行政区域内农业灌溉用水总量测算方法探讨----以青岛市为例

李 娜

(1. 大连理工大学建设工程学部海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024;2. 青岛市水利勘测设计研究院有限公司, 山东 青岛 266101)

0 前 言

为解决我国日益复杂的水资源问题，实现水资源高效利用和有效保护，2013年国务院办公厅印发了《实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》，发布了用水总量、用水效率和水功能区限制纳污“三条红线”。根据《2016年中国水资源公报》，2016年我国农业用水量为3 768.0 亿m3，占全国总用水量的62.4%。显然，农业用水是我国的用水大户，与用水总量控制红线和用水效率控制红线密切相关。农业灌溉用水是农业用水的重要组成部分，包括农田灌溉用水、林果地灌溉用水及草地灌溉用水，其测算是落实最严格水资源管理制度的要求。

我国是一个严重缺水的国家，而水是农业发展的命脉，但目前许多农业灌区仍存在严重浪费水资源的现象，实施农业灌溉用水的有效管理，是解决我国水资源供需矛盾，实现农业可持续发展的重要途径之一。本文对我国行政区域内农业灌溉用水总量测算方法进行了研究，提出了不同类型灌区用水总量计算模型，为各地区农业用水管理提供了理论依据。

1 灌区情况及现有方法缺陷

1.1 灌区基本情况

我国灌区类型多样，按照水源取水方式可分为自流引水灌区、提水灌区、混合灌区；按照水源组合形式可分为独立水源灌区、混合水源灌区；按照规模可分为大型灌区、中型灌区、小型灌区等。

根据2011年我国第1次水利普查成果资料，全国共有大型灌区(设计灌溉面积2.00 万hm2及以上)456个，中型灌区(设计灌溉面积0.07～2.00 万hm2)7 293个，设计灌溉面积3.33 hm2～0.07 万hm2的小型灌区2 057 901个[1]。可见，我国灌区数量众多，直接量测所有灌区的农业灌溉用水量并不现实。

1.2 现有测算方法及不足

传统水资源公报采用典型调查或者定额匡算的方法对用水总量进行测算，统计数据的合理性和准确性较差。

为提高数据统计的科学性、准确性和时效性，2014年国家水利部办公厅下发了《用水总量统计方案(试行)》[2]。方案要求农业灌溉用水量统计根据灌区规模、工程设施情况、水源取水方式(自流引水、提水)、地形地貌、土质类型、种植结构等特点，按照设计灌溉面积划分为灌溉重点用水户和一般灌溉用水户；灌溉重点用水户全部作为统计对象，一般灌溉用水户选取典型用水户作为调查对象。

需指出，统计方案未对各类型灌区用水量统计的技术方法进行详细介绍。此外，我国灌区的水源、工程及管理情况各异，对于简单的独立水源灌区，可直接对水源取水口进行计量，而对于复杂的混合水源灌区，直接计量实施难度较大。

2 测算方法

我国幅员辽阔，不同区域和类型灌区的农业用水特点差别明显，建议按照行政区域分别进行测算。参照现有灌区灌溉水有效利用系数测算方法[3]，采用点面结合、调查统计与观测分析相结合的方法，对行政区域农业灌溉用水总量进行测算。

2.1 行政区域农业灌溉用水总量

行政区域农业灌溉用水总量为行政区域内所有大中小型灌区农业灌溉用水量之和。

W行政区域=W大型+W中型+W小型

式中：W大型、W中型、W小型分别为大、中、小型灌区农业灌溉用水量，万m3。

2.2 样点灌区选取原则

按照大型、中型、小型灌区3种规模类型进行样点灌区的选取，样点灌区应具有代表性，以能代表此类灌区农业灌溉用水量的综合水平为原则。因此，样点灌区选取过程中，应综合考虑自然条件、取水类型、种植结构、工程状况和管理水平等诸多因素，且数量和设计灌溉面积应与区域同类型比例协调。此外，还应考虑可行性，即样点灌区应配备量水设施或者具有相应的配备能力。

(1)大型灌区。大型灌区为设计灌溉面积不小于2.00 万hm2的灌区，考虑到行政区域内数量有限，可全部选为样点灌区，纳入测算范围。

(2)中型灌区。中型灌区可依照设计灌溉面积分为3档，分别为0.07～0.33、0.33～1.00、1.00～2.00 万hm2灌区。由于中型灌区数量较多，目前尚无条件全部测算。在各档中型灌区中，按照农业灌溉分区，分别选取样点灌区，其数量与面积不得小于分区内同档灌区的30%。另外，各分区内每档样点灌区中应包括自流引水和提水2种取水方式，2类灌区样点数量由同分区同档中2者总数量相对比例决定。

(3)小型灌区。小型灌区数量众多，分为非纯井灌区和纯井灌区。非纯井灌区又分为自流引水和提水灌区2类，按照农业灌溉分区，分别选取样点灌区，其数量与面积不得小于分区内同类型灌区的5%。纯井灌区应采取以单个机井所能控制的灌溉面积为独立单元进行测算，并根据土渠、防渗渠道、低压管灌、微灌、喷灌等灌溉形式，选取样点灌区。在每种灌溉形式中，同一作物类型至少选择2个样点灌区，样点灌区总面积不得小于纯井灌区总面积的0.5%。

2.3 不同规模灌区农业灌溉用水量测算方法

2.3.1 大型灌区测算模型

基于大型灌区全部测算原则，将行政区域内所有大型灌区选为样点灌区，相应农业灌溉用水量为所有大型样点灌区用水量之和：

W大型=∑W大型,i

(2)

2.3.2 中型灌区测算模型

中型灌区可分档、分区、样点测算，农业灌溉用水量为行政区域内各档位中型灌区用水量之和：

W中型=W中1-5+W中5-15+W中15-30

(3)

以0.07～0.33 万hm2档位中型灌区为例，可采用如下方法计算得到各档位中型灌区用水总量。

此档位中型灌区用水量为各农业灌溉分区内所有该档灌区用水量之和，单个分区用水量由分区内该档样点灌区测算用水量通过面积加权得到：

W中1-5=∑W中1-5,i

(4)

(5)

式中：W中1-5,i、A中1-5,i分别为第i个农业灌溉分区范围内所有0.07～0.33 万hm2档位中型灌区用水量、实灌面积；W中1-5,i,j、A中1-5,i,j分别为对应灌区第j个样点灌区的用水量、实灌面积。

2.3.3 小型灌区测算模型

小型灌区农业灌溉用水总量为行政区域内2类小型灌区用水量之和。

W小型=W小,非纯井+W小,纯井

(6)

(1)非纯井灌区用水量计算。非纯井灌区用水量为2类非纯井灌区用水量相加：

W小，非纯井=W小,自流+W小,提水

(7)

2类非纯井灌区用水量测算方法与各档中型灌区的类似，以小型自流引水灌区为例，计算公式如下：

W小,自流=∑W小,自流,i

(8)

(9)

式中：W小,自流,i、A小,自流,i分别为第i个农业灌溉分区内所有小型自流引水灌区用水量、实灌面积；W小,自流,i,j、A小,自流,i,j分别为对应灌区第j个样点灌区用水量、实灌面积。

(2)纯井灌区用水量计算。纯井灌区用水量为以各种灌溉形式(土渠、防渗渠道、低压管灌、喷灌、微灌等)进行灌溉的所有该类灌区用水量之和，某种灌溉形式对应用水量由对应样点灌区测算用水量面积加权获得：

W小，纯井=∑W小，纯井,i

(10)

(11)

式中：W小，纯井,i、A小，纯井,i分别为以第i种灌溉形式进行灌溉的所有纯井灌区用水量、实灌面积；W小，纯井,i,j、A小，纯井,i,j分别为对应灌区第j个样点灌区用水量、实灌面积。

2.4 样点灌区农业灌溉用水量测算

样点灌区农业灌溉用水量为该灌区所有水源灌溉期引入灌溉渠系的总水量扣除该灌区水源或灌溉退水给予其他灌区的补水等重复利用的灌溉水量；当农业灌溉输水与鱼塘补水、畜禽用水及城市、工业或农村生活供水等在灌溉期使用同一渠道(管路)时，还应扣除相应的非农业灌溉用水量，即：

W样点=W引水-W重复-W非

(12)

式中：W样点为样点灌区农业灌溉用水量，对应前文中变量W大型,i、W中1-5,i,j、W小,自流,i,j、W小,纯井,i,j，万m3；W引水为灌区灌溉渠系灌溉期总引水量，万m3；W重复为灌区重复利用灌溉水量，万m3；W非为灌区灌溉渠系灌溉期非农业灌溉用水量，万m3。

2.4.1 引水量测算方法

根据水源组合形式，灌区分为独立水源灌区和混合水源灌区。

(1)样点灌区为独立水源灌区：可在引水口利用超声波、量水堰等量水设备直接量测得到。

(2)样点灌区为混合水源灌区：利用灌溉骨干水源和小型水库、塘坝、水闸、泵站、井等小型水源相结合的方式联合供水，总引水量为灌区所有水源灌溉期引水量之和：

W引水=∑w骨干+∑w小蓄+∑w小引+∑w小提

(13)

式中：w骨干为灌区某骨干水源灌溉期引水量，万m3；w小蓄为灌区某小型蓄水水源灌溉期引水量，万m3；w小引为灌区某小型引水水源灌溉期引水量，万m3；w小提为灌区某小型提水水源灌溉期引水量，万m3。

对于骨干水源，灌溉期引水量可进行直接量测；而其他小型水源数量多且分散，可在行政区域内选取典型直接量测，率定基本参数值，进而应用于灌区所有同类型小型水源引水量计算中。

小型蓄水水源灌溉期引水量一般采用复蓄系数法进行测算，复蓄系数λ表示小型水库或塘坝等每年灌溉期引入灌溉渠系水量与其有效库容的比值，其主要受降雨、产汇流、灌溉用水过程等因素影响。此外，还需考虑径流的年际、年内分配情况影响。即：

w小蓄=λV

(14)

式中：V为有效库容，万m3。

小型引水水源灌溉期引水量可依据工程的单位面积平均灌溉水量 进行估算，其可基于实际灌溉用水量和灌溉面积得到。该参数与灌溉面积、种植结构紧密相关，土壤条件、降雨气候等的影响亦不可忽视。即：

(15)

式中：A为灌溉面积，hm2。

小型提水水源灌溉期引水量，可采用“电水转换法”[4, 5]进行水量测算，其关键参数电水转换系数K为机泵流量与机泵小时耗电量的比值。该参数理论值只与提水扬程(水源水位)相关，但实际还应依据取水口磨损程度、输水距离等因素进行修正。即：

w小提=KD

(16)

式中：D为年度灌溉期总耗电量，kWh。

各类基本参数的率定方法如下：

小型蓄水水源复蓄系数和小型引水水源单位面积平均灌溉水量取值受上述诸多因素影响，不同区域、不同年份的相应计算参数亦有所不同。因此，应充分考虑其各自影响因素进行分区，在各自分区中分别布设一定数量的典型水源，直接量测灌溉期引水量，率定各自不同分区、不同年份的计算参数值。

小型提水水源电水转换系数计算首先应区分水源类型，而后分别依据灌溉期河网水位变化情况(地表水)和地下水埋深(地下水)进行分区，并选取一定数量的典型提水水源，测定其出水量和耗电量，最终率定各分区不同年份的电水转换系数。

2.4.2 需扣除水量的测算方法

(1)重复利用灌溉水量。灌区水源给予其他灌区的补水量，可以在分水口直接量测获取，并考虑分水口至取水口的相应损失量。灌溉退水量，可以运用数理统计法[6]，通过观测建立灌区灌溉引水～退水量的回归关系式，进而基于关系式推算获得。

(2)非灌溉用水量。灌区灌溉期引入灌溉渠系的鱼塘补水、畜禽用水及其他行业的用水量可以根据《用水总量统计方案(试行)》中给出的抽样调查的方法进行测算。

3 测算实例

以青岛市2017年农业灌溉用水量测算为例。据统计，2017年青岛市灌区共17 000 余处，总灌溉面积37.3 万hm2，实灌面积28.0 万hm2。全市大型灌区2处，实灌面积2.2 万hm2；中型灌区30处，实灌面积2.8 万hm2；小型灌区17 000余处，实灌面积23 万hm2。

3.1 选取样点灌区

青岛市划分为北部山丘区(区一)、中部平原区(区二)、东南部滨海山丘区(区三)等3个农业灌溉分区。

根据样点灌区选取原则，样点灌区选取结果如下：

(1)大型灌区2处。全部测算。

(2)中型灌区11处。无1.00～2.00 万hm2档中型灌区；0.33～1.00 万hm2档选取3处，3个灌溉分区各1处；0.07～0.33 万hm2档选取8处：区一1处，区二3处，区三4处。

(3)小型灌区146处。小型自流引水灌区选取9处：区一2处，区二3处，区三4处；小型提水灌区选取27处：区一1处，区二25处，区三1处；纯井灌区选取110处：土渠50处，防渗渠道10处，低压管灌30处，喷灌10处，微灌10处。

3.2 水源量测

样点灌区的水源工程类型大致分为蓄水工程、引水工程、提水工程3类。针对不同水源工程特点，计量情况如下。

(1)蓄水工程：主要为水库和塘坝。青岛市水库的灌溉引水干渠设计流量均未超过45 m3/s，优先利用已有的渠首位置的渠系建筑物进行量测，当无渠系建筑物或量水精度达不到要求时，可在渠首采用设置标准断面的量水方法。对于塘坝，平原地区利用配套的泵站或流动机泵进行量测，山丘区在引水渠首设置量水堰进行量测。

(2)引水工程：主要为河湖引水闸(坝、堰)。利用灌区引水渠渠首分水闸或提水泵站进行量测。

(3)提水工程：主要为河湖泵站、机电井。利用现有的电表并部分安装流量计进行量测。

本次测算工程中，共对195处水源工程进行了计量观测。

3.3 测算结果

经过测算，全市农业灌溉用水量为2.09 亿m3，其中大型、中型、小型灌区用水量分别为791、3 188、16 908 万m3。

4 结 论

(1)针对我国灌区数量多及类型复杂等特点，本文提出了采用点面结合、调查统计与观测分析相结合的行政区域农业灌溉用水总量计算方法。

(2)该方法制定了样点灌区选取原则，并以样点灌区测算结果为基础，分别得到了大、中、小型灌区农业灌溉用水量，对于不同行政区域内农业用水管理调度具有参考价值。

(3)本文针对行政区域内不同类型水源，提出了直接量测与典型量测相结合的方法，并充分考虑降雨、种植结构、水位等因素的影响，使计算结果更符合区域农业灌溉用水特点。