單位耗電量取水量法估算地下水取水量方法初探

田 龍 蘇海波

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究背景

新疆位于亞歐大陸腹地，祖國的西北邊陲，北靠阿爾泰山，南接昆侖山，天山橫亙中央，上以天山為界，天山以南為南疆、以北為北疆，吐魯番、哈密一帶稱之為東疆。新疆遠離海洋，四周高山環抱，特殊的地理和地形地貌因素使新疆形成了典型的干旱氣候，從存量、降水量上來看新疆都是水資源匱乏的，隨著新疆社會經濟的快速發展，居民生活、工業、農業等生產用水需求不斷增大。

地下水因其開采便利、成本較低、取用靈活、水質較好等特點被大量開采，經統計，新疆多年平均地下水供水量已經占到總供水量的20%，成了保障新疆社會經濟持續健康發展的重要組成部分。近年來，由于地下水超采而引發的地下水位持續下降、湖泊濕地萎縮、泉水流量衰竭、坎兒井流量衰減、草場退化、土地沙化等一系列嚴重的生態環境問題，引起了各級黨委和政府的高度關注。摸清地下水開采量、進而合理控制地下水開采是水行政主管部門的必要職責，估算地下水開采量是當前地下水監測系統不健全背景下的唯一舉措。新疆地域遼闊，涉及的行政單位眾多，短時間內難以完成地下水監測系統建設，然而保護生態環境刻不容緩，需要我們及時采用必要手段應對實際情況。本研究主要為在地下水監測系統建立前，利用全國水利普查資料，提出不同區域單位耗電量取水量指標，利用實際用電量初步估算區域地下水開采量，為開展地下水監督管理提供計算依據。

2 研究方法

2.1 確定計算方法

2.1.1 理論計算法

機電井的工作原理是以電機為動力，帶動水泵，將地下水提取到地面或指定位置。從能量轉換的角度來看，是將電能轉換成重力勢能。理論計算公式如下：

(1)

式中：W為水泵的功率，W；S為抽水時間，s；g為重力加速度，9.8m/s2；h為提水高度,m；ρ為水的密度，m3/kg；V為水泵抽出水的體積，m3。

通過式(1)，在獲得提水高度和電量數據的情況下，可以得出理論的提水量，但是實際情況下提水量不僅與提水高度有關，還和水泵的運行效率有關，而水泵的運行效率與水泵的型號、水泵的使用年限等有著密切的聯系。水泵的運行效率在相關規范中有要求，但是實際過程中影響因素較多，導致各井差異較大，需要通過實驗獲得，但是目前并未開展全疆范圍的水泵運行效率普查工作，效率參數難以獲得。

2.1.2 單位耗電量取水量法

單位耗電量取水量法相對簡單直接，僅需獲取用電量和單位耗電量取水量參數即可，單位耗電量取水量參數通過實際運行可以直接獲得。單位耗電量取水量法計算公式如下：

M水=PK

(2)

式中：M水為水量，m3；P為抽水用電量，kW·h；K為單位耗電量取水量，m3/(kW·h)。

根據上述公式，僅需獲得單位耗電量取水量參數和用電量數據即可計算得出地下水的取水量。

2.1.3 計算方法的選用

上述兩個方法均需開展相關機電井抽水實驗，相對而言單位耗電量取水量法簡單直接，所需參數較少，實際運用廣泛，故本次研究選用單位耗電量取水量法進行分析。

2.2 數據來源

2011年全國開展了水利普查工作，在對機電井的普查過程中，單位耗電量取水量參數也作為一項重要指標進行了統計。截至目前，全疆再未開展過如此全面的普查工作，水利普查數據雖然距今時間較長，但2011年全國水利普查是由國家層面組織開展的，工作周期長、投入人員多、標準相對統一、專業性較強、數據較為全面，故對于沒有地下水監測設施的地區，仍有一定的參考意義。本次研究收集到新疆14個地州的水利普查機電井的單位耗電量取水量的數據，以此作為本次研究的數據源。

2.3 參數確定過程

2.3.1 數據代表性

本次研究共收集到新疆14個地州92705眼機電井的數據，其中有38176眼機電井開展了單位耗電量取水量參數的測算，占到了全部機電井的41%。其中烏魯木齊市開展實驗的機電井數僅占到全部機電井數的3%，代表程度最弱；阿克蘇地區全部機電井均開展了單位耗電量取水量參數的測算實驗，代表程度最好；代表程度超過50%的還有哈密市、喀什地區、和田地區，其余地區代表程度較弱。各地州機電井開展單位耗電量取水量實驗情況見表1。

表1 新疆各地州機電井開展單位耗電量取水量實驗情況

2.3.2 機電井單位耗電量取水量指標分布情況

對收集到的開展了單位耗電量取水量的機電井數據進行整理分析，研究區內機電井的單位耗電量取水量參數范圍在0.2～20.0m3/(kW·h)，其中烏魯木齊市、伊犁哈薩克自治州、阿克蘇地區、喀什地區的單位耗電量取水量數據相對集中，其余各地州的單位耗電量取水量數據較為分散。東疆、南疆比北疆數據相對集中。機電井單位耗電量取水量變化范圍見表2，機電井單位耗電量取水量頻數分布見圖1～圖14。

圖1 烏魯木齊市單位耗電量取水量頻數

圖2 克拉瑪依市單位耗電量取水量頻數

圖3 吐魯番市單位耗電量取水量頻數

圖4 哈密市單位耗電量取水量頻數

圖5 昌吉回族自治州單位耗電量取水量頻數

圖6 伊犁哈薩克自治州單位耗電量取水量頻數

圖7 塔城地區單位耗電量取水量頻數

圖8 阿勒泰地區單位耗電量取水量頻數

圖9 博爾塔拉蒙古自治州單位耗電量取水量頻數

圖11 阿克蘇地區單位耗電量取水量頻數

圖12 克孜勒蘇柯爾克孜自治州單位耗電量取水量頻數

圖13 喀什地區單位耗電量取水量頻數

圖14 和田地區單位耗電量取水量頻數

表2 不同區域單位耗電量取水量變化范圍

對各地州的單位耗電量取水量數據和頻數數據進行加權平均，計算結果見表3。由圖1～圖14可以看出：各地州單位耗電量取水量在2.3～6.4m3/(kW·h)，其中吐魯番市最小，為2.3m3/(kW·h)，喀什地區最大，為6.4m3/(kW·h)。對上述數據進一步整理，得出北疆的單位耗電量取水量為3.4m3/(kW·h)，東疆的單位耗電量取水量為2.8m3/(kW·h)，南疆的單位耗電量取水量為5.1m3/(kW·h)，全疆的單位耗電量取水量為4.4m3/(kW·h)。

表3 各地州單位耗電量取水量變化范圍

2.4 參數優化過程

根據上述分析，發現研究區內機電井的單位耗電量取水量參數范圍過大，由于存在代表性的問題，會出現所采用的加權平均單位耗電量取水量數據不能夠反映實際平均情況。鑒于這種情況，本次研究將結合區域地下水埋深情況，選取相應典型實驗數據進行分析，以期提出能夠反映各區域單位耗電量取水量平均水平的參考指標。

2.4.1 新疆各地區灌區淺層地下水埋深主要分布區域

本次新疆各地區平原區淺層地下水埋深主要分布區域依據《新疆地下水》中平原區淺層地下水埋深分布面積成果確定，該成果是根據1∶100萬比例尺水文地質調查、新疆各地區地下水資源開發利用規劃、典型地段水文地質勘探以及地下水動態監測資料整理而成的，是當前經過審查通過的權威成果。經整理，新疆各地區灌區淺層地下水埋深主要分布區域見表4。

表4 各地州平原區淺層地下水埋深分布面積統計 單位：km2

2.4.2 各區域典型機電井單位耗電量取水量參數

根據平原區淺層地下水埋深范圍，利用新疆水利普查機電井的地下水埋深和單位用電量取水量數據，整理匯總不同地下水埋深范圍的平均單位用電量取水量。經整理，各區域不同地下水埋深單位用電量取水量參數均值見表5。

表5 各地州不同地下水埋深單位用電量取水量參數均值統計 單位：m3/(kW·h)

續表

2.4.3 優化前后單位耗電量取水量參數對比

將優化前后的參數進行對比可以看出：全疆的參數減少了0.9m3/(kW·h)，北疆優化前后基本一致，東疆較優化前略有增加，南疆略有減少。參數優化前后對比情況見表6。

表6 各地州參數調整前后單位用電量取水量統計

3 結果與分析

按照行政區域以及地形地貌特點提出了新疆14個地州和3個分區的單位耗電量取水量指標，在此基礎上，考慮了不同地下水埋深分布面積對參數的影響。分析發現：北疆的克拉瑪依市單位耗電量取水量指標最小，為1.3m3/(kW·h)，南疆的喀什地區單位耗電量取水量指標最大，為6.6m3/(kW·h)，最大的指標與最小的指標相差了5倍，分析原因主要是喀什地區機電井的地下水埋深普遍較克拉瑪依市機電井的地下水埋深淺，假設機電井選取的泵型是合適的、效率是一樣的，結合計算方法，單位耗電量取水量與提水高度有關，同樣提取1m3水，喀什地區所需要做的功就要小于克拉瑪依市，因此喀什地區的單位耗電量取水量指標大于克拉瑪依市的指標；從區域上看南疆的指標普遍較北疆和東疆大，基本上都在3m3/(kW·h)以上，原因仍與地下水埋深有關；計算區域合計的平均指標大于北疆和東疆，主要是因為南疆地州開展單位耗電量取水量實驗的代表性普遍較高，基本上都超過了50%，且南疆開展該實驗的機電井眼數遠遠大于北疆與東疆機電井眼數之和，這就使得合計指標數據會向南疆的指標傾斜，這是由于數據的代表性造成的。

4 結 語

本次研究借助已有的新疆范圍內的單位耗電量取水量數據，經過整理、匯總、分析，最終提出了新疆14個地州以及北疆、東疆、南疆、合計的單位用電量取水量指標，為今后水行政主管部門初步復核地下水取水量數據提供參考依據，尤其是對于某些沒有地下水監測設施或者監測基礎薄弱的地區，有一定的參考意義。