農田灌溉用水量統計工作中的樣點灌區選取方法研究

沈瑩瑩，陳夢婷，崔 靜，張紹強 ，羅玉峰

(1. 中國灌溉排水發展中心，北京 100054；2. 武漢大學水資源與水電工科科學國家重點實驗室，武漢 430072)

水利部部長鄂竟平提出，下一步水利工作的重心將轉到“水利工程補短板、水利行業強監管”上來，這是當前和今后一個時期水利改革發展的總基調。其中，對水資源的監管，要體現水資源管理“最嚴格”的要求，全面監管水資源的節約、開發、利用、保護、配置、調度等各環節工作。用水總量統計工作作為水資源管理一項重要的基礎工作，不僅反映用水總量控制制度的實施效果，還為水資源規劃、管理、節約與保護等日常工作提供必要的基礎支撐，為我國宏觀水資源戰略提供決策依據。

我國經濟社會用水中，農業用水量占比達到60%以上，是用水總量控制的重點，而農田灌溉用水量占農業用水量的88%左右，及時準確地統計農田灌溉用水量數據，是落實最嚴格水資源管理制度的重要任務。按照2014年水利部下發的《用水總量統計方案(試行)》和目前正在開展試點的《用水統計調查制度》要求，農業灌溉用水量應以灌區為基本單元，采取用水大戶逐一計量統計、一般用水戶抽樣調查、綜合推算區域農業用水量的技術方法進行統計[1]。按照2011年水利普查成果，我國共有設計灌溉面積2 萬hm2及以上的大型灌區456處，設計灌溉面積667～20 000 hm2的中型灌區7 293 處，設計灌溉面積667 hm2以下的小型灌區數百萬處(準確數字無法統計)[2]。按照最新統計數據，2018年我國農業用水總量為3 693.1 億m3，農田灌溉用水量為3 256.7 億m3[3]。其中，大中型灌區農田灌溉用水量占農田灌溉用水量的59.5%，而數量以百萬計的小型灌區灌溉用水量占比僅為40.5%。由于小型灌區數量眾多，水源和工程情況各異，且大部分小型灌區沒有專門的管理機構，計量設施安裝率低[4]，因此，需要對樣點灌區選擇的方法進行深入研究，合理確定樣點灌區數量，既減少用水量統計的工作量，又盡可能地提高用水量統計推算的精度[5]。

1 樣點灌區選取原則和基本要求

1.1 樣點灌區選取原則

代表性：綜合考慮農業灌溉用水戶規模、工程設施情況、水源取水方式(自流引水、提水)、地形地貌、土質類型、種植結構等因素選擇灌溉樣本用水戶。灌溉樣本用水戶應在省級行政區和水資源分區的同類型灌溉用水戶中具有代表性。

可行性：灌溉樣本用水戶應具備一定的量水條件和技術力量，保證統計數據來源可靠。

可持續性：針對灌溉樣本用水戶計量、統計分析過程中存在的問題，適時增加或調整監測站(點)，以保證數據精度[6]。

1.2 樣點灌區選取基本要求

(1)應按照各省用水定額標準文件中的農業灌溉分區進行選取，在每一灌溉分區中選擇在工程設施情況、水源取水方式(自流引水、提水)、地形地貌、土質類型、種植結構等方面有代表性的灌區為樣點灌區，作為農田灌溉用水量統計推算的基礎。

(2)為充分利用已有的基礎資源，樣本用水戶的選取應盡可能與國控、省級行政區監測站(點)和取水許可監督管理等工作相銜接。

(3)應分析現狀灌溉樣本用水戶是否具有代表性、統計數量能否滿足監測計量水量的比例要求，如不滿足要求，應按照上述原則和方法增加或調整樣點灌區。

2 樣點灌區選取方法

2.1 總體要求

設計灌溉面積667 hm2及以上的所有大中型灌區水量均應直接填報，不存在樣點灌區選擇問題。

設計灌溉面積667 hm2以下的小型灌區需按照典型推算的方法進行農業灌溉用水量的填報，故應選取樣點灌區。根據地表水源灌溉和地下水源灌溉(即純井灌區)兩種取水類型，分別選擇有代表性的灌區作為樣點灌區。

2.2 小型樣點灌區選取方法

小型樣點灌區需要根據地表水源和地下水源(純井)兩種取水類型分別選取。純井灌區以單井控制灌溉面積作為一個樣點灌區，單井控制面積一般比較小，灌溉的作物相對單一，灌溉單位面積用水量主要取決于不同節水工程形式和種植的作物、土質類型，因此樣點灌區選取時相對簡單，一般要求每個灌溉分區內不少于3個，但應當保證樣點灌區在灌溉分區內的代表性，即樣點灌區應包括灌溉分區內小型地下水源灌區主要的節水工程形式(渠道防滲、噴灌、滴灌或低壓管道)，不同節水工程形式下的有效灌溉面積應與灌溉分區內小型地下水源灌區總的節水工程現狀相協調，并且樣點灌區的工程設施情況、土壤類型和作物種植結構要在灌溉分區內的同類型灌區中具有代表性。

對于小型地表水源灌區，水源和工程情況更為復雜，樣點灌區的選擇分為“樣點灌區數量初步確定-樣點灌區最低數量要求-樣點灌區數量最終確定”3個階段最終確定，其中“樣點灌區數量初步確定”階段，主要是采用了2018年度農田灌溉水有效利用系數測算的1 614個小型地表水源樣點灌區調查資料，以樣點灌區耕地灌溉單位面積用水量作為調查樣本數據，計算樣本的標準差。

(1)樣點灌區數量初步確定。省級區樣點灌區數量初步確定。以所有小型地表水源灌區為樣本總體，按照提水和自流兩種取水方式進行樣本容量確定。通過確定標準誤差的置信水平和抽樣誤差，并采用2018年度農田灌溉水有效利用系數測算的小型地表水源樣點灌區為調查樣本數據，估算確定樣本的標準差，初步確定各省小型地表水源樣點灌區的數量。

根據統計學原理，耕地灌溉單位面積用水量估計的樣本容量計算公式為[7]：

(1)

式中：z為標準誤差的置信水平，本方案置信度為95%，經查表z=1.96；σ為總體標準差；e為可接受的抽樣誤差，本方案取10%；

采用2018年度農田灌溉水有效利用系數測算的小型地表水源樣點灌區為調查樣本數據，估算確定樣本的標準差，標準差公式為：

(2)

式中：N為調查樣本中小型灌區樣本數；xi為調查樣本中第i個小型地表水源灌區耕地灌溉單位面積用水量，m3/hm2；μ為調查樣本中的平均小型地表水源灌區耕地灌溉單位面積用水量，m3/hm2。

灌溉分區樣點灌區數量初步確定。目前大部分省區都發布了行業用水定額或灌溉用水定額標準，標準中對本省的農業灌溉分區進行了劃分，根據收集整理的相關標準文件，全國共有27個省區(北京、天津、上海、西藏除外)劃分了農業灌溉分區，其中一級灌溉分區132個，二級灌溉分區185個。將通過樣本容量計算初步確定的小型灌區樣點灌區數量按灌溉分區比例分配到各個灌溉分區，得到每個灌溉分區的小型地表樣點灌區初步數量。

(2)樣點灌區最低數量要求。樣點灌區應包括提水和自流引水2種取水方式，每個灌溉分區內每種取水方式的小型地表水源樣點灌區數量不少于5個。應當保證樣點灌區在灌溉分區內的代表性：

不同取水方式的樣點灌區數量和有效灌溉面積應與灌溉分區內同類型灌區有關指標比例相協調，并且樣點灌區的工程設施情況、土壤類型和作物種植結構要在灌溉分區內的同類型灌區中具有代表性。

(3)樣點灌區數量最終確定。將通過樣本容量計算初步確定的小型地表水源灌區樣點灌區數量按比例分配到灌溉分區后，與該灌溉分區內最低樣點數量相比較。如果根據初步確定后的樣點灌區數量少于最低樣點數量，則以最低樣點數量為準；如果高于最低樣點數量，則以初步確定的樣點灌區數量為準。

3 樣點灌區數量確定及分析

3.1 樣點灌區數量確定

省級小型灌區標準差及樣本容量如表1所示，內蒙古、遼寧、黑龍江、浙江和安徽省部分取水方式由于調查數據缺失無法計算標準差故直接以最低數量要求確定最終樣本容量，其余部分省及直轄市由于某種取水方式的灌區數量較少，故不布設該取水方式的樣點灌區。從表中可以看出，根據統計學原理確定初步樣本容量，小型地表水源樣點灌區需布設877個提水樣點灌區和882個自流樣點灌區，部分省及直轄市由于調查數據標準差較小，所需樣點灌區數量少，如甘肅省，自流和提水小型灌區分別僅需4個樣點灌區即可滿足用水量估算的要求，為了確保樣點灌區在灌溉分區的代表性，提高用水量估算的精度，將每個灌溉分區每種取水方式的小型地表水源樣點灌區數量增至5個。最終，全國共需布設2 218個小型地表水源樣點灌區和602個小型地下水源灌區，其中小型地表水源樣點灌區根據取水方式，分別需要布設1 087個小型提水樣點灌區和1 131個小型自流樣點灌區。

表1 省級小型樣點灌區標準差及樣本容量

3.2 樣點灌區與現有基礎對比分析

農田灌溉水有效利用系數測算工作從2006年開始實施，截至2018年，全國共布設樣點灌區3 715個，其中大型灌區441個，中型灌區1 102個，小型地表水源灌區1 614個，小型地下水源灌區(純井灌區)558個。該項工作累計了大量的工作基礎，因此，農田灌溉用水量的統計應與該項工作密切結合，尤其是樣點灌區的選擇方面。

通過上述方法確定，全國按照灌溉分區共需布設2 218個小型地表水源樣點灌區和602個小型地下水源灌區。而2018年度農田灌溉水有效利用系數測算布設的小型地表水源灌區為1 614個、小型地下水源灌區(純井灌區)為558個，現有系數測算樣點灌區暫時不滿足要求。通過對確定的各灌溉分區中樣點灌區數量與現有2018年度農田灌溉水有效利用系數測算布設的樣點灌區進行比較分析，可以發現：

(1)總體來說，確定的各灌溉分區中樣點灌區數量與現有2018年度農田灌溉水有效利用系數測算布設的樣點灌區數量相差不大，現有系數測算樣點灌區只需適當增加和調整即可滿足農田灌溉用水量的統計要求。

(2)與現有樣點灌區相比，需要增加的小型樣點灌區數為648個，其中小型地表水源灌區604個，小型地下水源灌區44個。

(3)在132個灌溉分區中，有94個灌溉分區需要增加小型樣點灌區的數量，38個灌溉分區的現有小型樣 點灌區已達要求。

4 結 語

本研究提出一種農田用水量推算工作中樣點灌區的選取方法，確定了樣點灌區的選取原則、基本要求和選取方法。主要結論有：①設計灌溉面積667 hm2及以上的所有大中型灌區水量直接填報，設計灌溉面積667 hm2以下的小型灌區水量需選取樣點灌區進行推算；②小型灌區根據取水類型分別進行樣點灌區選取，純井灌區根據最低數量要求進行樣點灌區選取，地表水源灌區根據“樣點灌區數量初步確定-樣點灌區最低數量要求-樣點灌區數量最終確定”3個階段最終確定；③根據上述方法，全國按照灌溉分區共需布設2 218個小型地表水源樣點灌區和602個小型地下水源灌區，與現有樣點灌區相比，需要增加的小型樣點灌區數為648個，其中小型地表水源灌區604個，小型地下水源灌區44個。

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