取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案研究

(1.水利部綜合事業(yè)局，北京 100053；2.松遼水利委員會(huì)水文局(信息中心)，吉林 長(zhǎng)春 130021；3.松遼委水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河 164300)

實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，必須加強(qiáng)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，水利部于2011年提出并組織開(kāi)展國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)[1]。先后歷經(jīng)了一期和二期的努力，建成了規(guī)模以上取用水戶(hù)、重要水功能區(qū)和省界斷面三大監(jiān)控體系。取用水監(jiān)控體系是國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)的重要一環(huán)，旨在考核區(qū)域用水總量和用水效率。因此，制定取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案，提高取用水監(jiān)控能力，對(duì)水資源管理紅線(xiàn)控制和考核是十分必要也是十分重要的。

1 取用水監(jiān)控體系概述

1.1 取用水監(jiān)控體系建設(shè)

為了實(shí)時(shí)掌握取用水戶(hù)取水、用水和排水動(dòng)態(tài)，國(guó)家建設(shè)了取用水監(jiān)控體系，對(duì)一定規(guī)模以上的取用水戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。一期監(jiān)控對(duì)象為地表水年取水量在300萬(wàn)m3以上的工業(yè)、生活及公共集中供水的取用水大戶(hù)，地下水年取水量在50萬(wàn)m3以上的工業(yè)、生活取用水大戶(hù)、特別重要或敏感的取用水戶(hù)等。目前實(shí)施的二期建設(shè)又將萬(wàn)畝以上灌區(qū)農(nóng)業(yè)取用水戶(hù)納入建設(shè)范圍。一期建設(shè)完成后，全國(guó)共設(shè)置近萬(wàn)個(gè)取用水國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以解決取用水監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)薄弱的問(wèn)題[3]。

1.2 取用水監(jiān)測(cè)目的和作用

取用水監(jiān)測(cè)的主要目的是實(shí)現(xiàn)國(guó)家對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用量的總量控制。2012年《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》提出2020年和2030年全國(guó)用水總量力爭(zhēng)控制在6700億m3和7000億m3，為此必須要建立相應(yīng)的監(jiān)督、管理和考核機(jī)制。國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)一期建設(shè)實(shí)施后，取用水監(jiān)控體系實(shí)現(xiàn)了對(duì)70%以上河道外許可水量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。通過(guò)取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)輔以水行政主管部門(mén)嚴(yán)格取水審批，以及國(guó)務(wù)院對(duì)各省級(jí)行政區(qū)最嚴(yán)格水資源管理制度的進(jìn)行考核，可以逐步實(shí)現(xiàn)用水總量控制紅線(xiàn)目標(biāo)。

由此可見(jiàn)，取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)體系的建設(shè)，主要有以下作用：

a.取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是總量控制紅線(xiàn)管理的必要監(jiān)督手段。通過(guò)取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，做到用水能控、總量能監(jiān)，紅線(xiàn)能考。

b.用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是水行政主管部門(mén)取水許可的必要管理手段。通過(guò)取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，掌握重點(diǎn)用水戶(hù)的用水動(dòng)態(tài)，同時(shí)掌握區(qū)域用水總量。

c.取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是實(shí)施流域水量分配的必要輔助手段。通過(guò)對(duì)流域內(nèi)取用水的監(jiān)控，確保省界控制斷面的下泄水量，保障流域水量分配指標(biāo)的嚴(yán)格落實(shí)。

d.取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是最嚴(yán)格水資源管理制度考核的必要檢查手段。通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)取用水的監(jiān)測(cè)，對(duì)省級(jí)行政區(qū)各項(xiàng)用水指標(biāo)進(jìn)行真實(shí)性、準(zhǔn)確性和合理性檢查。

e.取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)有助于開(kāi)展?jié)B漏分析，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷(xiāo)差管理

2 取用水類(lèi)型和特點(diǎn)

2.1 取用水的類(lèi)型

按照不同的分類(lèi)方式，可以將取用水劃分為不同的類(lèi)型。

a.按照取用水的水源類(lèi)型來(lái)分類(lèi)，一般可以分為地表水取水和地下水取水兩種類(lèi)型，除此以外其他的取水類(lèi)型還有中水回用、海水淡化、跨流域調(diào)水等。

b.按照取用水的行業(yè)類(lèi)型來(lái)分類(lèi)，一般可以分為工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水等。

c.按照取用水的方式來(lái)分類(lèi)，可以分為蓄水、提水、引水和調(diào)水4種類(lèi)型。在國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)中，又按照取水方式分為管道型、渠道型和河道型3種類(lèi)型。

2.2 取用水的特點(diǎn)

取用水的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方式需要根據(jù)取用水戶(hù)的具體情況而定?？偨Y(jié)分析各種類(lèi)型取用水戶(hù)的取水情況，普遍具有以下特點(diǎn)：

a.取用水戶(hù)紛繁復(fù)雜，情況各異。從取用水的時(shí)段來(lái)說(shuō)，分為全年取水和季節(jié)性取水。從取用水的狀態(tài)來(lái)說(shuō)，分為持續(xù)取水和間歇性取水。從取用水的方式來(lái)說(shuō)，分為管道型和渠道型，渠道型的取用水戶(hù)，有規(guī)整渠道的，也有不規(guī)整渠道的；管道型的取用水戶(hù)，有滿(mǎn)管供水的和非滿(mǎn)管供水的，有金屬管路和非金屬管路的，有大管徑的和小管徑的等。取用水的情況不同，監(jiān)測(cè)方式也不同。

b.農(nóng)業(yè)取用水的特點(diǎn)：季節(jié)性強(qiáng)，只在灌溉期取水。農(nóng)業(yè)取用水方式多數(shù)為地表水渠道型，除此以外大部分是井灌。農(nóng)業(yè)取水地點(diǎn)多數(shù)位于空曠的野外，無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度一般不會(huì)太強(qiáng)。取水地點(diǎn)通常不具備供電條件，因此農(nóng)業(yè)取用水監(jiān)測(cè)需要配備設(shè)備立桿和太陽(yáng)能供電設(shè)施。在灌溉期以外，監(jiān)測(cè)設(shè)備需要拆卸保管，以防低溫?fù)p壞和人為破壞。

c.工業(yè)、生活取用水特點(diǎn)：多數(shù)是全年取水，個(gè)別的由于生產(chǎn)工藝、市場(chǎng)供求等原因?yàn)榧竟?jié)性取水。工業(yè)取水方式多數(shù)為地下水管道型，生活取用水多數(shù)為地表水管道型。工業(yè)、生活取用水地點(diǎn)多位于城市或城市附近，一般有泵房車(chē)間或地下井室，滿(mǎn)足供電條件，但地下井室無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度通常不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸要求。在北方冬季寒冷地區(qū)，通常還要考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備的保溫措施。

3 取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案研究

3.1 渠道型取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

3.1.1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)站組成

渠道型(包括河道型)的取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)站設(shè)備主要包括傳感器、遙測(cè)終端(RTU)、太陽(yáng)能板、蓄電池和GPRS通信模塊[4]。實(shí)踐中最典型的傳感器是雷達(dá)水位計(jì)，其他類(lèi)似的傳感器還有超聲波水位計(jì)、浮子水位計(jì)、閘位計(jì)、時(shí)差法明渠流量計(jì)、聲學(xué)多普勒流速儀、堰槽流量計(jì)等。遙測(cè)終端(RTU)主要功能是完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸，并與中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。GPRS通信模塊主要功能是提供GPRS和短消息無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)站設(shè)備提供電源。渠道型監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 渠道型取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)站典型結(jié)構(gòu)

3.1.2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法選擇相應(yīng)的傳感器。目前常用的渠道型取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法[5]有以下5種：

a.超聲波時(shí)差法。適用于斷面較穩(wěn)定，有一定水深的斷面，另外須測(cè)量斷面面積并采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)流設(shè)備標(biāo)定流量系數(shù)后，才能保證精度。

b.聲學(xué)多普勒流速儀法。根據(jù)河床形狀、水流以及河道淤積情況，可選用水平或底座式儀器進(jìn)行測(cè)流，對(duì)于無(wú)法安裝固定測(cè)流裝置的河道斷面，可采用走航式測(cè)流。

c.水工建筑物測(cè)流法。根據(jù)閘門(mén)上下游水位及閘門(mén)開(kāi)度，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出閘門(mén)過(guò)水流量。其優(yōu)點(diǎn)是只要準(zhǔn)確地測(cè)量出上下游水位及閘門(mén)開(kāi)度，即可換算出過(guò)閘流量，不足之處是須人工進(jìn)行標(biāo)定，須建立經(jīng)驗(yàn)公式的相關(guān)系數(shù)。

d.堰槽法。采用專(zhuān)門(mén)制造的測(cè)流堰槽或現(xiàn)場(chǎng)制作的測(cè)流堰槽，通過(guò)過(guò)堰水流的水位，利用水力學(xué)公式可計(jì)算出通過(guò)堰槽的流量。常用的堰槽有三角堰、巴歇爾槽等。

e.水位-流量關(guān)系法。水位-流量關(guān)系法利用水工建筑物，如河道、渠道、堰、槽，以水位與流量的關(guān)系作為依據(jù)，通過(guò)測(cè)量水位計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量。

3.1.3 實(shí)踐中對(duì)監(jiān)測(cè)方法的選擇

a.對(duì)于河道或渠道較寬(一般在10m以上)，且渠道規(guī)整有襯砌的，建議采用超聲波時(shí)差法。

b.對(duì)于河道或渠道較窄(一般在10m以下)，且渠道規(guī)整有襯砌的，建議采用聲學(xué)多普勒流速儀法。

c.對(duì)于閘門(mén)上下游有一定水位差(一般在10cm以上)，上下游渠道順直且有穩(wěn)定泄流關(guān)系曲線(xiàn)的，宜采用水工建筑物法(閘位計(jì)法)。

d.對(duì)于中小灌區(qū)，引水渠道大多坡降較小，渠道形狀不規(guī)則或者沒(méi)有襯砌，但是可以通過(guò)觀測(cè)獲得水位-流量關(guān)系。這種渠道適合采用水位-流量關(guān)系法，建議采用雷達(dá)水位計(jì)。

e.對(duì)于較小的河道或渠道(寬度在3m以下)，渠道規(guī)整、有襯砌且有一定比降的，可采用堰槽法。建議采用巴歇爾槽，并配合使用超聲波水位計(jì)觀測(cè)水位。

3.2 管道型取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

3.2.1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)站組成

管道型的取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)站設(shè)備主要包括傳感器、遙測(cè)終端(RTU)、太陽(yáng)能板、蓄電池和GPRS通信模塊。傳感器主要包括電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、電子遠(yuǎn)傳水表等。管道型取用水監(jiān)測(cè)設(shè)備一般采用市電和太陽(yáng)能雙供電系統(tǒng)，利用開(kāi)關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。管道型檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 管道型取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)站典型結(jié)構(gòu)

3.2.2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法選擇相應(yīng)的傳感器。目前常用的管道型取用水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備[6]有以下4種：

a.聲學(xué)時(shí)差法管道流量計(jì)。可測(cè)量滿(mǎn)管水流的平均流速，再依據(jù)管道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e推算流量。有插入式、管段式和外夾式3種類(lèi)型。聲學(xué)時(shí)差法管道流量計(jì)分為換能器和主機(jī)兩部分，用專(zhuān)用電纜連接。

b.聲學(xué)多普勒管道流量計(jì)。應(yīng)用多普勒原理測(cè)量管道內(nèi)的流速分布，由測(cè)得流速推求管道內(nèi)平均流速，再根據(jù)管道內(nèi)徑推算流量。有插入式、管段式和外夾式3種類(lèi)型，與時(shí)差法流量計(jì)同屬超聲波流量計(jì)。

c.電磁管道流量計(jì)。電磁管道流量計(jì)是應(yīng)用電磁原理測(cè)量管道中水流平均速度，由管道內(nèi)徑推算流量。電磁管道流量計(jì)有分體式和一體式兩種型式。

d.電子遠(yuǎn)傳水表。在冷水水表的基礎(chǔ)上，增加水流量信號(hào)的機(jī)電轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元，構(gòu)成電子遠(yuǎn)傳水表。電子遠(yuǎn)傳水表應(yīng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與信息存儲(chǔ)、信號(hào)遠(yuǎn)傳傳輸?shù)裙δ?，用于小口徑管道自?dòng)監(jiān)測(cè)。

3.2.3 實(shí)踐中對(duì)監(jiān)測(cè)方法的選擇

a.對(duì)于大管徑的管道一般直徑在300mm以上的，或者管道不可斷水的，建議采用插入式超聲波流量計(jì)。設(shè)備要求上游有至少10倍管徑直管段，下游有至少5倍管徑直管段，不滿(mǎn)足直管段長(zhǎng)度的可以選擇多聲道超聲波流量計(jì)。

b.對(duì)于中等管徑的管道一般直徑在150～300mm之間的，建議采用管段式電磁流量計(jì)。管道不滿(mǎn)足直管段長(zhǎng)度或管道材質(zhì)為非金屬的，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行管道改造或開(kāi)挖監(jiān)測(cè)井。供電條件不好的監(jiān)測(cè)站，可選擇3.6V鋰電池自主供電的流量計(jì)。

c.對(duì)于小管徑的管道一般直徑在150mm以下的，建議采用電子遠(yuǎn)傳水表。小管徑管道有很大一部分是間歇供水，可在水表上游安裝逆止閥，以保證管道內(nèi)為滿(mǎn)管水。由水箱持續(xù)供水的，可在水箱出水管監(jiān)測(cè)。

d.對(duì)于取水管道已經(jīng)配備流量計(jì)的，可直接從流量計(jì)轉(zhuǎn)換器通過(guò)RS485接口提取流量信息到RTU。

e.對(duì)于監(jiān)測(cè)位置在地下井房的，通常無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度不好，可以選擇在地面立桿并安裝數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。對(duì)于北方寒冷地區(qū)，采用室外立桿方式安裝設(shè)備的，應(yīng)采用加熱板做好保溫措施。

4 哈爾濱取用水量監(jiān)測(cè)方案

哈爾濱市針對(duì)工業(yè)生活和灌區(qū)取用水量監(jiān)測(cè)，開(kāi)展了監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)，共涉及哈爾濱市37家企業(yè)和75個(gè)灌區(qū)的取用水監(jiān)測(cè)點(diǎn)。方案在現(xiàn)場(chǎng)勘察基礎(chǔ)上，掌握了取水基本情況，明確了測(cè)流方式及水位計(jì)類(lèi)型，信道及信號(hào)輸出方式，終端箱安裝方式、流量計(jì)安裝方式，線(xiàn)纜的長(zhǎng)度，提出了具體的工程量清單等內(nèi)容。75個(gè)灌區(qū)大都為中小型灌區(qū)，為渠道引水，設(shè)計(jì)方案中采用雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測(cè)渠道水位，通過(guò)水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)推算流量。37家企業(yè)為管道引水，設(shè)計(jì)方案中5家采用自主供電管段式電磁流量計(jì)；24家采用管段式靶式流量計(jì)；8家采用自主供電插入式超聲波流量計(jì)。

5 監(jiān)測(cè)工作管理

在對(duì)取用水戶(hù)的監(jiān)測(cè)工作中，還應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，加強(qiáng)方案比選，結(jié)合實(shí)際情況確定合適的監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)方法。另外，取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)需要重視空管監(jiān)測(cè)、供電系統(tǒng)不穩(wěn)定等特殊工況，研究相關(guān)情況對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文按照取水方式，將在線(xiàn)監(jiān)測(cè)取用水戶(hù)分為管道型和渠道型。二者的監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)類(lèi)似，主要包括傳感器、遙測(cè)終端、太陽(yáng)能板、蓄電池和GPRS通信模塊，區(qū)別是傳感器不同。渠道型取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法主要有超聲波時(shí)差法、聲學(xué)多普勒流量計(jì)法、水工建筑物測(cè)流法、堰槽法和水位-流量關(guān)系法等；管道型取用水流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有聲學(xué)時(shí)差法管道流量計(jì)、聲學(xué)多普勒管道流量計(jì)、電磁管道流量計(jì)和電子遠(yuǎn)傳水表等。在實(shí)踐中要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)方法，把工作做到細(xì)節(jié)，盡量以最小的投資取得最好的監(jiān)測(cè)效果。