河北省井灌區(qū)灌溉用水與耗能變化規(guī)律研究

王慶明　張越

摘要：開展農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水、節(jié)能研究既是支撐區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展必然要求，也是支撐國家節(jié)能減排承諾的具體實(shí)踐。受農(nóng)業(yè)節(jié)水、地下水位下降的影響，河北省井灌區(qū)灌溉用水和灌溉耗能之間關(guān)系復(fù)雜，分析了1980-2015年河北省井灌區(qū)灌溉用水、灌溉耗能、地下水位變化等規(guī)律，得出以下結(jié)論：（1）地下水埋深與提取單方水耗電量呈冪函數(shù)關(guān)系，地下水埋深越大，地下水位下降帶來灌溉能耗的增加幅度越來越大；（2）由于地下水位下降，每度電可開采水量從1980年的8 m3減少到2015年的09 m3，相比1980年2015年灌溉水量減少了13億m3，但是灌溉能耗增加了131億kW·h。（3）1997年后由于灌溉水量減少而降低的能耗不足以彌補(bǔ)地下水位下降增加的能耗，由此導(dǎo)致1998-2015年每公頃灌溉能耗額外損失為20 850 kW·h。本研究對指導(dǎo)河北省農(nóng)業(yè)灌溉水-能關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：井灌區(qū)；灌溉節(jié)水；灌溉能耗；地下水位；雙累積曲線

中圖分類號：P641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2018）04015406

Study on the change of irrigation water utilization and energy consumption in well irrigation areas of Hebei Province

WANG Qingming1，ZHANG Yue2，ZHAO Yong1，JIAN Shan1，ZHU Yongnan1，WANG Lizhen1，ZHAI Jiaqi1

（

1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.General Institute of Water Resources and Hydropower Planning and Design，Ministry of Water Resources，Beijing 100120，China）

Abstract：

To carry out the research of water saving and energy saving for agricultural irrigation is a necessary requirement of supporting the sustainable development of regional agriculture and a concrete practice to support China′s promise on energy conservation and emission reduction.In the well irrigation areas of Hebei Province，the relationship between irrigation water and irrigation energy consumption is complex due to the impact of agricultural watersaving and the drop of groundwater level.This paper analyzes the changing patterns of the irrigation water，irrigation energy consumption，and groundwater level in the well irrigation areas of Hebei Province from 1980 to 2015，and then draws the following conclusions：（1）The groundwater depth and the power consumption for extracting a cubic meter of water has a power function relation；as the groundwater depth increases，the increase amplitude of irrigation energy consumption caused by drop of groundwater level will gradually expand；（2） Due to the drop of groundwater level，the amount of water that can be extracted per kilowatthour decreased from 8 m3 in 1980 to 09 m3 in 2015.Compared with the situation in 1980，the amount of irrigation water decreased by 13 billion m3，but irrigation energy consumption increased by 131 billion kW·h in 2015.（3） After 1997，the reduction in energy consumption as a result of agricultural watersaving was not enough to make up for the increased energy consumption caused by the drop of groundwater level，resulting in an additional loss of 20 850 kW·h of irrigation energy consumption per hm2 per year.This study provides a useful reference for guiding the development of agricultural irrigation water in Hebei province.

Key words：

well irrigation area；irrigation water saving；energy consumption of irrigation；groundwater level；double mass curve

井灌是我國北方地區(qū)主要的灌溉方式之一[1]，以河北省為例，平原井灌區(qū)分布87萬眼農(nóng)用機(jī)井，控制面積占到灌溉總面積的84%[2]，大量的農(nóng)用機(jī)井在抽水灌溉的同時，也形成一個吞噬能源的黑洞。據(jù)統(tǒng)計，2015年河北省農(nóng)業(yè)機(jī)井灌溉耗電量為150億kW·h，約等于600萬家庭一年的用電量，而隨著地下水位的下降，地下水灌溉的能耗將進(jìn)一步增加。因此，在全國節(jié)能減排的背景下，有必要農(nóng)業(yè)灌溉能耗進(jìn)行系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上才能提出合理灌溉節(jié)水、節(jié)能措施。目前，農(nóng)業(yè)灌溉耗能的問題還沒有得到廣泛的重視，相關(guān)文獻(xiàn)較少，王金平等[3]認(rèn)為在不同灌溉定額、不同地下水位下，耗能關(guān)系并不確定，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?0 m，且噴灌定額小于地面灌溉定額50%時，噴灌比漫灌節(jié)能。LI等[4]認(rèn)為1961-2009年民勤綠洲農(nóng)業(yè)種植過程中，由于地下水位下降導(dǎo)致灌溉能耗增加了76%。朱永霞[5]指出地下水灌溉用電量占到衡水市總用電量的139%，其變動會對衡水市電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響?？傮w來說，目前對農(nóng)業(yè)灌溉能耗的研究還處于起步階段，對灌溉能耗的影響因素缺乏系統(tǒng)的分析，例如農(nóng)業(yè)節(jié)水對灌溉能耗的影響、地下水埋深與提水能耗的定量關(guān)系等，對研究農(nóng)業(yè)耗能的指導(dǎo)意義及作用也缺乏深入的探討。

河北平原是黃淮海大平原的重要組成部分，面積約74萬km2，占河北省面積的40%，其中耕地面積約46萬km2。年平均降水量在350～770 mm，多年平均降水量514 mm，年際變化大，降水主要集中在6月-8月[67]。小麥-玉米復(fù)種是區(qū)域糧食生產(chǎn)的主要模式，該模式多年平均蒸騰蒸發(fā)量為870 mm，每年虧缺約350 mm水量，需要靠開采地下水供給[8]。長期的地下水超采導(dǎo)致河北省地下水位連續(xù)下降[9]，平原區(qū)農(nóng)田地下水位由2～15 m（1970年）下降到30～60 m（2010年），地下水位下降導(dǎo)致地下水開采的耗電量越來越大，一方面節(jié)水措施使糧食生產(chǎn)的水分利用效率越來越高，另一方面糧食生產(chǎn)的能源利用效率卻越來越低，水能關(guān)系發(fā)生了顯著的變化。本文以河北省井灌區(qū)為例，分析1980-2015年灌溉用水和灌溉耗能的變化規(guī)律，研究農(nóng)業(yè)節(jié)水、地下水位下降對農(nóng)業(yè)灌溉用水、耗能的影響，結(jié)果可為進(jìn)一步揭示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水-能-糧食紐帶關(guān)系提供科學(xué)的支撐。

1研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本文收集整理了1980-2015年河北省平原區(qū)降水、農(nóng)業(yè)灌溉面積、農(nóng)業(yè)灌溉水量、農(nóng)業(yè)灌溉耗電量等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集范圍為井灌區(qū)較集中的地市，包括保定、石家莊、衡水、邢臺和邯鄲5個地市，其中降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），農(nóng)業(yè)灌溉面積和糧食產(chǎn)量來源于《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》；農(nóng)業(yè)灌溉水量來源于《河北省水資源公報》；1998-2015年農(nóng)業(yè)灌溉耗電量來源于電力部門提供的灌溉機(jī)井變壓器電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，1980-1997年農(nóng)業(yè)灌溉耗電量數(shù)據(jù)通過農(nóng)村總用電量數(shù)據(jù)乘以灌溉耗電量折算系數(shù)得出，折算系數(shù)來源于相關(guān)文獻(xiàn)[10]。

1.2數(shù)據(jù)分析方法

（1） Pettitt突變檢驗(yàn)。

Pettitt法是檢驗(yàn)時間序列突變點(diǎn)的常用方法，可以避免異常值的干擾以及數(shù)據(jù)分布特征的影響[1112]，其計算方法如下。

對于具有N個樣本的時間序列，構(gòu)造統(tǒng)計量

Ut，N=Ut-1，N+∑[DD（]N[]j=1[DD）]sgn（xi-xj）[JY]（1）

式中：j和t=2，…，N。令xi-xj=θ，則sgnθ值由下式確定。

sgnθ=[JB（{]+1，θ>0

0，θ=0

-1，θ<0[JB）][JY]（2）

可知，Ut，N為序列第i個數(shù)值大于或小于第j個數(shù)值的累積數(shù)。

原假設(shè)認(rèn)為時間序列的突變不顯著，而備擇假設(shè)認(rèn)為時間序列的變化趨勢顯著，其統(tǒng)計量

KN=Maxi|Ui，n|[JY]（3）

統(tǒng)計量的顯著性檢驗(yàn)

p2exp（-6（KN）2/（N3+N2））[JY]（4）

（2）雙累積曲線法。

在相同時段內(nèi)只要給定的數(shù)據(jù)成正比，那么一個變量的累積值與另一個變量的累積值在直角坐標(biāo)上可以表示為一條直線，其斜率為兩要素對應(yīng)點(diǎn)的比例常數(shù)，如果雙累積曲線斜率發(fā)生突變則意味著兩個變量之間的比例常數(shù)發(fā)生了改變，斜率發(fā)生突變點(diǎn)所對應(yīng)的年份就是兩個變量累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時間[1315]。穆興民[16]認(rèn)為對隨機(jī)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行累加處理，可以起到對隨機(jī)過程濾波的效果，消弱白噪聲，顯現(xiàn)被分析要素的趨勢性。

2結(jié)果與分析

2.1井灌區(qū)面積與灌溉水量變化

20世紀(jì)80年代以來，河北省井灌區(qū)灌溉面積平均以每年約4萬hm2速度增長，尤其是在2000年以前，灌溉面積增長迅速，2000年之后灌溉面積趨于平穩(wěn)，基本維持在445萬hm2左右。與此同時，河北省農(nóng)業(yè)灌溉水量并沒有增加，反而以每年7 700萬m3的速度遞減，灌溉水量從最高峰的180億m3減少到當(dāng)前的135億m3左右。從圖2可知，1980-2015年河北省平原區(qū)降水并沒有發(fā)生趨勢性變化，可以認(rèn)為農(nóng)業(yè)灌溉水量的減少主要?dú)w因于農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的效果，而河北省開始關(guān)注農(nóng)業(yè)節(jié)水也是在20世紀(jì)80年代后期[1718]，從圖1中也可以看出1987-1990年河北省農(nóng)業(yè)灌溉水量達(dá)到頂峰，隨后開始逐步下降，與河北省開展節(jié)水的時間相吻合，間接證明了農(nóng)業(yè)節(jié)水是灌溉水量減少的主要原因。從

每公頃灌溉水量上看，平均以年60 m3的速率下降，

但2005年以前下降趨勢明顯，之后每公頃灌溉水量維持在3 000 m3左右，說明前一個階段農(nóng)業(yè)措施從無到有發(fā)揮作用明顯，后一階段節(jié)水措施趨于成熟，現(xiàn)有技術(shù)水平下單位面積節(jié)水潛力已經(jīng)很小。

2.2灌溉耗電量與地下水位變化

灌溉用電量來源于井灌區(qū)所在地市電力部門掌握的農(nóng)田變壓器計量數(shù)據(jù)。如圖3所示，灌溉用電量由1980年的19億kW·h增長到2015年的150億kW·h，平均年增加37億kW·h。灌溉水量在減少，而灌溉電力能耗增加，說明井灌提水的能耗在增加，平均每度電的可提取水量見圖4，1980年每度電可提取8 m3水，2015年每度電僅能提取09 m3灌溉水，假設(shè)水泵的效率不變，每度電的提水量以每年024 m3/kW·h的速率遞減。地下水位下降是灌溉水能耗增加的主要原因，河北省平原區(qū)淺層地下水平均埋深從1986年的92 m增加到2015年的1748 m，平均每年下降024 m。

將提取單方水耗電量與地下水埋深進(jìn)行擬合，見圖5，發(fā)現(xiàn)其符合冪函數(shù)規(guī)律，擬合公式為：

y=00092e0.2818xR2=0.9028[JY]（5）

式中：y為提取單方水的耗電量（kW·h）；x為地下水埋深（m）。

冪函數(shù)規(guī)律意味著地下水埋深越大，灌溉耗電量對地下水位下降的響應(yīng)越強(qiáng)烈，在地下水埋深較大的情況下，地下水位下降帶來灌溉能耗的增加幅度越來越大。需要說明的是，該擬合曲線代表的河北省淺層地下水平均埋深情況，不能應(yīng)用于局部一個區(qū)域，在不同的區(qū)域需要通過試驗(yàn)擬合出不同的適用曲線，中國水科院在河北省地下水壓采綜合治理效果評估項目中，曾對衡水、滄州、邢臺、邯鄲四個地市開展抽水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)擬合出的曲線均符合冪函數(shù)關(guān)系，以衡水市為例，衡水淺層地下水位在30～60 m，提取1 m3地下水耗電量約在03～08 kW·h之間，擬合結(jié)果如下式，

y=01831e0.0243xR2=0.8[JY]（6）

2.3灌溉節(jié)水與灌溉耗能紐帶關(guān)系

2.3.1糧食生產(chǎn)中用水效率和耗能效率

1980年至2015年，河北省井灌區(qū)糧食產(chǎn)量從1 500萬t增長到3 100萬t，年均糧食產(chǎn)量增長了一倍，但是從用水和耗能上看卻是相反的規(guī)律，從水分利用效率上看，1980年生產(chǎn)1 kg糧食需要灌溉水量08 m3，2015年需要灌溉水量04 m3，這里灌溉水量僅指灌區(qū)提水量并非作為實(shí)際耗水量；從灌溉能耗利用效率上看，1980年生產(chǎn)1 kg糧食需要耗電量為012 kW·h，而2015年需要的耗電量增加到052 kW·h，從能耗的角度上看，利用效率實(shí)際上一直在降低。在以往的農(nóng)業(yè)節(jié)水研究中，只強(qiáng)調(diào)水資源的稀缺性，忽略了維持糧食高產(chǎn)是以增加能耗為代價的問題。

2.3.2地下水位下降對灌溉耗能的影響

灌溉節(jié)水與灌溉耗能的關(guān)系在不同尺度呈現(xiàn)不同的特征，在微觀尺度，節(jié)水必然帶來節(jié)能，少開采1 m3水就減少了開采1 m3水的能耗；但在整個區(qū)域尺度上，受到地下水位變動的影響，宏觀上表現(xiàn)出灌溉水量減少而灌溉能耗增加。為厘清兩者關(guān)系，我們采用雙累積曲線法，解析地下水位下降帶來的增耗影響。

繪制每公頃灌水量和每公頃耗電量的雙累積曲線，經(jīng)Pettitt法突變檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1997年為突變點(diǎn)，突變前后的意義在于，1997年以前，盡管地下水位下降，抽取單方水耗電量增加，但同期每公頃灌溉水量減少，兩者抵消作用致使灌溉的耗電量并沒有顯著性增加，但是1997年以后，每公頃灌溉水量減少節(jié)省的灌溉耗電量顯著性小于地下水下降增加的灌溉耗水量，簡單的說就是1997年后農(nóng)業(yè)節(jié)水帶來的節(jié)能效益已不足以抵消地下水下降帶來的能耗損失，灌溉的能耗效率明顯降低。圖7所示，1998-2015年間，實(shí)線與虛線之間的面積代表1998年以后因地下水位下降帶來的額外累積每公頃能耗損失，將累積值還原為實(shí)際值后可知，過去的18年間井灌區(qū)因地下水位下降帶來的每公頃灌溉能耗損失約為20 850 kW·h，平均每年每公頃灌溉能耗損失為105 kW·h；整個河北省井灌區(qū)每年因地下水位下降帶來的灌溉能耗損失約為48億kW·h，1998-2015年累積損失了87億kW·h電能。值的注意的是，當(dāng)前技術(shù)水平下，農(nóng)業(yè)的節(jié)水潛力已經(jīng)不大，從圖2中也可看出，近些年每公頃農(nóng)業(yè)灌溉水量處于平穩(wěn)狀態(tài)幾乎沒有下降趨勢，但地下水位下降的趨勢并沒有有效的遏制，而從圖5中可知，地下水位與提取單方水的耗電量呈指數(shù)關(guān)系，意味著若地下水位繼續(xù)下降，井灌的能耗增幅會越來越大，終將難以持續(xù)。

3討論：灌溉能耗效率的提出及應(yīng)用展望

在傳統(tǒng)農(nóng)田節(jié)水研究中，通常用農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)[1920]（Effective Coefficient Of Irrigative Water Utilization）和水分利用效率[2122]（WUE，Water Use Efficiency）作為衡量節(jié)水效果的主要指標(biāo)[23]，其中前者代表輸水過程中的效率，后者代表水分被作物利用的效率。這兩個指標(biāo)能夠很好的代表農(nóng)田水利工程建設(shè)和灌溉制度優(yōu)化后節(jié)水能力的提高。但是，這兩個指標(biāo)并沒有反映出農(nóng)田節(jié)水對區(qū)域水資源的影響，目前河北省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0695，水分利用效率小麥為152 kg/m3，玉米187 kg/m3[24]，在全國已屬先進(jìn)水平，然而河北省農(nóng)業(yè)用水緊缺日益嚴(yán)重的現(xiàn)象依然是不爭的事實(shí)，其中一個重要的原因就是沒有從區(qū)域水資源的角度去指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)水[25]，也沒有指標(biāo)反映節(jié)水對區(qū)域水資源的影響。并非相關(guān)專家沒有注意到這個問題，只是受限于水資源的監(jiān)測能力不足，無法開展相關(guān)工作，但是井灌區(qū)有一個先天優(yōu)勢，就是灌溉必然提水，提水必然耗電，而耗電的多少又與地下水位高度相關(guān)，灌溉耗電量數(shù)據(jù)在電力部門有詳細(xì)的統(tǒng)計[26]?；诠喔群哪芘c地下水位的關(guān)系，可以嘗試?yán)霉喔饶芎男蔍EUE（Irrigation Energy Use Efficiency）指標(biāo)來反映地下水的變化情況，灌溉能耗效率可定義為，該井灌區(qū)內(nèi)消耗1 kW·h電能可提取的水量，見式7，灌溉能耗效率越大，說明區(qū)域地下水埋深越淺，灌溉能耗效率越小，說明地下水埋深越深。以往的農(nóng)業(yè)節(jié)水更關(guān)注農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)和水分利用效率的提高，而對地下水位的變化考慮較少，即便是用水效率提高到較高的水平，可能依舊需要超采地下水灌溉，從區(qū)域的角度看并不能說明農(nóng)業(yè)節(jié)水是完全成功的。因此，若從農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)、水分利用效率和灌溉能耗效率三個維度共同評價農(nóng)業(yè)節(jié)水的效果，可能會得到更為準(zhǔn)確結(jié)果。IEUE=[SX（]Qt[]Et[SX）][JY]（7）

式中：Et和Qt分別為t時段內(nèi)水泵消耗的電能和提取的水量。與上一年度比較IEUE減小代表地下水位下降，區(qū)域地下水資源量減少，IEUE增加則相反。只有當(dāng)IEUE逐年增加，才能說明節(jié)水工作真正的改善了井灌區(qū)水資源緊張情勢。

目前，河北省的農(nóng)業(yè)灌溉水量仍在不斷被壓縮，但主要手段已經(jīng)從提高用水效率轉(zhuǎn)向壓縮種植面積、作物輪耕休作、發(fā)展雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)等方式，這些措施的節(jié)水效果需要量化評價，可以嘗試用IEUE指標(biāo)去初步評價，IEUE增大說明這些措施手段對恢復(fù)區(qū)域地下水起到顯著作用，增大的幅度越大，說明作用越明顯。相對于有限的地下水位監(jiān)測井來說，這種方法涉及區(qū)域更廣泛，數(shù)據(jù)更豐富，與地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)互相補(bǔ)充，相信可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

4結(jié)論

國內(nèi)北方井灌區(qū)地下水位下降是一個普遍而嚴(yán)峻的問題，本文分析了河北省井灌區(qū)1980-2015年灌溉水量、灌溉能耗及地下水位變化規(guī)律，解析了地下水埋深與灌溉能耗的冪函數(shù)關(guān)系，埋深越大，地下水下降導(dǎo)致灌溉能耗增加的幅度越大，過去將兩者概化為線性關(guān)系實(shí)際上低估了地下水持續(xù)下降帶來的影響。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水以追求灌溉水有效利用系數(shù)和水分利用效率的提高為目標(biāo)，但從灌溉能耗的角度看，可以得出相反的結(jié)果，因此本文提出了灌溉耗能效率（IEUE）指標(biāo)，初步探討用三個指標(biāo)對取水、輸水、用水全過程的節(jié)水評價，但是其適用范圍僅限于純井灌區(qū)，未來需要進(jìn)一步探討地表水渠灌區(qū)或井渠雙灌區(qū)的用水、耗能關(guān)系，更加科學(xué)的指導(dǎo)節(jié)水工作。[HJ1.8mm]

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