田 龍 蘇海波
(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)
新疆位于亞歐大陸腹地,祖國(guó)的西北邊陲,北靠阿爾泰山,南接昆侖山,天山橫亙中央,上以天山為界,天山以南為南疆、以北為北疆,吐魯番、哈密一帶稱之為東疆。新疆遠(yuǎn)離海洋,四周高山環(huán)抱,特殊的地理和地形地貌因素使新疆形成了典型的干旱氣候,從存量、降水量上來(lái)看新疆都是水資源匱乏的,隨著新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,居民生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)用水需求不斷增大。
地下水因其開(kāi)采便利、成本較低、取用靈活、水質(zhì)較好等特點(diǎn)被大量開(kāi)采,經(jīng)統(tǒng)計(jì),新疆多年平均地下水供水量已經(jīng)占到總供水量的20%,成了保障新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要組成部分。近年來(lái),由于地下水超采而引發(fā)的地下水位持續(xù)下降、湖泊濕地萎縮、泉水流量衰竭、坎兒井流量衰減、草場(chǎng)退化、土地沙化等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,引起了各級(jí)黨委和政府的高度關(guān)注。摸清地下水開(kāi)采量、進(jìn)而合理控制地下水開(kāi)采是水行政主管部門的必要職責(zé),估算地下水開(kāi)采量是當(dāng)前地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不健全背景下的唯一舉措。新疆地域遼闊,涉及的行政單位眾多,短時(shí)間內(nèi)難以完成地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè),然而保護(hù)生態(tài)環(huán)境刻不容緩,需要我們及時(shí)采用必要手段應(yīng)對(duì)實(shí)際情況。本研究主要為在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立前,利用全國(guó)水利普查資料,提出不同區(qū)域單位耗電量取水量指標(biāo),利用實(shí)際用電量初步估算區(qū)域地下水開(kāi)采量,為開(kāi)展地下水監(jiān)督管理提供計(jì)算依據(jù)。
2.1.1 理論計(jì)算法
機(jī)電井的工作原理是以電機(jī)為動(dòng)力,帶動(dòng)水泵,將地下水提取到地面或指定位置。從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看,是將電能轉(zhuǎn)換成重力勢(shì)能。理論計(jì)算公式如下:
(1)
式中:W為水泵的功率,W;S為抽水時(shí)間,s;g為重力加速度,9.8m/s2;h為提水高度,m;ρ為水的密度,m3/kg;V為水泵抽出水的體積,m3。
通過(guò)式(1),在獲得提水高度和電量數(shù)據(jù)的情況下,可以得出理論的提水量,但是實(shí)際情況下提水量不僅與提水高度有關(guān),還和水泵的運(yùn)行效率有關(guān),而水泵的運(yùn)行效率與水泵的型號(hào)、水泵的使用年限等有著密切的聯(lián)系。水泵的運(yùn)行效率在相關(guān)規(guī)范中有要求,但是實(shí)際過(guò)程中影響因素較多,導(dǎo)致各井差異較大,需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得,但是目前并未開(kāi)展全疆范圍的水泵運(yùn)行效率普查工作,效率參數(shù)難以獲得。
2.1.2 單位耗電量取水量法
單位耗電量取水量法相對(duì)簡(jiǎn)單直接,僅需獲取用電量和單位耗電量取水量參數(shù)即可,單位耗電量取水量參數(shù)通過(guò)實(shí)際運(yùn)行可以直接獲得。單位耗電量取水量法計(jì)算公式如下:
M水=PK
(2)
式中:M水為水量,m3;P為抽水用電量,kW·h;K為單位耗電量取水量,m3/(kW·h)。
根據(jù)上述公式,僅需獲得單位耗電量取水量參數(shù)和用電量數(shù)據(jù)即可計(jì)算得出地下水的取水量。
2.1.3 計(jì)算方法的選用
上述兩個(gè)方法均需開(kāi)展相關(guān)機(jī)電井抽水實(shí)驗(yàn),相對(duì)而言單位耗電量取水量法簡(jiǎn)單直接,所需參數(shù)較少,實(shí)際運(yùn)用廣泛,故本次研究選用單位耗電量取水量法進(jìn)行分析。
2011年全國(guó)開(kāi)展了水利普查工作,在對(duì)機(jī)電井的普查過(guò)程中,單位耗電量取水量參數(shù)也作為一項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。截至目前,全疆再未開(kāi)展過(guò)如此全面的普查工作,水利普查數(shù)據(jù)雖然距今時(shí)間較長(zhǎng),但2011年全國(guó)水利普查是由國(guó)家層面組織開(kāi)展的,工作周期長(zhǎng)、投入人員多、標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)統(tǒng)一、專業(yè)性較強(qiáng)、數(shù)據(jù)較為全面,故對(duì)于沒(méi)有地下水監(jiān)測(cè)設(shè)施的地區(qū),仍有一定的參考意義。本次研究收集到新疆14個(gè)地州的水利普查機(jī)電井的單位耗電量取水量的數(shù)據(jù),以此作為本次研究的數(shù)據(jù)源。
2.3.1 數(shù)據(jù)代表性
本次研究共收集到新疆14個(gè)地州92705眼機(jī)電井的數(shù)據(jù),其中有38176眼機(jī)電井開(kāi)展了單位耗電量取水量參數(shù)的測(cè)算,占到了全部機(jī)電井的41%。其中烏魯木齊市開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的機(jī)電井?dāng)?shù)僅占到全部機(jī)電井?dāng)?shù)的3%,代表程度最弱;阿克蘇地區(qū)全部機(jī)電井均開(kāi)展了單位耗電量取水量參數(shù)的測(cè)算實(shí)驗(yàn),代表程度最好;代表程度超過(guò)50%的還有哈密市、喀什地區(qū)、和田地區(qū),其余地區(qū)代表程度較弱。各地州機(jī)電井開(kāi)展單位耗電量取水量實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表1。
表1 新疆各地州機(jī)電井開(kāi)展單位耗電量取水量實(shí)驗(yàn)情況
2.3.2 機(jī)電井單位耗電量取水量指標(biāo)分布情況
對(duì)收集到的開(kāi)展了單位耗電量取水量的機(jī)電井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,研究區(qū)內(nèi)機(jī)電井的單位耗電量取水量參數(shù)范圍在0.2~20.0m3/(kW·h),其中烏魯木齊市、伊犁哈薩克自治州、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)的單位耗電量取水量數(shù)據(jù)相對(duì)集中,其余各地州的單位耗電量取水量數(shù)據(jù)較為分散。東疆、南疆比北疆?dāng)?shù)據(jù)相對(duì)集中。機(jī)電井單位耗電量取水量變化范圍見(jiàn)表2,機(jī)電井單位耗電量取水量頻數(shù)分布見(jiàn)圖1~圖14。
圖1 烏魯木齊市單位耗電量取水量頻數(shù)
圖2 克拉瑪依市單位耗電量取水量頻數(shù)
圖3 吐魯番市單位耗電量取水量頻數(shù)
圖4 哈密市單位耗電量取水量頻數(shù)
圖5 昌吉回族自治州單位耗電量取水量頻數(shù)
圖6 伊犁哈薩克自治州單位耗電量取水量頻數(shù)
圖7 塔城地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)
圖8 阿勒泰地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)
圖9 博爾塔拉蒙古自治州單位耗電量取水量頻數(shù)
圖11 阿克蘇地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)
圖12 克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃輪挝缓碾娏咳∷款l數(shù)
圖13 喀什地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)
圖14 和田地區(qū)單位耗電量取水量頻數(shù)
表2 不同區(qū)域單位耗電量取水量變化范圍
對(duì)各地州的單位耗電量取水量數(shù)據(jù)和頻數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由圖1~圖14可以看出:各地州單位耗電量取水量在2.3~6.4m3/(kW·h),其中吐魯番市最小,為2.3m3/(kW·h),喀什地區(qū)最大,為6.4m3/(kW·h)。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理,得出北疆的單位耗電量取水量為3.4m3/(kW·h),東疆的單位耗電量取水量為2.8m3/(kW·h),南疆的單位耗電量取水量為5.1m3/(kW·h),全疆的單位耗電量取水量為4.4m3/(kW·h)。
表3 各地州單位耗電量取水量變化范圍
根據(jù)上述分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)機(jī)電井的單位耗電量取水量參數(shù)范圍過(guò)大,由于存在代表性的問(wèn)題,會(huì)出現(xiàn)所采用的加權(quán)平均單位耗電量取水量數(shù)據(jù)不能夠反映實(shí)際平均情況。鑒于這種情況,本次研究將結(jié)合區(qū)域地下水埋深情況,選取相應(yīng)典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以期提出能夠反映各區(qū)域單位耗電量取水量平均水平的參考指標(biāo)。
2.4.1 新疆各地區(qū)灌區(qū)淺層地下水埋深主要分布區(qū)域
本次新疆各地區(qū)平原區(qū)淺層地下水埋深主要分布區(qū)域依據(jù)《新疆地下水》中平原區(qū)淺層地下水埋深分布面積成果確定,該成果是根據(jù)1∶100萬(wàn)比例尺水文地質(zhì)調(diào)查、新疆各地區(qū)地下水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃、典型地段水文地質(zhì)勘探以及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料整理而成的,是當(dāng)前經(jīng)過(guò)審查通過(guò)的權(quán)威成果。經(jīng)整理,新疆各地區(qū)灌區(qū)淺層地下水埋深主要分布區(qū)域見(jiàn)表4。
表4 各地州平原區(qū)淺層地下水埋深分布面積統(tǒng)計(jì) 單位:km2
2.4.2 各區(qū)域典型機(jī)電井單位耗電量取水量參數(shù)
根據(jù)平原區(qū)淺層地下水埋深范圍,利用新疆水利普查機(jī)電井的地下水埋深和單位用電量取水量數(shù)據(jù),整理匯總不同地下水埋深范圍的平均單位用電量取水量。經(jīng)整理,各區(qū)域不同地下水埋深單位用電量取水量參數(shù)均值見(jiàn)表5。
表5 各地州不同地下水埋深單位用電量取水量參數(shù)均值統(tǒng)計(jì) 單位:m3/(kW·h)
續(xù)表
2.4.3 優(yōu)化前后單位耗電量取水量參數(shù)對(duì)比
將優(yōu)化前后的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可以看出:全疆的參數(shù)減少了0.9m3/(kW·h),北疆優(yōu)化前后基本一致,東疆較優(yōu)化前略有增加,南疆略有減少。參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比情況見(jiàn)表6。
表6 各地州參數(shù)調(diào)整前后單位用電量取水量統(tǒng)計(jì)
按照行政區(qū)域以及地形地貌特點(diǎn)提出了新疆14個(gè)地州和3個(gè)分區(qū)的單位耗電量取水量指標(biāo),在此基礎(chǔ)上,考慮了不同地下水埋深分布面積對(duì)參數(shù)的影響。分析發(fā)現(xiàn):北疆的克拉瑪依市單位耗電量取水量指標(biāo)最小,為1.3m3/(kW·h),南疆的喀什地區(qū)單位耗電量取水量指標(biāo)最大,為6.6m3/(kW·h),最大的指標(biāo)與最小的指標(biāo)相差了5倍,分析原因主要是喀什地區(qū)機(jī)電井的地下水埋深普遍較克拉瑪依市機(jī)電井的地下水埋深淺,假設(shè)機(jī)電井選取的泵型是合適的、效率是一樣的,結(jié)合計(jì)算方法,單位耗電量取水量與提水高度有關(guān),同樣提取1m3水,喀什地區(qū)所需要做的功就要小于克拉瑪依市,因此喀什地區(qū)的單位耗電量取水量指標(biāo)大于克拉瑪依市的指標(biāo);從區(qū)域上看南疆的指標(biāo)普遍較北疆和東疆大,基本上都在3m3/(kW·h)以上,原因仍與地下水埋深有關(guān);計(jì)算區(qū)域合計(jì)的平均指標(biāo)大于北疆和東疆,主要是因?yàn)槟辖刂蓍_(kāi)展單位耗電量取水量實(shí)驗(yàn)的代表性普遍較高,基本上都超過(guò)了50%,且南疆開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)的機(jī)電井眼數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北疆與東疆機(jī)電井眼數(shù)之和,這就使得合計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)向南疆的指標(biāo)傾斜,這是由于數(shù)據(jù)的代表性造成的。
本次研究借助已有的新疆范圍內(nèi)的單位耗電量取水量數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)整理、匯總、分析,最終提出了新疆14個(gè)地州以及北疆、東疆、南疆、合計(jì)的單位用電量取水量指標(biāo),為今后水行政主管部門初步復(fù)核地下水取水量數(shù)據(jù)提供參考依據(jù),尤其是對(duì)于某些沒(méi)有地下水監(jiān)測(cè)設(shè)施或者監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)薄弱的地區(qū),有一定的參考意義。