基于“以电折水”及灌溉回归水重复利用的农田灌溉用水量统计方法研究

陈彩明，李其峰，陈 欣，王 磊，徐群华

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江省水资源管理中心，杭州 310007；3.浙江省南湖区水利局，浙江 嘉兴 313100)

1 研究背景

农业用水是浙江省经济社会用水的主要组成部分，根据《浙江省水资源公报2017》，2017年浙江省总用水量179.50 亿m3，其中农田灌溉用水量71.31 亿m3，占总用水量的39.7%，占比最高。由此可见，农田灌溉用水量统计数据的合理性和准确性对用水总量统计和水资源管理考核工作来说都是至关重要的。

浙江省灌区可分为山丘区自流灌区、平原河网提水灌区两类，山丘区自流灌区主要分布在山区及浙南丘陵盆地地区，由于降雨多，山丘多，水源就近开发利用，建成了众多的水库、山塘、堰坝，形成了“长藤结瓜”式的多水源灌溉系统；平原河网提水灌区主要分布在平原河网地区，地势低平，河网密布、相互贯通，灌区由众多小型提水泵站组成，一个小型泵站具有独立的灌溉系统，控制面积不大，相当于一个小微型灌区，因此平原河网提水灌区是由众多小微型灌区组成的较大灌区。尽管山丘区自流灌区、平原河网提水灌区具有不同的灌溉系统，但在农田灌溉用水量统计中方法较为单一，尚未因地制宜采取适合各地实际的统计方法。目前常用的农田灌溉用水量统计方法如下：

(1)水资源公报中的农业用水量统计。从1998年开始，浙江省及各地市水资源公报编制工作统计了全省不同类型灌区种植结构和种植面积，主要采用定额法统计农田灌溉用水量和林牧渔畜用水量。但是水资源公报主要采用典型调查获取行业用水指标定额测算用水总量的方法，大部分地区典型调查数量较少且代表性不强，统计精度有待提高，统计结果难以复核[1]。

(2)灌溉水有效利用系数测算中的毛灌溉用水量统计。从2007年开始，浙江省全省开展了农田灌溉水有效利用系数测算工作，采用以典型实测为主、调查统计为辅的方法确定样点灌区毛灌溉用水量。然而我省灌区普遍存在水源数量多、灌溉面积交叉、其他用水混合、水的重复利用等情况，灌区规模越大，灌区用水情况越复杂。针对这些灌区的灌溉水量的研究工作目前还较为薄弱，几乎不可能对灌区的所有水源进行实测。基于目前测算实际，为有效开展灌区用水量测算，适当简化灌区水量获取方法，提高实际操作性，为此，在样点灌区内选取主要的灌溉渠首或水源，并布设量水设施，形成典型的“渠首计量点”并开展灌溉用水实测，通过对渠首计量点用水量的分析获取该灌区的亩均灌溉用水量，然后将该亩均灌溉用水量推算至全灌区(“以点带面”)。这种方法原理清晰易懂，可操作性较强，但是受样点灌区数量少，未考虑灌区内回归水利用等，农业用水量统计方法相对粗放。

(3)用水总量统计工作中的农业用水总量统计。按照2014年水利部《关于印发用水总量统计方案的通知》要求，对农业用水量统计明确提出了取用水大户逐一计量统计、一般用水户抽样调查、综合推算区域灌溉用水的技术方法，并要求设计灌溉面积667 hm2及以上的灌区全部作为农业用水直接统计对象，安装合格计量设施或在线监控设施，通过直接量测统计灌溉用水量[2]。我省从2014年开始开展用水总量统计工作，用水统计工作依托现有的统计体系和思路，以水资源公报编制体系为基础，特别是农业用水统计紧密结合农田灌溉水有效利用系数测算工作成果，逐步实现从现有行业用水统计过渡到以取用水户对象统计为主的方式转变要求。但是我省灌区结构以中小型灌区为主，且大都为多水源灌区，灌区内部水源工程面广量大，受水资源监控计量设施建设资金少及后期运行管理难度大等因素制约，对灌区水源供水量进行监控并直接统计得到农业用水量的方法基本不可行。

针对目前各种统计方法存在的不足，结合浙江省农业水价综合改革和浙江省国家水资源监控能力建设项目的研究成果，本文提出基于“以电折水”及灌溉回归水重复利用的农田灌溉用水量统计方法，以解决平原河网地区农田灌溉用水量统计不精确的问题。

2 基于“以电折水”及灌溉回归水重复利用的农田灌溉用水量统计方法的提出

灌溉用水量是指灌区灌溉面积上要求水源供给的总灌溉水量，其大小及其在年际和年内的变化情况与各种作物的灌溉制度、灌溉面积、作物种植结构、土壤、水文地质、气象条件以及渠系输水和田间灌水的水量损失等因素有关。我们通常的说的农田灌溉用水量是指水源供给农田的总灌溉水量，尚未扣除灌溉回归水的重复利用量。

2.1 “以电折水”农田灌溉用水量统计方法的提出

2016年国务院办公厅印发的《关于推进农业水价综合改革的意见》(国办发[2016]2号)和浙江省人民政府办公厅印发的《浙江省农业水价综合改革总体实施方案》(浙政办发〔2017〕118号)文件中均提出了水利工程供水要安装和完善计量设施，推行计量收费，按水量收取水费[3,4]。水利部《关于开展县域节水型社会达标建设工作的通知》(水资源[2017]184号)要求南方地区农业灌溉用水计量水量(指有计量设施的农业取水口灌溉取水量)占农业灌溉用水量总量的比例大于等于60%[5]。

与山丘区自流灌区具有明显的水源相比，平原河网提水灌区以河流为取水水源，每个提水泵站即为水源，若想对平原河网提水灌区进行农业用水计量则需在每个提水泵站安装计量设施[6]。

浙江省嘉兴市南湖区灌区属平原河网提水灌区，共有提水泵站1 158 个，如果全部都安装计量设施，每套计量设施按中档标准8 000 元计算，共需投资927 万元，费用较大，因此全部安装计量设施难以实现，采用“以电折水”测算农田灌溉用水量是最佳选择。

“以电折水”是根据用电量进行水量换算，其原理是机组功率与流量有关，当河网水位变幅不大时，机组效率可认为不变。因此只要事先通过率定，求得水泵提水量与电量的关系，即每度电的提水量，以后使用时，只要统计用电量即可。河北省在2017年出台了相关文件，明确提出了农业用水采用“以电折水”求得农田灌溉用水量[7]。由此可知，通过“以电折水”求得农田灌溉用水量是一个有效途径。

2.2 灌溉回归水的提出

农田灌溉回归水是指灌溉水由田间、渠道排出或渗入地下并汇集到沟、渠、河道和地下含水层中，成为可重复利用的水源。其产生的原因主要有以下方面：灌溉渠道的渗漏、退水和跑水；田间渗漏流失的水和稻田的排水；盐碱地的冲盐洗碱排水或涝渍地排水。主要是因为灌溉用水具有尺度效应，从水资源管理角度和开发利用角度来看，空间尺度上可分为田间灌溉用水、灌区灌溉用水和区域灌溉用水；水源尺度可分为地表水灌溉用水和地下水灌溉用水。在农田灌溉水利用系数计算中，作为区域灌溉用水，如果以单一灌区来说，灌区渠系和田间产生的渗漏水、退水、跑水属于灌溉水的损失，但这部分水量在下游可重新被重复利用作为当地的灌溉水源，因此，在计算农田灌溉用水量时这部分水量理应扣除。

3 基于“以电折水”及灌溉回归水重复利用的农田灌溉用水量统计方法的计算过程

3.1 “以电折水” 农田灌溉用水量计算

(1)典型泵站的选择。首先对研究区的提水泵站按型号、口径、使用年限进行分类，典型泵站选取以主要型号泵站为主、其他型号泵站兼顾的原则，需涵盖研究区各种型号不同口径的泵站，同时选取时充分考虑新旧程度等工程设施条件，泵站数量记为i=(1，2，3…，n)。

(2)率定仪器的选择。水泵单位时间内的出水量即流量，对于能在管道上测试流量的泵站，可采用便携式超声波流量计进行测定。便携式超声波流量计一般测量的管径范围为20～6 000 mm，适用于饮用水、河水、海水、工业污水、化工流体、燃料油等各种流体，采用外夹式传感器非接触的测量方式测量液体流量，没有活动机械部件，不受系统的压力和恶劣环境的影响，测量过程不需破坏管道，不需停产，传感器不与被测介质接触，无压损，具有操作简单、测量精度高(优于1%)、一致性好、电池供电时间长等优点，目前已成功地应用于各行业的计量工作。

对于无法在管道上测试流量的泵站，参照《灌溉渠道系统量水规范》GB/T21303-2007，采用便携式流速仪测定。便携式流速仪一般测量流速范围0.05～15 m/s，流速测量分辨率1 mm/s，流速测量精度±1.5%，水深使用范围0～40 m。

(3)率定方法。泵站出水量率定：在传感器安装好后，待泵站出水量稳定后开始测定流量，每隔5 min读取一个流量数值，连续测定半小时以上取得一系列流量数据，取平均值算得常水位下的泵站流量q。

泵站用电量率定：率定的泵站大部分都安装了三相三线智能电能表，精度为0.01 kWh，泵站单位时间出水量对应的用电量采用直接读取电表同时段耗电量的方法获取。待泵站出水量稳定时，与流量测定同步进行，采用秒表计时，记录用电量，计算得到单位时间内的用电量，即功率W。

泵站单位电量的出水量计算方法：将同一时间段内获得的泵站流量q和用电功率W采用下式进行计算，得到水泵单位电量的出水量。

I=q/w

(1)

式中：I为单位电量的出水量，m3/kWh。

(4)泵站灌溉用电量的获取。各泵站用电量W可通过所在地供电局获得。

(5)泵站灌溉用水量计算。在得到典型泵站单位电量出水量、各泵站灌溉用电量的基础上，可得到泵站灌溉用水量为：

Qi=IiWi

(2)

式中：Qi为第i个泵站的灌溉期用水量，m3；Ii为第i个泵站的单位电量的出水量，m3/kWh；Wi为第i个泵站的用电量，kWh。

(6)农田灌溉用水量计算。研究区内农田灌溉用水总量为各泵站农田灌溉用水量之和：

(3)

3.2 基于系统动力学的灌溉回归水计算

国内外专家学者研究表明，真实农田灌溉水利用系数计算的关键在于回归水在不同尺度上的厘清和重复利用量的合理计算[8]，因此，对大尺度、大区域而言，如以灌片尺度进行灌溉水量统计，累加各灌片用水量，得到的灌溉水量远大于灌区内田间消耗所需的水量，甚至大于灌区的来水量；但如以灌区尺度进行灌溉用水量统计，则灌片的灌溉回归水属于灌区内水的重复利用，故而灌区尺度统计的灌溉水量应不含该部分重复利用量。目前对于灌溉回归水量的计算没有一个很好的方法。

系统动力学主要是通过系统的建立和模拟，探讨系统中的问题以及各项决策评估，用来分析研究信息反馈系统，探索如何认识和研究复杂系统动态行为运行机制，模拟开放系统特别是复合的各类复杂系统。Vensim是基于系统动力学原理开发出来的比较成熟的直接面对用户的软件。目前已经有人利用其进行水资源规划、节水灌溉效益分析等，并取得了不错的效果。采用系统动力学方法，用一系列的模拟技术及系统动力学工具Vensim来模拟田间水平衡[9]。

在水稻田系统的水文循环中，以水稻为研究对象，水田某一时段水量平衡方程为：

∑Q来水-∑W用水=∑ΔW土壤储水

(4)

式中：∑Q来水为来水量之和，mm；∑Q用水为用水量之和，包括田间渗水变化量，mm；ΔW土壤储水为田间储水变化量，mm。

P+IR+RΔI-ET-Fd-ΔJ=ΔW土壤储水

(5)

式中：P为降雨量；IR为灌水量，mm；RΔI为区域回归水变化量，mm；ET为作物蒸腾蒸发量，mm；Fd为深层渗漏量，mm；ΔJ为田间渗水变化量，mm；ΔW土壤储水为田间储水变化量，mm。

区间回归水变化量：

(6)

则回归系数为：

β=∑RΔl/∑W来水

(7)

农田灌溉用水量计算：

W=Q(1-β)

(8)

4 实例分析

4.1 “以电折水”农田灌溉用水量计算

浙江省嘉兴市南湖区灌区属平原河网提水灌区，共有提水泵站1 158个，采用“以电折水”测算农田灌溉用水量，具体步骤如下：

首先对南湖区的1 158个提水泵站按型号、口径、使用年限进行分类，典型泵站选取以主要型号泵站为主、其他型号泵站兼顾的原则，基本涵盖了南湖区各种型号不同口径的泵站，同时选取时充分考虑新旧程度等工程设施条件，本次共选取了9台泵站作为典型泵站。在选定典型泵站的基础上，采用便携式超声波流量计进行测定。经率定，南湖区各典型泵站率定结果如下[10]。

表1 南湖区各典型泵站率定成果

由表1可知，不同泵站单位电量的出水量数值介于27.79～48.82之间，相差较大，其主要原因泵的类型不同，如朱家浜泵站为自吸泵，长浜泵站为混流泵，尽管两者额定功率均为15 kW，但是长浜泵站额定流量为792 m3/h，朱家浜泵站额定流量为510 m3/h，其取水能力是有差异，故而由此产生的差异是合理的。

在典型泵站率定的基础上，统计2017年度各提水泵站用电量，乘以率定公式，可得到各泵站的提水量，求和累加可得到总提水量。经计算，南湖区2017年度各提水泵站总用电量为492.57 万kW，“以电折水”得到的农田灌溉用水量达到1.628 5 亿m3，农田灌溉用水量近1.35 万m3/hm2，远大于定额值，主要原因是采用“以电折水”的方法未考虑灌溉回归水的重复利用，故“以电折水”得到的农田灌溉用水量不可直接作为水资源公报或用水总量统计中的农田灌溉用水量，需扣除灌溉回归水。

4.2 基于系统动力学的灌溉回归水计算

基于浙江省国家水资源监控能力建设项目(2016-2018年)嘉兴市长水塘灌区水循环模拟与灌溉用水量统计模型研究，嘉兴市长水塘灌区采用系统动力学工具Vensim来模拟田间水平衡。

长水塘灌区位于嘉兴市，北到乍嘉苏高速公路，南至莲花桥港，设计灌溉面积0.43 万hm2。长水塘灌区是杭嘉湖平原地区一个典型的河网提水型灌区，灌区以长水塘河、莲花桥港和大横港等河道为主要水源，以濮院港、建设港、宜桥港、人民桥港等为干渠，通过灌溉泵站提水至灌片。根据模型研究需要，长水塘灌区设置农业用水计量监测设施20处，其中灌溉水源取水口14处，灌溉排水口6处。围绕长水塘灌区灌溉用水量统计问题，结合灌区农业用水计量监测设施布局和灌区农业灌溉用水实际，按照灌区水资源系统概化原则，灌区水循环系统是由水源工程节点、用水户节点、河流、渠系等构成，为此长水塘共概化了23个灌片、23个泵站工程节点、24条供水线路以及23条回归水线路建立了灌区水循环模拟模型，运用系统动力学分析了灌区灌溉用水量与其主要影响因素间的定量关系，根据模型计算，长水塘灌区2017年灌溉水回归系数为0.34[11]。

鉴于长水塘灌区的地形地貌、气候特征、水利工程布局、种植结构、管理方式等在嘉兴市辖区范围内具有很强的代表性，本次研究把长水塘灌区的回归系数成果直接运用于南湖区的农田灌溉用水量统计中，则南湖区农田灌溉用水量为1.075 亿m3。

5 结论及建议

(1)采用“以电折水”及系统动力学法得到的农田灌溉用水量既统计了全部用于农田灌溉的用水量，又扣除了灌溉重复利用的回归水，计算方法较为可靠，可为水资源公报及用水总量统计中农田灌溉用水量的上报提供技术支撑。

(2)采用“以电折水”的方法受典型泵站率定成果及泵站管理水平影响较大。泵站单位电量的出水流量与工程的运行状态有相关关系，随着工程运行状态的变化，如工程老化等，其参数相应也会变化，因此为保证测算精度，建议定期对典型泵站的单位电量的出水流量进行率定修正。同时泵站的电量不仅受农作物需水的影响也受泵站管理人员管理水平的影响，管理水平较高的乡镇，泵站用电量较为合理；管理水平较差的乡镇，泵站用电量偏大，导致计算得到的用水量偏大，为获得合理的泵站用电量，建议提高泵站管理人员的管理水平，及时开泵关泵，按需供水。

(3)采用系统动力学获得灌溉水回归系数受田埂有效高度、水力传导度、田块长度及田埂高度、地面坡度、不同作物种植比例等因素的影响[12]，故其适用范围有限，非相似灌片不能直接采用其相关成果，建议深入开展嘉兴市长水塘灌区水循环模拟与灌溉用水量统计模型研究，调整相关参数，模拟不同状况下的灌区用水情景，从而求得嘉兴市五县两区的农田灌溉用水回归系数，为其水资源公报及用水总量统计中农田灌溉用水量的上报提供技术支撑。