甘肅金昌市清河灌區(qū)地下水資源管理

楊永明

(甘肅省金昌市永昌縣清河水利管理處，甘肅 金昌 737206)

清河灌區(qū)地下水水源是石羊河流域地表水，灌區(qū)地下水綜合補(bǔ)給量8764 萬m3，地下水允許開采量8764 萬m3，現(xiàn)開采量12209.12 萬m3，超采3445.12 萬m3。石羊河流域水資源公報(bào)顯示，2013 年漏斗周邊水位埋深8.51～21.38 m，漏斗中心水位埋深15.70 m，灌區(qū)內(nèi)南沙河、長(zhǎng)湖子河均無水流。

清河灌區(qū)是永昌縣唯一的純井灌區(qū)，經(jīng)過永昌縣2016 年農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目的順利實(shí)施，所有機(jī)井完成了智能化計(jì)量設(shè)施的升級(jí)改造，基本實(shí)現(xiàn)了水管單位對(duì)地下水取水的有效控制。

一、清河灌區(qū)生態(tài)環(huán)境

永昌縣清河灌區(qū)位于永昌縣城東北部，東靠民勤縣蔡旗鄉(xiāng)，南以北砂河為界與武威市涼州區(qū)相鄰，西以蘭新鐵路為界與永昌縣六壩鄉(xiāng)接壤，北以龍口山、饅頭山為界與金昌市金川區(qū)雙灣鄉(xiāng)相接，東西長(zhǎng)37 km，南北寬30 km，總面積1005.17 km2，自然縱坡3/1000～17/1000，地勢(shì)平坦，區(qū)域遼闊。灌區(qū)地處石羊河流域的洪積、沖擊平原，境內(nèi)地貌受構(gòu)造、巖性、河流等內(nèi)外引力作用的影響，地勢(shì)由西南向東北傾斜。

灌區(qū)地處亞洲大陸腹地的中溫帶干旱區(qū)，屬大陸性干旱氣候，太陽輻射強(qiáng)，日照充足，夏季炎熱，冬季寒冷，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)，有較明顯的氣候差異。永昌縣氣象局多年氣象資料表明，該區(qū)年平均氣溫4.3～24.3℃，年平均降水量120～130 mm，平均蒸發(fā)量是降水量的11 倍，年平均日照時(shí)數(shù)2933 h，平均風(fēng)速2.3 m/s，最大風(fēng)速3.4 m/s，多年凍土層深度1.5 m，全年無霜期150～160 天。

二、地下水資源管理時(shí)期

1、無法監(jiān)管時(shí)期

2010 年石羊河流域綜合治理項(xiàng)目實(shí)施之前，清河灌區(qū)水管單位在機(jī)井上無任何管控設(shè)備，灌區(qū)地下水開采呈無序狀態(tài)，群眾隨意抽取，水管單位無法監(jiān)管。每畝地每年2 元的基本水費(fèi)征收困難，水管單位無抓手；按方收取的水費(fèi)由于無計(jì)量設(shè)施沒有收費(fèi)依據(jù)，無法征收。該時(shí)期雖然清河灌區(qū)的實(shí)際灌溉面積達(dá)30萬畝以上，但每年征收的水費(fèi)只有幾萬元，水資源管理工作無抓手成為制約整個(gè)清河灌區(qū)水利事業(yè)發(fā)展的主要因素[1]。

2、基本控制時(shí)期

（1）基本硬件設(shè)備

葉輪式脈沖水表、智能IC 卡控制模塊、斷路器（加裝勵(lì)磁感應(yīng)線圈的空氣開關(guān)）。

（2）設(shè)備工作原理

用戶通過IC 卡購(gòu)水后，將IC 卡中的水量通過接觸刷卡上傳到智能IC 卡控制模塊中，手動(dòng)閉合斷路器開始用水；用水時(shí)葉輪水表計(jì)量用水量，并通過脈沖信號(hào)將用水信息傳送至控制模塊，沖減模塊中的剩余水量；用戶停止用水時(shí)通過刷卡向模塊發(fā)送停井信號(hào)，模塊收到指令后向斷路器發(fā)送信號(hào)，通過勵(lì)磁線圈自動(dòng)斷開空氣開關(guān)完成停井。若控制模塊中的剩余水量在抽水時(shí)耗盡，則控制模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)出停井指令，空氣開關(guān)自動(dòng)斷開，機(jī)井停止抽水，此時(shí)用戶無法自行閉合開關(guān)，只有通過購(gòu)買水量刷卡至模塊中才能再次啟動(dòng)機(jī)井抽水[2]。

（3）管理模式

清河水管處在朱王堡鎮(zhèn)、水源鎮(zhèn)水管所設(shè)立專門的繳費(fèi)充水室，用戶攜帶IC 卡到水管所進(jìn)行交費(fèi)充水，之后再返回刷卡取水。

（4）管理優(yōu)點(diǎn)

該套設(shè)備的使用使清河灌區(qū)水資源管理邁入全新時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下水取水的基本控制，基本水費(fèi)和水資源費(fèi)得到了基本保障。

（5）管理缺點(diǎn)

設(shè)備采用的水表為葉輪式機(jī)械水表，由于清河灌區(qū)地下水含沙量較大，葉輪水表極易由于泥沙堵塞發(fā)生停止計(jì)量故障，進(jìn)而導(dǎo)致水表傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，設(shè)備跳閘頻繁，極大地影響了生產(chǎn)生活用水。

設(shè)備房為磚混結(jié)構(gòu)，清河灌區(qū)每年約有5%～10%機(jī)井需要更新，更新后需要重新修建，浪費(fèi)較大，而且新建房成本較高。

設(shè)備管理房設(shè)計(jì)在井口旁，水泵電纜從設(shè)備管理房斷路器引出后接入機(jī)井水泵，地面部分電纜掩埋。管理房?jī)H能保護(hù)斷路器，管理房到井口的電纜可以輕易挖出，不但存在一定的安全隱患，而且易發(fā)生偷水事件。露在管理房外的電纜剪斷后直接與電源連接就會(huì)直接繞過計(jì)量設(shè)備進(jìn)行取水，給管理工作帶來一定難度。

機(jī)井計(jì)量設(shè)備無遠(yuǎn)程傳輸、監(jiān)控裝置，只有水管員在檢查機(jī)井時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)計(jì)量設(shè)備存在的問題，工作強(qiáng)度大大提高。

管理房使用普通掛鎖，易遭到破壞，對(duì)內(nèi)部設(shè)備的保護(hù)能力不強(qiáng)，易發(fā)生偷水事件。

3、有效控制時(shí)期

（1）項(xiàng)目基本情況

永昌縣2016 年農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目，由甘肅省水利廳以甘水水管發(fā)〔2016〕93 號(hào)文批準(zhǔn)建設(shè)，項(xiàng)目法人為永昌縣農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革項(xiàng)目建設(shè)管理處，建設(shè)資金來自中央財(cái)政補(bǔ)助資金和地方配套資金。項(xiàng)目于2016 年5 月23 日在金昌市公共資源交易中心網(wǎng)站發(fā)布招標(biāo)公告，2016 年6 月27 日完成招標(biāo)工作。

工程主要建設(shè)內(nèi)容為：在原有機(jī)井智能化設(shè)備基礎(chǔ)上升級(jí)改造智能化機(jī)井計(jì)量設(shè)施1203 套，其中清河灌區(qū)1141 眼，四壩灌區(qū)62 眼。建立地下水智能化管理系統(tǒng)1 套。規(guī)范建設(shè)農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)24 個(gè)。智能化計(jì)量設(shè)施采用水量計(jì)量非常精確的超聲波水表，通過直接安裝在井口的控制柜，達(dá)到對(duì)機(jī)井取水的有效控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)井的遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控等[3]。

施工中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)井口設(shè)備箱底座地坪不穩(wěn)定，易塌陷損壞，同時(shí)砼澆施工點(diǎn)多面廣，單點(diǎn)工程量小，砼澆質(zhì)量不易控制，施工耗時(shí)較多。清河水管處工作人員創(chuàng)造性發(fā)明了金屬結(jié)構(gòu)底座，大大加快了施工進(jìn)度，同時(shí)也保證了施工質(zhì)量，該項(xiàng)發(fā)明已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。

（2）基本硬件設(shè)備

超聲波水表、智能IC 卡控制模塊（石羊河項(xiàng)目使用的舊模塊）、主控制開關(guān)、遠(yuǎn)程通訊模塊RTU、內(nèi)置刷卡電子鎖。

（3）設(shè)備工作原理

該套設(shè)備工作原理與石羊河項(xiàng)目安裝的計(jì)量設(shè)施基本相同，用戶通過IC 卡購(gòu)水后，通過接觸刷卡上傳到卡控制模塊中，手動(dòng)閉合斷路器開始用水；用水時(shí)超聲波水表開始計(jì)量用水量，并將用水信息傳送至控制模塊，沖減模塊中的剩余水量；用戶停止用水時(shí)通過刷卡向模塊發(fā)送停井信號(hào)，收到指令后向斷路器發(fā)送信號(hào)，通過勵(lì)磁線圈自動(dòng)斷開空氣開關(guān)完成停井。若控制模塊中的剩余水量在抽水時(shí)耗盡，則控制模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)出停井指令，空氣開關(guān)自動(dòng)斷開，機(jī)井停止抽水。

機(jī)井運(yùn)行中，遠(yuǎn)程通訊模塊RTU 將用水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過無線信號(hào)發(fā)送至灌區(qū)信息中心，機(jī)井管理員可以登錄管理平臺(tái)掌握機(jī)井用水的實(shí)時(shí)信息。管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程停泵功能，管理員在后臺(tái)發(fā)現(xiàn)機(jī)井存在非法取水行為后可以遠(yuǎn)程關(guān)閉水泵，用戶無法再次自行啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水。

（4）管理模式

管理模式與之前石羊河流域項(xiàng)目實(shí)施后的管理模式基本一致，用戶攜帶IC 卡到設(shè)立在鎮(zhèn)區(qū)的水管所進(jìn)行交費(fèi)充水，之后返回刷卡取水。

（5）管理優(yōu)點(diǎn)

采用超聲波水表極大提高了水量計(jì)量的精準(zhǔn)度。超聲波水表內(nèi)部無活動(dòng)部件、無阻流元件，徹底解決了泥沙堵塞水表引起的跳閘問題。

計(jì)量設(shè)施控制箱直接安裝在井口，沒有外漏的電纜，任何人不能繞過計(jì)量設(shè)施進(jìn)行取水。

箱體鎖閉采用內(nèi)置電磁鎖，只有機(jī)井管理員通過專用管理卡刷卡后才能打開設(shè)備箱門，基本杜絕了破壞計(jì)量設(shè)施、繞過計(jì)量設(shè)施非法取水的問題。

控制箱通過統(tǒng)一尺寸的金屬結(jié)構(gòu)底座與進(jìn)口連接，在舊井更新時(shí)整套設(shè)備可以全部轉(zhuǎn)移至新井繼續(xù)使用，極大降低了舊井更新后的二次安裝成本。

新建的機(jī)井管理信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)井的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過管理平臺(tái)可以全面掌握每眼井的運(yùn)行狀態(tài)?？杉皶r(shí)發(fā)現(xiàn)存在運(yùn)行故障的機(jī)井，減輕了機(jī)井巡查工作強(qiáng)度。

（6）管理缺點(diǎn)

目前使用的核心控制模塊已連續(xù)運(yùn)行6 年以上，設(shè)備較為陳舊，時(shí)常因短路或模塊本身故障原因引起跳閘。灌溉期跳閘嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，再次抽水灌溉時(shí)渠道產(chǎn)生的滲漏水量群眾不愿承擔(dān)，反映強(qiáng)烈。

目前使用的控制模塊與灌區(qū)已安裝的超聲波水表存在匹配問題。超聲波水表計(jì)量精準(zhǔn)、抗泥沙干擾能力強(qiáng)，但對(duì)工作環(huán)境要求較高，只有在機(jī)井滿管水時(shí)才能正常計(jì)量。用水高峰期，地下水位急劇下降，部分機(jī)井抽水為半管水，水表就無法采集數(shù)據(jù)。目前使用的控制模塊工作方式為單一的采集水表信息或手動(dòng)設(shè)置時(shí)間控制計(jì)量，模塊接收不到水表數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)向斷路器發(fā)出錯(cuò)誤指令，導(dǎo)致機(jī)井頻繁跳閘，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，群眾意見較大。

清河灌區(qū)1141 眼機(jī)井零星分布在清河灌區(qū)約1000 km2的土地上。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，50%以上機(jī)井距鎮(zhèn)區(qū)水管所超過10 km。用水高峰期現(xiàn)有機(jī)井計(jì)量設(shè)施故障頻發(fā)，維修路程較遠(yuǎn)，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，群眾反映強(qiáng)烈，同時(shí)也給群眾充水交費(fèi)帶來一定困難。

三、地下水資源管理優(yōu)化措施

針對(duì)計(jì)量設(shè)施核心控制模塊較為陳舊、模塊與已安裝的超聲波水表存在匹配缺陷的問題，灌區(qū)在2017 年夏秋灌期間試裝了一部分最新的智能集成模塊進(jìn)行試驗(yàn)。該模塊在超聲波水表無法采集數(shù)據(jù)時(shí)可將計(jì)量方式自動(dòng)切換為時(shí)間計(jì)量，當(dāng)超聲波水表恢復(fù)數(shù)據(jù)采集時(shí)又可以自動(dòng)切換為水表計(jì)量，大大降低了跳閘頻率，減輕了機(jī)井管理人員的工作強(qiáng)度，群眾滿意度較高。經(jīng)過試運(yùn)行，可滿足灌區(qū)的機(jī)井管理需求，灌區(qū)計(jì)劃對(duì)所有機(jī)井計(jì)量設(shè)施控制模塊進(jìn)行統(tǒng)一更換。

針對(duì)機(jī)井分布分散、管理人員維修成本高、群眾交費(fèi)路程遠(yuǎn)的問題，水管處計(jì)劃在水源鎮(zhèn)宋家溝村、朱王堡鎮(zhèn)鄭家堡村各成立1 個(gè)機(jī)井管理站，按片區(qū)管理，降低維修時(shí)間成本，同時(shí)方便群眾充水交費(fèi)。

為進(jìn)一步提高灌區(qū)機(jī)井管理信息化、智能化水平，清河灌區(qū)計(jì)劃通過“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，開發(fā)一款機(jī)井充水交費(fèi)專用手機(jī)APP，用水戶不用到鄉(xiāng)鎮(zhèn)水管所，直接通過手機(jī)APP 就能完成充水交費(fèi)。同時(shí)，在各村配備1 臺(tái)充值繳費(fèi)一體機(jī)，用水戶可以在家門口完成充水交費(fèi)，既方便了群眾，又減輕了運(yùn)行管理成本。