農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站建設(shè)分析研究

石家莊市水資源綜合服務(wù)中心 楊曉清

1 項(xiàng)目背景

河北省作為水資源匱乏的人口大省，地下水超采總量及超采面積均占全國(guó)的1/3，是超采最為嚴(yán)重的地區(qū)。農(nóng)業(yè)作為河北省最大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水部門，用水量占全省社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量的70%左右，且主要依靠地下水作為供水水源。因此，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)用水管理、優(yōu)化農(nóng)業(yè)水源結(jié)構(gòu)、提升農(nóng)業(yè)用水效率是落實(shí)國(guó)家華北地下水超采綜合治理戰(zhàn)略和解決河北省地下水超采問(wèn)題的核心抓手。開(kāi)展農(nóng)業(yè)用水管理的主要問(wèn)題和首要難點(diǎn)在于解決農(nóng)業(yè)用水，特別是農(nóng)業(yè)用地下水取水的計(jì)量和核算問(wèn)題。河北省現(xiàn)有規(guī)模以上農(nóng)灌機(jī)井超過(guò)100 萬(wàn)眼，但由于農(nóng)灌井“點(diǎn)多、面廣、產(chǎn)權(quán)分散”的分布特點(diǎn)，全部采用水表方式進(jìn)行計(jì)量存在一次性投入成本高、工作量大和后期長(zhǎng)效管理難等客觀問(wèn)題。

近年來(lái)，為解決農(nóng)業(yè)用地下水取水計(jì)量問(wèn)題，河北省大力推行“以電折水”的農(nóng)業(yè)用水計(jì)量核算模式。2017 年，河北省提出了“種植業(yè)、林業(yè)取用地下水未安裝計(jì)量設(shè)施的，按電計(jì)量、以電折水”，并明確了“以電折水”系數(shù)的測(cè)算和管理方式。2019 年提出了進(jìn)一步健全全省地下水監(jiān)測(cè)計(jì)量體系，農(nóng)村地區(qū)暫不具備按照國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)安裝計(jì)量設(shè)施條件的，“要通過(guò)以電折水實(shí)現(xiàn)用水計(jì)量”。2021 年6 月21 日，水利部明確提出了“完善農(nóng)業(yè)取水量折算和推算管理”的要求。

河北省2019～2021 年已建成4619 處農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站，針對(duì)站網(wǎng)密度不足的縣(市、區(qū))，2023年在原有站點(diǎn)基礎(chǔ)上，開(kāi)展站網(wǎng)加密建設(shè)工作。按照全省平原縣基本達(dá)到每1000 眼農(nóng)灌井配置4 眼觀測(cè)井和縣級(jí)行政單元全覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)，全省77 個(gè)縣新建1121處“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站，通過(guò)配置取水量和用電量在線計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，從而提高了全省以電折水系數(shù)的測(cè)算精度，并為核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉地下水開(kāi)發(fā)利用量提供了科學(xué)依據(jù)。

2 農(nóng)業(yè)灌溉水量監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析

隨著管理需求的提高，水量核定工作有了更高的要求。農(nóng)業(yè)灌溉水量計(jì)量方面存在以下問(wèn)題：一是農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)控安裝極少，主要安裝于設(shè)施農(nóng)業(yè)等農(nóng)業(yè)用水大戶，但現(xiàn)存機(jī)井?dāng)?shù)量龐大，實(shí)現(xiàn)逐井計(jì)量難度很大；二是以電折水系數(shù)測(cè)算成果區(qū)域代表性較低，不能充分反映某個(gè)區(qū)域或某個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)系數(shù)；三是管理粗放難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)量，農(nóng)業(yè)用水主要是基層百姓，使用和管理過(guò)程中操作損壞較多；四是農(nóng)業(yè)機(jī)井全部安裝計(jì)量設(shè)施投資，數(shù)目龐大，難以實(shí)現(xiàn)。

綜上分析，采用建設(shè)“以電折水”長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的方式，按照空間均衡布局，從經(jīng)濟(jì)角度和實(shí)用角度來(lái)看，能夠更準(zhǔn)確地分析和掌握不同區(qū)域的以電折水系數(shù)，進(jìn)而結(jié)合用電量數(shù)據(jù)折算農(nóng)灌水量。

3 “以電折水”典型監(jiān)測(cè)站建設(shè)

3.1 “以電折水”典型監(jiān)測(cè)站建設(shè)內(nèi)容

在區(qū)域內(nèi)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站未覆蓋的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可選擇具有一定代表性的典型農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井，建設(shè)典型監(jiān)測(cè)站，長(zhǎng)期觀測(cè)典型機(jī)井的農(nóng)業(yè)灌溉用水“以電折水”系數(shù)，并實(shí)現(xiàn)水量、電量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確計(jì)量和穩(wěn)定傳輸，從而為測(cè)算區(qū)域農(nóng)灌“以電折水”系數(shù)提供有效數(shù)據(jù)保障，并依托省綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)，為科學(xué)開(kāi)展河北省地下水農(nóng)業(yè)灌溉水量核定提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站由水量、電量數(shù)據(jù)采集傳感器、測(cè)控終端（RTU）及通信模塊（DTU）、供電及防雷系統(tǒng)、設(shè)備保護(hù)設(shè)施和必要的管道環(huán)境調(diào)整五大主要部件組成。太陽(yáng)能、蓄電池等電源系統(tǒng)為遙測(cè)終端機(jī)供電，同時(shí)，由于使用了市電、太陽(yáng)能等供電設(shè)備，則需要配備防雷系統(tǒng)，多雷電天氣的地區(qū)應(yīng)增強(qiáng)防雷措施。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站的選定應(yīng)符合典型代表性原則、空間均衡性原則、條件完備性原則及管理方便性原則，所選的典型機(jī)井、水泵、動(dòng)力電纜、提水管道、輸水管道等設(shè)備設(shè)施應(yīng)完好且機(jī)井水電設(shè)備應(yīng)具有良好線性關(guān)系。

3.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)項(xiàng)目依據(jù)“數(shù)據(jù)采集上報(bào)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存處理，數(shù)據(jù)展示應(yīng)用”模式建設(shè)，主要由農(nóng)業(yè)灌溉水量“以電折水”監(jiān)測(cè)站、省級(jí)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)、“河北省農(nóng)田水利工程運(yùn)行管理信息系統(tǒng)”三個(gè)重要部分組成。

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先通過(guò)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集上報(bào)工作，傳感器采集水量、電量等數(shù)據(jù)信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)控終端機(jī)（RTU）對(duì)采集的各類信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行儲(chǔ)存、實(shí)時(shí)整理、報(bào)文生成等處理，最終通過(guò)通信模塊（DTU）將數(shù)據(jù)發(fā)送到省級(jí)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)；省級(jí)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存處理工作后，數(shù)據(jù)由省級(jí)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)推送至“河北省農(nóng)田水利工程運(yùn)行管理信息系統(tǒng)”；系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)展示應(yīng)用工作。省、市、縣水資源管理部門可以實(shí)時(shí)查詢農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，了解用水情況。

3.3.2 集中式監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)配置

按照周邊環(huán)境和安裝形式的不同，監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)劃分為分體式測(cè)站結(jié)構(gòu)和集中式監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)介紹集中式測(cè)站結(jié)構(gòu)。機(jī)井周邊無(wú)防護(hù)機(jī)井房等固定建筑物的考慮集中式，周邊需要占用1*1 平方米空地用于澆筑保護(hù)罩水泥基座，其結(jié)構(gòu)圖詳見(jiàn)圖1，集中式監(jiān)測(cè)站設(shè)備配置詳見(jiàn)表1。

表1 集中式監(jiān)測(cè)站設(shè)備配置表

圖1 集中式測(cè)站整體結(jié)構(gòu)圖

3.3.3 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

農(nóng)業(yè)灌溉水量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)通過(guò)流量、電量監(jiān)測(cè)設(shè)備以及測(cè)控終端對(duì)22 項(xiàng)“以電折水”相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集工作，包括測(cè)站經(jīng)緯度、開(kāi)關(guān)泵時(shí)間、瞬時(shí)流量(m3/h)、本次用電量、本次用水量、累計(jì)電量(kW.h)、累計(jì)流量(m3)、電池電壓(V)等。

3.3.4 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)編碼

為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確接入省數(shù)據(jù)平臺(tái)和未來(lái)河北省水資源管理各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息共享，對(duì)擬建設(shè)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行統(tǒng)一編碼設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)站編碼是一套監(jiān)控計(jì)量設(shè)備的“身份證”，是監(jiān)測(cè)設(shè)備與數(shù)據(jù)中心間進(jìn)行信息對(duì)接的唯一紐帶。數(shù)據(jù)通訊卡是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕M成部分，是將監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)接收中心的唯一路徑。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、機(jī)井編號(hào)、數(shù)據(jù)通訊卡間應(yīng)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3.5 流量監(jiān)測(cè)設(shè)備選型原則

目前常用的遠(yuǎn)傳流量監(jiān)測(cè)設(shè)備按照工作原理設(shè)備主要分為電子遠(yuǎn)傳水表、超聲波水表、插入式超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)四種。流量監(jiān)測(cè)設(shè)備選型應(yīng)符合設(shè)備精度最優(yōu)性、設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性、區(qū)域運(yùn)行穩(wěn)定性、設(shè)備經(jīng)濟(jì)合理性原則。

3.3.6 電量采集設(shè)備選型原則

電量采集設(shè)備又稱為電能表，電能表是用來(lái)測(cè)量電能、采集電量的儀表。電量采集設(shè)備選型原則為設(shè)備質(zhì)量指標(biāo)合格、設(shè)備采集功能齊全、設(shè)備計(jì)量精度最優(yōu)。

3.3.7 測(cè)控終端（RTU）設(shè)備參數(shù)要求

為保證項(xiàng)目建設(shè)的先進(jìn)性和未來(lái)可擴(kuò)展性，以及為未來(lái)河北省水資源監(jiān)測(cè)體系向物聯(lián)網(wǎng)高效架構(gòu)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)預(yù)留擴(kuò)展接口和提升潛力，RTU 系統(tǒng)應(yīng)支持4G 全網(wǎng)通模塊。測(cè)控終端及通訊技術(shù)主要參數(shù)要求如表2 所示。

表2 測(cè)控終端及通訊模塊主要技術(shù)參數(shù)要求

3.3.8 供電系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，不依賴于外部供電，本項(xiàng)目建設(shè)農(nóng)業(yè)灌溉水量監(jiān)測(cè)站，供電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能+蓄電池的方式。

3.3.9 防雷系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)備涉及的防雷系統(tǒng)分為2 類，一類為一般型防雷系統(tǒng)，另一類為增強(qiáng)型防雷系統(tǒng)。

4 效益分析

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站的建設(shè)實(shí)施，可以對(duì)項(xiàng)目區(qū)域以電折水系數(shù)測(cè)算提供科學(xué)依據(jù)，再結(jié)合農(nóng)灌用電量實(shí)際情況，推算項(xiàng)目區(qū)域地下水農(nóng)業(yè)灌溉用水量，從而為核算該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉地下水開(kāi)發(fā)利用量提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)，為進(jìn)一步強(qiáng)化農(nóng)業(yè)用水管理、優(yōu)化農(nóng)業(yè)水源結(jié)構(gòu)、提升農(nóng)業(yè)用水效率提供有效數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為河北省落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度奠定基礎(chǔ)，為推進(jìn)地下水超采綜合治理提供相關(guān)依據(jù)。

農(nóng)業(yè)“以電折水”典型監(jiān)測(cè)站的建設(shè)實(shí)施，反映了區(qū)域農(nóng)灌用水井取水耗電關(guān)系，為科學(xué)測(cè)算農(nóng)灌地下水實(shí)際取水量提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，有效完成了農(nóng)田灌溉取用地下水的計(jì)量，為農(nóng)業(yè)灌溉水資源稅的征收提供了依據(jù)，促進(jìn)了水資源稅改革工作的開(kāi)展，提升了水資源管理的信息化水平。