河北平原農(nóng)業(yè)灌溉以電折水系數(shù)影響因素研究*

李 飛 ,陶 鵬 ,齊永青 ,李紅軍 ,王鴻璽 ,王 寧 ,裴宏偉,張喜英,5

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務(wù)中心 石家莊 050035;2. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;3. 欒城區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 石家莊 051430;4. 河北建筑工程學(xué)院/河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張家口 075000;5. 中國科學(xué)院大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院 北京 100049)

河北平原農(nóng)業(yè)灌溉占全區(qū)地下水開采總量的70%以上,部分地區(qū)占比高達(dá)85%,農(nóng)業(yè)地下水消耗規(guī)模已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出區(qū)域地下水可開采規(guī)模[1-2],是導(dǎo)致地下水超采的主要原因之一,也是地下水超采綜合治理的重要對象。有關(guān)研究和地區(qū)實(shí)踐表明,農(nóng)業(yè)水權(quán)和水價(jià)改革等措施可通過提高用水成本來減少灌溉用水總量,是調(diào)控農(nóng)戶灌溉行為的重要手段[3-5],而可靠的用水計(jì)量是實(shí)施農(nóng)業(yè)水權(quán)和水價(jià)、水資源稅改革等精準(zhǔn)化水資源管理措施的前提[6]。盡管部分地區(qū)采用機(jī)械式、超聲波式水表以及智能刷卡水表等方式開展了灌溉用水直接計(jì)量的試點(diǎn),并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)[7-8],然而受成本和技術(shù)的制約,河北平原區(qū)絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)井沒有可靠的計(jì)量手段,仍采用典型調(diào)查或現(xiàn)行灌溉定額與實(shí)灌面積數(shù)據(jù)進(jìn)行用水量匡算,典型調(diào)查數(shù)量較少且代表性不強(qiáng),統(tǒng)計(jì)結(jié)果精度較差且缺少相應(yīng)的復(fù)核依據(jù)[9]。由于缺少可靠的灌溉用水計(jì)量方法,河北省近年來出臺的農(nóng)業(yè)水權(quán)和水資源稅改革政策的實(shí)施受到一定程度的阻礙。

長遠(yuǎn)來看,對農(nóng)業(yè)機(jī)井安裝計(jì)量設(shè)施是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的必然要求,只有在掌握每口機(jī)井開采量信息的基礎(chǔ)上,才能夠以農(nóng)戶為單位精準(zhǔn)實(shí)施“總量控制、定額管理”。但鑒于河北平原農(nóng)業(yè)機(jī)井?dāng)?shù)量龐大,全面普及計(jì)量設(shè)施難度很大。電泵抽取地下水是克服重力做功的過程,在一定條件下電泵的抽水量與電能消耗量存在定量關(guān)系,因此理論上可通過抽水過程的耗電量來求算相應(yīng)的取水量。20 世紀(jì)70 年代以來逐步建立了通過水泵耗電量間接計(jì)算地下水抽取量的以電折水方法[10-11],并應(yīng)用于取水量評估和水資源管理中[12-14]。取水量與耗電量的比值即為以電折水系數(shù),受含水層性質(zhì)、地下水埋深變化、水泵效率和灌溉技術(shù)類型等因素的影響[15-17],準(zhǔn)確測定以電折水系數(shù)成本高難度大,限制了該方法在農(nóng)業(yè)灌溉用水計(jì)量中的實(shí)際應(yīng)用。

本研究基于河北省縣域農(nóng)業(yè)灌溉以電折水系數(shù),分析了河北平原區(qū)以電折水系數(shù)的區(qū)域特征以及地下水埋深與以電折水系數(shù)的關(guān)系;基于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站的實(shí)際灌溉用電和用水量監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了灌溉時(shí)長、灌溉方式和灌溉季節(jié)等要素對以電折水系數(shù)的影響,對厘清農(nóng)灌機(jī)井以電折水系數(shù)的主要影響因子與完善河北平原井灌區(qū)以電折水方法具有參考價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 以電折水原理與以電折水系數(shù)的計(jì)算方法

以電折水方法是通過建立灌溉過程中水泵抽水量與耗電量的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)以耗電量計(jì)算抽水量的間接計(jì)量方法[17-18]。灌溉用水計(jì)量的以電折水方法基于以下條件: 1)對于農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井,水泵的耗電量和抽水量在一定條件下存在穩(wěn)定的比例關(guān)系;2)在一定區(qū)域內(nèi),同類型灌溉機(jī)井的以電折水系數(shù)具有一致性,將典型機(jī)井測得的以電折水系數(shù)應(yīng)用到同類型農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井取水量的計(jì)算中是可靠的。

單個(gè)灌溉機(jī)井以電折水系數(shù)可通過抽水試驗(yàn)測定,選擇安裝有電表的典型機(jī)井,在出水口安裝機(jī)械式或超聲波式水表等計(jì)量裝置,對水泵抽水量與耗電量進(jìn)行同步測量。水泵抽水量與耗電量的關(guān)系可表示為:

式中:V為水泵的抽水量(m3),E為測量的抽水電能消耗(kWh),Cf為以電折水系數(shù)(m3·kWh-1)。

通過抽水試驗(yàn)同步測定抽水量和耗電量確定以電折水系數(shù),對電量、水量計(jì)量裝置和試驗(yàn)人員配置均有一定的要求。以電折水系數(shù)實(shí)際測試過程中,往往由于電表安裝位置與水泵出水口或田間灌溉管道出水口空間距離較遠(yuǎn)等問題,同步測定存在一定困難。針對以上問題,可分別測定一定時(shí)段內(nèi)灌溉機(jī)井的耗電量和抽水量,用公式(1)計(jì)算該時(shí)段內(nèi)的平均以電折水系數(shù),該方法可結(jié)合田間灌溉過程進(jìn)行,對農(nóng)戶實(shí)際用水行為的影響較小。在進(jìn)行以電折水系數(shù)測定試驗(yàn)時(shí),水泵開啟時(shí)的流量受井筒內(nèi)水位快速波動下降和管道中空氣混雜的影響而不穩(wěn)定,只有當(dāng)機(jī)井的動水位降至穩(wěn)定時(shí),水泵流量才趨于穩(wěn)定,這一穩(wěn)定過程通常需要10～20 min[17,19],只有在流量穩(wěn)定后測定的以電折水系數(shù)才具有代表性。

1.2 河北平原縣域以電折水系數(shù)的確定

河北省縣域以電折水系數(shù)的測定以河北省水資源三級分區(qū)為基礎(chǔ),綜合考慮水文地質(zhì)條件、地下水主要開采層位等因素,選取典型機(jī)井進(jìn)行測量,根據(jù)不同機(jī)井的地下水開采層位,分別測定淺層水和深層水的以電折水系數(shù)。本研究依據(jù)《河北省農(nóng)業(yè)用水以電折水計(jì)量實(shí)施細(xì)則(試行)》(冀水資[2017]19 號)、《關(guān)于公布河北省農(nóng)業(yè)用水以電折水系數(shù)測算成果的通知》(冀水資[2017]92 號)確定的縣域以電折水系數(shù)的測定成果,分析河北平原井灌區(qū)以電折水系數(shù)的區(qū)域特征及主要影響因素。結(jié)合《河北省地下水超采區(qū)地下水位監(jiān)測情況通報(bào)》提供的河北平原縣域地下水位埋深數(shù)據(jù),本研究進(jìn)一步分析了地下水埋深對縣域以電折水系數(shù)的影響。

1.3 以電折水系數(shù)測定試驗(yàn)

以電折水系數(shù)測定試驗(yàn)在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(以下簡稱欒城試驗(yàn)站)開展。欒城試驗(yàn)站位于河北省欒城縣(37°53′N,114°41′E),海拔50.1 m,地處太行山山前平原,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有集約高產(chǎn)型、資源約束型、井灌農(nóng)業(yè)類型等特征,糧食生產(chǎn)為典型的冬小麥(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)一年兩熟灌溉高產(chǎn)模式。自20 世紀(jì)70 年代以來,地下水位持續(xù)下降,目前埋深已達(dá)40 m 以下。為評估不同灌溉方式、地下水位季節(jié)性變化對以電折水系數(shù)的影響,對欒城試驗(yàn)站內(nèi)8 眼灌溉機(jī)井的次灌溉用水量和耗電量進(jìn)行了記錄,并同期測定了地下水水位變化。灌溉機(jī)井使用河北佰斯特泵業(yè)生產(chǎn)的QJ 系列潛水泵,額定功率13.2～25 kW,額定流量分別為25 m3·h-1、32 m3·h-1和65 m3·h-1,揚(yáng)程65 m,機(jī)井內(nèi)豎管直徑80 mm,田間灌溉主管道直徑100 mm,灌溉出水口閥門直徑80 mm。水表安裝于機(jī)井井口,為寧波水表總廠生產(chǎn)的WSRP80 型垂直螺翼式機(jī)械水表,法蘭接口直徑80 mm。耗電量記錄使用石家莊科林電氣股份有限公司生產(chǎn)的DTZY1277 型三相四線電表,參比電流15 A,最大電流60 A,各泵均配有獨(dú)立電表,統(tǒng)一安裝于配電室。地下水位變化數(shù)據(jù)來自欒城試驗(yàn)站長期水位監(jiān)測井,使用壓力式水位計(jì)觀測,并進(jìn)行了氣壓和溫度校正。

以電折水系數(shù)測定試驗(yàn)于2019 年3-6 月進(jìn)行,涵蓋了春季小麥集中灌溉期和夏玉米播種-出苗灌溉期,灌溉數(shù)據(jù)采用人工記錄,內(nèi)容包括: 機(jī)井編號、灌溉日期、灌溉起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間、電表起始與終止讀數(shù)、水表起始與終止讀數(shù)、灌溉用戶與地塊面積、作物種類。根據(jù)記錄計(jì)算各井每次灌溉的耗電量、抽水量、以電折水系數(shù)和單位面積平均灌溉量等。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北平原各市以電折水系數(shù)

《關(guān)于公布河北省農(nóng)業(yè)用水以電折水系數(shù)測算成果的通知》公布的縣域(包括縣、縣級市、區(qū)和單列的開發(fā)區(qū)和管理區(qū))以電折水系數(shù)測算結(jié)果,包括186 個(gè)縣域的淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)和79個(gè)縣域的深層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)。公布淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)的縣域涵蓋了河北平原區(qū)全部范圍,深層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)縣域分布在平原中東部深層水超采區(qū)。本研究以市級行政區(qū)為單元,對河北平原區(qū)共108 個(gè)縣區(qū)的淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果如表1 所示。

表1 河北平原不同區(qū)域淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)匯總表Table 1 Electricity-to-water conversion factors of shallow aquifer wells in different regions of the Hebei Plain m3·kWh-1

河北平原各市淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)為2.23～4.51 m3·kWh-1,平均為2.97 m3·kWh-1?？傮w上看,河北平原區(qū)淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)沿太行山東麓呈北高南低的格局,主要受淺層地下水水位和農(nóng)業(yè)灌溉強(qiáng)度的影響。北部保定市、廊坊市毗鄰京津,高耗水的冬小麥生產(chǎn)規(guī)模近十余年來顯著縮小,灌溉用水也相應(yīng)減少,地下水位下降趨勢明顯減緩[20],受白洋淀上游水庫和外調(diào)補(bǔ)水的影響,淀區(qū)周邊地下水位回升[21],淺層地下水賦存和補(bǔ)給條件改善,因此淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)較高,保定為4.51 m3·kWh-1,廊坊為3.43 m3·kWh-1,其中保定市定興縣淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)6.15 m3·kWh-1,為平原區(qū)最高值。平原中部的石家莊市位于滹沱河山前沖積平原,淺層地下水含水層深厚,來自山區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給量較大,可達(dá)125.2 mm·a-1[22],但淺層地下水埋深普遍低于30 m,以電折水系數(shù)為2.67 m3·kWh-1。平原南部的邢臺市與邯鄲市位于滏陽河流域,淺層地下水含水層儲水條件較差,山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量小,是河北平原區(qū)淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)最低的區(qū)域,分別為2.31 m3·kWh-1和2.23 m3·kWh-1,其中位于寧-柏-隆淺層漏斗區(qū)的邢臺市柏鄉(xiāng)縣淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)1.27 m3·kWh-1,為河北平原區(qū)最低值。平原中東部衡水市、滄州市淺層地下水埋深較淺,但含水層儲水條件較差,淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)分別為3.01 m3·kWh-1和2.99 m3·kWh-1,略高于石家莊市,但明顯低于保定市。

2.2 河北平原縣域地下水埋深與以電折水系數(shù)的關(guān)系

本研究根據(jù)河北平原水文地質(zhì)條件差異、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉特點(diǎn),將平原區(qū)分為山前平原區(qū)和中東部平原區(qū)兩個(gè)部分,對地下水埋深與以電折水系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。山前平原區(qū)位于河北平原西側(cè)太行山山前沖洪積扇和沖洪積平原,包括保定市、石家莊市全部平原縣域和邢臺市、邯鄲市、廊坊市的大部分,共62 個(gè)縣域;中東部平原包括中部沖積平原與東部海積平原,包括滄州市、衡水市全部和邢臺市、邯鄲市、廊坊市的東部,共46 個(gè)縣域。

以電折水系數(shù)受地下水位埋深影響,地下水位越深,將地下水抽提至地面的耗能越高,對應(yīng)的以電折水系數(shù)就越小;地下水位越淺,對應(yīng)的以電折水系數(shù)就越大。河北平原縣域以電折水系數(shù)和地下水埋深數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,河北平原區(qū)淺層井以電折水系數(shù)總體上呈隨地下水埋深增大而減小的趨勢,但相關(guān)性不顯著(圖1)。山前平原區(qū)淺層地下水機(jī)井的以電折水系數(shù)平均為3.22 m3·kWh-1,地下水平均埋深26.99 m;中東部平原區(qū)淺層地下水機(jī)井的以電折水系數(shù)平均為2.75 m3·kWh-1,地下水平均埋深14.37 m。同等地下水埋深條件下,山前平原區(qū)淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)高于中東部平原區(qū),與山前平原區(qū)淺層含水層儲水條件好有關(guān)。

圖1 河北平原的山前平原區(qū)(a)與中東部平原區(qū)(b)淺層地下水埋深與以電折水系數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between shallow watertable depth and electricity-to-water conversion factor of the piedmont region (a) and the mid-eastern region (b) in the Hebei Plain

山前平原區(qū)深層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)平均為2.06 m3·kWh-1,地下水平均埋深47.45 m;中東部平原區(qū)深層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)平均為1.66 m3·kWh-1,地下水平均埋深59.04 m。深層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)與地下水位埋深存在線性關(guān)系,隨著地下水埋深增加,以電折水系數(shù)降低(圖2),表明水位差異是影響深層地下水抽提效率的主要因素。山前平原區(qū)深層地下水埋深每增加10 m,以電折水系數(shù)相應(yīng)降低0.42 m3·kWh-1;中東部平原區(qū)深層地下水埋深每增加10 m,以電折水系數(shù)相應(yīng)降低0.15 m3·kWh-1。

圖2 河北平原的山前平原區(qū)(a)與中東部平原區(qū)(b)深層地下水埋深與以電折水系數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between deep watertable depth and electricity-to-water conversion factor of the piedmont region (a) and the mid-eastern region (b) in the Hebei Plain

考慮到縣域以電折水系數(shù)與地下水埋深關(guān)系的復(fù)雜性,本研究按照10 m 間隔對不同地下水埋深范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。經(jīng)分類匯總后,山前平原區(qū)和中東部平原區(qū)淺層、深層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)與地下水位埋深之間存在較為清晰的關(guān)系,結(jié)果見表2。在同等地下水埋深條件下,山前平原區(qū)淺層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)高于中東部平原區(qū),且隨著地下水位埋深增加,以電折水系數(shù)降低。山前平原區(qū)10～20 m 埋深的以電折水系數(shù)為3.47 m3·kWh-1,但水位降至40 m 以下,相應(yīng)的以電折水系數(shù)降低至2.37 m3·kWh-1;而中東部平原區(qū)10～20 m 埋深的以電折水系數(shù)為2.65 m3·kWh-1,30 m 以下的以電折水系數(shù)為2.24 m3·kWh-1。對于深層地下水機(jī)井,隨地下水埋深增加,山前平原區(qū)以電折水系數(shù)降低程度更大。

表2 河北平原不同地下水位埋深條件下的以電折水系數(shù)平均值Table 2 Average values of electricity-to-water conversion factors under different aquifers in the Hebei Plain m3·kWh-1

2.3 灌溉機(jī)井以電折水系數(shù)分析

本研究測定了2019 年3-6 月欒城試驗(yàn)站灌溉機(jī)井耗電量和取水量數(shù)據(jù)(表3)。1#～8#機(jī)井灌溉耕地控制面積為2.30～5.12 hm2,主要為管灌,田間主灌溉管道直徑為100 mm,5#井為噴灌,試驗(yàn)期間地下水埋深為44～46 m。各井在試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)耗電量為759～2706 kWh,相應(yīng)的取水量為1124～4131 m3。5#噴灌井的以電折水系數(shù)最低,為1.46 m3·kWh-1,4#井最高,為2.35 m3·kWh-1;除5#噴灌井之外的管灌井以電折水系數(shù) 為1.53～2.35 m3·kWh-1,平均1.88 m3·kWh-1,比噴灌井高28.8%,標(biāo)準(zhǔn)差為0.30 m3·kWh-1,相應(yīng)的變幅為±16.0%,略低于Wang 等[17]在館陶測定的以電折水系數(shù)±20%的變幅。

表3 欒城試驗(yàn)站機(jī)井灌溉取水與耗電量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Electricity consumption,water withdrawal and the electricity-to-water conversion factor of irrigating wells in Luancheng Station

欒城試驗(yàn)站機(jī)井的次灌溉取水量和耗電量存在顯著線性相關(guān)(圖3)。單次灌溉取水量為22.0 m3到1155.0 m3,次均取水量490.5 m3,單次灌溉耗電量15.0 kWh 到768.0 kWh,次均耗電量272.1 kWh,相應(yīng)的次灌溉以電折水系數(shù)為1.44～2.61 m3·kWh-1。同一機(jī)井不同次灌溉之間的以電折水系數(shù)存在一定幅度的波動,變率為2.3%～11.2%,平均5.7%?？傮w上看,在欒城試驗(yàn)站較小的空間范圍內(nèi),機(jī)井的以電折水系數(shù)具有相對穩(wěn)定性,因此在一定的精度要求下,可以用典型樣井的以電折水系數(shù)求算區(qū)域農(nóng)業(yè)機(jī)井的總抽水量,并以此評估灌溉用水強(qiáng)度和節(jié)水效果。

圖3 機(jī)井灌溉耗電量與取水量的關(guān)系Fig.3 Relationship between electricity consumption and water withdrawal of irrigating wells

受地塊面積大小的影響,試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)單次灌溉時(shí)長為0.8～53.0 h,平均次灌溉時(shí)長為15.1 h。比較以電折水系數(shù)與單次灌溉時(shí)長的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),隨著灌溉時(shí)長的增加,以電折水系數(shù)呈降低的趨勢(圖4),表明在灌溉取水過程中,隨著累積抽水量的持續(xù)增加,含水層逐漸疏干,動水位降低,導(dǎo)致了水泵抽水效率的下降。

圖4 機(jī)井以電折水系數(shù)與單次灌溉時(shí)長的關(guān)系Fig.4 Relationship between the electricity-to-water conversion factor and time-consuming of one irrigation

欒城試驗(yàn)站位于山前平原農(nóng)業(yè)用水集中區(qū),地下水開發(fā)利用程度較高,受到降雨入滲、農(nóng)業(yè)灌溉用水和側(cè)向補(bǔ)給作用的影響,地下水位存在明顯的季節(jié)波動,年內(nèi)最高水位出現(xiàn)在2-3 月份,最低水位出現(xiàn)在7 月份,季節(jié)變化幅度平均為4.2 m[23]。20世紀(jì)70 年代以來,由于持續(xù)超采,地下水水位以平均每年0.8 m 的速度下降[24-25]。

欒城試驗(yàn)站所在區(qū)域是太行山山前平原冬小麥-夏玉米一年兩熟區(qū),受降水條件和作物生育期的影響,農(nóng)田灌溉主要集中在3 月上旬到6 月中旬的冬小麥起身期-夏玉米播種期。春季3 月份灌溉季開始時(shí),地下水水位較高,隨著灌溉開采量的增加,地下水水位呈下降的趨勢,到6 月份灌溉季末,地下水位下降約2.0 m。地下水水位的季節(jié)性波動導(dǎo)致水泵工作揚(yáng)程的變化,水位越低,單位抽水量所需能量越大,從而導(dǎo)致以電折水系數(shù)的季節(jié)性變化。因此,隨著灌溉季內(nèi)地下水水位下降,以電折水系數(shù)也呈總體下降的趨勢(圖5),小麥季由3 月上旬的1.95 m3·kWh-1下降到4 月中旬的1.67 m3·kWh-1,到玉米季以電折水系數(shù)略有回升,6 月中旬為1.72 m3·kWh-1,以電折水系數(shù)季節(jié)性變化幅度約為±10%。Wang 等[17]在館陶縣測定的以電折水系數(shù)季節(jié)性波動幅度為±15%,略高于欒城試驗(yàn)站的結(jié)果。

圖5 2019 年3-6 月灌溉期內(nèi)以電折水系數(shù)與地下水位變化Fig.5 Electricity-to-water conversion factor and watertable variation during the irrigating season from March to June,2019

與欒城試驗(yàn)站灌溉機(jī)井以電折水系數(shù)相比較,欒城縣域淺層地下水以電折水系數(shù)取值為3.89 m3·kWh-1,明顯高于欒城試驗(yàn)站機(jī)井以電折水系數(shù)平均值1.85 m3·kWh-1。梁雪麗等[18]在河北省邢臺市南和縣開展的試驗(yàn)研究表明,在灌溉水源、電力、機(jī)電設(shè)備條件基本一致的情況下,不同灌溉方式的以電折水系數(shù)的大小差異顯著,噴灌系數(shù)最小,管灌次之,土壟溝灌最大,分別為1.5 m3·kWh-1、2.5 m3·kWh-1和4.0 m3·kWh-1。南和縣試驗(yàn)地點(diǎn)地下水埋深45 m,與欒城試驗(yàn)站46 m 左右的地下水埋深基本一致,兩地噴灌、管灌的以電折水系數(shù)也較為接近。目前,縣域以電折水系數(shù)的確定采取的是典型灌溉機(jī)井抽水試驗(yàn)的方法[19],測定取水量的試驗(yàn)裝置安裝于機(jī)井出水口附近,其測定結(jié)果主要是克服水勢能和地下管壁摩擦的耗能部分,不包括田間灌溉管道阻力以及噴灌設(shè)備對實(shí)際灌溉過程以電折水系數(shù)的影響,導(dǎo)致縣域以電折水系數(shù)取值高于本研究測定的實(shí)際灌溉以電折水系數(shù)。

3 討論

河北省農(nóng)業(yè)水權(quán)和水資源稅改革確定的“超用加價(jià)”模式[26],是河北平原井灌區(qū)采取以電折水方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水計(jì)量的政策基礎(chǔ)。盡管采用直接計(jì)量方法對于減少稅費(fèi)爭議具有決定性作用,國內(nèi)外也有一些灌溉用水直接計(jì)量的成功案例[27-29],近年來刷卡式智能水表也應(yīng)用到灌溉計(jì)量中[7-8,30],但是灌溉用水的直接計(jì)量受到設(shè)備安裝和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的限制,需要有充足的財(cái)政和技術(shù)資源的長期支持。河北省現(xiàn)有農(nóng)用灌溉機(jī)井超過94 萬眼[31],分散于約380 萬hm2灌溉農(nóng)田之上,如參照北京市和天津市的做法為全部農(nóng)用灌溉機(jī)井安裝智能灌溉計(jì)量設(shè)施,設(shè)備采購安裝成本和后期維護(hù)費(fèi)用是河北省難以承擔(dān)的。

以電折水方法是基于效率、成本和現(xiàn)有技術(shù)條件權(quán)衡的灌溉用水間接計(jì)量方法,符合河北省農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)特點(diǎn)和水資源管理現(xiàn)狀。一方面,以電折水方法的原理明確、成本低廉,河北省農(nóng)村電網(wǎng)經(jīng)過近20 年來的持續(xù)改造,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)井全覆蓋,依托于成熟的電力計(jì)量和繳費(fèi)系統(tǒng),除了以電折水系數(shù)測定成本外幾乎無新增的直接成本[17]。另一方面,灌溉耗電量是國家電網(wǎng)所安裝的電表的計(jì)量結(jié)果,具有高度的可靠性和防篡改性,農(nóng)戶對耗電量結(jié)果的權(quán)威性認(rèn)可度高,例如在元氏縣,不僅實(shí)現(xiàn)了基于耗電量的灌溉用水計(jì)量和水費(fèi)收繳,而且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對機(jī)井維護(hù)人員、設(shè)備、工程支出的以電攤銷模式[32]。

以電折水方法通過用電數(shù)據(jù)間接計(jì)算灌溉取水量,具有高效便捷特點(diǎn)的同時(shí),以電折水系數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性是其能否實(shí)際應(yīng)用的重要前提。從本研究對河北平原縣域地下水以電折水系數(shù)的總體分析和欒城試驗(yàn)站的灌溉試驗(yàn)結(jié)果來看,采用以電折水方法對河北平原農(nóng)業(yè)灌溉的地下水開采量進(jìn)行監(jiān)測在技術(shù)上是可行的。但對于利用以電折水方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)水權(quán)核算和水資源稅計(jì)費(fèi)的關(guān)鍵應(yīng)用,仍具有一定的不確定性,主要體現(xiàn)在: 1)以電折水系數(shù)具有時(shí)間上的動態(tài)性特征,與地下水埋深的季節(jié)性變化、動水位波動幅度、含水層補(bǔ)給條件等均有一定的關(guān)系。因此,即使在較小的區(qū)域內(nèi),也無法直接利用靜態(tài)以電折水系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的灌溉取水量核算,需要對典型機(jī)井進(jìn)行連續(xù)的以電折水系數(shù)監(jiān)測,測定不同季節(jié)和年際的以電折水系數(shù)變化特征,并建立相應(yīng)的修訂方法,以保證灌溉取水量核算結(jié)果隨時(shí)間變化的可靠性。2)田間灌溉技術(shù)與設(shè)施的差異對以電折水系數(shù)的影響顯著,田間灌溉管道的直徑與長度、噴灌或滴灌設(shè)備加壓、排沙裝置的額外耗電等均會影響灌溉過程的電水轉(zhuǎn)換效率,因此在實(shí)際應(yīng)用以電折水系數(shù)計(jì)算灌溉取水量時(shí),需增加相應(yīng)的修正系數(shù),以排除克服灌溉管道阻力和非提水耗電的影響。此外,受電網(wǎng)建設(shè)實(shí)際的影響,被標(biāo)記為農(nóng)用灌溉電表的用戶中,存在一定比例的非灌溉用電,在進(jìn)行灌溉用水量折算時(shí),必須對這一部分非灌溉用電進(jìn)行扣除。

4 結(jié)論

河北平原縣域以電折水系數(shù)和地下水埋深關(guān)系的研究表明,山前平原區(qū)和中東部平原區(qū)淺層、深層地下水灌溉井以電折水系數(shù)與地下水位埋深之間存在較為清晰的關(guān)系。同等地下水埋深條件下山前平原區(qū)以電折水系數(shù)高于中東部平原區(qū),且隨著地下水位埋深增加,以電折水系數(shù)降低。深層地下水機(jī)井以電折水系數(shù)受地下水水位影響明顯,山前平原區(qū)深層地下水埋深每增加10 m,以電折水系數(shù)相應(yīng)降低0.42 m3·kWh-1;中東部平原區(qū)深層地下水埋深每增加10 m,以電折水系數(shù)相應(yīng)降低0.15 m3·kWh-1。

灌溉試驗(yàn)研究表明,在較小的區(qū)域內(nèi),地下水水位、含水層水文地質(zhì)條件、成井條件相對一致,不同機(jī)井的灌溉耗電量與取水量關(guān)系較為穩(wěn)定,噴灌井以電折水系數(shù)為1.46 m3·kWh-1,管灌井以電折水系數(shù)平均為1.88 m3·kWh-1,比噴灌井高28.8%;同一機(jī)井不同次灌溉之間的以電折水系數(shù)波動幅度平均為5.7%;受地下水水位季節(jié)性變化的影響,3 月上旬到6 月中旬的灌溉季內(nèi),隨著地下水位下降,以電折水系數(shù)也呈下降趨勢,季節(jié)性變化幅度約為±10%。通過對比灌溉試驗(yàn)結(jié)果和縣域以電折水系數(shù)的差異,發(fā)現(xiàn)管灌、噴灌等不同灌溉方式對實(shí)際以電折水系數(shù)有較大影響?？h域以電折水系數(shù)的測算結(jié)果基于井口抽水試驗(yàn),未考慮田間灌溉管道阻力以及噴灌、滴灌等存在水泵取水之外用電的情景,是導(dǎo)致其測算結(jié)果偏高的主要原因。

目前的河北平原縣域以電折水系數(shù)測算結(jié)果未能體現(xiàn)地下水位季節(jié)變化和灌溉技術(shù)類型的影響,尚不能滿足農(nóng)戶灌溉用水計(jì)量和水權(quán)、水資源稅核定對準(zhǔn)確性的需求。根據(jù)本研究開展的灌溉試驗(yàn)結(jié)果,需要對以電折水系數(shù)進(jìn)行動態(tài)修訂,以消除因季節(jié)性地下水位變化和非提水耗電導(dǎo)致的影響;在利用以電折水方法進(jìn)行區(qū)域灌溉用水量計(jì)算時(shí),考慮到電網(wǎng)建設(shè)與用戶用電的實(shí)際情況,需對原始用電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,以消除非灌溉用電的影響。