電水轉換法在地下水開采量計量中的應用
——以河北省滄縣為例

王向飛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北滄州061000）

電水轉換法在地下水開采量計量中的應用
——以河北省滄縣為例

王向飛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北滄州061000）

多年來，農業灌溉地下水開采量數據多為調查統計取得，受人為因素影響其精度較低。為了提高農業灌溉地下水開采量數據的精度，根據埋深分布測定了不同埋深區的機井潛水泵電水轉換系數，依據機井灌溉耗電量采用電水轉換系數計算開采量的方法，推算了滄縣2012年農業灌溉地下水開采量。該方法依據的基礎數據準確可靠，其計算結果具有較高的精度，能夠滿足最嚴格水資源管理制度中總量控制的需要，且易于實際操作。

開采量；耗電量；水電轉換；埋深區

1 前言

我國水資源的開發利用以農業為主，2012年全國農業用水占總用水量的63.6%，地下水又是北方地區的重要供水水源，北方省份地下水供水量則占有相當大的比例，其中河北、北京、河南、山西和內蒙古5個省（自治區、直轄市）地下水供水量占總供水量的一半以上[1]。長期以來，由于種種原因我國農業用水沒有直接計量，這給水資源的科學管理、配置帶來一定難度。近年來，國內一些學者對區域用水量監控工作開展了一些研究，如“基于遙感的農田灌溉用水量估算和地下水資源可持續利用方案研究”[2]，主要是利用遙感技術對遙感圖像進行解譯，獲取農業信息的精確分類結果，利用農業分類結果進行農業地下水灌溉需水量的估算。另外，“長江流域用水總量控制探討”[3]、“水資源用水總量控制與定額管理協調保障技術研究”[4]從不同角度對農業用水總量和地下水開采量進行了估算，以期解決水資源管理中農業灌溉用水量的計量問題。總體來看，農業灌溉地下水開采量因難以直接計量，統計數據缺乏科學性，也是一些科學研究未涉足的原因之一。以河北省滄縣為試驗區從農業灌溉抽水井機泵效能即耗電量與抽水量轉化角度推算了全縣農業灌溉地下水開采量，以期利用機井耗電量達到監測農業地下水開采量的目的。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

河北省滄縣位于河北平原中東部、黑龍港流域下游，處于華北沖積平原向濱海沉積平原過渡地帶。黑龍港流域是河北省糧棉主產區，該區地表水資源匱乏，地下水是工農業生產和生活飲用的主要供水水源。試驗區滄縣農業種植作物主要是小麥、玉米和棗樹，地下水資源的開發利用主要是深層地下水，機井深度在280～800 m，且區內深井數量較大，2011年滄縣可利用深機井2 099眼，其中農用井1 476眼，占深井總數的70%[5]。

2.2 試驗設計

（1）劃分埋深分區。試驗區由于多年超采深層地下水，地下水埋深大。同時，因為作物種植結構差異、地下水開采強度高低，不同地域埋深差別也較大，5月低水位期，區內深層地下水埋深在50～90m，個別點埋深達100m。為使本方法簡便易行、可操作，根據5月縣內埋深分布將全縣劃分大、中、小3個埋深區，埋深大于80m的區域為大埋深區，埋深在60～80m的區域為中埋深區，埋深在50～60m的區域為小埋深區。

（2）耗電量、出水量測試。試驗區內深井口徑30 cm，配套抽水機泵為深井潛水泵，功率多在25～30 kW。2012年3—6月的小麥灌溉期間，在全縣境內不同埋深區任意選取正在灌溉的抽水井進行機井潛水泵耗電量、出水量測試，小時耗電量由機井配套電表直接讀取，出水量在機井出水口利用多普勒流量計測量。小麥灌溉期間機井連續抽水，甚至多日不停泵，因此所測數據可視為機井潛水電泵在動水位下的耗電量和出水量。

3 結果與分析

全縣對37眼深井進行了出水量、耗電量的測試，測試深井密度平均為41 km2/眼。

式中：K為電水轉換系數；Q為出水量（m3/h）；d為耗電量（kW·A/h）。

按式（1）計算每眼機井的K值，并按埋深分區對K進行統計，結果見表1。

表1 滄縣深井電水轉換系數測試結果

由各埋深分區的K值和相應埋深區所有機井總耗電量（D）推算地下水開采量，即地下水開采量為W=K·D，則可得到全縣的月、年農業灌溉地下水開采量。2012年滄縣農業灌溉深層地下水開采量，見表2。

表2 2012年滄縣農業灌溉深層地下水開采量

3.1 深機井電水轉換系數（K）變化

深井潛水泵的功率與流量、揚程之間的關系為：

式中：N為功率（kW）；Q為流量（m3/h）；η為泵的效率（一般取0.8）；H為揚程（m）。

由此可知，理論上在揚程相同（地下水埋深相同）情況下，深井潛水泵功率與出水量比值是一定值，即揚程一定時無論泵的功率大小，消耗1 kW·h電所抽取水量是相同的，也就是電水轉換系數是一定值。但實際情況并非如此，受井泵磨損程度、灌溉出水口至井口距離遠近等因素影響，同一埋深（揚程）不同深井潛水泵的電水轉換系數并不一定相同，甚至差別較大，這也是不同埋深分區K變化區間相互交叉的原因。因此，在實際工作中應盡量加大機井測試數量，提高埋深分區平均K值的代表性和準確性，以提高開采量數據精度。由表1可以看出，大、中、小埋深區的K值變化區間雖有交叉，但埋深分區平均K值呈現較好規律性，即深井潛水泵消耗1 kW·h電，揚程大（埋深大）時出水量小，揚程小（埋深小）時出水量大，符合能量守恒定律。

3.2 開采量精度分析

由上述分析可知，農業灌溉地下水開采量的計量精度與機井月年耗電量和電水轉換系數的精度有關。由于電量需要農戶到供電所購買后方能使用，由供電所專人逐月查抄，即使個別井當月耗電量存有漏查，也會在下月補齊，不會影響到年度總耗電量，只是個別月份之間的差異。因此，機井月年度耗電總量數據應是準確的。電水轉化系數是按埋深分區計算的，埋深分區依據5月地下水埋深劃定，大、中、小埋深區的邊界區域在全年地下水動態變化中由大向中、中向小的轉變，按固定K值計算各月開采量會存在一定誤差，但是農業用水較為集中，由表2可以看出3—6月的地下水開采量占年開采量的80%，其地下水埋深分布與5月底埋深分布變化不大，因此用測定K值計算3—6月的開采量在精度上沒有問題，誤差主要存在于開采量占總量20%的其他月份，并且僅是埋深分區邊界區域因采用不同K值所帶來的計算誤差，由表1平均K值差看其誤差值很小，因此用固定K值計算的年度開采總量，其精度還是很高的。

4 結論

目前農業灌溉地下水開采量數據大多采用調查、估計的方法，精度較差，而電水轉換法依據機井潛水泵的耗電量和實際測定的電水轉換系數推算地下水開采量，基礎數據扎實可靠，因此計算結果具有較高的精度，能夠滿足最嚴格水資源管理制度中對總量控制的要求，且耗電量和轉換系數易于取得，該方法簡單且易于操作。

[1]中華人民共和國水利部.2012年中國水資源公報［R］.北京：中華人民共和國水利部，2014．

[2]殷銘.基于遙感的農田灌溉用水量估算和地下水資源可持續利用方案研究［D］.北京：首都師范大學，2011．

[3]陳進，朱延龍.長江流域用水總量控制探討［J］.中國水利，2011，（5）：42-44．

[4]裴源生，劉建剛.水資源用水總量控制與定額管理協調保障技術研究［J］.水利水電技術，2009，（3）：8-11．

[5]張志悅，段現輝.平原區域水資源用水總量監測模式研究［R］.滄州：河北省滄州水文局，2013．

TV214；P641.8

B

1004-7328（2014）06-0050-02

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.018

2014-09-10

王向飛（1978-），女，工程師，主要從事水文水資源研究工作。