單站還原農(nóng)業(yè)耗水量計(jì)算優(yōu)化

鄭 文，尹偉榮

(湖北省孝感市水文水資源勘測(cè)局，湖北 孝感 432000)

0 引言

本研究旨在優(yōu)化單站還原農(nóng)業(yè)耗水量的計(jì)算?；谵r(nóng)業(yè)耗水量幾乎是單站還原中影響最大的還原分項(xiàng)，其計(jì)算精度與否，直接影響單站天然徑流量的數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)劣。水資源的管理與保護(hù)以流域?yàn)榉治鰡卧茖W(xué)、合理?，F(xiàn)在，水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃、水量分配等分析計(jì)算，是以天然徑流量為基礎(chǔ)[1]。徑流還原計(jì)算，得到的天然徑流數(shù)據(jù)，是流域水資源評(píng)價(jià)的首要環(huán)節(jié)，計(jì)算精度直接影響區(qū)域水資源量評(píng)價(jià)成果的質(zhì)量。目前，天然徑流計(jì)算方法包括分項(xiàng)調(diào)查法、水文模型法、蒸發(fā)差值法、降雨徑流關(guān)系法等[2-4]。其中，分項(xiàng)調(diào)查法是基于水量平衡原理，運(yùn)用實(shí)測(cè)水文氣象數(shù)據(jù)及用水、耗水調(diào)查資料等估算各項(xiàng)還原水量[5-6]，該方法可靠性高，也是湖北省內(nèi)單站還原計(jì)算的常用法。但由于灌區(qū)缺乏完善的計(jì)量設(shè)施，各縣市也未開展全面的農(nóng)田耗水系數(shù)測(cè)算[7-9]工作，因此，農(nóng)業(yè)耗水計(jì)算一直沿用傳統(tǒng)的以站點(diǎn)與行政區(qū)的占比方法進(jìn)行估算。該方法適用資料短缺的局限，一直沿用至今，但其忽略了農(nóng)業(yè)灌區(qū)分布不均勻與灌區(qū)個(gè)體差異等現(xiàn)實(shí)問題，加之行政區(qū)域的調(diào)整，固定占比偏離實(shí)際。隨著用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)的推廣使用，易于獲取更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元，且地理信息系統(tǒng)軟件的發(fā)展及應(yīng)用逐漸成熟，而灌區(qū)一張圖項(xiàng)目的推進(jìn)，為厘清單站流域內(nèi)的灌區(qū)分布情況提供了技術(shù)支撐。下文嘗試應(yīng)用Arcgis軟件，用灌區(qū)一張圖的成果，核對(duì)流域內(nèi)灌區(qū)的分布情況，并調(diào)取用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)中灌區(qū)樣本的用水?dāng)?shù)據(jù)，二者綜合，計(jì)算可得到流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量，把結(jié)果乘以相應(yīng)灌區(qū)在流域內(nèi)的占比及灌區(qū)耗水系數(shù)，累加起來，即為流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)耗水總量。經(jīng)計(jì)算，數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值。

1 實(shí)例分析

為驗(yàn)證效果，選取研究樣本特點(diǎn)：典型性強(qiáng)，流域狀況較為復(fù)雜。近年來，單站還原效果均不太好，亟待優(yōu)化計(jì)算方法，提高單站還原精度。選取的研究區(qū)，基礎(chǔ)條件較好。因?yàn)闅翥夂饔?0%以上的流域范圍在漢川市境內(nèi)，而漢川市用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)及灌區(qū)一張圖[10]基礎(chǔ)資料比較翔實(shí)。

基于此，與以傳統(tǒng)行政單元條件的計(jì)算方法相比，本方法可以提升單站還原精度的影響，使流域范圍內(nèi)的水資源量計(jì)算更科學(xué)。

2 概況

2.1 汈汊湖流域的基本情況

汈汊湖位于江漢平原東部，漢水之濱，是我國(guó)第一個(gè)封閉式湖泊，素有"江漢明珠"之稱，集水面積2340km2。湖區(qū)間為一概化站，綜合了6個(gè)水文流量站點(diǎn)的資料。其中，孝感市轄區(qū)有4個(gè)站：漢川閘、漢川泵站、萬福閘、民樂閘。天門市轄區(qū)有2個(gè)站點(diǎn)：何山閘(閘下)、天門船閘(閘下)。

汈汊湖區(qū)主要湖泊、河道、溝渠、渠網(wǎng)，均設(shè)有輔助代辦觀測(cè)站點(diǎn)，主要觀測(cè)水位、蓄水量變化情況。大中型取、引水口，也設(shè)有輔助調(diào)查站點(diǎn)，收集跨流域引入、引出水量。流域覆蓋漢川市及天門市，其中，漢川市有21個(gè)灌區(qū)在流域范圍內(nèi)。

2.2 基礎(chǔ)資料

2.2.1 軟件

應(yīng)用軟件為Arcgis 10.8。Arcgis產(chǎn)品線為用戶提供一個(gè)可伸縮的，全面的GIS平臺(tái)。Arcgis Desktop由3個(gè)用戶桌面組件組成：ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox。其中，ArcMap是一個(gè)用戶桌面組件，具有強(qiáng)大的地圖制作，空間分析，空間數(shù)據(jù)建庫(kù)等功能，是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所(Environment System Research Institute，ESRI)于1978年開發(fā)的GIS系統(tǒng)。

ArcMap是一個(gè)可用于數(shù)據(jù)輸入、編輯、查詢、分析等功能的應(yīng)用程序，具有基于地圖的所有功能，實(shí)現(xiàn)如地圖制圖、地圖編輯、地圖分析等功能。

可用ArcMap強(qiáng)大的分析功能可直觀的分析、計(jì)算流域范圍內(nèi)灌區(qū)的用水分布情況。

2.2.2 數(shù)據(jù)

(1)GIS圖層：流域的范圍shp文件、行政區(qū)范圍shp文件、灌區(qū)邊界shp文件，條件允許的，可以采用；

(2)用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)：下載灌區(qū)用水量定報(bào)表?？傻顷懥饔蛏婕暗男姓秶馁~號(hào)，下載相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 計(jì)算方法

(1)繪制相交圖。結(jié)合漢川市灌區(qū)一張圖的項(xiàng)目。采用Arcgis軟件，采用相交工具，將汈汊湖站流域圖面圖層shp文件，交灌區(qū)一張圖的面圖層shp文件，輸出流域與灌區(qū)的相交圖。

(2)相交圖塊面積計(jì)算。打開相交圖的屬性表，添加面積字段，點(diǎn)擊字段右鍵，選擇計(jì)算幾何，即可得到相交圖塊的面積。

(3)灌區(qū)面積計(jì)算。將屬性表導(dǎo)出為Excel表格，直接對(duì)信息表透視，得到流域內(nèi)各灌區(qū)的面積。用各灌區(qū)在流域內(nèi)的面積，除以灌區(qū)的總面積，即為灌區(qū)在流域內(nèi)的占比，同時(shí)可得到汈汊湖漢川片區(qū)的灌區(qū)的分布情況。條件允許的，可以按照耕地、園地、林地的類型，統(tǒng)計(jì)分布占比，針對(duì)跨流域的灌區(qū)計(jì)算，結(jié)果會(huì)更為精準(zhǔn)。

(4)農(nóng)業(yè)耗水量。調(diào)取用水統(tǒng)計(jì)中各灌區(qū)的農(nóng)田灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)，乘以各灌區(qū)的農(nóng)田耗水系數(shù)，即為各灌區(qū)的農(nóng)業(yè)耗水量。

(5)灌區(qū)耗水量。針對(duì)灌區(qū)全部在流域范圍內(nèi)的，耗水量的計(jì)算，采取直接累加。針對(duì)部分在流域內(nèi)的灌區(qū)，耗水量的計(jì)算，采取所在流域面積與灌區(qū)總面積的比值，乘以灌區(qū)的耗水量，得到流域內(nèi)灌區(qū)的耗水量。將測(cè)站流域范圍涉及灌區(qū)耗水量累加，得到流域的灌區(qū)耗水量。

繪制灌區(qū)與汈汊湖的流域邊界圖可知，三合垸灌區(qū)、和平垸灌區(qū)、中洲灌區(qū)、二河灌區(qū)、東湖溝灌區(qū)、汈北灌區(qū)、沉湖基地灌區(qū)、養(yǎng)殖場(chǎng)灌區(qū)、孔溝灌區(qū)等9個(gè)中型灌區(qū)，以及汈西灌區(qū)(小型灌區(qū))完全在流域范圍內(nèi)。分水灌區(qū)、龔家灣灌區(qū)、包湖灌區(qū)等3個(gè)中型灌區(qū)，以及神靈灌區(qū)、永豐灌區(qū)、桃花泵站灌區(qū)、兩河垸灌區(qū)等4個(gè)小型灌區(qū)，部分在流域范圍內(nèi)。這21個(gè)灌區(qū)，均錄入用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)的用水量，即為流域內(nèi)灌區(qū)水量(灌區(qū)填報(bào)水量與流域內(nèi)灌區(qū)占比的乘積)累加值。

2.4 結(jié)果比對(duì)

按照傳統(tǒng)的計(jì)算方法，汈汊湖漢川片區(qū)計(jì)算得到的農(nóng)業(yè)耗水量為10052m3，而采用單站還原農(nóng)業(yè)耗水量計(jì)算方法，得到的農(nóng)業(yè)耗水量為14071m3，二者相差4019m3，相差28.56%。由此可見，采用原估算方法，計(jì)算偏差較大。因此，建議優(yōu)化計(jì)算方法。

3 應(yīng)用分析

3.1 單站還原計(jì)算法不足

(1)流域范圍未全覆蓋。由于汈汊湖流域跨天門地區(qū)，而本研究?jī)H取得孝感片區(qū)的灌區(qū)范圍資料，未取得天門片區(qū)的，受限于資料的不完整，只能做部分完善。

(2)灌區(qū)填報(bào)不完整。用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)中，大多數(shù)的縣級(jí)水利局填報(bào)的數(shù)據(jù)基于大中型灌區(qū)季度報(bào)表，而小型灌區(qū)，僅選取了典型灌區(qū)填報(bào)，且以典型灌區(qū)的灌溉定額估算小型灌區(qū)的用水情況。由于缺乏各個(gè)小型灌區(qū)的實(shí)際灌溉面積與灌溉用水量，因此，針對(duì)流域內(nèi)小型灌區(qū)的用水部分，無法做到直接累加。因?yàn)樾姓^(qū)內(nèi)大多數(shù)的農(nóng)業(yè)灌溉用水還是依靠大中型灌區(qū)，流域內(nèi)小型灌區(qū)用水的估算，對(duì)區(qū)域整體耗水量計(jì)算的誤差影響較小。

(3)設(shè)計(jì)面積未完全吻合。用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)灌溉面積，是以全國(guó)大中型名錄庫(kù)中的信息為準(zhǔn)，而灌區(qū)一張圖的灌區(qū)范圍，是參考國(guó)土三調(diào)資料與水利普查等資料，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)勾畫的，二者存在一定的誤差，面積未完全吻合。

(4)填報(bào)數(shù)據(jù)不精確。由于大部分灌區(qū)缺乏計(jì)量設(shè)施，用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)中灌區(qū)用水量的填報(bào)值大多數(shù)是估算值：灌區(qū)的主水源的取用水量大多依據(jù)閘、泵等水利工程的運(yùn)行情況進(jìn)行估算；輔助水源的取用水量憑借作物的結(jié)構(gòu)、天氣情況、塘堰等的蓄水變量等粗略估算。估算值與實(shí)際用水量存在一定差異。

3.2 優(yōu)化途徑

(1)資料共享。用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)與灌區(qū)一張圖，均為水利部推進(jìn)的項(xiàng)目，二者的有機(jī)結(jié)合，可使水利數(shù)據(jù)成果更好地應(yīng)用于水資源管理與服務(wù)。但由于二者隸屬于水利系統(tǒng)的而不同部門，現(xiàn)實(shí)因素，導(dǎo)致當(dāng)前成果無法實(shí)現(xiàn)互通共享。期待共享制度的頂層設(shè)計(jì)與推進(jìn)，逐步完成灌區(qū)一張圖成果的整合。可借鑒湖北省水利工程一張圖，整合成省級(jí)一張圖，既有利于后續(xù)的工程建設(shè)及水利水文計(jì)算應(yīng)用，又可以讓技術(shù)成果更好更多地轉(zhuǎn)化成為生產(chǎn)力，助力智慧水利建設(shè)。

(2)統(tǒng)一不同系統(tǒng)的水利資料。相關(guān)部門之間，多溝通、多交流。按照科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的原則，上報(bào)資料，統(tǒng)一，規(guī)范。針對(duì)各系統(tǒng)的資料統(tǒng)計(jì)口徑不一致的數(shù)據(jù)問題，梳理原因，及時(shí)修正不合理的部分，盡量做到數(shù)據(jù)與資料客觀、真實(shí)、一致，使上報(bào)的數(shù)據(jù)可使用、易使用。

(3)完善計(jì)量設(shè)施，加強(qiáng)人員培訓(xùn)。借助灌區(qū)一張圖項(xiàng)目，針對(duì)水系、水利工程等情況選取合理的計(jì)量設(shè)施布設(shè)點(diǎn)，并按照主次逐步完善計(jì)量設(shè)施的安裝與聯(lián)網(wǎng)。在將自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與用水統(tǒng)計(jì)比對(duì)，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水填報(bào)的數(shù)據(jù)精度。逐步優(yōu)化用水統(tǒng)計(jì)的管理與填報(bào)。鑒于灌區(qū)的填報(bào)人員很多是鄉(xiāng)政府工作人員承擔(dān)，有部分人缺乏專業(yè)的水利知識(shí)，縣級(jí)以上水利部門，可以定期開展用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高填報(bào)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 結(jié)論

研究有效整合了用水統(tǒng)計(jì)灌區(qū)填報(bào)系統(tǒng)及灌區(qū)一張圖成果，并對(duì)單站還原農(nóng)耗水的計(jì)算新方法進(jìn)行初探。借助Arcgis軟件[12]核對(duì)了對(duì)流域內(nèi)灌區(qū)的分布情況，用調(diào)取用水統(tǒng)計(jì)直報(bào)系統(tǒng)各灌區(qū)的取用水量，計(jì)算灌區(qū)的用水，再乘以農(nóng)耗水系數(shù)，得到農(nóng)業(yè)耗水量。將既往按縣域整體與測(cè)站流域面積占比估算轉(zhuǎn)為灌區(qū)樣本統(tǒng)計(jì)，精細(xì)化計(jì)算單元，提升了計(jì)算精度。綜合治理思路的轉(zhuǎn)變，有益于流域科學(xué)用水的分析與梳理，同時(shí)為水行政管理部分優(yōu)化水資源的分析與管理提供參考與借鑒[13]。此外，在方法初探過程中，還對(duì)計(jì)算方法作出優(yōu)化，并對(duì)用水統(tǒng)計(jì)與灌區(qū)一張圖優(yōu)化及融合提出一些思考與建議，希冀對(duì)類似研究有啟發(fā)。