河北省取水在線計量監(jiān)控項目設(shè)計與實施效果分析

□郭中磊 孫佳瑋

河北省屬于嚴(yán)重資源型缺水省份，地處環(huán)渤海和京津兩大重點發(fā)展地區(qū)，是我國東部沿海重要的人口大省、經(jīng)濟大省和糧食大省。近年來，河北經(jīng)濟快速發(fā)展，需水量劇增，水資源短缺問題更加凸顯。2014 年，河北開展地下水超采綜合治理，探索運用工程措施、管理措施開展地下水綜合治理工作，明確提出將開展取用水在線計量監(jiān)控體系建設(shè)作為地下水超采綜合治理體制創(chuàng)新工作。自2015 年起，河北省開展取用水在線監(jiān)控體系建設(shè)，計劃通過強化取水計量和信息化監(jiān)控能力，有力保障和跟蹤全省地下水壓采工作的切實落地，為水價改革、水權(quán)確權(quán)等重要水資源創(chuàng)新管理模式的順利施行，提供必要的軟硬件基礎(chǔ)條件。

1.項目建設(shè)總體原則

確定監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)形式，首先調(diào)查摸底項目區(qū)內(nèi)的取用水戶信息，根據(jù)規(guī)劃布局確定安裝范圍和順序，同時要提出項目設(shè)計原則。

1.1 在線監(jiān)控項目設(shè)計原則

在線監(jiān)控項目要保證建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性，方案設(shè)計遵循以下5 點原則。

標(biāo)準(zhǔn)化原則。在線監(jiān)測站設(shè)備硬件、軟件以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面執(zhí)行國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證新建測站、原有測站和系統(tǒng)的無縫對接。

適應(yīng)性原則。應(yīng)充分考慮氣候、用水行業(yè)、水資源管理需求等特征情況，針對項目區(qū)自身特點和功能需求選擇設(shè)備設(shè)施。

先進(jìn)性原則。要充分引進(jìn)和吸收在線監(jiān)控領(lǐng)域的最新技術(shù)水平，對使用效果已經(jīng)市場驗證且運行穩(wěn)定的新型先進(jìn)設(shè)備，應(yīng)優(yōu)先推薦使用。

經(jīng)濟性原則。應(yīng)堅持先進(jìn)性與實用性并重，在堅持使用統(tǒng)一且高標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，要保障設(shè)備價格的合理性和可行性，以最小的投入獲得最大的產(chǎn)出。

可維護(hù)性和安全性原則。建設(shè)完成的設(shè)施設(shè)備應(yīng)便于建設(shè)單位后期管理和維護(hù)，同時降低建設(shè)施工、后期運行和管理維護(hù)成本和安全風(fēng)險。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)的確定

取水在線計量監(jiān)控項目系統(tǒng)架構(gòu)采用監(jiān)控點采集數(shù)據(jù)后直接傳輸至河北省水資源與節(jié)水綜合業(yè)務(wù)平臺（以下簡稱“省平臺”），省平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，處理后的數(shù)據(jù)供各級管理人員使用。在線監(jiān)控站點設(shè)備支持發(fā)送多個系統(tǒng)平臺，可滿足市、縣自建平臺接收本級數(shù)據(jù)信息需求。監(jiān)控站點和省級以下平臺數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)符合《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》的報文要求，按照每小時1 條上報頻率，在正點時刻向省平臺報送，市、縣自建監(jiān)控站點低于省平臺上報頻率，應(yīng)調(diào)整監(jiān)控站點傳輸上報頻次達(dá)到省平臺接收要求后，才可以將監(jiān)控站點數(shù)據(jù)接入省平臺。省、市、縣各級水資源管理部門可通過省平臺查詢監(jiān)控站點的小時水量和月度計稅水量，從而對取用水戶進(jìn)行管理工作。

1.3 取用水戶選擇

按照相關(guān)管理政策和區(qū)域用水特點，以及資金的使用效率，突出工作重點，提高在線監(jiān)測水量覆蓋比例，優(yōu)先選擇項目區(qū)內(nèi)取用水量較大用水戶安裝在線監(jiān)測設(shè)備，作為省級監(jiān)控的監(jiān)測站點。按照年取水量大于5 萬m3以上、1 萬m3~5 萬m3、1 萬m3以 下 的3 個 層 級安裝在線監(jiān)測設(shè)備，逐步實現(xiàn)項目區(qū)取用水戶在線監(jiān)控全覆蓋。對于地下超采綜合治理范圍內(nèi)的企業(yè)，按照相關(guān)政策有要求停止使用地下水或近期切換為地表水等其他水源需關(guān)井等情況，暫不考慮安裝在線監(jiān)控設(shè)施。

2.流量計的選型原則

流量計是監(jiān)測站點中最主要的監(jiān)測設(shè)備，其選型應(yīng)首要考慮經(jīng)濟原則，計量精度相差較小或較低計量精度即可滿足管理需求時，不宜一味追求價格過高的高標(biāo)準(zhǔn)計量設(shè)備，可結(jié)合資金預(yù)算情況，尋求計量精度和投資成本間的最佳平衡點。

2.1 監(jiān)測站點結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

監(jiān)測站點是利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集終端Remote Terminal Unit（以下簡稱“RTU”），數(shù)據(jù)采集終端RTU 對采集的各類信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、整理、報文生產(chǎn)等工作，最終通過通信終端Data Transfer Unit（以下簡稱“DTU”）將數(shù)據(jù)發(fā)送到省平臺，市電電池等供電設(shè)備為遙測終端機的運行提供電源。監(jiān)測站點結(jié)構(gòu)選型是根據(jù)安裝條件和傳輸要求綜合比較分析確定。

2.1.1 分體式監(jiān)測站及其特點

分體式監(jiān)測站點主要是將計量設(shè)施與遙測終端機分開放置，需要配備設(shè)備箱等設(shè)備，該類設(shè)備一般通過市電、太陽能、蓄電池等電源系統(tǒng)為遙測終端機供電。該類監(jiān)測站優(yōu)點：具備充電裝置，可適用于發(fā)訊頻率較高的監(jiān)測站點。缺點：使用市電、太陽能等供電設(shè)備，使得整個系統(tǒng)的防雷性能較差，需要配備防雷系統(tǒng)，如果處于雷電天氣的地區(qū)，應(yīng)增強防雷措施。分體式監(jiān)測站點結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 分體式監(jiān)測站點結(jié)構(gòu)

2.1.2 一體式監(jiān)測站及其特點

一體式監(jiān)測站點是將遙測終端機、通訊模塊等設(shè)備集成到一起，不再配備設(shè)備箱等相關(guān)設(shè)備，該類設(shè)備的優(yōu)點是安裝簡單，不用配備防雷電設(shè)備，缺點是該類監(jiān)測站點利用內(nèi)置鋰電池供電，對于監(jiān)測頻次較高的監(jiān)測站點，電池壽命相對較短。一體式監(jiān)測站點結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 一體式監(jiān)測站點結(jié)構(gòu)

2.2 流量計的選擇

電子遠(yuǎn)傳水表是以普通的機械式冷（熱）水表為基礎(chǔ)，加上遠(yuǎn)傳輸出系統(tǒng)構(gòu)成，直接讀取傳輸水量。超聲波水表是當(dāng)聲波在液體中傳播時，液體的流動會使順流以及逆流的傳播時間產(chǎn)生變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，通過計算傳播時間的差距獲得水流的速度，從而計算出流量。電磁管道流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量感應(yīng)電勢的大小計算流量。流量計需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、安裝條件、測量精度要求和經(jīng)濟性等綜合因素比選后確定。

2.2.1 流量計的精度選擇

在理想狀況下，電磁流量計理論計量精度高于超聲波流量計（多聲道流量計高于單聲道流量計），電子遠(yuǎn)傳水表計量精度最低。因此在設(shè)備選型中，應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)備的基準(zhǔn)計量精度水平。但在流量計安裝環(huán)境良好的條件下，優(yōu)先考慮電磁流量計和超聲波流量計。如現(xiàn)場條件較好，面對兩種流量計均能夠滿足安裝條件時，其內(nèi)部計量原理相同結(jié)構(gòu)不同，應(yīng)優(yōu)先選用最穩(wěn)定的計量結(jié)構(gòu)，例如在可以斷水安裝計量設(shè)施的條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇穩(wěn)定性更好、后期運維更成熟的管段式設(shè)備，盡量避免選用插入式或外夾式的計量安裝結(jié)構(gòu)。

2.2.2 流量計使用經(jīng)驗

近年來，全省開展實施了大量取水在線計量監(jiān)控項目，在項目實施和運行過程中積累了豐富經(jīng)驗，通過梳理總結(jié)出設(shè)備使用的8 點經(jīng)驗，一是在高含沙水測量環(huán)境下，不宜選擇電子遠(yuǎn)傳水表和插入式測量設(shè)備，其接觸部件易損壞；二是強電磁影響環(huán)境下，不宜選擇脈沖式電子遠(yuǎn)傳表和電磁流量計，設(shè)備精度易受干擾，如確需使用的，應(yīng)最大限度提高設(shè)備本身和安裝材料的電磁安全屏蔽水平，避免造成異常數(shù)據(jù)影響；三是計量設(shè)施安裝環(huán)境較差、管護(hù)水平較弱的情況下，不宜選擇外夾式或插入式計量設(shè)備，設(shè)備易遭受外部損壞，導(dǎo)致減少設(shè)備壽命和降低計量精度，如確需使用此類設(shè)備的應(yīng)增加計量設(shè)施保護(hù)措施；四是供電條件不穩(wěn)定時，不宜使用能耗較高的電磁流量計；五是管徑小于DN50 的管道，由于不宜安裝，因此不宜使用插入式設(shè)備；六是平直管段不滿足超聲波設(shè)備要求且不具備改造條件時，可適當(dāng)考慮更換使用對平直管段長度要求較低的電磁流量計或電子遠(yuǎn)傳水表；七是不可斷水安裝的場所，應(yīng)考慮插入式或外夾式等可帶水作業(yè)的計量設(shè)備；八是管道材質(zhì)為鑄鐵、塑料等非鋼制材料時，選用插入式或外夾式計量設(shè)備應(yīng)添加相應(yīng)管徑的標(biāo)準(zhǔn)卡具。

2.2.3 特殊監(jiān)控站點流量計的選擇

監(jiān)控站點現(xiàn)場查勘過程中，如無法依據(jù)技術(shù)條件進(jìn)行分析選擇水量監(jiān)測設(shè)備，確定設(shè)備類型，可參照項目區(qū)已建設(shè)監(jiān)控點設(shè)備選型和實際適應(yīng)性情況，優(yōu)先考慮項目區(qū)運行較好的監(jiān)測設(shè)備類型，這樣選擇的設(shè)備不僅體現(xiàn)了此類設(shè)備在當(dāng)前環(huán)境下的適應(yīng)性，還體現(xiàn)了此類設(shè)備與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)管理水平和管理經(jīng)驗的相符性，有利于設(shè)備的長期使用和維護(hù)。

3.主要設(shè)備安裝

分體設(shè)備安裝較為復(fù)雜，主要包括流量計、分體式遙測終端機、分體式機箱、太陽能板等設(shè)備的安裝。

3.1 流量計的安裝

為保證計量設(shè)備使用精度和穩(wěn)定性，傳感器要選擇在管道直徑固定的長直管段部分進(jìn)行安裝，具體位置應(yīng)選擇安裝在上游具有10 倍以上的管道直徑距離（10d）和下游具有5 倍以上管道直徑距離（5d）的中間位置，且管段內(nèi)無任何閥門、泵、高壓電和變頻器等干擾源。確實無法滿足直管段條件的，也可按照長直管道上游5 倍管道直徑距離、下游3 倍管道直徑距離的中間位置安裝。

以管段式為例，首先要切斷管道內(nèi)流水，按上述要求確定安裝位置，采用氧焊對管道進(jìn)行切割，切割面不能有凹凸現(xiàn)象，同時保證切割的距離要滿足安裝要求。將需要安裝的法蘭用電焊焊接在前、后直管段上，焊接后要保證法蘭的斷面與管道垂直，同時保證焊接處牢固無沙眼或漏水。將流量計按照正確的安裝方向放置好后，在流量計法蘭和安裝法蘭之間安放橡膠墊片后擰緊。緊固螺絲時應(yīng)采用力矩扳手對角線方式緊固，均勻用力，防止上偏或受力不均導(dǎo)致橡膠墊片損壞造成的漏水現(xiàn)象。

3.2 分體式遙測終端機安裝

遙測終端機（含通訊模塊）安裝，采用生產(chǎn)廠家出廠預(yù)留的安裝孔用螺絲緊固于保護(hù)箱內(nèi)，安裝完成后需要做好防雨、防塵及保溫措施。對于野外安裝的設(shè)備需要做好防盜及避雷措施。設(shè)備安裝地點要遠(yuǎn)離易燃、易腐蝕、強磁及變頻等物品或設(shè)備，同時應(yīng)盡量避開屋頂、窗口和管道易漏水等位置，安裝完成應(yīng)清理設(shè)備上的手印及污漬。

3.3 分體式機箱安裝

機箱安裝位置要選擇干燥、便于操作的地方，要增加防護(hù)、防腐措施，接入機箱的外部線纜要加固，走向美觀，室外安裝要防止雨水倒灌入機箱。外部線路走線必須穿套管，不得走明線、裸線。機箱內(nèi)部安裝遙測終端機、通訊模塊、電源、防雷模塊等，通信模塊外接天線不能外露，機箱門帶鎖，進(jìn)出線均要求密封防水、防塵，防護(hù)等級要達(dá)到IP65。設(shè)備全部安裝完成后，安裝通訊卡進(jìn)行調(diào)試，保證數(shù)據(jù)正常傳輸使用。

3.4 太陽能板安裝

太陽能板位置選擇在避雷針覆蓋區(qū)域，靠近RTU 機箱，方向朝南，無遮擋，傾角45°。

4.項目實施效果分析

取水在線計量監(jiān)控項目建設(shè)是實現(xiàn)非農(nóng)取用水戶（工業(yè)、生活、服務(wù)業(yè)）取用水量準(zhǔn)確計量的基礎(chǔ)性、公益性項目，是水資源稅改革的管理需求，是實現(xiàn)水資源管理向動態(tài)管理、精細(xì)管理、定量管理和科學(xué)管理轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志，具有重要的節(jié)水效益、社會效益，以及經(jīng)濟效益。截止目前，全省安裝非農(nóng)取水在線計量監(jiān)控站點在1.6 萬余處，基本實現(xiàn)年取水量1 萬m3以上的非農(nóng)取用水戶在線計量監(jiān)控全覆蓋。

4.1 提高水資源管理水平

非農(nóng)取用水戶（工業(yè)、生活、服務(wù)業(yè)）是水資源管理的重要對象，針對非農(nóng)取用水戶取水量在線監(jiān)控，能夠為水資源管理提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，減輕水行政主管部門現(xiàn)場抄表和檢查工作壓力，實現(xiàn)水資源管理的信息化。2020年—2022 年間，全省在線監(jiān)控水量占總用水量比例由90%提升至96%，在線監(jiān)控水量占比逐年提高。2020 年—2022 年在線監(jiān)控水量占非農(nóng)取用水總量情況見圖3。

圖3 2020 年—2022 年在線監(jiān)控水量占比情況柱狀圖

4.2 提高水資源的調(diào)控能力

水資源在線監(jiān)控項目實施，將為政策制定、強化水資源管理能力和水資源的優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行支撐，從而合理配置生活、生態(tài)和工業(yè)用水的目標(biāo)，增強水資源的調(diào)控能力，提高水資源可持續(xù)利用水平。

4.3 深入推進(jìn)節(jié)約用水

項目實施后，能夠?qū)崟r掌握取用水戶用水情況，按照水量征收水資源稅，能夠有效抑制水資源浪費，將人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活與水資源節(jié)約保護(hù)緊密聯(lián)系在一起，增強人們對水資源的保護(hù)意識，提高水資源開采和利用效率，優(yōu)化水資源的配置。

5.結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)的發(fā)展，信息化已經(jīng)成為當(dāng)今世界發(fā)展的大趨勢，大大推動了經(jīng)濟社會的變革。在提升水源管理水平方面，需要更加精細(xì)化的管理，取水在線計量監(jiān)控項目的實施，可以實時監(jiān)測取用水戶用水量，大大增加水資源管理的信息化水平，有效檢驗地下水超采綜合治理效果，充分保障水資源稅合理征收，提高水資源管理工作效率，增強水資源管理的可靠性，為水資源管理提供準(zhǔn)確、及時、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支撐?！?/p>