灌区是生态系统的有机构成，《灌区水土资源均衡配置与健康评价：理论与实践》以系统的思维，聚焦灌区生态系统水循环及其伴生的生态环境过程的健康发展，以灌区水土资源均衡为手段，以水-土-粮食-生态协同发展为目标，在理论方法、技术支撑、实践操作三个层面阐述了保障现代化生态灌区健康发展的理论，提出了灌区水土资源均衡配置与生态健康发展评价理论方法和现代化生态灌区健康监测与决策反馈模式，并以宁夏引黄灌区贺兰县灌区为对象，进行了理论应用，相关成果可为现代化灌区健康发展提供借鉴。

目录
前言
第1章 绪论1
1.1 我国灌溉农业发展状况及存在的问题1
1.2 现代化生态灌区建设的必要性9
1.3 现代化生态灌区建设的研究现状11
1.4 主要内容与总体思路16
第2章 基于水土资源均衡发展的现代化生态灌区的内涵与建设发展的理论基础18
2.1 灌区建设中水土资源的作用及其生态系统特点18
2.2 现代化生态灌区内涵界定21
2.3 现代化生态灌区建设的理论基础22
第3章 灌区水土资源均衡配置与健康评价理论方法28
3.1 水土资源均衡配置的内涵28
3.2 灌区水土资源均衡配置模型32
3.3 现代化生态灌区健康评价指标体系与评价模型36
第4章 现代化生态灌区健康监测与决策评价模式56
4.1 监测网络模式构建的原则与主要建设内容56
4.2 监测网络模式建设设计61
4.3 决策支持系统模式构建71
4.4 决策支持系统构建的基本原则与总体框架设计74
第5章 宁夏引黄灌区现代化生态灌区建设状况79
5.1 宁夏引黄灌区建设与水土资源开发利用现状79
5.2 引黄灌区现代化生态灌区建设的重要性88
第6章 贺兰县灌区水土资源均衡配置90
6.1 研究区域基本情况90
6.2 水土资源均衡配置基本单元划分与网络概化92
6.3 “双总量”约束下水土资源均衡配置模型构建93
6.4 水土资源均衡配置方案设置与灌区水土资源供需预测106
6.5 不同方案水土资源均衡配置结果113
第7章 水土资源均衡配置方案下现代化生态灌区健康评价125
7.1 现状现代化生态灌区健康状况125
7.2 不同配置方案下贺兰县生态灌区健康评价154
第8章 灌区健康监测网络设计161
8.1 示范区概况161
8.2 野外监测实体网络161
8.3 监测感知网络系统构建163
第9章 主要结论与建议167
9.1 主要结论167
9.2 建议169
参考文献170

第1章 绪论
　　1.1 我国灌溉农业发展状况及存在的问题
　　1.1.1 灌溉农业发展状况
　　我国幅员辽阔，气候条件复杂多样，农业生产受水、热等要素时空分布的影响较大。水是农业生产核心的控制因素，由于全国水资源丰枯变化大、区域分布不均，水土资源错位分布，加上自然来水与农作物生长季不相匹配，加剧了农业生产对水的依赖；人多地少水缺的资源禀赋特征又加剧了农业发展对水的需求。在供需时空严重不平衡的自然条件下，灌溉农业的出现有效改善了不利的自然禀赋。为促进粮食生产，保障社会安全，政府始终重视灌溉农业。在全球气候变化影响日益突出、世界经济复苏脆弱的新情势下，保障国家粮食安全、生态安全和水安全成为当今时代必须面对的新问题。灌溉农业集三者于一身，国家对灌溉农业的发展更加重视。2021年12月8日，习近平总书记在中央经济工作会议上的讲话中强调“中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手中”。灌区，特别是大中型灌区，作为我国重要的农业规模化生产基地和商品粮、棉、油的主力军，是保障国家粮食安全的重要基础，同时在农业经济发展、乡村振兴中发挥着重要的基础设施作用，在推进水资源节约集约利用、改善生态环境、涵养水源、减轻风沙威胁等方面均具有极为重要的作用，因而灌区的健康发展历来受到重视。
　　纵观历史，从大禹治水以来，我国农田水利事业已历经4000多年的发展历程，因地制宜地创造了多种形式的农田水利工程，巧妙和高超的灌溉技术有效支撑了中华文明的延续。据《周礼》等相关历史文献记载：公元前2000年左右，大禹治水发明了沟洫，沟洫又按照功能不同和所控制灌溉面积的大小分为浍、洫、沟、遂、畎、列，各级分别起着向农田引水、输水、配水、灌水和排水作用，初步形成了有灌有排的农田灌排体系。公元前246年（秦王政元年），韩国水工郑国在今天的陕西省泾阳县主持兴建了西引泾水东注洛水的著名灌溉工程——郑国渠；公元前95年（汉武帝太始二年），修建了与郑国渠齐名的白渠；之后在渭水及其支流上，先后形成了蒙茏渠、灵轵渠等灌溉渠系。渭河流域灌溉水利工程对关中经济繁荣发展发挥了极为重要的作用。此后，在治理黄河的泛滥改道过程中，沿黄流域修建了大量的引黄灌溉工程，在其支流湟水、汾河以及黄河中下游发展了大量的灌溉面积，建成了汾河灌区、河套灌区等，有效促进了沿黄地区的农业繁荣，带动了西域发展。沿用至今仍发挥作用的四川都江堰、安徽寿县的安丰塘（古称芍陂）和拒碱蓄淡的福建木兰陂等灌溉工程，也是水资源丰沛的长江流域灌区发展的历史见证。
　　中华人民共和国成立以来，在粮食刚性需求增长的驱动下，我国灌溉农业先后经过农田水利基础建设、节水技术的推广应用等发展，不断克服水土资源竞争日益严峻的情势，创造了以占世界不足10%的耕地和6%的可再生水资源，养活了占世界22%的人口的佳绩。灌区作为灌溉农业的主力军，更是功不可没。其间，我国灌区发展先后经历了四个阶段：① 中华人民共和国成立初期至改革开放前（1949～1978年），以抵御自然水旱灾害为主的灌区规模快速发展期；② 适应改革开放政策（1978～1998年），以满足粮食和农产品多样性需求为主的灌区规模缓慢增长期；③ 节水灌溉面积发展阶段（1999～2015年），以响应节水灌溉政策为目标，开展节水为重点的灌区水资源高效利用发展期；④ 2015年以来，为响应生态文明建设，灌区进入了节水生态化发展期。随着灌区数量和质量的不断发展，我国粮食安全得到了有效保障。
　　根据《中国水利统计年鉴2021年》资料分析（图1-1和图1-2)本书全国数据暂不含港澳台地区。，我国万亩以上灌区数量由1978年的5249处增加到2020年的7713处，相应耕地有效灌溉面积达到5.046亿亩1亩≈666.67m2。，占全国耕地有效灌溉面积的48.6%。其中，大型灌区（30万亩以上规模）由1978年的148处增加到2020年的468处，有效灌溉面积增加到2.70亿亩，约占全国耕地面积的14.1%。中型灌区（1万～30万亩）由1978年的5101处增加到2020年的7245处，有效灌溉面积增长到2.346亿亩，约占全国耕地面积的12.2%。同时，国家先后在“十二五”“十三五”时期持续加大大中型灌区续建配套与节水改造投入，灌区节水灌溉面积得到发展，灌溉水利用效率持续提高，有效遏制了灌溉效益衰减的局面，提升了农业综合生产能力。据统计，2020年，灌区病险、“卡脖子”及骨干渠段严重渗漏等突出问题得到基本解决，全国大型灌区灌溉水利用系数提高到0.525，大中型灌区亩均实灌水量平均减少100多立方米，新增节水能力260亿m3，灌水周期平均缩短3～5天，灌溉水利用效率和效益显著提升。
　　灌区数量和规模增长及用水效率的提升，有效保障了我国粮食生产和农产品产量。根据历年《中国水利统计年鉴》数据显示，到2020年底，我国耕地有效灌溉面积达到10.37亿亩，占全国耕地面积的54.1%，灌溉耕地上生产的粮食约占全国粮食总产量的75%、经济作物约占全国的90%，其中占全国总耕地面积24.8%的大中型灌区耕地灌溉面积上粮食产量约占全国粮食总产量的50%（韩振中，2021），仅大型灌区耕地灌溉面积上粮食产量就占全国粮食总产量的27%，成为我国粮食生产的主战场。我国灌区粮食平均亩产570kg，是旱地粮食平均亩产的2.9倍；灌溉对我国粮食增产贡献率大致为56.74%（康绍忠，2020）。灌区在保障粮食安全中发挥着极为重要的作用。
　　图1-1 万亩以上灌区数量的变化
　　图1-2 万亩以上灌区灌溉面积的发展
　　但是，随着耕地向北转移，粮食主产区向常年灌溉区集中，万亩以上的灌区中，近80%集中在水资源丰富、土地较为不足的长江区和土地资源丰富、水资源匮乏的华北区、西北区（图1-3和图1-4），水土资源的不均衡性约束越加突出。加上追求高投入高产出的不合理生产方式带来的生态问题，严重威胁着灌区的可持续发展。
　　图1-3 2000～2020年万亩以上灌区灌溉面积分布状况
　　图1-4 2020年万亩以上灌区（数量和控制规模）分布状况
　　1.1.2 灌溉发展面临的挑战
　　灌溉农业在保障粮食安全和社会稳定中发挥了重要的作用，其中灌区功不可没。但是，人均水资源少、耕地亩均水资源量不足、水土资源匹配错位等是影响我国粮食生产的本底因素。在气候变化和区域快速且不平衡发展过程中，水资源开发利用程度不断加大，区域水资源承载力下降并引发了一系列与水相关的生态环境问题，均波及灌区的生态健康。与此同时，全球气候变化对水资源和农作生长影响的不确定性增加、粮食生产向北方转移，这些不利因素更加明显。加上大中型灌区建设比较早，建设标准低、运行时间久、历史欠账多，尽管经过了多年的节水改造，但灌溉水源工程建成后与此相配套的一系列工程和非工程措施仍存在突出短板，难以适应新的形势。面对我国未来粮食的刚性需求和生态保护与高质量发展，灌溉农业发展面临着诸多问题与挑战，无不与灌区的健康密切相关。集中体现在以下四个方面。
　　1）我国水资源本底差，安全状况不容乐观，灌溉可用水资源受到约束
　　我国位于亚欧大陆东部和太平洋的西岸，有着巨大的海陆热力性质差异，从而形成了世界上*为典型的季风气候区。由于水资源人均/亩均占有量少，时空分布不均，以及水土资源错位等先天不足，在现状发展情势下，水资源安全状况更加不容乐观。
　　根据中国第二次水资源调查评价成果，我国多年平均降水量6.18万亿m3（1956～2000年）；多年平均水资源为2.8万亿m3，人均和耕地亩均水资源分别为2200m3和1440m3，是世界平均水平的1/4，位列世界第121位，是世界13个人均水资源*贫乏的国家之一。尽管近10多年（2010～2020年）受气候变化的影响，全国水资源量较第二次水资源调查评价略有增加，但变化并不显著，空间上依然呈现为南多北少分布，其中南方占68.5%，北方占31.5%。同时，受地形地貌影响，在南北大格局下，全国降水量总体又呈现由东南向西北递减趋势，而土地资源南北方分布比例分别为35.4%和64.6%，其中西北五省（自治区）（陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆）占13.25%（中国统计年鉴2022年数据）。水土资源错位分布加剧了水资源的不安全性（表1-1）。各区域水资源本底差异大，承载力下降，严重制约着区域经济社会的发展。农业作为用水大户，水资源承载力不足对灌溉农业、灌区发展的制约性愈加突出。
　　表1-1我国区域水资源安全状况
　　根据《中国农业水资源高效利用战略研究：农业高效用水卷》（王浩和汪林，2018），我国主要粮食生产区——黄淮海地区、松花江流域、长江中下游地区水资源开发利用均趋于上限。其中，农业发展较为集中的黄淮海地区以及山东半岛，由于水资源与经济社会发展匹配关系差，区域水资源开发利用率均在70%以上，生态环境持续恶化，直接影响着农业灌溉的发展。尚有一定水资源承载力的松花江流域、淮河上游和下游地区等适宜农业发展的区域，目前水资源开发利用率也已接近50%；长江流域中下游平原的主要粮食产区，尽管水资源总量相对较高，但也存在水质型缺水问题。由于水资源禀赋差，加上生态环境脆弱，土地资源相对丰富、灌区数量和规模占比较大的西北干旱地区，目前水资源开发利用率也已超过50%，挖掘潜力有限，成为典型的资源型缺水地区。根据全国水资源综合规划成果，全国年缺水总量约为536亿m3，其中农业缺水约300亿m3，工程性、资源性、水质性、管理性缺水并存。灌区也将面临类似问题，可供水资源也将受到影响。
　　2）耕地资源禀赋差，随着城镇化和工业化推进，灌溉可利用土地资源趋紧
　　我国人多地少，耕地资源有限。受地形地貌影响，山丘比例大，干旱半干旱区与高寒区面积占比大，加之光热水土资源区域分布不均衡，我国有限数量的耕地上又增加了质量的限制。同时，耕地不合理开发与占优补劣等不良行为，进一步加剧了农业发展中土地资源的压力。
　　根据《中国统计年鉴2021》，截至2019年底，我国耕地面积19.19亿亩，人均占有量仅为1.34亩，不足世界平均水平的42%。耕地质量总体偏低。据《中国1∶100万土地资源图》，全国耕地中，无限制的耕地面积仅占耕地总面积的28.92%；按照地理等级划分，全国耕地中优等和高等耕地仅占耕地总面积的32.65%。不合理开发利用造成的耕地质量退化和依然存在的“占补不平衡”加剧了耕地质量的天然不足。相关研究表明，大城市周边建设占用耕地的70%为优质耕地，中小城镇建设用地占用优质耕地达到80%。新增耕地则多分布在边远区域和丘陵山区，集中在降水稀少的干旱半干旱地区，而且多是限制因素较多的劣质低产田。
　　另外，可开发的耕地后备资源数量少且绝大多数处于生态脆弱的地区，面临水土资源不匹配以及开发潜力受到限制等问题。据国土资源部2016年底公布的后备耕地资源调查评价数据，全国后备耕地资源总面积8029万亩，其中65%零散分布。空间上，主要分布在中西部经济欠发达地区，其中新疆、黑龙江、河南、云南、甘肃5个省（自治区）后备耕地资源面积占到全国近一半，均受水资源和脆弱生态环境因素的影响，在当前的水资源开发格局下，难以合理利用。
　　面对耕地数量少、质量差且后备耕地资源开发潜力受限，农业可利用土地资源日益趋紧等问题，灌区土地数量保护和质量提升迫切在眉睫。