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。
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。
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]。
(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。
(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。
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。