电水转换法在地下水开采量计量中的应用<br/>——以河北省沧县为例

电水转换法在地下水开采量计量中的应用
——以河北省沧县为例

2014-02-20王向飞

海河水利 2014年6期

关键词：沧县机井耗电量

王向飞

（河北省沧州水文水资源勘测局，河北沧州061000）

电水转换法在地下水开采量计量中的应用
——以河北省沧县为例

王向飞

（河北省沧州水文水资源勘测局，河北沧州061000）

多年来，农业灌溉地下水开采量数据多为调查统计取得，受人为因素影响其精度较低。为了提高农业灌溉地下水开采量数据的精度，根据埋深分布测定了不同埋深区的机井潜水泵电水转换系数，依据机井灌溉耗电量采用电水转换系数计算开采量的方法，推算了沧县2012年农业灌溉地下水开采量。该方法依据的基础数据准确可靠，其计算结果具有较高的精度，能够满足最严格水资源管理制度中总量控制的需要，且易于实际操作。

开采量；耗电量；水电转换；埋深区

1 前言

我国水资源的开发利用以农业为主，2012年全国农业用水占总用水量的63.6%，地下水又是北方地区的重要供水水源，北方省份地下水供水量则占有相当大的比例，其中河北、北京、河南、山西和内蒙古5个省（自治区、直辖市）地下水供水量占总供水量的一半以上[1]。长期以来，由于种种原因我国农业用水没有直接计量，这给水资源的科学管理、配置带来一定难度。近年来，国内一些学者对区域用水量监控工作开展了一些研究，如“基于遥感的农田灌溉用水量估算和地下水资源可持续利用方案研究”[2]，主要是利用遥感技术对遥感图像进行解译，获取农业信息的精确分类结果，利用农业分类结果进行农业地下水灌溉需水量的估算。另外，“长江流域用水总量控制探讨”[3]、“水资源用水总量控制与定额管理协调保障技术研究”[4]从不同角度对农业用水总量和地下水开采量进行了估算，以期解决水资源管理中农业灌溉用水量的计量问题。总体来看，农业灌溉地下水开采量因难以直接计量，统计数据缺乏科学性，也是一些科学研究未涉足的原因之一。以河北省沧县为试验区从农业灌溉抽水井机泵效能即耗电量与抽水量转化角度推算了全县农业灌溉地下水开采量，以期利用机井耗电量达到监测农业地下水开采量的目的。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

河北省沧县位于河北平原中东部、黑龙港流域下游，处于华北冲积平原向滨海沉积平原过渡地带。黑龙港流域是河北省粮棉主产区，该区地表水资源匮乏，地下水是工农业生产和生活饮用的主要供水水源。试验区沧县农业种植作物主要是小麦、玉米和枣树，地下水资源的开发利用主要是深层地下水，机井深度在280～800 m，且区内深井数量较大，2011年沧县可利用深机井2 099眼，其中农用井1 476眼，占深井总数的70%[5]。

2.2 试验设计

（1）划分埋深分区。试验区由于多年超采深层地下水，地下水埋深大。同时，因为作物种植结构差异、地下水开采强度高低，不同地域埋深差别也较大，5月低水位期，区内深层地下水埋深在50～90m，个别点埋深达100m。为使本方法简便易行、可操作，根据5月县内埋深分布将全县划分大、中、小3个埋深区，埋深大于80m的区域为大埋深区，埋深在60～80m的区域为中埋深区，埋深在50～60m的区域为小埋深区。

（2）耗电量、出水量测试。试验区内深井口径30 cm，配套抽水机泵为深井潜水泵，功率多在25～30 kW。2012年3—6月的小麦灌溉期间，在全县境内不同埋深区任意选取正在灌溉的抽水井进行机井潜水泵耗电量、出水量测试，小时耗电量由机井配套电表直接读取，出水量在机井出水口利用多普勒流量计测量。小麦灌溉期间机井连续抽水，甚至多日不停泵，因此所测数据可视为机井潜水电泵在动水位下的耗电量和出水量。

3 结果与分析

全县对37眼深井进行了出水量、耗电量的测试，测试深井密度平均为41 km2/眼。

式中：K为电水转换系数；Q为出水量（m3/h）；d为耗电量（kW·A/h）。

按式（1）计算每眼机井的K值，并按埋深分区对K进行统计，结果见表1。

表1 沧县深井电水转换系数测试结果

由各埋深分区的K值和相应埋深区所有机井总耗电量（D）推算地下水开采量，即地下水开采量为W=K·D，则可得到全县的月、年农业灌溉地下水开采量。2012年沧县农业灌溉深层地下水开采量，见表2。

表2 2012年沧县农业灌溉深层地下水开采量

3.1 深机井电水转换系数（K）变化

深井潜水泵的功率与流量、扬程之间的关系为：

式中：N为功率（kW）；Q为流量（m3/h）；η为泵的效率（一般取0.8）；H为扬程（m）。

由此可知，理论上在扬程相同（地下水埋深相同）情况下，深井潜水泵功率与出水量比值是一定值，即扬程一定时无论泵的功率大小，消耗1 kW·h电所抽取水量是相同的，也就是电水转换系数是一定值。但实际情况并非如此，受井泵磨损程度、灌溉出水口至井口距离远近等因素影响，同一埋深（扬程）不同深井潜水泵的电水转换系数并不一定相同，甚至差别较大，这也是不同埋深分区K变化区间相互交叉的原因。因此，在实际工作中应尽量加大机井测试数量，提高埋深分区平均K值的代表性和准确性，以提高开采量数据精度。由表1可以看出，大、中、小埋深区的K值变化区间虽有交叉，但埋深分区平均K值呈现较好规律性，即深井潜水泵消耗1 kW·h电，扬程大（埋深大）时出水量小，扬程小（埋深小）时出水量大，符合能量守恒定律。

3.2 开采量精度分析

由上述分析可知，农业灌溉地下水开采量的计量精度与机井月年耗电量和电水转换系数的精度有关。由于电量需要农户到供电所购买后方能使用，由供电所专人逐月查抄，即使个别井当月耗电量存有漏查，也会在下月补齐，不会影响到年度总耗电量，只是个别月份之间的差异。因此，机井月年度耗电总量数据应是准确的。电水转化系数是按埋深分区计算的，埋深分区依据5月地下水埋深划定，大、中、小埋深区的边界区域在全年地下水动态变化中由大向中、中向小的转变，按固定K值计算各月开采量会存在一定误差，但是农业用水较为集中，由表2可以看出3—6月的地下水开采量占年开采量的80%，其地下水埋深分布与5月底埋深分布变化不大，因此用测定K值计算3—6月的开采量在精度上没有问题，误差主要存在于开采量占总量20%的其他月份，并且仅是埋深分区边界区域因采用不同K值所带来的计算误差，由表1平均K值差看其误差值很小，因此用固定K值计算的年度开采总量，其精度还是很高的。