李 娜

(1. 大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024;2. 青島市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 山東 青島 266101)

0 前 言

為解決我國(guó)日益復(fù)雜的水資源問題，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用和有效保護(hù)，2013年國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法的通知》，發(fā)布了用水總量、用水效率和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”。根據(jù)《2016年中國(guó)水資源公報(bào)》，2016年我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量為3 768.0 億m3，占全國(guó)總用水量的62.4%。顯然，農(nóng)業(yè)用水是我國(guó)的用水大戶，與用水總量控制紅線和用水效率控制紅線密切相關(guān)。農(nóng)業(yè)灌溉用水是農(nóng)業(yè)用水的重要組成部分，包括農(nóng)田灌溉用水、林果地灌溉用水及草地灌溉用水，其測(cè)算是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的要求。

我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，而水是農(nóng)業(yè)發(fā)展的命脈，但目前許多農(nóng)業(yè)灌區(qū)仍存在嚴(yán)重浪費(fèi)水資源的現(xiàn)象，實(shí)施農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效管理，是解決我國(guó)水資源供需矛盾，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。本文對(duì)我國(guó)行政區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水總量測(cè)算方法進(jìn)行了研究，提出了不同類型灌區(qū)用水總量計(jì)算模型，為各地區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理提供了理論依據(jù)。

1 灌區(qū)情況及現(xiàn)有方法缺陷

1.1 灌區(qū)基本情況

我國(guó)灌區(qū)類型多樣，按照水源取水方式可分為自流引水灌區(qū)、提水灌區(qū)、混合灌區(qū)；按照水源組合形式可分為獨(dú)立水源灌區(qū)、混合水源灌區(qū)；按照規(guī)模可分為大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)等。

根據(jù)2011年我國(guó)第1次水利普查成果資料，全國(guó)共有大型灌區(qū)(設(shè)計(jì)灌溉面積2.00 萬hm2及以上)456個(gè)，中型灌區(qū)(設(shè)計(jì)灌溉面積0.07～2.00 萬hm2)7 293個(gè)，設(shè)計(jì)灌溉面積3.33 hm2～0.07 萬hm2的小型灌區(qū)2 057 901個(gè)[1]。可見，我國(guó)灌區(qū)數(shù)量眾多，直接量測(cè)所有灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水量并不現(xiàn)實(shí)。

1.2 現(xiàn)有測(cè)算方法及不足

傳統(tǒng)水資源公報(bào)采用典型調(diào)查或者定額匡算的方法對(duì)用水總量進(jìn)行測(cè)算，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性較差。

為提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性，2014年國(guó)家水利部辦公廳下發(fā)了《用水總量統(tǒng)計(jì)方案(試行)》[2]。方案要求農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計(jì)根據(jù)灌區(qū)規(guī)模、工程設(shè)施情況、水源取水方式(自流引水、提水)、地形地貌、土質(zhì)類型、種植結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)灌溉面積劃分為灌溉重點(diǎn)用水戶和一般灌溉用水戶；灌溉重點(diǎn)用水戶全部作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，一般灌溉用水戶選取典型用水戶作為調(diào)查對(duì)象。

需指出，統(tǒng)計(jì)方案未對(duì)各類型灌區(qū)用水量統(tǒng)計(jì)的技術(shù)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。此外，我國(guó)灌區(qū)的水源、工程及管理情況各異，對(duì)于簡(jiǎn)單的獨(dú)立水源灌區(qū)，可直接對(duì)水源取水口進(jìn)行計(jì)量，而對(duì)于復(fù)雜的混合水源灌區(qū)，直接計(jì)量實(shí)施難度較大。

2 測(cè)算方法

我國(guó)幅員遼闊，不同區(qū)域和類型灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水特點(diǎn)差別明顯，建議按照行政區(qū)域分別進(jìn)行測(cè)算。參照現(xiàn)有灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算方法[3]，采用點(diǎn)面結(jié)合、調(diào)查統(tǒng)計(jì)與觀測(cè)分析相結(jié)合的方法，對(duì)行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量進(jìn)行測(cè)算。

2.1 行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量

行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量為行政區(qū)域內(nèi)所有大中小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量之和。

W行政區(qū)域=W大型+W中型+W小型

式中：W大型、W中型、W小型分別為大、中、小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，萬m3。

2.2 樣點(diǎn)灌區(qū)選取原則

按照大型、中型、小型灌區(qū)3種規(guī)模類型進(jìn)行樣點(diǎn)灌區(qū)的選取，樣點(diǎn)灌區(qū)應(yīng)具有代表性，以能代表此類灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量的綜合水平為原則。因此，樣點(diǎn)灌區(qū)選取過程中，應(yīng)綜合考慮自然條件、取水類型、種植結(jié)構(gòu)、工程狀況和管理水平等諸多因素，且數(shù)量和設(shè)計(jì)灌溉面積應(yīng)與區(qū)域同類型比例協(xié)調(diào)。此外，還應(yīng)考慮可行性，即樣點(diǎn)灌區(qū)應(yīng)配備量水設(shè)施或者具有相應(yīng)的配備能力。

(1)大型灌區(qū)。大型灌區(qū)為設(shè)計(jì)灌溉面積不小于2.00 萬hm2的灌區(qū)，考慮到行政區(qū)域內(nèi)數(shù)量有限，可全部選為樣點(diǎn)灌區(qū)，納入測(cè)算范圍。

(2)中型灌區(qū)。中型灌區(qū)可依照設(shè)計(jì)灌溉面積分為3檔，分別為0.07～0.33、0.33～1.00、1.00～2.00 萬hm2灌區(qū)。由于中型灌區(qū)數(shù)量較多，目前尚無條件全部測(cè)算。在各檔中型灌區(qū)中，按照農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)，分別選取樣點(diǎn)灌區(qū)，其數(shù)量與面積不得小于分區(qū)內(nèi)同檔灌區(qū)的30%。另外，各分區(qū)內(nèi)每檔樣點(diǎn)灌區(qū)中應(yīng)包括自流引水和提水2種取水方式，2類灌區(qū)樣點(diǎn)數(shù)量由同分區(qū)同檔中2者總數(shù)量相對(duì)比例決定。

(3)小型灌區(qū)。小型灌區(qū)數(shù)量眾多，分為非純井灌區(qū)和純井灌區(qū)。非純井灌區(qū)又分為自流引水和提水灌區(qū)2類，按照農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)，分別選取樣點(diǎn)灌區(qū)，其數(shù)量與面積不得小于分區(qū)內(nèi)同類型灌區(qū)的5%。純井灌區(qū)應(yīng)采取以單個(gè)機(jī)井所能控制的灌溉面積為獨(dú)立單元進(jìn)行測(cè)算，并根據(jù)土渠、防滲渠道、低壓管灌、微灌、噴灌等灌溉形式，選取樣點(diǎn)灌區(qū)。在每種灌溉形式中，同一作物類型至少選擇2個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，樣點(diǎn)灌區(qū)總面積不得小于純井灌區(qū)總面積的0.5%。

2.3 不同規(guī)模灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量測(cè)算方法

2.3.1 大型灌區(qū)測(cè)算模型

基于大型灌區(qū)全部測(cè)算原則，將行政區(qū)域內(nèi)所有大型灌區(qū)選為樣點(diǎn)灌區(qū)，相應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉用水量為所有大型樣點(diǎn)灌區(qū)用水量之和：

W大型=∑W大型,i

(2)

2.3.2 中型灌區(qū)測(cè)算模型

中型灌區(qū)可分檔、分區(qū)、樣點(diǎn)測(cè)算，農(nóng)業(yè)灌溉用水量為行政區(qū)域內(nèi)各檔位中型灌區(qū)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 萬hm2檔位中型灌區(qū)為例，可采用如下方法計(jì)算得到各檔位中型灌區(qū)用水總量。

此檔位中型灌區(qū)用水量為各農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)內(nèi)所有該檔灌區(qū)用水量之和，單個(gè)分區(qū)用水量由分區(qū)內(nèi)該檔樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)算用水量通過面積加權(quán)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分別為第i個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)范圍內(nèi)所有0.07～0.33 萬hm2檔位中型灌區(qū)用水量、實(shí)灌面積；W中1-5,i,j、A中1-5,i,j分別為對(duì)應(yīng)灌區(qū)第j個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)的用水量、實(shí)灌面積。

2.3.3 小型灌區(qū)測(cè)算模型

小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水總量為行政區(qū)域內(nèi)2類小型灌區(qū)用水量之和。

W小型=W小,非純井+W小,純井

(6)

(1)非純井灌區(qū)用水量計(jì)算。非純井灌區(qū)用水量為2類非純井灌區(qū)用水量相加：

W小，非純井=W小,自流+W小,提水

(7)

2類非純井灌區(qū)用水量測(cè)算方法與各檔中型灌區(qū)的類似，以小型自流引水灌區(qū)為例，計(jì)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分別為第i個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)內(nèi)所有小型自流引水灌區(qū)用水量、實(shí)灌面積；W小,自流,i,j、A小,自流,i,j分別為對(duì)應(yīng)灌區(qū)第j個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)用水量、實(shí)灌面積。

(2)純井灌區(qū)用水量計(jì)算。純井灌區(qū)用水量為以各種灌溉形式(土渠、防滲渠道、低壓管灌、噴灌、微灌等)進(jìn)行灌溉的所有該類灌區(qū)用水量之和，某種灌溉形式對(duì)應(yīng)用水量由對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)算用水量面積加權(quán)獲得：

W小，純井=∑W小，純井,i

(10)

(11)

式中：W小，純井,i、A小，純井,i分別為以第i種灌溉形式進(jìn)行灌溉的所有純井灌區(qū)用水量、實(shí)灌面積；W小，純井,i,j、A小，純井,i,j分別為對(duì)應(yīng)灌區(qū)第j個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)用水量、實(shí)灌面積。

2.4 樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量測(cè)算

樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量為該灌區(qū)所有水源灌溉期引入灌溉渠系的總水量扣除該灌區(qū)水源或灌溉退水給予其他灌區(qū)的補(bǔ)水等重復(fù)利用的灌溉水量；當(dāng)農(nóng)業(yè)灌溉輸水與魚塘補(bǔ)水、畜禽用水及城市、工業(yè)或農(nóng)村生活供水等在灌溉期使用同一渠道(管路)時(shí)，還應(yīng)扣除相應(yīng)的非農(nóng)業(yè)灌溉用水量，即：

W樣點(diǎn)=W引水-W重復(fù)-W非

(12)

式中：W樣點(diǎn)為樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，對(duì)應(yīng)前文中變量W大型,i、W中1-5,i,j、W小,自流,i,j、W小,純井,i,j，萬m3；W引水為灌區(qū)灌溉渠系灌溉期總引水量，萬m3；W重復(fù)為灌區(qū)重復(fù)利用灌溉水量，萬m3；W非為灌區(qū)灌溉渠系灌溉期非農(nóng)業(yè)灌溉用水量，萬m3。

2.4.1 引水量測(cè)算方法

根據(jù)水源組合形式，灌區(qū)分為獨(dú)立水源灌區(qū)和混合水源灌區(qū)。

(1)樣點(diǎn)灌區(qū)為獨(dú)立水源灌區(qū)：可在引水口利用超聲波、量水堰等量水設(shè)備直接量測(cè)得到。

(2)樣點(diǎn)灌區(qū)為混合水源灌區(qū)：利用灌溉骨干水源和小型水庫(kù)、塘壩、水閘、泵站、井等小型水源相結(jié)合的方式聯(lián)合供水，總引水量為灌區(qū)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骨干為灌區(qū)某骨干水源灌溉期引水量，萬m3；w小蓄為灌區(qū)某小型蓄水水源灌溉期引水量，萬m3；w小引為灌區(qū)某小型引水水源灌溉期引水量，萬m3；w小提為灌區(qū)某小型提水水源灌溉期引水量，萬m3。

對(duì)于骨干水源，灌溉期引水量可進(jìn)行直接量測(cè)；而其他小型水源數(shù)量多且分散，可在行政區(qū)域內(nèi)選取典型直接量測(cè)，率定基本參數(shù)值，進(jìn)而應(yīng)用于灌區(qū)所有同類型小型水源引水量計(jì)算中。

小型蓄水水源灌溉期引水量一般采用復(fù)蓄系數(shù)法進(jìn)行測(cè)算，復(fù)蓄系數(shù)λ表示小型水庫(kù)或塘壩等每年灌溉期引入灌溉渠系水量與其有效庫(kù)容的比值，其主要受降雨、產(chǎn)匯流、灌溉用水過程等因素影響。此外，還需考慮徑流的年際、年內(nèi)分配情況影響。即：

w小蓄=λV

(14)

式中：V為有效庫(kù)容，萬m3。

小型引水水源灌溉期引水量可依據(jù)工程的單位面積平均灌溉水量 進(jìn)行估算，其可基于實(shí)際灌溉用水量和灌溉面積得到。該參數(shù)與灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，土壤條件、降雨氣候等的影響亦不可忽視。即：

(15)

式中：A為灌溉面積，hm2。

小型提水水源灌溉期引水量，可采用“電水轉(zhuǎn)換法”[4, 5]進(jìn)行水量測(cè)算，其關(guān)鍵參數(shù)電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K為機(jī)泵流量與機(jī)泵小時(shí)耗電量的比值。該參數(shù)理論值只與提水揚(yáng)程(水源水位)相關(guān)，但實(shí)際還應(yīng)依據(jù)取水口磨損程度、輸水距離等因素進(jìn)行修正。即：

w小提=KD

(16)

式中：D為年度灌溉期總耗電量，kWh。

各類基本參數(shù)的率定方法如下：

小型蓄水水源復(fù)蓄系數(shù)和小型引水水源單位面積平均灌溉水量取值受上述諸多因素影響，不同區(qū)域、不同年份的相應(yīng)計(jì)算參數(shù)亦有所不同。因此，應(yīng)充分考慮其各自影響因素進(jìn)行分區(qū)，在各自分區(qū)中分別布設(shè)一定數(shù)量的典型水源，直接量測(cè)灌溉期引水量，率定各自不同分區(qū)、不同年份的計(jì)算參數(shù)值。

小型提水水源電水轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算首先應(yīng)區(qū)分水源類型，而后分別依據(jù)灌溉期河網(wǎng)水位變化情況(地表水)和地下水埋深(地下水)進(jìn)行分區(qū)，并選取一定數(shù)量的典型提水水源，測(cè)定其出水量和耗電量，最終率定各分區(qū)不同年份的電水轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.4.2 需扣除水量的測(cè)算方法

(1)重復(fù)利用灌溉水量。灌區(qū)水源給予其他灌區(qū)的補(bǔ)水量，可以在分水口直接量測(cè)獲取，并考慮分水口至取水口的相應(yīng)損失量。灌溉退水量，可以運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法[6]，通過觀測(cè)建立灌區(qū)灌溉引水～退水量的回歸關(guān)系式，進(jìn)而基于關(guān)系式推算獲得。

(2)非灌溉用水量。灌區(qū)灌溉期引入灌溉渠系的魚塘補(bǔ)水、畜禽用水及其他行業(yè)的用水量可以根據(jù)《用水總量統(tǒng)計(jì)方案(試行)》中給出的抽樣調(diào)查的方法進(jìn)行測(cè)算。

3 測(cè)算實(shí)例

以青島市2017年農(nóng)業(yè)灌溉用水量測(cè)算為例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年青島市灌區(qū)共17 000 余處，總灌溉面積37.3 萬hm2，實(shí)灌面積28.0 萬hm2。全市大型灌區(qū)2處，實(shí)灌面積2.2 萬hm2；中型灌區(qū)30處，實(shí)灌面積2.8 萬hm2；小型灌區(qū)17 000余處，實(shí)灌面積23 萬hm2。

3.1 選取樣點(diǎn)灌區(qū)

青島市劃分為北部山丘區(qū)(區(qū)一)、中部平原區(qū)(區(qū)二)、東南部濱海山丘區(qū)(區(qū)三)等3個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)。

根據(jù)樣點(diǎn)灌區(qū)選取原則，樣點(diǎn)灌區(qū)選取結(jié)果如下：

(1)大型灌區(qū)2處。全部測(cè)算。

(2)中型灌區(qū)11處。無1.00～2.00 萬hm2檔中型灌區(qū)；0.33～1.00 萬hm2檔選取3處，3個(gè)灌溉分區(qū)各1處；0.07～0.33 萬hm2檔選取8處：區(qū)一1處，區(qū)二3處，區(qū)三4處。

(3)小型灌區(qū)146處。小型自流引水灌區(qū)選取9處：區(qū)一2處，區(qū)二3處，區(qū)三4處；小型提水灌區(qū)選取27處：區(qū)一1處，區(qū)二25處，區(qū)三1處；純井灌區(qū)選取110處：土渠50處，防滲渠道10處，低壓管灌30處，噴灌10處，微灌10處。

3.2 水源量測(cè)

樣點(diǎn)灌區(qū)的水源工程類型大致分為蓄水工程、引水工程、提水工程3類。針對(duì)不同水源工程特點(diǎn)，計(jì)量情況如下。

(1)蓄水工程：主要為水庫(kù)和塘壩。青島市水庫(kù)的灌溉引水干渠設(shè)計(jì)流量均未超過45 m3/s，優(yōu)先利用已有的渠首位置的渠系建筑物進(jìn)行量測(cè)，當(dāng)無渠系建筑物或量水精度達(dá)不到要求時(shí)，可在渠首采用設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)斷面的量水方法。對(duì)于塘壩，平原地區(qū)利用配套的泵站或流動(dòng)機(jī)泵進(jìn)行量測(cè)，山丘區(qū)在引水渠首設(shè)置量水堰進(jìn)行量測(cè)。

(2)引水工程：主要為河湖引水閘(壩、堰)。利用灌區(qū)引水渠渠首分水閘或提水泵站進(jìn)行量測(cè)。

(3)提水工程：主要為河湖泵站、機(jī)電井。利用現(xiàn)有的電表并部分安裝流量計(jì)進(jìn)行量測(cè)。

本次測(cè)算工程中，共對(duì)195處水源工程進(jìn)行了計(jì)量觀測(cè)。

3.3 測(cè)算結(jié)果

經(jīng)過測(cè)算，全市農(nóng)業(yè)灌溉用水量為2.09 億m3，其中大型、中型、小型灌區(qū)用水量分別為791、3 188、16 908 萬m3。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)我國(guó)灌區(qū)數(shù)量多及類型復(fù)雜等特點(diǎn)，本文提出了采用點(diǎn)面結(jié)合、調(diào)查統(tǒng)計(jì)與觀測(cè)分析相結(jié)合的行政區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水總量計(jì)算方法。

(2)該方法制定了樣點(diǎn)灌區(qū)選取原則，并以樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)算結(jié)果為基礎(chǔ)，分別得到了大、中、小型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，對(duì)于不同行政區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水管理調(diào)度具有參考價(jià)值。

(3)本文針對(duì)行政區(qū)域內(nèi)不同類型水源，提出了直接量測(cè)與典型量測(cè)相結(jié)合的方法，并充分考慮降雨、種植結(jié)構(gòu)、水位等因素的影響，使計(jì)算結(jié)果更符合區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水特點(diǎn)。