单位耗电量取水量法估算地下水取水量方法初探

2021-01-16苏海波

水资源开发与管理 2020年12期

田龙苏海波

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

1 研究背景

新疆位于亚欧大陆腹地，祖国的西北边陲，北靠阿尔泰山，南接昆仑山，天山横亘中央，上以天山为界，天山以南为南疆、以北为北疆，吐鲁番、哈密一带称之为东疆。新疆远离海洋，四周高山环抱，特殊的地理和地形地貌因素使新疆形成了典型的干旱气候，从存量、降水量上来看新疆都是水资源匮乏的，随着新疆社会经济的快速发展，居民生活、工业、农业等生产用水需求不断增大。

地下水因其开采便利、成本较低、取用灵活、水质较好等特点被大量开采，经统计，新疆多年平均地下水供水量已经占到总供水量的20%，成了保障新疆社会经济持续健康发展的重要组成部分。近年来，由于地下水超采而引发的地下水位持续下降、湖泊湿地萎缩、泉水流量衰竭、坎儿井流量衰减、草场退化、土地沙化等一系列严重的生态环境问题，引起了各级党委和政府的高度关注。摸清地下水开采量、进而合理控制地下水开采是水行政主管部门的必要职责，估算地下水开采量是当前地下水监测系统不健全背景下的唯一举措。新疆地域辽阔，涉及的行政单位众多，短时间内难以完成地下水监测系统建设，然而保护生态环境刻不容缓，需要我们及时采用必要手段应对实际情况。本研究主要为在地下水监测系统建立前，利用全国水利普查资料，提出不同区域单位耗电量取水量指标，利用实际用电量初步估算区域地下水开采量，为开展地下水监督管理提供计算依据。

2 研究方法

2.1 确定计算方法

2.1.1 理论计算法

机电井的工作原理是以电机为动力，带动水泵，将地下水提取到地面或指定位置。从能量转换的角度来看，是将电能转换成重力势能。理论计算公式如下：

(1)

式中：W为水泵的功率，W；S为抽水时间，s；g为重力加速度，9.8m/s2；h为提水高度,m；ρ为水的密度，m3/kg；V为水泵抽出水的体积，m3。

通过式(1)，在获得提水高度和电量数据的情况下，可以得出理论的提水量，但是实际情况下提水量不仅与提水高度有关，还和水泵的运行效率有关，而水泵的运行效率与水泵的型号、水泵的使用年限等有着密切的联系。水泵的运行效率在相关规范中有要求，但是实际过程中影响因素较多，导致各井差异较大，需要通过实验获得，但是目前并未开展全疆范围的水泵运行效率普查工作，效率参数难以获得。

2.1.2 单位耗电量取水量法

单位耗电量取水量法相对简单直接，仅需获取用电量和单位耗电量取水量参数即可，单位耗电量取水量参数通过实际运行可以直接获得。单位耗电量取水量法计算公式如下：

M水=PK

(2)

式中：M水为水量，m3；P为抽水用电量，kW·h；K为单位耗电量取水量，m3/(kW·h)。

根据上述公式，仅需获得单位耗电量取水量参数和用电量数据即可计算得出地下水的取水量。

2.1.3 计算方法的选用

上述两个方法均需开展相关机电井抽水实验，相对而言单位耗电量取水量法简单直接，所需参数较少，实际运用广泛，故本次研究选用单位耗电量取水量法进行分析。

2.2 数据来源

2011年全国开展了水利普查工作，在对机电井的普查过程中，单位耗电量取水量参数也作为一项重要指标进行了统计。截至目前，全疆再未开展过如此全面的普查工作，水利普查数据虽然距今时间较长，但2011年全国水利普查是由国家层面组织开展的，工作周期长、投入人员多、标准相对统一、专业性较强、数据较为全面，故对于没有地下水监测设施的地区，仍有一定的参考意义。本次研究收集到新疆14个地州的水利普查机电井的单位耗电量取水量的数据，以此作为本次研究的数据源。

2.3 参数确定过程

2.3.1 数据代表性

本次研究共收集到新疆14个地州92705眼机电井的数据，其中有38176眼机电井开展了单位耗电量取水量参数的测算，占到了全部机电井的41%。其中乌鲁木齐市开展实验的机电井数仅占到全部机电井数的3%，代表程度最弱；阿克苏地区全部机电井均开展了单位耗电量取水量参数的测算实验，代表程度最好；代表程度超过50%的还有哈密市、喀什地区、和田地区，其余地区代表程度较弱。各地州机电井开展单位耗电量取水量实验情况见表1。

表1 新疆各地州机电井开展单位耗电量取水量实验情况

2.3.2 机电井单位耗电量取水量指标分布情况

对收集到的开展了单位耗电量取水量的机电井数据进行整理分析，研究区内机电井的单位耗电量取水量参数范围在0.2～20.0m3/(kW·h)，其中乌鲁木齐市、伊犁哈萨克自治州、阿克苏地区、喀什地区的单位耗电量取水量数据相对集中，其余各地州的单位耗电量取水量数据较为分散。东疆、南疆比北疆数据相对集中。机电井单位耗电量取水量变化范围见表2，机电井单位耗电量取水量频数分布见图1～图14。

图1 乌鲁木齐市单位耗电量取水量频数

图2 克拉玛依市单位耗电量取水量频数

图3 吐鲁番市单位耗电量取水量频数

图4 哈密市单位耗电量取水量频数

图5 昌吉回族自治州单位耗电量取水量频数

图6 伊犁哈萨克自治州单位耗电量取水量频数

图7 塔城地区单位耗电量取水量频数

图8 阿勒泰地区单位耗电量取水量频数

图9 博尔塔拉蒙古自治州单位耗电量取水量频数

图11 阿克苏地区单位耗电量取水量频数

图12 克孜勒苏柯尔克孜自治州单位耗电量取水量频数

图13 喀什地区单位耗电量取水量频数

图14 和田地区单位耗电量取水量频数

表2 不同区域单位耗电量取水量变化范围

对各地州的单位耗电量取水量数据和频数数据进行加权平均，计算结果见表3。由图1～图14可以看出：各地州单位耗电量取水量在2.3～6.4m3/(kW·h)，其中吐鲁番市最小，为2.3m3/(kW·h)，喀什地区最大，为6.4m3/(kW·h)。对上述数据进一步整理，得出北疆的单位耗电量取水量为3.4m3/(kW·h)，东疆的单位耗电量取水量为2.8m3/(kW·h)，南疆的单位耗电量取水量为5.1m3/(kW·h)，全疆的单位耗电量取水量为4.4m3/(kW·h)。

表3 各地州单位耗电量取水量变化范围

2.4 参数优化过程

根据上述分析，发现研究区内机电井的单位耗电量取水量参数范围过大，由于存在代表性的问题，会出现所采用的加权平均单位耗电量取水量数据不能够反映实际平均情况。鉴于这种情况，本次研究将结合区域地下水埋深情况，选取相应典型实验数据进行分析，以期提出能够反映各区域单位耗电量取水量平均水平的参考指标。

2.4.1 新疆各地区灌区浅层地下水埋深主要分布区域

本次新疆各地区平原区浅层地下水埋深主要分布区域依据《新疆地下水》中平原区浅层地下水埋深分布面积成果确定，该成果是根据1∶100万比例尺水文地质调查、新疆各地区地下水资源开发利用规划、典型地段水文地质勘探以及地下水动态监测资料整理而成的，是当前经过审查通过的权威成果。经整理，新疆各地区灌区浅层地下水埋深主要分布区域见表4。

表4 各地州平原区浅层地下水埋深分布面积统计单位：km2

2.4.2 各区域典型机电井单位耗电量取水量参数

根据平原区浅层地下水埋深范围，利用新疆水利普查机电井的地下水埋深和单位用电量取水量数据，整理汇总不同地下水埋深范围的平均单位用电量取水量。经整理，各区域不同地下水埋深单位用电量取水量参数均值见表5。

表5 各地州不同地下水埋深单位用电量取水量参数均值统计单位：m3/(kW·h)

续表

2.4.3 优化前后单位耗电量取水量参数对比

将优化前后的参数进行对比可以看出：全疆的参数减少了0.9m3/(kW·h)，北疆优化前后基本一致，东疆较优化前略有增加，南疆略有减少。参数优化前后对比情况见表6。

表6 各地州参数调整前后单位用电量取水量统计

3 结果与分析

按照行政区域以及地形地貌特点提出了新疆14个地州和3个分区的单位耗电量取水量指标，在此基础上，考虑了不同地下水埋深分布面积对参数的影响。分析发现：北疆的克拉玛依市单位耗电量取水量指标最小，为1.3m3/(kW·h)，南疆的喀什地区单位耗电量取水量指标最大，为6.6m3/(kW·h)，最大的指标与最小的指标相差了5倍，分析原因主要是喀什地区机电井的地下水埋深普遍较克拉玛依市机电井的地下水埋深浅，假设机电井选取的泵型是合适的、效率是一样的，结合计算方法，单位耗电量取水量与提水高度有关，同样提取1m3水，喀什地区所需要做的功就要小于克拉玛依市，因此喀什地区的单位耗电量取水量指标大于克拉玛依市的指标；从区域上看南疆的指标普遍较北疆和东疆大，基本上都在3m3/(kW·h)以上，原因仍与地下水埋深有关；计算区域合计的平均指标大于北疆和东疆，主要是因为南疆地州开展单位耗电量取水量实验的代表性普遍较高，基本上都超过了50%，且南疆开展该实验的机电井眼数远远大于北疆与东疆机电井眼数之和，这就使得合计指标数据会向南疆的指标倾斜，这是由于数据的代表性造成的。