電水轉換法在地下水開采量計量中的應用
——以河北省滄縣為例

王向飛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北滄州061000）

電水轉換法在地下水開采量計量中的應用
——以河北省滄縣為例

王向飛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北滄州061000）

多年來，農業(yè)灌溉地下水開采量數(shù)據(jù)多為調查統(tǒng)計取得，受人為因素影響其精度較低。為了提高農業(yè)灌溉地下水開采量數(shù)據(jù)的精度，根據(jù)埋深分布測定了不同埋深區(qū)的機井潛水泵電水轉換系數(shù)，依據(jù)機井灌溉耗電量采用電水轉換系數(shù)計算開采量的方法，推算了滄縣2012年農業(yè)灌溉地下水開采量。該方法依據(jù)的基礎數(shù)據(jù)準確可靠，其計算結果具有較高的精度，能夠滿足最嚴格水資源管理制度中總量控制的需要，且易于實際操作。

開采量；耗電量；水電轉換；埋深區(qū)

1 前言

我國水資源的開發(fā)利用以農業(yè)為主，2012年全國農業(yè)用水占總用水量的63.6%，地下水又是北方地區(qū)的重要供水水源，北方省份地下水供水量則占有相當大的比例，其中河北、北京、河南、山西和內蒙古5個省（自治區(qū)、直轄市）地下水供水量占總供水量的一半以上[1]。長期以來，由于種種原因我國農業(yè)用水沒有直接計量，這給水資源的科學管理、配置帶來一定難度。近年來，國內一些學者對區(qū)域用水量監(jiān)控工作開展了一些研究，如“基于遙感的農田灌溉用水量估算和地下水資源可持續(xù)利用方案研究”[2]，主要是利用遙感技術對遙感圖像進行解譯，獲取農業(yè)信息的精確分類結果，利用農業(yè)分類結果進行農業(yè)地下水灌溉需水量的估算。另外，“長江流域用水總量控制探討”[3]、“水資源用水總量控制與定額管理協(xié)調保障技術研究”[4]從不同角度對農業(yè)用水總量和地下水開采量進行了估算，以期解決水資源管理中農業(yè)灌溉用水量的計量問題。總體來看，農業(yè)灌溉地下水開采量因難以直接計量，統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺乏科學性，也是一些科學研究未涉足的原因之一。以河北省滄縣為試驗區(qū)從農業(yè)灌溉抽水井機泵效能即耗電量與抽水量轉化角度推算了全縣農業(yè)灌溉地下水開采量，以期利用機井耗電量達到監(jiān)測農業(yè)地下水開采量的目的。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

河北省滄縣位于河北平原中東部、黑龍港流域下游，處于華北沖積平原向濱海沉積平原過渡地帶。黑龍港流域是河北省糧棉主產區(qū)，該區(qū)地表水資源匱乏，地下水是工農業(yè)生產和生活飲用的主要供水水源。試驗區(qū)滄縣農業(yè)種植作物主要是小麥、玉米和棗樹，地下水資源的開發(fā)利用主要是深層地下水，機井深度在280～800 m，且區(qū)內深井數(shù)量較大，2011年滄縣可利用深機井2 099眼，其中農用井1 476眼，占深井總數(shù)的70%[5]。

2.2 試驗設計

（1）劃分埋深分區(qū)。試驗區(qū)由于多年超采深層地下水，地下水埋深大。同時，因為作物種植結構差異、地下水開采強度高低，不同地域埋深差別也較大，5月低水位期，區(qū)內深層地下水埋深在50～90m，個別點埋深達100m。為使本方法簡便易行、可操作，根據(jù)5月縣內埋深分布將全縣劃分大、中、小3個埋深區(qū)，埋深大于80m的區(qū)域為大埋深區(qū)，埋深在60～80m的區(qū)域為中埋深區(qū)，埋深在50～60m的區(qū)域為小埋深區(qū)。

（2）耗電量、出水量測試。試驗區(qū)內深井口徑30 cm，配套抽水機泵為深井潛水泵，功率多在25～30 kW。2012年3—6月的小麥灌溉期間，在全縣境內不同埋深區(qū)任意選取正在灌溉的抽水井進行機井潛水泵耗電量、出水量測試，小時耗電量由機井配套電表直接讀取，出水量在機井出水口利用多普勒流量計測量。小麥灌溉期間機井連續(xù)抽水，甚至多日不停泵，因此所測數(shù)據(jù)可視為機井潛水電泵在動水位下的耗電量和出水量。

3 結果與分析

全縣對37眼深井進行了出水量、耗電量的測試，測試深井密度平均為41 km2/眼。

式中：K為電水轉換系數(shù)；Q為出水量（m3/h）；d為耗電量（kW·A/h）。

按式（1）計算每眼機井的K值，并按埋深分區(qū)對K進行統(tǒng)計，結果見表1。

表1 滄縣深井電水轉換系數(shù)測試結果

由各埋深分區(qū)的K值和相應埋深區(qū)所有機井總耗電量（D）推算地下水開采量，即地下水開采量為W=K·D，則可得到全縣的月、年農業(yè)灌溉地下水開采量。2012年滄縣農業(yè)灌溉深層地下水開采量，見表2。

表2 2012年滄縣農業(yè)灌溉深層地下水開采量

3.1 深機井電水轉換系數(shù)（K）變化

深井潛水泵的功率與流量、揚程之間的關系為：

式中：N為功率（kW）；Q為流量（m3/h）；η為泵的效率（一般取0.8）；H為揚程（m）。

由此可知，理論上在揚程相同（地下水埋深相同）情況下，深井潛水泵功率與出水量比值是一定值，即揚程一定時無論泵的功率大小，消耗1 kW·h電所抽取水量是相同的，也就是電水轉換系數(shù)是一定值。但實際情況并非如此，受井泵磨損程度、灌溉出水口至井口距離遠近等因素影響，同一埋深（揚程）不同深井潛水泵的電水轉換系數(shù)并不一定相同，甚至差別較大，這也是不同埋深分區(qū)K變化區(qū)間相互交叉的原因。因此，在實際工作中應盡量加大機井測試數(shù)量，提高埋深分區(qū)平均K值的代表性和準確性，以提高開采量數(shù)據(jù)精度。由表1可以看出，大、中、小埋深區(qū)的K值變化區(qū)間雖有交叉，但埋深分區(qū)平均K值呈現(xiàn)較好規(guī)律性，即深井潛水泵消耗1 kW·h電，揚程大（埋深大）時出水量小，揚程小（埋深小）時出水量大，符合能量守恒定律。

3.2 開采量精度分析

由上述分析可知，農業(yè)灌溉地下水開采量的計量精度與機井月年耗電量和電水轉換系數(shù)的精度有關。由于電量需要農戶到供電所購買后方能使用，由供電所專人逐月查抄，即使個別井當月耗電量存有漏查，也會在下月補齊，不會影響到年度總耗電量，只是個別月份之間的差異。因此，機井月年度耗電總量數(shù)據(jù)應是準確的。電水轉化系數(shù)是按埋深分區(qū)計算的，埋深分區(qū)依據(jù)5月地下水埋深劃定，大、中、小埋深區(qū)的邊界區(qū)域在全年地下水動態(tài)變化中由大向中、中向小的轉變，按固定K值計算各月開采量會存在一定誤差，但是農業(yè)用水較為集中，由表2可以看出3—6月的地下水開采量占年開采量的80%，其地下水埋深分布與5月底埋深分布變化不大，因此用測定K值計算3—6月的開采量在精度上沒有問題，誤差主要存在于開采量占總量20%的其他月份，并且僅是埋深分區(qū)邊界區(qū)域因采用不同K值所帶來的計算誤差，由表1平均K值差看其誤差值很小，因此用固定K值計算的年度開采總量，其精度還是很高的。

4 結論

目前農業(yè)灌溉地下水開采量數(shù)據(jù)大多采用調查、估計的方法，精度較差，而電水轉換法依據(jù)機井潛水泵的耗電量和實際測定的電水轉換系數(shù)推算地下水開采量，基礎數(shù)據(jù)扎實可靠，因此計算結果具有較高的精度，能夠滿足最嚴格水資源管理制度中對總量控制的要求，且耗電量和轉換系數(shù)易于取得，該方法簡單且易于操作。

[1]中華人民共和國水利部.2012年中國水資源公報［R］.北京：中華人民共和國水利部，2014．

[2]殷銘.基于遙感的農田灌溉用水量估算和地下水資源可持續(xù)利用方案研究［D］.北京：首都師范大學，2011．

[3]陳進，朱延龍.長江流域用水總量控制探討［J］.中國水利，2011，（5）：42-44．

[4]裴源生，劉建剛.水資源用水總量控制與定額管理協(xié)調保障技術研究［J］.水利水電技術，2009，（3）：8-11．

[5]張志悅，段現(xiàn)輝.平原區(qū)域水資源用水總量監(jiān)測模式研究［R］.滄州：河北省滄州水文局，2013．

TV214；P641.8

B

1004-7328（2014）06-0050-02

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.018

2014-09-10

王向飛（1978-），女，工程師，主要從事水文水資源研究工作。