民收入的作用显著，在蔬菜、花卉、瓜果等经济作物生产上表现尤为明显。为此，对主要为农田灌溉服务的工程，其可经营成分主要体现在为农业增产与农民增收服务。农业供水和灌溉服务具有一定的商品属性，应当遵循商品交换的价值规律，尽可能做到核算灌区运行维护成本，受益者即农民用水户向灌溉管理者付费，在其承受能力范围内尽可能做到补偿运行维护成本损耗；而灌区工程的更新改造费用应纳入政府预算计划内开支。
3.垄断性
灌区所用水源、输配水工程设施及其所处的地理位置和地形条件，均属于公共资源，在一定条件下具有唯一性。灌区的受益范围、服务对象相对固定，不存在也不可能进行市场竞争。除非灌溉水源枯竭或灌区土地“农转非”，否则灌区管理单位不会破产、倒闭。因此，农田灌溉服务属“特殊商品”，具有天然垄断性。
4.不确定性
灌区取水口处的河道来水，由于水气循环和气候变化的不确定性，使得水利工程引水具有不确定性。同时，农作物从播种到收获等耕作栽培活动，农时相对固定，而灌溉水源、灌水时间、灌水次数都与天然降水密切相关，有很强的不确定性。久旱不雨，作物需要灌溉，但河道来水可能不足，灌区生产经营会陷入困境；也经常出现刚灌完水，一场大雨，使抗旱变成排涝。作为相对弱势产业的农业和弱势群体的农民，难以单独承担起变化后所造成的风险，各级政府有责任和义务提供保护和扶持。堤坝、渠系、水闸、泵站、机井等均建于露天地，常年受风吹日晒雨淋、水流冲刷、泥沙淤泥、山洪泥石流损毁、冬季冻胀破坏，加上季节性间断使用，给工程维护与管理带来了困难，造成了水利工程维护管理困难的特性。
由以上特点可以看出，灌区的建设与管理涉及水文水资源、生态环境、工程地质与水文地质、土木建筑、机电设备、土壤、生态环境、农学等不同专业；灌区的管理涉及法律、政策、市场营销、社会、历史、心理学等多个方面。为此，对灌区的建设与管理需要掌握系统工程的方法，采取综合措施，注重生产实践，对灌区管理者和从业者的素质有较高的要求。
2.1.4 灌区的功能
灌区系统的功能，主要表现在以下几个方面。
1.满足农业和国民经济发展对水资源需求的功能
农业是国民经济的基础，而水利则是农业的命脉。灌区系统是以水利系统为基础的农业综合生产基础地。即使在发达国家，农业生产对自然气候条件也是十分依赖的。而对于广大农民尚处于以自给自足为主要特征的自然农业的中国社会，农业对于人工水利和灌溉条件更是十分依赖，以至于许多尚未建立起灌区系统的地区，靠天吃饭仍然是农民的基本生存模式。有无灌溉条件，就成为一个地区农业发展水平和基础条件的重要衡量指标。
农田灌溉是灌区系统最重要的功能，这种功能确保具有季节性特征的农业生产在需要时，可以经由渠系将水源源不断地输送到农田，从而即使在气候十分严酷的条件下，人们也有基本的农业收成和生存条件保证。尽管水利工程系统主要是人类为了自己的生存而建立起来的人工系统，但这种系统对生态环境系统的间接作用同样非常重要。
2.集雨、蓄水的功能
集雨就是把降雨收集起来，以供不时之需；而蓄水则是把暂时不用的径流量储存起来，避免由于水流动性而沿着山溪、江河流失，从而确保整个区域有充足的水源和水量。集雨、蓄水功能是灌区系统中库坝型水源最重要的功能之一。在平原区，可以借助引水枢纽工程（如拦水坝、进水闸、提水泵站等）将江河水直接经由渠系引到农田；对高原和丘陵地区，借助人工库坝，把某一流域的自然降水和地表径流集中蓄存起来加以利用。灌区中的库坝型水源的集雨、蓄水功能，是灌区工程重要的连带功能。
3.拦洪、溢洪的功能
拦洪、溢洪功能并不是灌区系统的主要功能，但却是很重要的综合性功能，许多沟渠可以容纳部分雨洪；对山区的灌区工程设计时也考虑了坡面径流的入渠，以增加渠首不足的水量；对“长藤结瓜”式的灌区，在库坝的设计中，不仅考虑了流域水量的调配存蓄，而且也考虑了自身的拦洪和蓄洪能力。
4.排涝、排渍的功能
排涝即及时排出过多的地面水，而排渍即及时排出过多的土壤水。农田水分长期过多或地面长期积水，会使土壤中的空气、养分、温热状况恶化，造成作物生长不良，甚至窒息死亡。土壤水分过多，地下水位及地下水矿化度过高，排水不良等因素，常常引起土壤的沼泽化和盐碱化。因此，若使农作物具有良好的生长环境，获得较好的作物收成，要重视解决排水除涝防渍问题。
5.补给地下水的功能
灌区地下水位多年和年内变化明显受灌溉影响。灌溉后地下水位上升，停灌后下降；灌水量多，则上升幅度大；灌水量少，则上升幅度小。灌区内排水则是对灌溉的反调节，排水系统完善，灌溉引起的地下水位的上升就可以控制在一定的范围内。平原型灌区，长历时的灌溉，补给地下水会越来越多，多年平均地下水位也就越来越高。灌水量过大，渠系水利用率不高，排水系统不完善或无排水的灌区，开灌后数年之内地下水位就有可能接近地表。我国北方渠灌区地下水位年变化动态以一年为周期。
井灌对地下水环境的影响与渠灌相反，抽取水量越多，水位下降就越多，下降面积越大，持续且长期发展下去，就有可能破坏区域的地下水资源，造成地下水枯竭，地层下沉等问题。为此，渠井双灌灌区，必须开展地下水动态观测，努力做到地下水资源采补的动态平衡。
6.文化发展的功能
灌区的建成成为加强农村社区成员之间联系的纽带和平台，培育和产生合适的协调沟通与参与管理方式，使人们自觉维护好对灌区管理的集体主义，相互合作和监督，促进农村和谐、社会的发展。
7.为农业技术推广创造条件的功能
许多农业技术如品种改良、施肥、耕作等新技术的推广离不开灌溉措施的配套，在灌溉过程中农业技术的推广应用和灌溉技术的结合，可以使粮食产量更上一个台阶。
2.1.5 生态灌区简介
传统的灌区建设和节水改造是以灌区水利工程效益最大化为主导，强调多引水、多浇地，但这种以工程水利为主导的灌区建设往往过度重视灌排工程的输配水效率和灌排能力而忽视了灌排工程对区域的生态环境影响，导致我国许多灌区存在盲目扩大灌溉面积、水资源利用效率低下、过量使用化肥农药等现象，造成了水资源短缺、灌区及其流域水环境污染、土壤次生盐碱化、地下水位持续下降及大面积地下水漏斗、流域下游植被与湖泊湿地萎缩等问题，因此需要我们将灌区及其流域视为一个完整的生态系统来认识，即生态灌区。
生态灌区是指在整个灌区空间范围内，以农业生产和人居环境质量为导向，以农业生物为主的各种生物成分和非生物成分组成的“人工—自然—社会”复合生态系统。是在人与自然和谐理念指导下，以维持灌区生态系统的稳定及修复脆弱的生态系统使其形成良性循环为目的，通过灌区水资源高效利用、水环境保护与治理、生态系统恢复与重构、水景观与水文化建设、灌区生态环境建设基准及监测管理方法等多方面的生态调控关键技术措施，形成的生产力高、灌区功能健全、水资源配置合理、生物多样性高而单位水量提供的生态服务功能最大的节水型灌区，是现代化灌区发展的高级阶段。主要有农业生态系统、沟渠与河湖生态系统、林草生态系统。
1.农业生态系统
由农业环境因素、农作物、各种动物和微生物等要素构成。主要承担生物生产、提高产品品质和改善人民生活质量、气候调节净化、土壤保持、水分调节、养分循环与储存、维持生物多样性及基因资源、传粉播种、病虫草害控制以及景观价值服务等多重生态服务功能。
2.沟渠与河湖生态系统
由灌区内输水渠道、排水沟道、水库、塘坝、河流、沼泽、湿地等要素构成。主要承担输水排沙、调洪蓄水、水资源蓄积、水质净化、生物多样性维持等生态服务功能。
3.林草生态系统
由乔、灌、草及相应的动植物等要素构成。主要承担涵养水源、气候调节净化、景观价值、土壤保持等服务功能。
在全球水资源危机的背景下，灌区已由单一生产功能向肩负保障粮食安全、供水安全、服务节水型社会建设和水生态环境保护、农村景观建设等多重任务发展，生态灌区的建设是未来灌区发展和社会主义新农村建设的必然要求，前景广阔。