基于“以電折水”及灌溉回歸水重復利用的農田灌溉用水量統計方法研究

陳彩明，李其峰，陳 欣，王 磊，徐群華

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江省水資源管理中心，杭州 310007；3.浙江省南湖區水利局，浙江 嘉興 313100)

1 研究背景

農業用水是浙江省經濟社會用水的主要組成部分，根據《浙江省水資源公報2017》，2017年浙江省總用水量179.50 億m3，其中農田灌溉用水量71.31 億m3，占總用水量的39.7%，占比最高。由此可見，農田灌溉用水量統計數據的合理性和準確性對用水總量統計和水資源管理考核工作來說都是至關重要的。

浙江省灌區可分為山丘區自流灌區、平原河網提水灌區兩類，山丘區自流灌區主要分布在山區及浙南丘陵盆地地區，由于降雨多，山丘多，水源就近開發利用，建成了眾多的水庫、山塘、堰壩，形成了“長藤結瓜”式的多水源灌溉系統；平原河網提水灌區主要分布在平原河網地區，地勢低平，河網密布、相互貫通，灌區由眾多小型提水泵站組成，一個小型泵站具有獨立的灌溉系統，控制面積不大，相當于一個小微型灌區，因此平原河網提水灌區是由眾多小微型灌區組成的較大灌區。盡管山丘區自流灌區、平原河網提水灌區具有不同的灌溉系統，但在農田灌溉用水量統計中方法較為單一，尚未因地制宜采取適合各地實際的統計方法。目前常用的農田灌溉用水量統計方法如下：

(1)水資源公報中的農業用水量統計。從1998年開始，浙江省及各地市水資源公報編制工作統計了全省不同類型灌區種植結構和種植面積，主要采用定額法統計農田灌溉用水量和林牧漁畜用水量。但是水資源公報主要采用典型調查獲取行業用水指標定額測算用水總量的方法，大部分地區典型調查數量較少且代表性不強，統計精度有待提高，統計結果難以復核[1]。

(2)灌溉水有效利用系數測算中的毛灌溉用水量統計。從2007年開始，浙江省全省開展了農田灌溉水有效利用系數測算工作，采用以典型實測為主、調查統計為輔的方法確定樣點灌區毛灌溉用水量。然而我省灌區普遍存在水源數量多、灌溉面積交叉、其他用水混合、水的重復利用等情況，灌區規模越大，灌區用水情況越復雜。針對這些灌區的灌溉水量的研究工作目前還較為薄弱，幾乎不可能對灌區的所有水源進行實測。基于目前測算實際，為有效開展灌區用水量測算，適當簡化灌區水量獲取方法，提高實際操作性，為此，在樣點灌區內選取主要的灌溉渠首或水源，并布設量水設施，形成典型的“渠首計量點”并開展灌溉用水實測，通過對渠首計量點用水量的分析獲取該灌區的畝均灌溉用水量，然后將該畝均灌溉用水量推算至全灌區(“以點帶面”)。這種方法原理清晰易懂，可操作性較強，但是受樣點灌區數量少，未考慮灌區內回歸水利用等，農業用水量統計方法相對粗放。

(3)用水總量統計工作中的農業用水總量統計。按照2014年水利部《關于印發用水總量統計方案的通知》要求，對農業用水量統計明確提出了取用水大戶逐一計量統計、一般用水戶抽樣調查、綜合推算區域灌溉用水的技術方法，并要求設計灌溉面積667 hm2及以上的灌區全部作為農業用水直接統計對象，安裝合格計量設施或在線監控設施，通過直接量測統計灌溉用水量[2]。我省從2014年開始開展用水總量統計工作，用水統計工作依托現有的統計體系和思路，以水資源公報編制體系為基礎，特別是農業用水統計緊密結合農田灌溉水有效利用系數測算工作成果，逐步實現從現有行業用水統計過渡到以取用水戶對象統計為主的方式轉變要求。但是我省灌區結構以中小型灌區為主，且大都為多水源灌區，灌區內部水源工程面廣量大，受水資源監控計量設施建設資金少及后期運行管理難度大等因素制約，對灌區水源供水量進行監控并直接統計得到農業用水量的方法基本不可行。

針對目前各種統計方法存在的不足，結合浙江省農業水價綜合改革和浙江省國家水資源監控能力建設項目的研究成果，本文提出基于“以電折水”及灌溉回歸水重復利用的農田灌溉用水量統計方法，以解決平原河網地區農田灌溉用水量統計不精確的問題。

2 基于“以電折水”及灌溉回歸水重復利用的農田灌溉用水量統計方法的提出

灌溉用水量是指灌區灌溉面積上要求水源供給的總灌溉水量，其大小及其在年際和年內的變化情況與各種作物的灌溉制度、灌溉面積、作物種植結構、土壤、水文地質、氣象條件以及渠系輸水和田間灌水的水量損失等因素有關。我們通常的說的農田灌溉用水量是指水源供給農田的總灌溉水量，尚未扣除灌溉回歸水的重復利用量。

2.1 “以電折水”農田灌溉用水量統計方法的提出

2016年國務院辦公廳印發的《關于推進農業水價綜合改革的意見》(國辦發[2016]2號)和浙江省人民政府辦公廳印發的《浙江省農業水價綜合改革總體實施方案》(浙政辦發〔2017〕118號)文件中均提出了水利工程供水要安裝和完善計量設施，推行計量收費，按水量收取水費[3,4]。水利部《關于開展縣域節水型社會達標建設工作的通知》(水資源[2017]184號)要求南方地區農業灌溉用水計量水量(指有計量設施的農業取水口灌溉取水量)占農業灌溉用水量總量的比例大于等于60%[5]。

與山丘區自流灌區具有明顯的水源相比，平原河網提水灌區以河流為取水水源，每個提水泵站即為水源，若想對平原河網提水灌區進行農業用水計量則需在每個提水泵站安裝計量設施[6]。

浙江省嘉興市南湖區灌區屬平原河網提水灌區，共有提水泵站1 158 個，如果全部都安裝計量設施，每套計量設施按中檔標準8 000 元計算，共需投資927 萬元，費用較大，因此全部安裝計量設施難以實現，采用“以電折水”測算農田灌溉用水量是最佳選擇。

“以電折水”是根據用電量進行水量換算，其原理是機組功率與流量有關，當河網水位變幅不大時，機組效率可認為不變。因此只要事先通過率定，求得水泵提水量與電量的關系，即每度電的提水量，以后使用時，只要統計用電量即可。河北省在2017年出臺了相關文件，明確提出了農業用水采用“以電折水”求得農田灌溉用水量[7]。由此可知，通過“以電折水”求得農田灌溉用水量是一個有效途徑。

2.2 灌溉回歸水的提出

農田灌溉回歸水是指灌溉水由田間、渠道排出或滲入地下并匯集到溝、渠、河道和地下含水層中，成為可重復利用的水源。其產生的原因主要有以下方面：灌溉渠道的滲漏、退水和跑水；田間滲漏流失的水和稻田的排水；鹽堿地的沖鹽洗堿排水或澇漬地排水。主要是因為灌溉用水具有尺度效應，從水資源管理角度和開發利用角度來看，空間尺度上可分為田間灌溉用水、灌區灌溉用水和區域灌溉用水；水源尺度可分為地表水灌溉用水和地下水灌溉用水。在農田灌溉水利用系數計算中，作為區域灌溉用水，如果以單一灌區來說，灌區渠系和田間產生的滲漏水、退水、跑水屬于灌溉水的損失，但這部分水量在下游可重新被重復利用作為當地的灌溉水源，因此，在計算農田灌溉用水量時這部分水量理應扣除。

3 基于“以電折水”及灌溉回歸水重復利用的農田灌溉用水量統計方法的計算過程

3.1 “以電折水” 農田灌溉用水量計算

(1)典型泵站的選擇。首先對研究區的提水泵站按型號、口徑、使用年限進行分類，典型泵站選取以主要型號泵站為主、其他型號泵站兼顧的原則，需涵蓋研究區各種型號不同口徑的泵站，同時選取時充分考慮新舊程度等工程設施條件，泵站數量記為i=(1，2，3…，n)。

(2)率定儀器的選擇。水泵單位時間內的出水量即流量，對于能在管道上測試流量的泵站，可采用便攜式超聲波流量計進行測定。便攜式超聲波流量計一般測量的管徑范圍為20～6 000 mm，適用于飲用水、河水、海水、工業污水、化工流體、燃料油等各種流體，采用外夾式傳感器非接觸的測量方式測量液體流量，沒有活動機械部件，不受系統的壓力和惡劣環境的影響，測量過程不需破壞管道，不需停產，傳感器不與被測介質接觸，無壓損，具有操作簡單、測量精度高(優于1%)、一致性好、電池供電時間長等優點，目前已成功地應用于各行業的計量工作。

對于無法在管道上測試流量的泵站，參照《灌溉渠道系統量水規范》GB/T21303-2007，采用便攜式流速儀測定。便攜式流速儀一般測量流速范圍0.05～15 m/s，流速測量分辨率1 mm/s，流速測量精度±1.5%，水深使用范圍0～40 m。

(3)率定方法。泵站出水量率定：在傳感器安裝好后，待泵站出水量穩定后開始測定流量，每隔5 min讀取一個流量數值，連續測定半小時以上取得一系列流量數據，取平均值算得常水位下的泵站流量q。

泵站用電量率定：率定的泵站大部分都安裝了三相三線智能電能表，精度為0.01 kWh，泵站單位時間出水量對應的用電量采用直接讀取電表同時段耗電量的方法獲取。待泵站出水量穩定時，與流量測定同步進行，采用秒表計時，記錄用電量，計算得到單位時間內的用電量，即功率W。

泵站單位電量的出水量計算方法：將同一時間段內獲得的泵站流量q和用電功率W采用下式進行計算，得到水泵單位電量的出水量。

I=q/w

(1)

式中：I為單位電量的出水量，m3/kWh。

(4)泵站灌溉用電量的獲取。各泵站用電量W可通過所在地供電局獲得。

(5)泵站灌溉用水量計算。在得到典型泵站單位電量出水量、各泵站灌溉用電量的基礎上，可得到泵站灌溉用水量為：

Qi=IiWi

(2)

式中：Qi為第i個泵站的灌溉期用水量，m3；Ii為第i個泵站的單位電量的出水量，m3/kWh；Wi為第i個泵站的用電量，kWh。

(6)農田灌溉用水量計算。研究區內農田灌溉用水總量為各泵站農田灌溉用水量之和：

(3)

3.2 基于系統動力學的灌溉回歸水計算

國內外專家學者研究表明，真實農田灌溉水利用系數計算的關鍵在于回歸水在不同尺度上的厘清和重復利用量的合理計算[8]，因此，對大尺度、大區域而言，如以灌片尺度進行灌溉水量統計，累加各灌片用水量，得到的灌溉水量遠大于灌區內田間消耗所需的水量，甚至大于灌區的來水量；但如以灌區尺度進行灌溉用水量統計，則灌片的灌溉回歸水屬于灌區內水的重復利用，故而灌區尺度統計的灌溉水量應不含該部分重復利用量。目前對于灌溉回歸水量的計算沒有一個很好的方法。

系統動力學主要是通過系統的建立和模擬，探討系統中的問題以及各項決策評估，用來分析研究信息反饋系統，探索如何認識和研究復雜系統動態行為運行機制，模擬開放系統特別是復合的各類復雜系統。Vensim是基于系統動力學原理開發出來的比較成熟的直接面對用戶的軟件。目前已經有人利用其進行水資源規劃、節水灌溉效益分析等，并取得了不錯的效果。采用系統動力學方法，用一系列的模擬技術及系統動力學工具Vensim來模擬田間水平衡[9]。

在水稻田系統的水文循環中，以水稻為研究對象，水田某一時段水量平衡方程為：

∑Q來水-∑W用水=∑ΔW土壤儲水

(4)

式中：∑Q來水為來水量之和，mm；∑Q用水為用水量之和，包括田間滲水變化量，mm；ΔW土壤儲水為田間儲水變化量，mm。

P+IR+RΔI-ET-Fd-ΔJ=ΔW土壤儲水

(5)

式中：P為降雨量；IR為灌水量，mm；RΔI為區域回歸水變化量，mm；ET為作物蒸騰蒸發量，mm；Fd為深層滲漏量，mm；ΔJ為田間滲水變化量，mm；ΔW土壤儲水為田間儲水變化量，mm。

區間回歸水變化量：

(6)

則回歸系數為：

β=∑RΔl/∑W來水

(7)

農田灌溉用水量計算：

W=Q(1-β)

(8)

4 實例分析

4.1 “以電折水”農田灌溉用水量計算

浙江省嘉興市南湖區灌區屬平原河網提水灌區，共有提水泵站1 158個，采用“以電折水”測算農田灌溉用水量，具體步驟如下：

首先對南湖區的1 158個提水泵站按型號、口徑、使用年限進行分類，典型泵站選取以主要型號泵站為主、其他型號泵站兼顧的原則，基本涵蓋了南湖區各種型號不同口徑的泵站，同時選取時充分考慮新舊程度等工程設施條件，本次共選取了9臺泵站作為典型泵站。在選定典型泵站的基礎上，采用便攜式超聲波流量計進行測定。經率定，南湖區各典型泵站率定結果如下[10]。

表1 南湖區各典型泵站率定成果

由表1可知，不同泵站單位電量的出水量數值介于27.79～48.82之間，相差較大，其主要原因泵的類型不同，如朱家浜泵站為自吸泵，長浜泵站為混流泵，盡管兩者額定功率均為15 kW，但是長浜泵站額定流量為792 m3/h，朱家浜泵站額定流量為510 m3/h，其取水能力是有差異，故而由此產生的差異是合理的。

在典型泵站率定的基礎上，統計2017年度各提水泵站用電量，乘以率定公式，可得到各泵站的提水量，求和累加可得到總提水量。經計算，南湖區2017年度各提水泵站總用電量為492.57 萬kW，“以電折水”得到的農田灌溉用水量達到1.628 5 億m3，農田灌溉用水量近1.35 萬m3/hm2，遠大于定額值，主要原因是采用“以電折水”的方法未考慮灌溉回歸水的重復利用，故“以電折水”得到的農田灌溉用水量不可直接作為水資源公報或用水總量統計中的農田灌溉用水量，需扣除灌溉回歸水。

4.2 基于系統動力學的灌溉回歸水計算

基于浙江省國家水資源監控能力建設項目(2016-2018年)嘉興市長水塘灌區水循環模擬與灌溉用水量統計模型研究，嘉興市長水塘灌區采用系統動力學工具Vensim來模擬田間水平衡。

長水塘灌區位于嘉興市，北到乍嘉蘇高速公路，南至蓮花橋港，設計灌溉面積0.43 萬hm2。長水塘灌區是杭嘉湖平原地區一個典型的河網提水型灌區，灌區以長水塘河、蓮花橋港和大橫港等河道為主要水源，以濮院港、建設港、宜橋港、人民橋港等為干渠，通過灌溉泵站提水至灌片。根據模型研究需要，長水塘灌區設置農業用水計量監測設施20處，其中灌溉水源取水口14處，灌溉排水口6處。圍繞長水塘灌區灌溉用水量統計問題，結合灌區農業用水計量監測設施布局和灌區農業灌溉用水實際，按照灌區水資源系統概化原則，灌區水循環系統是由水源工程節點、用水戶節點、河流、渠系等構成，為此長水塘共概化了23個灌片、23個泵站工程節點、24條供水線路以及23條回歸水線路建立了灌區水循環模擬模型，運用系統動力學分析了灌區灌溉用水量與其主要影響因素間的定量關系，根據模型計算，長水塘灌區2017年灌溉水回歸系數為0.34[11]。

鑒于長水塘灌區的地形地貌、氣候特征、水利工程布局、種植結構、管理方式等在嘉興市轄區范圍內具有很強的代表性，本次研究把長水塘灌區的回歸系數成果直接運用于南湖區的農田灌溉用水量統計中，則南湖區農田灌溉用水量為1.075 億m3。

5 結論及建議

(1)采用“以電折水”及系統動力學法得到的農田灌溉用水量既統計了全部用于農田灌溉的用水量，又扣除了灌溉重復利用的回歸水，計算方法較為可靠，可為水資源公報及用水總量統計中農田灌溉用水量的上報提供技術支撐。

(2)采用“以電折水”的方法受典型泵站率定成果及泵站管理水平影響較大。泵站單位電量的出水流量與工程的運行狀態有相關關系，隨著工程運行狀態的變化，如工程老化等，其參數相應也會變化，因此為保證測算精度，建議定期對典型泵站的單位電量的出水流量進行率定修正。同時泵站的電量不僅受農作物需水的影響也受泵站管理人員管理水平的影響，管理水平較高的鄉鎮，泵站用電量較為合理；管理水平較差的鄉鎮，泵站用電量偏大，導致計算得到的用水量偏大，為獲得合理的泵站用電量，建議提高泵站管理人員的管理水平，及時開泵關泵，按需供水。

(3)采用系統動力學獲得灌溉水回歸系數受田埂有效高度、水力傳導度、田塊長度及田埂高度、地面坡度、不同作物種植比例等因素的影響[12]，故其適用范圍有限，非相似灌片不能直接采用其相關成果，建議深入開展嘉興市長水塘灌區水循環模擬與灌溉用水量統計模型研究，調整相關參數，模擬不同狀況下的灌區用水情景，從而求得嘉興市五縣兩區的農田灌溉用水回歸系數，為其水資源公報及用水總量統計中農田灌溉用水量的上報提供技術支撐。