上海市農(nóng)業(yè)水價改革供水計量方法研究

(上海市水利管理處，上海 200002)

農(nóng)田灌溉用水是上海市重要耗水途徑,其用水量占到全市總用水量的20%左右。實施灌溉用水計量，是加強對用水戶定量考核，實行總量控制、定額管理，促進(jìn)節(jié)水灌溉發(fā)展的重要手段，也是水行政主管部門科學(xué)核定取水許可數(shù)量、建立水權(quán)分配制度的重要依據(jù)。國務(wù)院于2012年發(fā)布了《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，上海市人民政府辦公廳、上海市水務(wù)局也下達(dá)了相關(guān)文件，要求對農(nóng)田灌溉用水進(jìn)行計量。2016年國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革的意見》，要求“建立農(nóng)業(yè)水權(quán)制度，完善供水計量設(shè)施”。上海市政府2017年以市政府1號文件印發(fā)《上海市人民政府辦公廳貫徹<國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革的意見>的實施意見》，明確上海市改革各項重點任務(wù)，明確提出要“結(jié)合農(nóng)田灌溉工程建設(shè)改造探索試點多樣化計量制度”。

1 上海市灌區(qū)基本情況

1.1 灌區(qū)分布基本情況

上海市位于長江三角洲東緣，太湖流域下游，東瀕東海，南臨杭州灣，北依長江口，西接江蘇、浙江兩省，屬平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，降雨豐沛，全市陸域面積6340km2。上海市灌區(qū)數(shù)量多而分散，2017年數(shù)量多達(dá)6683個，除滄海桑田灌區(qū)控制灌溉面積達(dá)到4萬畝，屬于中型灌區(qū)外，其余均為小灌區(qū)。其中，1000畝以上灌區(qū)257個，占比僅3.8%。300畝以下小型灌區(qū)為上海市灌區(qū)的主要類型，占比達(dá)47.7%。2017年農(nóng)業(yè)用水占全市用水總量比例約20%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值占全市GDP僅1%。上海市各灌區(qū)取水方式均為泵站提水，水源為當(dāng)?shù)睾恿鞯乇硭?/p>

若對每個灌區(qū)安裝計量設(shè)施，不僅投資巨大，而且管理不方便，運行成本高。

1.2 灌區(qū)灌溉輸水條件

上海市所有灌區(qū)均為提水型灌區(qū)，灌溉泵站泵型大多數(shù)為軸流泵或混流泵，占全市灌溉泵站類型的96.7%，此兩類水泵進(jìn)出水管道的順直段較短，難以滿足現(xiàn)有大部分管道測流設(shè)備的安裝要求。

上海市灌區(qū)作物類型以水稻、蔬菜為主，其中水稻灌溉以渠道和低壓管道輸水方式為主，蔬菜灌溉以高壓管道(噴滴灌)輸水方式為主。渠道以混凝土渠道為主，有少量土渠，且多為農(nóng)渠；低壓管道多采用PE管材，有少量混凝土管道，干管管徑在600～800mm之間，田間采用地面灌溉方式；高壓管道以PE、PVC管居多，干管管徑在100～200mm之間。

在兩種管道輸水方式中，低壓管道輸水管道埋于地下，且部分輸水管道采用混凝土材料，材料均勻度差，給管道測流帶來困難。同時部分低壓管道灌溉的灌區(qū)具有較大的出水池，且出水池連接管道，難以達(dá)到流速儀安裝的條件。但對于高壓管道輸水方式，輸水管道順直段較長，口徑較小，滿足管道量水條件。

2 上海市適宜的測流方法

目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水測流方法大致可歸納為以下幾類[1]：

a.灌溉渠系上設(shè)有各種類型的配套建筑物，如水閘、渡槽、倒虹吸、涵管、跌水等。這些建筑物的過流符合一定的量水水力學(xué)條件，即可用于量水。

b.在斷面穩(wěn)定、沒有回水影響的渠段內(nèi)，設(shè)置水尺觀測水位，利用率定好的水位-流量關(guān)系，求得流量，簡便易行，設(shè)備費用低，容易為群眾所掌握。關(guān)鍵是測流渠段的水流應(yīng)不受下游節(jié)制閘或壅水建筑物回水的影響，如果該斷面不為臨界水深，往往難以判別，需通過多次過水，憑經(jīng)驗確定。

c.采用特設(shè)量水設(shè)備測流。特設(shè)量水設(shè)備一般由行進(jìn)渠槽、量水建筑物和下游段三部分組成，如量水堰、量水槽等。其通過量水建筑物主體段過水?dāng)嗝娴目茖W(xué)收縮，使上下游形成一定的水位差，從而得到較為穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系。但不可避免地會帶來一定的水頭損失，使用時應(yīng)根據(jù)具體邊界條件和不同的精度要求，選擇相應(yīng)的特設(shè)設(shè)備。

d.利用水表、電磁流量計、超聲波流量計等儀器自動計量，其結(jié)構(gòu)簡單、量測直觀、計量簡便，同時能累計水量。

e.間接估算方法進(jìn)行計量，如用水定額推算、水泵用電量、耗油量數(shù)據(jù)間接估算等。此類方法各地采用較多，因量水設(shè)備配套不完善等問題無法進(jìn)行直接計量的，基本上采用此類方法。

根據(jù)上海市灌區(qū)的特點，適于該地灌區(qū)的取水量計量方法有兩種，即直接量測法和間接量測法。

2.1 直接量測法

直接量測法適宜的設(shè)備包括水表、電磁流量計、超聲波流量計等，通過測定渠道、管道流速，根據(jù)過水面積和過水時間，直接測定累積水量。具體分類如下：

a.對于明渠輸水灌區(qū)，適宜采用旋槳流速儀或超聲波流速儀。

b.水質(zhì)良好的高壓輸水灌區(qū)，采用超聲波流量計、電磁流量計；微灌灌區(qū)可采用水表。

c.已建成的低壓管道灌溉區(qū)，出水池較大時，可采用基于體積法的水位-流量法；不能采用該方法時，混凝土管道可采用嵌入式超聲波流量計法。

該類方法量測準(zhǔn)確度高，但需要專門的儀器設(shè)備，建設(shè)和運行費用高，且對于管道輸水灌區(qū)還需要有較長的順直段，才能滿足設(shè)備安裝要求。上海市在進(jìn)行泵站信息化改造時，對部分符合安裝管道量水設(shè)備的灌區(qū)，安裝了水表、超聲波流速儀、電磁流量計等設(shè)備直接進(jìn)行農(nóng)業(yè)用水計量，為泵站取水計量提供了技術(shù)支撐。

2.2 間接量測法

間接量測法即電量折算法，是通過獲取泵站提水耗電量和單位電量的提水量，對泵站取水量進(jìn)行測算。電量折算法的理論基礎(chǔ)是，在較短時間內(nèi)，若泵站的凈揚程變化不大，泵站單位電量的提水量是穩(wěn)定的,或者單位電量提水量與凈揚程之間有穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系，可根據(jù)凈揚程對其進(jìn)行修正。上海市采用電量折算法有幾個工作基礎(chǔ)：

a.上海市各灌區(qū)均為提水灌區(qū)，有獨立的提水泵站，電量獲取成本低，可操作性強。加上近年來上海市部分泵站安裝了智能電表，可遠(yuǎn)程在線監(jiān)測泵站耗電量，為采用電量折算法提供了技術(shù)支撐。

b.灌區(qū)從河道取水，灌水期間內(nèi)河水位變化不大，單位電量提水量比較穩(wěn)定。上海地處南方河網(wǎng)地區(qū)，為了防汛排澇安全，各區(qū)均對河道水位進(jìn)行調(diào)控，灌溉季節(jié)內(nèi)河水位變幅較小，泵站揚程變化不大。暴雨后水位雖上漲較快，但雨后灌水情況較少，影響不大。因此，灌溉期內(nèi)泵站凈揚程變化較小。對于凈揚程變化不大的泵站，其性能曲線變化是穩(wěn)定的，可通過測定不同揚程下單位電量的提水量，獲得兩者之間的函數(shù)關(guān)系。

3 以電折水法及其計算公式

采用以電折水法時，指定灌區(qū)作物生育期內(nèi)的取水量可采用式(1)計算：

(1)

式中：Vg為生育期內(nèi)灌區(qū)取水量，m3；Ws為泵站單位電量的提水量，m3/(kW·h),根據(jù)實測結(jié)果確定；Ei為灌區(qū)泵站第i次灌水的耗電量，kW·h，可由智能電表或普通電表獲得；N為生育期內(nèi)的灌水次數(shù)。

當(dāng)缺少實測條件，無法獲取單位電量提水量時，可采用參考泵站法和經(jīng)驗估算法進(jìn)行估算。

3.1 參考泵站法

根據(jù)泵站類型、傳動方式、水泵揚程、配套電機(jī)、使用年限等參數(shù)，參照臨近類似灌區(qū)實測值取值。

水泵類型是影響單位電量提水量的重要因素。上海市灌區(qū)的泵站揚程一般較低。相同揚程條件下，混流泵單位電量的提水量較軸流泵增加5%～10%。因此首先選擇相同類型的水泵進(jìn)行比較。

金山區(qū)泵站效率測試結(jié)果表明：揚程是影響水泵效率的主要因素。尤其是揚程不在高效區(qū)的泵站，揚程變化會導(dǎo)致效率的劇烈變化，見圖1。

圖1 揚程-效率關(guān)系

由圖1可以看出，上海市渠道輸水灌溉的泵站，絕大部分揚程在1.00～2.00m之間，泵站效率在30%～45%左右?，F(xiàn)場調(diào)查來看，水泵型號以350ZLB-125居多，其設(shè)計揚程3.50m左右，與實際揚程有所差異，導(dǎo)致效率降低，且總體隨著揚程的下降而降低。

如松江區(qū)的黃泥涇灌溉泵站，測試正常運行工況時揚程為Hst1=1.23m，流量為Q1=0.24m3/s，電機(jī)輸入功率為P1=8.94kW，裝置效率為η1=32.36%；壅高出水池水位后，測試揚程為Hst2=2.12m，流量為Q2=0.21m3/s，電機(jī)輸入功率為P2=11.24kW，裝置效率為η2=38.82%。

因此，在泵型相同時，要選擇揚程盡量一致的實測泵站作為參考站。

傳動方式對傳動效率影響較大。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果分析，采用皮帶傳動的水泵，較直接傳動低4%～8%。但其影響低于揚程的影響。

再次是配套電機(jī)。不少泵站存在電機(jī)與水泵功率配套不合理現(xiàn)象，存在“大馬拉小車”情況，這種配套不合理問題使得電機(jī)效率較低，進(jìn)而影響到泵站的裝置效率。因此，要盡量選擇水泵和配套電機(jī)相同的泵站。

相同情況下，泵站運行年限的增加，會造成機(jī)械效率的降低。另外，出水口和控制閘門的老化，也會導(dǎo)致進(jìn)入渠道系統(tǒng)的水量減少，導(dǎo)致單位電量提水量下降。

3.2 經(jīng)驗估算法

上海市灌溉泵站均為提水泵站，有單獨電表，參考該市灌溉泵站多年的灌溉水量和電量的數(shù)據(jù)成果，可采用式(2)進(jìn)行用水量的估算：

(2)

式中：Wg為“以電折水”系數(shù)，m3/(kW·h)；e為泵站能源單耗(將1000m3水提升1m所消耗的電量)，kW·h/(1000m3·m)；H為泵站提水期平均揚程，m。

e與水泵型號、傳動形式、泵站運行年限、管理水平有關(guān)。運行年限越長、管理水平越低，該值取值越大。

根據(jù)近年來全市小型水泵裝置效率測試成果，上海市灌溉泵站e取值區(qū)間在5.0～9.5之間(泵站裝置效率30%～54%)。對個別設(shè)施管護(hù)情況較差、年代久遠(yuǎn)的泵站，取值可擴(kuò)大到9.5～14.0。

上海市低壓灌溉泵站取值區(qū)間為3～8m，高壓灌溉泵站取值區(qū)間為20～40m。在缺少實際揚程時，可采用式(3)進(jìn)行折算：

H=αH凈

(3)

式中：H凈為泵站凈揚程，m;α為揚程擴(kuò)大系數(shù)，取值在1.1～1.2之間，混流泵取小值，軸流泵取大值。

上海小灌區(qū)采用的水泵主要是設(shè)計揚程為3～4m和6～8m的兩種泵型。由于實際揚程較小，導(dǎo)致效率降低。

a.軸流泵、混流泵：泵站設(shè)計揚程為小于等于4m的灌區(qū)，e取5.0～9.0。揚程大者、使用年限小者、管理水平高者、采用直聯(lián)傳動者，取小值，否則取大值。

泵站使用年限≤5年、凈揚程≥2.0m，取5.0～6.0；

泵站使用年限≤5年、凈揚程<2.0m，取5.5～6.5；

泵站使用年限≤10年、凈揚程≥2.0m，取6.0～7.0；

泵站使用年限≤10年、凈揚程<2.0m，取6.5～7.5；

泵站使用年限≤15年、凈揚程≥2.0m，取7.0～8.0；

泵站使用年限≤15年、凈揚程<2.0m，取7.5～8.5；

泵站使用年限>15年，取8.0～9.0。

b.軸流泵、混流泵：泵站設(shè)計揚程大于4m的灌區(qū)，e取7.0～9.5。揚程大者、使用年限小者、管護(hù)情況好者、采用直聯(lián)傳動方式的，取小值，否則取大值。

泵站使用年限≤5年、凈揚程≥3.0m，取7.0～7.5；

泵站使用年限≤5年、凈揚程<3.0m， 取7.5～8.0；

泵站使用年限≤10年、凈揚程≥3.0m，取7.5～8.5；

泵站使用年限≤10年、凈揚程<3.0m，取8.0～9.0；

泵站使用年限≤15年、凈揚程≥3.0m，取8.5～9.0；

泵站使用年限≤15年、凈揚程<3.0m，取9.0～9.5；

泵站使用年限>15年，取9.5～14.0。

c.離心泵：e取5.0～7.0。使用年限小者、管理水平高者，取小值，否則取大值。

泵站使用年限≤5年，取5.0～5.5；

泵站使用年限≤10年，取5.5～6.0；

泵站使用年限≤15年，取6.0～6.5；

泵站使用年限>15年，取6.5～7.0。

4 結(jié) 語

以電折水法計算公式及e值取值范圍的界定，為上海市農(nóng)業(yè)水價綜合改革每個灌溉泵站和灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水計量提供了操作性較強的方式和方法，為上海市農(nóng)業(yè)用水總量實行定額控制打下了堅實基礎(chǔ)。

綜上所述，上海市灌區(qū)數(shù)量多、分布散，灌溉泵站均為小型提水泵站，有獨立電表，可采用“按電計量、以電折水”為主的估算方式，輔以水表、電磁流量計等直接計量方式。