基于樣點(diǎn)灌區(qū)選取方法的農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計(jì)分析

張建華

(燈塔市水利灌溉服務(wù)中心，遼寧 燈塔 111300)

水利部提出未來一定時(shí)期內(nèi)要堅(jiān)持“補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管”的水利改革總基調(diào)，這也是今后開展水利工作的重點(diǎn)。其中，對(duì)水資源的監(jiān)管應(yīng)符合水資源“最嚴(yán)格”管理的要求，全面地監(jiān)管水資源調(diào)度、配置、保護(hù)、利用、開發(fā)、節(jié)約等各個(gè)環(huán)節(jié)。用水總量統(tǒng)計(jì)工作不僅為水資源保護(hù)、節(jié)約、管理、規(guī)劃以及水資源戰(zhàn)略宏觀調(diào)控等提供必要的支撐，還能體現(xiàn)用水總量控制的實(shí)施效果，這是組成水資源管理工作的重要內(nèi)容。

調(diào)查顯示，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占經(jīng)濟(jì)社會(huì)總用水量的60%以上，所以農(nóng)業(yè)用水屬于控制的重點(diǎn)，而85%以上的農(nóng)業(yè)用水量消耗于農(nóng)田灌溉用水，科學(xué)準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)灌溉用水量是貫徹執(zhí)行最嚴(yán)格水資源管理的根本要求。根據(jù)正開展實(shí)施的《用水統(tǒng)計(jì)調(diào)查制度》和《用水總量統(tǒng)計(jì)方案(實(shí)行)》要求，以灌區(qū)為基本單元對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，采用綜合推算區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量、一般用水戶抽樣調(diào)查、用水大戶逐一計(jì)量統(tǒng)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。依據(jù)2011年普查數(shù)據(jù)，我國(guó)擁有近百萬處的小型灌區(qū)、7293處中型灌區(qū)、456處大型灌區(qū)。依據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料，2018年我國(guó)農(nóng)田灌溉和農(nóng)業(yè)用水總量為3256.7億m3、3693.1億m3，其中大中型灌區(qū)和百萬計(jì)小型灌區(qū)的灌溉用水量所占比例為59.5%、40.5%[1-2]。小型灌區(qū)工況及水源各異，分布范圍廣，數(shù)量眾多，計(jì)量設(shè)施安裝率低且大多沒有專門的管理機(jī)構(gòu)[3]。所以，有必要深入研究樣點(diǎn)灌區(qū)選擇方法，在準(zhǔn)確估算樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量的基礎(chǔ)上減少農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計(jì)的工作量，以及提高其估算精度。

1 小型樣點(diǎn)灌區(qū)的選取

1.1 選取原則

1)代表性原則。應(yīng)全面考慮取水方式、灌溉規(guī)模、土壤類型、地貌形態(tài)、種植結(jié)構(gòu)、渠系設(shè)施狀況等因素合理選擇灌溉樣本用水戶，其在同類型水資源分區(qū)與省級(jí)行政區(qū)內(nèi)必須符合代表性要求。

2)可行性原則。為了提供可靠的數(shù)據(jù)來源，選擇的樣本戶要具備一定的量水技術(shù)條件。

3)可持續(xù)性原則。針對(duì)計(jì)量分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程中樣本戶存在的問題，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)進(jìn)度，可結(jié)合實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整或增加測(cè)點(diǎn)。

1.2 基本要求

1)樣點(diǎn)灌區(qū)選取時(shí)要符合各地區(qū)用水定額標(biāo)準(zhǔn)中農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)有關(guān)要求，即以各灌溉分區(qū)內(nèi)的樣點(diǎn)灌區(qū)作為灌溉用水量推算的依據(jù)。

2)樣本用水戶的選取要最大程度的與取水許可監(jiān)督管理、國(guó)家或省級(jí)行政區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等工作相銜接，保證已有基礎(chǔ)資源的充分利用。

3)全面分析樣本戶統(tǒng)計(jì)數(shù)量能否達(dá)到所需比例要求，以及是否滿足代表性要求等，若不符合要求應(yīng)按以上方法調(diào)整或增加樣點(diǎn)灌區(qū)。

4)直接填報(bào)所有大中型灌區(qū)(設(shè)計(jì)灌溉范圍不低于667hm2)水量，即大中型灌區(qū)不存在選擇樣點(diǎn)灌區(qū)的問題；采用典型推算的方法填報(bào)小型灌區(qū)(設(shè)計(jì)灌溉范圍<667hm2)的農(nóng)業(yè)灌溉用水量。依據(jù)不同的取水方式，對(duì)地下水源和地表水源分別選擇代表型樣點(diǎn)灌區(qū)。

1.3 選取方法

考慮不同的取水類型，應(yīng)對(duì)地下水源(純井)、地表水源兩種取水方式分別選取小型樣點(diǎn)灌區(qū)。

1)以單井控制灌溉范圍作為地下水源灌區(qū)的一個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，單井灌溉的作物相對(duì)單一且控制范圍一般比較小，種植的作物、土質(zhì)類型和不同節(jié)水工程形式在很大程度上決定了灌溉單位面積用水量，所以選取的樣點(diǎn)灌區(qū)較簡(jiǎn)單，每個(gè)灌溉分區(qū)內(nèi)一般要求不低于3個(gè)，且在灌溉分區(qū)內(nèi)必須確保樣點(diǎn)灌區(qū)的代表性，即灌溉分區(qū)內(nèi)以低壓管道、滴灌、噴灌、渠道防滲等節(jié)水工程形式為主的小型地下水源灌區(qū)都要納入樣點(diǎn)灌區(qū)的范疇。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)狀應(yīng)與不同節(jié)水工程形式下的有效灌溉面積相協(xié)調(diào)，在灌溉分區(qū)內(nèi)的同類型灌區(qū)中樣點(diǎn)灌區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)、土壤類型、工程設(shè)施情況都要具有代表性。

2)小型地表水源灌區(qū)的工程情況和水源狀況更加復(fù)雜，應(yīng)按照“初步確定-最低要求-最終確定”3個(gè)階段合理的選取樣點(diǎn)灌區(qū)。調(diào)查樣本數(shù)據(jù)來源于2018年度測(cè)算的1614個(gè)小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)調(diào)查資料，其測(cè)算依據(jù)為灌溉水有效利用系數(shù)，即確定的樣點(diǎn)灌區(qū)耕地灌溉單位面積用水量，并對(duì)樣本標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算。

階段1：初步確定樣本數(shù)量。省級(jí)區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量的初步確定以所有小型地表水源灌區(qū)為樣本總體，樣本容量按照自流、提水兩種取水方式確定。在合理計(jì)算抽樣誤差和標(biāo)準(zhǔn)誤差置信水平的情況下，確定調(diào)查樣本數(shù)據(jù)來源于2018年度測(cè)算的小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)，其測(cè)算依據(jù)為灌溉水有效利用系數(shù)，然后估算確定樣本的標(biāo)準(zhǔn)差以及各省小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量。以統(tǒng)計(jì)學(xué)原理為基礎(chǔ)利用以下公式確定樣本容量，具體如下：

(1)

式中：z為標(biāo)準(zhǔn)誤差的置信水平，置信度為95%時(shí)z取1.96；e、σ為可接受的樣本誤差和總體標(biāo)準(zhǔn)差，文中e取10%。調(diào)查樣本數(shù)據(jù)來源于2018年度小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)，其測(cè)算依據(jù)為灌溉水有效利用系數(shù)，利用公式(2)估算樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，即：

(2)

式中：N為小型灌區(qū)的調(diào)查樣本數(shù)；μ、xi為調(diào)查樣本中的平均小型地表水源灌區(qū)和第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。

灌溉分區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量的初步確定以省區(qū)頒布的灌溉用水定額或行業(yè)用水定額標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，大多數(shù)省區(qū)標(biāo)準(zhǔn)都劃分了農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)，結(jié)合收集整理的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件全國(guó)共有27個(gè)省區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)進(jìn)行了劃分，其中一級(jí)、二級(jí)灌溉分區(qū)為132個(gè)和185個(gè)。根據(jù)灌溉分區(qū)比例合理分配樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量，從而初步確定各灌溉分區(qū)小型地表水樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)。

階段2：樣點(diǎn)灌區(qū)最低數(shù)量要求。根據(jù)自流飲水、提水2種取水方式確定的樣點(diǎn)灌區(qū)，每種取水方式的小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)在每個(gè)灌溉分區(qū)內(nèi)應(yīng)不低于5個(gè)，并且在灌溉分區(qū)內(nèi)要確保樣點(diǎn)灌區(qū)具有代表性。灌溉分區(qū)內(nèi)各樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量、有效灌溉面積必須與同類型灌區(qū)相協(xié)調(diào)，并且選擇的樣點(diǎn)灌區(qū)工程設(shè)施、種植結(jié)構(gòu)、土壤類型要符合代表性要求。

階段3：最終確定樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量。在灌溉分區(qū)內(nèi)按比例分配基于樣本容量初步估算的小型地表水源灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量后，對(duì)比分析相同分區(qū)內(nèi)最低樣點(diǎn)數(shù)量。若最低樣點(diǎn)數(shù)量超過初步估算值則以最低樣點(diǎn)數(shù)量為準(zhǔn)，若沒有超過則以初步估算的數(shù)量為準(zhǔn)。

2 樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量分析

2.1 確定樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量

表1為確定的省級(jí)小型灌區(qū)樣本容量及標(biāo)準(zhǔn)差，由于調(diào)查數(shù)據(jù)缺失無法計(jì)算安徽、浙江、黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古部分取水方式的標(biāo)準(zhǔn)差，所以最終樣本容量直接以最低數(shù)量要求確定，對(duì)于某種取水方式灌區(qū)數(shù)量較少的部分省、直轄市不布設(shè)該取水方式的樣點(diǎn)灌輸。從表1可知，初步樣本容量按統(tǒng)計(jì)學(xué)原理確定時(shí)，應(yīng)布設(shè)的自流、提水小型地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)為853個(gè)和858個(gè)，因調(diào)查數(shù)據(jù)具有較小的標(biāo)準(zhǔn)差部分地區(qū)所需的樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)較少，如分別僅需4個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)即可滿足甘肅省提水、自流小型灌區(qū)用水量估算要求，為提高用水量估算精度以及保證灌溉分區(qū)內(nèi)樣點(diǎn)灌區(qū)的代表性，增加每個(gè)灌溉分區(qū)中每種取水方式的樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量至5個(gè)。最終，全國(guó)供需布設(shè)小型地下水源和地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)617個(gè)、2241個(gè)，其中按取水方式需布設(shè)小型自流和提水樣點(diǎn)灌區(qū)1145個(gè)、1096個(gè)。

表1 省級(jí)小型樣點(diǎn)灌區(qū)樣本容量及標(biāo)準(zhǔn)差

2.2 對(duì)比樣點(diǎn)灌區(qū)與現(xiàn)有基礎(chǔ)

從2006年開始至2018年結(jié)束開展的灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作，全國(guó)共布設(shè)3715個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，其中小型地下水源和地表水源灌區(qū)558個(gè)、1614個(gè)，中型和大型灌區(qū)1102個(gè)、591個(gè)。該工作為后期灌區(qū)管理、升級(jí)改造等提供了大量資料，所以要密切結(jié)合該項(xiàng)工作開展農(nóng)田灌溉用水量的統(tǒng)計(jì)，特別是選擇樣點(diǎn)灌區(qū)時(shí)要充分結(jié)合以上工作。

根據(jù)文中所述方法，按照灌溉分區(qū)供需布設(shè)小型地下水源和地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)617個(gè)、2241個(gè)。采用灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的小型地下水源灌區(qū)558個(gè)、小型地表水源灌區(qū)1614個(gè)，所以采用現(xiàn)有系數(shù)測(cè)算的樣點(diǎn)灌區(qū)無法達(dá)到要求。通過對(duì)比分析灌溉水有效系數(shù)測(cè)算的樣點(diǎn)灌區(qū)和文中確定的各灌溉分區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量，可得出以下結(jié)論：

1)總體而言，采用灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量與確定的各灌溉分區(qū)中樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量相差不大，為滿足農(nóng)田灌溉用水量的統(tǒng)計(jì)要求只需適當(dāng)調(diào)整或增加現(xiàn)有系數(shù)測(cè)算樣點(diǎn)灌區(qū)即可。

2)與現(xiàn)有樣點(diǎn)灌區(qū)相比還要增加小型地下水源和地表水源灌區(qū)59個(gè)、627個(gè)。此外，在132個(gè)灌溉分區(qū)中現(xiàn)有小型樣點(diǎn)灌區(qū)達(dá)到要求的灌溉分區(qū)有40個(gè)，而需要增加小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量的灌溉分區(qū)有92個(gè)。

3 結(jié) 論

本研究遵循樣點(diǎn)灌區(qū)選取要求、基本原則提出一種樣點(diǎn)灌區(qū)選取方，為農(nóng)田用水量測(cè)算提供一種新的途徑，主要結(jié)論如下：

1)以選取樣點(diǎn)灌區(qū)推算以及直接填報(bào)小型、大中型灌區(qū)灌溉用水量，其中小型、純井和地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)的選擇要按照取水類型、最低要求、分階段的方法確定。

2)采用文中所述方法，針對(duì)不同灌溉分區(qū)共需布設(shè)小型地下水源和地表水源樣點(diǎn)灌區(qū)617個(gè)、2241個(gè)，與現(xiàn)有樣點(diǎn)灌區(qū)相比還要增加59個(gè)地下水源和627個(gè)地表水源灌區(qū)。