地下水开采量计量方法的探讨

2015-03-13林长义

河北水利电力学院学报 2015年2期

林长义

（河北省沧州水文水资源勘测局，沧州市交通北大道15号 061000）

在我国北方尤其是华北地区，水资源的开发利用以地下水为主，深层承压水又是京津以南地区工农业生产及人畜生活用水的主要水源。在地下水资源开发利用中，农业灌溉用水占地下水总用水量的60%以上，个别地区达80%左右［1］。长期以来，我国农田灌溉用水没有进行直接计量，用水统计数据均是由调查估算取得，精度较低，这给当地水资源的管理和一些研究工作增加了难度。近年来，我国一些科技人员针对上述问题，在用水总量计量尤其是地下水利用量计量方面做了一些相关研究探讨，例如：张志悦和段现辉［2］利用典型地下水开采量监测点的监测数据，结合农作物灌溉亩次和用水类型，推算区域水资源利用量；殷铭［3］利用卫星遥测技术获得农作物种植比例，结合当地农业灌溉各类水的比例，对农业灌溉水资源利用量进行估算；长江水利科学研究院的陈进［4］、中国水利科学研究院的裴源生［5］从不同角度对农业灌溉用水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用水量统计资料精度低的问题。总之，地下水开采量尤其农业灌溉地下水开采量因多年来没有计量，水资源报表中数据精度低，给地方政府水资源管理和行政考核工作带来了不少困难。目前河北省在地下水超采区实施了地下水压采工作，其中地下水开采量的数据精度，也是压采效果评估工作中需要着力解决的问题。文中以河北省沧县为试点区，从农业灌溉机井的耗电量和出水量的关系角度，探讨计量农田灌溉地下水开采量的方法，利用精度较高且易于获得的农用机井耗电量数据，推求农业灌溉地下水开采量，以期提高区域地下水开采量数据精度。

1 材料与方法

1.1 试点区概况

试点区河北省沧县位于京津以南、黑龙港流域下游，总面积1 520 k m2，耕地面积约9.33万h m2（140万亩）。黑龙港流域是河北省粮食主产区，近几十年来，黑龙港流域地表水资源匮乏，地下水是该区工农业生产、人畜生活饮用的主要水源。试点区沧县处于“沧州漏斗”中心，浅层地下水开采井深度在40 m左右，深层地下水开采井深度在280～800 m之间。据2010年的全国水利工程普查统计数据，试点区沧县的深、浅机井数量共计3 081眼，其中浅机井952眼，均为农灌井，深机井2 129眼，农用深井约占深井总数的70%［2］。由此看出，沧县地下水的开发利用以深层地下水为主。

1.2 试验设计

1.2.1 水位分区的划分

试点区沧县因处于“沧州漏斗”的中心区，境内水位较低，同时又因农业种植结构不同，致境内不同地域开采强度差异较大，不同地域深层地下水位差别也较大。南运河将沧县分为运东和运西两个区域。沧县运东区以种植小麦、玉米为主。由于小麦生长期处于当地降雨的枯水期，需要开采深层地下水进行灌溉，因此开采强度大。而沧县运西区以种植枣树、玉米为主。玉米的生长期处于汛期，降雨量较丰沛，深层地下水的开采强度小。5月底6月初境内深层地下水处在低水位期，埋深在50～100 m，个别区域地下水埋深大于100 m。由于境内不同区域低水位期的水位差较大（最大水位差达50 m），因此有必要对区内深层地下水进行水位分区。但是分区时，需兼顾本方法操作的可行性。根据试点区内5月底实测地下水水位，将全县深层地下水划分为高、中、低3个地下水水位分区。沧县东部、东南部深层地下水的埋深大于80 m，为低水位区；沧县北部、东北部深层地下水的埋深在60～80 m之间，为中水位区；沧县运西区深层地下水的埋深在50～60 m之间，为高水位区。

1.2.2 机井耗电量、出水量测试

试点区内深机井口径一般为30 c m，农业灌溉深井配套的水泵多为22～32 k W的深井潜水电泵，扬程在100 m左右。机井的耗电量每月定时从电表上读取。2012～2014年在小麦灌溉较为集中的3～5月份，任意选取正在抽水的机井进行了机井出水量、耗电量的测量，并在抽水前和抽水试验完毕后及时测量地下水水位。机井每小时出水量在输水管道上利用多普勒流量计测量取得，机井每小时耗电量由电表读数查算求得。然后按照机井所处的水位分区进行统计。小麦灌溉季节性强，机井多为连续抽水，所测数据可视为动水位下的机井每小时出水量、耗电量。

2 结果与分析

在高、中、低水位区内共对48眼深井进行了出水量Q、耗电量m的测验，其中高水位区12眼，中水位区12眼，低水位区27眼，平均测验密度为30 k m2／眼。每眼机井的水电转换系数μ值为

式中：Q为机井出水口的出水量，m3／h；m为每小时耗电量，k Wh／h；μ可称之为水电转换系数，即机井电泵每耗1k Wh的电能所抽取的地下水量。

按水位分区对每眼机井测验的结果进行计算，结果见表1。

表1 试点区（沧县）不同水位区内机井水电转换系数

由各水位分区的所有灌溉深机井的月耗电量M和水位分区水电转换系数μ值，即可计算3个水位分区的月灌溉开采量：

式中：Wi为分区i的月灌溉开采量；μi为分区i的水电转换系数；Mi为分区i的月耗电量。

按照式（2）计算沧县2013年的农业灌溉深层地下水开采量，结果见表2。

表2 沧县2013年农业灌溉深层地下水开采量表

2.1 水电转换系数μ分析

深井电泵的出水量、功率、扬程之间的关系为：

式中：N为功率，k W；Q为出水量，m3／h；η为泵的效率，一般取0.8；H为扬程，m。

由式（3）可知，扬程一定（水位相同）时，深井电泵功率与井口出水量比值也不变，电泵功率与出水量成正比，也就是在扬程相同时，功率大的深井电泵其每小时出水量也大，即扬程相同的情况下（水位相同），无论机井电泵功率大小，或是无论机井电泵每小时耗电量多少，其用1度电从机井中抽取的水量是相等的，即机井电泵μ是一定值。可实际中并非这么理想，在农灌时机井配套的输水管道长度各不相同，管道阻力所损失的扬程也各不相同，同时配套电泵的磨损程度也有差别，因此，导致同一水位（扬程相同）下水电转换系数μ并不相同。这就是各水位分区的μ值变化区间出现交叉的主要原因，因此，为了提高地下水开采量的计量精度，要加大机井电泵耗电量、出水量测试数量，提高各水位分区平均μ值的代表性。由表1可以看出，高、中、低水位区的μ值变化区间虽有交叉，但其平均μ值规律性较好，即深井电泵耗费1度电，水位高（扬程小）时，每小时出水量大，水位低（扬程大）时，每小时出水量小。这符合能量守恒定律。

2.2 开采量精度分析

综上所述，农田灌溉中地下水开采量的计量精度与水位分区机井水电转换系数代表性和机井耗电量相关。农田灌溉机井耗电量，由电工按月收缴电费时查抄，或者按机井使用者所购买电量计。由于供电所的所售电量按月结算，即使有的机井当月电量漏查，也会在下月补齐，因此，机井灌溉耗电量数据精度应是较高的。水电转化系数是按水位分区计算，水位分区依据的是试点区（沧县）5月底、6月初的深层地下水水位。由于是按低水位期的水位划定水位分区，在全年深层地下水动态中，分区边缘地下水位存在低水位区向中水位区、中水位区向高水位区的转变，即水位分区在全年的地下水变化中不是固定不变的，因此，按固定分区计算全年的地下水开采量，是有一定误差的。但是农业灌溉具有季节性，地下水开采较为集中，表2中4～6月的农灌开采量占年总量的60%，11月份和12月份小麦冬灌开采量占年总量的19%，两项合计的地下水开采量占年总量的近80%。由水位监测数据分析，4月份、6月份的地下水水位与5月份相比较为接近，因此用固定水位分区的μ值计算4月至6月的开采量，其精度还是很高的。小麦冬灌期间的11月份、12月份的地下水位与5月底相比，虽有变化但其变化幅度不大，仍按固定分区μ值计算相应分区开采量，其精度也应是较高的。开采量计量误差主要来自用固定分区μ值计量的其它月份的开采量。但这部分水量仅占年总量的20%，所以用固定水位分区μ值和相应深井灌溉耗电量计量的开采量较传统的统计数据在精度上得到较大提高。