以電折水系數(shù)影響因素探析
——以不同灌溉方式為例

梁雪麗，呂 旺，蘭 鳳

（河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，河北 石家莊 050061）

1 以電折水方法提出背景

從2016年7月1日起，我國(guó)全面推進(jìn)資源稅改革，水利部率先在河北省開展水資源稅改革試點(diǎn)工作，采取水資源費(fèi)改稅方式，將地表水和地下水納入征稅范圍，實(shí)行從量定額計(jì)征。

河北省水利廳、河北省財(cái)政廳、河北省物價(jià)局印發(fā)的《農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革及獎(jiǎng)補(bǔ)辦法（試行）》提出未安裝計(jì)量設(shè)施的農(nóng)用機(jī)井采用以電折水的方法計(jì)收供水費(fèi)。

2 以電折水方法原理

所謂的“以電折水”是通過(guò)計(jì)量機(jī)井水泵灌溉的用電量乘以以電折水系數(shù)來(lái)推算灌溉用水總量的一種方法。以電折水系數(shù)一般是指在相同時(shí)段內(nèi)水泵提水量與耗電量的比值，其計(jì)算公式為：

式中：μ為以電折水系數(shù)；Qw為灌溉總用水量（m3）；E為灌溉總耗電量（kW·h）。當(dāng)μ一定時(shí)，理論上通過(guò)精確計(jì)量水泵的總用電量E，即可得出灌溉的總用水量Qw。

3 以電折水系數(shù)的影響因素及分析

在實(shí)際工作中，以電折水系數(shù)的大小受很多因素影響，主要有水泵泵型及使用年限、地下水位埋深、動(dòng)靜水位差、電力狀況、灌溉方式、機(jī)井狀況及成井年限等。

目前，河北省農(nóng)業(yè)灌溉中絕大部分使用的是潛水泵。水泵的基本特性主要有流量、揚(yáng)程、功率、工作效率、泵轉(zhuǎn)速等。不同水泵廠家生產(chǎn)的葉輪的彎曲度和扭曲度不同，流量功率特性曲線也不同，對(duì)應(yīng)的水泵工作效率就不同，一般是60%～85%。在耗電量一定的情況下，水泵工作效率高，對(duì)應(yīng)提水量就大；水泵工作效率低，對(duì)應(yīng)提水量就小。同一型號(hào)水泵，使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，機(jī)械磨損產(chǎn)生的漏失和阻力增大，容積效率和機(jī)械效率降低，耗能相同時(shí)提水量也會(huì)減少，經(jīng)分析可知水泵本身的特性及性能是以電折水系數(shù)的直接影響因素。

因?yàn)? kW=102 kg·m/s，所以1 kW·h電在理想狀態(tài)下理論做功數(shù)量為102×3 600 kg·m=367.2 t·m。這就是說(shuō)機(jī)泵綜合效率為100%時(shí)，1 kW·h電可將367.2 m3的水提升1 m的高度。在功率一定的情況下，由動(dòng)能定理知P=F×V，即W=F×S。單位時(shí)間水泵耗能量是水流量的重力與該水量位移的乘積。由此可以看出，耗能一定的情況下，揚(yáng)程與流量呈反比關(guān)系，即水位埋深大或者動(dòng)靜水位相差大時(shí)揚(yáng)程增大，對(duì)應(yīng)水泵提水量就小。不同區(qū)域、不同機(jī)井所在位置地下水位一般是不同的，另外，即便是同一眼機(jī)井，由于季節(jié)不同，地下水位也是變化的。所以，以電折水系數(shù)大小隨著地下水位線的變化而變化，水位下降，提相同的水量耗能就多，以電折水系數(shù)就會(huì)變小，反之以電折水系數(shù)就會(huì)變大。基于此，地下水位埋深是影響以電折水系數(shù)大小因素之一。

當(dāng)電力條件好、電壓穩(wěn)定時(shí)，水泵在高效區(qū)運(yùn)行，其工作效率高，單位耗能提水量就大；當(dāng)電壓不穩(wěn)定特別是灌溉高峰期時(shí)，農(nóng)村機(jī)井電壓低，此時(shí)很難保證水泵在高效區(qū)運(yùn)行，其工作效率下降，單位耗能提水量就較小。因此，農(nóng)村電網(wǎng)的變化對(duì)以電折水系數(shù)的影響也是不可忽略的。

土壟溝、管灌、噴灌等不同灌溉方式下灌溉系統(tǒng)壓力不同，水泵工作環(huán)境也不同。其中，土壟溝灌溉水泵出水口阻力小，相同條件下單位耗能提水量大；噴灌灌溉系統(tǒng)壓力大，水泵出水口阻力大，相同條件下單位耗能提水量小。因此，不同灌溉方式對(duì)以電折水系數(shù)的大小也是有影響的。

4 不同灌溉方式下以電折水系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

為驗(yàn)證對(duì)以電折水系數(shù)影響因素分析的合理性，針對(duì)不同灌溉方式因素進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)系數(shù)對(duì)比觀測(cè)，試驗(yàn)設(shè)備采用手持式超聲波流量計(jì)。為使試驗(yàn)條件還原實(shí)際水平，選取農(nóng)戶平時(shí)使用的灌溉機(jī)井，由于實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)井水泵影響因素比較多且不好完全控制，為保證觀測(cè)試驗(yàn)的可靠性，觀測(cè)試驗(yàn)要在同一區(qū)域同一時(shí)期進(jìn)行，確保地下水位埋深及農(nóng)村電網(wǎng)穩(wěn)定狀況相當(dāng)，且觀測(cè)機(jī)井水泵為同一廠家產(chǎn)品，以使水泵自身特性間的差異降到最低。

在試驗(yàn)設(shè)定的條件內(nèi)，隨機(jī)選取了邢臺(tái)市南和縣域內(nèi)灌溉水源情況、電力狀況及機(jī)電設(shè)備條件基本一致但灌溉方式不同的3眼農(nóng)用機(jī)井，對(duì)所選的機(jī)井進(jìn)行信息采集，采集內(nèi)容包括：①基本信息，如地理位置、坐標(biāo)、主要使用人和設(shè)備管理人的姓名和聯(lián)系方式；②機(jī)井信息，如井深、開采層位、井型、靜水位、動(dòng)水位；③灌溉信息，如灌溉形式、控制面積、主要作物等；④機(jī)電設(shè)備信息，如水泵型號(hào)（功率、揚(yáng)程、流量）、泵齡、下泵深度等，具體采集信息見(jiàn)表1—3。

表1 基本信息

表2 機(jī)井信息及灌溉信息

表3 機(jī)電設(shè)備信息

由信息采集表可知，所選機(jī)井分布在南和縣內(nèi)，屬于同一區(qū)域，機(jī)井成井情況基本相同，動(dòng)靜水位水平相當(dāng)，水泵基本參數(shù)一致（噴灌水泵除外），觀測(cè)中可認(rèn)為除灌溉方式外，其他影響以電折水系數(shù)的因素水平相當(dāng)。

在觀測(cè)機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)采集期間，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，每個(gè)觀測(cè)機(jī)井至少觀測(cè)3個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段不少于3 min，且保證3個(gè)時(shí)段所采集的信息是在誤差范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。觀測(cè)期間灌溉用水量電量信息，見(jiàn)表4。

表4 灌溉用水量電量信息

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)及以電折水方法原理，可以得出3種灌溉方式的以電折水系數(shù)值，如圖1所示。

圖1 不同灌溉方式以電折水系數(shù)值

通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在灌溉水源、電力、機(jī)電設(shè)備條件基本一致的情況下，不同灌溉方式的以電折水系數(shù)的大小差異顯著，噴灌系數(shù)最小，管灌次之，土壟溝灌溉最大。由此可見(jiàn)，以電折水系數(shù)大小與灌溉系統(tǒng)壓力呈負(fù)相關(guān)。

5 建議

不同灌溉方式對(duì)以電折水系數(shù)的影響顯著，建議對(duì)于噴灌、微灌等高壓節(jié)水灌溉工程在以電折水計(jì)量水資源稅征收過(guò)程中適當(dāng)降低稅收標(biāo)準(zhǔn)，以鼓勵(lì)節(jié)水農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展。

灌溉方式、水泵特性、機(jī)井位置、地下水位埋深、農(nóng)用電力狀況等對(duì)以電折水系數(shù)的影響都很大。采用一次觀測(cè)綜合平均以電折水系數(shù)值來(lái)代替每眼機(jī)井不同時(shí)期的系數(shù)，對(duì)用水量的計(jì)量誤差相對(duì)比較大，由于涉及農(nóng)戶的切身利益，很難讓農(nóng)戶接受。隨著農(nóng)業(yè)灌溉水資源費(fèi)改稅的不斷推進(jìn)，建議在初期可化繁為簡(jiǎn)，采用縣域綜合平均以電折水系數(shù)計(jì)征水量；中后期采用動(dòng)態(tài)機(jī)制，在不同灌溉季節(jié)進(jìn)行分時(shí)加密觀測(cè)，盡可能準(zhǔn)確折算灌溉用水量，從面到點(diǎn)，逐步掌握某一區(qū)域以電折水系數(shù)的變化規(guī)律；最終根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，不斷修正以電折水系數(shù)，研發(fā)針對(duì)每眼機(jī)井的專屬以電折水系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整精準(zhǔn)實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水量的精準(zhǔn)折算計(jì)量，確保農(nóng)業(yè)水資源費(fèi)改稅試點(diǎn)工作的順利完成。