行政區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水總量測算方法探討
----以青島市為例

李 娜

(1. 大連理工大學建設工程學部海岸及近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024;2. 青島市水利勘測設計研究院有限公司, 山東 青島 266101)

0 前 言

為解決我國日益復雜的水資源問題，實現(xiàn)水資源高效利用和有效保護，2013年國務院辦公廳印發(fā)了《實行最嚴格水資源管理制度考核辦法的通知》，發(fā)布了用水總量、用水效率和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”。根據(jù)《2016年中國水資源公報》，2016年我國農(nóng)業(yè)用水量為3 768.0 億m3，占全國總用水量的62.4%。顯然，農(nóng)業(yè)用水是我國的用水大戶，與用水總量控制紅線和用水效率控制紅線密切相關。農(nóng)業(yè)灌溉用水是農(nóng)業(yè)用水的重要組成部分，包括農(nóng)田灌溉用水、林果地灌溉用水及草地灌溉用水，其測算是落實最嚴格水資源管理制度的要求。

我國是一個嚴重缺水的國家，而水是農(nóng)業(yè)發(fā)展的命脈，但目前許多農(nóng)業(yè)灌區(qū)仍存在嚴重浪費水資源的現(xiàn)象，實施農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效管理，是解決我國水資源供需矛盾，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。本文對我國行政區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水總量測算方法進行了研究，提出了不同類型灌區(qū)用水總量計算模型，為各地區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理提供了理論依據(jù)。

1 灌區(qū)情況及現(xiàn)有方法缺陷

1.1 灌區(qū)基本情況

我國灌區(qū)類型多樣，按照水源取水方式可分為自流引水灌區(qū)、提水灌區(qū)、混合灌區(qū)；按照水源組合形式可分為獨立水源灌區(qū)、混合水源灌區(qū)；按照規(guī)?？煞譃榇笮凸鄥^(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)等。

根據(jù)2011年我國第1次水利普查成果資料，全國共有大型灌區(qū)(設計灌溉面積2.00 萬hm2及以上)456個，中型灌區(qū)(設計灌溉面積0.07～2.00 萬hm2)7 293個，設計灌溉面積3.33 hm2～0.07 萬hm2的小型灌區(qū)2 057 901個[1]?？梢姡覈鄥^(qū)數(shù)量眾多，直接量測所有灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水量并不現(xiàn)實。

1.2 現(xiàn)有測算方法及不足

傳統(tǒng)水資源公報采用典型調(diào)查或者定額匡算的方法對用水總量進行測算，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的合理性和準確性較差。

為提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計的科學性、準確性和時效性，2014年國家水利部辦公廳下發(fā)了《用水總量統(tǒng)計方案(試行)》[2]。方案要求農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計根據(jù)灌區(qū)規(guī)模、工程設施情況、水源取水方式(自流引水、提水)、地形地貌、土質(zhì)類型、種植結構等特點，按照設計灌溉面積劃分為灌溉重點用水戶和一般灌溉用水戶；灌溉重點用水戶全部作為統(tǒng)計對象，一般灌溉用水戶選取典型用水戶作為調(diào)查對象。

需指出，統(tǒng)計方案未對各類型灌區(qū)用水量統(tǒng)計的技術方法進行詳細介紹。此外，我國灌區(qū)的水源、工程及管理情況各異，對于簡單的獨立水源灌區(qū)，可直接對水源取水口進行計量，而對于復雜的混合水源灌區(qū)，直接計量實施難度較大。

2 測算方法

我國幅員遼闊，不同區(qū)域和類型灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水特點差別明顯，建議按照行政區(qū)域分別進行測算。參照現(xiàn)有灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算方法[3]，采用點面結合、調(diào)查統(tǒng)計與觀測分析相結合的方法，對行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量進行測算。

2.1 行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量

行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量為行政區(qū)域內(nèi)所有大中小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量之和。

W行政區(qū)域=W大型+W中型+W小型

式中：W大型、W中型、W小型分別為大、中、小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，萬m3。

2.2 樣點灌區(qū)選取原則

按照大型、中型、小型灌區(qū)3種規(guī)模類型進行樣點灌區(qū)的選取，樣點灌區(qū)應具有代表性，以能代表此類灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量的綜合水平為原則。因此，樣點灌區(qū)選取過程中，應綜合考慮自然條件、取水類型、種植結構、工程狀況和管理水平等諸多因素，且數(shù)量和設計灌溉面積應與區(qū)域同類型比例協(xié)調(diào)。此外，還應考慮可行性，即樣點灌區(qū)應配備量水設施或者具有相應的配備能力。

(1)大型灌區(qū)。大型灌區(qū)為設計灌溉面積不小于2.00 萬hm2的灌區(qū)，考慮到行政區(qū)域內(nèi)數(shù)量有限，可全部選為樣點灌區(qū)，納入測算范圍。

(2)中型灌區(qū)。中型灌區(qū)可依照設計灌溉面積分為3檔，分別為0.07～0.33、0.33～1.00、1.00～2.00 萬hm2灌區(qū)。由于中型灌區(qū)數(shù)量較多，目前尚無條件全部測算。在各檔中型灌區(qū)中，按照農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)，分別選取樣點灌區(qū)，其數(shù)量與面積不得小于分區(qū)內(nèi)同檔灌區(qū)的30%。另外，各分區(qū)內(nèi)每檔樣點灌區(qū)中應包括自流引水和提水2種取水方式，2類灌區(qū)樣點數(shù)量由同分區(qū)同檔中2者總數(shù)量相對比例決定。

(3)小型灌區(qū)。小型灌區(qū)數(shù)量眾多，分為非純井灌區(qū)和純井灌區(qū)。非純井灌區(qū)又分為自流引水和提水灌區(qū)2類，按照農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)，分別選取樣點灌區(qū)，其數(shù)量與面積不得小于分區(qū)內(nèi)同類型灌區(qū)的5%。純井灌區(qū)應采取以單個機井所能控制的灌溉面積為獨立單元進行測算，并根據(jù)土渠、防滲渠道、低壓管灌、微灌、噴灌等灌溉形式，選取樣點灌區(qū)。在每種灌溉形式中，同一作物類型至少選擇2個樣點灌區(qū)，樣點灌區(qū)總面積不得小于純井灌區(qū)總面積的0.5%。

2.3 不同規(guī)模灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量測算方法

2.3.1 大型灌區(qū)測算模型

基于大型灌區(qū)全部測算原則，將行政區(qū)域內(nèi)所有大型灌區(qū)選為樣點灌區(qū)，相應農(nóng)業(yè)灌溉用水量為所有大型樣點灌區(qū)用水量之和：

W大型=∑W大型,i

(2)

2.3.2 中型灌區(qū)測算模型

中型灌區(qū)可分檔、分區(qū)、樣點測算，農(nóng)業(yè)灌溉用水量為行政區(qū)域內(nèi)各檔位中型灌區(qū)用水量之和：

W中型=W中1-5+W中5-15+W中15-30

(3)

以0.07～0.33 萬hm2檔位中型灌區(qū)為例，可采用如下方法計算得到各檔位中型灌區(qū)用水總量。

此檔位中型灌區(qū)用水量為各農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)內(nèi)所有該檔灌區(qū)用水量之和，單個分區(qū)用水量由分區(qū)內(nèi)該檔樣點灌區(qū)測算用水量通過面積加權得到：

W中1-5=∑W中1-5,i

(4)

(5)

式中：W中1-5,i、A中1-5,i分別為第i個農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)范圍內(nèi)所有0.07～0.33 萬hm2檔位中型灌區(qū)用水量、實灌面積；W中1-5,i,j、A中1-5,i,j分別為對應灌區(qū)第j個樣點灌區(qū)的用水量、實灌面積。

2.3.3 小型灌區(qū)測算模型

小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水總量為行政區(qū)域內(nèi)2類小型灌區(qū)用水量之和。

W小型=W小,非純井+W小,純井

(6)

(1)非純井灌區(qū)用水量計算。非純井灌區(qū)用水量為2類非純井灌區(qū)用水量相加：

W小，非純井=W小,自流+W小,提水

(7)

2類非純井灌區(qū)用水量測算方法與各檔中型灌區(qū)的類似，以小型自流引水灌區(qū)為例，計算公式如下：

W小,自流=∑W小,自流,i

(8)

(9)

式中：W小,自流,i、A小,自流,i分別為第i個農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)內(nèi)所有小型自流引水灌區(qū)用水量、實灌面積；W小,自流,i,j、A小,自流,i,j分別為對應灌區(qū)第j個樣點灌區(qū)用水量、實灌面積。

(2)純井灌區(qū)用水量計算。純井灌區(qū)用水量為以各種灌溉形式(土渠、防滲渠道、低壓管灌、噴灌、微灌等)進行灌溉的所有該類灌區(qū)用水量之和，某種灌溉形式對應用水量由對應樣點灌區(qū)測算用水量面積加權獲得：

W小，純井=∑W小，純井,i

(10)

(11)

式中：W小，純井,i、A小，純井,i分別為以第i種灌溉形式進行灌溉的所有純井灌區(qū)用水量、實灌面積；W小，純井,i,j、A小，純井,i,j分別為對應灌區(qū)第j個樣點灌區(qū)用水量、實灌面積。

2.4 樣點灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量測算

樣點灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量為該灌區(qū)所有水源灌溉期引入灌溉渠系的總水量扣除該灌區(qū)水源或灌溉退水給予其他灌區(qū)的補水等重復利用的灌溉水量；當農(nóng)業(yè)灌溉輸水與魚塘補水、畜禽用水及城市、工業(yè)或農(nóng)村生活供水等在灌溉期使用同一渠道(管路)時，還應扣除相應的非農(nóng)業(yè)灌溉用水量，即：

W樣點=W引水-W重復-W非

(12)

式中：W樣點為樣點灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，對應前文中變量W大型,i、W中1-5,i,j、W小,自流,i,j、W小,純井,i,j，萬m3；W引水為灌區(qū)灌溉渠系灌溉期總引水量，萬m3；W重復為灌區(qū)重復利用灌溉水量，萬m3；W非為灌區(qū)灌溉渠系灌溉期非農(nóng)業(yè)灌溉用水量，萬m3。

2.4.1 引水量測算方法

根據(jù)水源組合形式，灌區(qū)分為獨立水源灌區(qū)和混合水源灌區(qū)。

(1)樣點灌區(qū)為獨立水源灌區(qū)：可在引水口利用超聲波、量水堰等量水設備直接量測得到。

(2)樣點灌區(qū)為混合水源灌區(qū)：利用灌溉骨干水源和小型水庫、塘壩、水閘、泵站、井等小型水源相結合的方式聯(lián)合供水，總引水量為灌區(qū)所有水源灌溉期引水量之和：

W引水=∑w骨干+∑w小蓄+∑w小引+∑w小提

(13)

式中：w骨干為灌區(qū)某骨干水源灌溉期引水量，萬m3；w小蓄為灌區(qū)某小型蓄水水源灌溉期引水量，萬m3；w小引為灌區(qū)某小型引水水源灌溉期引水量，萬m3；w小提為灌區(qū)某小型提水水源灌溉期引水量，萬m3。

對于骨干水源，灌溉期引水量可進行直接量測；而其他小型水源數(shù)量多且分散，可在行政區(qū)域內(nèi)選取典型直接量測，率定基本參數(shù)值，進而應用于灌區(qū)所有同類型小型水源引水量計算中。

小型蓄水水源灌溉期引水量一般采用復蓄系數(shù)法進行測算，復蓄系數(shù)λ表示小型水庫或塘壩等每年灌溉期引入灌溉渠系水量與其有效庫容的比值，其主要受降雨、產(chǎn)匯流、灌溉用水過程等因素影響。此外，還需考慮徑流的年際、年內(nèi)分配情況影響。即：

w小蓄=λV

(14)

式中：V為有效庫容，萬m3。

小型引水水源灌溉期引水量可依據(jù)工程的單位面積平均灌溉水量 進行估算，其可基于實際灌溉用水量和灌溉面積得到。該參數(shù)與灌溉面積、種植結構緊密相關，土壤條件、降雨氣候等的影響亦不可忽視。即：

(15)

式中：A為灌溉面積，hm2。

小型提水水源灌溉期引水量，可采用“電水轉(zhuǎn)換法”[4, 5]進行水量測算，其關鍵參數(shù)電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K為機泵流量與機泵小時耗電量的比值。該參數(shù)理論值只與提水揚程(水源水位)相關，但實際還應依據(jù)取水口磨損程度、輸水距離等因素進行修正。即：

w小提=KD

(16)

式中：D為年度灌溉期總耗電量，kWh。

各類基本參數(shù)的率定方法如下：

小型蓄水水源復蓄系數(shù)和小型引水水源單位面積平均灌溉水量取值受上述諸多因素影響，不同區(qū)域、不同年份的相應計算參數(shù)亦有所不同。因此，應充分考慮其各自影響因素進行分區(qū)，在各自分區(qū)中分別布設一定數(shù)量的典型水源，直接量測灌溉期引水量，率定各自不同分區(qū)、不同年份的計算參數(shù)值。

小型提水水源電水轉(zhuǎn)換系數(shù)計算首先應區(qū)分水源類型，而后分別依據(jù)灌溉期河網(wǎng)水位變化情況(地表水)和地下水埋深(地下水)進行分區(qū)，并選取一定數(shù)量的典型提水水源，測定其出水量和耗電量，最終率定各分區(qū)不同年份的電水轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.4.2 需扣除水量的測算方法

(1)重復利用灌溉水量。灌區(qū)水源給予其他灌區(qū)的補水量，可以在分水口直接量測獲取，并考慮分水口至取水口的相應損失量。灌溉退水量，可以運用數(shù)理統(tǒng)計法[6]，通過觀測建立灌區(qū)灌溉引水～退水量的回歸關系式，進而基于關系式推算獲得。

(2)非灌溉用水量。灌區(qū)灌溉期引入灌溉渠系的魚塘補水、畜禽用水及其他行業(yè)的用水量可以根據(jù)《用水總量統(tǒng)計方案(試行)》中給出的抽樣調(diào)查的方法進行測算。

3 測算實例

以青島市2017年農(nóng)業(yè)灌溉用水量測算為例。據(jù)統(tǒng)計，2017年青島市灌區(qū)共17 000 余處，總灌溉面積37.3 萬hm2，實灌面積28.0 萬hm2。全市大型灌區(qū)2處，實灌面積2.2 萬hm2；中型灌區(qū)30處，實灌面積2.8 萬hm2；小型灌區(qū)17 000余處，實灌面積23 萬hm2。

3.1 選取樣點灌區(qū)

青島市劃分為北部山丘區(qū)(區(qū)一)、中部平原區(qū)(區(qū)二)、東南部濱海山丘區(qū)(區(qū)三)等3個農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)。

根據(jù)樣點灌區(qū)選取原則，樣點灌區(qū)選取結果如下：

(1)大型灌區(qū)2處。全部測算。

(2)中型灌區(qū)11處。無1.00～2.00 萬hm2檔中型灌區(qū)；0.33～1.00 萬hm2檔選取3處，3個灌溉分區(qū)各1處；0.07～0.33 萬hm2檔選取8處：區(qū)一1處，區(qū)二3處，區(qū)三4處。

(3)小型灌區(qū)146處。小型自流引水灌區(qū)選取9處：區(qū)一2處，區(qū)二3處，區(qū)三4處；小型提水灌區(qū)選取27處：區(qū)一1處，區(qū)二25處，區(qū)三1處；純井灌區(qū)選取110處：土渠50處，防滲渠道10處，低壓管灌30處，噴灌10處，微灌10處。

3.2 水源量測

樣點灌區(qū)的水源工程類型大致分為蓄水工程、引水工程、提水工程3類。針對不同水源工程特點，計量情況如下。

(1)蓄水工程：主要為水庫和塘壩。青島市水庫的灌溉引水干渠設計流量均未超過45 m3/s，優(yōu)先利用已有的渠首位置的渠系建筑物進行量測，當無渠系建筑物或量水精度達不到要求時，可在渠首采用設置標準斷面的量水方法。對于塘壩，平原地區(qū)利用配套的泵站或流動機泵進行量測，山丘區(qū)在引水渠首設置量水堰進行量測。

(2)引水工程：主要為河湖引水閘(壩、堰)。利用灌區(qū)引水渠渠首分水閘或提水泵站進行量測。

(3)提水工程：主要為河湖泵站、機電井。利用現(xiàn)有的電表并部分安裝流量計進行量測。

本次測算工程中，共對195處水源工程進行了計量觀測。

3.3 測算結果

經(jīng)過測算，全市農(nóng)業(yè)灌溉用水量為2.09 億m3，其中大型、中型、小型灌區(qū)用水量分別為791、3 188、16 908 萬m3。

4 結 論

(1)針對我國灌區(qū)數(shù)量多及類型復雜等特點，本文提出了采用點面結合、調(diào)查統(tǒng)計與觀測分析相結合的行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量計算方法。

(2)該方法制定了樣點灌區(qū)選取原則，并以樣點灌區(qū)測算結果為基礎，分別得到了大、中、小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，對于不同行政區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水管理調(diào)度具有參考價值。

(3)本文針對行政區(qū)域內(nèi)不同類型水源，提出了直接量測與典型量測相結合的方法，并充分考慮降雨、種植結構、水位等因素的影響，使計算結果更符合區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水特點。