小型灌溉泵站以時計水和以電計水計量方法研究

陳 丹 張 娣 湯樹海 張 建 曹建鄴

(1. 河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 南京 210098； 2. 淮安市漣水縣水利科學(xué)研究站， 江蘇 淮安 223400； 3. 江蘇省淮安市洪澤區(qū)水利局， 江蘇 淮安 223100； 4. 江蘇省淮安市洪金灌區(qū)管理處， 江蘇 淮安 223005)

水價政策作為水資源管理的重要手段，在促進(jìn)節(jié)約用水、調(diào)節(jié)水需求和優(yōu)化水資源配置等方面具有其它機(jī)制所不能替代的功能[1-2]．農(nóng)業(yè)水價綜合改革事關(guān)農(nóng)業(yè)、農(nóng)村發(fā)展和農(nóng)民利益及水利行業(yè)的發(fā)展，是當(dāng)前我國重點推進(jìn)的重大改革事項[3]．國務(wù)院公布自2016年7月1日起施行的《農(nóng)田水利條例》明確提出，“農(nóng)田灌溉用水應(yīng)當(dāng)合理確定水價，實行有償使用、計量收費(fèi)．”2016年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革的意見》(國辦發(fā)[2016]2號)和江蘇省人民政府辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革的實施意見》(蘇政辦發(fā)[2016]56號)文件中均提出了要完善供水計量設(shè)施，推行計量收費(fèi)，實行農(nóng)業(yè)用水總量控制和定額管理．江蘇省水利廳在2017年全省農(nóng)業(yè)水價綜合改革培訓(xùn)會上還明確提出“要以小型提水灌區(qū)為重點，實行計量設(shè)施多元化，年底前全省小型灌溉泵站計量設(shè)施配套率達(dá)到40%以上，3年內(nèi)全面配套到位，是必須完成的硬任務(wù)．”由此可見，對農(nóng)業(yè)灌溉用水計量(尤其是小型灌溉泵站計量)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)水價綜合改革的重要任務(wù)．

目前關(guān)于農(nóng)業(yè)灌溉用水的計量方法，有采用特設(shè)量水設(shè)備或方法進(jìn)行直接計量，有利用原有的水工建筑物進(jìn)行量水，或者利用用水定額推算、泵站用電量等數(shù)據(jù)間接估算．不同的量水方法各有優(yōu)缺點和適用性[4-8]．從現(xiàn)有農(nóng)業(yè)水價綜合改革試點區(qū)小型灌溉泵站計量方法來看，多采用電磁流量計、超聲波流量計等儀器或儀表自動計量，其具有量測直觀、精度高、計量簡便等優(yōu)點，但單臺計量設(shè)備成本少則幾千、多則幾萬元，而平原地區(qū)小型提水灌溉泵站較多則需要配備的數(shù)量也較大，量水設(shè)施的高昂經(jīng)濟(jì)成本成為了制約其推廣應(yīng)用的重要因素．

灌溉泵站的出水流量過程及出水量一般受水泵自身特性、揚(yáng)程、進(jìn)出水池水位、渠道或管道形式及尺寸、泵站工作年限、農(nóng)村電網(wǎng)等多種因素的綜合影響，若不采用專業(yè)的儀器設(shè)備實時測量是很難直接精確地計算每次提水水量的．不過，理論上同一臺泵站、在運(yùn)行工況相近的情況下，泵站的出水量與運(yùn)行時間、用電量存在一定的相關(guān)關(guān)系，于是可以通過“計時”或“計電”的方法換算出水量，這樣的計量方法相對經(jīng)濟(jì)、簡便，易于推廣應(yīng)用．江蘇省南通市部分電灌站的實測表明，流量功率比與水泵規(guī)格無明顯關(guān)系；在揚(yáng)程變化幅度不大的情況下，揚(yáng)程對流量功率比的影響很??；流量功率比與裝置效率關(guān)系密切，隨裝置效率的提高而顯著增大；通過電量折算泵站出水量的方法具有可行性[9]．江蘇省淮安市漣水縣20臺典型灌溉泵站提水的現(xiàn)場測試結(jié)果也表明，在滿足正常灌溉、運(yùn)行工況相近的情況下，每臺泵站的“單位時間的出水量”、“單位用電的出水量”參數(shù)的現(xiàn)場測試結(jié)果相對穩(wěn)定，因此可以通過“計時”或“計電”分別乘以“單位時間的出水量”或“單位用電的出水量”就可以估算每次提水灌溉的泵站出水量，這種方法能滿足農(nóng)業(yè)水價綜合改革試點灌溉泵站計量的需求．

本文基于泵站提水現(xiàn)場的實測提出“以時計水”或“以電計水”的灌溉泵站計量方法．在對小型灌溉泵站進(jìn)行現(xiàn)場測量時，在正常灌溉情況下，出水池水位上升與下降過程短暫，且在泵站平穩(wěn)運(yùn)行時變化不大，對長時間出水的流量過程影響很??；出水池后防滲渠一般都是呈規(guī)則形狀(梯形、矩形或U型)，泵站出水過程中的渠道水位一般處于變化不大的正常水位范圍．因此，可以通過現(xiàn)場測試擬定該泵站的“單位時間的出水量”參數(shù)，若該泵站配有獨(dú)立的電表，則可以通過讀取用電量再換算出“單位用電的出水量”參數(shù)．通過現(xiàn)場測試率定“單位時間的出水量”或“單位用電的出水量”參數(shù)后，記錄每次灌溉提水的泵站運(yùn)行時間或泵站運(yùn)行過程所消耗電量，即可以估算出每次灌溉提水的出水量，從而實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)供水的計量．

1 基本參數(shù)與原理

1.1 基本參數(shù)

“以時計水”或“以電計水”灌溉泵站計量方法所涉及的主要參數(shù)包括流速、流量、出水量、渠道水深、過水?dāng)嗝婷娣e等，其中重要參數(shù)為“以時計水”參數(shù)(“單位時間的出水量”)和“以電計水”參數(shù)(“單位用電的出水量”)．具體如下：流速(v)：液體(水體)在單位時間內(nèi)的位移，單位一般為米每秒(m/s)；流量(q)：單位時間內(nèi)流經(jīng)明渠過水?dāng)嗝娴乃w體積，單位一般為立方米每秒(m3/s)；出水量(Q)：一定時間內(nèi)泵站出水量或泵站出水池后流經(jīng)明渠過水?dāng)嗝娴乃w體積，單位一般為立方米(m3)；渠道水深(h)：渠道過水?dāng)嗝嫠嬷燎字g的距離，單位一般為米(m)；過水?dāng)嗝婷娣e(A)：某一時刻的水面線與渠道底線包圍的面積，單位一般為平方米(m2)．“以時計水”參數(shù)(“單位時間的出水量”)：水泵正常運(yùn)行狀況下平均單位時間的出水水量，單位一般為立方米每秒(m3/s)；“以電計水”參數(shù)(“單位用電的出水量”)：水泵正常運(yùn)行狀況下平均消耗單位電量的出水水量，單位一般為立方米每千瓦時[m3/(kW·h)]．

1.2 測算原理

理論上來說，灌溉泵站在單位時間的出水量不完全相同，主要因素包括流量、揚(yáng)程、效率等．不過，對于同一臺泵站，在這些因素變化不大的情況下，通過多次實測“以時計水”參數(shù)和“以電計水”參數(shù)可以用來估算泵站的出水量．

“以時計水”方法估算泵站出水量的原理：

Q=q×t(1)

式中，Q為泵站出水量(m3)；q為單位時間過水?dāng)嗝嫫骄髁?m3/s)；t為泵站運(yùn)行時間(s)．其中

q=v×A(2)

式中，v為觀測渠道斷面水流穩(wěn)定后的平均流速(m/s)；A為過水?dāng)嗝婷娣e(m2)．

“以電計水”方法估算泵站出水量的原理：

K=Q/E(3)

式中，K為泵站的“以電計水”參數(shù)[m3/(kW·h)]；E為泵站運(yùn)行過程所消耗的電量(kW·h)．在實際計算過程中，利用電表的在泵站關(guān)機(jī)時讀數(shù)減去初始讀數(shù)，再與電表的互感器倍數(shù)R相乘得到．

因此，該方法的關(guān)鍵之處在于：

1)通過“以時計水”方法估算泵站出水量的關(guān)鍵在于確定泵站“以時計水”參數(shù)q、記錄泵站運(yùn)行時間t．要得到泵站“以時計水”參數(shù)q的主要工作是，現(xiàn)場測試泵站正常穩(wěn)定工作狀態(tài)下出水池后規(guī)則渠道斷面的水流平均流速v和渠道過水?dāng)嗝婷娣eA．

2)通過“以電計水”方法估算泵站出水量的關(guān)鍵在于確定泵站“以電計水”參數(shù)K、記錄泵站運(yùn)行用電量E．要得到泵站“以電計水”參數(shù)K的主要工作是，現(xiàn)場測試泵站正常穩(wěn)定工作狀態(tài)下出水量Q和記錄泵站用電量E．

1.3 測試工具

率定“以時計水”和“以電計水”這兩個參數(shù)需要現(xiàn)場測試、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并計算分析，主要包括泵站開關(guān)機(jī)時間、泵站提水用電量、泵站出水池后規(guī)則渠道的流速、水位、渠道特性參數(shù)等，具體實施過程中所需儀器主要包括流速儀、卷尺、直尺以及計時器等．

流速儀的作用在于測算渠道斷面的水流平均流速．市場上渠道流速儀的種類繁多，不同種類流速儀分為不同型號，以適應(yīng)不同實際情況的需求．實際操作過程中可以根據(jù)需求對渠道流速儀的種類和型號進(jìn)行自主選購．每一類型儀器均附帶詳細(xì)說明書，其中包括儀器功能特點、主要技術(shù)指標(biāo)、工作原理、儀器結(jié)構(gòu)、安裝方法、參數(shù)設(shè)置、儀器使用方法、儀器維護(hù)以及其他附加文件等．同一類型流速儀的原理和操作程序基本相同，實際應(yīng)用過程中在仔細(xì)閱讀儀器說明書的前提下使用．

卷尺用來測量渠道斷面的尺寸，直尺用來測量渠道水深，計時器用來計算泵站運(yùn)行時間．卷尺與直尺的量程可根據(jù)泵站實際情況選用，一般卷尺為5 m，直尺為1 m即可滿足江蘇地區(qū)小型泵站提水灌區(qū)的測量要求．凡是可以記錄時間的工具設(shè)備均可作為計時器使用，如秒表、手表、手機(jī)等，一般要求計時器的讀數(shù)精確到秒．配備獨(dú)立電表的泵站可以讀取電表讀數(shù)，以獲取實際用電量．讀取電表讀數(shù)時需注意，若安裝了互感器則先讀取互感器倍數(shù)，用這個倍數(shù)乘以度數(shù)則是實際用電量．不同型號電表的互感器倍數(shù)可能不同，在實測時需對每一個電表進(jìn)行觀察和讀取．

2 操作步驟

為了便于灌溉泵站“以時計水”和“以電計水”計量方法的推廣應(yīng)用，針對該方法的操作步驟，總結(jié)提出了六步簡明口訣，即看水位、校儀表、量渠道、測數(shù)據(jù)、算參數(shù)、計水量．具體如下：

1)看水位．主要指查看灌溉泵站進(jìn)水池的水位，選擇灌溉季節(jié)的正常水位作為適宜的測試時間．在灌溉泵站實際運(yùn)行時，揚(yáng)程變化對流量具有一定的影響，若進(jìn)出水池水面高差變化幅度較大，則需要加測，可選高、中、低3種情況甚至多次實測，并率定相應(yīng)的“以時計水”參數(shù)和“以電計水”參數(shù)．

2)校儀表．主要指流速儀、電表、計時器的校核．①對流速儀進(jìn)行調(diào)試和零點校準(zhǔn)，熟悉流速儀的使用方法；②查看電表工作狀態(tài)和各種讀數(shù)，掌握電表用電量的讀法，若安裝了互感器則需讀取互感器倍數(shù)并乘以讀數(shù)才是實際用電量；③選定好計時的工具，可采用隨泵站開關(guān)機(jī)自動記錄的計時器，也可采用秒表、手表、手機(jī)等進(jìn)行計時．

3)量渠道．主要指選擇典型渠道斷面、量測渠道斷面尺寸．①選擇順直、規(guī)則且距離泵站出水口較近的渠道作為觀測渠道，同時選擇斷面完好規(guī)整、無雜物、便于測試、水流流態(tài)較為穩(wěn)定的斷面作為流速測量斷面(一般要求距離泵站出水池出水口20 m以上，或與泵站出水池出水口距離大于10倍的渠頂寬度)．②根據(jù)所選渠道斷面形式，測量渠道斷面各個邊的尺寸及其深度．

4)測數(shù)據(jù)．主要指實測典型渠道斷面的流速和水深、記錄開機(jī)時間和電表初始度數(shù)．按照流速儀的操作指南實測，為增加結(jié)果的可信度，每個泵站測試應(yīng)不低于3次，每次流速讀數(shù)不少于30個．

5)算參數(shù)．主要指計算“以時計水”參數(shù)和“以電計水”參數(shù)．①根據(jù)渠道斷面尺寸和水深計算過水?dāng)嗝婷娣e，乘以實測流速則為流量；②各次(至少3次)測的流量取平均值，則為“以時計水”參數(shù)(“單位時間的出水量”)q；③用“以時計水”參數(shù)q乘以泵站運(yùn)行時間計算該時段的出水量，除以該時段電表記錄的度數(shù)，則為“以電計水”參數(shù)(“單位用電的出水量”)K．

6)計水量．主要指應(yīng)用“以時計水”參數(shù)q或“以電計水”參數(shù)K，估算每次泵站開關(guān)機(jī)的出水量．在每次泵站開機(jī)供水時，記錄泵站運(yùn)行時間t或用電量E，利用“以時計水”參數(shù)q或“以電計水”參數(shù)K均可對該泵站出水量進(jìn)行估算，即“以時計水”(Q=q×t)、“以電計水”(Q=K×E)．

3 具體案例

以江蘇省淮安市漣水縣的周臨電灌站為例，對“以時計水”、“以電計水”方法估測泵站出水量的方法進(jìn)行實例分析．以水稻灌溉為主，實際灌溉面積500畝，配有一臺水泵，泵站型號400HW-10，設(shè)計流量0.47 m3/s，配備電動機(jī)型號YX3-280M-8，裝機(jī)55 kW，綜合效率86%，出水池后連接規(guī)則矩形防滲渠道，泵站配有獨(dú)立電表，互感器倍數(shù)為30．

為了保證正常灌溉，周臨電灌站引水河道的水位基本穩(wěn)定且滿足設(shè)計工況條件，可以開展實測分析．選擇渠道平直段同時滿足離出水池出水口15 m處作為典型斷面，用于流速測定，并做好各項準(zhǔn)備工作．試驗開始時記錄泵站開機(jī)時間和電表初始讀數(shù)，同時在渠道典型斷面用流速儀開始實測流速和水深，當(dāng)流速儀讀數(shù)穩(wěn)定且水泵運(yùn)行時間達(dá)到足夠長之后關(guān)閉電動機(jī)和水泵，同時記錄關(guān)機(jī)時間、電表度數(shù)并整理相關(guān)的數(shù)據(jù)．一次開關(guān)機(jī)測試結(jié)束后，為保證測試數(shù)據(jù)的可靠性，重復(fù)3次試驗，并記錄數(shù)據(jù)．以3次試驗數(shù)據(jù)計算相應(yīng)的參數(shù)，穩(wěn)定后的平均流速0.86 m/s，過水?dāng)嗝婷娣e0.384 m2，歷時145 min，用電量為114.7 kW·h，則“以時計水”參數(shù)q為0.33 m3/s(0.86 m/s×0.384 m2)，“以電計水”參數(shù)K為25.03 m3/(kW·h)=0.86 m/s×0.384 m2×145 min×60 s/min÷114.7 (kW·h)．本次周臨泵站實測供水量為2 870 m3，與電磁流量計、出水池實測等其他方法測得的數(shù)據(jù)誤差均在5%以內(nèi)，證明了該方法的可靠性；實測的“以時計水”參數(shù)(即穩(wěn)定工作流量)為0.33 m3/s，與泵站設(shè)計流量0.47 m3/s相比，所測泵站實際工作效率為70.2%，符合該泵站的實際情況．

考慮到方法的實際應(yīng)用，若下一次該泵站開機(jī)提水灌溉的持續(xù)時間是12 h、用電量是569.6度，則：①采用“以時計水”方法計算的泵站出水量為142 566 m3=0.33 m3/s×12 h×3 600 s/h；②采用“以電計水”方法計算的泵站出水量為142 566 m3=25.03 m3/(kW·h)×569.6 (kW·h)．由此可見，采用“以時計水”和“以電計水”參數(shù)估測的出水量一致．

4 結(jié) 語

農(nóng)業(yè)水價綜合改革是當(dāng)前我國重點推進(jìn)的重大改革事項，其中對農(nóng)業(yè)灌溉用水計量是改革的重要任務(wù)．論文以探求適合于小型灌溉泵站計量的經(jīng)濟(jì)可行方法為目的，結(jié)合江蘇省的實際提出了基于現(xiàn)場實測的“以時計水”和“以電計水”灌溉泵站計量方法；闡述了該方法的基本參數(shù)、測算原理和測試工具；針對該方法的推廣應(yīng)用和實際操作，總結(jié)提出了包括看水位、校儀表、量渠道、測數(shù)據(jù)、算參數(shù)、計水量的六步簡明口訣；以江蘇省淮安市漣水縣漣東灌區(qū)周臨電灌站為例，對該方法的操作與應(yīng)用開展了實例分析．實踐證明，論文所提出的“以時計水”和“以電計水”計量方法相對經(jīng)濟(jì)、簡便，可為當(dāng)?shù)毓喔缺谜竟┧嬃糠椒ǖ倪x擇提供參考，并為農(nóng)業(yè)水價綜合改革提供技術(shù)支撐，也可以在類似地區(qū)推廣應(yīng)用．