洪澤區(qū)小型灌溉泵站“以電折水”原理分析與實測

陳 波 曹長勛 張玉萍

淮安市洪澤區(qū)水利局，江蘇淮安 223100

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。興水利、除水害，事關(guān)人類生存、社會進步，歷來是治國安邦的大事，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，我國面臨嚴峻的水資源形勢，習近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”十六字治水方略，深刻分析了當前我國水安全的嚴峻形勢，系統(tǒng)闡釋了保障國家水安全的總體要求，明確提出了新時期治水的新思路，為我們強化水治理、保障水安全指明了方向。

1 農(nóng)業(yè)水價改革的意義

目前我國水資源利用效率不高，特別是在農(nóng)業(yè)灌溉中，傳統(tǒng)的漫灌和不計量的灌溉方式成為制約節(jié)約用水的重要因素，實施農(nóng)業(yè)水價綜合改革工作，能夠加強農(nóng)業(yè)灌溉用水計量，掌握農(nóng)業(yè)灌溉用水量，提高灌溉用水效率，優(yōu)化灌水方式和農(nóng)業(yè)灌溉效率，為制定合理的農(nóng)業(yè)水價提供精準的數(shù)據(jù)支撐，更好地維護農(nóng)村農(nóng)業(yè)水利設(shè)施建設(shè)，有助于實現(xiàn)高效水源利用，優(yōu)化水資源分配，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，增強我國綜合實力。

2 農(nóng)業(yè)水價計量方法研究

目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水的計量，有的采用特設(shè)量水設(shè)備或方法進行直接計量，有的利用原有的水工建筑物進行量水，或者利用用水定額推算、水泵用電量等數(shù)據(jù)間接估算，不同的量水方法各有其優(yōu)缺點和適用性。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，多用“以時計水”與“以電折水”相結(jié)合來精準測算農(nóng)業(yè)用水量，具有量測直觀、精度高、計量簡便等優(yōu)點。

首先，選取試點灌溉泵站，收集各個泵站及其渠道的特性數(shù)據(jù)，采用電磁流量計、超聲波流量計等儀器或儀表自動計量現(xiàn)場測試一定時間內(nèi)泵站抽水量、用電量、出水池水位、渠道水流的流速、水位和流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析泵站抽水量與時間、用電量等各參數(shù)之間的關(guān)系，通過數(shù)學統(tǒng)計方法進行定量比較分析，研究“計時”或“計電”的方法換算泵站的出水量，制定小型灌溉泵站“以時計水”和“以電計水”計量方法的工作手冊，為灌溉泵站計量和農(nóng)業(yè)水價綜合改革提供了技術(shù)支持。洪澤區(qū)水利局與河海大學聯(lián)合，針對214座未配備計量設(shè)施泵站，采用“以電折水”方法測算用水量，以滿足計量供水和計量收費要求。

3 “以電折水”原理分析

3.1 出水量計算

泵站抽水過程中，一定時間內(nèi)的出水量Q可通過計算求得：

式中，q——單位時間過水斷面平均流量 （m3/s），即“以時計水”系數(shù)，也稱為泵站的時間-流量關(guān)系系數(shù) （m3/s）；A——過水斷面面積 （m2）； v——典型過水斷面平均流速 （m/s）；

Q——時間t內(nèi)水泵抽水的體積 （m2）；t——水泵抽水運行時間 （s）； b1、b2、a：渠道上、下底寬、渠深 （m）；

h——渠道水流穩(wěn)定時的水深 （m）；m——非矩形渠道 （如梯形渠道） 的邊坡系數(shù)，無量綱。

根據(jù)上述公式以及試驗過程中采集得到的數(shù)據(jù)可求得各個泵站出水量及相關(guān)參數(shù)。

3.2 “以電折水”出水量參數(shù)計算

根據(jù)實測的泵站出水量Q和泵站運行過程所消耗的電量E，可以計算泵站穩(wěn)定運行過程中的“以電折水”參數(shù) （單位用電的出水量） K：

式中：K——泵站的“以電折水”參數(shù) （m3/kW·h）；E——泵站運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。

4 試點泵站實例測算分析

選取我區(qū)岔河鎮(zhèn)境內(nèi)“岔河泵站”為例，運用“以時計水”和“以電折水”法實測分析泵站出水量，具體步驟及結(jié)果如下：

（1） 選擇渠道并對泵站的基礎(chǔ)信息進行收集，主要包括渠道基本數(shù)據(jù)、水泵信息等，填于《泵站基礎(chǔ)信息記錄表》，如表1所示。

表1 泵站流量參數(shù)關(guān)系系數(shù)測量計算表

（2） 該泵站配有獨立電表，電表用電量初始讀數(shù) （開機電量讀數(shù)） 為3242.28kW·h，持續(xù)時長15min，所用電量1.98kW·h，本次測量共記錄45個流速讀數(shù)。

（3） 根據(jù)渠道尺寸和渠道內(nèi)水流的穩(wěn)定水深h計算過水斷面面積A，岔河泵站計算結(jié)果為A=0.146 m2。

（4） 通過判斷各次渠道典型斷面流速測量過程發(fā)現(xiàn)，測量時間內(nèi)流速較為穩(wěn)定，所以對每次觀測的讀數(shù)求算術(shù)平均值，結(jié)果作為本次測量過程的渠道水流流速的平均值。3次測量的流速平均值分別計為v1、v2和v3。為消除測量誤差，計算3次流速均值的平均值，結(jié)果作為渠道的穩(wěn)定流速值。經(jīng)計算，該泵站典型渠道水流流速的為0.49 m/s。

（5） 利用公式 （2） 計算岔河泵站“以時計水”相關(guān)結(jié)果列于《泵站流量參數(shù)關(guān)系系數(shù)測量計算表》中，如表1所示，求出岔河泵站“以時計水”參數(shù)q的計算結(jié)果為0.072 m3/s。

可設(shè)計增大加料小車斜面，將銅原料傾倒角度改為36°，使銅原料落點靠后至爐體的中心線上，對爐墻及耐火材料的撞擊銳減；適當改進和優(yōu)化耐火磚結(jié)構(gòu)尺寸，使用大規(guī)格耐火磚取代小規(guī)格耐火磚；嚴格執(zhí)行操作技術(shù)規(guī)程，加強對叉車加料環(huán)節(jié)的控制，避免因燒空豎爐添加銅原料而造成對豎爐爐磚的沖擊；加大對豎爐出銅口、溜槽系統(tǒng)的巡檢力度，必要時更換耐火材料。

（6） 校核結(jié)果的可靠性。本次實測泵站“以時計水”參數(shù)q （即穩(wěn)定工作流量） 約為0.072 m3/s。經(jīng)核查，該水泵的額定流量q額為0.14 m3/s，所測泵站實際工作的效率約為50.5%，較額定效率79.3%約低了29%?？紤]泵站現(xiàn)狀和運行環(huán)境，結(jié)果基本可靠。所以可以利用“以時計水”參數(shù)q來進行灌溉期泵站出水量的估算。

第一次實測開機過程共歷時約15min，該段時間內(nèi)泵站的出水量可以利用公式 （1） 估算為：

因此，泵站運行15分鐘的灌溉水出水量約為64.8 m3。

（7） 根據(jù)開關(guān)機前后的電表讀數(shù)，求出此運行過程的消耗電量。利用灌溉水出水量和電量計算泵站“以電計水”參數(shù)K。泵站第一次實測開機過程前后的電表電量讀數(shù)分別為3242.28 kW·h和3244.26 kW·h，計算出該時間段消耗的電量為：

進而，求出泵站“以電計水”參數(shù)K：

若下一次泵站開機提水灌溉的持續(xù)時間是12h、用電量是95.04kW·h，則：

（1） 采用“以時計水”方法計算泵站出水量為：

（2） 采用“以電折水”方法計算泵站出水量為：

由上可知，目前采用“以時計水” 和“以電折水”的測算方法具有較高的準度，可以應用于提水泵站的用水量測算工作。

5 結(jié)語

雖然選取泵站的實測結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)，但“以電計水”參數(shù)不僅受水泵自身參數(shù)、渠道參數(shù)和電機性能影響，同時也受外部環(huán)境影響，因此，需要對不同時期的“以電計水”參數(shù)進行校核計算，才能更加準確的反映水電之間的正確關(guān)系，實現(xiàn)水電之間的轉(zhuǎn)換。隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代的到來，都為水電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)提供足夠的技術(shù)支持。借助數(shù)據(jù)庫，收集各種能夠影響“以電計水”參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)建立“以電計水”參數(shù)的數(shù)學模型，更好地應用在農(nóng)業(yè)水價綜合改革工作中，不斷提升農(nóng)業(yè)水價改革精準度，優(yōu)化我國水資源分配模式。