陳彩明，李其峰，陳 欣，王 磊，徐群華

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江省水資源管理中心，杭州 310007；3.浙江省南湖區(qū)水利局，浙江 嘉興 313100)

1 研究背景

農(nóng)業(yè)用水是浙江省經(jīng)濟社會用水的主要組成部分，根據(jù)《浙江省水資源公報2017》，2017年浙江省總用水量179.50 億m3，其中農(nóng)田灌溉用水量71.31 億m3，占總用水量的39.7%，占比最高。由此可見，農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的合理性和準確性對用水總量統(tǒng)計和水資源管理考核工作來說都是至關(guān)重要的。

浙江省灌區(qū)可分為山丘區(qū)自流灌區(qū)、平原河網(wǎng)提水灌區(qū)兩類，山丘區(qū)自流灌區(qū)主要分布在山區(qū)及浙南丘陵盆地地區(qū)，由于降雨多，山丘多，水源就近開發(fā)利用，建成了眾多的水庫、山塘、堰壩，形成了“長藤結(jié)瓜”式的多水源灌溉系統(tǒng)；平原河網(wǎng)提水灌區(qū)主要分布在平原河網(wǎng)地區(qū)，地勢低平，河網(wǎng)密布、相互貫通，灌區(qū)由眾多小型提水泵站組成，一個小型泵站具有獨立的灌溉系統(tǒng)，控制面積不大，相當(dāng)于一個小微型灌區(qū)，因此平原河網(wǎng)提水灌區(qū)是由眾多小微型灌區(qū)組成的較大灌區(qū)。盡管山丘區(qū)自流灌區(qū)、平原河網(wǎng)提水灌區(qū)具有不同的灌溉系統(tǒng)，但在農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計中方法較為單一，尚未因地制宜采取適合各地實際的統(tǒng)計方法。目前常用的農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計方法如下：

(1)水資源公報中的農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計。從1998年開始，浙江省及各地市水資源公報編制工作統(tǒng)計了全省不同類型灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)和種植面積，主要采用定額法統(tǒng)計農(nóng)田灌溉用水量和林牧漁畜用水量。但是水資源公報主要采用典型調(diào)查獲取行業(yè)用水指標定額測算用水總量的方法，大部分地區(qū)典型調(diào)查數(shù)量較少且代表性不強，統(tǒng)計精度有待提高，統(tǒng)計結(jié)果難以復(fù)核[1]。

(2)灌溉水有效利用系數(shù)測算中的毛灌溉用水量統(tǒng)計。從2007年開始，浙江省全省開展了農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算工作，采用以典型實測為主、調(diào)查統(tǒng)計為輔的方法確定樣點灌區(qū)毛灌溉用水量。然而我省灌區(qū)普遍存在水源數(shù)量多、灌溉面積交叉、其他用水混合、水的重復(fù)利用等情況，灌區(qū)規(guī)模越大，灌區(qū)用水情況越復(fù)雜。針對這些灌區(qū)的灌溉水量的研究工作目前還較為薄弱，幾乎不可能對灌區(qū)的所有水源進行實測。基于目前測算實際，為有效開展灌區(qū)用水量測算，適當(dāng)簡化灌區(qū)水量獲取方法，提高實際操作性，為此，在樣點灌區(qū)內(nèi)選取主要的灌溉渠首或水源，并布設(shè)量水設(shè)施，形成典型的“渠首計量點”并開展灌溉用水實測，通過對渠首計量點用水量的分析獲取該灌區(qū)的畝均灌溉用水量，然后將該畝均灌溉用水量推算至全灌區(qū)(“以點帶面”)。這種方法原理清晰易懂，可操作性較強，但是受樣點灌區(qū)數(shù)量少，未考慮灌區(qū)內(nèi)回歸水利用等，農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計方法相對粗放。

(3)用水總量統(tǒng)計工作中的農(nóng)業(yè)用水總量統(tǒng)計。按照2014年水利部《關(guān)于印發(fā)用水總量統(tǒng)計方案的通知》要求，對農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計明確提出了取用水大戶逐一計量統(tǒng)計、一般用水戶抽樣調(diào)查、綜合推算區(qū)域灌溉用水的技術(shù)方法，并要求設(shè)計灌溉面積667 hm2及以上的灌區(qū)全部作為農(nóng)業(yè)用水直接統(tǒng)計對象，安裝合格計量設(shè)施或在線監(jiān)控設(shè)施，通過直接量測統(tǒng)計灌溉用水量[2]。我省從2014年開始開展用水總量統(tǒng)計工作，用水統(tǒng)計工作依托現(xiàn)有的統(tǒng)計體系和思路，以水資源公報編制體系為基礎(chǔ)，特別是農(nóng)業(yè)用水統(tǒng)計緊密結(jié)合農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算工作成果，逐步實現(xiàn)從現(xiàn)有行業(yè)用水統(tǒng)計過渡到以取用水戶對象統(tǒng)計為主的方式轉(zhuǎn)變要求。但是我省灌區(qū)結(jié)構(gòu)以中小型灌區(qū)為主，且大都為多水源灌區(qū)，灌區(qū)內(nèi)部水源工程面廣量大，受水資源監(jiān)控計量設(shè)施建設(shè)資金少及后期運行管理難度大等因素制約，對灌區(qū)水源供水量進行監(jiān)控并直接統(tǒng)計得到農(nóng)業(yè)用水量的方法基本不可行。

針對目前各種統(tǒng)計方法存在的不足，結(jié)合浙江省農(nóng)業(yè)水價綜合改革和浙江省國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目的研究成果，本文提出基于“以電折水”及灌溉回歸水重復(fù)利用的農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計方法，以解決平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計不精確的問題。

2 基于“以電折水”及灌溉回歸水重復(fù)利用的農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計方法的提出

灌溉用水量是指灌區(qū)灌溉面積上要求水源供給的總灌溉水量，其大小及其在年際和年內(nèi)的變化情況與各種作物的灌溉制度、灌溉面積、作物種植結(jié)構(gòu)、土壤、水文地質(zhì)、氣象條件以及渠系輸水和田間灌水的水量損失等因素有關(guān)。我們通常的說的農(nóng)田灌溉用水量是指水源供給農(nóng)田的總灌溉水量，尚未扣除灌溉回歸水的重復(fù)利用量。

2.1 “以電折水”農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計方法的提出

2016年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革的意見》(國辦發(fā)[2016]2號)和浙江省人民政府辦公廳印發(fā)的《浙江省農(nóng)業(yè)水價綜合改革總體實施方案》(浙政辦發(fā)〔2017〕118號)文件中均提出了水利工程供水要安裝和完善計量設(shè)施，推行計量收費，按水量收取水費[3,4]。水利部《關(guān)于開展縣域節(jié)水型社會達標建設(shè)工作的通知》(水資源[2017]184號)要求南方地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水計量水量(指有計量設(shè)施的農(nóng)業(yè)取水口灌溉取水量)占農(nóng)業(yè)灌溉用水量總量的比例大于等于60%[5]。

與山丘區(qū)自流灌區(qū)具有明顯的水源相比，平原河網(wǎng)提水灌區(qū)以河流為取水水源，每個提水泵站即為水源，若想對平原河網(wǎng)提水灌區(qū)進行農(nóng)業(yè)用水計量則需在每個提水泵站安裝計量設(shè)施[6]。

浙江省嘉興市南湖區(qū)灌區(qū)屬平原河網(wǎng)提水灌區(qū)，共有提水泵站1 158 個，如果全部都安裝計量設(shè)施，每套計量設(shè)施按中檔標準8 000 元計算，共需投資927 萬元，費用較大，因此全部安裝計量設(shè)施難以實現(xiàn)，采用“以電折水”測算農(nóng)田灌溉用水量是最佳選擇。

“以電折水”是根據(jù)用電量進行水量換算，其原理是機組功率與流量有關(guān)，當(dāng)河網(wǎng)水位變幅不大時，機組效率可認為不變。因此只要事先通過率定，求得水泵提水量與電量的關(guān)系，即每度電的提水量，以后使用時，只要統(tǒng)計用電量即可。河北省在2017年出臺了相關(guān)文件，明確提出了農(nóng)業(yè)用水采用“以電折水”求得農(nóng)田灌溉用水量[7]。由此可知，通過“以電折水”求得農(nóng)田灌溉用水量是一個有效途徑。

2.2 灌溉回歸水的提出

農(nóng)田灌溉回歸水是指灌溉水由田間、渠道排出或滲入地下并匯集到溝、渠、河道和地下含水層中，成為可重復(fù)利用的水源。其產(chǎn)生的原因主要有以下方面：灌溉渠道的滲漏、退水和跑水；田間滲漏流失的水和稻田的排水；鹽堿地的沖鹽洗堿排水或澇漬地排水。主要是因為灌溉用水具有尺度效應(yīng)，從水資源管理角度和開發(fā)利用角度來看，空間尺度上可分為田間灌溉用水、灌區(qū)灌溉用水和區(qū)域灌溉用水；水源尺度可分為地表水灌溉用水和地下水灌溉用水。在農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)計算中，作為區(qū)域灌溉用水，如果以單一灌區(qū)來說，灌區(qū)渠系和田間產(chǎn)生的滲漏水、退水、跑水屬于灌溉水的損失，但這部分水量在下游可重新被重復(fù)利用作為當(dāng)?shù)氐墓喔人矗虼?，在計算農(nóng)田灌溉用水量時這部分水量理應(yīng)扣除。

3 基于“以電折水”及灌溉回歸水重復(fù)利用的農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計方法的計算過程

3.1 “以電折水” 農(nóng)田灌溉用水量計算

(1)典型泵站的選擇。首先對研究區(qū)的提水泵站按型號、口徑、使用年限進行分類，典型泵站選取以主要型號泵站為主、其他型號泵站兼顧的原則，需涵蓋研究區(qū)各種型號不同口徑的泵站，同時選取時充分考慮新舊程度等工程設(shè)施條件，泵站數(shù)量記為i=(1，2，3…，n)。

(2)率定儀器的選擇。水泵單位時間內(nèi)的出水量即流量，對于能在管道上測試流量的泵站，可采用便攜式超聲波流量計進行測定。便攜式超聲波流量計一般測量的管徑范圍為20～6 000 mm，適用于飲用水、河水、海水、工業(yè)污水、化工流體、燃料油等各種流體，采用外夾式傳感器非接觸的測量方式測量液體流量，沒有活動機械部件，不受系統(tǒng)的壓力和惡劣環(huán)境的影響，測量過程不需破壞管道，不需停產(chǎn)，傳感器不與被測介質(zhì)接觸，無壓損，具有操作簡單、測量精度高(優(yōu)于1%)、一致性好、電池供電時間長等優(yōu)點，目前已成功地應(yīng)用于各行業(yè)的計量工作。

對于無法在管道上測試流量的泵站，參照《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》GB/T21303-2007，采用便攜式流速儀測定。便攜式流速儀一般測量流速范圍0.05～15 m/s，流速測量分辨率1 mm/s，流速測量精度±1.5%，水深使用范圍0～40 m。

(3)率定方法。泵站出水量率定：在傳感器安裝好后，待泵站出水量穩(wěn)定后開始測定流量，每隔5 min讀取一個流量數(shù)值，連續(xù)測定半小時以上取得一系列流量數(shù)據(jù)，取平均值算得常水位下的泵站流量q。

泵站用電量率定：率定的泵站大部分都安裝了三相三線智能電能表，精度為0.01 kWh，泵站單位時間出水量對應(yīng)的用電量采用直接讀取電表同時段耗電量的方法獲取。待泵站出水量穩(wěn)定時，與流量測定同步進行，采用秒表計時，記錄用電量，計算得到單位時間內(nèi)的用電量，即功率W。

泵站單位電量的出水量計算方法：將同一時間段內(nèi)獲得的泵站流量q和用電功率W采用下式進行計算，得到水泵單位電量的出水量。

I=q/w

(1)

式中：I為單位電量的出水量，m3/kWh。

(4)泵站灌溉用電量的獲取。各泵站用電量W可通過所在地供電局獲得。

(5)泵站灌溉用水量計算。在得到典型泵站單位電量出水量、各泵站灌溉用電量的基礎(chǔ)上，可得到泵站灌溉用水量為：

Qi=IiWi

(2)

式中：Qi為第i個泵站的灌溉期用水量，m3；Ii為第i個泵站的單位電量的出水量，m3/kWh；Wi為第i個泵站的用電量，kWh。

(6)農(nóng)田灌溉用水量計算。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉用水總量為各泵站農(nóng)田灌溉用水量之和：

(3)

3.2 基于系統(tǒng)動力學(xué)的灌溉回歸水計算

國內(nèi)外專家學(xué)者研究表明，真實農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)計算的關(guān)鍵在于回歸水在不同尺度上的厘清和重復(fù)利用量的合理計算[8]，因此，對大尺度、大區(qū)域而言，如以灌片尺度進行灌溉水量統(tǒng)計，累加各灌片用水量，得到的灌溉水量遠大于灌區(qū)內(nèi)田間消耗所需的水量，甚至大于灌區(qū)的來水量；但如以灌區(qū)尺度進行灌溉用水量統(tǒng)計，則灌片的灌溉回歸水屬于灌區(qū)內(nèi)水的重復(fù)利用，故而灌區(qū)尺度統(tǒng)計的灌溉水量應(yīng)不含該部分重復(fù)利用量。目前對于灌溉回歸水量的計算沒有一個很好的方法。

系統(tǒng)動力學(xué)主要是通過系統(tǒng)的建立和模擬，探討系統(tǒng)中的問題以及各項決策評估，用來分析研究信息反饋系統(tǒng)，探索如何認識和研究復(fù)雜系統(tǒng)動態(tài)行為運行機制，模擬開放系統(tǒng)特別是復(fù)合的各類復(fù)雜系統(tǒng)。Vensim是基于系統(tǒng)動力學(xué)原理開發(fā)出來的比較成熟的直接面對用戶的軟件。目前已經(jīng)有人利用其進行水資源規(guī)劃、節(jié)水灌溉效益分析等，并取得了不錯的效果。采用系統(tǒng)動力學(xué)方法，用一系列的模擬技術(shù)及系統(tǒng)動力學(xué)工具Vensim來模擬田間水平衡[9]。

在水稻田系統(tǒng)的水文循環(huán)中，以水稻為研究對象，水田某一時段水量平衡方程為：

∑Q來水-∑W用水=∑ΔW土壤儲水

(4)

式中：∑Q來水為來水量之和，mm；∑Q用水為用水量之和，包括田間滲水變化量，mm；ΔW土壤儲水為田間儲水變化量，mm。

P+IR+RΔI-ET-Fd-ΔJ=ΔW土壤儲水

(5)

式中：P為降雨量；IR為灌水量，mm；RΔI為區(qū)域回歸水變化量，mm；ET為作物蒸騰蒸發(fā)量，mm；Fd為深層滲漏量，mm；ΔJ為田間滲水變化量，mm；ΔW土壤儲水為田間儲水變化量，mm。

區(qū)間回歸水變化量：

(6)

則回歸系數(shù)為：

β=∑RΔl/∑W來水

(7)

農(nóng)田灌溉用水量計算：

W=Q(1-β)

(8)

4 實例分析

4.1 “以電折水”農(nóng)田灌溉用水量計算

浙江省嘉興市南湖區(qū)灌區(qū)屬平原河網(wǎng)提水灌區(qū)，共有提水泵站1 158個，采用“以電折水”測算農(nóng)田灌溉用水量，具體步驟如下：

首先對南湖區(qū)的1 158個提水泵站按型號、口徑、使用年限進行分類，典型泵站選取以主要型號泵站為主、其他型號泵站兼顧的原則，基本涵蓋了南湖區(qū)各種型號不同口徑的泵站，同時選取時充分考慮新舊程度等工程設(shè)施條件，本次共選取了9臺泵站作為典型泵站。在選定典型泵站的基礎(chǔ)上，采用便攜式超聲波流量計進行測定。經(jīng)率定，南湖區(qū)各典型泵站率定結(jié)果如下[10]。

表1 南湖區(qū)各典型泵站率定成果

由表1可知，不同泵站單位電量的出水量數(shù)值介于27.79～48.82之間，相差較大，其主要原因泵的類型不同，如朱家浜泵站為自吸泵，長浜泵站為混流泵，盡管兩者額定功率均為15 kW，但是長浜泵站額定流量為792 m3/h，朱家浜泵站額定流量為510 m3/h，其取水能力是有差異，故而由此產(chǎn)生的差異是合理的。

在典型泵站率定的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計2017年度各提水泵站用電量，乘以率定公式，可得到各泵站的提水量，求和累加可得到總提水量。經(jīng)計算，南湖區(qū)2017年度各提水泵站總用電量為492.57 萬kW，“以電折水”得到的農(nóng)田灌溉用水量達到1.628 5 億m3，農(nóng)田灌溉用水量近1.35 萬m3/hm2，遠大于定額值，主要原因是采用“以電折水”的方法未考慮灌溉回歸水的重復(fù)利用，故“以電折水”得到的農(nóng)田灌溉用水量不可直接作為水資源公報或用水總量統(tǒng)計中的農(nóng)田灌溉用水量，需扣除灌溉回歸水。

4.2 基于系統(tǒng)動力學(xué)的灌溉回歸水計算

基于浙江省國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目(2016-2018年)嘉興市長水塘灌區(qū)水循環(huán)模擬與灌溉用水量統(tǒng)計模型研究，嘉興市長水塘灌區(qū)采用系統(tǒng)動力學(xué)工具Vensim來模擬田間水平衡。

長水塘灌區(qū)位于嘉興市，北到乍嘉蘇高速公路，南至蓮花橋港，設(shè)計灌溉面積0.43 萬hm2。長水塘灌區(qū)是杭嘉湖平原地區(qū)一個典型的河網(wǎng)提水型灌區(qū)，灌區(qū)以長水塘河、蓮花橋港和大橫港等河道為主要水源，以濮院港、建設(shè)港、宜橋港、人民橋港等為干渠，通過灌溉泵站提水至灌片。根據(jù)模型研究需要，長水塘灌區(qū)設(shè)置農(nóng)業(yè)用水計量監(jiān)測設(shè)施20處，其中灌溉水源取水口14處，灌溉排水口6處。圍繞長水塘灌區(qū)灌溉用水量統(tǒng)計問題，結(jié)合灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計量監(jiān)測設(shè)施布局和灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水實際，按照灌區(qū)水資源系統(tǒng)概化原則，灌區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)是由水源工程節(jié)點、用水戶節(jié)點、河流、渠系等構(gòu)成，為此長水塘共概化了23個灌片、23個泵站工程節(jié)點、24條供水線路以及23條回歸水線路建立了灌區(qū)水循環(huán)模擬模型，運用系統(tǒng)動力學(xué)分析了灌區(qū)灌溉用水量與其主要影響因素間的定量關(guān)系，根據(jù)模型計算，長水塘灌區(qū)2017年灌溉水回歸系數(shù)為0.34[11]。

鑒于長水塘灌區(qū)的地形地貌、氣候特征、水利工程布局、種植結(jié)構(gòu)、管理方式等在嘉興市轄區(qū)范圍內(nèi)具有很強的代表性，本次研究把長水塘灌區(qū)的回歸系數(shù)成果直接運用于南湖區(qū)的農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計中，則南湖區(qū)農(nóng)田灌溉用水量為1.075 億m3。

5 結(jié)論及建議

(1)采用“以電折水”及系統(tǒng)動力學(xué)法得到的農(nóng)田灌溉用水量既統(tǒng)計了全部用于農(nóng)田灌溉的用水量，又扣除了灌溉重復(fù)利用的回歸水，計算方法較為可靠，可為水資源公報及用水總量統(tǒng)計中農(nóng)田灌溉用水量的上報提供技術(shù)支撐。

(2)采用“以電折水”的方法受典型泵站率定成果及泵站管理水平影響較大。泵站單位電量的出水流量與工程的運行狀態(tài)有相關(guān)關(guān)系，隨著工程運行狀態(tài)的變化，如工程老化等，其參數(shù)相應(yīng)也會變化，因此為保證測算精度，建議定期對典型泵站的單位電量的出水流量進行率定修正。同時泵站的電量不僅受農(nóng)作物需水的影響也受泵站管理人員管理水平的影響，管理水平較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，泵站用電量較為合理；管理水平較差的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，泵站用電量偏大，導(dǎo)致計算得到的用水量偏大，為獲得合理的泵站用電量，建議提高泵站管理人員的管理水平，及時開泵關(guān)泵，按需供水。

(3)采用系統(tǒng)動力學(xué)獲得灌溉水回歸系數(shù)受田埂有效高度、水力傳導(dǎo)度、田塊長度及田埂高度、地面坡度、不同作物種植比例等因素的影響[12]，故其適用范圍有限，非相似灌片不能直接采用其相關(guān)成果，建議深入開展嘉興市長水塘灌區(qū)水循環(huán)模擬與灌溉用水量統(tǒng)計模型研究，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，模擬不同狀況下的灌區(qū)用水情景，從而求得嘉興市五縣兩區(qū)的農(nóng)田灌溉用水回歸系數(shù)，為其水資源公報及用水總量統(tǒng)計中農(nóng)田灌溉用水量的上報提供技術(shù)支撐。