呂旺，蘭鳳，梁雪麗，宋平

（1.河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心，河北 石家莊 050061；2.衡水市水務局，河北 衡水 053000）

1 研究背景

水資源管理是世界各國普遍關注的重大問題之一，我國水資源管理理念和實踐也在不斷地完善和創(chuàng)新。占比近62.4%的農業(yè)用水水資源管理問題是水資源高效利用的短板[1，2]。長期以來，國家對農業(yè)用水實行的是緩征水資源費的保護性政策。

2016年3月，中央確定河北省為全國唯一水資源稅改革試點，要求為國家全面開征水資源稅提供可復制、可推廣的經驗和模式，體現(xiàn)了中央用行政和市場“兩只手”解決水資源供需矛盾的新的治水思路，也體現(xiàn)了中央對河北省地下水嚴重超采問題的高度關注[3-5]。河北省農業(yè)水價綜合改革實施以來，對農業(yè)這個用水大戶實行定額管理的理念已經逐步深入人心、得到普遍認可，但對農業(yè)實行用水計量、超定額征費尚未得到真正落實，主要原因有量大、點多、面廣、情況復雜等客觀因素[4，5]。

2017年河北省開展了農業(yè)水資源費改稅工作，如何計量農業(yè)地下水開采量成為亟待解決的難題。有關水資源、農水方面專家經過研究，提出通過利用電力部門統(tǒng)計的農業(yè)耗電量來折算農業(yè)開采地下水量，采用機井水電轉換系數(shù)間接計量農業(yè)年消耗地下水量。實踐證明，這是一種比較經濟高效的方式[6，7]。

2018年河北省水利廳建成農業(yè)灌溉水量統(tǒng)計分析管理信息系統(tǒng)，通過“控總量、提效率、限強度”，利用稅收杠桿抑制高耗水農業(yè)，鼓勵發(fā)展高效節(jié)水農業(yè)，促進農業(yè)種植結構調整。這對于有效解決水資源短缺問題和地下水嚴重超采難題，具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義[5]。

2 研究理論

2.1 前提假設

截至2018年底，河北省節(jié)水灌溉總面積3 594.25 khm2，其中低壓管灌面積（以下簡稱管灌）2 777.92 khm2，占總面積的77.29%。本研究以管灌灌溉形式為基礎。

影響機井水電轉換系數(shù)的因素很多，主要包括水泵自身特性、地下水水位變化、農村電網變化、不同灌溉方式管道壓力、井深、井齡、泵齡等[8，9]。本研究以簡化繁，不考慮太多制約因素，利用黑箱子原理，不考慮中間過程只考慮最終輸出結果。

2.2 設備介紹

2.2.1 手持式超聲波流量計

手持式超聲波流量計是用來測量農用機井實際出水量的設備，安裝在機井井口出水管上，記錄機井單位耗電量的出水量，即機井水電轉換系數(shù)。該設備在工作中發(fā)揮著重要作用，儀器設備能否正確使用直接影響農業(yè)用水量的推算。

其標準配置有主機、中型傳感器、超聲波專用電纜、電源適配器、高強度防護箱、拉緊器、數(shù)據線和超聲波專用耦合劑等。該設備是用來測量封閉管路液體流量的[10，11]，不會破壞原有工程設施，采用附著式傳感器，安裝簡單易于操作。

采用超聲波流量計實測折算系數(shù)時，應選擇“一井一表”，即機井配有單獨電表，方便獲得相應時段的耗電量。待機井出水量穩(wěn)定、接收信號質量達標后讀數(shù)[12]，讀取至少3個時段的用水量及對應的耗電量，分別計算以電折水系數(shù)。若系數(shù)之間相差超過10%，則剔除異常值，將有效折算系數(shù)進行算數(shù)平均，得到該井的實測水電轉換系數(shù)。

2.2.2 機井在線監(jiān)測設備

一套完整的設備包含10個子裝置，即遠程測控終端（RTU）、GPRS通信終端（DTU）、管段式超聲波流量計、多功能電表、壓力計、水位計、防雷系統(tǒng)（包括外部防雷和信號防雷）、防護箱、太陽能供電系統(tǒng)（太陽能、蓄電池、充電保護控制器等）和設備桿等。

設備正常運轉后，實時記錄水泵工作時的出水量和相應的耗電量，并通過遠程測控終端系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C上，實現(xiàn)實時監(jiān)測機井水電轉換系數(shù)。

2.3 研究方法

2.3.1 機井水電轉換系數(shù)原理闡釋

單眼井的水電轉換系數(shù)為相同時段內機泵提水量與耗電量的比值[5，13]，即：

式中：μ為以電折水系數(shù)（m3/kW·h）；Qw為機泵提水量（m3）；E為機泵提水耗能（kW·h）。

2.3.2 多維度機井水電轉換系數(shù)闡釋

（1）理論值系數(shù)。調查登記機井水泵銘牌信息，得到水泵的額定流量、額定功率，從而得到理論水電轉換系數(shù)，理論水電轉換系數(shù)μ1=水泵額定流量÷水泵額定功率。

（2）社會調查系數(shù)。調查管井農戶，了解該井的一些基本信息，如單次灌水畝均灌水量、畝均耗電量、年灌水次數(shù)、每小時畝均耗電量、農業(yè)電價等，可以推算出調查的水電轉換系數(shù)，調查水電轉換系數(shù)μ2=灌溉總用水量÷灌溉總用電量。

（3）實地量測系數(shù)。采用手持式超聲波流量計，實地測量該井的水電轉換系數(shù)，實測水電轉換系數(shù)μ3=累積出水量差值÷累積耗電量差值。

（4）在線監(jiān)測系數(shù)。采用在線計量設備，實時記錄機井出水量及相應的耗電量，實時監(jiān)測該井的水電轉換系數(shù)，在線監(jiān)測水電轉換系數(shù)μ4=出水量÷耗電量。

值得注意的是，灌溉總用水量和灌溉總用電量應為同一時段內數(shù)據。

3 多維度方法分析

將以上4種方法進行了三三組合，在張家口市開展了理論值系數(shù)—社會調查系數(shù)—實地量測系數(shù)測試工作；在石家莊、邢臺、邯鄲、保定、滄州、衡水及辛集市開展了社會調查系數(shù)—實地量測系數(shù)—在線監(jiān)測系數(shù)測試工作。

3.1 理論值—社會調查—實地量測結合分析

隨機選取張家口3個縣（區(qū)）的7眼農用機井，采用理論值系數(shù)、社會調查系數(shù)和實地量測系數(shù)這3種方法進行機井水電轉換系數(shù)測試，測試數(shù)據詳見表1，測試效果對比如圖1所示。

圖1 測試效果對比

表1 3種方法試驗數(shù)據

在同一眼機井上，運用3種方法測試機井水電轉換系數(shù)，從結果來看，得到的系數(shù)差距很小，折線幾乎是重合的，系數(shù)變動趨向是一致的。對這3種方法得到的系數(shù)進行誤差分析，理論值系數(shù)與實地量測系數(shù)平均誤差為9.08%，社會調查系數(shù)與實地量測系數(shù)平均誤差為4.57%，均小于10%。理論值系數(shù)與社會調查系數(shù)存在的誤差大一些，為15.93%，被調查農戶存在很大的主觀性是誤差較大的主要原因。3種方法的平均誤差為6.81%，由此可見3種方法以實地量測數(shù)據為基礎可以相互佐證，誤差分析數(shù)據詳見表2。

表2 3種方法在同一井中的誤差分析

3.2 社會調查—實地量測—在線監(jiān)測結合分析

在無極、辛集、寧晉等12個縣（區(qū)）各安裝了1套機井在線監(jiān)測設備，實時監(jiān)測機井水電轉換系數(shù)，同時在該地區(qū)開展農用機井社會調查系數(shù)和實地量測系數(shù)的工作。同一縣（區(qū)）的多眼機井的社會調查系數(shù)和實地量測系數(shù)分別求算數(shù)平均數(shù)。將這3種方法獲得的系數(shù)進行對比分析，測試數(shù)據詳見表3，測試效果對比如圖2所示。

表3 3種方法試驗數(shù)據

圖2 測試效果對比

在同一個縣（區(qū)），運用以上3種方法，分析機井水電轉換系數(shù)的差異。分析結果表明，社會調查系數(shù)與實地量測系數(shù)差距最小，平均誤差值為4.55%；社會調查系數(shù)與在線監(jiān)測系數(shù)平均誤差最大為18.62%；實地量測系數(shù)與在線監(jiān)測系數(shù)平均誤差為14.74%；3種方法的平均誤差為12.63%。從圖2可以看出，3種方法研究的系數(shù)曲線幾乎重合，驗證了該方法的科學性。

經分析，誤差較大的原因有：①社會調查系數(shù)和實地量測系數(shù)是以區(qū)域為單位收集的數(shù)據，而在線監(jiān)測系數(shù)是以點為單位收集的；②社會調查系數(shù)調查對象是機井情況的知情人，存在一定的主觀性；③農用機井成井質量和運行情況差異性較大。具體情況，詳見表4。

表4 3種方法在同一地區(qū)中的誤差分析

4 結論

（1）采用4種方法進行機井水電系數(shù)折算，最終的結果是趨向一致的。在線監(jiān)測系數(shù)是機井真實水電轉換系數(shù)，由于造價較高，難以大面積推廣，但該方法得到的系數(shù)值可作為該地區(qū)的參考值；水泵理論折算系數(shù)是在最優(yōu)工況條件下的系數(shù)值，現(xiàn)實情況很難保證，其系數(shù)值可以作為參考值。在同一眼機井上，運用社會調查系數(shù)和實地量測系數(shù)的平均誤差為4.57%；在同一地區(qū)運用社會調查系數(shù)和實地量測系數(shù)的平均誤差為4.55%。這2種方法簡單易操作，經濟適用，又不缺乏科學性，值得推廣應用。

（2）具備測量條件的機井可以使用手持式超聲波流量計進行實地量測，取多個機井水電轉換系數(shù)的算數(shù)平均值作為該地區(qū)的系數(shù)；不具備測量條件的可以根據機井調查系數(shù)、水泵理論折算系數(shù)及該地區(qū)機井在線監(jiān)測系數(shù)，綜合考慮確定。