京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區(qū)灌溉用水計量方法探討

王滇紅，蔡守華，張 健

(1.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，南京 210029；2.揚州大學，江蘇 揚州 225009)

農(nóng)業(yè)是用水大戶，農(nóng)業(yè)用水量占我國總用水量的60%以上[1]。近年來國家大力推進節(jié)水灌溉工程建設(shè)，有效提升水資源利用效率，但大中型灌區(qū)無序用水、大水漫灌、計量設(shè)施不完善等現(xiàn)象仍然存在。為確保南水北調(diào)工程向北方調(diào)水，國家對京杭大運河沿線用水量進行總量控制，如遇北方嚴重干旱、淮水不來、江水嚴控，運河沿線大中型灌區(qū)取水量則難以滿足現(xiàn)狀灌溉需要。特別是干旱年份，加之農(nóng)田灌溉用水高峰，農(nóng)業(yè)用水問題更為突出。隨著國家對農(nóng)業(yè)水價綜合改革和最嚴格水資源管理制度的深入推進，用水總量與用水效率雙重管理，這些都要求能夠準確計量運河沿線大中型灌區(qū)用水量。本文采用現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)據(jù)分析、典型實踐等方法，研究了京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區(qū)灌溉用水計量現(xiàn)狀、用水計量需求和量水設(shè)施布置。通過這種用水計量設(shè)施系統(tǒng)布置，對開展灌溉渠道用水計量工作，準確控制輸配水量，避免引起灌水過多或不足的現(xiàn)象，及時糾正水量浪費，提高灌溉效率和效益有著重要的作用。

1 概 述

1.1 基本概況

京杭大運河江蘇段里運河沿線位于揚州至淮安段，南至長江，北接中運河，全長約170 km，主要流經(jīng)揚州市廣陵區(qū)、江都區(qū)、高郵市、寶應(yīng)縣和淮安市淮安區(qū)等地。沿線地區(qū)處于亞熱帶向溫暖帶過度地帶，具有明顯的季風氣候特征，年平均氣溫14～15 ℃，多年平均降水量1 000 mm左右。降雨量年際變化大且年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在汛期，6-9月降水量約占全年的65%。

江蘇段里運河沿線大中型灌區(qū)灌溉水源為京杭大運河，通過運河上閘洞引水灌溉。沿線自南向北有3個大型灌區(qū)，分別為江都區(qū)沿運灌區(qū)、高郵市高郵灌區(qū)、淮安區(qū)渠南灌區(qū)；6個中型灌區(qū)，分別為寶應(yīng)縣永豐灌區(qū)、慶豐灌區(qū)、臨城灌區(qū)、涇河灌區(qū)、寶應(yīng)灌區(qū)和淮安區(qū)運西灌區(qū)。上述9個灌區(qū)總設(shè)計灌溉面積20萬hm2。大部分骨干渠道比降1/10 000，最緩達到1/15 000，種植結(jié)構(gòu)以稻麥輪作為主。水稻灌溉用水量較大且較為集中，當里運河水位較低時，渠系輸水困難，造成大面積農(nóng)田不能自流灌溉。

1.2 灌溉用水計量與用水管理現(xiàn)狀分析

2016年，對京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區(qū)各級渠道用水計量現(xiàn)狀進行了調(diào)查統(tǒng)計分析(結(jié)果如圖1和圖2所示)。由圖可知，各灌區(qū)僅部分干支渠配備了量水設(shè)施，斗農(nóng)渠量水暫無實質(zhì)性進展；高郵灌區(qū)和沿運灌區(qū)在少數(shù)斗農(nóng)渠上試點安裝了量水設(shè)施，并未全面推廣應(yīng)用；慶豐灌區(qū)、寶應(yīng)灌區(qū)等國家重點中型灌區(qū)，各級渠道均未配備量水設(shè)施；各灌區(qū)灌溉泵站中，僅永豐灌區(qū)安裝了超聲波流量計，其他各灌區(qū)提水、補水泵站均無量水計量裝置，均采用電量法計算提水量或補水量。

圖1 大型灌區(qū)渠系量水設(shè)施基本情況圖

圖2 中型灌區(qū)量水設(shè)施基本情況圖

在用水管理上，沿線大中型灌區(qū)均設(shè)灌區(qū)管理單位，負責管理渠首和干渠，支渠及以下渠道與配套建筑物由鄉(xiāng)鎮(zhèn)負責。灌區(qū)管理單位每年編制用水計劃，制定輪灌工作制度，以支渠為單位由鄉(xiāng)鎮(zhèn)成立用水者協(xié)會協(xié)調(diào)用水矛盾。

1.3 主要存在問題

近年來，京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區(qū)灌溉用水計量工作取得一定成效，但仍存在一些問題：一是渠道灌溉用水計量率低。3個大型灌區(qū)僅干渠計量率達78%～100%，支渠以下計量率仍較低，斗農(nóng)渠計量率基本為0；6個中型灌區(qū)中除臨城灌區(qū)干支渠計量率達23.4%，其余灌區(qū)各級渠道特別是斗農(nóng)渠計量率幾乎都為0。新型灌溉用水計量方法尤其是斗農(nóng)渠用水計量設(shè)備有待加快研究推廣。二是農(nóng)業(yè)水費收取方式有待改進。農(nóng)業(yè)水費仍然沿用20世紀80年代按畝收費方式，稻麥田75～180 元/hm2、旱田9～45 元/hm2、經(jīng)濟作物75～180 元/hm2，水價大大低于供水成本。農(nóng)民用水習慣仍以大水漫灌為主，農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費現(xiàn)象仍較嚴重，當前節(jié)水新形勢下適宜的水費計收方式研究亟需加強。三是灌區(qū)現(xiàn)代化與信息化管理水平低。灌區(qū)信息化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，信息資源開發(fā)與利用程度不高，從認識水平、思想觀念、管理方法、制度建設(shè)及管理員信息化水平與操作技能等方面，還遠遠不能勝任現(xiàn)代化與信息化建設(shè)的要求，特別是即使安裝了計量設(shè)施，仍難以完全納入信息化自動化管理之中。四是信息化共享水平較差。灌區(qū)信息化建設(shè)長期以來沒有統(tǒng)一的規(guī)劃和標準，各灌區(qū)各自為政、各自封閉，灌區(qū)之間的信息難以共享，導致安裝計量設(shè)施與沒有安裝的灌區(qū)用水管水效率水平難以進行比較分析，更難以調(diào)動各地安裝計量設(shè)施，推動農(nóng)業(yè)節(jié)水的積極性。

2 計量及用水需求分析

江蘇段里運河是京杭大運河的重要組成河段，是國家南水北調(diào)工程東線調(diào)水的重要通道。由于江蘇省域水資源時空分布不均，淮北地區(qū)灌溉季節(jié)經(jīng)常遇到旱情，里運河還承擔淮北地區(qū)抗旱輸水的重要任務(wù)。加強里運河沿線計量及用水需求分析有著十分重要的實現(xiàn)意義。

2.1 控制用水總量

為確保南水北調(diào)工程向北方送水量，實行用水總量控制，各大中型灌區(qū)必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)粗放式灌溉方式。計劃用水是灌區(qū)用水管理的基本要求，而灌區(qū)用水計量是實行計劃用水的重要基礎(chǔ)，是準確掌握引、提、輸、配水情況的重要手段。對灌區(qū)各級渠道進行用水計量，有利于加快實現(xiàn)灌區(qū)優(yōu)化配水，通過對2013-2017年里運河沿線實施計量的大中型灌區(qū)用水計量情況(如圖3所示)統(tǒng)計分析顯示，隨著國家節(jié)水行動計劃的實施，農(nóng)田灌溉用水量及單位面積平均灌溉用水量總體呈遞減趨勢。通過計量可以有效實施用水總量控制和用水計劃管理。

圖3 2013-2017年里運河沿線部分大中型灌區(qū) 平均用水量年際變化圖

2.2 實行定額管理

里運河沿線9個大中型灌區(qū)均位于里下河片區(qū)，根據(jù)《灌溉用水定額編制導則》(GB/T 29404-2012)[2]，可推算里下河片區(qū)典型縣主要作物基本用水定額、附加用水定額及里下河片區(qū)作物綜合灌溉用水定額，方法如下：

(1)計算灌溉用水定額。實際灌溉條件下某作物的灌溉用水定額，可按公式(1)計算：

m=(m基本+m附加)·K1·K2…Kn

(1)

式中：m為某作物灌溉用水定額，m3/hm2；m基本為某作物基本用水定額，m3/hm2；m附加為某作物附加用水定額，m3/hm2；K1、K2、…、Kn為調(diào)節(jié)系數(shù)，分別對應(yīng)于工程類型、取水方式、灌區(qū)規(guī)模等因素。

(2)計算作物綜合灌溉用水定額。根據(jù)上述方法計算的灌溉用水定額、實際灌溉條件組合數(shù)及某作物第i種灌溉條件組合下灌溉面積，可按公式(2)計算里下河片區(qū)某作物綜合灌溉用水定額：

(2)

式中：m綜合為某作物綜合灌溉用水定額，m3/hm2；i為某作物對應(yīng)的灌溉條件組合序號；NU為某作物對應(yīng)的灌溉條件組合數(shù)；mi為某作物在第i種灌溉組合下的灌溉用水定額，m3/hm2；Ai為某作物對應(yīng)的第i種灌溉條件組合的灌溉面積，hm2。

以高郵和寶應(yīng)作為典型縣，水文年型選取90%年降水概率，根據(jù)上述方法可推算高郵和寶應(yīng)的水稻、玉米、瓜果、葉菜和油料等作物的基本用水定額、附加用水定額和里下河片區(qū)作物綜合灌溉用水定額(結(jié)果見表1)。安裝計量設(shè)施之后，可以更精準計算農(nóng)作物的用水定額，也可以對原有的定額進行很好地復核，更好地完善農(nóng)作物的灌溉制度，有效促進農(nóng)業(yè)節(jié)水。

表1 里運河沿線大中型灌區(qū)主要作物灌溉用水定額情況表 m3/hm2

2.3 提高用水效率

農(nóng)業(yè)是用水大戶，也是節(jié)水潛力所在。就京杭大運河江蘇段里運河沿線來說，9大灌區(qū)之中安裝計量設(shè)施和沒有安裝計量設(shè)施的用水量不盡相同。下面具體分析沿運灌區(qū)和渠南灌區(qū)。這2個灌區(qū)的灌區(qū)規(guī)模相當，農(nóng)作物相同，灌溉制度相似，沿運灌區(qū)干、支、斗渠都安裝了計量設(shè)施，據(jù)此強化用水總量控制、加強用水計劃管理，有效減少了單位面積平均用水量(如圖4所示)，提高了用水效率和效益，當?shù)馗刹咳罕姷墓?jié)水意識更加強烈。

圖4 灌區(qū)是否安裝計量設(shè)施灌溉用水情況對比圖

3 量水設(shè)施設(shè)置原則

目前里運河沿線各大中型灌區(qū)水費均按畝計費，這種與實際用水多少無關(guān)的按畝收費方式，不利于提高用水戶節(jié)約用水的積極性。因此，按方收費是灌溉水費計收的改革方向。建立灌區(qū)用水計量系統(tǒng)，可為按方收費提供依據(jù)，并可激勵群眾節(jié)約用水，達到降低灌溉成本的目的。

京杭大運河江蘇段里運河沿線9個大中型灌區(qū)灌溉方式有其自身特點，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計可分為以下3種類型：

(1)自流灌區(qū)。包括沿運灌區(qū)、高郵灌區(qū)、永豐灌區(qū)、慶豐灌區(qū)、涇河灌區(qū)。在自流引水不足的情況下，均可以內(nèi)部河道為水源，補水入渠。灌區(qū)渠系一般由干、支、斗、農(nóng)4級渠道組成。

(2)自流與提水結(jié)合灌區(qū)。包括渠南灌區(qū)、臨城灌區(qū)、運西灌區(qū)。這些灌區(qū)大部分區(qū)域自流灌溉，但有部分區(qū)域自流灌溉無法到達，采用提水灌溉。自流灌溉區(qū)域和提水灌溉區(qū)域，均可能建有補水泵站。

(3)提水灌區(qū)。主要指寶應(yīng)灌區(qū)。內(nèi)部由眾多小型泵站提水灌溉，均以內(nèi)部河道為水源。各灌溉泵站控制灌溉面積一般不跨村或村級以上行政區(qū)。當內(nèi)部河道水源不足時，則利用里運河、寶應(yīng)湖等外部水源補水至內(nèi)部河道。

根據(jù)9個灌區(qū)灌溉方式，不同渠系計量設(shè)施的安裝情況不同，里運河沿線大中型灌區(qū)渠系計量現(xiàn)狀見表2。

表2 里運河沿線大中型灌區(qū)渠系及量水設(shè)施現(xiàn)狀匯總表

根據(jù)當前全國開展農(nóng)業(yè)水價綜合改革對大中型灌區(qū)灌溉用水計量工作的要求，總結(jié)江蘇省大中型灌區(qū)計量安裝的實際，灌溉用水計量系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)該遵循以下原則[3]：

(1)遠近結(jié)合的原則。近期重點建設(shè)渠首取水工程(含灌溉站)及骨干渠道量水設(shè)施，斗、農(nóng)渠選擇典型渠道進行量水；遠期條件成熟時，實現(xiàn)斗、農(nóng)渠量水全覆蓋。

(2)因地制宜的原則。自流灌溉干、支渠量水以渠系建筑物量水為主，輔以其他非接觸式量水方式；提水灌區(qū)建議直接計量渠首水泵出流量。

(3)減少損失的原則。量水設(shè)施的最大水頭損失不宜高于10 cm。在自流灌區(qū)中部或尾部，水頭不足時，可利用具有計量功能的斗、農(nóng)門進行量水，或采用其他微弱阻水或非接觸式量水技術(shù)。

(4)簡潔方便的原則。盡量采用易于觀測且性能可靠的量水設(shè)施和數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理技術(shù)。干、支渠宜利用水位傳感器自動采集上、下游水位及閘門開啟高度，并自動計算流量及累計水量；斗、農(nóng)渠盡量采用可累計直讀的量水設(shè)備，有條件的灌區(qū)宜采用自動采集及無線遠傳方式。

(5)質(zhì)優(yōu)價廉的原則。在滿足用水計量需求的前提下，應(yīng)盡量選擇價格較低、施工安裝方便、管護成本較低的量水設(shè)施。

根據(jù)上述灌溉用水計量系統(tǒng)建設(shè)的原則、思路和灌區(qū)分類情況，就京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區(qū)用水計量點建設(shè)可按下表(表3)設(shè)置，其他類似地區(qū)也可參照。

4 應(yīng)用實例

高郵灌區(qū)為京杭大運河江蘇段里運河沿線3個大型灌區(qū)之一，在江蘇的位置如圖5所示。由渠首9座閘洞從京杭大運河引水，設(shè)計流量159.0 m3/s，共有干渠9條，支渠124條，斗農(nóng)渠3 250條。灌水時多為三級灌水至田間，部分為四級。灌區(qū)下游設(shè)7座補水泵站，提引里下河水源補充干渠水量不足或抬高干渠水位，設(shè)計流量42.0 m3/s。本次選取南關(guān)干渠控制灌溉范圍作為研究對象，設(shè)計灌溉面積4 333.3 hm2，下設(shè)支渠31條，斗渠約500條。南關(guān)干渠在前期節(jié)水改造中全線襯砌，且建筑物更新改造到位，具備量水設(shè)施安裝條件，其中干支渠計量點布置如圖6所示。

表3 里運河沿線大中型灌區(qū)用水計量點布置建議表

注：☆表示對應(yīng)有此內(nèi)容。

圖5 高郵灌區(qū)位置圖

根據(jù)量水設(shè)施設(shè)置原則，南關(guān)干渠及其下屬各級渠道量水設(shè)施布置如下：南關(guān)干渠采用水工建筑物量水，即在南關(guān)洞進水閘處安設(shè)水尺，測量相應(yīng)水位，根據(jù)公式推算流量；支渠31條，其中26條長度相對較短的采用渠首分水閘量水，5條長度相對較長的采用多普勒超聲波流速儀量水。斗渠約500條，選取20%～25%的典型斗渠安裝量水設(shè)施，由點到面推算所有斗渠用水量。選擇典型斗渠時，根據(jù)渠道長度和面積分組，長度和面積接近的為一組，每組最接近平均數(shù)的作為典型斗渠。經(jīng)分組，共選取139條典型斗渠。灌區(qū)上游的斗渠，采用配置自動測算遠傳裝置的拋物線形喉口量水槽；中下游的斗渠，采用配置無線遠傳模塊的渠首式農(nóng)用分流計或渠首式孔板分流計；某些典型斗渠，采用配置無線遠傳模塊的標準斷面超聲波測流法。非農(nóng)業(yè)取水口，明渠采用標準巴歇爾槽配明渠流量計及無線遠傳裝置，泵站取水量較大的采用電子水表或電磁流量計配無線遠傳裝置、取水量較小的采用電能法估算水量。灌溉補水泵站，采用修正電能法估算水量；退水閘暫時未設(shè)量水裝置。

圖6 南關(guān)干渠及其下級渠道用水計量設(shè)施布置示意圖

從高郵灌區(qū)南關(guān)干渠片典型應(yīng)用情況可知：

(1)農(nóng)業(yè)灌溉用水計量率(γ)與渠道級別呈正相關(guān)，即γ干≥γ支≥γ斗≥γ農(nóng)?，F(xiàn)有用水計量設(shè)施大多成本高、結(jié)構(gòu)復雜，干支渠計量率較高，而斗農(nóng)渠計量設(shè)施安裝較少。隨著田間配套逐步完善，針對斗農(nóng)渠量水面廣量大的特點，研究價低質(zhì)優(yōu)、方便實用的末級渠系量水設(shè)施，是灌區(qū)量水發(fā)展的必然趨勢。

(2)一般而言，計量精度與渠道級別成正比，即渠道級別越高，對計量設(shè)施的精度要求越高。國家農(nóng)業(yè)水價綜合改革要求“管理服務(wù)到位、水價核定到位、水費收繳到位、政府監(jiān)管到位”，首先要實現(xiàn)灌溉用水精準計量。目前大部分量水設(shè)施都需在特定條件下使用，部分量水設(shè)施對施工要求也較高。因此，研究精度高、適應(yīng)性強的量水設(shè)施非常必要。

(3)對于面廣量大的斗農(nóng)渠，既要考慮投資和精度，又要方便測讀，宜盡量采用自動采集及無線遠傳方式，并做好防護措施。

5 結(jié)論與建議

本文及國內(nèi)外已有研究表明，灌區(qū)是否安裝計量設(shè)施、安裝條件與形式的不同，對工程管理、灌溉效益與現(xiàn)代化建設(shè)有著不同的影響。

(1)安裝計量設(shè)施更有利于管理和節(jié)水。對比沿運灌區(qū)和渠南灌區(qū)計量情況，沿運灌區(qū)干、支、斗渠均安裝了計量設(shè)施，強化了用水總量控制和用水計劃管理，近年來其畝均灌溉用水量均低于干渠以下無計量設(shè)施的渠南灌區(qū)。因此，建議各灌區(qū)參照本文研究的計量設(shè)施設(shè)置原則和計量點布置方法，逐步安裝計量設(shè)施，實施用水總量控制和定額管理，有效提高用水效率和效益。

(2)安裝系統(tǒng)化更有利于發(fā)揮綜合效 益。針對灌區(qū)不同類型和各級渠系不同位置，本文研究提出一套用水計量系統(tǒng)的設(shè)置原則，建立了灌區(qū)用水計量系統(tǒng)，可以有效發(fā)揮綜合效益。與零星安裝方式相比，系統(tǒng)安裝可因地制宜地安裝計量設(shè)施，測算各級渠道灌溉用水量。既可減少不必要的投入，又能找出水量損失的關(guān)鍵部位和主要原因，并有效復核灌溉水有效利用系數(shù)測算成果，為灌區(qū)節(jié)水改造和灌溉用水管理提供有力支撐。建議根據(jù)灌區(qū)實際需求安裝用水計量設(shè)施，統(tǒng)籌建立灌溉用水計量系統(tǒng)。

(3)安裝自動化更有利提升現(xiàn)代化水平。研究成果為現(xiàn)代灌區(qū)用水計量設(shè)施布置提供了經(jīng)濟適用的框架體系，灌區(qū)計量設(shè)施安裝與信息化自動化結(jié)合，可根據(jù)灌溉制度實現(xiàn)灌溉自動控制，從田間作物耗水逐級向上實現(xiàn)“按需供水”。通過灌區(qū)實時水量的比較分析，及時掌握灌區(qū)的運行情況，提高灌區(qū)水量調(diào)度及設(shè)施維護決策的準確性，采取有效措施靈活應(yīng)對各種突發(fā)事件。鑒于此，建議灌區(qū)安裝用水計量設(shè)施盡量考慮與信息化自動化相結(jié)合[4]。

(4)安裝計量設(shè)施更有效增強節(jié)水意識，強化節(jié)水管理。目前京杭大運河江蘇段里運河沿線大中型灌區(qū)量水大多僅于干渠進水口和部分支渠首安裝水尺，進行取水或分水的計量，方法較落后且精度較低，斗農(nóng)渠大多無計量，不能準確計量到戶，水費收繳大多仍采用傳統(tǒng)的按畝收費方式，干部群眾節(jié)水意識淡薄，用水管理粗放。合理安裝灌溉用水計量系統(tǒng)，真正做到精準計量到戶，從傳統(tǒng)的按畝收費方式轉(zhuǎn)變?yōu)榘捶绞召M，對于增強節(jié)水意識，強化節(jié)水管理，將會起到積極的推動作用。建議各地農(nóng)業(yè)水價綜合改革工作中重視改革宣傳，凝聚社會共識，做好輿情引導和社會宣傳工作，引導農(nóng)民樹立節(jié)水觀念、增強節(jié)水意識，提高有償用水意識和節(jié)約用水的自覺性，提高維護農(nóng)田水利設(shè)施良性運行的自覺性，為節(jié)水工作的推進營造良好的社會氛圍[5]。