農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計(jì)工作中的樣點(diǎn)灌區(qū)選取方法研究

沈瑩瑩，陳夢(mèng)婷，崔 靜，張紹強(qiáng) ，羅玉峰

(1. 中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工科科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

水利部部長(zhǎng)鄂竟平提出，下一步水利工作的重心將轉(zhuǎn)到“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”上來(lái)，這是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期水利改革發(fā)展的總基調(diào)。其中，對(duì)水資源的監(jiān)管，要體現(xiàn)水資源管理“最嚴(yán)格”的要求，全面監(jiān)管水資源的節(jié)約、開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)、配置、調(diào)度等各環(huán)節(jié)工作。用水總量統(tǒng)計(jì)工作作為水資源管理一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，不僅反映用水總量控制制度的實(shí)施效果，還為水資源規(guī)劃、管理、節(jié)約與保護(hù)等日常工作提供必要的基礎(chǔ)支撐，為我國(guó)宏觀水資源戰(zhàn)略提供決策依據(jù)。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水中，農(nóng)業(yè)用水量占比達(dá)到60%以上，是用水總量控制的重點(diǎn)，而農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水量的88%左右，及時(shí)準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)農(nóng)田灌溉用水量數(shù)據(jù)，是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的重要任務(wù)。按照2014年水利部下發(fā)的《用水總量統(tǒng)計(jì)方案(試行)》和目前正在開(kāi)展試點(diǎn)的《用水統(tǒng)計(jì)調(diào)查制度》要求，農(nóng)業(yè)灌溉用水量應(yīng)以灌區(qū)為基本單元，采取用水大戶逐一計(jì)量統(tǒng)計(jì)、一般用水戶抽樣調(diào)查、綜合推算區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量的技術(shù)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[1]。按照2011年水利普查成果，我國(guó)共有設(shè)計(jì)灌溉面積2 萬(wàn)hm2及以上的大型灌區(qū)456處，設(shè)計(jì)灌溉面積667～20 000 hm2的中型灌區(qū)7 293 處，設(shè)計(jì)灌溉面積667 hm2以下的小型灌區(qū)數(shù)百萬(wàn)處(準(zhǔn)確數(shù)字無(wú)法統(tǒng)計(jì))[2]。按照最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年我國(guó)農(nóng)業(yè)用水總量為3 693.1 億m3，農(nóng)田灌溉用水量為3 256.7 億m3[3]。其中，大中型灌區(qū)農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)田灌溉用水量的59.5%，而數(shù)量以百萬(wàn)計(jì)的小型灌區(qū)灌溉用水量占比僅為40.5%。由于小型灌區(qū)數(shù)量眾多，水源和工程情況各異，且大部分小型灌區(qū)沒(méi)有專門的管理機(jī)構(gòu)，計(jì)量設(shè)施安裝率低[4]，因此，需要對(duì)樣點(diǎn)灌區(qū)選擇的方法進(jìn)行深入研究，合理確定樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量，既減少用水量統(tǒng)計(jì)的工作量，又盡可能地提高用水量統(tǒng)計(jì)推算的精度[5]。

1 樣點(diǎn)灌區(qū)選取原則和基本要求

1.1 樣點(diǎn)灌區(qū)選取原則

代表性：綜合考慮農(nóng)業(yè)灌溉用水戶規(guī)模、工程設(shè)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(jié)構(gòu)等因素選擇灌溉樣本用水戶。灌溉樣本用水戶應(yīng)在省級(jí)行政區(qū)和水資源分區(qū)的同類型灌溉用水戶中具有代表性。

可行性：灌溉樣本用水戶應(yīng)具備一定的量水條件和技術(shù)力量，保證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源可靠。

可持續(xù)性：針對(duì)灌溉樣本用水戶計(jì)量、統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中存在的問(wèn)題，適時(shí)增加或調(diào)整監(jiān)測(cè)站(點(diǎn))，以保證數(shù)據(jù)精度[6]。

1.2 樣點(diǎn)灌區(qū)選取基本要求

(1)應(yīng)按照各省用水定額標(biāo)準(zhǔn)文件中的農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)進(jìn)行選取，在每一灌溉分區(qū)中選擇在工程設(shè)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(jié)構(gòu)等方面有代表性的灌區(qū)為樣點(diǎn)灌區(qū)，作為農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計(jì)推算的基礎(chǔ)。

(2)為充分利用已有的基礎(chǔ)資源，樣本用水戶的選取應(yīng)盡可能與國(guó)控、省級(jí)行政區(qū)監(jiān)測(cè)站(點(diǎn))和取水許可監(jiān)督管理等工作相銜接。

(3)應(yīng)分析現(xiàn)狀灌溉樣本用水戶是否具有代表性、統(tǒng)計(jì)數(shù)量能否滿足監(jiān)測(cè)計(jì)量水量的比例要求，如不滿足要求，應(yīng)按照上述原則和方法增加或調(diào)整樣點(diǎn)灌區(qū)。

2 樣點(diǎn)灌區(qū)選取方法

2.1 總體要求

設(shè)計(jì)灌溉面積667 hm2及以上的所有大中型灌區(qū)水量均應(yīng)直接填報(bào)，不存在樣點(diǎn)灌區(qū)選擇問(wèn)題。

設(shè)計(jì)灌溉面積667 hm2以下的小型灌區(qū)需按照典型推算的方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水量的填報(bào)，故應(yīng)選取樣點(diǎn)灌區(qū)。根據(jù)地表水源灌溉和地下水源灌溉(即純井灌區(qū))兩種取水類型，分別選擇有代表性的灌區(qū)作為樣點(diǎn)灌區(qū)。

2.2 小型樣點(diǎn)灌區(qū)選取方法

小型樣點(diǎn)灌區(qū)需要根據(jù)地表水源和地下水源(純井)兩種取水類型分別選取。純井灌區(qū)以單井控制灌溉面積作為一個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，單井控制面積一般比較小，灌溉的作物相對(duì)單一，灌溉單位面積用水量主要取決于不同節(jié)水工程形式和種植的作物、土質(zhì)類型，因此樣點(diǎn)灌區(qū)選取時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般要求每個(gè)灌溉分區(qū)內(nèi)不少于3個(gè)，但應(yīng)當(dāng)保證樣點(diǎn)灌區(qū)在灌溉分區(qū)內(nèi)的代表性，即樣點(diǎn)灌區(qū)應(yīng)包括灌溉分區(qū)內(nèi)小型地下水源灌區(qū)主要的節(jié)水工程形式(渠道防滲、噴灌、滴灌或低壓管道)，不同節(jié)水工程形式下的有效灌溉面積應(yīng)與灌溉分區(qū)內(nèi)小型地下水源灌區(qū)總的節(jié)水工程現(xiàn)狀相協(xié)調(diào)，并且樣點(diǎn)灌區(qū)的工程設(shè)施情況、土壤類型和作物種植結(jié)構(gòu)要在灌溉分區(qū)內(nèi)的同類型灌區(qū)中具有代表性。

對(duì)于小型地表水源灌區(qū)，水源和工程情況更為復(fù)雜，樣點(diǎn)灌區(qū)的選擇分為“樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量初步確定-樣點(diǎn)灌區(qū)最低數(shù)量要求-樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量最終確定”3個(gè)階段最終確定，其中“樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量初步確定”階段，主要是采用了2018年度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的1 614個(gè)小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)調(diào)查資料，以樣點(diǎn)灌區(qū)耕地灌溉單位面積用水量作為調(diào)查樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

(1)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量初步確定。省級(jí)區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量初步確定。以所有小型地表水源灌區(qū)為樣本總體，按照提水和自流兩種取水方式進(jìn)行樣本容量確定。通過(guò)確定標(biāo)準(zhǔn)誤差的置信水平和抽樣誤差，并采用2018年度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)為調(diào)查樣本數(shù)據(jù)，估算確定樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，初步確定各省小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)的數(shù)量。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，耕地灌溉單位面積用水量估計(jì)的樣本容量計(jì)算公式為[7]：

(1)

式中：z為標(biāo)準(zhǔn)誤差的置信水平，本方案置信度為95%，經(jīng)查表z=1.96；σ為總體標(biāo)準(zhǔn)差；e為可接受的抽樣誤差，本方案取10%；

采用2018年度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)為調(diào)查樣本數(shù)據(jù)，估算確定樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差公式為：

(2)

式中：N為調(diào)查樣本中小型灌區(qū)樣本數(shù)；xi為調(diào)查樣本中第i個(gè)小型地表水源灌區(qū)耕地灌溉單位面積用水量，m3/hm2；μ為調(diào)查樣本中的平均小型地表水源灌區(qū)耕地灌溉單位面積用水量，m3/hm2。

灌溉分區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量初步確定。目前大部分省區(qū)都發(fā)布了行業(yè)用水定額或灌溉用水定額標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)本省的農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)進(jìn)行了劃分，根據(jù)收集整理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件，全國(guó)共有27個(gè)省區(qū)(北京、天津、上海、西藏除外)劃分了農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)，其中一級(jí)灌溉分區(qū)132個(gè)，二級(jí)灌溉分區(qū)185個(gè)。將通過(guò)樣本容量計(jì)算初步確定的小型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量按灌溉分區(qū)比例分配到各個(gè)灌溉分區(qū)，得到每個(gè)灌溉分區(qū)的小型地表樣點(diǎn)灌區(qū)初步數(shù)量。

(2)樣點(diǎn)灌區(qū)最低數(shù)量要求。樣點(diǎn)灌區(qū)應(yīng)包括提水和自流引水2種取水方式，每個(gè)灌溉分區(qū)內(nèi)每種取水方式的小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量不少于5個(gè)。應(yīng)當(dāng)保證樣點(diǎn)灌區(qū)在灌溉分區(qū)內(nèi)的代表性：

不同取水方式的樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量和有效灌溉面積應(yīng)與灌溉分區(qū)內(nèi)同類型灌區(qū)有關(guān)指標(biāo)比例相協(xié)調(diào)，并且樣點(diǎn)灌區(qū)的工程設(shè)施情況、土壤類型和作物種植結(jié)構(gòu)要在灌溉分區(qū)內(nèi)的同類型灌區(qū)中具有代表性。

(3)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量最終確定。將通過(guò)樣本容量計(jì)算初步確定的小型地表水源灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量按比例分配到灌溉分區(qū)后，與該灌溉分區(qū)內(nèi)最低樣點(diǎn)數(shù)量相比較。如果根據(jù)初步確定后的樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量少于最低樣點(diǎn)數(shù)量，則以最低樣點(diǎn)數(shù)量為準(zhǔn)；如果高于最低樣點(diǎn)數(shù)量，則以初步確定的樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量為準(zhǔn)。

3 樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量確定及分析

3.1 樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量確定

省級(jí)小型灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差及樣本容量如表1所示，內(nèi)蒙古、遼寧、黑龍江、浙江和安徽省部分取水方式由于調(diào)查數(shù)據(jù)缺失無(wú)法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差故直接以最低數(shù)量要求確定最終樣本容量，其余部分省及直轄市由于某種取水方式的灌區(qū)數(shù)量較少，故不布設(shè)該取水方式的樣點(diǎn)灌區(qū)。從表中可以看出，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理確定初步樣本容量，小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)需布設(shè)877個(gè)提水樣點(diǎn)灌區(qū)和882個(gè)自流樣點(diǎn)灌區(qū)，部分省及直轄市由于調(diào)查數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差較小，所需樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量少，如甘肅省，自流和提水小型灌區(qū)分別僅需4個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)即可滿足用水量估算的要求，為了確保樣點(diǎn)灌區(qū)在灌溉分區(qū)的代表性，提高用水量估算的精度，將每個(gè)灌溉分區(qū)每種取水方式的小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量增至5個(gè)。最終，全國(guó)共需布設(shè)2 218個(gè)小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)和602個(gè)小型地下水源灌區(qū)，其中小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)根據(jù)取水方式，分別需要布設(shè)1 087個(gè)小型提水樣點(diǎn)灌區(qū)和1 131個(gè)小型自流樣點(diǎn)灌區(qū)。

表1 省級(jí)小型樣點(diǎn)灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差及樣本容量

3.2 樣點(diǎn)灌區(qū)與現(xiàn)有基礎(chǔ)對(duì)比分析

農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作從2006年開(kāi)始實(shí)施，截至2018年，全國(guó)共布設(shè)樣點(diǎn)灌區(qū)3 715個(gè)，其中大型灌區(qū)441個(gè)，中型灌區(qū)1 102個(gè)，小型地表水源灌區(qū)1 614個(gè)，小型地下水源灌區(qū)(純井灌區(qū))558個(gè)。該項(xiàng)工作累計(jì)了大量的工作基礎(chǔ)，因此，農(nóng)田灌溉用水量的統(tǒng)計(jì)應(yīng)與該項(xiàng)工作密切結(jié)合，尤其是樣點(diǎn)灌區(qū)的選擇方面。

通過(guò)上述方法確定，全國(guó)按照灌溉分區(qū)共需布設(shè)2 218個(gè)小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)和602個(gè)小型地下水源灌區(qū)。而2018年度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算布設(shè)的小型地表水源灌區(qū)為1 614個(gè)、小型地下水源灌區(qū)(純井灌區(qū))為558個(gè)，現(xiàn)有系數(shù)測(cè)算樣點(diǎn)灌區(qū)暫時(shí)不滿足要求。通過(guò)對(duì)確定的各灌溉分區(qū)中樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量與現(xiàn)有2018年度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算布設(shè)的樣點(diǎn)灌區(qū)進(jìn)行比較分析，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)總體來(lái)說(shuō)，確定的各灌溉分區(qū)中樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量與現(xiàn)有2018年度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算布設(shè)的樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量相差不大，現(xiàn)有系數(shù)測(cè)算樣點(diǎn)灌區(qū)只需適當(dāng)增加和調(diào)整即可滿足農(nóng)田灌溉用水量的統(tǒng)計(jì)要求。

(2)與現(xiàn)有樣點(diǎn)灌區(qū)相比，需要增加的小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)為648個(gè)，其中小型地表水源灌區(qū)604個(gè)，小型地下水源灌區(qū)44個(gè)。

(3)在132個(gè)灌溉分區(qū)中，有94個(gè)灌溉分區(qū)需要增加小型樣點(diǎn)灌區(qū)的數(shù)量，38個(gè)灌溉分區(qū)的現(xiàn)有小型樣 點(diǎn)灌區(qū)已達(dá)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究提出一種農(nóng)田用水量推算工作中樣點(diǎn)灌區(qū)的選取方法，確定了樣點(diǎn)灌區(qū)的選取原則、基本要求和選取方法。主要結(jié)論有：①設(shè)計(jì)灌溉面積667 hm2及以上的所有大中型灌區(qū)水量直接填報(bào)，設(shè)計(jì)灌溉面積667 hm2以下的小型灌區(qū)水量需選取樣點(diǎn)灌區(qū)進(jìn)行推算；②小型灌區(qū)根據(jù)取水類型分別進(jìn)行樣點(diǎn)灌區(qū)選取，純井灌區(qū)根據(jù)最低數(shù)量要求進(jìn)行樣點(diǎn)灌區(qū)選取，地表水源灌區(qū)根據(jù)“樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量初步確定-樣點(diǎn)灌區(qū)最低數(shù)量要求-樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量最終確定”3個(gè)階段最終確定；③根據(jù)上述方法，全國(guó)按照灌溉分區(qū)共需布設(shè)2 218個(gè)小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)和602個(gè)小型地下水源灌區(qū)，與現(xiàn)有樣點(diǎn)灌區(qū)相比，需要增加的小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)為648個(gè)，其中小型地表水源灌區(qū)604個(gè)，小型地下水源灌區(qū)44個(gè)。

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