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(cè)設(shè)計(jì)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(guó)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(yuǎn)離海洋，四周高山環(huán)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(lái)看新疆都是水資源匱乏的，隨著新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)用水需求不斷增大。

地下水因其開(kāi)采便利、成本較低、取用靈活、水質(zhì)較好等特點(diǎn)被大量開(kāi)采，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，新疆多年平均地下水供水量已經(jīng)占到總供水量的20%，成了保障新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要組成部分。近年來(lái)，由于地下水超采而引發(fā)的地下水位持續(xù)下降、湖泊濕地萎縮、泉水流量衰竭、坎兒井流量衰減、草場(chǎng)退化、土地沙化等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，引起了各級(jí)黨委和政府的高度關(guān)注。摸清地下水開(kāi)采量、進(jìn)而合理控制地下水開(kāi)采是水行政主管部門的必要職責(zé)，估算地下水開(kāi)采量是當(dāng)前地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(shí)間內(nèi)難以完成地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，然而保護(hù)生態(tài)環(huán)境刻不容緩，需要我們及時(shí)采用必要手段應(yīng)對(duì)實(shí)際情況。本研究主要為在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立前，利用全國(guó)水利普查資料，提出不同區(qū)域單位耗電量取水量指標(biāo)，利用實(shí)際用電量初步估算區(qū)域地下水開(kāi)采量，為開(kāi)展地下水監(jiān)督管理提供計(jì)算依據(jù)。

2 研究方法

2.1 確定計(jì)算方法

2.1.1 理論計(jì)算法

機(jī)電井的工作原理是以電機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)水泵，將地下水提取到地面或指定位置。從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，是將電能轉(zhuǎn)換成重力勢(shì)能。理論計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為水泵的功率，W；S為抽水時(shí)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(guò)式(1)，在獲得提水高度和電量數(shù)據(jù)的情況下，可以得出理論的提水量，但是實(shí)際情況下提水量不僅與提水高度有關(guān)，還和水泵的運(yùn)行效率有關(guān)，而水泵的運(yùn)行效率與水泵的型號(hào)、水泵的使用年限等有著密切的聯(lián)系。水泵的運(yùn)行效率在相關(guān)規(guī)范中有要求，但是實(shí)際過(guò)程中影響因素較多，導(dǎo)致各井差異較大，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，但是目前并未開(kāi)展全疆范圍的水泵運(yùn)行效率普查工作，效率參數(shù)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(duì)簡(jiǎn)單直接，僅需獲取用電量和單位耗電量取水量參數(shù)即可，單位耗電量取水量參數(shù)通過(guò)實(shí)際運(yùn)行可以直接獲得。單位耗電量取水量法計(jì)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(jù)上述公式，僅需獲得單位耗電量取水量參數(shù)和用電量數(shù)據(jù)即可計(jì)算得出地下水的取水量。

2.1.3 計(jì)算方法的選用

上述兩個(gè)方法均需開(kāi)展相關(guān)機(jī)電井抽水實(shí)驗(yàn)，相對(duì)而言單位耗電量取水量法簡(jiǎn)單直接，所需參數(shù)較少，實(shí)際運(yùn)用廣泛，故本次研究選用單位耗電量取水量法進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2011年全國(guó)開(kāi)展了水利普查工作，在對(duì)機(jī)電井的普查過(guò)程中，單位耗電量取水量參數(shù)也作為一項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。截至目前，全疆再未開(kāi)展過(guò)如此全面的普查工作，水利普查數(shù)據(jù)雖然距今時(shí)間較長(zhǎng)，但2011年全國(guó)水利普查是由國(guó)家層面組織開(kāi)展的，工作周期長(zhǎng)、投入人員多、標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)統(tǒng)一、專業(yè)性較強(qiáng)、數(shù)據(jù)較為全面，故對(duì)于沒(méi)有地下水監(jiān)測(cè)設(shè)施的地區(qū)，仍有一定的參考意義。本次研究收集到新疆14個(gè)地州的水利普查機(jī)電井的單位耗電量取水量的數(shù)據(jù)，以此作為本次研究的數(shù)據(jù)源。

2.3 參數(shù)確定過(guò)程

2.3.1 數(shù)據(jù)代表性

本次研究共收集到新疆14個(gè)地州92705眼機(jī)電井的數(shù)據(jù)，其中有38176眼機(jī)電井開(kāi)展了單位耗電量取水量參數(shù)的測(cè)算，占到了全部機(jī)電井的41%。其中烏魯木齊市開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的機(jī)電井?dāng)?shù)僅占到全部機(jī)電井?dāng)?shù)的3%，代表程度最弱；阿克蘇地區(qū)全部機(jī)電井均開(kāi)展了單位耗電量取水量參數(shù)的測(cè)算實(shí)驗(yàn)，代表程度最好；代表程度超過(guò)50%的還有哈密市、喀什地區(qū)、和田地區(qū)，其余地區(qū)代表程度較弱。各地州機(jī)電井開(kāi)展單位耗電量取水量實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表1。

表1 新疆各地州機(jī)電井開(kāi)展單位耗電量取水量實(shí)驗(yàn)情況

2.3.2 機(jī)電井單位耗電量取水量指標(biāo)分布情況

對(duì)收集到的開(kāi)展了單位耗電量取水量的機(jī)電井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究區(qū)內(nèi)機(jī)電井的單位耗電量取水量參數(shù)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(qū)、喀什地區(qū)的單位耗電量取水量數(shù)據(jù)相對(duì)集中，其余各地州的單位耗電量取水量數(shù)據(jù)較為分散。東疆、南疆比北疆?dāng)?shù)據(jù)相對(duì)集中。機(jī)電井單位耗電量取水量變化范圍見(jiàn)表2，機(jī)電井單位耗電量取水量頻數(shù)分布見(jiàn)圖1～圖14。

圖1 烏魯木齊市單位耗電量取水量頻數(shù)

圖2 克拉瑪依市單位耗電量取水量頻數(shù)

圖3 吐魯番市單位耗電量取水量頻數(shù)

圖4 哈密市單位耗電量取水量頻數(shù)

圖5 昌吉回族自治州單位耗電量取水量頻數(shù)

圖6 伊犁哈薩克自治州單位耗電量取水量頻數(shù)

圖7 塔城地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)

圖8 阿勒泰地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)

圖9 博爾塔拉蒙古自治州單位耗電量取水量頻數(shù)

圖11 阿克蘇地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)

圖12 克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃輪挝缓碾娏咳∷款l數(shù)

圖13 喀什地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)

圖14 和田地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)

表2 不同區(qū)域單位耗電量取水量變化范圍

對(duì)各地州的單位耗電量取水量數(shù)據(jù)和頻數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(qū)最大，為6.4m3/(kW·h)。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)優(yōu)化過(guò)程

根據(jù)上述分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)機(jī)電井的單位耗電量取水量參數(shù)范圍過(guò)大，由于存在代表性的問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)所采用的加權(quán)平均單位耗電量取水量數(shù)據(jù)不能夠反映實(shí)際平均情況。鑒于這種情況，本次研究將結(jié)合區(qū)域地下水埋深情況，選取相應(yīng)典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期提出能夠反映各區(qū)域單位耗電量取水量平均水平的參考指標(biāo)。

2.4.1 新疆各地區(qū)灌區(qū)淺層地下水埋深主要分布區(qū)域

本次新疆各地區(qū)平原區(qū)淺層地下水埋深主要分布區(qū)域依據(jù)《新疆地下水》中平原區(qū)淺層地下水埋深分布面積成果確定，該成果是根據(jù)1∶100萬(wàn)比例尺水文地質(zhì)調(diào)查、新疆各地區(qū)地下水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃、典型地段水文地質(zhì)勘探以及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料整理而成的，是當(dāng)前經(jīng)過(guò)審查通過(guò)的權(quán)威成果。經(jīng)整理，新疆各地區(qū)灌區(qū)淺層地下水埋深主要分布區(qū)域見(jiàn)表4。

表4 各地州平原區(qū)淺層地下水埋深分布面積統(tǒng)計(jì) 單位：km2

2.4.2 各區(qū)域典型機(jī)電井單位耗電量取水量參數(shù)

根據(jù)平原區(qū)淺層地下水埋深范圍，利用新疆水利普查機(jī)電井的地下水埋深和單位用電量取水量數(shù)據(jù)，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(jīng)整理，各區(qū)域不同地下水埋深單位用電量取水量參數(shù)均值見(jiàn)表5。

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

續(xù)表

2.4.3 優(yōu)化前后單位耗電量取水量參數(shù)對(duì)比

將優(yōu)化前后的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可以看出：全疆的參數(shù)減少了0.9m3/(kW·h)，北疆優(yōu)化前后基本一致，東疆較優(yōu)化前略有增加，南疆略有減少。參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比情況見(jiàn)表6。

表6 各地州參數(shù)調(diào)整前后單位用電量取水量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果與分析

按照行政區(qū)域以及地形地貌特點(diǎn)提出了新疆14個(gè)地州和3個(gè)分區(qū)的單位耗電量取水量指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，考慮了不同地下水埋深分布面積對(duì)參數(shù)的影響。分析發(fā)現(xiàn)：北疆的克拉瑪依市單位耗電量取水量指標(biāo)最小，為1.3m3/(kW·h)，南疆的喀什地區(qū)單位耗電量取水量指標(biāo)最大，為6.6m3/(kW·h)，最大的指標(biāo)與最小的指標(biāo)相差了5倍，分析原因主要是喀什地區(qū)機(jī)電井的地下水埋深普遍較克拉瑪依市機(jī)電井的地下水埋深淺，假設(shè)機(jī)電井選取的泵型是合適的、效率是一樣的，結(jié)合計(jì)算方法，單位耗電量取水量與提水高度有關(guān)，同樣提取1m3水，喀什地區(qū)所需要做的功就要小于克拉瑪依市，因此喀什地區(qū)的單位耗電量取水量指標(biāo)大于克拉瑪依市的指標(biāo)；從區(qū)域上看南疆的指標(biāo)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(guān)；計(jì)算區(qū)域合計(jì)的平均指標(biāo)大于北疆和東疆，主要是因?yàn)槟辖刂蓍_(kāi)展單位耗電量取水量實(shí)驗(yàn)的代表性普遍較高，基本上都超過(guò)了50%，且南疆開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)的機(jī)電井眼數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北疆與東疆機(jī)電井眼數(shù)之和，這就使得合計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)向南疆的指標(biāo)傾斜，這是由于數(shù)據(jù)的代表性造成的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次研究借助已有的新疆范圍內(nèi)的單位耗電量取水量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)整理、匯總、分析，最終提出了新疆14個(gè)地州以及北疆、東疆、南疆、合計(jì)的單位用電量取水量指標(biāo)，為今后水行政主管部門初步復(fù)核地下水取水量數(shù)據(jù)提供參考依據(jù)，尤其是對(duì)于某些沒(méi)有地下水監(jiān)測(cè)設(shè)施或者監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)，有一定的參考意義。