河北省非農(nóng)取用水戶水量在線計量監(jiān)控方案設(shè)計方法綜述

侯 爽，劉 淼

（河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心，050061，石家莊）

河北省屬于水資源緊缺省份，自列入全國壓減地下水開采量以及水資源稅征收試點省份以來，不斷推陳出新，利用多種途徑降低地下水開采量。非農(nóng)取用水戶是取用水系統(tǒng)的重要組成部分，對其取水量進行有效在線監(jiān)控，不僅是落實壓采政策的需要，更是獲取水資源稅征收重要依據(jù)的需要。

一、在線計量監(jiān)控安裝設(shè)計中存在的問題

2014年至今，國家以及河北省陸續(xù)投資建設(shè)了非農(nóng)取用水戶在線監(jiān)測點以及河北省水資源管理信息平臺。國家以及省級資金建設(shè)的在線監(jiān)測點均通過政務外網(wǎng)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸至河北省水資源管理信息平臺。近年，在河北省水利廳大力推進下，河北省水資源監(jiān)控覆蓋率快速增長，規(guī)模以上取用水戶基本實現(xiàn)在線監(jiān)控全覆蓋。但在監(jiān)控體系建設(shè)過程中仍存在一些問題，影響了已建在線監(jiān)控體系在水資源稅改革過程中效能的完整發(fā)揮，具體問題如下：

1.技術(shù)標準不健全

在水資源監(jiān)控能力建設(shè)的前期設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計方案中技術(shù)標準不夠健全，設(shè)備相關(guān)技術(shù)參數(shù)不明確，極有可能導致承建單位提供的設(shè)備技術(shù)參數(shù)達不到要求，甚至出現(xiàn)部分承建單位在投標過程中降低部分技術(shù)參數(shù)標準，導致最低價中標情況的出現(xiàn)，設(shè)計方案無法對在線監(jiān)控體系建設(shè)發(fā)揮很好的指導作用。

2.精細化水平不足

現(xiàn)狀情況下，多數(shù)設(shè)計方案僅僅考慮設(shè)備的成本，不考慮現(xiàn)場計量設(shè)施的安裝環(huán)境，精細化水平不足。根據(jù)國家標準，計量設(shè)施在標準的建設(shè)環(huán)境下，才能夠滿足其計量精度。但是由于前期設(shè)計環(huán)節(jié)中并未進行逐點現(xiàn)場調(diào)研，導致設(shè)計過程中典型設(shè)計環(huán)節(jié)的缺失，因此現(xiàn)場計量設(shè)施的安裝多數(shù)無法滿足計量設(shè)施的標準安裝要求，影響了在線監(jiān)控效力的發(fā)揮。

3.部分設(shè)計環(huán)節(jié)缺失

在線監(jiān)控信息的傳輸過程中，被采集到的信息（主要包含水量、水位、經(jīng)緯度等）需要通過固定的編碼找到指定的數(shù)據(jù)地址，這種固定的編碼稱為測站編碼。測站編碼相當于監(jiān)控站點的身份ID，具備唯一性。目前，設(shè)計方案中缺失對測站編碼的設(shè)計環(huán)節(jié)，造成后期承建單位和平臺運營商之間編碼沖突，出現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備編碼與平臺編碼不對應的現(xiàn)象。

4.缺乏科學的資金測算方案

傳統(tǒng)的設(shè)計方案中，僅僅是針對擬安裝設(shè)備類型進行簡單的資金測算，但是由于前期未考慮現(xiàn)場管道環(huán)境對計量設(shè)施準確性的影響，無法做到有針對性地進行資金測算，造成資金不合理利用；同時已安裝在線計量或者在線計量部分設(shè)備損壞的計量點，往往片面地考慮整體更新方式，造成資金浪費。

為此，本文從前期設(shè)計入手，為水資源管理人員普及基礎(chǔ)知識，并系統(tǒng)總結(jié)設(shè)計環(huán)節(jié)所需要的技術(shù)要求。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

二、設(shè)計思路

1.設(shè)計原則

①標準化：系統(tǒng)整體架構(gòu)、硬件組成、各類編碼生成、報文格式以及數(shù)據(jù)接口方面應嚴格執(zhí)行國家與行業(yè)相應的標準和規(guī)范，保證新建各類測站間、新建測站與原有測站間以及新建測站原信息平臺間的無縫對接。

②適應性：應充分考慮氣候、主要用水行業(yè)、水資源管理需求等特征情況，針對自身特點和功能需求，在系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型、施工方案設(shè)計和后期運行維護方案確定等環(huán)節(jié)進行適應性調(diào)整，確保方案可實施、易達效。

③先進性：系統(tǒng)方案設(shè)計要充分貼合在線監(jiān)控領(lǐng)域的最新技術(shù)水平，在水量計量設(shè)備、RTU設(shè)備、系統(tǒng)防護設(shè)備以及安裝改造方案設(shè)計等方面，應高標準確定流量計測量精度、設(shè)備功耗、保護等級等主要技術(shù)參數(shù)標準。

④經(jīng)濟性：方案設(shè)計應堅持先進性與實用性并重，在堅持實用和統(tǒng)一高標準的基礎(chǔ)上，以最小的投入獲得最大的產(chǎn)出。

⑤可維護性和安全性：系統(tǒng)設(shè)計方案應便于建設(shè)單位后期管理和維護，同時降低建設(shè)施工、后期運行和管理維護過程中的安全風險。

2.監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測站是利用流量監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集終端RTU，數(shù)據(jù)采集終端RTU對數(shù)據(jù)進行儲存、整理實時在線的數(shù)據(jù)，通過通信終端DTU將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，供電設(shè)備為遙測終端機的運行提供電源。監(jiān)控系統(tǒng)可分為分體式和一體式兩種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

對于分體式監(jiān)測站，流量計量設(shè)施和遙測終端機分開安裝，一般計量設(shè)施含內(nèi)置鋰電池，遙測終端機利用蓄電池或者市電交流電供電，蓄電池利用太陽能供電系統(tǒng)或者市電充電控制器充電，電池容量需根據(jù)實際情況進行參數(shù)設(shè)置。該類監(jiān)測站適用于計量設(shè)施安裝位置信號較差或者計量設(shè)施耗電較大的情況。

對于一體式監(jiān)測站，將遙測終端集成至流量計上，直接將一體式流量計量設(shè)施安裝在管道上，設(shè)備要求流量計和遙測終端分別有獨立的大容量鋰電池組供電，同時要求電池組更換方便，電池容量需要根據(jù)實際情況進行參數(shù)設(shè)置。該類監(jiān)測站安裝簡單，保護方便，但是不適用于地下或者室內(nèi)等信號不好的環(huán)境。

同時，監(jiān)控系統(tǒng)要求具備防雷系統(tǒng)，包括防雷設(shè)備（含電源防雷器、信號防雷器、同軸防雷器）和接地系統(tǒng)，同時具備政務外網(wǎng)傳輸能力的專用物聯(lián)卡、設(shè)備箱、支架及輔料等相關(guān)設(shè)備。

3.計量設(shè)施選型設(shè)計

流量監(jiān)控設(shè)備是監(jiān)測站點整體結(jié)構(gòu)的基本組成和核心部件，一方面，流量監(jiān)測設(shè)備的準確性決定了整個監(jiān)測站點的效能和有效性；另一方面，流量監(jiān)測設(shè)備的類型、結(jié)構(gòu)和參數(shù)對站點整體設(shè)計方案中諸如RTU系統(tǒng)選擇、供電系統(tǒng)能力需求、管道環(huán)境改造方案等環(huán)節(jié)產(chǎn)生決定性影響，因此根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇適當?shù)牧髁勘O(jiān)控設(shè)備尤為重要。

（1）電子遠傳水表

電子遠傳水表的基本原理是以普通的機械式冷熱水表為基礎(chǔ)，加上遠傳輸出系統(tǒng)構(gòu)成，一般分為脈沖發(fā)訊水表、脈沖直讀水表、光電直讀水表3種。

電子遠傳水表的優(yōu)點是成本低、采集技術(shù)成熟、外部數(shù)據(jù)線路損壞或斷電不影響脈沖計量，可靠性較高；缺點是受水錘、壓力不穩(wěn)等影響會產(chǎn)生累計誤差，線纜和維護成本高，在外磁場或管道的抖動下易丟數(shù)或加數(shù)，造成水表的機械顯示和系統(tǒng)電子讀數(shù)不一致。這類水表機芯防水密封要求高，電子部分和基表嵌入組裝設(shè)計對制造工藝要求高，周檢換表成本較高，適用于周邊無較強磁場、管道無抖動的環(huán)境。

（2）超聲波水表及聲學時差法管道流量計

該類計量設(shè)施的原理相同，均為當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與液體的流速成正比，因此，可通過計算傳播時間的差距獲得水流的流速，從而求出流量。

超聲波水表可分為單聲道和雙聲道兩種類型，其優(yōu)點是靜態(tài)功耗低、始動流量小、流量范圍寬、計量精度較電子遠傳水表高，缺點是電池6年左右就要更換一次。該類水表適用于水中有些許雜質(zhì)、現(xiàn)場無供電、對測量精度要求不高的環(huán)境。

聲學時差法管道流量計可分為插入式、外夾式、管段式3種類型，其優(yōu)點是計量精度高、無阻流件設(shè)計、壓力損失小，可雙向計量、功耗適中，外夾式和插入式可實現(xiàn)不斷水在線安裝；缺點是對流場敏感度高，易受干擾，同時對直管段長度要求較高，外夾式需定期維護耦合劑。

（3）電磁管道流量計

電磁管道流量計分為插入式和管段式兩種類型，其原理是根據(jù)法拉第電磁感應定律，通過測量感應電勢的大小來計算流量大小。優(yōu)點是全電子化設(shè)計，線性度好、精確度高，可雙向計量；缺點是功耗大，環(huán)境適應性弱。該類計量設(shè)施適用于精度要求高、周邊無磁場干擾的環(huán)境。

4.方案設(shè)計

（1）計量設(shè)施安裝方案設(shè)計

計量設(shè)施的安裝環(huán)境直接影響著計量設(shè)施的計量精度，因此，需要在計量設(shè)施安裝時充分考慮管道環(huán)境的影響，現(xiàn)場環(huán)境不同，計量設(shè)施的安裝方法也有不同。

①當計量設(shè)施擬安裝位置裸露于地面時，安裝位置的周邊環(huán)境較為清晰，因此可以根據(jù)管道材質(zhì)、管道長直情況判別不同的安裝方式。a.若此時管道為長直鑄鐵管道或者長直塑料硬管，現(xiàn)場管道長度能夠滿足計量設(shè)施“前十后五”（即計量設(shè)施上游至少要有10倍管徑的直管段，下游要有5倍管徑的直管段）要求，則直接安裝即可。b.若此時管道為塑料軟管，則需要在計量設(shè)施上游加裝10倍管徑的長直鑄鐵直管段，并在計量設(shè)施下游加裝5倍管徑的長直鑄鐵直管段。c.若此時管道為鑄鐵管道或者塑料硬管，但是管道長度不滿足要求，則需要通過管道改造的方式（通過添加長直管道、彎頭等輔材）達到安裝環(huán)境要求。

②當計量設(shè)施擬安裝位置埋藏于地下時，由于擬安裝位置不具備正常的安裝條件，因此需要新建監(jiān)控井，并按照計量設(shè)施的安裝環(huán)境要求進行管道改造和標準安裝。

（2）RTU設(shè)備箱安裝方案設(shè)計

①分體式流量計。a.室內(nèi)掛墻安裝：對于機井或計量設(shè)施處于井房、泵房等保護性建筑物內(nèi)，且不影響無線通信信號收發(fā)的監(jiān)控點，可優(yōu)先選擇RTU設(shè)備箱室內(nèi)掛墻安裝方案。b.室外掛墻安裝：對于機井或計量設(shè)施處于井房、泵房等保護性建筑物內(nèi)但建筑物影響無線通信信號收發(fā)的監(jiān)控點，及計量設(shè)施位于室外但周邊有可利用建筑物的監(jiān)控點，可采用室外掛墻安裝方案，并選擇滿足相應防護要求的RTU設(shè)備箱。c.立桿安裝：對于計量設(shè)施周邊無可利用建筑物的監(jiān)控點，可選擇現(xiàn)場豎立設(shè)備桿，RTU設(shè)備箱采用設(shè)備桿安裝方案

②一體式流量計。對于一體式流量計，RTU設(shè)備箱應跟隨計量設(shè)施安裝。

（3）供電系統(tǒng)安裝方案設(shè)計

供電系統(tǒng)一般分為電池直流供電、市電交流供電、太陽能蓄電池供電3種獨立供電系統(tǒng)，可以交叉使用，作為備用電源以提高電源保證率。

當使用電池直流供電時，電池供電安裝可集成于一體式計量設(shè)施中，也可直接安裝在RTU設(shè)備箱中。

當使用太陽能蓄電池供電時，現(xiàn)場有可利用建筑物的，可將太陽能供電系統(tǒng)安裝在建筑物屋頂或外立面；現(xiàn)場無可利用建筑物的，可將太陽能供電系統(tǒng)依托于RTU設(shè)備桿進行安裝

（4）計量設(shè)施保護措施

針對傳感器處于室外無保護措施的計量點，需要安裝保護設(shè)施：一是可以直接設(shè)置水泥水表池，將所有設(shè)施全部封閉于水泥水表池內(nèi)；二是針對不同的傳感器類型，如管段式、插入式或者外夾式計量設(shè)施，安裝不同形式的計量設(shè)施保護罩。

三、結(jié) 論

隨著水資源稅改革的不斷深入，取用水戶用水量的準確計量不僅關(guān)系到國家稅收以及法律的強制執(zhí)行力，更關(guān)系到水資源的合理開采和利用。對于長期缺水的河北省來說，非農(nóng)取用水戶用水量作為水資源開采和使用的重要組成部分之一，對其進行準確的計量監(jiān)控，并利用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)征收水資源稅，不僅能夠減輕基層水資源管理部門的工作量，全面提升河北省水資源管理水平，還能夠防止人為因素造成偷稅漏稅行為，增強河北省水利信息化水平，為實施最嚴格水資源管理制度提供技術(shù)支撐。

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