单站还原农业耗水量计算优化

郑 文，尹伟荣

(湖北省孝感市水文水资源勘测局，湖北 孝感 432000)

0 引言

本研究旨在优化单站还原农业耗水量的计算。基于农业耗水量几乎是单站还原中影响最大的还原分项，其计算精度与否，直接影响单站天然径流量的数据质量优劣。水资源的管理与保护以流域为分析单元更科学、合理。现在，水资源评价与规划、水量分配等分析计算，是以天然径流量为基础[1]。径流还原计算，得到的天然径流数据，是流域水资源评价的首要环节，计算精度直接影响区域水资源量评价成果的质量。目前，天然径流计算方法包括分项调查法、水文模型法、蒸发差值法、降雨径流关系法等[2-4]。其中，分项调查法是基于水量平衡原理，运用实测水文气象数据及用水、耗水调查资料等估算各项还原水量[5-6]，该方法可靠性高，也是湖北省内单站还原计算的常用法。但由于灌区缺乏完善的计量设施，各县市也未开展全面的农田耗水系数测算[7-9]工作，因此，农业耗水计算一直沿用传统的以站点与行政区的占比方法进行估算。该方法适用资料短缺的局限，一直沿用至今，但其忽略了农业灌区分布不均匀与灌区个体差异等现实问题，加之行政区域的调整，固定占比偏离实际。随着用水统计直报系统的推广使用，易于获取更精准的数据统计单元，且地理信息系统软件的发展及应用逐渐成熟，而灌区一张图项目的推进，为厘清单站流域内的灌区分布情况提供了技术支撑。下文尝试应用Arcgis软件，用灌区一张图的成果，核对流域内灌区的分布情况，并调取用水统计直报系统中灌区样本的用水数据，二者综合，计算可得到流域内农业用水量，把结果乘以相应灌区在流域内的占比及灌区耗水系数，累加起来，即为流域内的农业耗水总量。经计算，数据更接近真实值。

1 实例分析

为验证效果，选取研究样本特点：典型性强，流域状况较为复杂。近年来，单站还原效果均不太好，亟待优化计算方法，提高单站还原精度。选取的研究区，基础条件较好。因为汈汊湖流域80%以上的流域范围在汉川市境内，而汉川市用水统计直报系统及灌区一张图[10]基础资料比较翔实。

基于此，与以传统行政单元条件的计算方法相比，本方法可以提升单站还原精度的影响，使流域范围内的水资源量计算更科学。

2 概况

2.1 汈汊湖流域的基本情况

汈汊湖位于江汉平原东部，汉水之滨，是我国第一个封闭式湖泊，素有"江汉明珠"之称，集水面积2340km2。湖区间为一概化站，综合了6个水文流量站点的资料。其中，孝感市辖区有4个站：汉川闸、汉川泵站、万福闸、民乐闸。天门市辖区有2个站点：何山闸(闸下)、天门船闸(闸下)。

汈汊湖区主要湖泊、河道、沟渠、渠网，均设有辅助代办观测站点，主要观测水位、蓄水量变化情况。大中型取、引水口，也设有辅助调查站点，收集跨流域引入、引出水量。流域覆盖汉川市及天门市，其中，汉川市有21个灌区在流域范围内。

2.2 基础资料

2.2.1 软件

应用软件为Arcgis 10.8。Arcgis产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台。Arcgis Desktop由3个用户桌面组件组成：ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox。其中，ArcMap是一个用户桌面组件，具有强大的地图制作，空间分析，空间数据建库等功能，是美国环境系统研究所(Environment System Research Institute，ESRI)于1978年开发的GIS系统。

ArcMap是一个可用于数据输入、编辑、查询、分析等功能的应用程序，具有基于地图的所有功能，实现如地图制图、地图编辑、地图分析等功能。

可用ArcMap强大的分析功能可直观的分析、计算流域范围内灌区的用水分布情况。

2.2.2 数据

(1)GIS图层：流域的范围shp文件、行政区范围shp文件、灌区边界shp文件，条件允许的，可以采用；

(2)用水统计直报系统：下载灌区用水量定报表。可登陆流域涉及的行政范围的账号，下载相关数据。

2.3 计算方法

(1)绘制相交图。结合汉川市灌区一张图的项目。采用Arcgis软件，采用相交工具，将汈汊湖站流域图面图层shp文件，交灌区一张图的面图层shp文件，输出流域与灌区的相交图。

(2)相交图块面积计算。打开相交图的属性表，添加面积字段，点击字段右键，选择计算几何，即可得到相交图块的面积。

(3)灌区面积计算。将属性表导出为Excel表格，直接对信息表透视，得到流域内各灌区的面积。用各灌区在流域内的面积，除以灌区的总面积，即为灌区在流域内的占比，同时可得到汈汊湖汉川片区的灌区的分布情况。条件允许的，可以按照耕地、园地、林地的类型，统计分布占比，针对跨流域的灌区计算，结果会更为精准。

(4)农业耗水量。调取用水统计中各灌区的农田灌溉用水数据，乘以各灌区的农田耗水系数，即为各灌区的农业耗水量。

(5)灌区耗水量。针对灌区全部在流域范围内的，耗水量的计算，采取直接累加。针对部分在流域内的灌区，耗水量的计算，采取所在流域面积与灌区总面积的比值，乘以灌区的耗水量，得到流域内灌区的耗水量。将测站流域范围涉及灌区耗水量累加，得到流域的灌区耗水量。

绘制灌区与汈汊湖的流域边界图可知，三合垸灌区、和平垸灌区、中洲灌区、二河灌区、东湖沟灌区、汈北灌区、沉湖基地灌区、养殖场灌区、孔沟灌区等9个中型灌区，以及汈西灌区(小型灌区)完全在流域范围内。分水灌区、龚家湾灌区、包湖灌区等3个中型灌区，以及神灵灌区、永丰灌区、桃花泵站灌区、两河垸灌区等4个小型灌区，部分在流域范围内。这21个灌区，均录入用水统计直报系统，流域内农业的用水量，即为流域内灌区水量(灌区填报水量与流域内灌区占比的乘积)累加值。

2.4 结果比对

按照传统的计算方法，汈汊湖汉川片区计算得到的农业耗水量为10052m3，而采用单站还原农业耗水量计算方法，得到的农业耗水量为14071m3，二者相差4019m3，相差28.56%。由此可见，采用原估算方法，计算偏差较大。因此，建议优化计算方法。

3 应用分析

3.1 单站还原计算法不足

(1)流域范围未全覆盖。由于汈汊湖流域跨天门地区，而本研究仅取得孝感片区的灌区范围资料，未取得天门片区的，受限于资料的不完整，只能做部分完善。

(2)灌区填报不完整。用水统计直报系统中，大多数的县级水利局填报的数据基于大中型灌区季度报表，而小型灌区，仅选取了典型灌区填报，且以典型灌区的灌溉定额估算小型灌区的用水情况。由于缺乏各个小型灌区的实际灌溉面积与灌溉用水量，因此，针对流域内小型灌区的用水部分，无法做到直接累加。因为行政区内大多数的农业灌溉用水还是依靠大中型灌区，流域内小型灌区用水的估算，对区域整体耗水量计算的误差影响较小。

(3)设计面积未完全吻合。用水统计直报系统采用的设计灌溉面积，是以全国大中型名录库中的信息为准，而灌区一张图的灌区范围，是参考国土三调资料与水利普查等资料，并结合地理信息系统勾画的，二者存在一定的误差，面积未完全吻合。

(4)填报数据不精确。由于大部分灌区缺乏计量设施，用水统计直报系统中灌区用水量的填报值大多数是估算值：灌区的主水源的取用水量大多依据闸、泵等水利工程的运行情况进行估算；辅助水源的取用水量凭借作物的结构、天气情况、塘堰等的蓄水变量等粗略估算。估算值与实际用水量存在一定差异。

3.2 优化途径

(1)资料共享。用水统计直报系统与灌区一张图，均为水利部推进的项目，二者的有机结合，可使水利数据成果更好地应用于水资源管理与服务。但由于二者隶属于水利系统的而不同部门，现实因素，导致当前成果无法实现互通共享。期待共享制度的顶层设计与推进，逐步完成灌区一张图成果的整合。可借鉴湖北省水利工程一张图，整合成省级一张图，既有利于后续的工程建设及水利水文计算应用，又可以让技术成果更好更多地转化成为生产力，助力智慧水利建设。

(2)统一不同系统的水利资料。相关部门之间，多沟通、多交流。按照科学严谨、实事求是的原则，上报资料，统一，规范。针对各系统的资料统计口径不一致的数据问题，梳理原因，及时修正不合理的部分，尽量做到数据与资料客观、真实、一致，使上报的数据可使用、易使用。

(3)完善计量设施，加强人员培训。借助灌区一张图项目，针对水系、水利工程等情况选取合理的计量设施布设点，并按照主次逐步完善计量设施的安装与联网。在将自动监测数据与用水统计比对，提高农业灌溉用水填报的数据精度。逐步优化用水统计的管理与填报。鉴于灌区的填报人员很多是乡政府工作人员承担，有部分人缺乏专业的水利知识，县级以上水利部门，可以定期开展用水统计直报系统的业务培训，提高填报数据质量。

4 结论

研究有效整合了用水统计灌区填报系统及灌区一张图成果，并对单站还原农耗水的计算新方法进行初探。借助Arcgis软件[12]核对了对流域内灌区的分布情况，用调取用水统计直报系统各灌区的取用水量，计算灌区的用水，再乘以农耗水系数，得到农业耗水量。将既往按县域整体与测站流域面积占比估算转为灌区样本统计，精细化计算单元，提升了计算精度。综合治理思路的转变，有益于流域科学用水的分析与梳理，同时为水行政管理部分优化水资源的分析与管理提供参考与借鉴[13]。此外，在方法初探过程中，还对计算方法作出优化，并对用水统计与灌区一张图优化及融合提出一些思考与建议，希冀对类似研究有启发。