河北平原农业灌溉以电折水系数影响因素研究*

李 飞 ,陶 鹏 ,齐永青 ,李红军 ,王鸿玺 ,王 宁 ,裴宏伟,张喜英,5

(1. 国网河北省电力有限公司营销服务中心 石家庄 050035;2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022;3. 栾城区农业技术推广中心 石家庄 051430;4. 河北建筑工程学院/河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室 张家口 075000;5. 中国科学院大学现代农学院 北京 100049)

河北平原农业灌溉占全区地下水开采总量的70%以上,部分地区占比高达85%,农业地下水消耗规模已经远远超出区域地下水可开采规模[1-2],是导致地下水超采的主要原因之一,也是地下水超采综合治理的重要对象。有关研究和地区实践表明,农业水权和水价改革等措施可通过提高用水成本来减少灌溉用水总量,是调控农户灌溉行为的重要手段[3-5],而可靠的用水计量是实施农业水权和水价、水资源税改革等精准化水资源管理措施的前提[6]。尽管部分地区采用机械式、超声波式水表以及智能刷卡水表等方式开展了灌溉用水直接计量的试点,并取得了一定的经验[7-8],然而受成本和技术的制约,河北平原区绝大多数农业机井没有可靠的计量手段,仍采用典型调查或现行灌溉定额与实灌面积数据进行用水量匡算,典型调查数量较少且代表性不强,统计结果精度较差且缺少相应的复核依据[9]。由于缺少可靠的灌溉用水计量方法,河北省近年来出台的农业水权和水资源税改革政策的实施受到一定程度的阻碍。

长远来看,对农业机井安装计量设施是落实最严格水资源管理制度的必然要求,只有在掌握每口机井开采量信息的基础上,才能够以农户为单位精准实施“总量控制、定额管理”。但鉴于河北平原农业机井数量庞大,全面普及计量设施难度很大。电泵抽取地下水是克服重力做功的过程,在一定条件下电泵的抽水量与电能消耗量存在定量关系,因此理论上可通过抽水过程的耗电量来求算相应的取水量。20 世纪70 年代以来逐步建立了通过水泵耗电量间接计算地下水抽取量的以电折水方法[10-11],并应用于取水量评估和水资源管理中[12-14]。取水量与耗电量的比值即为以电折水系数,受含水层性质、地下水埋深变化、水泵效率和灌溉技术类型等因素的影响[15-17],准确测定以电折水系数成本高难度大,限制了该方法在农业灌溉用水计量中的实际应用。

本研究基于河北省县域农业灌溉以电折水系数,分析了河北平原区以电折水系数的区域特征以及地下水埋深与以电折水系数的关系;基于中国科学院栾城农业生态系统试验站的实际灌溉用电和用水量监测数据,研究了灌溉时长、灌溉方式和灌溉季节等要素对以电折水系数的影响,对厘清农灌机井以电折水系数的主要影响因子与完善河北平原井灌区以电折水方法具有参考价值。

1 数据与方法

1.1 以电折水原理与以电折水系数的计算方法

以电折水方法是通过建立灌溉过程中水泵抽水量与耗电量的定量转换关系,从而实现以耗电量计算抽水量的间接计量方法[17-18]。灌溉用水计量的以电折水方法基于以下条件: 1)对于农业灌溉机井,水泵的耗电量和抽水量在一定条件下存在稳定的比例关系;2)在一定区域内,同类型灌溉机井的以电折水系数具有一致性,将典型机井测得的以电折水系数应用到同类型农业灌溉机井取水量的计算中是可靠的。

单个灌溉机井以电折水系数可通过抽水试验测定,选择安装有电表的典型机井,在出水口安装机械式或超声波式水表等计量装置,对水泵抽水量与耗电量进行同步测量。水泵抽水量与耗电量的关系可表示为:

式中:V为水泵的抽水量(m3),E为测量的抽水电能消耗(kWh),Cf为以电折水系数(m3·kWh-1)。

通过抽水试验同步测定抽水量和耗电量确定以电折水系数,对电量、水量计量装置和试验人员配置均有一定的要求。以电折水系数实际测试过程中,往往由于电表安装位置与水泵出水口或田间灌溉管道出水口空间距离较远等问题,同步测定存在一定困难。针对以上问题,可分别测定一定时段内灌溉机井的耗电量和抽水量,用公式(1)计算该时段内的平均以电折水系数,该方法可结合田间灌溉过程进行,对农户实际用水行为的影响较小。在进行以电折水系数测定试验时,水泵开启时的流量受井筒内水位快速波动下降和管道中空气混杂的影响而不稳定,只有当机井的动水位降至稳定时,水泵流量才趋于稳定,这一稳定过程通常需要10～20 min[17,19],只有在流量稳定后测定的以电折水系数才具有代表性。

1.2 河北平原县域以电折水系数的确定

河北省县域以电折水系数的测定以河北省水资源三级分区为基础,综合考虑水文地质条件、地下水主要开采层位等因素,选取典型机井进行测量,根据不同机井的地下水开采层位,分别测定浅层水和深层水的以电折水系数。本研究依据《河北省农业用水以电折水计量实施细则(试行)》(冀水资[2017]19 号)、《关于公布河北省农业用水以电折水系数测算成果的通知》(冀水资[2017]92 号)确定的县域以电折水系数的测定成果,分析河北平原井灌区以电折水系数的区域特征及主要影响因素。结合《河北省地下水超采区地下水位监测情况通报》提供的河北平原县域地下水位埋深数据,本研究进一步分析了地下水埋深对县域以电折水系数的影响。

1.3 以电折水系数测定试验

以电折水系数测定试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站(以下简称栾城试验站)开展。栾城试验站位于河北省栾城县(37°53′N,114°41′E),海拔50.1 m,地处太行山山前平原,属暖温带半湿润季风气候,农业生产具有集约高产型、资源约束型、井灌农业类型等特征,粮食生产为典型的冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)一年两熟灌溉高产模式。自20 世纪70 年代以来,地下水位持续下降,目前埋深已达40 m 以下。为评估不同灌溉方式、地下水位季节性变化对以电折水系数的影响,对栾城试验站内8 眼灌溉机井的次灌溉用水量和耗电量进行了记录,并同期测定了地下水水位变化。灌溉机井使用河北佰斯特泵业生产的QJ 系列潜水泵,额定功率13.2～25 kW,额定流量分别为25 m3·h-1、32 m3·h-1和65 m3·h-1,扬程65 m,机井内竖管直径80 mm,田间灌溉主管道直径100 mm,灌溉出水口阀门直径80 mm。水表安装于机井井口,为宁波水表总厂生产的WSRP80 型垂直螺翼式机械水表,法兰接口直径80 mm。耗电量记录使用石家庄科林电气股份有限公司生产的DTZY1277 型三相四线电表,参比电流15 A,最大电流60 A,各泵均配有独立电表,统一安装于配电室。地下水位变化数据来自栾城试验站长期水位监测井,使用压力式水位计观测,并进行了气压和温度校正。

以电折水系数测定试验于2019 年3-6 月进行,涵盖了春季小麦集中灌溉期和夏玉米播种-出苗灌溉期,灌溉数据采用人工记录,内容包括: 机井编号、灌溉日期、灌溉起始时间与结束时间、电表起始与终止读数、水表起始与终止读数、灌溉用户与地块面积、作物种类。根据记录计算各井每次灌溉的耗电量、抽水量、以电折水系数和单位面积平均灌溉量等。

2 结果与分析

2.1 河北平原各市以电折水系数

《关于公布河北省农业用水以电折水系数测算成果的通知》公布的县域(包括县、县级市、区和单列的开发区和管理区)以电折水系数测算结果,包括186 个县域的浅层地下水机井以电折水系数和79个县域的深层地下水机井以电折水系数。公布浅层地下水机井以电折水系数的县域涵盖了河北平原区全部范围,深层地下水机井以电折水系数县域分布在平原中东部深层水超采区。本研究以市级行政区为单元,对河北平原区共108 个县区的浅层地下水机井以电折水系数进行了分析,结果如表1 所示。

表1 河北平原不同区域浅层地下水机井以电折水系数汇总表Table 1 Electricity-to-water conversion factors of shallow aquifer wells in different regions of the Hebei Plain m3·kWh-1

河北平原各市浅层地下水机井以电折水系数为2.23～4.51 m3·kWh-1,平均为2.97 m3·kWh-1。总体上看,河北平原区浅层地下水机井以电折水系数沿太行山东麓呈北高南低的格局,主要受浅层地下水水位和农业灌溉强度的影响。北部保定市、廊坊市毗邻京津,高耗水的冬小麦生产规模近十余年来显著缩小,灌溉用水也相应减少,地下水位下降趋势明显减缓[20],受白洋淀上游水库和外调补水的影响,淀区周边地下水位回升[21],浅层地下水赋存和补给条件改善,因此浅层地下水机井以电折水系数较高,保定为4.51 m3·kWh-1,廊坊为3.43 m3·kWh-1,其中保定市定兴县浅层地下水机井以电折水系数6.15 m3·kWh-1,为平原区最高值。平原中部的石家庄市位于滹沱河山前冲积平原,浅层地下水含水层深厚,来自山区的侧向补给量较大,可达125.2 mm·a-1[22],但浅层地下水埋深普遍低于30 m,以电折水系数为2.67 m3·kWh-1。平原南部的邢台市与邯郸市位于滏阳河流域,浅层地下水含水层储水条件较差,山区侧向补给量小,是河北平原区浅层地下水机井以电折水系数最低的区域,分别为2.31 m3·kWh-1和2.23 m3·kWh-1,其中位于宁-柏-隆浅层漏斗区的邢台市柏乡县浅层地下水机井以电折水系数1.27 m3·kWh-1,为河北平原区最低值。平原中东部衡水市、沧州市浅层地下水埋深较浅,但含水层储水条件较差,浅层地下水机井以电折水系数分别为3.01 m3·kWh-1和2.99 m3·kWh-1,略高于石家庄市,但明显低于保定市。

2.2 河北平原县域地下水埋深与以电折水系数的关系

本研究根据河北平原水文地质条件差异、农业生产与灌溉特点,将平原区分为山前平原区和中东部平原区两个部分,对地下水埋深与以电折水系数的关系进行分析。山前平原区位于河北平原西侧太行山山前冲洪积扇和冲洪积平原,包括保定市、石家庄市全部平原县域和邢台市、邯郸市、廊坊市的大部分,共62 个县域;中东部平原包括中部冲积平原与东部海积平原,包括沧州市、衡水市全部和邢台市、邯郸市、廊坊市的东部,共46 个县域。

以电折水系数受地下水位埋深影响,地下水位越深,将地下水抽提至地面的耗能越高,对应的以电折水系数就越小;地下水位越浅,对应的以电折水系数就越大。河北平原县域以电折水系数和地下水埋深数据分析结果表明,河北平原区浅层井以电折水系数总体上呈随地下水埋深增大而减小的趋势,但相关性不显著(图1)。山前平原区浅层地下水机井的以电折水系数平均为3.22 m3·kWh-1,地下水平均埋深26.99 m;中东部平原区浅层地下水机井的以电折水系数平均为2.75 m3·kWh-1,地下水平均埋深14.37 m。同等地下水埋深条件下,山前平原区浅层地下水机井以电折水系数高于中东部平原区,与山前平原区浅层含水层储水条件好有关。

图1 河北平原的山前平原区(a)与中东部平原区(b)浅层地下水埋深与以电折水系数的关系Fig.1 Relationship between shallow watertable depth and electricity-to-water conversion factor of the piedmont region (a) and the mid-eastern region (b) in the Hebei Plain

山前平原区深层地下水机井以电折水系数平均为2.06 m3·kWh-1,地下水平均埋深47.45 m;中东部平原区深层地下水机井以电折水系数平均为1.66 m3·kWh-1,地下水平均埋深59.04 m。深层地下水机井以电折水系数与地下水位埋深存在线性关系,随着地下水埋深增加,以电折水系数降低(图2),表明水位差异是影响深层地下水抽提效率的主要因素。山前平原区深层地下水埋深每增加10 m,以电折水系数相应降低0.42 m3·kWh-1;中东部平原区深层地下水埋深每增加10 m,以电折水系数相应降低0.15 m3·kWh-1。

图2 河北平原的山前平原区(a)与中东部平原区(b)深层地下水埋深与以电折水系数的关系Fig.2 Relationship between deep watertable depth and electricity-to-water conversion factor of the piedmont region (a) and the mid-eastern region (b) in the Hebei Plain

考虑到县域以电折水系数与地下水埋深关系的复杂性,本研究按照10 m 间隔对不同地下水埋深范围数据进行了分析。经分类汇总后,山前平原区和中东部平原区浅层、深层地下水机井以电折水系数与地下水位埋深之间存在较为清晰的关系,结果见表2。在同等地下水埋深条件下,山前平原区浅层地下水机井以电折水系数高于中东部平原区,且随着地下水位埋深增加,以电折水系数降低。山前平原区10～20 m 埋深的以电折水系数为3.47 m3·kWh-1,但水位降至40 m 以下,相应的以电折水系数降低至2.37 m3·kWh-1;而中东部平原区10～20 m 埋深的以电折水系数为2.65 m3·kWh-1,30 m 以下的以电折水系数为2.24 m3·kWh-1。对于深层地下水机井,随地下水埋深增加,山前平原区以电折水系数降低程度更大。

表2 河北平原不同地下水位埋深条件下的以电折水系数平均值Table 2 Average values of electricity-to-water conversion factors under different aquifers in the Hebei Plain m3·kWh-1

2.3 灌溉机井以电折水系数分析

本研究测定了2019 年3-6 月栾城试验站灌溉机井耗电量和取水量数据(表3)。1#～8#机井灌溉耕地控制面积为2.30～5.12 hm2,主要为管灌,田间主灌溉管道直径为100 mm,5#井为喷灌,试验期间地下水埋深为44～46 m。各井在试验时段内耗电量为759～2706 kWh,相应的取水量为1124～4131 m3。5#喷灌井的以电折水系数最低,为1.46 m3·kWh-1,4#井最高,为2.35 m3·kWh-1;除5#喷灌井之外的管灌井以电折水系数 为1.53～2.35 m3·kWh-1,平均1.88 m3·kWh-1,比喷灌井高28.8%,标准差为0.30 m3·kWh-1,相应的变幅为±16.0%,略低于Wang 等[17]在馆陶测定的以电折水系数±20%的变幅。

表3 栾城试验站机井灌溉取水与耗电量统计表Table 3 Electricity consumption,water withdrawal and the electricity-to-water conversion factor of irrigating wells in Luancheng Station

栾城试验站机井的次灌溉取水量和耗电量存在显著线性相关(图3)。单次灌溉取水量为22.0 m3到1155.0 m3,次均取水量490.5 m3,单次灌溉耗电量15.0 kWh 到768.0 kWh,次均耗电量272.1 kWh,相应的次灌溉以电折水系数为1.44～2.61 m3·kWh-1。同一机井不同次灌溉之间的以电折水系数存在一定幅度的波动,变率为2.3%～11.2%,平均5.7%。总体上看,在栾城试验站较小的空间范围内,机井的以电折水系数具有相对稳定性,因此在一定的精度要求下,可以用典型样井的以电折水系数求算区域农业机井的总抽水量,并以此评估灌溉用水强度和节水效果。

图3 机井灌溉耗电量与取水量的关系Fig.3 Relationship between electricity consumption and water withdrawal of irrigating wells

受地块面积大小的影响,试验时段内单次灌溉时长为0.8～53.0 h,平均次灌溉时长为15.1 h。比较以电折水系数与单次灌溉时长的关系可以发现,随着灌溉时长的增加,以电折水系数呈降低的趋势(图4),表明在灌溉取水过程中,随着累积抽水量的持续增加,含水层逐渐疏干,动水位降低,导致了水泵抽水效率的下降。

图4 机井以电折水系数与单次灌溉时长的关系Fig.4 Relationship between the electricity-to-water conversion factor and time-consuming of one irrigation

栾城试验站位于山前平原农业用水集中区,地下水开发利用程度较高,受到降雨入渗、农业灌溉用水和侧向补给作用的影响,地下水位存在明显的季节波动,年内最高水位出现在2-3 月份,最低水位出现在7 月份,季节变化幅度平均为4.2 m[23]。20世纪70 年代以来,由于持续超采,地下水水位以平均每年0.8 m 的速度下降[24-25]。

栾城试验站所在区域是太行山山前平原冬小麦-夏玉米一年两熟区,受降水条件和作物生育期的影响,农田灌溉主要集中在3 月上旬到6 月中旬的冬小麦起身期-夏玉米播种期。春季3 月份灌溉季开始时,地下水水位较高,随着灌溉开采量的增加,地下水水位呈下降的趋势,到6 月份灌溉季末,地下水位下降约2.0 m。地下水水位的季节性波动导致水泵工作扬程的变化,水位越低,单位抽水量所需能量越大,从而导致以电折水系数的季节性变化。因此,随着灌溉季内地下水水位下降,以电折水系数也呈总体下降的趋势(图5),小麦季由3 月上旬的1.95 m3·kWh-1下降到4 月中旬的1.67 m3·kWh-1,到玉米季以电折水系数略有回升,6 月中旬为1.72 m3·kWh-1,以电折水系数季节性变化幅度约为±10%。Wang 等[17]在馆陶县测定的以电折水系数季节性波动幅度为±15%,略高于栾城试验站的结果。

图5 2019 年3-6 月灌溉期内以电折水系数与地下水位变化Fig.5 Electricity-to-water conversion factor and watertable variation during the irrigating season from March to June,2019

与栾城试验站灌溉机井以电折水系数相比较,栾城县域浅层地下水以电折水系数取值为3.89 m3·kWh-1,明显高于栾城试验站机井以电折水系数平均值1.85 m3·kWh-1。梁雪丽等[18]在河北省邢台市南和县开展的试验研究表明,在灌溉水源、电力、机电设备条件基本一致的情况下,不同灌溉方式的以电折水系数的大小差异显著,喷灌系数最小,管灌次之,土垄沟灌最大,分别为1.5 m3·kWh-1、2.5 m3·kWh-1和4.0 m3·kWh-1。南和县试验地点地下水埋深45 m,与栾城试验站46 m 左右的地下水埋深基本一致,两地喷灌、管灌的以电折水系数也较为接近。目前,县域以电折水系数的确定采取的是典型灌溉机井抽水试验的方法[19],测定取水量的试验装置安装于机井出水口附近,其测定结果主要是克服水势能和地下管壁摩擦的耗能部分,不包括田间灌溉管道阻力以及喷灌设备对实际灌溉过程以电折水系数的影响,导致县域以电折水系数取值高于本研究测定的实际灌溉以电折水系数。

3 讨论

河北省农业水权和水资源税改革确定的“超用加价”模式[26],是河北平原井灌区采取以电折水方法进行农业灌溉用水计量的政策基础。尽管采用直接计量方法对于减少税费争议具有决定性作用,国内外也有一些灌溉用水直接计量的成功案例[27-29],近年来刷卡式智能水表也应用到灌溉计量中[7-8,30],但是灌溉用水的直接计量受到设备安装和运行维护费用的限制,需要有充足的财政和技术资源的长期支持。河北省现有农用灌溉机井超过94 万眼[31],分散于约380 万hm2灌溉农田之上,如参照北京市和天津市的做法为全部农用灌溉机井安装智能灌溉计量设施,设备采购安装成本和后期维护费用是河北省难以承担的。

以电折水方法是基于效率、成本和现有技术条件权衡的灌溉用水间接计量方法,符合河北省农业灌溉技术特点和水资源管理现状。一方面,以电折水方法的原理明确、成本低廉,河北省农村电网经过近20 年来的持续改造,已经实现了机井全覆盖,依托于成熟的电力计量和缴费系统,除了以电折水系数测定成本外几乎无新增的直接成本[17]。另一方面,灌溉耗电量是国家电网所安装的电表的计量结果,具有高度的可靠性和防篡改性,农户对耗电量结果的权威性认可度高,例如在元氏县,不仅实现了基于耗电量的灌溉用水计量和水费收缴,而且进一步实现了对机井维护人员、设备、工程支出的以电摊销模式[32]。

以电折水方法通过用电数据间接计算灌溉取水量,具有高效便捷特点的同时,以电折水系数的准确性和可靠性是其能否实际应用的重要前提。从本研究对河北平原县域地下水以电折水系数的总体分析和栾城试验站的灌溉试验结果来看,采用以电折水方法对河北平原农业灌溉的地下水开采量进行监测在技术上是可行的。但对于利用以电折水方法进行农业水权核算和水资源税计费的关键应用,仍具有一定的不确定性,主要体现在: 1)以电折水系数具有时间上的动态性特征,与地下水埋深的季节性变化、动水位波动幅度、含水层补给条件等均有一定的关系。因此,即使在较小的区域内,也无法直接利用静态以电折水系数进行准确的灌溉取水量核算,需要对典型机井进行连续的以电折水系数监测,测定不同季节和年际的以电折水系数变化特征,并建立相应的修订方法,以保证灌溉取水量核算结果随时间变化的可靠性。2)田间灌溉技术与设施的差异对以电折水系数的影响显著,田间灌溉管道的直径与长度、喷灌或滴灌设备加压、排沙装置的额外耗电等均会影响灌溉过程的电水转换效率,因此在实际应用以电折水系数计算灌溉取水量时,需增加相应的修正系数,以排除克服灌溉管道阻力和非提水耗电的影响。此外,受电网建设实际的影响,被标记为农用灌溉电表的用户中,存在一定比例的非灌溉用电,在进行灌溉用水量折算时,必须对这一部分非灌溉用电进行扣除。

4 结论

河北平原县域以电折水系数和地下水埋深关系的研究表明,山前平原区和中东部平原区浅层、深层地下水灌溉井以电折水系数与地下水位埋深之间存在较为清晰的关系。同等地下水埋深条件下山前平原区以电折水系数高于中东部平原区,且随着地下水位埋深增加,以电折水系数降低。深层地下水机井以电折水系数受地下水水位影响明显,山前平原区深层地下水埋深每增加10 m,以电折水系数相应降低0.42 m3·kWh-1;中东部平原区深层地下水埋深每增加10 m,以电折水系数相应降低0.15 m3·kWh-1。

灌溉试验研究表明,在较小的区域内,地下水水位、含水层水文地质条件、成井条件相对一致,不同机井的灌溉耗电量与取水量关系较为稳定,喷灌井以电折水系数为1.46 m3·kWh-1,管灌井以电折水系数平均为1.88 m3·kWh-1,比喷灌井高28.8%;同一机井不同次灌溉之间的以电折水系数波动幅度平均为5.7%;受地下水水位季节性变化的影响,3 月上旬到6 月中旬的灌溉季内,随着地下水位下降,以电折水系数也呈下降趋势,季节性变化幅度约为±10%。通过对比灌溉试验结果和县域以电折水系数的差异,发现管灌、喷灌等不同灌溉方式对实际以电折水系数有较大影响。县域以电折水系数的测算结果基于井口抽水试验,未考虑田间灌溉管道阻力以及喷灌、滴灌等存在水泵取水之外用电的情景,是导致其测算结果偏高的主要原因。

目前的河北平原县域以电折水系数测算结果未能体现地下水位季节变化和灌溉技术类型的影响,尚不能满足农户灌溉用水计量和水权、水资源税核定对准确性的需求。根据本研究开展的灌溉试验结果,需要对以电折水系数进行动态修订,以消除因季节性地下水位变化和非提水耗电导致的影响;在利用以电折水方法进行区域灌溉用水量计算时,考虑到电网建设与用户用电的实际情况,需对原始用电数据进行筛选,以消除非灌溉用电的影响。