韋力方，褚麗麗，孟 巖，單 博，尹自文

（1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080）

0 引 言

2016 年國務(wù)院辦公廳印發(fā)《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），提出農(nóng)業(yè)用水要安裝和完善計量設(shè)施，2021 年水利部印發(fā)《關(guān)于強化取水口取水監(jiān)測計量的意見》（水資管〔2021〕188 號），提出對農(nóng)用灌溉機井，具備取水計量設(shè)施安裝條件的，應(yīng)安裝計量設(shè)施，暫不具備取水計量設(shè)施安裝條件的，可采用“以電折水”等方法計量水量。河北省作為全國乃至世界地下水超采區(qū)最嚴重的地區(qū)之一，率先開展了“以電折水”工作，破解水資源管理瓶頸。黑龍江省作為中國的糧食大倉庫，每年的用水量大，地下水超采十分嚴重，針對用水計量難的問題，借鑒河北省先進做法，也開展了“以電折水”工作，這對提高農(nóng)業(yè)計量效率、節(jié)約能源具有重要的意義。

1 “以電折水”計量背景

1.1 地下水資源嚴重超采

黑龍江省作為中國的北方糧倉，水資源利用以農(nóng)業(yè)灌溉為主，其中水稻種植區(qū)主要集中在松嫩平原和三江平原，其農(nóng)業(yè)灌溉主要是經(jīng)由取水井進行，地下水為主要取水源，每年灌溉用水量巨大。20 世紀70 年代松嫩平原的地下水開采量為12.92×108m3/a，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，地下水的開采量也越來越大，到2012 年松嫩平原地下水開采量為36.27×108m3/a，地下水開采量形成逐年增長趨勢[1]。以2012 年為例，大慶市地下水開采量為4.1×108m3/a，開采程度達到140%以上。而三江平原多年以來的供水量60%以上來自地下水，其中農(nóng)灌溉用水量占90%以上[2]，地下水開采量也十分巨大，地下水超采問題急需治理。

為了應(yīng)對地下水超采問題，除了要提高水資源承載能力、加快節(jié)水型社會建設(shè)、還需要嚴格進行地下水管理。在地下水管理中，取用水量控制是關(guān)鍵。

1.2 傳統(tǒng)計量設(shè)施技術(shù)局限

目前灌區(qū)用水計量主要采用傳統(tǒng)的水表計量，該方式計量準確，但抄表記錄等環(huán)節(jié)繁瑣且需要一定的成本，同時還需要進行不定期的維護以保障水表的正常運行。部分計量設(shè)施為電子產(chǎn)品，除了需要考慮產(chǎn)品本身正常的更新?lián)Q代外，還要考慮外界因素的影響，如黑龍江省的冬季漫長且十分嚴寒，在冬季電子產(chǎn)品容易凍脹損壞，難以實現(xiàn)長期的水量計量。

黑龍江省第一次水利普查結(jié)果顯示，黑龍江省共有地下水取水井327.26 萬眼，其中用于灌溉和供水的機電井高達216.73 萬眼。灌溉機井具有點多、面廣的特征，且部分機井由于地下水超采十分嚴重，已無法出水，或當?shù)亟ㄔO(shè)了新的機井導致原本的機井閑置，不少機井已進行封井處理，這部分的井利用傳統(tǒng)的計量監(jiān)測技術(shù)難以得到及時的更新和處理，因此傳統(tǒng)的計量設(shè)施技術(shù)存在較大的局限性。

1.3 農(nóng)業(yè)灌溉用水計量政策形成

為了促進水資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)利用，保障社會經(jīng)濟發(fā)展的合理用水需求，開發(fā)利用水資源，要遵循高效利用和總量控制的原則[3]。明確農(nóng)業(yè)用水水量是控制農(nóng)業(yè)用水定量使用的基礎(chǔ)，但由于計量設(shè)施不完善，用水量監(jiān)測是黑龍江省的薄弱環(huán)節(jié)。2016 年國務(wù)院出臺《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革的意見》，明確要求完善用水計量監(jiān)測設(shè)施，這一政策為后續(xù)進行“以電折水工作”打下了基礎(chǔ)。

2 “以電折水”技術(shù)

2.1 “以電折水”原理

“以電折水”方法是建立起灌溉用水量與灌溉耗電量之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，達到利用耗電量計算用水量的目的，是用水量的間接計量方法。這種方法需要通過試驗來建立一個科學的變量系數(shù)，使其能夠在不同的灌溉條件下應(yīng)用。

以電折水系數(shù)定義為一段時間內(nèi)總出水量和總耗電量的比值，即：

式中：C為以電折水系數(shù)，m3/kw·h；Q為水泵某時段內(nèi)總出水量，m3；E為水泵同一時段內(nèi)總耗電量，kw·h。

當以電折水系數(shù)能夠確定時，理論上就可以通過精確監(jiān)測計量耗電量來推算用水量。

2.2 以電折水系數(shù)計算

以電折水系數(shù)主要通過抽水試驗進行確定，即選擇安裝有電量計量設(shè)施的典型機井，在其出水口安裝超聲波式水表、機械式水表等水量計量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)用水量和耗電量同步計量。

對于單個機井，如已接入在線監(jiān)測計量系統(tǒng)，就可直接進行水量和電量的在線同步監(jiān)測，對以電折水系數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。對于范圍內(nèi)的多個機井，由于資源的有限性，在每個機井上都建設(shè)安裝完備的監(jiān)測計量設(shè)施不太可能實現(xiàn)，其以電折水系數(shù)可以由典型樣本井的以電折水系數(shù)計算而得。因為對于農(nóng)業(yè)灌溉機井，水泵的耗電量和抽水量在一定條件下存在穩(wěn)定的比例關(guān)系，且在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，同類型灌溉機井的以電折水系數(shù)具有一致性，因此可以將典型機井測得的以電折水系數(shù)應(yīng)用到同類型農(nóng)業(yè)灌溉機井取水量的計算中[4]。

但以電折水系數(shù)受到多種因素的影響，如水泵特性、地下水埋深、灌溉方式等，在進行抽水試驗時應(yīng)考慮到這些因素的差異性。

3 “以電折水”工作布置

3.1 取用水整治

由于黑龍江省取水口眾多，分布范圍廣，其中不少取水口已經(jīng)廢棄，取用水情況復雜。為了摸清取水口現(xiàn)狀、加強取用水管理，在2020 年5 月，黑龍江省全面開展了取用水專項整治工作，基本摸清了全省取水口及取水監(jiān)測計量現(xiàn)狀，按照“邊登記、邊檢查、邊整改”的工作要求，編制下發(fā)《黑龍江省取用水管理專項整治行動問題整改提升工作技術(shù)規(guī)程》等指導性文件，以市、縣為單元對取用地表水和地下水的所有工程設(shè)施進行全覆蓋排查。截止2021 年6 月底，黑龍江省全面梳理了取水口存在問題，將4592 個問題取水口按照地市進行分解整改，4592個臺賬登記取水口問題全部完成銷號，取用水整治成果突出。

黑龍江省水利廳還組織開展了關(guān)于水資源管理的培訓班，進行動員工作，剖析當前水資源管理存在的問題，根據(jù)國家對水資源管理的新要求解讀下一步工作狀況，提高基層人員對水資源管理的認識，提高水素養(yǎng)，進一步增強解決水問題的能力。

對于取水口，為方便進行運行維護管理和在線監(jiān)測，黑龍江省開展了《黑龍江省取水口監(jiān)測計量體系建設(shè)實施方案》的編制工作，提升水源監(jiān)管能力。對于規(guī)模以上的取水口，即取用地表水年許可水量50 萬m3及以上、地下水年許可水量5 萬m3及以上的非農(nóng)業(yè)取水口，水資源超載區(qū)取用地表水年許可水量10 萬m3及以上、地下水年許可水量1 萬m3及以上的非農(nóng)業(yè)取水口，灌溉面積3333hm2及以上的灌區(qū)，要納入在線計量監(jiān)測建設(shè)，爭取至2023 年取水口在線計量率達到100%。

3.2 樣本井布置

由于黑龍江省的機井數(shù)量大且分布面積廣，其用水監(jiān)測困難，如果全部采用水表計量會導致工作量大、運行管理困難等問題。因此需建設(shè)抽水試驗的樣本井，利用“以電折水”的方式進行用水計量?？紤]到黑龍江省的灌區(qū)主要分布在三江平原和松嫩平原，樣本井主要建設(shè)在三江平原和松嫩平原上會更具代表性。

樣本井的建設(shè)要考慮建設(shè)數(shù)量、行政區(qū)劃、水文地質(zhì)單元等因素。黑龍江省在進行樣本井的選定建設(shè)中，原則上按照每1333hm2的灌溉面積建設(shè)一眼樣本井，再綜合考慮作物種植結(jié)構(gòu)、地質(zhì)單元、行政區(qū)劃、地下水超采程度等情況。2022 年黑龍江已完成全省341 個農(nóng)業(yè)灌溉井“以電折水”樣本井的建設(shè)。樣本井要接入國家水資源監(jiān)控平臺，同時需建立基礎(chǔ)信息臺賬，對相應(yīng)的取水戶資料、取水許可證、計量設(shè)施型號、安裝日期等的相關(guān)基礎(chǔ)信息進行匯總整理，方便進行后續(xù)管理維護。

在建立樣本井后，還需選擇典型樣本井來進行抽水試驗，典型樣本井的選擇直接影響到以電折水系數(shù)的數(shù)值。在進行選擇時，先依據(jù)行政區(qū)劃選擇，在依據(jù)水文地質(zhì)情況等調(diào)整。由于灌區(qū)主要分布在兩大平原上，則典型井多選擇上兩大平原山上。黑龍江省的水文地質(zhì)單元主要為4 種類型：①松散巖類孔隙含水巖組；②碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組；③巖漿巖類裂隙含水巖組；④變質(zhì)巖類裂隙含水巖組。盡量使樣本井覆蓋所有類型的水文地質(zhì)單元，其中在兩大平原上以松散巖類孔隙含水巖組分布最為廣泛，因此典型井建設(shè)也較多。在水稻種植區(qū)和地下水超采區(qū)也盡量多選擇典型井。綜合考慮以上情況，選擇典型井以備作物灌溉期時進行抽水試驗。

3.3 待開展工作

在進行抽水試驗后，得到不同條件下的以電折水系數(shù)，但由于樣本井相對于全部機井在數(shù)量上占少數(shù)，需要對其進行處理才能匹配眾多機井的需要，這項工作還需要進一步的探索。

以電折水工作除了擬定出不同地區(qū)的以電折水系數(shù)外，還需要相關(guān)的制度保障才能實現(xiàn)持續(xù)的用水計量。對于不同的地區(qū)，地下水資源條件不同，在后續(xù)的水資源管理中，需要擬定不同的控制定額和獎懲體系，通過控制水量開采來控制地下水超采，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展。對于在線監(jiān)測計量設(shè)施，需要制定相關(guān)政策和明確責任人，確保設(shè)施的日常管理維護，同時還要建立健全監(jiān)督體系，規(guī)范取用水行為。

這項工作，除了政府牽頭，還要積極宣傳，讓取用水人能夠接受計量結(jié)果。改革都是一步步進行的，眾多取水口不能全部實現(xiàn)精確計量，傳統(tǒng)的抄表計量應(yīng)用時間久，接受程度廣，政府需要發(fā)揮示范引領(lǐng)作用，讓用水戶看到“以電折水”方法進行用水計量的優(yōu)勢，在用水戶可承受的范圍內(nèi)，推行智慧型現(xiàn)代化計量設(shè)施。

4 思考與展望

在黑龍江省平原面積大、灌區(qū)多、機井分布“點多、面廣”的背景下，推行“以電折水”工作是一種經(jīng)濟、有效的方法，其勢在必行。借助這項工作的推行，對典型機井進行實測，通過以點帶面的形式推求以電折水系數(shù)，合理確定各個地區(qū)的以電折水系數(shù)，實現(xiàn)地區(qū)的用水量計量，可以作為水資源費征收的依據(jù)，對地下水超采地區(qū)水量控制和保障水資源稅改革具有重要意義。隨著水資源監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化和各項政策的實施，“以電折水”工作能夠穩(wěn)步進行，取得了黑龍江省水資源基礎(chǔ)設(shè)施薄弱狀況改善、信息平臺建設(shè)等初步成果，但目前還有很多待探索的問題，如還應(yīng)對以電折水系數(shù)的處理與分析、折算用水量數(shù)據(jù)的應(yīng)用等問題進行進一步的研究。