單站還原農業耗水量計算優化

鄭 文，尹偉榮

(湖北省孝感市水文水資源勘測局，湖北 孝感 432000)

0 引言

本研究旨在優化單站還原農業耗水量的計算?；谵r業耗水量幾乎是單站還原中影響最大的還原分項，其計算精度與否，直接影響單站天然徑流量的數據質量優劣。水資源的管理與保護以流域為分析單元更科學、合理?，F在，水資源評價與規劃、水量分配等分析計算，是以天然徑流量為基礎[1]。徑流還原計算，得到的天然徑流數據，是流域水資源評價的首要環節，計算精度直接影響區域水資源量評價成果的質量。目前，天然徑流計算方法包括分項調查法、水文模型法、蒸發差值法、降雨徑流關系法等[2-4]。其中，分項調查法是基于水量平衡原理，運用實測水文氣象數據及用水、耗水調查資料等估算各項還原水量[5-6]，該方法可靠性高，也是湖北省內單站還原計算的常用法。但由于灌區缺乏完善的計量設施，各縣市也未開展全面的農田耗水系數測算[7-9]工作，因此，農業耗水計算一直沿用傳統的以站點與行政區的占比方法進行估算。該方法適用資料短缺的局限，一直沿用至今，但其忽略了農業灌區分布不均勻與灌區個體差異等現實問題，加之行政區域的調整，固定占比偏離實際。隨著用水統計直報系統的推廣使用，易于獲取更精準的數據統計單元，且地理信息系統軟件的發展及應用逐漸成熟，而灌區一張圖項目的推進，為厘清單站流域內的灌區分布情況提供了技術支撐。下文嘗試應用Arcgis軟件，用灌區一張圖的成果，核對流域內灌區的分布情況，并調取用水統計直報系統中灌區樣本的用水數據，二者綜合，計算可得到流域內農業用水量，把結果乘以相應灌區在流域內的占比及灌區耗水系數，累加起來，即為流域內的農業耗水總量。經計算，數據更接近真實值。

1 實例分析

為驗證效果，選取研究樣本特點：典型性強，流域狀況較為復雜。近年來，單站還原效果均不太好，亟待優化計算方法，提高單站還原精度。選取的研究區，基礎條件較好。因為汈汊湖流域80%以上的流域范圍在漢川市境內，而漢川市用水統計直報系統及灌區一張圖[10]基礎資料比較翔實。

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

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，是我國第一個封閉式湖泊，素有"江漢明珠"之稱，集水面積2340km2。湖區間為一概化站，綜合了6個水文流量站點的資料。其中，孝感市轄區有4個站：漢川閘、漢川泵站、萬福閘、民樂閘。天門市轄區有2個站點：何山閘(閘下)、天門船閘(閘下)。

汈汊湖區主要湖泊、河道、溝渠、渠網，均設有輔助代辦觀測站點，主要觀測水位、蓄水量變化情況。大中型取、引水口，也設有輔助調查站點，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個灌區在流域范圍內。

2.2 基礎資料

2.2.1 軟件

應用軟件為Arcgis 10.8。Arcgis產品線為用戶提供一個可伸縮的，全面的GIS平臺。Arcgis Desktop由3個用戶桌面組件組成：ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox。其中，ArcMap是一個用戶桌面組件，具有強大的地圖制作，空間分析，空間數據建庫等功能，是美國環境系統研究所(Environment System Research Institute，ESRI)于1978年開發的GIS系統。

ArcMap是一個可用于數據輸入、編輯、查詢、分析等功能的應用程序，具有基于地圖的所有功能，實現如地圖制圖、地圖編輯、地圖分析等功能。

可用ArcMap強大的分析功能可直觀的分析、計算流域范圍內灌區的用水分布情況。

2.2.2 數據

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

(2)用水統計直報系統：下載灌區用水量定報表?？傻顷懥饔蛏婕暗男姓秶馁~號，下載相關數據。

2.3 計算方法

(1)繪制相交圖。結合漢川市灌區一張圖的項目。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，交灌區一張圖的面圖層shp文件，輸出流域與灌區的相交圖。

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

(3)灌區面積計算。將屬性表導出為Excel表格，直接對信息表透視，得到流域內各灌區的面積。用各灌區在流域內的面積，除以灌區的總面積，即為灌區在流域內的占比，同時可得到汈汊湖漢川片區的灌區的分布情況。條件允許的，可以按照耕地、園地、林地的類型，統計分布占比，針對跨流域的灌區計算，結果會更為精準。

(4)農業耗水量。調取用水統計中各灌區的農田灌溉用水數據，乘以各灌區的農田耗水系數，即為各灌區的農業耗水量。

(5)灌區耗水量。針對灌區全部在流域范圍內的，耗水量的計算，采取直接累加。針對部分在流域內的灌區，耗水量的計算，采取所在流域面積與灌區總面積的比值，乘以灌區的耗水量，得到流域內灌區的耗水量。將測站流域范圍涉及灌區耗水量累加，得到流域的灌區耗水量。

繪制灌區與汈汊湖的流域邊界圖可知，三合垸灌區、和平垸灌區、中洲灌區、二河灌區、東湖溝灌區、汈北灌區、沉湖基地灌區、養殖場灌區、孔溝灌區等9個中型灌區，以及汈西灌區(小型灌區)完全在流域范圍內。分水灌區、龔家灣灌區、包湖灌區等3個中型灌區，以及神靈灌區、永豐灌區、桃花泵站灌區、兩河垸灌區等4個小型灌區，部分在流域范圍內。這21個灌區，均錄入用水統計直報系統，流域內農業的用水量，即為流域內灌區水量(灌區填報水量與流域內灌區占比的乘積)累加值。

2.4 結果比對

按照傳統的計算方法，汈汊湖漢川片區計算得到的農業耗水量為10052m3，而采用單站還原農業耗水量計算方法，得到的農業耗水量為14071m3，二者相差4019m3，相差28.56%。由此可見，采用原估算方法，計算偏差較大。因此，建議優化計算方法。

3 應用分析

3.1 單站還原計算法不足

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

(2)灌區填報不完整。用水統計直報系統中，大多數的縣級水利局填報的數據基于大中型灌區季度報表，而小型灌區，僅選取了典型灌區填報，且以典型灌區的灌溉定額估算小型灌區的用水情況。由于缺乏各個小型灌區的實際灌溉面積與灌溉用水量，因此，針對流域內小型灌區的用水部分，無法做到直接累加。因為行政區內大多數的農業灌溉用水還是依靠大中型灌區，流域內小型灌區用水的估算，對區域整體耗水量計算的誤差影響較小。

(3)設計面積未完全吻合。用水統計直報系統采用的設計灌溉面積，是以全國大中型名錄庫中的信息為準，而灌區一張圖的灌區范圍，是參考國土三調資料與水利普查等資料，并結合地理信息系統勾畫的，二者存在一定的誤差，面積未完全吻合。

(4)填報數據不精確。由于大部分灌區缺乏計量設施，用水統計直報系統中灌區用水量的填報值大多數是估算值：灌區的主水源的取用水量大多依據閘、泵等水利工程的運行情況進行估算；輔助水源的取用水量憑借作物的結構、天氣情況、塘堰等的蓄水變量等粗略估算。估算值與實際用水量存在一定差異。

3.2 優化途徑

(1)資料共享。用水統計直報系統與灌區一張圖，均為水利部推進的項目，二者的有機結合，可使水利數據成果更好地應用于水資源管理與服務。但由于二者隸屬于水利系統的而不同部門，現實因素，導致當前成果無法實現互通共享。期待共享制度的頂層設計與推進，逐步完成灌區一張圖成果的整合?？山梃b湖北省水利工程一張圖，整合成省級一張圖，既有利于后續的工程建設及水利水文計算應用，又可以讓技術成果更好更多地轉化成為生產力，助力智慧水利建設。

(2)統一不同系統的水利資料。相關部門之間，多溝通、多交流。按照科學嚴謹、實事求是的原則，上報資料，統一，規范。針對各系統的資料統計口徑不一致的數據問題，梳理原因，及時修正不合理的部分，盡量做到數據與資料客觀、真實、一致，使上報的數據可使用、易使用。

(3)完善計量設施，加強人員培訓。借助灌區一張圖項目，針對水系、水利工程等情況選取合理的計量設施布設點，并按照主次逐步完善計量設施的安裝與聯網。在將自動監測數據與用水統計比對，提高農業灌溉用水填報的數據精度。逐步優化用水統計的管理與填報。鑒于灌區的填報人員很多是鄉政府工作人員承擔，有部分人缺乏專業的水利知識，縣級以上水利部門，可以定期開展用水統計直報系統的業務培訓，提高填報數據質量。

4 結論

研究有效整合了用水統計灌區填報系統及灌區一張圖成果，并對單站還原農耗水的計算新方法進行初探。借助Arcgis軟件[12]核對了對流域內灌區的分布情況，用調取用水統計直報系統各灌區的取用水量，計算灌區的用水，再乘以農耗水系數，得到農業耗水量。將既往按縣域整體與測站流域面積占比估算轉為灌區樣本統計，精細化計算單元，提升了計算精度。綜合治理思路的轉變，有益于流域科學用水的分析與梳理，同時為水行政管理部分優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，還對計算方法作出優化，并對用水統計與灌區一張圖優化及融合提出一些思考與建議，希冀對類似研究有啟發。