韋力方，褚麗麗，孟 巖，單 博，尹自文

（1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)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(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的意見》（國辦發(fā)〔2016〕2 號(hào)），提出農(nóng)業(yè)用水要安裝和完善計(jì)量設(shè)施，2021 年水利部印發(fā)《關(guān)于強(qiáng)化取水口取水監(jiān)測(cè)計(jì)量的意見》（水資管〔2021〕188 號(hào)），提出對(duì)農(nóng)用灌溉機(jī)井，具備取水計(jì)量設(shè)施安裝條件的，應(yīng)安裝計(jì)量設(shè)施，暫不具備取水計(jì)量設(shè)施安裝條件的，可采用“以電折水”等方法計(jì)量水量。河北省作為全國乃至世界地下水超采區(qū)最嚴(yán)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(yán)重，針對(duì)用水計(jì)量難的問題，借鑒河北省先進(jìn)做法，也開展了“以電折水”工作，這對(duì)提高農(nóng)業(yè)計(jì)量效率、節(jié)約能源具有重要的意義。

1 “以電折水”計(jì)量背景

1.1 地下水資源嚴(yán)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(jìn)行，地下水為主要取水源，每年灌溉用水量巨大。20 世紀(jì)70 年代松嫩平原的地下水開采量為12.92×108m3/a，隨著經(jīng)濟(jì)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(shì)[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(dá)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(duì)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(huì)建設(shè)、還需要嚴(yán)格進(jìn)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(jì)量設(shè)施技術(shù)局限

目前灌區(qū)用水計(jì)量主要采用傳統(tǒng)的水表計(jì)量，該方式計(jì)量準(zhǔn)確，但抄表記錄等環(huán)節(jié)繁瑣且需要一定的成本，同時(shí)還需要進(jìn)行不定期的維護(hù)以保障水表的正常運(yùn)行。部分計(jì)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(yán)寒，在冬季電子產(chǎn)品容易凍脹損壞，難以實(shí)現(xiàn)長期的水量計(jì)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(jī)電井高達(dá)216.73 萬眼。灌溉機(jī)井具有點(diǎn)多、面廣的特征，且部分機(jī)井由于地下水超采十分嚴(yán)重，已無法出水，或當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)了新的機(jī)井導(dǎo)致原本的機(jī)井閑置，不少機(jī)井已進(jìn)行封井處理，這部分的井利用傳統(tǒng)的計(jì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)難以得到及時(shí)的更新和處理，因此傳統(tǒng)的計(jì)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(jì)量政策形成

為了促進(jìn)水資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)利用，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jì)量設(shè)施不完善，用水量監(jiān)測(cè)是黑龍江省的薄弱環(huán)節(jié)。2016 年國務(wù)院出臺(tái)《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的意見》，明確要求完善用水計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)施，這一政策為后續(xù)進(jìn)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(dá)到利用耗電量計(jì)算用水量的目的，是用水量的間接計(jì)量方法。這種方法需要通過試驗(yàn)來建立一個(gè)科學(xué)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(shí)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(shí)段內(nèi)總出水量，m3；E為水泵同一時(shí)段內(nèi)總耗電量，kw·h。

當(dāng)以電折水系數(shù)能夠確定時(shí)，理論上就可以通過精確監(jiān)測(cè)計(jì)量耗電量來推算用水量。

2.2 以電折水系數(shù)計(jì)算

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

對(duì)于單個(gè)機(jī)井，如已接入在線監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)，就可直接進(jìn)行水量和電量的在線同步監(jiān)測(cè)，對(duì)以電折水系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。對(duì)于范圍內(nèi)的多個(gè)機(jī)井，由于資源的有限性，在每個(gè)機(jī)井上都建設(shè)安裝完備的監(jiān)測(cè)計(jì)量設(shè)施不太可能實(shí)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(jì)算而得。因?yàn)閷?duì)于農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)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(jī)井的以電折水系數(shù)具有一致性，因此可以將典型機(jī)井測(cè)得的以電折水系數(shù)應(yīng)用到同類型農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井取水量的計(jì)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(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)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(fù)雜。為了摸清取水口現(xiàn)狀、加強(qiáng)取用水管理，在2020 年5 月，黑龍江省全面開展了取用水專項(xiàng)整治工作，基本摸清了全省取水口及取水監(jiān)測(cè)計(jì)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(xiàng)整治行動(dòng)問題整改提升工作技術(shù)規(guī)程》等指導(dǎo)性文件，以市、縣為單元對(duì)取用地表水和地下水的所有工程設(shè)施進(jìn)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(gè)問題取水口按照地市進(jìn)行分解整改，4592個(gè)臺(tái)賬登記取水口問題全部完成銷號(hào)，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(xùn)班，進(jìn)行動(dòng)員工作，剖析當(dāng)前水資源管理存在的問題，根據(jù)國家對(duì)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(duì)水資源管理的認(rèn)識(shí)，提高水素養(yǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)解決水問題的能力。

對(duì)于取水口，為方便進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)管理和在線監(jiān)測(cè)，黑龍江省開展了《黑龍江省取水口監(jiān)測(cè)計(jì)量體系建設(shè)實(shí)施方案》的編制工作，提升水源監(jiān)管能力。對(duì)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(jì)量監(jiān)測(cè)建設(shè)，爭(zhēng)取至2023 年取水口在線計(jì)量率達(dá)到100%。

3.2 樣本井布置

由于黑龍江省的機(jī)井?dāng)?shù)量大且分布面積廣，其用水監(jiān)測(cè)困難，如果全部采用水表計(jì)量會(huì)導(dǎo)致工作量大、運(yùn)行管理困難等問題。因此需建設(shè)抽水試驗(yàn)的樣本井，利用“以電折水”的方式進(jìn)行用水計(jì)量。考慮到黑龍江省的灌區(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(huì)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(jìn)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(gè)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(tái)，同時(shí)需建立基礎(chǔ)信息臺(tái)賬，對(duì)相應(yīng)的取水戶資料、取水許可證、計(jì)量設(shè)施型號(hào)、安裝日期等的相關(guān)基礎(chǔ)信息進(jìn)行匯總整理，方便進(jìn)行后續(xù)管理維護(hù)。

在建立樣本井后，還需選擇典型樣本井來進(jìn)行抽水試驗(yàn)，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(jìn)行選擇時(shí)，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(shí)進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

3.3 待開展工作

在進(jìn)行抽水試驗(yàn)后，得到不同條件下的以電折水系數(shù)，但由于樣本井相對(duì)于全部機(jī)井在數(shù)量上占少數(shù)，需要對(duì)其進(jìn)行處理才能匹配眾多機(jī)井的需要，這項(xiàng)工作還需要進(jìn)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(shí)現(xiàn)持續(xù)的用水計(jì)量。對(duì)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(jiǎng)懲體系，通過控制水量開采來控制地下水超采，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于在線監(jiān)測(cè)計(jì)量設(shè)施，需要制定相關(guān)政策和明確責(zé)任人，確保設(shè)施的日常管理維護(hù)，同時(shí)還要建立健全監(jiān)督體系，規(guī)范取用水行為。

這項(xiàng)工作，除了政府牽頭，還要積極宣傳，讓取用水人能夠接受計(jì)量結(jié)果。改革都是一步步進(jìn)行的，眾多取水口不能全部實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量，傳統(tǒng)的抄表計(jì)量應(yīng)用時(shí)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(jìn)行用水計(jì)量的優(yōu)勢(shì)，在用水戶可承受的范圍內(nèi)，推行智慧型現(xiàn)代化計(jì)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(jī)井分布“點(diǎn)多、面廣”的背景下，推行“以電折水”工作是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法，其勢(shì)在必行。借助這項(xiàng)工作的推行，對(duì)典型機(jī)井進(jìn)行實(shí)測(cè)，通過以點(diǎn)帶面的形式推求以電折水系數(shù)，合理確定各個(gè)地區(qū)的以電折水系數(shù)，實(shí)現(xiàn)地區(qū)的用水量計(jì)量，可以作為水資源費(fèi)征收的依據(jù)，對(duì)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(xiàng)政策的實(shí)施，“以電折水”工作能夠穩(wěn)步進(jìn)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(tái)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(duì)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(jìn)行進(jìn)一步的研究。